JP6087591B2 - 発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法 - Google Patents

発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法 Download PDF

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Description

本発明は、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における燃料電池の起動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、イオン伝導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にて、SOFCを起動するとき、ガスタービンの圧縮機で圧縮した空気の一部をSOFCに供給することで、このSOFCを加圧する。この場合、SOFCに供給した圧縮空気は、SOFCを加圧するために用いられることから、ガスタービンの燃焼器には戻されない。そのため、燃焼器では、燃焼用空気が不足して燃焼ガスが高温となったり、燃焼器やタービンでは、冷却用空気が不足して十分な冷却が困難となったりする。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池の起動時におけるガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とする発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動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、燃料電池と、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、前記圧縮機における空気取り込み口に設けられる入口案内翼と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気を前記燃焼器に供給する第1圧縮空気供給ラインと、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気の少なくとも一部を前記燃料電池に供給する第2圧縮空気供給ラインと、前記第2圧縮空気供給ラインに設けられる開閉弁と、前記燃料電池の起動時に前記開閉弁を開放すると共に前記入口案内翼の開度を予め設定された基準開度から大きくする制御をする制御部と、を有することを特徴とするものである。
従って、燃料電池の起動時に、第2圧縮空気供給ラインの開閉弁を開放すると共に、ガスタービン圧縮機の入口案内翼の開度を基準開度から大きくする。すると、燃料電池の起動時、ガスタービン圧縮機は、より多くの空気を取り込むことができ、全量の圧縮空気のうちの所定量が燃焼器に送られ、残りの圧縮空気が燃料電池に送られる。そのため、このときに燃焼器やタービンで圧縮空気が不足することがなく、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。
本発明の発電システムでは、前記開閉弁は、流量を調整可能な制御弁であって、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記開閉弁を全開状態より小さい初期開度まで開放すると共に、前記入口案内翼の開度を前記ガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放する制御をすることを特徴としている。
従って、燃料電池の起動時に、第2圧縮空気供給ラインに設けられる開閉弁を制御弁とすることで、この1つの制御弁の開度を調整するだけで、燃料電池供給に供給する圧縮空気の供給量を調整することができ、構造の簡素化及び低コスト化を可能とすることができる。
本発明の発電システムでは、前記開閉弁は開放時における通過流量の大きい第1開閉弁と通過流量の小さい第2開閉弁とが並列に設けられて構成され、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記第1開閉弁を閉止状態にして前記第2開閉弁を開放状態にすると共に、前記入口案内翼の開度を前記ガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放する制御をすることを特徴としている。
従って、第2圧縮空気供給ラインに設けられる開閉弁を通過流量の異なる2つの開閉弁とすることで、第1開閉弁と第2開閉弁の一方を開放して一方を遮断するだけで、燃料電池供給に供給する圧縮空気の供給量を調整することができ、流量制御を簡素化して低コスト化を可能とすることができると共に、流量制御の切替を迅速に行うことができる。
本発明の発電システムでは、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気の圧力を検出する第1検出器と、前記第2圧縮空気供給ラインにおける前記開閉弁よりも前記燃料電池側の圧力を検出する第2検出器とが設けられ、前記制御部は、前記第2検出器により検出された第2圧力が前記第1検出器により検出された第1圧力に到達すると、前記開閉弁の開度を大きくすると共に、前記入口案内翼の開度を前記基準開度まで戻す制御をすることを特徴としている。
従って、燃料電池側の第2圧力が圧縮機で圧縮した圧縮空気の第1圧力に到達すると、開閉弁の開度を大きくすると共に入口案内翼の開度を基準開度まで戻すことで、燃焼器への圧縮空気の供給量を一定に維持することができる。
本発明の発電システムでは、前記制御部は、前記第2検出器により検出された第2圧力が前記第1検出器により検出された第1圧力に近づくのに伴って前記入口案内翼の開度を前記基準開度に向けて小さくする制御をすることを特徴としている。
従って、燃料電池側の第2圧力が圧縮機で圧縮した圧縮空気の第1圧力に近づくのに伴って入口案内翼の開度を基準開度に向けて小さくすることで、燃料電池側へ供給される圧縮空気の供給量を徐々に低下させ、第2圧力を第1圧力に高精度に到達させることができ、高精度な圧縮空気の供給制御を行うことができる。
また、本発明の発電システムにおける燃料電池の起動方法は、ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気をガスタービン燃焼器に供給する工程と、ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気の一部を燃料電池に供給する工程、前記ガスタービン圧縮機における空気取り込み口に設けられる入口案内翼の開度を予め設定された基準開度から大きくする工程と、前記燃料電池の圧力が前記ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気の圧力に到達したら前記開閉弁の開度を大きくすると共に前記入口案内翼の開度を前記基準開度まで戻す工程と、を有することを特徴とするものである。
従って、燃料電池の起動時、燃焼器やタービンで圧縮空気が不足することがなく、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。
本発明の発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法によれば、燃料電池の起動時に、第2圧縮空気供給ラインの開閉弁を開放すると共に、ガスタービン圧縮機の入口案内翼の開度を基準開度から大きくするので、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。
図1は、本発明の実施例1に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。 図2は、実施例1の発電システムにおけるSOFCの加圧時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャートである。 図3は、実施例1の発電システムを表す概略構成図である。 図4は、本発明の実施例2に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。 図5は、実施例2の発電システムにおけるSOFCの加圧時における圧縮空気の供給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。
実施例1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段階で発電することができるため、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、本発明の実施例1に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図、図2は、実施例1の発電システムにおけるSOFCの加圧時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャート、図3は、実施例1の発電システムを表す概略構成図である。
実施例1において、図3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。
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(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)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は、有害物質を除去されてから大気へ放出される。
ここで、実施例1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を起動させるために、SOFC13を加圧する。SOFC13を加圧するために、まず、SOFC13に圧縮空気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により昇圧されてから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の加圧が完了する。
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、SOFC13を起動するとき、ガスタービン11の圧縮機21で圧縮した空気の一部を第2圧縮空気供給ライン31からSOFC13に供給することで加圧している。このため、ガスタービン11では、SOFC13の加圧が完了するまでの間、燃焼器22に供給される圧縮空気やタービン23に送られる冷却空気が不足してしまうおそれがある。
そこで、実施例1の発電システム10では、ガスタービン11の圧縮機21における空気取り込み口に入口案内翼(IGV:Inlet Guide Vane)21aが設けられていることから、制御装置(制御部)61は、SOFC13の加圧時に、第2圧縮空気供給ライン31における制御弁(開閉弁)32を開放すると共に、入口案内翼21aの開度を予め設定された基準開度から大きくする制御をする。
即ち、SOFC13の加圧時に、圧縮機21における入口案内翼21aの開度を大きくすることで、圧縮機21が生成する圧縮空気量を増加させ、燃焼器22やタービン23に送られる圧縮空気量を確保する一方で、SOFC13に送られる圧縮空気量も確保する。そのため、ガスタービン11での空気不足を抑制することができる。
詳細に説明すると、図1に示すように、ガスタービン11にて、燃焼器22は、発電負荷に応じて燃料ガスと共に燃焼に必要な空気量が設定され、タービン23は、高温部品を冷却するために必要な空気量が設定される。燃焼器22とタービン23で必要な基準空気量が設定されると、この基準空気量に応じた入口案内翼21aの基準開度が設定される。一方、第2圧縮空気供給ライン31における制御弁32は、流量を調整可能となっている。
また、図1に示すように、第1検出器62が第1圧縮空気供給ライン26に設けられている。この第1検出器62は、ガスタービン11の圧縮機21で圧縮した圧縮空気の第1圧力を検出する。また、第2検出器63がSOFC13に設けられている。この第2検出器63は、SOFC13の空気極、つまり、第2圧縮空気供給ライン31における制御弁32よりもSOFC13側の第2圧力を検出する。各検出器62,63は、検出した第1圧力と第2圧力を制御装置61に出力する。
SOFC13の加圧を開始する時に、制御装置61は、制御弁32を全開状態より小さい初期開度(例えば、半開)まで開放する制御をする。この制御と共に、制御装置61は、第1検出器62により検出された第1圧力がガスタービン11における基準空気量に応じた基準圧力となるように、入口案内翼21aの開度をガスタービンの定常運転時の基準開度より大きい所定開度にする制御をする。このため、圧縮機21において、燃焼器22とタービン23で必要な基準空気量より多い圧縮空気が生成される。
そして、第2検出器63により検出された第2圧力が第1検出器62により検出された第1圧力に近づくのに伴って、制御装置62は、入口案内翼21aの開度を徐々に基準開度より大きい所定開度から基準開度に戻す制御をする。その後、第2検出器63により検出された第2圧力が第1検出器62により検出された第1圧力に到達すると、制御装置61は、制御弁32の開度を初期開度(例えば、半開)から所定開度(例えば、全開)まで大きくする制御をする。
即ち、SOFC13の加圧が進行し第2圧力が第1圧力に近づくのに伴って、入口案内翼21aの開度を徐々に小さくすることで、圧縮機21において生成する圧縮空気量が基準空気量まで徐々に低下する。そして、第2圧力が第1圧力に到達しSOFC13の加圧が完了すると、制御弁32を全開とすると共に、入口案内翼21aの開度を基準開度より大きい所定開度から基準開度に戻すことで、圧縮機21において生成される圧縮空気量が基準空気量に戻る。
ここで、上述した実施例1の発電システム10におけるSOFC13の起動方法について説明する。
実施例1の発電システム10におけるSOFC13の起動方法は、ガスタービン11の圧縮機21で圧縮した圧縮空気を燃焼器22に供給する工程と、圧縮機21で圧縮した圧縮空気の一部をSOFC13の空気極に供給する工程と、圧縮機21における空気取り込み口に設けられる入口案内翼21aの開度を予め設定された基準開度から大きくする工程と、空気極側の圧力が圧縮機21で圧縮した圧縮空気の圧力に到達したら入口案内翼21aの開度を基準開度まで戻す工程とを有している。
即ち、図2に示すように、時間t1にて、ガスタービン11が起動し所定時間が経過すると、時間t2にて、SOFC13の加圧を開始する。入口案内翼21aは、時間t1にて、ガスタービン11の起動と同期してガスタービン11の運転状態に応じた基準開度(開度1)まで開放される。そして、この時間t2にて、SOFC13の加圧開始と同期して、制御弁32を初期開度(例えば、半開)まで開放すると共に、入口案内翼21aの開度を基準開度より大きい所定開度(開度2)まで開放する。
すると、ガスタービン11では、圧縮機21で圧縮する空気Aの量が増加し、圧縮機21から基準空気量の空気A1が燃焼器22やタービン23に流れ、圧縮機21の出口圧力(第1圧力)は低下せずに所定圧力が維持される。一方、SOFC13では、圧縮機21で圧縮した空気の一部の圧縮空気A2が第2圧縮空気供給ライン31を通ってSOFC13に流れることから、SOFC13の圧力(第2圧力)が徐々に高くなる。
そして、時間t3にて、第2圧力が第1圧力に近づくと、入口案内翼21aの開度を基準開度に向けて小さくしてSOFC13に供給する圧縮空気量を低下させる。この場合、第1圧力より所定量より低い所定の第3圧力を予め設定しておき、第2圧力が第3圧力に到達したら、SOFC13への供給圧縮空気量を低下させればよい。そして、時間t4にて、第2圧力が第1圧力に到達すると、入口案内翼21aの開度を基準開度(開度1)にすると共に、制御弁32を開放(例えば、全開)する。
すると、圧縮空気の供給によるSOFC13の加圧が完了し、制御弁32を全開にすると共にブロワ33を駆動することで、圧縮空気A2をブロワ33により昇圧してSOFC13側へ供給する。このため、SOFC13の空気極側は、圧力が更に上昇し、目標圧力まで昇圧される。
このように実施例1の発電システムにあっては、圧縮機21と燃焼器22とタービン23を有するガスタービン11と、圧縮機21における空気取り込み口に設けられる入口案内翼21aと、圧縮機21で圧縮した圧縮空気を燃焼器22に供給する第1圧縮空気供給ライン26と、空気極及び燃料極を有するSOFC13と、圧縮機21で圧縮した圧縮空気の少なくとも一部を空気極に供給する第2圧縮空気供給ライン31と、第2圧縮空気供給ライン31に設けられる制御弁32と、SOFC13の加圧時に制御弁32を開放すると共に入口案内翼21aの開度を予め設定された基準開度から大きくする制御装置61とを設けている。
従って、SOFC13の加圧を開始する時に、第2圧縮空気供給ライン31の制御弁32を開放すると共に、圧縮機21の入口案内翼21aの開度を基準開度から大きくする。すると、圧縮機21は、より多くの空気を取り込んで圧縮し、生成される圧縮空気量が増加する。そして、生成された全量の圧縮空気のうちの燃焼器22及びタービン23で必要な基準空気量が送られ、残りの圧縮空気がSOFC13に送られる。そのため、このときに燃焼器22やタービン23で圧縮空気が不足することがなく、燃焼器22での異常燃焼やタービン23での冷却不足を抑制することができる。その結果、ガスタービン11での空気不足を抑制し、ガスタービン11を安定して運転しつつ、SOFC13を可能とすることができる。
実施例1の発電システムでは、流量を調整可能な制御弁32を設け、制御装置61は、SOFC13の加圧時に、制御弁32を全開状態より小さい初期開度まで開放すると共に、入口案内翼31aの開度をガスタービン11の定常運転時より大きい所定開度まで開放する。従って、SOFC13の加圧時に、第2圧縮空気供給ライン31に設けられる1つの制御弁32の開度を調整するだけで、SOFC13に供給する圧縮空気の供給量を調整することができ、構造の簡素化及び低コスト化を可能とすることができる。
実施例1の発電システムでは、圧縮機21で圧縮した圧縮空気の第1圧力を検出する第1検出器62と、SOFC13の第2圧力を検出する第2検出器63とを設け、制御装置61は、第2圧力が第1圧力に到達したら、制御弁32の開度を大きくすると共に、入口案内翼21aの開度を基準開度まで戻している。従って、SOFC13の加圧が完了したら入口案内翼21aの開度を基準開度まで戻すことで、燃焼器22やタービン23への圧縮空気の供給量を一定に維持することができる。
実施例1の発電システムでは、制御装置61は、第2圧力が第1圧力に近づくのに伴って入口案内翼21aの開度を基準開度に向けて小さくしている。従って、SOFC13へ供給される圧縮空気の供給量を徐々に低下させることで、第2圧力を第1圧力に高精度に到達させることができ、高精度な圧縮空気の供給制御を行うことができる。
また、実施例1の発電システムにおけるSOFC13の起動方法にあっては、ガスタービン11の圧縮機21で圧縮した圧縮空気を燃焼器22に供給する工程と、圧縮器21で圧縮した圧縮空気をSOFC13の空気極に供給する工程と、圧縮機21における入口案内翼21aの開度を予め設定された基準開度から大きく変更する工程と、空気極側の圧力が圧縮機21で圧縮した圧縮空気の圧力に到達したら制御弁32の開度を大きくすると共に入口案内翼21aの開度を基準開度まで戻す工程とを有している。
従って、SOFC13の加圧を開始する時、燃焼器22やタービン23で圧縮空気が不足することがなく、ガスタービン11での空気不足を抑制し、ガスタービン11を安定して運転しつつ、SOFC13を安定して加圧することができる。なお、圧縮機21で圧縮した圧縮空気の一部をSOFC13の空気極に供給するように構成したが、圧縮機21で圧縮した圧縮空気の全部をSOFC13の空気極に供給するようにしてもよい。
図4は、本発明の実施例2に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図、図5は、実施例2の発電システムにおけるSOFCの加圧時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャートである。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
実施例2の発電システムでは、第2圧縮空気供給ライン31に、本発明の開閉弁として、開放時における通過流量の大きい第1遮断弁(第1開閉弁)71と、開放時における通過流量の小さい第2遮断弁(第2開閉弁)72とが並列に設けている。即ち、第2圧縮空気供給ライン31に第1遮断弁71が設けられ、第2圧縮空気供給ライン31における第1遮断弁71の迂回路31aに第2遮断弁72が設けられている。制御装置61は、SOFC13の加圧時に、第1遮断弁71を閉止状態にして第2遮断弁72を開放状態にすると共に、入口案内翼21aの開度をガスタービン11の定常運転時より大きい所定開度まで開放するようにしている。この場合、第1遮断弁71と第2遮断弁(第2開閉弁)72は、全開時の第1遮断弁71における圧縮空気の通過流量が、全開時の第2遮断弁72における圧縮空気の通過流量より大きくなるように設定されている。
即ち、SOFC13の加圧時に、圧縮機21における入口案内翼21aの開度を大きくすることで、圧縮機21が生成する圧縮空気量が増加し、燃焼器22とタービン23に送られる圧縮空気量を確保する一方で、SOFC13に送られる圧縮空気量を確保する。そのため、ガスタービン11での空気不足を抑制することができる。
詳細に説明すると、図4に示すように、ガスタービン11にて、燃焼器22は、発電負荷に応じて燃料ガスと共に燃焼に必要な空気量が設定され、タービン23は、高温部品を冷却するために必要な空気量が設定される。燃焼器22とタービン23で必要な基準空気量が設定されると、この基準空気量に応じた入口案内翼21aの基準開度が設定される。一方、第2圧縮空気供給ライン31は、全開時に圧縮空気の通過流量が相違する2つの遮断弁71,72が並列に設けられている。制御装置61は、SOFC13の加圧時に、通過流量の小さい第2遮断弁72だけを開放する制御をすると共に、入口案内翼21aの開度をガスタービンの定常運転時の基準開度より大きい所定開度にする制御をする。
また、制御装置61は、第2検出器63により検出された第2圧力が第1検出器62により検出された第1圧力に到達すると、第2遮断弁72を閉止して第1遮断弁71を開放すると共に、入口案内翼21aの開度を基準開度より大きい所定開度から基準開度まで戻す制御をする。
ここで、上述した実施例2の発電システムにおけるSOFC13の起動方法について説明する。
図5に示すように、時間t1にて、ガスタービン11が起動し所定時間が経過すると、時間t2にて、SOFC13の加圧を開始する。入口案内翼21aは、時間t1にて、ガスタービン11の起動と同期してガスタービン11の運転状態に応じた基準開度(開度1)まで開放される。そして、この時間t2にて、SOFC13の加圧開始と同期して、第2遮断弁72を開放すると共に、入口案内翼21aの開度を基準開度より大きい所定開度(開度2)まで開放する。
すると、ガスタービン11では、圧縮機21で圧縮する空気Aの量が増加し、圧縮機21から基準空気量の空気A1が燃焼器22やタービン23に流れ、圧縮機21の出口圧力(第1圧力)は低下せずに所定圧力が維持される。一方、SOFC13では、圧縮機21で圧縮した空気の一部の圧縮空気A2が第2圧縮空気供給ラインを通ってSOFC13に流れることから、SOFC13の圧力(第2圧力)が徐々に高くなる。
時間t3にて、第2圧力が第1圧力に近づくと、入口案内翼21aの開度を基準開度に向けて小さくしてSOFC13に供給する圧縮空気量を低下させる。そして、時間t4にて、第2圧力が第1圧力に到達すると、入口案内翼21aの開度を基準開度(開度1)にすると共に、第1遮断弁71を開放して第2遮断弁72を閉止する。すると、圧縮空気の供給によるSOFC13の加圧が完了し、第1遮断弁71を開放にすると共にブロワ33を駆動することで、圧縮空気A2をブロワ33により昇圧してSOFC13側へ供給する。このため、SOFC13の空気極側は、圧力が更に上昇し、目標圧力まで昇圧される。
このように実施例2の発電システムにあっては、圧縮機21と燃焼器22とタービン23を有するガスタービン11と、圧縮機21における空気取り込み口に設けられる入口案内翼21aと、圧縮機21で圧縮した圧縮空気を燃焼器22に供給する第1圧縮空気供給ライン26と、空気極及び燃料極を有するSOFC13と、圧縮機21で圧縮した圧縮空気の少なくとも一部を空気極に供給する第2圧縮空気供給ライン31と、第2圧縮空気供給ライン31に並列に設けられる通過流量の異なる第1、第2遮断弁71,72と、SOFC13の起動時に通過流量の少ない第2遮断弁72だけを開放すると共に入口案内翼21aの開度を予め設定された基準開度から大きくする制御装置61とを設けている。
従って、SOFC13の加圧を開始する時に、第2圧縮空気供給ライン31の第2遮断弁72を開放すると共に、圧縮機21の入口案内翼21aの開度を基準開度から大きくする。すると、圧縮機21は、より多くの空気を取り込んで圧縮し、生成される圧縮空気量が増加する。そして、生成された全量の圧縮空気のうちの燃焼器22及びタービン23で必要な基準空気量が送られ、残りの圧縮空気がSOFC13に送られる。そのため、このときに燃焼器22やタービン23で圧縮空気が不足することがなく、燃焼器22での異常燃焼やタービン23での冷却不足を抑制することができる。その結果、ガスタービン11での空気不足を抑制し、ガスタービン11を安定して運転しつつ、SOFC13を安定して起動することができる。
実施例2の発電システムでは、開放時における通過流量の大きい第1遮断弁71と通過流量の小さい第2遮断弁72とを並列に設け、制御装置61は、SOFC13の加圧時に、第1遮断弁71を閉止状態にして第2遮断弁72を開放状態にすると共に、入口案内翼21aの開度をガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放している。従って、第2圧縮空気供給ライン31に通過流量の異なる2つの遮断弁71,72を設けることで、各遮断弁71,72を開閉するだけで、SOFC13に供給する圧縮空気の供給量を調整することができ、流量制御を簡素化して低コスト化することができると共に、流量制御の切替を迅速に行うことができる。
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(開閉弁)
33 ブロワ
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
49 燃料ガス再循環ライン
61 制御装置(制御部)
62 第1検出器
63 第2検出器
71 第1遮断弁(第1開閉弁)
72 第2遮断弁(第2開閉弁)

Claims (6)

  1. 燃料電池と、
    圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
    前記圧縮機における空気取り込み口に設けられる入口案内翼と、
    前記圧縮機で圧縮した圧縮空気を前記燃焼器に供給する第1圧縮空気供給ラインと、
    前記圧縮機で圧縮した圧縮空気の少なくとも一部を前記燃料電池に供給する第2圧縮空気供給ラインと、
    前記燃料電池から排出された排空気を前記燃焼器に供給する圧縮空気循環ラインと、
    前記第2圧縮空気供給ラインに設けられる開閉弁と、
    前記燃料電池の起動時に前記開閉弁を開放すると共に前記入口案内翼の開度を予め設定された基準開度から大きくする制御をする制御部と、
    を有することを特徴とする発電システム。
  2. 前記開閉弁は流量を調整可能な制御弁であって、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記開閉弁を全開状態より小さい初期開度まで開放すると共に、前記入口案内翼の開度を前記ガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放する制御を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. 前記開閉弁は開放時における通過流量の大きい第1開閉弁と通過流量の小さい第2開閉弁とが並列に設けられて構成され、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記第1開閉弁を閉止状態にして前記第2開閉弁を開放状態にすると共に、前記入口案内翼の開度を前記ガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放する制御を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. 前記圧縮機で圧縮した圧縮空気の圧力を検出する第1検出器と、前記第2圧縮空気供給ラインにおける前記開閉弁よりも前記燃料電池側の圧力を検出する第2検出器とが設けられ、前記制御部は、前記第2検出器により検出された第2圧力が前記第1検出器により検出された第1圧力に到達すると、前記開閉弁の開度を大きくすると共に、前記入口案内翼の開度を前記基準開度まで戻す制御をすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一つに記載の発電システム。
  5. 前記制御部は、前記第2検出器により検出された第2圧力が前記第1検出器により検出された第1圧力に近づくのに伴って前記入口案内翼の開度を前記基準開度に向けて小さくする制御をすることを特徴とする請求項4に記載の発電システム。
  6. ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気をガスタービン燃焼器に供給する工程と、
    ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気の一部を燃料電池に供給する工程と、
    前記ガスタービン圧縮機における空気取り込み口に設けられる入口案内翼の開度を予め設定された基準開度から大きくする工程と、
    前記燃料電池の圧力が前記ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気の圧力に到達したら前記入口案内翼の開度を前記基準開度に戻す工程と、
    を有することを特徴とする発電システムにおける燃料電池の起動方法。
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