JP6071430B2 - 発電システム及び発電システムの運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システム及び発電システムの運転方法に関するものである。
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器に燃料として使用することができる。
このため、例えば、下記特許文献１に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。
特開２００９−２０５９３０号公報
上述した従来の発電システムでは、ＳＯＦＣからガスタービンに供給する排燃料ガスのカロリーが変動する場合がある。特に、発電システムでは、ＳＯＦＣからガスタービンへの排燃料ガスの供給開始時に変動が生じやすい。ガスタービンに供給する排燃料ガスの熱量が変動すると、ガスタービンの燃焼室での燃焼が不安定になり問題である。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池からガスタービンに供給する排燃料ガスをより安定させ、ガスタービンでの燃焼を安定させることができる発電システム及び発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、前記排燃料ガス供給ラインに設けられ、少なくとも開閉を切り換える開閉制御弁と、前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインを加熱する加熱手段と、前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガスの状態を検出する検出部と、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記加熱手段による前記排燃料ガス供給ラインの加熱を制御し、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了した判定した場合、前記開閉制御弁を開とする制御部と、を有することを特徴とする。
従って、加熱手段と検出部と開閉制御弁を設けることで、加熱手段により排燃料ガス供給ラインを加熱し、かつ、検出部で検出した排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの状態が所定の状態に安定するまで、ガスタービンに排燃料ガスを供給しないようにすることができる。すると、ガスタービンに排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインを加熱できることで、ドレンが発生した排燃料ガスが直接ガスタービンの燃焼器に供給されることを抑制することができる。また、ドレンが発生することで水分が低減されてカロリーが高くなった排燃料ガスがガスタービンに供給されたり、発生したドレンが蒸発してＨ２Ｏ分が多い、つまりカロリーの低い排燃料ガスがガスタービンに供給されたりすることを抑制することができる。これにより、ガスタービンに供給する排燃料ガスの性状を安定させることができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
本発明の発電システムでは、前記検出部は、前記排燃料ガスのカロリーを検出する熱量計であり、前記制御部は、前記検出部で検出した前記カロリーが所定の範囲内であることを検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定することを特徴とする。
従って、ガスタービンにカロリーが安定した排燃料ガスを供給することができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
本発明の発電システムでは、前記検出部は、前記排燃料ガスの温度を検出する温度計であり、前記制御部は、前記検出部で検出した前記温度が所定値以上であることを検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定することを特徴とする。
従って、排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスがドレンの発生しない温度で流れていることを検出した後、ガスタービンへの排燃料ガスの供給を開始することができる。これにより、ガスタービンにカロリーが安定した排燃料ガスを供給することができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
本発明の発電システムでは、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記排燃料ガス供給ラインの前記開閉制御弁よりも上流側に一方の端部が連結され、前記燃料ガス供給ラインに他方の端部が連結され、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスの一部を前記燃料ガス供給ラインに供給する燃料ガス再循環ラインと、を有し、前記加熱手段は、前記排燃料ガス供給ラインの前記燃料ガス再循環ラインとの連結位置より下流側かつ前記開閉制御弁よりも上流側に一方の端部が連結され、前記燃料ガス再循環ラインに他方の端部が接続された排燃料ガス再循環ラインを備え、前記排燃料ガス再循環ラインで前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスを燃料ガス再循環ラインに供給し、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスを循環させ、前記排燃料ガスの熱で前記排燃料ガス供給ラインを加熱することを特徴とする。
従って、排燃料ガスを循環させることで、排燃料ガス供給ラインを加熱することができる。これにより、別途か熱源を設ける必要がなくなり、また、加熱に利用した排燃料ガスも有効に活用することができる。
また、本発明の発電システムの運転方法は、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、前記排燃料ガス供給ラインに設けられ、少なくとも開閉を切り換える開閉制御弁と、を有する発電システムの運転方法であって、前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガスの状態を検出する工程と、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを加熱する工程と、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスの状態が安定したと判定した場合、前記開閉制御弁を開とする工程と、を有することを特徴とする。
従って、排燃料ガス供給ラインを加熱し、かつ、検出した前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの状態が所定の状態に安定するまで、ガスタービンに排燃料を供給しないようにすることができる。すると、ガスタービンに排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインを加熱できることで、ドレンが発生した排燃料ガスが直接ガスタービンの燃焼器に供給されることを抑制することができる。また、ドレンが発生することで水分が低減されてカロリーが高くなった排燃料ガスがガスタービンに供給されたり、発生したドレンが蒸発してＨ２Ｏ分が多い、つまりカロリーの低い排燃料ガスがガスタービンに供給されたりすることを抑制することができる。これにより、ガスタービンに供給する排燃料ガスのカロリーを安定することができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、ガスタービンに排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインを加熱できることで、ドレンが発生した排燃料ガスが直接ガスタービンの燃焼器に供給されることを抑制することができる。また、ドレンが発生することで水分が低減されてカロリーが高くなった排燃料ガスがガスタービンに供給されたり、発生したドレンが蒸発してＨ２Ｏ分が多い、つまりカロリーの低い排燃料ガスがガスタービンに供給されたりすることを抑制することができる。これにより、ガスタービンに供給する排燃料ガスのカロリーを安定することができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける排燃料ガス供給ラインの概略図である。 図３は、本実施例の発電システムの駆動動作の一例を示すフローチャートである。 図４は、本実施例の発電システムの排燃料の流れを制御する弁の動作のタイミングを表すタイムチャートである。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムにおける固体酸化物形燃料電池の起動方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
本実施例の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Ｔｒｉｐｌｅ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。
図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける排燃料ガス供給ラインの概略図である。本実施例において、図１に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成したものである。また、発電システム１０は、制御装置６２を備えている。制御装置６２は、入力された設定、入力された指示及び検出部で検出した結果等に基づいて、発電システム１０の各部の動作を制御する。
ガスタービン１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここでは、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いている。
ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと酸化剤としての高温の空気（酸化性ガス）が供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスが供給されることで発電を行う。なお、ここでは、ＳＯＦＣ１３に供給する燃料ガスＬ２として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いている。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。
このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３とが空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される圧縮空気循環ライン３６とに分岐される。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、圧縮空気循環ライン３６は、循環する空気量を調整可能な制御弁３８が設けられている。
また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の下流側に設けられている。
また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。
蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気によりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に蒸気供給ライン５４と給水ライン５５が設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７が設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスＧは、有害物質を除去されてから大気へ放出される。
ここで、本実施例の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動する。
まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４にて、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。
続いて、ＳＯＦＣ１３では、まず、圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始すると共に加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と圧縮空気循環ライン３６の制御弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態で、制御弁３２を所定開度だけ開放する。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
一方、ＳＯＦＣ１３では、燃料極側に燃料ガスＬ２を供給して昇圧を開始する。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２が供給されることで圧力が上昇する。
そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２を全開にすると共に、ブロワ３３を駆動する。それと同時に制御弁３７を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排出ライン３５から排出する。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３によりＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力が目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。
その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、排空気Ａ３と排燃料ガスＬ３の成分が安定したら、制御弁３７を閉止する一方、制御弁３８を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から燃焼器２２に供給される。また、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。
ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動により発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。
ところで、一般的な発電システムでは、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。ここで、排燃料ガス供給ライン４５の温度が低いと、排燃料ガス供給ライン４５でガスタービン１１に向けて供給される排燃料ガスの温度が低下する。排燃料ガスの温度が低下すると、ドレンが発生し、排燃料ガスの燃焼発熱量（カロリー）が変動する恐れがある。
そこで、本実施例の発電システム１０では、排燃料ガス供給ライン４５を加熱する加熱手段１０２と、排燃料ガス供給ライン４５で流す排燃料ガスの状態を検出する検出部１０４と、排燃料ガス供給ライン４５のガスタービン１１の近傍（本実施形態では、制御弁４７よりも下流側）に配置された開閉弁（開閉制御弁）１０６、と、を設ける。発電システム１０の制御装置（制御部）６２は、排燃料ガス供給ライン４５への排燃料ガスの供給開始時に、つまり制御弁４７を開にした後に、検出部１０４の結果に基づいて、加熱手段１０２及び開閉弁１０６を駆動するようにしている。
即ち、排燃料ガス供給ライン４５を加熱するための加熱手段１０２を設け、検出部１０４の検出結果に基づいて、加熱手段１０２の加熱を制御する。さらに、検出部１０４の検出結果に基づいて、開閉弁１０６の開閉を制御することで、ガスタービン１１（燃焼器２２）への排燃料ガスの供給の実行、停止を制御する。すると、排燃料ガス供給ライン４５を加熱することができ、さらに排燃料ガス供給ライン４５を加熱した後に排燃料ガス供給ライン４５を通過した排燃料ガスをガスタービンに供給することができる。これにより、ガスタービン１１（燃焼器２２）に供給する排燃料ガスの燃焼発熱量（カロリー）を安定させることができる。
詳細に説明すると、図２に示すように、加熱手段１０２は、排燃料ガス再循環ライン１１２と制御弁１１６とを有する。排燃料ガス再循環ライン１１２は、一方の端部が排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８と燃焼器２２との間に接続され、他方の端部が燃料ガス再循環ライン４９に接続されている。排燃料ガス再循環ライン１１２は、排燃料ガス供給ライン４５から供給された排燃料ガスＬ３を燃料ガス再循環ライン４９に供給する。制御弁１１６は、排燃料ガス再循環ライン１１２に設置されている。制御弁１１６は、開閉を切り換えることで、排燃料ガス再循環ライン１１２に排燃料ガスが流れるか流れないかを切り替え、開度を調整することで、排燃料ガス再循環ライン１１２を流れる排燃料ガスの流量を制御する。
検出部１０４は、排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８より下流側、かつ、排燃料ガス再循環ライン１１２と連結している位置よりも上流側に配置されている。検出部１０４は、設置されている位置の排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスのカロリーを検出する検出装置である。なお、検出部１０４は、設置されている位置の排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスの状態を検出できる検出装置であればよく、例えば、排燃料ガスの温度を検出する温度検出装置を用いることもできる。ここで、排燃料ガスの状態とは、排燃料ガス供給ライン４５を流れている間に排燃料ガスにドレンが生じたかを判定することができる各種条件である。なお、検出部１０４は、排燃料ガス供給ライン４５のガスタービン１１側、つまり、排燃料ガス再循環ライン１１２と連結している位置に近い側に配置することが好ましい。これにより、排燃料ガス供給ライン４５が流れることで、排燃料ガスに生じる変化をより高い確率で検出することができる。
開閉弁１０６は、排燃料ガス再循環ライン１１２と連結している位置よりも下流側、かつ、燃焼器２２よりも上流側に配置されている。開閉弁１０６は、開閉を切り換えることで排燃料ガスＬ３を燃焼器２２に供給するか否かを切り換えることができる。
制御装置６２は、少なくとも開閉弁１０６の開閉を調整可能である。そのため、制御装置６２は、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスをガスタービン１１に供給するか否かを切り換えることができる。また、本実施形態の制御装置６２は、制御弁４６、４７、１１６の開閉及び開度を調整可能である。そのため、制御装置６２は、排燃料ライン４３を流れる排燃料ガスの流れ、つまり排燃料を供給する機器を切り換えることができる。
以下、図２から図４を用いて、上述した本実施例の発電システム１０駆動方法について説明する。図３は、本実施例の発電システムの駆動動作の一例を示すフローチャートである。図４は、本実施例の発電システムの排燃料の流れを制御する弁の動作のタイミングを表すタイムチャートである。図３に示す駆動動作は、制御装置（制御部）６２が各部の検出結果に基づいて、演算処理を実行することで実現することができる。また、発電システム１０は、図３に示す処理の実行中も、燃料ガス再循環ライン４９を用いた排燃料ガスの循環を並行して実行している。
まず、制御装置６２は、排燃料ライン４３への排燃料ガスの供給を開始したら（ステップＳ１２）、排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する（ステップＳ１４）。具体的には、制御装置６２は、図４の時間ｔ１に示すように、制御弁４６を開とし、制御弁４７を閉とし、制御弁１１６を閉とし、開閉弁１０６を閉とする。これにより、排燃料ガスＬ３は、図２に示す矢印１３２の方向に排燃料ガスが流れ、排出ライン４４から排出される。
制御装置６２は、排燃料ガスの状態が安定したかを判定する（ステップＳ１６）。つまり、制御装置６２は、排燃料ライン４３を流れる排燃料ガスの成分が安定しているかを判定する。制御装置６２は、例えば、排燃料ガスの組成分析を行い、その結果に基づいて判定を行う。
制御装置６２は、排燃料ガスの状態が安定していないと判定した場合（ステップＳ１６でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１６に戻り、ステップＳ１６の判定を再び実行する。制御装置６２は、排燃料ライン４３を流れる排燃料ガスの状態が安定するまで、排燃料ガスを排出ライン４４から排出しつつ、ステップＳ１６の処理を繰り返す。
制御装置６２は、排燃料ガスの状態が安定している（ステップＳ１６でＹｅｓ）と判定した場合、排燃料ガスを排燃料ガス供給ラインに供給開始し（ステップＳ１８）、排燃料ガス再循環ラインを用いた排燃料ガス供給ラインの排燃料ガスの再循環を開始する（ステップＳ２０）。具体的には、制御装置６２は、図４の時間ｔ２に示すように、制御弁４６の開度を小さくし、制御弁４７を閉から開とする。これにより、排燃料ライン４３を流れる排燃料ガスＬ３を、排燃料ガス供給ライン４５に供給することができる。さらに、制御装置６２は、制御弁１１６を閉から開とし、開閉弁１０６を閉のまま維持する。制御装置６２は、制御弁４７を開として、排燃料ガス供給ライン４５に排燃料ガスへの供給を開始したら、ブロワ４８を駆動する。ブロワ４８は、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３を排燃料ガス再循環ライン１１２との連結部に向けて送る。また、開閉弁１０６を閉とし、制御弁１１６を開とすることで、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３は、排燃料ガス再循環ライン１１２との連結部に到達すると、排燃料ガス再循環ライン１１２に流れる。これにより、排燃料ガス供給ライン４５を流れた排燃料ガスＬ３は、図２に示す矢印１３４の方向に排燃料ガスが流れ、排燃料ガス再循環ライン１１２を流れ、燃料ガス再循環ライン４９に供給される。燃料ガス再循環ライン４９に供給された排燃料は、他の排燃料及び燃料と混合され、再びＳＯＦＣ１３に供給される。制御装置６２は、排燃料ガスを、排燃料ガス供給ライン４５、排燃料ガス再循環ライン１１２、燃料ガス再循環ライン４９、ＳＯＦＣ１３の順で循環させることで、排燃料ガスで排燃料ガス供給ライン４５を加熱することができる。また、加熱に利用した排燃料ガスをＳＯＦＣ１３に投入することで、再度加熱することができる。
制御装置６２は、排燃料ガスＬ３の再循環を開始したら、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了したかを判定する（ステップＳ２２）。制御装置６２は、検出部１０４の検出結果に基づいて、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了したかを判定する。制御装置６２は、検出部１０４が検出した排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスの状態に基づいて、加熱手段１０２による排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了したかを判定する。具体的には、検出部１０４は、排燃料ガスの状態として、排燃料ガスＬ３のカロリーや温度を計測することができる。制御装置６２は、排燃料ガスＬ３の状態に基づいて、排燃料ガス供給ライン４５に流れる排燃料ガスＬ３にドレンが発見されていないと判定した場合、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が終了したと判定する。制御装置６２は、検出部１０４で温度を検出する場合、温度が一定の値以上となったら加熱が完了したと判定する。
制御装置６２は、検出部１０４で排燃料ガスのカロリーを検出する場合、カロリーが所定の範囲内となったら加熱が完了したと判定する。
制御装置６２は、加熱が完了していないと判定した場合（ステップＳ２２でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ２２に戻り、ステップＳ２２の判定を再び実行する。制御装置６２は、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が終了するまで、つまり、検出部１０４で検出する排燃料ガスの状態が安定するまで、排燃料ガス再循環ライン１１２を用いた排燃料ガスＬ３の再循環を継続しつつ、ステップＳ２２の処理を繰り返す。これにより、制御装置６２は、排燃料ガス供給ライン４５から排燃料ガスをガスタービン１１に供給しない状態で、排燃料ガス供給ライン４５を加熱することができる。また、制御装置６２は、排燃料ガスの再循環を開始したら、排燃料ガスの状態（例えば検出部１０４で検出した排燃料ガスの温度）に基づいて、制御弁４６の開度を調整する。具体的には、排燃料ガス供給ライン４５に排燃料ガスＬ３が流入して排燃料ガス供給ライン４５の圧力が上昇したら、制御弁４６の開度を大きくする。これにより、排燃料ライン４３から供給される排燃料ガスＬ３のうち余剰な排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出することができる。
制御装置６２は、加熱が完了した（ステップＳ２２でＹｅｓ）と判定した場合、排燃料ガス再循環ライン１１２を用いた排燃料ガスＬ３の再循環を停止し、ガスタービン１１への排燃料ガスの供給を開始する（ステップＳ２４）。具体的には、制御装置６２は、図４の時間ｔ２に示すように、制御弁４６を開から閉に切り換え、制御弁４７を開のまま維持し、制御弁１１６を開から閉とし、開閉弁１０６を閉から開とする。これにより、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３は、供給される先が排燃料ガス再循環ライン１１２から、開閉弁１０６の先の燃焼器２２に切り換えられ、図２の矢印１３６に示す方向に排燃料ガスＬ３が供給される。制御装置６２は、燃焼器２２への排燃料ガスの供給を開始したら、本処理を終了する。
このように本実施例の発電システム１０は、加熱手段１０２を用いて、排燃料ガス供給ライン４５を加熱し、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了してから、ガスタービン１１への排燃料ガスＬ３の供給を開始する。これにより、運転開始時等の低温（常温）な状態の排燃料ガス供給ライン４５を流れ、温度が低下した排燃料ガスＬ３がガスタービン１１に供給されることを抑制することができる。
ここで、排燃料ガスＬ３は、冷却されるとドレンが発生する。ドレンが発生した排燃料ガス供給ライン４５の下流側の排燃料ガスＬ３は、成分の構成が変化し、水分量が減ることで燃焼発熱量（カロリー）が高くなる。また、発電システム１０は、排燃料ガス供給ライン４５が排燃料ガスにより加熱されるため、ドレンの発生量が徐々に変化する。また、その後、排燃料ガス供給ライン４５で発生したドレンが蒸発すると、蒸発したドレンが排燃料ガスＬ３に混入し、排燃料ガスＬ３のＨ２Ｏ分が多くなる。排燃料ガスＬ３は、Ｈ２Ｏ分が多くなると、燃焼発熱量（カロリー）が低くなる。これにより、排燃料ガス供給ライン４５の下流側の排燃料ガスＬ３は、燃料発熱量が徐々に変化する。このような排燃料ガスＬ３をガスタービン１１に供給すると、ガスタービン１１での燃焼の制御が複雑になる。また、そもそもドレンが発生した状態の排燃料ガスＬ３をガスタービン１１の燃焼器に供給することは好ましくない。これに対して、本実施例の発電システム１０は、上述したように、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了してから、ガスタービン１１への排燃料ガスＬ３の供給を開始する。これにより、ガスタービン１１に供給する排燃料ガスＬ３の燃焼発熱量の変動を抑制することができる。供給する排燃料ガスＬ３の成分を安定できることで、ガスタービン１１の燃焼を安定させることができる。これにより、制御を簡単にすることができ、また、ガスタービン１１への悪影響も低減することができる。
なお、本実施例の発電システム１０は、加熱手段１０２として、排燃料ガス再循環ライン１１２を設け、排燃料ガスを再循環させる構成としている。このように加熱源として排燃料ガスＬ３を用いることで、新たな加熱源を用いる必要がないため、装置構成を簡単にすることができる。また、発電システム１０は、排燃料ガス再循環ライン１１２を設け、排燃料ガスＬ３を再びＳＯＦＣ１３に戻すことで、排燃料ガスＬ３を再加熱し、排燃料ガス再循環ライン１１２の加熱を終了した後、ガスタービン１１に供給することができる。これにより、排燃料ガスＬ３を効率よく利用することができる。
また、発電システム１０は、排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８よりも下流側に排燃料ガス再循環ライン１１２を連結させることで、排燃料ガス再循環ライン１１２に排燃料ガスを供給する駆動源として、ブロワ４８を用いることができる。これにより、１つのブロワ４８を有効に活用することができる。
発電システム１０は、開閉弁１０６を排燃料ガス供給ライン４５のガスタービン１１（燃焼器２２）の近傍に配置することが好ましい。つまり、発電システム１０は、開閉弁１０６と燃焼器２２との距離を短くすることが好ましい。これにより、開閉弁１０６を開とし、ガスタービン１１への排燃料ガスの供給を開始した際に、ガスタービン１１へ供給する排燃料ガスＬ３で加熱する排燃料ガス供給ライン４５の範囲を短くすることができる。これにより、ガスタービン１１への排燃料ガスＬ３の供給を開始した際に、開閉弁１０６よりも下流側の範囲の排燃料ガス供給ライン４５の排燃料ガスＬ３にドレンが発生することを抑制することができる。
また、本実施形態の発電システム１０は、排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８及び検出器１０４よりも上流側に制御弁４７を設けることで、排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８及び検出器１０４を配置している範囲に排燃料ガスＬ３を供給するか否かを切り換えることができる。また、図１では、制御弁４７の位置を排燃料ガス供給ライン４５の燃焼器２２側に配置した位置としているが配置位置は特に限定されず、排出ライン４４との連結部よりも下流側、かつ、排燃料ガス再循環ライン１１２との連結部よりも上流側であればよい。なお、発電システム１０は、必ずしも制御弁４７を設ける必要はない。
なお、発電システム１０は、加熱手段として他の加熱方法を用いてもよい。例えば、排燃料ガス再循環ライン１１２を他の機器から排出される蒸気、例えば排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気を用いて加熱してもよいし、排燃料ガス再循環ライン１１２に電熱線等を巻きつけ、当該電熱線に電気を流して発熱させることで排燃料ガス再循環ライン１１２を加熱してもよい。
開閉弁１０６は、少なくとも開閉を切り換えることができればよいが、開度を調整する制御弁でもよい。また、制御弁４７は、少なくとも開閉を切り換えることができればよく、制御弁でもよい。同様に、なお、排燃料ガス供給ライン４５に設けた制御弁４７と、開閉弁１０６とは、少なくとも一方を開度（流路抵抗）が調整できる制御弁とすることが好ましい。これにより、燃焼器２２に供給する排燃料ガスの量を調整することができる。
１０ 発電システム
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１４ 蒸気タービン
１５ 発電機
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２６ 第１圧縮空気供給ライン
２７ 第１燃料ガス供給ライン
３１ 第２圧縮空気供給ライン
３２ 制御弁（第１開閉弁）
３３、４８ ブロア
３４ 排空気ライン
３６ 圧縮空気循環ライン
４１ 第２燃料ガス供給ライン
４２ 制御弁
４３ 排燃料ライン
４５ 排燃料ガス供給ライン
４７ 制御弁
４９ 燃料ガス再循環ライン
６２ 制御装置（制御部）
１０２ 加熱手段
１０４ 検出部
１０６ 開閉弁
１１２ 排燃料ガス再循環ライン
１１６ 制御弁

Claims (5)

  1. 圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
    空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、
    前記排燃料ガス供給ラインに設けられ、少なくとも開閉を切り換える開閉制御弁と、
    前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインを加熱する加熱手段と、
    前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガスの状態を検出する検出部と、
    前記検出部で検出した結果に基づいて、前記加熱手段による前記排燃料ガス供給ラインの加熱を制御し、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了した判定した場合、前記開閉制御弁を開とする制御部と、を有することを特徴とする発電システム。
  2. 前記検出部は、前記排燃料ガスのカロリーを検出する熱量計であり、
    前記制御部は、前記検出部で検出した前記カロリーが所定の範囲内であることを検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  3. 前記検出部は、前記排燃料ガスの温度を検出する温度計であり、
    前記制御部は、前記検出部で検出した前記温度が所定値以上であることを検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  4. 前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
    前記排燃料ガス供給ラインの前記開閉制御弁よりも上流側に一方の端部が連結され、前記燃料ガス供給ラインに他方の端部が連結され、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスの一部を前記燃料ガス供給ラインに供給する燃料ガス再循環ラインと、を有し、
    前記加熱手段は、前記排燃料ガス供給ラインの前記燃料ガス再循環ラインとの連結位置より下流側かつ前記開閉制御弁よりも上流側に一方の端部が連結され、前記燃料ガス再循環ラインに他方の端部が接続された排燃料ガス再循環ラインを備え、前記排燃料ガス再循環ラインで前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスを前記燃料ガス再循環ラインに供給し、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスを循環させ、前記排燃料ガスの熱で前記排燃料ガス供給ラインを加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発電システム。
  5. 圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、前記排燃料ガス供給ラインに設けられ、少なくとも開閉を切り換える開閉制御弁と、を有する発電システムの運転方法であって、
    前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガスの状態を検出する工程と、
    前記排燃料ガスの状態を検出した結果に基づいて、前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインを加熱する工程と、
    前記排燃料ガスの状態を検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定した場合、前記開閉制御弁を開とする工程と、を有することを特徴とする発電システムの運転方法。
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