JPH03286150A - タービン・圧縮機・発電機ユニットの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、タービン・圧縮機・発電機二二ットの制御方
法に関するもので、詳しくは、溶融炭酸塩型燃料電池発
電システムまたは固体電解質型燃料電池発電システムな
どのように、圧縮空気を必要とするとともに、高温排ガ
スを排出するシステムを備え、かつ、該シスイテムから
の高温排ガスで駆動されるタービン、該タービンに機械
的に連結された発電機、該タービンに機械的に連結され
て前記システムに圧縮空気を送給する空気圧縮機などを
有するユニットとを備えたプラントにおける前記ユニッ
トの制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のこの種のプラントは、たとえば、第２図に示すよ
うな構成からなっている。

第２図において、３１は空気吸入ライン、３２は吸入弁
、３３は空気圧縮機、３４は排ガスタービン、３５は減
速歯車装置、３６は発電機、３７は空気量制御弁、３８
は空気逃し弁、３９は燃料電池発電システム、４０は高
温排ガス管、４１は補助燃焼器、４２は燃料制御弁、４
３は燃料管、４４は排ガス管、４５は負荷制御装置、４
６は温度調節器、４７は流量調節器、４８は圧力調節器
、４９は流量調節器である。

前記空気圧縮機３３、排ガスタービン３４、発電機３６
などを含むユニットは、タービン入口ラインである高温
排ガス管４０からの高温排ガスで排ガスタービン３４が
駆動され、この排ガスタービン３４によって空気圧縮機
３３と発電機３６が駆動され、該空気圧縮機３３で発生
した圧縮空気を燃料電池発電システム３９に送給するよ
うになっている。すなわち、前記排ガスタービン３４、
空気圧縮機３３および発電機３６の基本機能は、燃料電
池発電システム３９で必要とする圧縮空気を送ることで
あり、排ガスタービン３４の余剰出力を発電という形で
回収することである。

そして、前記ユニットの従来の制御方法は、排ガスター
ビン３４の入口温度または排気温度を一定とするように
、温度調節器４６と燃料制御弁４２を利用して、補助燃
焼器４１への燃料流量を制御していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、ユニットに設けられている排ガスタービ
ン３４、空気圧縮機３３および発電機３６の基本機能は
、燃料電池発電システム３９で必要とする圧縮空気を送
ることであり、排ガスタービン３４の余剰出力を発電と
いう形で回収するものであるが、第２図に示した従来の
技術の制御方法では、結果的に、排ガスタビン３４と空
気圧縮機３３の自立運転下限以上に、つまり、発電機３
６の出力をＯにして排ガスタービン３４の出力で空気圧
縮機３３を駆動できる最低限界以上に、補助燃焼器４１
に燃料を送ることになり、ある部分負荷以下では、余剰
出力で発電することになる。これは、−見、問題がない
ように思われがちであるが、この燃料を使った発電では
、熱効率が著しく低く、結果として、部分負荷時におけ
るプラント熱効率を下げるという問題点がある。

本発明は、上記のような問題点を解決しまうとするもの
である。すなわち、本発明は、燃料電池発電などのシス
テムの高負荷時には、もちろんのこと、低負荷時にも、
プラント熱効率の低下が避けられるようにするタービン
・圧縮機発電機ユニットの制御方法を提供することを目
的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮空気を必要
とするとともに、高温排ガスを排出するシステムを備え
、かつ、該システムからの高温排ガスを作動ガスとして
駆動されるタービン、該タービンに機械的に連結された
発電機、該タービンに機械的に連結されて前記システム
に圧縮空気を送給する空気圧縮機、該タービンの作動ガ
ス入口ラインに設けられた補助燃焼器および該補助燃焼
器に供給される燃料を制御する燃料制御弁を有するユニ
ットとを備えたプラントにおいて、前記システムの負荷
が少なくとも１００％の時には、前記燃料制御弁の開度
を実質的にＯになるように制御するとともに、該タービ
ンと空気圧縮機と発電機とを十分に運転可能なエネルギ
ーを有する高温排ガスを前記システムから該タービンに
供給し、前記システムの負荷が低負荷の時には、該発電
機の出力を検出し、その検出信号を補助燃料制御装置に
入れて発電機出力がほぼＯになるようにするとともに、
該燃料制御弁を制御して燃料投入量を該タービンと空気
圧縮機が自立運転に必要な最小限になるようにする制御
方法とした。

〔作用〕

本発明によれば、システムの負荷が少なくとも１００％
の時には、補助燃焼器の燃料制御弁の開度を実質的に０
にし、該システムからの高温排ガスでユニットのタービ
ンを十分に駆動し、該システムの負荷が低負荷の時には
、従来のようなタービン入口温度が一定となるような燃
料制御をせずに、ユニットの発電機を、出力がほぼ０に
なるように制御するとともに、該ユニットの圧縮機とタ
ービンが自立運転に必要最小限になるように燃料投入量
を制御するので、該システムの低負荷時には、その運転
に全く支障がなく、しかも、燃料投入量に対するプラン
トとしての熱効率が向上する。

〔実施例〕

第１図は本発明の制御方法を実施するプラントの説明図
である。

同図において、１は空気吸入ライン、２は吸入弁、３は
空気圧縮機、４は排ガスタービン、５は減速歯車装置、
６は発電機、７は空気流量制御弁、８は空気逃し弁、９
は溶融炭酸塩型または固体電解質型などの燃料電池発電
システム、１０は高温排ガス管（タービン入口ライン）
、１１は補助燃焼器、１２は燃料制御弁、１３は燃料管
、１４は排熱回収熱交換器、１５は排ガス管、１６は負
荷制御装置、１７は発電機出力検出器、１８は補助燃料
制御装置、１９は電池出力検出器、２０は流量調節器、
２１は圧力調節器、２２は流量調節器である。

そして、前記空気圧縮機３、排ガスタービン４、減速歯
車装置５、発電機６は、機械的に連結されている。また
空気流量制御弁７は燃料電池発電システム９への空気流
量を制御するもので、図示はしていないが、通常は複数
ラインある。前記システム９からは、少なくとも該シス
テム９の負荷が１００％時には、補助燃焼器１１で燃料
を燃焼させなくても、排ガスタービン４、空気圧縮機３
、発電機６を十分に運転できるエネルギーを有する高温
排ガスを高温排ガス管１０から排ガスタービン４に供給
できるように設計されている。

すなわち、燃料電池発電システム９は、図示されていな
い燃料電池を中心とするシステムで、改質器（石炭ガス
化ガス使用の場合は不要）、熱交換器類、ブロワ、気水
分離器などからなり、酸素を含有する燃焼および反応排
ガスを高温排ガス管１０から排ガスタービン４のほうに
供給する。

排ガスタービン４で膨張した排ガスは排熱回収熱交換器
１４を通って排ガス管１５から放出される。

排ガスタービン４で発生した動力により、空気圧縮機３
および減速歯車装置５（ない場合もある）を介して発電
機６を駆動する。

空気圧縮機３は、空気吸入ライン１、吸入弁２（ない場
合もある）から空気を吸入し、空気流量制御弁７を通じ
て燃料電池発電システム９に圧縮空気を供給する。余剰
の圧縮空気が発生される場合には、これを吐出圧力の上
昇としてとらえ、空気逃し弁８から補助燃焼器１１に逃
がす。また吸入弁２を絞る余地があれば吸入弁２も絞る
。

燃料電池発電システム９の負荷を増加する場合には、発
電機出力検出器１７および電池出力検出器１９により、
現在の負荷を確認し、負荷制御装置１６からの信号によ
って該システム９への圧縮空気流量を、空気流量制御弁
７を制御し、また吸入弁２の開度も大きくなるようにし
て、空気供給能力の増加を図る。負荷減少時には、この
逆の動作をするが吸入弁２の開度は規定の最低開度より
下げることができないため、供給空気過剰となるので、
余剰の圧縮空気は空気逃し弁８を通じて、空気圧縮機３
の吐出圧力が一定となるように制御して開く。

二こで、燃料電池発電システム９の負荷が少なくとも１
００％時には、燃料制御弁１２の開度をＯまたは制御上
の最低開度になるように、つまり、実質的に０になるよ
うに、制御するとともに、空気圧縮機３と発電機６とを
十分に運転可能なエネルギーを有する高温排ガスを該シ
ステム９から排ガスタービン４に供給する。このとき、
燃料制御弁１２の開度がＯまたは制御上の最低開度にな
っても発電機６の出力が出る場合は、なりゆきにまかせ
て発電する。すなわち、該システム９の高負荷時には、
発電機６で発電する。

また燃料電池発電システム９の負荷が低負荷の時は、補
助燃焼器１１で燃料を燃焼させないと、排ガスタービン
４および空気圧縮機３を含むユニットの自立運転ができ
ないので、発電機６の出力を発電機出力検出器］７で検
出し、その信号を補助燃料制御装置１８に入れ、発電機
６の出力をほぼＯ（該検出器１７の精度およびプラント
変動に伴なう排ガスタービン４の出力不足を考慮してな
るべく小さく設定）になるように、燃料制御弁１２を制
御する。ここで、発電機６の出力がほぼ０で被駆動機を
駆動できる排ガスタービン４の出力が得られない場合に
は、前記自立運転が可能な必要最小量の燃料を補助燃焼
器１１に送り、その自立運転ができるようにする。この
ようにすることによって、該システム９の低負荷時にお
ける補助燃焼器１１での燃料の使用量を最小限度におさ
えることができて、熱効率が向上し、かつ、窒素酸化物
の放出量も低減する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、システムの負荷
が少なくとも１００％の時には、補助燃焼器の燃料制御
弁の開度を実質的にＯにし、該システムからの高温排ガ
スでユニットのタビンを十分に駆動し、該システムの負
荷が低負荷の時には、従来のようなタービン入口温度が
一定となるような燃料制御をせずに、ユニットの発電機
を、出力がほぼＯになるように制御するとともに、該ユ
ニットの圧縮機とタービンが自立運転に必要最小限にな
るように燃料投入量を制御するので、該システムの低負
荷時には、その運転に全く支障がなく、しかも、燃料投
入量に対するプラントとしての熱効率が向上し、かつ、
窒素酸化の放出量も低減して、環境性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御方法を実施する装置の一例を示し
たシステム系統の説明図、第２図は従来の技術の一例を
示したシステム系統の説明図である。 １・・・空気吸入ライン、３・・・空気圧縮機、４・・
・排ガスタービン、６・・・発電機、７−・・空気流量
制御弁、８・・・空気逃し弁、９・・・燃料電池発電シ
ステム、１０・・・高温排ガス管、１１・・・補助燃焼
器、１２・・・燃料制御弁、１４−・・排熱回収交換器
、１６・・・負荷開側装置、１７・・・発電機出力検出
器、１８・・・補助燃料制御装置、１９・・・電池出力
検出器。 第 １ 図 策 凶

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮空気を必要とするとともに、高温排ガスを排出
   するシステムを備え、かつ、該システムからの高温排ガ
   スを作動ガスとして駆動されるタービン、該タービンに
   機械的に連結された発電機、該タービンに機械的に連結
   されて前記システムに圧縮空気を送給する空気圧縮機、
   該タービンの作動ガス入口ラインに設けられた補助燃焼
   器および該補助燃焼器に供給される燃料を制御する燃料
   制御弁を有するユニットとを備えたプラントにおいて、
   前記システムの負荷が少なくとも１００％の時には、前
   記燃料制御弁の開度を実質的に０になるように制御する
   とともに、該タービンと空気圧縮機と発電機とを十分に
   運転可能なエネルギーを有する高温排ガスを前記システ
   ムから該タービンに供給し、前記システムの負荷が低負
   荷の時には、該発電機の出力を検出し、その検出信号を
   補助燃料制御装置に入れて発電機出力がほぼ０になるよ
   ウにするとともに、該燃料制御弁を制御して燃料投入量
   を該タービンと空気圧縮機が自立運転に必要な最小限に
   なるようにすることを特徴とする、タービン・圧縮機・
   発電機ユニットの制御方法。 ２、空気圧縮機で発生する圧縮空気量がシステムで必要
   とする圧縮空気量よりも多い時に、それを該空気圧縮機
   の吐出空気圧力の上昇としてとらえ、その余剰の圧縮空
   気を補助燃焼器に送給することからなる請求項１記載の
   タービン・圧縮機・発電機ユニットの制御方法。 ３、タービンで仕事した排ガスを排熱回収熱交換器に通
   して排熱回収をすることからなる請求項１または２記載
   のタービン・圧縮機・発電機ユニットの制御方法。