KR101701654B1 - 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법 - Google Patents

발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101701654B1
KR101701654B1 KR1020157008073A KR20157008073A KR101701654B1 KR 101701654 B1 KR101701654 B1 KR 101701654B1 KR 1020157008073 A KR1020157008073 A KR 1020157008073A KR 20157008073 A KR20157008073 A KR 20157008073A KR 101701654 B1 KR101701654 B1 KR 101701654B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel gas
supply line
exhaust
gas supply
discharged
Prior art date
Application number
KR1020157008073A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150052165A (ko
Inventor
가즈노리 후지타
Original Assignee
미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤 filed Critical 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Publication of KR20150052165A publication Critical patent/KR20150052165A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101701654B1 publication Critical patent/KR101701654B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K5/00—Plants characterised by use of means for storing steam in an alkali to increase steam pressure, e.g. of Honigmann or Koenemann type
    • F01K5/02—Plants characterised by use of means for storing steam in an alkali to increase steam pressure, e.g. of Honigmann or Koenemann type used in regenerative installation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/22—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being gaseous at standard temperature and pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22—Fuel supply systems
    • F02C7/224—Heating fuel before feeding to the burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04716—Temperature of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2210/00—Working fluids
    • F05D2210/10—Kind or type
    • F05D2210/12—Kind or type gaseous, i.e. compressible
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법에 있어서, 연료 전지로부터 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스를 보다 안정시키고, 가스 터빈에서의 연소를 안정시키는 것을 과제로 한다. 발전 시스템(10)은, 가스 터빈(11)과, 연료 전지(13)와, 배출 연료 가스 공급 라인(45)과, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 마련된 개폐 제어 밸브(개폐 밸브)(106)와, 개폐 제어 밸브(106)보다 상류측의 범위의 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 가열하는 가열 수단(102)과, 개폐 제어 밸브(106)보다 상류측의 범위의 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스의 상태를 검출하는 검출부(104)와, 가열 수단(102)에 의한 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가열을 제어하고, 배출 연료 가스 공급 라인의 가열이 완료되었다고 판정한 경우, 개폐 제어 밸브(106)를 여는 제어부(제어 장치)(62)를 갖는다.

Description

발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법{POWER GENERATION SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은, 고체 산화물형 연료 전지와 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법에 관한 것이다.
고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell : 이하 SOFC)는, 용도가 넓은 고효율 연료 전지로서 알려져 있다. 이 SOFC는, 이온 도전율을 높이기 위해 작동 온도가 높게 되어 있으므로, 가스 터빈의 압축기로부터 토출된 공기를 공기극측에 공급하는 공기(산화제)로서 사용할 수 있다. 또한, SOFC는, 이용할 수 없었던 고온의 연료를 가스 터빈의 연소기에 연료로서 사용할 수 있다.
이 때문에, 예컨대, 하기 특허 문헌 1에 기재되는 바와 같이, 고효율 발전을 달성할 수 있는 발전 시스템으로서, SOFC와 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 것이 각종 제안되고 있다. 이 특허 문헌 1에 기재된 컴바인드 시스템은, SOFC와, 이 SOFC로부터 배출된 배출 연료 가스와 배출 공기를 연소하는 가스 터빈 연소기와, 공기를 압축하여 SOFC에 공급하는 압축기를 갖는 가스 터빈을 마련한 것이다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 2009-205930호 공보
상술한 종래의 발전 시스템에서는, SOFC로부터 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스의 칼로리가 변동하는 경우가 있다. 특히, 발전 시스템에서는, SOFC로부터 가스 터빈으로의 배출 연료 가스의 공급 개시시에 변동이 생기기 쉽다. 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스의 열량이 변동하면, 가스 터빈의 연소실에서의 연소가 불안정하게 되어 문제이다.
본 발명은, 상술한 과제를 해결하는 것이고, 연료 전지로부터 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스를 보다 안정시키고, 가스 터빈에서의 연소를 안정시킬 수 있는 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전 시스템은, 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과, 공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지와, 상기 연료 전지로부터 배출되는 배출 연료 가스를 상기 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스 공급 라인과, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 마련되고, 적어도 개폐를 전환하는 개폐 제어 밸브와, 상기 개폐 제어 밸브보다 상류측의 범위의 상기 배출 연료 가스 공급 라인을 가열하는 가열 수단과, 상기 개폐 제어 밸브보다 상류측의 범위의 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 상기 배출 연료 가스의 상태를 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출한 결과에 근거하여, 상기 가열 수단에 의한 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 가열을 제어하고, 상기 검출부에서 검출한 결과에 근거하여, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 가열이 완료되었다고 판정한 경우, 상기 개폐 제어 밸브를 여는 제어부를 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서, 가열 수단과 검출부와 개폐 제어 밸브를 마련하는 것에 의해, 가열 수단에 의해 배출 연료 가스 공급 라인을 가열하고, 또한, 검출부에서 검출한 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 배출 연료 가스의 상태가 소정의 상태로 안정될 때까지, 가스 터빈에 배출 연료 가스를 공급하지 않도록 할 수 있다. 그러면, 가스 터빈에 배출 연료 가스를 공급하는 배출 연료 가스 공급 라인을 가열할 수 있는 것에 의해, 드레인이 발생한 배출 연료 가스가 직접 가스 터빈의 연소기에 공급되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 드레인이 발생하는 것에 의해 수분이 저감되어 칼로리가 높아진 배출 연료 가스가 가스 터빈에 공급되거나, 발생한 드레인이 증발하여 H2O분이 많은, 다시 말해 칼로리가 낮은 배출 연료 가스가 가스 터빈에 공급되거나 하는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스의 성상(性狀)을 안정시킬 수 있고, 가스 터빈의 연소를 안정시킬 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 검출부는, 상기 배출 연료 가스의 칼로리를 검출하는 열량계이고, 상기 제어부는, 상기 검출부에서 검출한 상기 칼로리가 소정의 범위 내인 것을 검출한 경우, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 가열이 완료되었다고 판정하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 가스 터빈에 칼로리가 안정된 배출 연료 가스를 공급할 수 있고, 가스 터빈의 연소를 안정시킬 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 검출부는, 상기 배출 연료 가스의 온도를 검출하는 온도계이고, 상기 제어부는, 상기 검출부에서 검출한 상기 온도가 소정값 이상인 것을 검출한 경우, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 가열이 완료되었다고 판정하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 배출 연료 가스가 드레인이 발생하지 않는 온도로 흐르고 있는 것을 검출한 후, 가스 터빈으로의 배출 연료 가스의 공급을 개시할 수 있다. 이것에 의해, 가스 터빈에 칼로리가 안정된 배출 연료 가스를 공급할 수 있고, 가스 터빈의 연소를 안정시킬 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 라인과, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 상기 개폐 제어 밸브보다 상류측에 한쪽의 단부가 연결되고, 상기 연료 가스 공급 라인에 다른 쪽의 단부가 연결되고, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 상기 배출 연료 가스의 일부를 상기 연료 가스 공급 라인에 공급하는 연료 가스 재순환 라인을 갖고, 상기 가열 수단은, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 상기 연료 가스 재순환 라인과의 연결 위치보다 하류측 또한 상기 개폐 제어 밸브보다 상류측에 한쪽의 단부가 연결되고, 상기 연료 가스 재순환 라인에 다른 쪽의 단부가 접속된 배출 연료 가스 재순환 라인을 구비하고, 상기 배출 연료 가스 재순환 라인으로 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 배출 연료 가스를 연료 가스 재순환 라인에 공급하고, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 배출 연료 가스를 순환시키고, 상기 배출 연료 가스의 열로 상기 배출 연료 가스 공급 라인을 가열하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 배출 연료 가스를 순환시키는 것에 의해, 배출 연료 가스 공급 라인을 가열할 수 있다. 이것에 의해, 별도 가열원을 마련할 필요가 없어지고, 또한, 가열에 이용한 배출 연료 가스도 유효하게 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 발전 시스템의 운전 방법은, 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과, 공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지와, 상기 연료 전지로부터 배출되는 배출 연료 가스를 상기 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스 공급 라인과, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 마련되고, 적어도 개폐를 전환하는 개폐 제어 밸브를 갖는 발전 시스템의 운전 방법으로서, 상기 개폐 제어 밸브보다 상류측의 범위의 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 상기 배출 연료 가스의 상태를 검출하는 공정과, 상기 검출부에서 검출한 결과에 근거하여, 상기 배출 연료 가스 공급 라인을 가열하는 공정과, 상기 검출부에서 검출한 결과에 근거하여, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 상기 배출 연료 가스의 상태가 안정되었다고 판정한 경우, 상기 개폐 제어 밸브를 여는 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서, 배출 연료 가스 공급 라인을 가열하고, 또한, 검출한 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 배출 연료 가스의 상태가 소정의 상태로 안정될 때까지, 가스 터빈에 배출 연료를 공급하지 않도록 할 수 있다. 그러면, 가스 터빈에 배출 연료 가스를 공급하는 배출 연료 가스 공급 라인을 가열할 수 있는 것에 의해, 드레인이 발생한 배출 연료 가스가 직접 가스 터빈의 연소기에 공급되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 드레인이 발생하는 것에 의해 수분이 저감되어 칼로리가 높아진 배출 연료 가스가 가스 터빈에 공급되거나, 발생한 드레인이 증발하여 H2O분이 많은, 다시 말해 칼로리가 낮은 배출 연료 가스가 가스 터빈에 공급되거나 하는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스의 칼로리를 안정시킬 수 있고, 가스 터빈의 연소를 안정시킬 수 있다.
본 발명의 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법에 의하면, 가스 터빈에 배출 연료 가스를 공급하는 배출 연료 가스 공급 라인을 가열할 수 있는 것에 의해, 드레인이 발생한 배출 연료 가스가 직접 가스 터빈의 연소기에 공급되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 드레인이 발생하는 것에 의해 수분이 저감되어 칼로리가 높아진 배출 연료 가스가 가스 터빈에 공급되거나, 발생한 드레인이 증발하여 H2O분이 많은, 다시 말해 칼로리가 낮은 배출 연료 가스가 가스 터빈에 공급되거나 하는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스의 칼로리를 안정시킬 수 있고, 가스 터빈의 연소를 안정시킬 수 있다.
도 1은 본 실시예의 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련되는 발전 시스템에 있어서의 배출 연료 가스 공급 라인의 개략도이다.
도 3은 본 실시예의 발전 시스템의 구동 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 4는 본 실시예의 발전 시스템의 배출 연료의 흐름을 제어하는 밸브의 동작의 타이밍을 나타내는 타임차트이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명과 관련되는 발전 시스템 및 발전 시스템에 있어서의 고체 산화물형 연료 전지의 기동 방법의 적합한 실시예를 상세하게 설명한다. 또, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니고, 또한, 실시예가 복수 있는 경우에는, 각 실시예를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다.
실시예
본 실시예의 발전 시스템은, 고체 산화물형 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 상류측에 SOFC를 설치하는 것에 의해, SOFC, 가스 터빈, 증기 터빈의 3단계에서 전기를 추출할 수 있기 때문에, 매우 높은 발전 효율을 실현할 수 있다. 또, 이하의 설명에서는, 본 발명의 연료 전지로서 고체 산화물형 연료 전지를 적용하여 설명하지만, 이 형식의 연료 전지로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 실시예의 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련되는 발전 시스템에 있어서의 배출 연료 가스 공급 라인의 개략도이다. 본 실시예에 있어서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 발전 시스템(10)은, 가스 터빈(11) 및 발전기(12)와, SOFC(13)와, 증기 터빈(14) 및 발전기(15)를 갖고 있다. 이 발전 시스템(10)은, 가스 터빈(11)에 의한 발전과, SOFC(13)에 의한 발전과, 증기 터빈(14)에 의한 발전을 조합하는 것에 의해, 높은 발전 효율을 얻도록 구성한 것이다. 또한, 발전 시스템(10)은, 제어 장치(62)를 구비하고 있다. 제어 장치(62)는, 입력된 설정, 입력된 지시 및 검출부에서 검출한 결과 등에 근거하여, 발전 시스템(10)의 각 부의 동작을 제어한다.
가스 터빈(11)은, 압축기(21), 연소기(22), 터빈(23)을 갖고 있고, 압축기(21)와 터빈(23)은, 회전축(24)에 의해 일체 회전 가능하게 연결되어 있다. 압축기(21)는, 공기 흡입 라인(25)으로부터 흡입한 공기 A를 압축한다. 연소기(22)는, 압축기(21)로부터 제 1 압축 공기 공급 라인(26)을 통해서 공급된 압축 공기 A1과, 제 1 연료 가스 공급 라인(27)으로부터 공급된 연료 가스 L1을 혼합하여 연소한다. 터빈(23)은, 연소기(22)로부터 배기 가스 공급 라인(28)을 통해서 공급된 배기 가스(연소 가스) G에 의해 회전한다. 또, 도시하지 않지만, 터빈(23)은, 압축기(21)에서 압축된 압축 공기 A1이 차실을 통해서 공급되고, 이 압축 공기 A1을 냉각 공기로 하여 날개 등을 냉각한다. 발전기(12)는, 터빈(23)과 동축상에 마련되어 있고, 터빈(23)이 회전하는 것에 의해 발전할 수 있다. 또, 여기서는, 연소기(22)에 공급하는 연료 가스 L1로서, 예컨대, 액화 천연 가스(LNG)를 이용하고 있다.
SOFC(13)는, 환원제로서의 고온의 연료 가스와 산화제로서의 고온의 공기(산화성 가스)가 공급되는 것에 의해, 소정의 작동 온도에서 반응하여 발전을 행하는 것이다. 이 SOFC(13)는, 압력 용기 내에 공기극과 고체 전해질과 연료극이 수용되어 구성된다. 공기극에 압축기(21)에서 압축된 일부의 압축 공기 A2가 공급되고, 연료극에 연료 가스가 공급되는 것에 의해 발전을 행한다. 또, 여기서는, SOFC(13)에 공급하는 연료 가스 L2로서, 예컨대, 액화 천연 가스(LNG), 수소(H2) 및 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 탄화수소 가스, 석탄 등 탄소질 원료의 가스화 설비에 의해 제조한 가스를 이용하고 있다. 또한, SOFC(13)에 공급되는 산화성 가스는, 산소를 대략 15%~30% 포함하는 가스이고, 대표적으로는 공기가 적합하지만, 공기 이외에도 연소 배기 가스와 공기의 혼합 가스나, 산소와 공기의 혼합 가스 등이 사용 가능하다(이하, SOFC(13)에 공급되는 산화성 가스를 공기라고 한다).
이 SOFC(13)는, 제 1 압축 공기 공급 라인(26)으로부터 분기한 제 2 압축 공기 공급 라인(31)이 연결되고, 압축기(21)가 압축한 일부의 압축 공기 A2를 공기극의 도입부에 공급할 수 있다. 이 제 2 압축 공기 공급 라인(31)은, 공급하는 공기량을 조정 가능한 제어 밸브(32)와, 압축 공기 A2를 승압 가능한 블로어(승압기)(33)가 공기의 흐름 방향을 따라서 마련되어 있다. 제어 밸브(32)는, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 있어서의 공기의 흐름 방향의 상류측에 마련되고, 블로어(33)는, 제어 밸브(32)의 하류측에 마련되어 있다. SOFC(13)는, 공기극에서 이용된 배출 공기 A3을 배출하는 배출 공기 라인(34)이 연결되어 있다. 이 배출 공기 라인(34)은, 공기극에서 이용된 배출 공기 A3을 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 마련되고, 압축 공기 순환 라인(36)은, 순환하는 공기량을 조정 가능한 제어 밸브(38)가 마련되어 있다.
또한, SOFC(13)는, 연료 가스 L2를 연료극의 도입부에 공급하는 제 2 연료 가스 공급 라인(41)이 마련되어 있다. 제 2 연료 가스 공급 라인(41)은, 공급하는 연료 가스량을 조정 가능한 제어 밸브(42)가 마련되어 있다. SOFC(13)는, 연료극에서 이용된 배출 연료 가스 L3을 배출하는 배출 연료 라인(43)이 연결되어 있다. 이 배출 연료 라인(43)은, 외부에 배출하는 배출 라인(44)과, 연소기(22)에 연결되는 배출 연료 가스 공급 라인(45)으로 분기된다. 배출 라인(44)은, 배출하는 연료 가스량을 조정 가능한 제어 밸브(46)가 마련되고, 배출 연료 가스 공급 라인(45)은, 공급하는 연료 가스량을 조정 가능한 제어 밸브(47)와, 연료를 승압 가능한 블로어(48)가 연료 가스 L3의 흐름 방향을 따라서 마련되어 있다. 제어 밸브(47)는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 있어서의 배출 연료 가스 L3의 흐름 방향의 상류측에 마련되고, 블로어(48)는, 제어 밸브(47)의 하류측에 마련되어 있다.
또한, SOFC(13)는, 배출 연료 라인(43)과 제 2 연료 가스 공급 라인(41)을 연결하는 연료 가스 재순환 라인(49)이 마련되어 있다. 연료 가스 재순환 라인(49)은, 배출 연료 라인(43)의 배출 연료 가스 L3을 제 2 연료 가스 공급 라인(41)에 재순환하는 재순환 블로어(50)가 마련되어 있다.
증기 터빈(14)은, 배열 회수 보일러(HRSG)(51)에서 생성된 증기에 의해 터빈(52)을 회전시키는 것이다. 이 배열 회수 보일러(51)는, 가스 터빈(11)(터빈(23))으로부터의 배기 가스 라인(53)이 연결되어 있고, 공기와 고온의 배기 가스 G의 사이에서 열교환을 행하는 것에 의해, 증기 S를 생성한다. 증기 터빈(14)(터빈(52))은, 배열 회수 보일러(51)와의 사이에 증기 공급 라인(54)과 급수 라인(55)이 마련되어 있다. 그리고, 급수 라인(55)은, 복수기(56)와 급수 펌프(57)가 마련되어 있다. 발전기(15)는, 터빈(52)과 동축상에 마련되어 있고, 터빈(52)이 회전하는 것에 의해 발전할 수 있다. 또, 배열 회수 보일러(51)에서 열이 회수된 배기 가스 G는, 유해 물질이 제거되고 나서 대기에 방출된다.
여기서, 본 실시예의 발전 시스템(10)의 작동에 대하여 설명한다. 발전 시스템(10)을 기동하는 경우, 가스 터빈(11), 증기 터빈(14), SOFC(13)의 차례로 기동한다.
우선, 가스 터빈(11)에서, 압축기(21)가 공기 A를 압축하고, 연소기(22)가 압축 공기 A1과 연료 가스 L1을 혼합하여 연소시키고, 터빈(23)이 배기 가스 G에 의해 회전하는 것에 의해, 발전기(12)가 발전을 개시한다. 다음으로, 증기 터빈(14)에서, 배열 회수 보일러(51)에 의해 생성된 증기 S에 의해 터빈(52)이 회전하고, 이것에 의해 발전기(15)가 발전을 개시한다.
계속하여, SOFC(13)에서는, 우선, 압축 공기 A2를 공급하여 승압을 개시함과 아울러 가열을 개시한다. 배출 라인(35)의 제어 밸브(37)와 압축 공기 순환 라인(36)의 제어 밸브(38)를 폐지(閉止)하고, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)의 블로어(33)를 정지한 상태에서, 제어 밸브(32)를 소정 개방도만큼 개방한다. 그러면, 압축기(21)에서 압축한 일부의 압축 공기 A2가 제 2 압축 공기 공급 라인(31)으로부터 SOFC(13)측에 공급된다. 이것에 의해, SOFC(13)측은, 압축 공기 A2가 공급되는 것에 의해 압력이 상승한다.
한편, SOFC(13)에서는, 연료극측에 연료 가스 L2를 공급하여 승압을 개시한다. 배출 라인(44)의 제어 밸브(46)와 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 제어 밸브(47)를 폐지하고, 블로어(48)를 정지한 상태에서, 제 2 연료 가스 공급 라인(41)의 제어 밸브(42)를 개방함과 아울러, 연료 가스 재순환 라인(49)의 재순환 블로어(50)를 구동한다. 그러면, 연료 가스 L2가 제 2 연료 가스 공급 라인(41)으로부터 SOFC(13)측에 공급됨과 아울러, 배출 연료 가스 L3이 연료 가스 재순환 라인(49)에 의해 재순환한다. 이것에 의해, SOFC(13)측은, 연료 가스 L2가 공급되는 것에 의해 압력이 상승한다.
그리고, SOFC(13)의 공기극측의 압력이 압축기(21)의 출구 압력이 되면, 제어 밸브(32)를 전개(全開)로 함과 아울러, 블로어(33)를 구동한다. 그것과 동시에 제어 밸브(37)를 개방하여 SOFC(13)로부터의 배출 공기 A3을 배출 라인(35)으로부터 배출한다. 그러면, 압축 공기 A2가 블로어(33)에 의해 SOFC(13)측에 공급된다. 그것과 동시에 제어 밸브(46)를 개방하여 SOFC(13)로부터의 배출 연료 가스 L3을 배출 라인(44)으로부터 배출한다. 그리고, SOFC(13)에 있어서의 공기극측의 압력과 연료극측의 압력이 목표 압력에 도달하면, SOFC(13)의 승압이 완료된다.
그 후, SOFC(13)의 반응(발전)이 안정되고, 배출 공기 A3과 배출 연료 가스 L3의 성분이 안정되면, 제어 밸브(37)를 폐지하는 한편, 제어 밸브(38)를 개방한다. 그러면, SOFC(13)로부터의 배출 공기 A3이 압축 공기 순환 라인(36)으로부터 연소기(22)에 공급된다. 또한, 제어 밸브(46)를 폐지하는 한편, 제어 밸브(47)를 개방하여 블로어(48)를 구동한다. 그러면, SOFC(13)로부터의 배출 연료 가스 L3이 배출 연료 가스 공급 라인(45)으로부터 연소기(22)에 공급된다. 이때, 제 1 연료 가스 공급 라인(27)으로부터 연소기(22)에 공급되는 연료 가스 L1을 감량한다.
여기서, 가스 터빈(11)의 구동에 의한 발전기(12)에서의 발전, SOFC(13)에서의 발전, 증기 터빈(14)의 구동에 의해 발전기(15)에서의 발전이 모두 행해지게 되고, 발전 시스템(10)이 정상 운전이 된다.
그런데, 일반적인 발전 시스템에서는, 제어 밸브(47)를 개방하여 블로어(48)를 구동하면, SOFC(13)로부터의 배출 연료 가스 L3이 배출 연료 가스 공급 라인(45)으로부터 연소기(22)에 공급된다. 여기서, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 온도가 낮으면, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에서 가스 터빈(11)을 향해서 공급되는 배출 연료 가스 L3의 온도가 저하한다. 배출 연료 가스 L3의 온도가 저하하면, 드레인이 발생하고, 배출 연료 가스 L3의 연소 발열량(칼로리)이 변동할 우려가 있다.
그래서, 본 실시예의 발전 시스템(10)에서는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 가열하는 가열 수단(102)과, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에서 흐르게 하는 배출 연료 가스 L3의 상태를 검출하는 검출부(104)와, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가스 터빈(11)의 근방(본 실시 형태에서는, 제어 밸브(47)보다 하류측)에 배치된 개폐 밸브(개폐 제어 밸브)(106)를 마련한다. 발전 시스템(10)의 제어 장치(제어부)(62)는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)으로의 배출 연료 가스 L3의 공급 개시시에, 다시 말해 제어 밸브(47)를 연 후에, 검출부(104)의 결과에 근거하여, 가열 수단(102) 및 개폐 밸브(106)를 구동하도록 하고 있다.
즉, 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 가열하기 위한 가열 수단(102)을 마련하고, 검출부(104)의 검출 결과에 근거하여, 가열 수단(102)의 가열을 제어한다. 또한, 검출부(104)의 검출 결과에 근거하여, 개폐 밸브(106)의 개폐를 제어하는 것에 의해, 가스 터빈(11)(연소기(22))으로의 배출 연료 가스 L3의 공급의 실행, 정지를 제어한다. 그러면, 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 가열할 수 있고, 또한 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 가열한 후에 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 통과한 배출 연료 가스 L3을 가스 터빈(11)에 공급할 수 있다. 이것에 의해, 가스 터빈(11)(연소기(22))에 공급하는 배출 연료 가스 L3의 연소 발열량(칼로리)을 안정시킬 수 있다.
상세하게 설명하면, 도 2에 나타내는 바와 같이, 가열 수단(102)은, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)과 제어 밸브(116)를 갖는다. 배출 연료 가스 재순환 라인(112)은, 한쪽의 단부가 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 블로어(48)와 연소기(22)의 사이에 접속되고, 다른 쪽의 단부가 연료 가스 재순환 라인(49)에 접속되어 있다. 배출 연료 가스 재순환 라인(112)은, 배출 연료 가스 공급 라인(45)으로부터 공급된 배출 연료 가스 L3을 연료 가스 재순환 라인(49)에 공급한다. 제어 밸브(116)는, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)에 설치되어 있다. 제어 밸브(116)는, 개폐를 전환하는 것에 의해, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)에 배출 연료 가스 L3이 흐르는지 흐르지 않는지를 전환하고, 개방도를 조정하는 것에 의해, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)에 흐르는 배출 연료 가스 L3의 유량을 제어한다.
검출부(104)는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 블로어(48)보다 하류측, 또한, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)과 연결하고 있는 위치보다 상류측에 배치되어 있다. 검출부(104)는, 설치되어 있는 위치의 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스의 칼로리를 검출하는 검출 장치이다. 또, 검출부(104)는, 설치되어 있는 위치의 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스 L3의 상태를 검출할 수 있는 검출 장치이면 되고, 예컨대, 배출 연료 가스 L3의 온도를 검출하는 온도 검출 장치를 이용할 수도 있다. 여기서, 배출 연료 가스 L3의 상태란, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르고 있는 동안에 배출 연료 가스 L3에 드레인이 생겼는지를 판정할 수 있는 각종 조건이다. 또, 검출부(104)는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가스 터빈(11)측, 다시 말해, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)과 연결하고 있는 위치에 가까운 쪽에 배치하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 것에 의해, 배출 연료 가스 L3에 생기는 변화를 보다 높은 확률로 검출할 수 있다.
개폐 밸브(106)는, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)과 연결하고 있는 위치보다 하류측, 또한, 연소기(22)보다 상류측에 배치되어 있다. 개폐 밸브(106)는, 개폐를 전환하는 것에 의해 배출 연료 가스 L3을 연소기(22)에 공급하는지 여부를 전환할 수 있다.
제어 장치(62)는, 적어도 개폐 밸브(106)의 개폐를 조정 가능하다. 그 때문에, 제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스 L3을 가스 터빈(11)에 공급하는지 여부를 전환할 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 제어 장치(62)는, 제어 밸브(46, 47, 116)의 개폐 및 개방도를 조정 가능하다. 그 때문에, 제어 장치(62)는, 배출 연료 라인(43)에 흐르는 배출 연료 가스 L3의 흐름, 다시 말해 배출 연료를 공급하는 기기를 전환할 수 있다.
이하, 도 2부터 도 4를 이용하여, 상술한 본 실시예의 발전 시스템(10)의 구동 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 본 실시예의 발전 시스템의 구동 동작의 일례를 나타내는 플로차트이다. 도 4는 본 실시예의 발전 시스템의 배출 연료의 흐름을 제어하는 밸브의 동작의 타이밍을 나타내는 타임차트이다. 도 3에 나타내는 구동 동작은, 제어 장치(제어부)(62)가 각 부의 검출 결과에 근거하여, 연산 처리를 실행하는 것에 의해 실현할 수 있다. 또한, 발전 시스템(10)은, 도 3에 나타내는 처리의 실행 중에도, 연료 가스 재순환 라인(49)을 이용한 배출 연료 가스의 순환을 병행하여 실행하고 있다.
우선, 제어 장치(62)는, 배출 연료 라인(43)으로의 배출 연료 가스 L3의 공급을 개시하면(단계 S12), 배출 연료 가스 L3을 배출 라인(44)으로부터 배출한다(단계 S14). 구체적으로는, 제어 장치(62)는, 도 4의 시간 t1에 나타내는 바와 같이, 제어 밸브(46)를 열고, 제어 밸브(47)를 닫고, 제어 밸브(116)를 닫고, 개폐 밸브(106)를 닫는다. 이것에 의해, 배출 연료 가스 L3은, 도 2에 나타내는 화살표(132)의 방향으로 배출 연료 가스 L3이 흐르고, 배출 라인(44)으로부터 배출된다.
제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 L3의 상태가 안정되었는지를 판정한다(단계 S16). 다시 말해, 제어 장치(62)는, 배출 연료 라인(43)에 흐르는 배출 연료 가스 L3의 성분이 안정되어 있는지를 판정한다. 제어 장치(62)는, 예컨대, 배출 연료 가스 L3의 조성 분석을 행하고, 그 결과에 근거하여 판정을 행한다.
제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 L3의 상태가 안정되어 있지 않다고 판정한 경우(단계 S16에서 아니오)로 판정한 경우, 단계 S16으로 돌아와, 단계 S16의 판정을 다시 실행한다. 제어 장치(62)는, 배출 연료 라인(43)에 흐르는 배출 연료 가스 L3의 상태가 안정될 때까지, 배출 연료 가스 L3을 배출 라인(44)으로부터 배출하면서, 단계 S16의 처리를 반복한다.
제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 L3의 상태가 안정되어 있다(단계 S16에서 예)고 판정한 경우, 배출 연료 가스 L3을 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 공급 개시하고(단계 S18), 배출 연료 가스 재순환 라인(112)을 이용한 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 배출 연료 가스 L3의 재순환을 개시한다(단계 S20). 구체적으로는, 제어 장치(62)는, 도 4의 시간 t2에 나타내는 바와 같이, 제어 밸브(46)의 개방도를 작게 하고, 제어 밸브(47)를 닫힌 상태로부터 열린 상태로 한다. 이것에 의해, 배출 연료 라인(43)에 흐르는 배출 연료 가스 L3을, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 공급할 수 있다. 또한, 제어 장치(62)는, 제어 밸브(116)를 닫힌 상태로부터 열린 상태로 하고, 개폐 밸브(106)를 닫힌 채로 유지한다. 제어 장치(62)는, 제어 밸브(47)를 열어, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 배출 연료 가스 L3으로의 공급을 개시하면, 블로어(48)를 구동한다. 블로어(48)는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스 L3을 배출 연료 가스 재순환 라인(112)과의 연결부를 향해서 보낸다. 또한, 개폐 밸브(106)를 닫고, 제어 밸브(116)를 여는 것에 의해, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스 L3은, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)과의 연결부에 도달하면, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)에 흐른다. 이것에 의해, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐른 배출 연료 가스 L3은, 도 2에 나타내는 화살표(134)의 방향으로 흐르고, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)에 흐르고, 연료 가스 재순환 라인(49)에 공급된다. 연료 가스 재순환 라인(49)에 공급된 배출 연료 가스 L3은, 다른 배출 연료 및 연료와 혼합되고, 다시 SOFC(13)에 공급된다. 제어 장치(62)는, 배출 연료 가스를, 배출 연료 가스 공급 라인(45), 배출 연료 가스 재순환 라인(112), 연료 가스 재순환 라인(49), SOFC(13)의 차례로 순환시키는 것에 의해, 배출 연료 가스 L3으로 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 가열할 수 있다. 또한, 가열에 이용한 배출 연료 가스 L3을 SOFC(13)에 투입하는 것에 의해, 다시 가열할 수 있다.
제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 L3의 재순환을 개시하면, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가열이 완료되었는지를 판정한다(단계 S22). 제어 장치(62)는, 검출부(104)의 검출 결과에 근거하여, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가열이 완료되었는지를 판정한다. 제어 장치(62)는, 검출부(104)가 검출한 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스 L3의 상태에 근거하여, 가열 수단(102)에 의한 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가열이 완료되었는지를 판정한다. 구체적으로는, 검출부(104)는, 배출 연료 가스 L3의 상태로서, 배출 연료 가스 L3의 칼로리나 온도를 계측할 수 있다. 제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 L3의 상태에 근거하여, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스 L3에 드레인이 발견되고 있지 않다고 판정한 경우, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가열이 종료되었다고 판정한다. 제어 장치(62)는, 검출부(104)에서 온도를 검출하는 경우, 온도가 일정한 값 이상이 되면 가열이 완료되었다고 판정한다. 제어 장치(62)는, 검출부(104)에서 배출 연료 가스 L3의 칼로리를 검출하는 경우, 칼로리가 소정의 범위 내가 되면 가열이 완료되었다고 판정한다.
제어 장치(62)는, 가열이 완료되어 있지 않다고 판정한 경우(단계 S22에서 아니오)로 판정한 경우, 단계 S22로 돌아와, 단계 S22의 판정을 다시 실행한다. 제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가열이 종료될 때까지, 다시 말해, 검출부(104)에서 검출하는 배출 연료 가스 L3의 상태가 안정될 때까지, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)을 이용한 배출 연료 가스 L3의 재순환을 계속하면서, 단계 S22의 처리를 반복한다. 이것에 의해, 제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)으로부터 배출 연료 가스 L3을 가스 터빈(11)에 공급하지 않는 상태에서, 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 가열할 수 있다. 또한, 제어 장치(62)는, 배출 연료 가스 L3의 재순환을 개시하면, 배출 연료 가스 L3의 상태(예컨대 검출부(104)에서 검출한 배출 연료 가스의 온도)에 근거하여, 제어 밸브(46)의 개방도를 조정한다. 구체적으로는, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 배출 연료 가스 L3이 유입되어 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 압력이 상승하면, 제어 밸브(46)의 개방도를 크게 한다. 이것에 의해, 배출 연료 라인(43)으로부터 공급되는 배출 연료 가스 L3 중 잉여의 배출 연료 가스 L3을 배출 라인(44)으로부터 배출할 수 있다.
제어 장치(62)는, 가열이 완료되었다(단계 S22에서 예)고 판정한 경우, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)을 이용한 배출 연료 가스 L3의 재순환을 정지하고, 가스 터빈(11)으로의 배출 연료 가스 L3의 공급을 개시한다(단계 S24). 구체적으로는, 제어 장치(62)는, 도 4의 시간 t3에 나타내는 바와 같이, 제어 밸브(46)를 열린 상태로부터 닫힌 상태로 전환하고, 제어 밸브(47)를 열린 채 유지하고, 제어 밸브(116)를 열린 상태로부터 닫힌 상태로 하고, 개폐 밸브(106)를 닫힌 상태로부터 열린 상태로 한다. 이것에 의해, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흐르는 배출 연료 가스 L3은, 공급될 곳이 배출 연료 가스 재순환 라인(112)으로부터, 개폐 밸브(106)의 앞의 연소기(22)로 전환되고, 도 2의 화살표(136)에 나타내는 방향으로 배출 연료 가스 L3이 공급된다. 제어 장치(62)는, 연소기(22)로의 배출 연료 가스 L3의 공급을 개시하면, 본 처리를 종료한다.
이와 같이 본 실시예의 발전 시스템(10)은, 가열 수단(102)을 이용하여, 배출 연료 가스 공급 라인(45)을 가열하고, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가열이 완료되고 나서, 가스 터빈(11)으로의 배출 연료 가스 L3의 공급을 개시한다. 이것에 의해, 운전 개시시 등의 저온(상온)인 상태의 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 흘러, 온도가 저하된 배출 연료 가스 L3이 가스 터빈(11)에 공급되는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 배출 연료 가스 L3은, 냉각되면 드레인이 발생한다. 드레인이 발생한 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 하류측의 배출 연료 가스 L3은, 성분의 구성이 변화하고, 수분량이 줄어드는 것에 의해 연소 발열량(칼로리)이 높아진다. 또한, 발전 시스템(10)은, 배출 연료 가스 공급 라인(45)이 배출 연료 가스 L3에 의해 가열되기 때문에, 드레인의 발생량이 서서히 변화한다. 또한, 그 후, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에서 발생한 드레인이 증발하면, 증발한 드레인이 배출 연료 가스 L3에 혼입되고, 배출 연료 가스 L3의 H2O분이 많아진다. 배출 연료 가스 L3은, H2O분이 많아지면, 연소 발열량(칼로리)이 낮아진다. 이것에 의해, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 하류측의 배출 연료 가스 L3은, 연료 발열량이 서서히 변화한다. 이와 같은 배출 연료 가스 L3을 가스 터빈(11)에 공급하면, 가스 터빈(11)에서의 연소의 제어가 복잡해진다. 또한, 애초에 드레인이 발생한 상태의 배출 연료 가스 L3을 가스 터빈(11)의 연소기(22)에 공급하는 것은 바람직하지 않다. 이것에 비하여, 본 실시예의 발전 시스템(10)은, 상술한 바와 같이, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가열이 완료되고 나서, 가스 터빈(11)으로의 배출 연료 가스 L3의 공급을 개시한다. 이것에 의해, 가스 터빈(11)에 공급하는 배출 연료 가스 L3의 연소 발열량의 변동을 억제할 수 있다. 공급하는 배출 연료 가스 L3의 성분을 안정시킬 수 있는 것에 의해, 가스 터빈(11)의 연소를 안정시킬 수 있다. 이것에 의해, 제어를 간단하게 할 수 있고, 또한, 가스 터빈(11)으로의 악영향도 저감할 수 있다.
또, 본 실시예의 발전 시스템(10)은, 가열 수단(102)로서, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)을 마련하고, 배출 연료 가스 L3을 재순환시키는 구성으로 하고 있다. 이와 같이 가열원으로서 배출 연료 가스 L3을 이용하는 것에 의해, 새로운 가열원을 이용할 필요가 없기 때문에, 장치 구성을 간단하게 할 수 있다. 또한, 발전 시스템(10)은, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)을 마련하고, 배출 연료 가스 L3을 다시 SOFC(13)에 되돌리는 것에 의해, 배출 연료 가스 L3을 재가열하고, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)의 가열을 종료한 후, 가스 터빈(11)에 공급할 수 있다. 이것에 의해, 배출 연료 가스 L3을 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 발전 시스템(10)은, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 블로어(48)보다 하류측에 배출 연료 가스 재순환 라인(112)을 연결시키는 것에 의해, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)에 배출 연료 가스 L3을 공급하는 구동원으로서, 블로어(48)를 이용할 수 있다. 이것에 의해, 1개의 블로어(48)를 유효하게 활용할 수 있다.
발전 시스템(10)은, 개폐 밸브(106)를 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 가스 터빈(11)(연소기(22))의 근방에 배치하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 발전 시스템(10)은, 개폐 밸브(106)와 연소기(22)의 거리를 짧게 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 개폐 밸브(106)를 열고, 가스 터빈(11)으로의 배출 연료 가스 L3의 공급을 개시했을 때에, 가스 터빈(11)에 공급하는 배출 연료 가스 L3으로 가열하는 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 범위를 짧게 할 수 있다. 이것에 의해, 가스 터빈(11)으로의 배출 연료 가스 L3의 공급을 개시했을 때에, 개폐 밸브(106)보다 하류측의 범위의 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 배출 연료 가스 L3에 드레인이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 발전 시스템(10)은, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 블로어(48) 및 검출부(104)보다 상류측에 제어 밸브(47)를 마련하는 것에 의해, 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 블로어(48) 및 검출부(104)를 배치하고 있는 범위에 배출 연료 가스 L3을 공급하는지 여부를 전환할 수 있다. 또한, 도 1에서는, 제어 밸브(47)의 위치를 배출 연료 가스 공급 라인(45)의 연소기(22)측에 배치한 위치로 하고 있지만 배치 위치는 특별히 한정되지 않고, 배출 라인(44)과의 연결부보다 하류측, 또한, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)과의 연결부보다 상류측이면 된다. 또, 발전 시스템(10)은, 반드시 제어 밸브(47)를 마련할 필요는 없다.
또, 발전 시스템(10)은, 가열 수단으로서 다른 가열 방법을 이용하더라도 좋다. 예컨대, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)을 다른 기기로부터 배출되는 증기, 예컨대 배열 회수 보일러(HRSG)(51)에서 생성된 증기를 이용하여 가열하더라도 좋고, 배출 연료 가스 재순환 라인(112)에 전열선 등을 감고, 해당 전열선에 전기를 흘려 발열시키는 것에 의해 배출 연료 가스 재순환 라인(112)을 가열하더라도 좋다.
개폐 밸브(106)는, 적어도 개폐를 전환할 수 있으면 되지만, 개방도를 조정하는 제어 밸브이더라도 좋다. 또한, 제어 밸브(47)는, 적어도 개폐를 전환할 수 있으면 되고, 제어 밸브이더라도 좋다. 마찬가지로, 또, 배출 연료 가스 공급 라인(45)에 마련한 제어 밸브(47)와, 개폐 밸브(106)는, 적어도 한쪽을 개방도(유로 저항)를 조정할 수 있는 제어 밸브로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 연소기(22)에 공급하는 배출 연료 가스 L3의 양을 조정할 수 있다.
10 : 발전 시스템
11 : 가스 터빈
12 : 발전기
13 : 고체 산화물형 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, 48 : 블로어
34 : 배출 공기 라인
36 : 압축 공기 순환 라인
41 : 제 2 연료 가스 공급 라인
42 : 제어 밸브
43 : 배출 연료 라인
45 : 배출 연료 가스 공급 라인
47 : 제어 밸브
49 : 연료 가스 재순환 라인
62 : 제어 장치(제어부)
102 : 가열 수단
104 : 검출부
106 : 개폐 밸브
112 : 배출 연료 가스 재순환 라인
116 : 제어 밸브

Claims (5)

  1. 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과,
    공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지와,
    상기 연료 전지로부터 배출되는 배출 연료 가스를 상기 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스 공급 라인과,
    상기 배출 연료 가스 공급 라인에 마련되고, 적어도 개폐를 전환하는 개폐 제어 밸브와,
    상기 개폐 제어 밸브보다 상류측의 범위의 상기 배출 연료 가스 공급 라인을 가열하는 가열 수단과,
    상기 개폐 제어 밸브보다 상류측의 범위의 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 상기 배출 연료 가스의 상태를 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에서 검출한 결과에 근거하여, 상기 가열 수단에 의한 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 가열을 제어하고, 상기 검출부에서 검출한 결과에 근거하여, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 가열이 완료되었다고 판정한 경우, 상기 개폐 제어 밸브를 여는 제어부
    를 갖는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 배출 연료 가스의 칼로리를 검출하는 열량계이고,
    상기 제어부는, 상기 검출부에서 검출한 상기 칼로리가 소정의 범위 내인 것을 검출한 경우, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 가열이 완료되었다고 판정하는
    것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는, 상기 배출 연료 가스의 온도를 검출하는 온도계이고,
    상기 제어부는, 상기 검출부에서 검출한 상기 온도가 소정값 이상인 것을 검출한 경우, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 가열이 완료되었다고 판정하는
    것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 라인과,
    상기 배출 연료 가스 공급 라인의 상기 개폐 제어 밸브보다 상류측에 한쪽의 단부가 연결되고, 상기 연료 가스 공급 라인에 다른 쪽의 단부가 연결되고, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 상기 배출 연료 가스의 일부를 상기 연료 가스 공급 라인에 공급하는 연료 가스 재순환 라인
    을 갖고,
    상기 가열 수단은, 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 상기 연료 가스 재순환 라인과의 연결 위치보다 하류측 또한 상기 개폐 제어 밸브보다 상류측에 한쪽의 단부가 연결되고, 상기 연료 가스 재순환 라인에 다른 쪽의 단부가 접속된 배출 연료 가스 재순환 라인을 구비하고, 상기 배출 연료 가스 재순환 라인으로 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 상기 배출 연료 가스를 상기 연료 가스 재순환 라인에 공급하고, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 상기 배출 연료 가스를 순환시키고, 상기 배출 연료 가스의 열로 상기 배출 연료 가스 공급 라인을 가열하는
    것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  5. 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과, 공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지와, 상기 연료 전지로부터 배출되는 배출 연료 가스를 상기 가스 터빈에 공급하는 배출 연료 가스 공급 라인과, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 마련되고, 적어도 개폐를 전환하는 개폐 제어 밸브를 갖는 발전 시스템의 운전 방법으로서,
    상기 개폐 제어 밸브보다 상류측의 범위의 상기 배출 연료 가스 공급 라인의 상기 배출 연료 가스의 상태를 검출하는 공정과,
    상기 검출하는 공정에서 검출한 결과에 근거하여, 상기 배출 연료 가스 공급 라인을 가열하는 공정과,
    상기 검출하는 공정에서 검출한 결과에 근거하여, 상기 배출 연료 가스 공급 라인에 흐르는 상기 배출 연료 가스의 상태가 안정되었다고 판정한 경우, 상기 개폐 제어 밸브를 여는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 발전 시스템의 운전 방법.
KR1020157008073A 2012-10-31 2013-10-28 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법 KR101701654B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2012-240997 2012-10-31
JP2012240997A JP6071430B2 (ja) 2012-10-31 2012-10-31 発電システム及び発電システムの運転方法
PCT/JP2013/079161 WO2014069414A1 (ja) 2012-10-31 2013-10-28 発電システム及び発電システムの運転方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150052165A KR20150052165A (ko) 2015-05-13
KR101701654B1 true KR101701654B1 (ko) 2017-02-01

Family

ID=50627319

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157008073A KR101701654B1 (ko) 2012-10-31 2013-10-28 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9926844B2 (ko)
JP (1) JP6071430B2 (ko)
KR (1) KR101701654B1 (ko)
CN (1) CN104685688B (ko)
DE (1) DE112013005214B4 (ko)
WO (1) WO2014069414A1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6109529B2 (ja) * 2012-10-31 2017-04-05 三菱日立パワーシステムズ株式会社 発電システム
JP6228752B2 (ja) * 2013-04-26 2017-11-08 三菱日立パワーシステムズ株式会社 発電システム及び発電システムの起動方法
CN104929780A (zh) * 2015-06-24 2015-09-23 中国能建集团装备有限公司北京技术中心 燃气轮机尾气利用系统
CN109565063B (zh) * 2016-08-10 2022-02-25 日产自动车株式会社 燃料电池系统和燃料电池系统的控制方法
CN108123162B (zh) * 2016-11-26 2021-02-19 中国科学院大连化学物理研究所 一种以液氢为燃料的燃料电池发电系统
US11125188B2 (en) * 2019-08-05 2021-09-21 Caterpillar Inc. Hydrogen and electric power co-production system and method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002298889A (ja) 2001-04-02 2002-10-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体電解質型燃料電池システム
JP2004220941A (ja) 2003-01-15 2004-08-05 Tokyo Electric Power Co Inc:The 燃料電池コンバインドサイクル発電プラントおよびその起動方法
JP2005056790A (ja) 2003-08-07 2005-03-03 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3268169B2 (ja) * 1995-07-25 2002-03-25 三菱重工業株式会社 燃料電池
US6607854B1 (en) 2000-11-13 2003-08-19 Honeywell International Inc. Three-wheel air turbocompressor for PEM fuel cell systems
US7067208B2 (en) * 2002-02-20 2006-06-27 Ion America Corporation Load matched power generation system including a solid oxide fuel cell and a heat pump and an optional turbine
US7595124B2 (en) * 2003-10-09 2009-09-29 General Electric Company Integrated fuel cell hybrid power plant with controlled oxidant flow for combustion of spent fuel
JP5185504B2 (ja) * 2006-03-03 2013-04-17 本田技研工業株式会社 燃料電池システムおよびその運転方法
JP5185657B2 (ja) 2008-02-27 2013-04-17 三菱重工業株式会社 コンバインドシステム
DE102008049689A1 (de) 2008-09-30 2010-04-01 Daimler Ag Luftversorgungseinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben einer Luftversorgungseinrichtung
JP6053560B2 (ja) * 2013-02-20 2016-12-27 三菱日立パワーシステムズ株式会社 発電システム及び発電システムの運転方法
JP6228752B2 (ja) * 2013-04-26 2017-11-08 三菱日立パワーシステムズ株式会社 発電システム及び発電システムの起動方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002298889A (ja) 2001-04-02 2002-10-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体電解質型燃料電池システム
JP2004220941A (ja) 2003-01-15 2004-08-05 Tokyo Electric Power Co Inc:The 燃料電池コンバインドサイクル発電プラントおよびその起動方法
JP2005056790A (ja) 2003-08-07 2005-03-03 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
DE112013005214T5 (de) 2015-09-24
JP2014093126A (ja) 2014-05-19
JP6071430B2 (ja) 2017-02-01
US20150260097A1 (en) 2015-09-17
CN104685688B (zh) 2017-02-15
KR20150052165A (ko) 2015-05-13
WO2014069414A1 (ja) 2014-05-08
DE112013005214B4 (de) 2021-10-28
US9926844B2 (en) 2018-03-27
CN104685688A (zh) 2015-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101701654B1 (ko) 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법
KR101795195B1 (ko) 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법
KR101766555B1 (ko) 발전 시스템 및 발전 시스템에 있어서의 연료 전지의 기동 방법
US9638102B2 (en) Power generation system and method for starting power generation system
KR101688376B1 (ko) 발전 시스템
KR20150058459A (ko) 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법
US20140230450A1 (en) Power generation system and operating method thereof
KR101766558B1 (ko) 발전 시스템 및 발전 시스템에 있어서의 연료 전지의 기동 방법 및 운전 방법
KR101732286B1 (ko) 발전 시스템 및 발전 시스템의 운전 방법
JP6071428B2 (ja) 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
JP6125221B2 (ja) 発電システム及び発電システムの運転方法
JP6049421B2 (ja) 発電システム及び発電システムの運転方法
JP5730223B2 (ja) コンバインド発電システム
JP6087591B2 (ja) 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
JP6057670B2 (ja) 発電システム及び発電システムにおける燃料電池の運転方法
JP2006147490A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant