KR101688376B1 - 발전 시스템 - Google Patents

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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

발전 시스템에 있어서, 압축기(21)와 연소기(22)와 터빈(23)을 갖는 가스 터빈(11)과, 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 연소기(22)에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인(26)과, 공기극 및 연료극을 갖는 SOFC(13)와, 압축 공기를 생성 가능한 압축 공기 공급 장치(61)와, 압축 공기 공급 장치(61)로 압축한 압축 공기를 SOFC(13)에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 설치함으로써 가스 터빈의 운전 상태에 관계없이 연료 전지를 안정되게 운전 가능하게 한다.

Description

발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 연료 전지와 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 발전 시스템에 관한 것이다.
고체산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell:이하, SOFC)는 용도가 넓고 고효율인 연료 전지로서 알려져 있다. 이 SOFC는 이온 전도율을 높이기 위해 작동 온도가 높게 되어 있기 때문에 가스 터빈이 압축기에서 토출된 공기를 공기극 측에 공급하는 공기(산화제)로서 사용할 수 있다. 또한, SOFC는 이용할 수 없었던 고온의 연료를 가스 터빈의 연소기에 연료로서 사용할 수 있다.
그러므로 예를 들어, 하기 특허문헌1에 기재된 바와 같이 고효율 발전을 달성할 수 있는 발전 시스템으로서, SOFC와 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 것이 여러 종류 제안되어 있다. 이 특허문헌 1에 기재된 컴바인드 시스템은 SOFC와, 이 SOFC에서 배출된 배(排) 연료 가스와 배출 공기를 연소하는 가스 터빈 연소기와, 공기를 압축하여 SOFC에 공급하는 압축기를 갖는 가스 터빈을 설치한 것이다.
일본 특허 공개 제 2009-205930 호 공보
상술한 종래 발전 시스템에서, 정상(定常) 운전 시에 가스 터빈 압축기로 압축한 공기는 가스 터빈 연소기에 공급됨과 동시에 그 일부를 SOFC에 공급하여 산화제로서 사용하고 있다. 이 경우, 압축기로 압축한 공기 압력은 가스 터빈의 운전 상태에 따라서 변동함으로, SOFC에 공급하는 압축 공기의 압력도 가스 터빈의 운전 상태에 따라 변동하게 되고, SOFC의 안정된 운전 상태를 유지할 수 없을 우려가 있다. 예를 들어, 가스 터빈의 구동에 의해 발전기를 작동하고 있지만 이 발전기의 주파수가 변동한 경우, 가스 터빈은 주파수를 소정 주파수로 유지하려고 출력 제어를 행한다. 즉, 가스 터빈은 연료 공급량을 조정함으로써 출력을 조정하지만, 이때 압축기의 출구에서의 압축 공기 압력이 변동하고, SOFC에 공급하는 압축 공기의 압력도 변동한다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 것이며, 가스 터빈의 운전 상태에 관계없이 연료 전지를 안정된 운전을 가능하게 하는 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전 시스템은 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과, 상기 압축기로 압축된 제 1 압축 공기를 상기 연소기에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인과, 공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지와, 제 2 압축 공기를 생성 가능한 압축 공기 공급부와, 상기 압축 공기 공급부에서 압축한 제 2 압축 공기를 상기 연료 전지에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인을 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서 가스 터빈 압축기와는 별도로 압축 공기 공급부를 설치하고, 가스 터빈 압축기로 압축한 제 1 압축 공기는 제 1 압축 공기 공급 라인에 의해 연소기에 공급되고, 압축 공기 공급부에서 압축한 제 2 압축 공기는 제 2 압축 공기 공급 라인에 의해 연료 전지에 공급된다. 그러므로, 가스 터빈의 운전 상태에 따라 연소기에 공급되는 공기의 압력이 변동해도 연료 전지에 공급되는 공기의 압력이 변동하는 일은 없다. 그 결과, 가스 터빈의 운전 상태에 관계없이 연료 전지의 안정된 운전이 가능하다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 가스 터빈으로부터의 배(排) 가스에 의해 증기를 생성하는 배(排) 열 회수 보일러와, 상기 배 열 회수 보일러에서 생성된 증기에 의해 구동하는 증기 터빈이 설치되고, 상기 압축 공기 공급부는 증기에 의한 구동을 하는 연료 전지용 압축기와, 상기 배 열 회수 보일러에서 생성된 증기를 상기 연료 전지용 압축기에 공급하는 증기 공급 라인을 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서 배 열 회수 보일러에서 생성된 증기가 증기 공급 라인에 의해 연료 전지용 압축기에 공급되면, 이 연료 전지용 압축기는 증기에 의해 구동하여 제 2 압축 공기를 생성하고, 이 제 2 압축 공기가 연료 전지에 공급된다. 연료 전지와 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 발전 시스템으로 하고, 이 시스템 계통 내에서 생성된 증기에 의해 연료 전지용 압축기를 구동하여 제 2 압축 공기를 생성하고, 이 제 2 압축 공기를 연료 전지에 공급하게 되며, 전체 시스템의 효율을 향상할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 압축 공기 공급부는 연료 전지용 압축기와 상기 연료 전지용 압축기를 구동하는 구동 모터를 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서 구동 모터에 의해 연료 전지용 압축기를 구동하여 제 2 압축 공기를 생성하고, 이 압축 공기가 연료 전지에 공급된다. 구동 모터와 연료 전지용 압축기를 설치하는 것만으로 가스 터빈에 대해 독립하여 제 2 압축 공기를 연료 전지에 공급할 수 있고, 간단한 구성으로 안정된 연료 전지의 운전을 확보할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 제 2 압축 공기 공급 라인을 개폐 가능한 제 1 개폐 밸브와, 상기 제 1 압축 공기 공급 라인과 상기 제 2 압축 공기 공급 라인을 접속하는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인을 개폐하는 제 2 개폐 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
따라서 연료 전지용 압축기를 구동하여 생성된 제 2 압축 공기를 바이패스 라인에서 연소기에 공급하는 것이 가능해지고, 가스 터빈이나 연료 전지의 운전 상태에 따라 압축 공기량을 조정할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 제 1 개폐 밸브 및 제 2 개폐 밸브를 개폐 제어 가능한 제어부가 설치되고, 상기 제어부는 상기 연료 전지의 정지 시에 상기 제 1 개폐 밸브를 폐지(閉止)하는 한편 상기 제 2 개폐 밸브를 개방하는 것을 특징으로 한다.
따라서 연료 전지의 정지 시에는, 제 1 개폐 밸브를 폐지하여 압축 공기 공급부에서 연료 전지로의 제 2 압축 공기 공급을 정지하고, 제 2 개폐 밸브를 개방하여 압축 공기 공급부에서 가스 터빈 연소기로의 제 2 압축 공기 공급을 개시하게 되며, 가스 터빈에 따른 압축 공기량을 확보하여 가스 터빈을 안정되게 운전할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에 의하면 압축기로 압축한 제 1 압축 공기를 연소기에 공급 가능하게 함과 동시에 압축 공기 공급부에서 압축한 제 2 압축 공기를 연료 전지에 공급 가능하도록 하기 때문에 가스 터빈 운전 상태에 관계없이 연료 전지를 안정되게 운전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도이다.
도 2는 실시예 1의 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도이다.
아래에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관련한 발전 시스템의 호적한 실시예를 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니며, 또한 실시예가 여러 개인 경우에는 각 실시예를 조합하여 구성하는 것도 포함한다.
실시예 1
실시예 1의 발전 시스템은 고체산화물형 연료 전지(이하, SOFC라고 칭한다)와 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 트리플 컴바인드 사이클(Triple Combined Cycle:등록상표)이다. 이 트리플 컴바인드 사이클은, 가스 터빈 컴바인드 사이클 발전(GTCC)의 상류 측에 SOFC를 설치하는 것에 의해, SOFC, 가스 터빈, 증기 터빈의 3단계로 전기를 추출하는 것이 가능하기 때문에 극도로 높은 발전 효율을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도, 도 2는 실시예 1의 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
실시예 1에 있어서, 도 2에 나타내는 바와 같이, 발전 시스템(10)은 가스 터빈(11) 및 발전기(12)와, SOFC(13)와, 증기 터빈(14) 및 발전기(15)를 갖는다. 이 발전 시스템(10)은 가스 터빈(11)에 의한 발전과, SOFC(13)에 의한 발전과, 증기 터빈(14)에 의한 발전을 조합함으로써, 높은 발전 효율을 얻도록 구성한 것이다.
가스 터빈(11)은 압축기(21), 연소기(22), 터빈(23)을 가지고 있고, 압축기(21)와 터빈(23)은 회전축(24)에 의해 일체회전 가능하게 연결되어 있다. 압축기(21)는 공기 주입 라인(25)에서 주입한 공기(A)를 압축한다. 연소기(22)는 압축기(21)에서 제 1 압축 공기 공급 라인(26)을 통하여 공급된 압축 공기(제 1 압축 공기)(A1)와, 제 1 연료 가스 공급 라인(27)에서 공급된 연료 가스(L1)를 혼합하여 연소한다. 터빈(23)은 연소기(22)에서 배 가스 공급 라인(28)을 통하여 공급된 배 가스(연소 가스)(G)에 의해 회전한다. 또한 도시하지 않으나, 터빈(23)은 압축기(21)로 압축된 압축 공기(A1)가 차량 안을 통하여 공급되고, 이 압축 공기(A1)를 냉각 공기로서 날개 등을 냉각한다. 발전기(12)는 터빈(23)과 동일 축(軸) 상에 설치되어 있고, 터빈(23)이 회전함으로써 발전할 수 있다. 또한, 여기에서는 연소기(22)에 공급하는 연료 가스(L1)로서, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG)를 사용한다.
SOFC(13)는 환원제로서의 고온 연료 가스와 산화제로서의 고온 공기(산소 가스)가 공급됨으로써, 소정의 작동 온도에서 반응하여 발전을 행하는 것이다. 이 SOFC(13)는 압력용기 안에 공기극과 고체 전해질과 연료극이 수용되어 구성된다. 공기극에 압축 공기가 공급되고, 연료극에 연료 가스가 공급됨으로써 발전을 행한다. 또한 여기서는, SOFC(13)에 공급하는 연료 가스(L2)로서, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG)를 사용한다.
이 SOFC(13)는, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 개재하여 압축 공기 공급 장치(압축 공기 공급부)(61)가 연결되어 있고, 압축 공기 공급 장치(61)가 압축된 압축 공기(제 2 압축 공기)(A2)를 공기극의 도입부에 공급할 수 있다. 이 제 2 압축 공기 공급 라인(31)은 공급하는 공기량을 조정 가능한 제어 밸브(제 1 개폐 밸브)(32)와, 압축 공기(A2)를 승압 가능한 블로워(33)가 공기가 흐르는 방향에 따라 설치되어 있다. SOFC(13)는 공기극에서 사용된 배(排) 공기(A3)를 배출하는 배 공기 라인(34)이 연결되어 있다. 이 배 공기 라인(34)은 공기극에 사용된 배 공기(A3)를 외부에 배출하는 배출 라인(35)과, 연소기(22)에 연결되는 압축 공기 순환 라인(36)으로 분기된다. 배출 라인(35)은 배출하는 공기량을 조정 가능한 제어 밸브(37)가 설치되고, 압축 공기 순환 라인(36)은 순환하는 공기량을 조정 가능한 제어 밸브(38)가 설치되어 있다.
또한 SOFC(13)는, 연료 가스(L2)를 연료극 도입부에 공급하는 제 2 연료 가스 공급 라인(41)이 설치되어 있다. 제 2 연료 가스 공급 라인(41)은, 공급하는 연료 가스량을 조정 가능한 제어 밸브(42)가 설치되어 있다. SOFC(13)는, 연료극에서 사용된 배 연료 가스(L3)를 배출하는 배 연료 라인(43)이 연결되어 있다. 이 배 연료 라인(43)은 외부에 배출하는 배출 라인(44)과, 연소기(22)에 연결되는 배 연료 가스 공급 라인(45)으로 분기된다. 배출 라인(44)은 배출하는 연료 가스량을 조정 가능한 제어 밸브(46)가 설치되고, 배 연료 가스 공급 라인(45)은 공급하는 연료 가스량을 조정 가능한 제어 밸브(47)와, 연료를 승압 가능한 블로워(48)가 연료 가스(L3)가 흐르는 방향에 따라 설치되어 있다.
또한 SOFC(13)는, 배 연료 라인(43)과 제 2 연료 가스 공급 라인(41)을 연결하는 연료 가스 재순환 라인(49)이 설치되어 있다. 연료 가스 재순환 라인(49)은, 배 연료 라인(43)의 배 연료 가스(L3)를 제 2 연료 가스 공급 라인(41)으로 재순환하는 재순환 블로워(50)가 설치되어 있다.
증기 터빈(14)은 배 열 회수 보일러(HRSG)(51)에서 생성된 증기에 의해 터빈(52)을 회전하는 것이다. 이 배 열 회수 보일러(51)는 가스 터빈(11)(터빈(23))으로부터의 배 가스 라인(53)이 연결되어 있고, 공기와 고온의 배 가스(G) 간에 열 교환을 행함으로써, 증기(S)를 생성한다. 증기 터빈(14)(터빈(52))은 배 열 회수 보일러(51) 간에 증기 공급 라인(54)과 급수 라인(55)이 설치되어 있다. 그리고, 급수 라인(55)은 복수기(56)와 급수 펌프(57)가 설치되어 있다. 발전기(15)는 터빈(52)과 동일 축 상에 설치되어 있고, 터빈(52)이 회전함으로써 발전할 수 있다. 또한, 배 열 회수 보일러(51)에서 열이 회수된 배 가스는 유해물질이 제거된 후 대기로 배출된다.
여기서 상술한 실시예 1의 발전 시스템(10)에 따른 압축 공기 공급 계통에 대하여 상세하게 설명한다. 실시예 1의 발전 시스템(10)에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이 압축 공기를 생성 가능한 압축 공기 공급 장치(압축 공기 공급부)(61)와, 이 압축 공기 공급 장치(61)로 압축한 압축 공기를 SOFC(13)에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 설치하고 있다.
즉, 가스 터빈(11)의 압축기(21)와는 별도로 단독 구동이 가능한 압축 공기 공급 장치(61)를 설치하고, 압축기(21)는 제 1 압축 공기 공급 라인(26)에 의해 연소기(22)(터빈(23))에만 압축 공기를 공급하고, 압축 공기 공급 장치(61)는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 의해 SOFC(13)에만 압축 공기를 공급한다. 그러면 압축기(21)로 압축된 압축 공기 전량이 연소기(22)나 터빈(23)에 보내지고, 압축 공기 공급 장치(61)로 압축된 압축 공기 전량이 SOFC(13)에 보내진다. 그러므로 가스 터빈(11)에서의 운전 상태 변동이 SOFC(13)에 전달되지 않고 SOFC(13)를 안정되게 운전할 수 있다. 즉, SOFC(13)는 공기극에 압축 공기(A2)가 공급되고, 연료극에 연료 가스(L2)가 공급됨으로써 발전을 행한다. 이 경우, SOFC(13)는 공기극의 압력과 연료극의 압력을 거의 균일하게 하지 않으면 공기극과 연료극 간에서 압축 공기(A2)나 연료 가스(L2)의 유통이 생기고, 온도가 변동하고 만다. 본 실시예에서는 압축기(21)에서 압축된 압축 공기(A1)가 SOFC(13)에는 공급되지 않고 압축 공기 공급 장치(61)에서 압축된 압축 공기(A2)만이 SOFC(13)에 공급되므로 SOFC(13)는 공기극의 압력이 변동하는 일 없이 SOFC(13)를 안정되게 운전할 수 있다.
압축 공기 공급 장치(61)는 SOFC용 압축기(연료 전지용 압축기)(62)와 SOFC용 증기 터빈(연료 전지용 증기 터빈)(63)이 연결축(64)에 의해 일체회전 가능하게 연결되어 구성된다. 그리고 제 2 압축 공기 공급 라인(31)은 일단부가 SOFC용 압축기(62)에 접속되고, 타단부가 SOFC(13)에 접속되어 있으며, SOFC용 압축기(62)는 공기 주입 라인(65)에서 주입한 공기를 압축한다. 또한 SOFC용 압축기(62)는 배 열 회수 보일러(51)에서 생성된 증기에 의해 SOFC용 증기 터빈(63)을 회전함으로써 구동하고, 공기를 압축할 수 있다. 즉, 증기 공급 라인(66)은 일단부가 배 열 회수 보일러(51)에서 증기 터빈(14)(터빈(52))에 증기를 공급하는 증기 공급 라인(54)에 접속되고, 타단부가 SOFC용 증기 터빈(63)에 접속되어 있다. 증기 공급 라인(66)은 공급하는 증기량을 조정 가능한 제어 밸브(67)가 설치되어 있다.
제어 장치(68)는 적어도 제어 밸브(32)와 제어 밸브(67)의 개도(開度)를 조정 가능함과 동시에, 블로워(33)의 구동 및 정지를 제어 가능하게 되어 있다. 그러므로 제어 장치(68)는 SOFC(13)의 정상 운전 시에 제어 밸브(32, 67)를 개방하고, 배 열 회수 보일러(51)에서 생성된 증기를 증기 공급 라인(54)에서 SOFC용 증기 터빈(63)에 공급하여 SOFC용 압축기(62)를 구동한다.
또한 제 1 압축 공기 공급 라인(26)과 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 접속하는 바이패스 라인(71)이 설치되고, 이 바이패스 라인(71)에 압축 공기 유량을 조정 가능한 제어 밸브(제 2 개폐 밸브)(72)가 설치되어 있다. 제어 장치(68)는 이 제어 밸브(72)의 개도를 조정 가능하게 되어 있다. 구체적으로 제어 장치(68)는 SOFC(13)의 정상 운전 시에 제어 밸브(72)를 폐지함으로써, 압축 공기 공급 장치(61)에서 생성된 압축 공기(A2)는 가스 터빈(11)에는 공급되지 않고 SOFC(13)에만 공급된다. 한편, SOFC(13)의 정지 시에 제어 밸브(72)를 개방하는 한편, 제어 밸브(32)를 폐지함으로써 압축 공기 공급 장치(61)에서 생성된 압축 공기는 SOFC(13)에는 공급되지 않고 가스 터빈(11)에만 공급된다.
여기서, 실시예 1의 발전 시스템(10)의 작동에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 발전 시스템(10)을 기동할 경우, 가스 터빈(11), 증기 터빈(14), SOFC(13) 순으로 기동한다. 또한 제어 장치(68)는 제어 밸브(32)와 제어 밸브(67)뿐만 아니라 그 외 제어 밸브도 제어 가능하게 되어 있다.
먼저 가스 터빈(11)에서 압축기(21)가 공기(A)를 압축하고, 연소기(22)가 압축 공기(A1)와 연료 가스(L1)를 혼합하여 연소하고, 터빈(23)이 배 가스(G)에 의해 회전함으로써, 발전기(12)가 발전을 개시한다. 다음으로 증기 터빈(14)에서, 배 열 회수 보일러(51)에 의해 생성된 증기(S)에 의해 터빈(52)이 회전하고, 이것에 의해 발전기(15)가 발전을 개시한다.
이어서 SOFC(13)에서는 제어 밸브(67)를 개방함으로써 배 열 회수 보일러(51)에서 생성된 증기를 증기 공급 라인(66)에서 압축 공기 공급 장치(61)의 SOFC용 증기 터빈(63)에 공급한다. 그렇게 하면 SOFC용 증기 터빈(63)은 이 공급된 증기에 의해 회전을 개시하고, SOFC용 압축기(62)가 동기하여 회전 구동함으로써 공기 주입 라인(65)에서 주입한 공기(A)를 압축한다. 그리고 이 SOFC용 압축기(62)는 압축 공기(A2)를 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에서 SOFC(13)에 공급하여 승압을 개시한다.
이때, 배출 라인(35)의 제어 밸브(37)와 압축 공기 순환 라인(36)의 제어 밸브(38)를 폐지하고, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)의 블로워(33)를 정지한 상태에서, 제어 밸브(32)를 개방한다. 그렇게 하면, 압축 공기 공급 장치(61)로 압축한 압축 공기(A2)가 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에서 SOFC(13) 측으로 공급된다. 이것에 의해, SOFC(13) 측은 압축 공기(A2)가 공급됨으로써 압력이 상승한다.
한편, SOFC(13)에서는 연료극 측에 연료 가스(L2)를 공급하여 승압을 개시한다. 배출 라인(44)의 제어 밸브(46)와 배 연료 가스 공급 라인(45)의 제어 밸브(47)를 폐지하고, 블로워(48)를 정지한 상태에서 제 2 연료 가스 공급 라인(41)의 제어 밸브(42)를 개방함과 동시에, 연료 가스 재순환 라인(49)의 재순환 블로워(50)를 구동한다. 그러면, 연료 가스(L2)가 제 2 연료 가스 공급 라인(41)에서 SOFC(13) 측으로 공급됨과 동시에, 배 연료 가스(L3)가 연료 가스 재순환 라인(49)에 의해 재순환한다. 이것에 의해, SOFC(13) 측은 연료 가스(L2)가 공급됨으로써 압력이 상승한다.
그리고, SOFC(13)의 공기극 측의 압력이 소정 압력이 되면, 제어 밸브(32)를 전개(全開)함과 동시에 블로워(33)를 구동한다. 그와 동시에 제어 밸브(37)를 개방하여 SOFC(13)로부터의 배 공기(A3)를 배출 라인(35)에서 배출한다. 그러면, 압축 공기(A2)가 블로워(33)에 의해 SOFC(13) 측으로 공급된다. 그와 동시에 제어 밸브(46)를 개방하여 SOFC(13)로부터의 배 연료(L3)를 배출 라인(44)에서 배출한다. 그리고, SOFC(13)에 따른 공기극 측의 압력과 연료극 측의 압력이 목표 압력에 도달하면 SOFC(13)의 승압이 완료한다.
또한 이 실시예에서는, 압축 공기 공급 장치(61)와 블로워(33)를 설치했으나, 압축 공기 공급 장치(61)를 제어함으로써 블로워(33)를 없애도 된다. 즉, 제어 밸브(67)의 개도를 조정함으로써 SOFC용 증기 터빈(63)에의 증기 공급량을 조정하고, SOFC용 압축기(62)가 생성한 압축 공기(A2)의 양을 조정함으로써 SOFC(13)에의 압축 공기(A2) 공급량을 조정하여 SOFC(13)를 승압하도록 해도 된다. 이 경우 블로워(33)를 없앰으로써 제어 밸브(32)의 개폐 제어나 블로워(33)의 기동 제어를 불필요하게 하여 저가격화를 가능하게 할 수 있다.
그 후, SOFC(13)의 반응(발전)이 안정되고, 배 공기(A3)와 배 연료 가스(L3)의 성분이 안정되면, 제어 밸브(37)를 폐지하는 한편, 제어 밸브(38)를 개방한다. 그러면, SOFC(13)로부터의 배 공기(A3)가 압축 공기 순환 라인(36)에서 연소기(22)로 공급된다. 또한, 제어 밸브(46)를 폐지하는 한편, 제어 밸브(47)를 개방하여 블로워(48)를 구동한다. 그러면, SOFC(13)로부터의 배 연료 가스(L3)가 배 연료 가스 공급 라인(45)에서 연소기(22)로 공급된다. 이때, 제 1 연료 가스 공급 라인(27)에서 연소기(22)에 공급되는 연료 가스(L1)를 감량한다.
이때, 가스 터빈(11)의 연소기(22)와 터빈(23)은 압축기(21)로 압축한 압축 공기(A1)의 전량이 공급되고, SOFC(13)는 압축 공기 공급 장치(61)로 압축한 압축 공기(A2)의 전량이 공급된다. 그러므로, 가스 터빈(11)에 출력 변동이 발생하고, 압축기(21)에서 압축한 공기(A1)의 압력이 변동해도 SOFC(13)에 공급되는 공기(A2)의 압력이 변동하지 않는다. 따라서 SOFC(13)는 공기극의 압력이 변동하는 일 없이 공기극의 압력과 연료극의 압력이 거의 균일하게 되고, 가스 터빈(11)의 운전 상태에 관계없이 SOFC(13)가 안정되게 운전된다.
또한 SOFC(13)의 운전이 정지했을 때, 제어 장치(68)는 SOFC(13)의 정지 시에 제어 밸브(72)를 개방하는 한편, 제어 밸브(32)를 폐지함으로써 압축 공기 공급 장치(61)에서 생성된 압축 공기(A2)는 SOFC(13)에는 공급되지 않고 가스 터빈(11)에 공급된다. SOFC(13)의 정상 운전 시, 압축 공기 공급 장치(61)에서 생성된 압축 공기(A2)는 SOFC(13)에 공급되고, 사용 후 배 공기(A3)가 압축 공기 순환 라인(36)에서 가스 터빈(11)의 연소기(22)에 공급되고 있다. 그러므로, SOFC(13)의 운전 정지 시에는 압축 공기 공급 장치(61)에서 생성된 압축 공기(A2)를 SOFC(13)에 공급하지 않고 바이패스 라인(71)에서 직접 가스 터빈(11)의 연소기(22)에 공급한다. 따라서, 가스 터빈(11)은 SOFC(13)의 정상 운전 시와 운전 정지 시에서 거의 같은 양의 압축 공기(A2)가 공급되게 되고, 모든 부하 운전을 가능하게 함으로써 안정된 발전이 가능하게 된다. 또한 SOFC(13)의 운전이 정지했을 때는 가스 터빈(11)의 연소기(22)에 SOFC(13)에서 배 연료 가스가 공급되지 않음으로 제 1 연료 가스 공급 라인(27)에서의 연료 가스량을 증가할 필요가 있다.
이와 같이 실시예 1의 발전 시스템에 있어서는, 압축기(21)와 연소기(22)와 터빈(23)을 갖는 가스 터빈(11)과, 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 연소기(22)에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인(26)과, 공기극 및 연소극을 갖는 SOFC(13)와, 압축 공기를 생성 가능한 압축 공기 공급 장치(61)와, 압축 공기 공급 장치(61)에서 압축한 압축 공기를 SOFC(13)에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 설치하고 있다.
따라서 가스 터빈(11)의 압축기(21)와는 별도로 압축 공기 공급 장치(61)를 설치하고, 압축기(21)에서 압축한 공기(A1)는 제 1 압축 공기 공급 라인(26)에 의해 연소기(22)에 공급되고, 압축 공기 공급 장치(61)에서 압축한 공기(A2)는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 의해 SOFC(13)에 공급된다. 그러므로, 가스 터빈(11)의 운전 상태에 따라 연소기(22)에 공급되는 공기의 압력이 변동해도 SOFC(13)에 공급되는 공기의 압력이 변동하는 일은 없다. 그 결과, SOFC(13)는 공기극의 압력이 변동하는 일 없이 공기극의 압력과 연료극의 압력이 거의 균일하게 되고, 가스 터빈(11)의 운전 상태에 관계없이 SOFC(13)를 안정되게 운전할 수 있다.
실시예 1의 발전 시스템에서는, 가스 터빈(11)으로부터의 배 가스에 의해 증기를 생성하는 배 열 회수 보일러와, 배 열 회수 보일러(51)에서 생성된 증기에 의해 구동하는 증기 터빈(14)을 설치하고, 압축 공기 공급 장치(61)로서 SOFC용 압축기(62)와, 배 열 회수 보일러(51)에서 생성된 증기를 SOFC용 증기 터빈(63)에 공급하는 증기 공급 라인(66)을 설치하고 있다. 따라서 배 열 회수 보일러(51)에서 생성된 증기는 증기 공급 라인(66)에 의해 SOFC용 증기 터빈(63)에 공급되면, 이 SOFC용 증기 터빈(63)은 증기에 의해 구동함으로써 SOFC용 압축기(62)를 구동하여 압축 공기(A2)를 생성하고 이 압축 공기(A2)가 SOFC(13)에 공급된다. SOFC(13)와 가스 터빈(11)과 증기 터빈(14)을 조합한 발전 시스템(10)으로 하고, 이 발전 시스템(10)의 계통 내에서 생성된 증기에 의해 SOFC용 압축기(62)를 구동하여 압축 공기(A2)를 생성하고, 이 압축 공기(A2)를 SOFC(13)에 공급하게 되며, 전체 시스템 효율을 향상할 수 있다.
실시예 1의 발전 시스템에서는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 개폐 가능한 제어 밸브(32)와, 제 2 압축 공기 공급 라인(36)과 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 접속하는 바이패스 라인(71)과, 바이패스 라인(71)을 개폐하는 제어 밸브(72)를 설치하고 있다. 따라서 SOFC용 압축기(62)를 구동하여 생성된 압축 공기(A2)를 바이패스 라인(71)에서 연소기(22)에 공급하는 것이 가능해지고, 가스 터빈(11)이나 SOFC(13)의 운전 상태에 따라 압축 공기량을 조정할 수 있다.
실시예 1의 발전 시스템에서는, 제어 밸브(32)와 제어 밸브(72)를 개폐 제어 가능한 제어 장치(68)를 설치하고, 이 제어 장치(68)는 SOFC(13) 정지 시에 제어 밸브(32)를 폐지하는 한편 제어 밸브(72)를 개방하고 있다. 따라서 SOFC(13)의 제어 시에는 제어 밸브(32)를 폐지하여 압축 공기 공급 장치(61)에서 SOFC(13)에의 압축 공기(A2)의 공급을 정지하고, 제어 밸브(72)를 개방하여 압축 공기 공급 장치(61)에서 가스 터빈(11)의 연소기(22)에의 압축 공기(A2)의 공급을 개시하게 되고, 가스 터빈(11)에 따른 압축 공기량을 확보하며 가스 터빈(11)을 안정되게 운전할 수 있다.
실시예 2
도 3은 본 발명의 실시예 2에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도이다. 또한 본 실시예의 발전 시스템의 기본적인 구성은 상술한 실시예 1과 거의 동일한 구성이며, 도 2를 이용하여 설명함과 동시에 상술한 실시예 1과 동일한 기능을 갖는 부재에는 동일 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
실시예 2의 발전 시스템에 있어서, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 SOFC(13)는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 개재하여 압축 공기 공급 장치(압축 공기 공급부)(81)가 연결되어 있고, 압축 공기 공급 장치(81)가 압축한 압축 공기(A2)를 공기극 도입부에 공급할 수 있다. 즉, 가스 터빈(11)의 압축기(21)와는 별도로 단독 구동이 가능한 압축 공기 공급 장치(81)를 설치하고, 압축기(21)는 제 1 압축 공기 공급 라인(26)에 의해 연소기(22)(터빈(23))에만 압축 공기(A1)를 공급하고, 압축 공기 공급 장치(81)는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 의해 SOFC(13)에만 압축 공기(A2)를 공급한다. 그러면 압축기(21)로 압축된 압축 공기 전량이 연소기(22)나 터빈(23)에 보내지고, 압축 공기 공급 장치(81)로 압축된 압축 공기 전량이 SOFC(13)에 보내진다. 그러므로 가스 터빈(11)에서의 운전 상태 변동이 SOFC(13)에 전달되지 않고 SOFC(13)를 안정되게 운전할 수 있다.
압축 공기 공급 장치(81)는 SOFC용 압축기(연료 전지용 압축기)(82)와 구동 모터(83)가 연결축(84)에 의해 연결되어 구성되어 있다. 그리고 제 2 압축 공기 공급 라인(31)은 일단부가 SOFC용 압축기(82)에 접속되고, 타단부가 SOFC(13)에 접속되어 있으며, SOFC용 압축기(82)는 공기 주입 라인(85)에서 주입한 공기를 압축한다. 또한 SOFC용 압축기(82)는 구동 모터(83)에 전력을 공급함으로써 구동하고, 공기를 압축할 수 있다.
제어 장치(68)는 적어도 제어 밸브(32)와 제어 밸브(72)의 개도를 조정 가능함과 동시에, 구동 모터(83)의 구동 및 정지를 제어 가능하게 되어 있다. 그러므로 제어 장치(68)는 SOFC(13)의 정상 운전 시에 제어 밸브(32, 67)를 개방하고, 구동 모터(83)를 구동하여 SOFC용 압축기(82)를 구동한다.
또한 제 1 압축 공기 공급 라인(26)과 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 접속하는 바이패스 라인(71)이 설치되고, 이 바이패스 라인(71)에 압축 공기 유량을 조정 가능한 제어 밸브(72)가 설치되어 있다. 제어 장치(68)는 SOFC(13)의 정상 운전 시에 제어 밸브(72)를 폐지함으로써, 압축 공기 공급 장치(81)에서 생성된 압축 공기는 가스 터빈(11)에는 공급되지 않고 SOFC(13)에만 공급된다. 한편, SOFC(13)의 정지 시에 제어 밸브(72)를 개방하는 한편, 제어 밸브(32)를 폐지함으로써 압축 공기 공급 장치(81)에서 생성된 압축 공기는 SOFC(13)에는 공급되지 않고 가스 터빈(11)에만 공급된다.
상술한 발전 시스템을 기동할 경우, 가스 터빈(11), 증기 터빈(14), SOFC(13)의 순으로 기동하지만, 가스 터빈(11)의 기동보다 먼저 SOFC(13)를 기동해도 된다.
SOFC(13)를 운전할 때, 구동 모터(83)를 구동함으로써 SOFC용 압축기(82)가 회전 구동하고, 공기 주입 라인(85)에서 주입한 공기(A)를 압축한다. 그리고 이 SOFC용 압축기(82)는 압축 공기(A2)를 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에서 SOFC(13)에 공급한다. 한편, 제 2 연료 가스 공급 라인(41)의 제어 밸브(42)를 개방함으로써 연료 가스(L2)를 제 2 연료 가스 공급 라인(41)에서 SOFC(13)로 공급한다. 그렇게 하면, SOFC(13)에서 압축 공기(A2)와 연료 가스(L2)가 반응하여 발전이 행해진다.
이때, 가스 터빈(11)의 연소기(22)와 터빈(23)은 압축기(21)로 압축한 공기(A1)의 전량이 공급되고, SOFC(13)는 압축 공기 공급 장치(81)로 압축한 압축 공기(A2)의 전량이 공급된다. 그러므로, 가스 터빈(11)에 출력 변동이 발생하고, 압축기(21)에서 압축한 공기(A1)의 압력이 변동해도 SOFC(13)에 공급되는 공기(A2)의 압력이 변동하지 않고, 가스 터빈(11)의 운전 상태에 상관없이 SOFC(13)가 안정되게 운전된다.
이와 같이 실시예 2의 발전 시스템에 있어서는, 압축기(21)와 연소기(22)와 터빈(23)을 갖는 가스 터빈(11)과, 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 연소기(22)에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인(26)과, 공기극 및 연소극을 갖는 SOFC(13)와, 압축 공기를 생성 가능한 압축 공기 공급 장치(81)와, 압축 공기 공급 장치(81)에서 압축한 압축 공기를 SOFC(13)에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 설치하고 있다.
따라서 가스 터빈(11)의 압축기(21)와는 별도로 압축 공기 공급 장치(81)를 설치하고, 압축기(21)에서 압축한 공기(A1)는 제 1 압축 공기 공급 라인(26)에 의해 연소기(22)에 공급되고, 압축 공기 공급 장치(81)에서 압축한 공기(A2)는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 의해 SOFC(13)에 공급된다. 그러므로, 가스 터빈(11)의 운전 상태에 따라 연소기(22)에 공급되는 공기의 압력이 변동해도 SOFC(13)에 공급되는 공기의 압력이 변동하는 일은 없다. 그 결과, 가스 터빈(11)의 운전 상태에 관계없이 SOFC(13)를 안정되게 운전할 수 있다.
실시예 2의 발전 시스템에서는, 압축 공기 공급 장치(81)로서 SOFC용 압축기(82)와, SOFC용 압축기(82)를 구동하는 구동 모터(83)를 설치하고 있다. 따라서 구동 모터(83)에 의해 SOFC용 압축기(82)를 구동하여 압축 공기(A2)를 생성하고 이 압축 공기(A2)가 SOFC(13)에 공급된다. 구동 모터(83)와 SOFC용 압축기(82)를 설치하는 것만으로 가스 터빈(11)에 대해 독립하여 압축 공기(A2)를 SOFC(13)에 공급할 수 있고, 간단한 구성으로 SOFC(13)의 안정 운전을 확보할 수 있다.
또한 상술한 실시예에서, 본 발명의 제 1 개폐 밸브 및 제 2 개폐 밸브를 유량 조정 가능한 제어 밸브(32, 72)로 했으나, 유량 조정이 불가능한 차단 밸브여도 된다.
10 : 발전 시스템
11 : 가스 터빈
12 : 발전기
13 : 고체산화물형 연료 전지(SOFC)
14 : 증기 터빈
15 : 발전기
21 : 압축기
22 : 연소기
23 : 터빈
26 : 제 1 압축 공기 공급 라인
27 : 제 1 연료 가스 공급 라인
31 : 제 2 압축 공기 공급 라인
32 : 제어 밸브(제 1 개폐 밸브)
33 : 블로워
34 : 배 공기 라인
36 : 압축 공기 순환 라인
41 : 제 2 연료 가스 공급 라인
42 : 제어 밸브
43 : 배 연료 라인
45 : 배 연료 가스 공급 라인
49 : 연료 가스 재순환 라인
61 : 압축 공기 공급 장치(압축 공기 공급부)
62 : SOFC용 압축기(연료 전지용 압축기)
63 : SOFC용 증기 터빈(연료 전지용 증기 터빈)
66 : 증기 공급 라인
67 : 제어 밸브
71 : 바이패스 라인
72 : 제어 밸브(제 2 개폐 밸브)

Claims (3)

  1. 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과,
    상기 압축기로 압축한 제 1 압축 공기를 상기 연소기에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인과,
    공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지와,
    제 2 압축 공기를 생성 가능한 압축 공기 공급부와,
    상기 압축 공기 공급부에서 압축한 제 2 압축 공기를 상기 연료 전지에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인을 갖고,
    상기 제 2 압축 공기 공급 라인을 개폐 가능한 제 1 개폐 밸브와, 상기 제 1 압축 공기 공급 라인과 상기 제 2 압축 공기 공급 라인을 접속하는 바이패스 라인과, 상기 바이패스 라인을 개폐하는 제 2 개폐 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 개폐 밸브 및 제 2 개폐 밸브를 개폐 제어 가능한 제어부가 설치되고, 상기 제어부는 상기 연료 전지의 정지 시에 상기 제 1 개폐 밸브를 폐지(閉止)하는 한편 상기 제 2 개폐 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는, 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급부는 연료 전지용 압축기와, 상기 연료 전지용 압축기를 구동하는 구동 모터를 갖는 것을 특징으로 하는, 발전 시스템.
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