JPS6179820A - タ−ボ圧縮機システムの起動方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明はシステムからの排ガスエネルギーをタービン
の駆動力に利用し、タービンと同軸上に設置された圧縮
機によりシステムが必要とする空気を供給するターボ圧
縮機システムの起動方法に関するものである。

〔従来の技術〕

この種のターボ圧縮機はシステムの排ガスエネルギーを
無駄に捨てることなくシステム内で有効にエネルギー回
収を図るものであるが、その代表的なものとして燃料電
池発電システムがある。以下、−例としてこの燃料電池
発電システムについて説明する。

燃料電池発電システムは、従来の汽力発電に比べ高効率
が期待できること、環境保全性が良い等の利点があり、
実用化を目指し近年嵌入に開発が進められている。燃料
電池発電システムは、空気極、燃料極及び電解質層から
成る燃料電池本体と。

天然ガス等の炭化水素系燃料を改質して燃料電池本体に
燃料となる水素ガスを供給する改質器と。

燃料電池本体及び改質器に空気を供給するターボ圧縮機
とを備えている。燃料電池本体の性能は反応ガスの圧力
の増大によって向上する傾向を示し。

このため燃料、空気、各反応ガスの動作圧力は例えば４
〜６ｋｇ／ｃｊｇ程度に加圧維持される。このとき、空
気の圧縮には多大の動力を必要とするが。

この動力は改質器からの燃焼排ガス及び燃料電池本体の
空気極からの余剰空気を導入するターボ圧縮機のタービ
ンによりまかなわれる。即ち、このターボ圧縮機は、シ
ステムの排ガスエネルギーをタービンで回収し、同軸上
の圧縮機で必要な圧縮空気を供給することによってシス
テム内部で動力を回収をし、システム効率の向上を図る
ものである。

さて、このような燃料電池発電システムにおいて、シス
テムを起動するには先ずターボ圧縮機を起動させる必要
があるが、初期には［動源となるシステム排ガスが得ら
れないため何等かの外部エネルギーを付与してターボ圧
縮機を立ち上げる必要がある。

乙の具体的な従来の方法として１例えば、特願昭５９−
１６６８５号に開示されているものがあり、そのシステ
ムを第１図に示す。図において、（１）は燃料電池本体
、改質器等で構成された燃焼炉を含むシステム、（２）
はシステム（１１からの排ガスによって駆動され、シス
テム（１）に必要な圧縮空気を供給するタービン（２ａ
）とこのタービン（２亀）と同軸上に配置された圧縮機
（２ｂ）とから成るターボ圧縮機。

（３）はこのターボ圧縮機（２）の圧縮機（２ｂ）の入
口側に設置された給気配管、（４）はこの給気配管（３
）に設置された切換弁、（５）は圧縮機（２ｂ）の出口
側に設置され圧縮機（２ｂ）からの空気をシステム（１
）に供給する空気供給配管、（６）はこの空気供給配管
（５）に設置された調節弁、（７）はシステム（１）か
らの排ガスをタービン（２ａ）へ導くシステム排ガス配
管、（８）は空気供給配管（５）とシステム排ガス配管
（７）とをバイパスするバイパス配管、（９）はこのバ
イパス配管（８）に設置されたタービン動力を付勢する
助燃炉、　（１０）はバイパス配管（８）に設置された
調節弁であり、助燃炉（９）に供給される空気量の調節
を行う。（１１）は助燃炉（９）に燃料を供給する燃料
供給配管、　（１２）は起動用圧縮空気供給装置。

（１３）はこの起動用圧縮空気供給装置（１２）からの
空気を圧１１ｆｆｌ（２ｂ）の入口側給気配管（３）に
導く導入配管、　（１４）はこの導入配管（１３）に設
置された切換弁である。尚２図示は省略しているが２例
えば特開昭５８−１２２６８号に開示されているように
大気開放配管を空気供給配管（５）に設け、この大気開
放配管に大気開放調節弁を設けたものがある。これはシ
ステム（１）の負荷変動に対する圧縮機（２ｂ）の吐出
空気圧力を一定に調節するものである。

次いで、上記のように構成されｔこ従来のシステムにお
いて、ターボ圧縮機の起動動作について説明する。先ず
始動に際し、切換弁（４）、調節弁（６）を閉じ、切換
弁（１４）、調節弁（１０）を開き、起動用圧縮空気供
給装置（１２）から圧縮空気を吐出させる。

これにより、圧縮空気が圧縮機（２ｂ）を通過し助燃炉
（９）に導かれるが、このとき、助燃炉（９）に燃料供
給配管（１１）から燃料を供給して助燃炉（９）を燃焼
させることにより、圧縮空気が加熱されてそのままター
ビン（２ａ）に投入される。圧縮空気の温度上昇に伴っ
てターボ圧縮機（２）は起動を開始し同時に空気は昇圧
される。ターボ圧縮機（２）の自力運転に必要な温度に
達した時点で、切換弁（４）を開き、起動用圧縮空気供
給装置（１２）を停止し、切換弁（１４）を閉じること
により、ターボ圧縮機（２）は自力運転に移行する。こ
の状態はいわば待機状態でありシステム（１）の必要に
応じていつでも空気を送り出すことができる。即ち、ｒ
Ａ節弁（６）を開くことにより圧縮空気がシステム（１
）へ供給され、同時にシステム（１）の中で圧縮空気が
燃焼その他に利用された後、排ガスとしてシステム排ガ
ス配’！！’（７）を経由してタービン（２ａ）に導か
れる。

しかしながら上述しｔこ従来のシステムにおいて。

起動用圧縮空気供給装置（１２）を停止させてターボ圧
縮機（２）の自力運転に移行するが、このとき。

一時的に圧力降下を伴い、この圧力降下によってタービ
ン動力と圧縮機動力のバランスが崩れ失速を招き、安定
したターボ圧縮機（２）の自力運転が得られないという
欠点が生じていた。即ち、起動用圧縮空気供給装置（５
）を停止させた後、いかにスムーズにターボ圧縮機（２
）の自力運転へ移行するかが重要な課題となっていた。

〔発明の概要〕

この発明は上記のようなものの欠点に鑑みてなされたも
のであり、システム起動時に、起動用圧縮空気供給装置
によ吻ターボ圧縮機を起動し、助燃炉の燃焼エネルギー
付勢に伴うターボ圧縮機の動力上昇分を大気開放調節弁
により系外に逃がし。

起動用圧縮空気供給装置の停止に伴う圧縮空気の圧力降
下を大気開放調節弁の絞り込みにより補償してターボ圧
縮機を自力運転させることにより。

安定したターボ圧縮機の自力運転を実現できるターボ圧
縮機システムの起動方法を提供することを目的としてい
る。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を第２図に基づいて説明する
。図において、（１）〜（１４）は上述した従来のシス
テムの構成と同様である。（１５）は圧縮機（２ｂ）の
出口側系統、即ち、空気供給配置！Ｆ（Ｓ）に分岐して
設けられた大気開放配管、　（１８）はこの大気開放配
管（１５）に設けられた大気開放調節弁、　（１７）は
例えばシステム起動時に使用する起動用バイパス配管で
あり、圧縮機（２ｂ）からの空気を空気供給配管（５）
からシステム排ガス配管（７）にバイパスさせるもので
あり、１節弁（１８）が併置されている。

次いで動作について説明する。システム始動時において
、先ず切換弁（４）、調節弁（６）、　（１０）。

大気開放調節弁（１６）を閉じ、切換弁（１４）、　１
節弁（１８）を開き、起動用圧縮空気供給装置（１２）
を起動する。起動用圧縮空気供給装置（１２）からの圧
縮空気は圧縮機＜２）１）を通り、空気供給配管（５）
、起動用バイパス配管（１７］　、システム排ガス配管
（７）を経由してタービン（２ａ）に投入される。この
とき。

起動用圧縮空気供給装置（１２）の容量がターボ圧縮機
（２）を起動させるのに十分であればターボ圧縮機（２
）は起動し、同時に圧ｔｉ機（２ｂ）からの圧縮空気の
圧力が上昇する。この状態で調節弁（１０）を開き助燃
炉（９）に空気を導入するとともに燃料供給配管（１１
）よゆ燃料も導入し、助燃炉（９）の燃焼を開始する。

助燃炉（９）の燃焼排ガスは起動用バイパス配管（１６
）を通って戻ってくる圧縮空気とシステム排ガス配管（
７）内で合流してタービン（２ａ）に投入されろ。助燃
炉（９）の点火時点で既にターボ圧縮機（２）が起動し
ていれば、タービン（２ａ）への投入ガス温度の上昇と
ともにクー°ビン動力が増し。

圧縮機（２ｂ）の吐出空気圧力もさらに増加していく。

助燃炉（９）の点火時点でまだターボ圧縮機（２）が起
動していなければ、タービン（ｚ＆）入口投入ガスの温
度上昇の過程でターボ圧縮ｉ　（２）は起動する。

どの時点でターボ圧縮機（２）が起動するにせよ。

ターボ圧縮機（２）が起動するときの回転上昇は速やか
に行われ、わずかの間（数秒以内）に圧縮機（２ｂ）の
吐出空気圧力が急速に増加する。このため。

急速な圧力変動に伴う助燃炉（９）の不安定燃焼を生じ
させないため、助燃炉（９）の点火以前に、即ち、起動
用圧縮空気供給装置（１２）の起動時にターボ圧縮機（
２）を起動させるようにするのが最も望ましい。ターボ
圧縮機（２）起動後、助燃炉（９）の燃焼に伴うタービ
ン（２ａ）入口ガスの温度上昇によって徐々に圧縮空気
の圧力が上昇する。圧縮空気の圧力が定格圧力を超える
時点から大気開放調節弁（１６）を開き始め、圧縮空気
の圧力が定格圧力を超えないようにタービン動力の増加
に対応して大気開放調節ｆｐ（１Ｂ）を漸開１！整する
。図示はしていないが、この操作のため、圧縮機（２ｂ
）の吐出側に圧力センサを設け、圧縮空気の圧力が一定
となるよう大気開放調節弁（１６）の開度調節機構（ア
クチュエータ）に対し圧力コントローラにより制御信号
を出力している。このようにして、ターボ圧縮機（２）
が自力運転を開始するに十分なタービン（２ａ）入口温
度に到達すれば、切換弁（４）を開いて起動用圧縮空気
供給装置（１２）を停止させて切換弁（１４）を閉じる
。これによりターボ圧縮機（２）は自力運転状態となる
。このとき、起動用圧縮空気供給装置（１２）の停止に
伴い一時的に圧縮機（２ｂ）出口の圧力が低下しようと
するが１図示していない圧力コントローラの働きにより
大気開放調節弁（１６）が閉の方向に制御され、圧縮空
気の圧力は一定に保たれる。大気開放調節弁（１６）の
絞り込みが完了し。

圧縮空気の圧力が一定の定格値に維持されている状態で
ターボ圧縮機（２）の自力運転への移行が完了する。起
動用圧縮空気供給装置（１２）を停止する時点での助燃
炉（９）の燃焼量あるいはタービン（２＆）入口温度は
、起動用圧縮空気供給装置（１２）停止後、圧縮空気圧
力を一定の定格値に維持して且つ大気開放調節弁（１６
）が全開あるいは多少の余裕をもった開度に維持される
ような値に設定されるのが望ましい。ターボ圧縮機（２
）の自力運転移行後ハ、　Ｒａ弁（６）ノミ開操作、　
ＷＮｌｗＩｆｆ　（１１１１）ノ漸閉操作により、起動
用バイパス配管（１７）を経由する空気は徐々にシステ
ム（１）の方へ切り換えられ。

圧ｗ１機（２ｂ）からの圧縮空気はシステム（１）へ投
入されるようになる。

このようなターボ圧縮機（２）の起動過程における圧縮
空気の流量、圧力、温度の変化の状態を従来方法と比較
したものを第３図に示す。図において、実線がこの発明
による方法の起動モード図であり２点線が従来方法の起
動モード図である。先ず、Ａ点で起動用圧縮空気供給装
置（１２）の起動によりターボ圧縮機（２）を起動させ
る。その後、８点で助燃炉（９）を点火し燃焼を開始す
る。これに伴うタービン（２ａ）入口の空９Ｆ％温度の
上昇により圧縮空気の圧力が上昇するが、定格圧力を超
える０点以降は、大気開放調節弁（１６）の開操作によ
り圧力は一定に維持され、タービン（２ａ）入口温度の
上昇に伴い大気開放調節弁（１６）の開度も増大する。

そのあと、Ｄ点において起動用圧縮空気供給装置（１２
）を停止したとき、大気開放調節弁（１６）の閉操作に
より圧縮空気の圧力は一定値に維持される。

このように起動用圧縮空気供給装置（１２）の停止時に
おいても圧縮空気の圧力変動を抑えるることができ、安
定したターボ圧縮機（２）の自力運転を行わせることが
できる。これを従来方法と比較すればこの発明の優位性
は明らかである。即ち、起動用圧縮空気供給装置（１２
）の停止時（Ｄ点）、従来生じていｔこ圧縮空気の圧力
変動ひいてはターボ圧縮機（２）の失速を招くことがな
い。

ところで、上記実施例ではシステムとして燃料電池発電
システムを対象とした場合について述べたが、その他化
学プラント等のシステムを対象とできることは言うまで
もなく、要するにターボ圧縮機を利用するシステムにこ
の発明を適用することができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、システム起動時に、起動
用圧縮空気供給装置によりターボ圧縮機を起動し、助燃
炉の燃焼エネルギー付勢に伴うターボ圧縮機の動力上昇
分を大気開放調節弁により系外に逃がし、起動用圧縮空
気供給装置の停止に伴う圧縮空気の圧力低下を大気開放
調節弁の絞り込みにより補償してターボ圧縮機を自力運
転させるようにしたことにより、ターボ圧縮機の失速を
招くことなく、安定したターボ圧縮機の自力運転を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のターボ圧縮機システムの起動方法を示す
系統図、第２図はこの発明の一実施例によるターボ圧縮
機システムの起動方法を示す系統図、第３図はこの発明
に係る起動過程状態を示す起動モード図である。 図において、（１）はシステム、（２）はターボ圧縮機
、（２亀）はクーピン、　（２ｂ）は圧縮機、（５）は
空気供給配管、（７）はシステム排ガス配管、（８）は
バイパス配管、（９）は助燃炉、　（１２）は起動用圧
縮空気供給装置、　（１５）は大気開放配管、　（１６
）は大気開放調節弁である。 尚１図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. システムからの排ガスにより駆動されるタービンとこの
   タービンと同軸上に直結されシステムに必要な圧縮空気
   を供給する圧縮機とから構成されるターボ圧縮機と、こ
   のターボ圧縮機のタービンの入口側系統に上記圧縮機か
   らの空気の一部をバイパスして供給するバイパス配管上
   に設置され上記タービンの不足動力を補う助燃炉と、上
   記圧縮機の入口側系統又は出口側系統に設置された起動
   用圧縮空気供給装置と、上記圧縮機の出口側系統に分岐
   して設けられた大気開放配管と、この大気開放配管に設
   けられた大気開放調節弁とを備えたターボ圧縮機システ
   ムにおいて、システム起動時に、上記起動用圧縮空気供
   給装置により上記ターボ圧縮機を起動し、上記助燃炉の
   燃焼エネルギー付勢に伴う上記ターボ圧縮機の動力上昇
   分を上記大気開放調節弁により系外に逃がし、上記起動
   用圧縮空気供給装置の停止に伴う圧縮空気の圧力低下を
   上記大気開放調節弁の絞り込みにより補償して上記ター
   ボ圧縮機を自力運転させることを特徴とするターボ圧縮
   機システムの起動方法。