KR20150063089A - 발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법 - Google Patents

발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법 Download PDF

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Abstract

발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법에 있어서, 압축기(21)와 연소기(22)와 터빈(23)을 갖는 가스 터빈(11)과, 압축기(21)에 따른 공기 주입구에 설치되는 입구 안내 날개(21a)와, 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, 압축기(21)로 압축한 압축 공기 중 적어도 일부를 공기극에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)과, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 설치되는 제어 밸브(32)와, SOFC(13)의 기동시에 제어 밸브(32)를 개방함과 동시에 입구 안내 날개(21a)의 개도를 사전에 설정시킨 기준 개도에서 크게 변형하는 제어 장치(61)를 설치함으로써, 연료 전지의 기동시에 따른 가스 터빈에서의 공기 부족을 억제하여 안정된 기동을 가능하게 한다.

Description

발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법{POWER GENERATION SYSTEM AND METHOD FOR ACTIVATING FUEL CELL IN POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 연료 전지와 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법에 관한 것이다.
고체 산화물형 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 공기극측에 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 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이 고효율 발전을 달성할 수 있는 발전 시스템으로서, SOFC와 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 것이 여러 종류 제안되어 있다. 이 특허 문헌 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.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 제 2009-205930호 공보
상술한 종래의 발전 시스템으로 SOFC를 기동할 때, 가스 터빈의 압축기로 압축한 공기의 일부를 SOFC에 공급함으로써, 이 SOFC를 가압한다. 이 경우, SOFC에 공급한 압축 공기는 SOFC를 가압하기 위하여 사용되는 것으로부터 가스 터빈의 연소기에는 돌아가지 않는다. 그러므로, 연소기로는 연소용 공기가 부족하여 연소 가스가 고온이 되거나 연소기나 터빈으로는 냉각용 공기가 부족하여 충분한 냉각이 어려워지게 된다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 것이며, 연료 전지의 기동시에 따른 가스 터빈에서의 공기 부족을 억제하여 안정된 기동을 가능하게 하는 발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전 시스템은 연료 전지와, 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과, 상기 압축기에 따른 공기 주입구에 설치되는 입구 안내 날개와, 상기 압축기로 압축된 압축 공기를 상기 연소기에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인과, 상기 압축기로 압축된 압축 공기 중 적어도 일부를 상기 연료 전지에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인과, 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 설치되는 개폐 밸브와, 상기 연료 전지의 기동시에 상기 개폐 밸브를 개방함과 동시에 상기 입구 안내 날개의 개도(開度)를, 사전에 설정한 기준 개도에서 크게 하는 제어를 하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 한 것이다.
따라서 연료 전지의 기동시에, 제 2 압력 공기 공급 라인의 개폐 밸브를 개방함과 동시에, 가스 터빈 압축기의 입구 안내 날개의 개도를 기준 개도에서 크게 한다. 그러면 연료 전지의 기동시, 가스 터빈 압축기는 보다 많은 공기를 흡수할 수 있고, 전량의 압축 공기 중 소정량이 연소기에 보내지며, 남은 압축 공기가 연료 전지에 보내진다. 그러므로, 이때에 연소기나 터빈에서 압축 공기가 부족해지는 일 없이 가스 터빈에서의 공기 부족을 억제하여 안전한 기동을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 개폐 밸브는 유량을 조정 가능한 제어 밸브이고, 상기 제어부는 상기 연료 전지의 기동시에 상기 개폐 밸브를 전개(全開) 상태보다 작은 초기 개도까지 개방함과 동시에, 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 가스 터빈의 정상(定常) 운전시보다 큰 소정 개도까지 개방하는 제어를 하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서 연료 전지의 기동시에, 제 2 압축 공기 공급 라인에 설치되는 개폐 밸브를 제어 밸브로 함으로써, 이 하나의 제어 밸브 개도를 조정하는 것만으로 연료 전지 공급에 공급하는 압축 공기의 공급량을 조정할 수 있고, 구조 간소화 및 저가격화를 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 개폐 밸브는 개방시에 따른 통과 유량이 큰 제 1 개폐 밸브와 통과 유량이 작은 제 2 개폐 밸브가 병렬로 설치되어 구성되고, 상기 제어부는 상기 연료 전지의 기동시에, 상기 제 1 개폐 밸브를 폐지(閉止) 상태로 하여 상기 제 2 개폐 밸브를 개방 상태로 함과 동시에, 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 가스 터빈의 정상 운전시보다 큰 소정 개도까지 개방하는 제어를 하는 것을 특징으로 한다.
따라서 제 2 압축 공기 공급 라인에 설치되는 개폐 밸브를 통과 유량이 다른 두 개의 개폐 밸브로 함으로써, 제 1 개폐 밸브와 제 2 개폐 밸브 중 한쪽을 개방하여 한쪽을 차단하는 것만으로 연료 전지 공급에 공급하는 압축 공기의 공급량을 조정할 수 있고, 유량 제어를 간소화하여 저가격화를 가능하게 할 수 있음과 동시에, 유량 제어의 변환을 신속하게 행할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 압축기로 압축한 압축 공기 압력을 검출하는 제 1 검출기와, 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 따른 상기 개폐 밸브보다도 상기 연료 전지측 압력을 검출하는 제 2 검출기가 설치되고, 상기 제어부는 상기 제 2 검출기에 의해 검출된 제 2 압력이 상기 제 1 검출기에 의해 검출된 제 1 압력에 도달하면, 상기 개폐 밸브의 개도를 크게 함과 동시에 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 기준 개도까지 되돌리는 제어를 하는 것을 특징으로 한다.
따라서 연료 전지측 제 2 압력이 압축기로 압축된 압축 공기 제 1 압력에 도달하면, 개폐 밸브의 개도를 크게 함과 동시에 입구 안내 날개의 개도를 기준 개도까지 되돌림으로써, 연소기에의 압축 공기 공급량을 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 제어부는 상기 제 2 검출기에 의해 검출된 제 2 압력이 상기 제 1 검출기에 의해 검출된 제 1 압력에 가까워짐에 따라 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 기준 개도를 목표로 작게 하는 제어를 하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서 연료 전지측 제 2 압력이 압축기로 압축된 압축 공기 제 1 압력에 가까워짐에 따라 입구 안내 날개의 개도를 기준 개도를 목표로 작게 함으로써, 연료 전지측으로 공급되는 압축 공기의 공급량을 서서히 저하시키고, 제 2 압력을 제 1 압력에 높은 정밀도로 도달시키는 것이 가능하고, 정밀도가 높은 압축 공기의 공급 제어를 행할 수 있다.
또한 본 발명의 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법은, 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기를 가스 터빈 연소기에 공급하는 공정과, 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기 일부를 연료 전지에 공급하는 공정, 상기 가스 터빈 압축기에 따른 공기 주입구에 설치되어 입구 안내 날개의 개도를, 사전에 설정한 기준 개도에서 크게 하는 공정과, 상기 연료 전지의 압력이 상기 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기의 압력에 도달하면 상기 개폐 밸브의 개도를 크게 함과 동시에 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 기준 개도까지 되돌리는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
따라서 연료 전지의 기동시, 연소기나 터빈에 압축 공기가 부족해지는 일 없이 가스 터빈에서의 공기 부족을 억제하여 안정된 기동을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템은 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과, 상기 압축기로 압축한 압축 공기를 상기 연소기에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인과, 공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지와, 상기 압축기로 압축한 압축 공기 중 적어도 일부를 상기 공기극에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인과, 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 설치되는 제 1 개폐 밸브와, 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 따른 상기 제 1 개폐 밸브보다도 상기 연료 전지측에 접속되는 압축 공기 공급부와, 상기 연료 전지의 기동시에 상기 제 1 개폐 밸브를 폐지하여 상기 압축 공기 공급부를 구동하는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
따라서 가스 터빈 압축기와는 별도로 단독 구동이 가능한 압축 공기 공급부를 설치하고, 연료 전지의 기동시에 압축 공기 공급부를 구동하도록 하고 있다. 그러면 연료 전지의 기동시, 가스 터빈 압축기로 압축된 압축 공기 전량이 연소기에 보내지고, 압축 공기 공급부로 압축된 압축 공기 전량이 연료 전지에 보내진다. 그러므로, 이때에 연소기나 터빈에 압축 공기가 부족해지는 일 없이 가스 터빈에서의 공기 부족을 억제하여 안전한 기동을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템은, 상기 압축 공기 공급부는 일단부가 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 따른 상기 제 1 개폐 밸브보다도 상기 연료 전지에 접속되는 제 3 압축 공기 공급 라인과, 상기 제 3 압축 공기 공급 라인의 타단부에 접속되는 기동용 압축기와, 상기 제 3 압축 공기 공급 라인에 설치되는 제 2 개폐 밸브를 갖고, 상기 제어부는 상기 연료 전지의 기동시에 상기 제 1 개폐 밸브를 폐지하여 상기 제 2 개폐 밸브를 개방함과 동시에 상기 기동용 압축기를 구동하는 것을 특징으로 한다.
따라서 연료 전지의 기동시, 제 1 개폐 밸브를 폐지하여 제 2 개폐 밸브를 개방함과 동시에 기동용 압축기를 구동하기 위해, 연소기와 연료 전지에 대하여 각각 다른 압축기에서 압축 공기가 보내지게 되고, 간단한 구성으로 가스 터빈에 따른 공기 부족을 적정하게 억제할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템에서는, 상기 압축기로 압축한 압축 공기 압력을 검출하는 제 1 검출기와, 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 따른 상기 제 1 개폐 밸브보다도 상기 연료 전지측 압력을 검출하는 제 2 검출기가 설치되고, 상기 제어부는 상기 제 2 검출기에 의해 검출된 제 2 압력이 상기 제 1 검출기에 의해 검출된 제 1 압력에 도달하면, 상기 압축 공기 공급부의 구동을 정지함과 동시에, 상기 제 1 개폐 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서 연료 전지측 제 2 압력이 압축기로 압축한 압축 공기 제 1 압력에 도달하면, 연료 전지측으로의 압축 공기 공급을 정지함으로써, 압축 공기 공급부를 연료 전지의 승압용으로만 사용함으로써 소형화 및 저가격화를 가능하게 할 수 있다. 또한 불필요한 연료 전지를 가압하게 되는 일이 없다.
또한 본 발명의 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법은, 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기를 가스 터빈 연소기에 공급하는 공정과, 압축 공기 공급부에서 압축한 압축 공기를 연료 전지의 공기극에 공급하는 공정과, 상기 공기극측 압력이 상기 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기의 압력에 도달하면, 상기 압축 공기 공급부에 의한 상기 공기극에의 압축 공기 공급을 정지하는 공정과, 상기 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기를 상기 연료 전지 공기극에 공급하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
따라서 연료 전지의 기동시, 연소기나 터빈에 압축 공기가 부족해지는 일 없이 가스 터빈에서의 공기 부족을 억제하여 안정된 기동을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법에 의하면, 연료 전지의 기동시에 제 2 압축 공기 공급 라인의 개폐 밸브를 개방함과 동시에, 가스 터빈 압축기 입구 안내 날개의 개도를 기준 개도에서 크게 하기 때문에, 가스 터빈에서의 공기 부족을 억제하여 안전한 기동을 가능하게 할 수 있다.
또한 본 발명의 발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법에 의하면, 연료 전지측에 접속하는 압축 공기 공급부를 설치하고, 연료 전지의 기동시에 이 압축 공기 공급부를 구동하여 가스 터빈과는 독립하여 압축 공기를 공급하기 때문에, 가스 터빈에서의 공기 부족을 억제하여 안전한 기동을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도이다.
도 2는 실시예 1의 발전 시스템에 따른 SOFC 가압시에 따른 압축 공기의 공급 타이밍을 나타내는 타임 차트이다.
도 3은 실시예 1의 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도이다.
도 5는 실시예 2의 발전 시스템에 따른 SOFC 가압시에 따른 압축 공기의 공급 타이밍을 나타내는 타임 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도이다.
도 7은 실시예 3의 발전 시스템에 따른 SOFC 기동시에 따른 압축 공기의 공급 타이밍을 나타내는 타임 차트이다.
도 8은 실시예 4의 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
아래에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관련한 발전 시스템 및 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법의 적합한 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 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 3단계로 발전할 수 있기 때문에 극도로 높은 발전 효율을 실현할 수 있다. 또한 아래의 설명에서는, 본 발명의 연료 전지로서 고체 산화물형 연료 전지를 적용하여 설명하지만, 이 형식의 연료 전지에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도, 도 2는 실시예 1의 발전 시스템에 따른 SOFC의 가압시에 따른 압축 공기의 공급 타이밍을 나타내는 타임 차트, 도 3은 실시예 1의 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
실시예 1에 있어서, 도 3에 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 일체 회전 가능하게 연결되어 있다. 압축기(21)는 공기 주입 라인(25)에서 주입한 공기 A를 압축한다. 연소기(22)는 압축기(21)에서 제 1 압축 공기 공급 라인(26)을 통하여 공급된 압축 공기 A1과, 제 1 연료 가스 공급 라인(27)에서 공급된 연소 가스 L1을 혼합하여 연소한다. 터빈(23)은 연소기(22)에서 배(排) 가스 공급 라인(28)을 통하여 공급된 배 가스(연소 가스) G에 의해 회전한다. 또한 도시하지 않으나, 터빈(23)은 압축기(21)로 압축된 압축 공기 A1이 차량 안을 통하여 공급되고, 이 압축 공기 A1을 냉각 공기로 하여 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 L1로서, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG)를 사용한다.
SOFC(13)는 환원제로서의 고온 연료 가스와 산화제로서의 고온 공기(산화성 가스)가 공급됨으로써, 소정의 작동 온도에서 반응하여 발전을 행하는 것이다. 이 SOFC(13)는 압력 용기 안에 공기극과 고체 전해질과 연료극이 수용되어 구성된다. 공기극에 압축기(21)로 압축된 일부의 압축 공기 A2가 공급되고, 연료극에 연료 가스가 공급됨으로써 발전을 행한다. 또한 여기서는, SOFC(13)에 공급하는 연료 가스 L2로서, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG), 수소(H2) 및 일산화 탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 탄화수소 가스, 석탄 등 탄소질 원료의 가스화 설비에 의해 제조된 가스를 사용한다. 또한 SOFC(13)에 공급되는 산화성 가스는, 산소를 약 15%~30% 포함하는 가스이고, 대표적으로는 공기가 적합하지만, 공기 이외에도 연소 배 가스와 공기의 혼합 가스나, 산소와 공기의 혼합 가스 등이 사용 가능하다(이하, SOFC(13)에 공급되는 산화성 가스를 공기라고 함).
이 SOFC(13)는, 제 1 압축 공기 공급 라인(26)에서 분기한 제 2 압축 공기 공급 라인(31)이 연결되고, 압축기(21)가 압축된 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 블로워(승압기)(33)가 공기가 흐르는 방향에 따라 설치되어 있다. 제어 밸브(32)는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른, 공기가 흐르는 방향의 상류측에 설치되고, 블로워(33)가 제어 밸브(32)의 하류측에 설치되어 있다. SOFC(13)는 공기극에서 사용된 배(排) 공기 A3을 배출하는 배 공기 라인(34)이 연결되어 있다. 이 배 공기 라인(34)은 공기극에 사용된 배 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 설치되고, 압축 공기 순환 라인(36)은 순환하는 공기량을 조정 가능한 제어 밸브(38)가 설치되어 있다.
또한 SOFC(13)는, 연료 가스 L2를 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 L3을 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 L3이 흐르는 방향에 따라 설치되어 있다. 제어 밸브(47)는 배 연료 가스 공급 라인(45)에 따른 연료 가스 L3이 흐르는 방향의 상류측에 설치되고, 블로워(48)는 제어 밸브(47)의 하류측에 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 L3을 제 2 연료 가스 공급 라인(41)으로 재순환하는 재순환 블로워(50)가 설치되어 있다.
증기 터빈(14)은 배열 회수 보일러(HRSG)(51)에서 생성된 증기에 의해 터빈(52)을 회전하는 것이다. 이 배열 회수 보일러(51)는 가스 터빈(11)(터빈(23))으로부터의 배 가스 라인(53)이 연결되어 있고, 공기와 고온의 배 가스 G 사이에 열 교환을 행함으로써, 증기 S를 생성한다. 증기 터빈(14)(터빈(52))은 배열 회수 보일러(51) 사이에 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 축상에 설치되어 있고, 터빈(52)이 회전함으로써 발전할 수 있다. 또한, 배열 회수 보일러(51)로 열이 회수된 배 가스는 유해 물질이 제거된 후 대기로 배출된다.
여기서, 실시예 1의 발전 시스템(10)의 작동에 대하여 설명한다. 발전 시스템(10)을 기동할 경우, 가스 터빈(11), 증기 터빈(14), SOFC(13)의 순서로 기동한다.
먼저 가스 터빈(11)에서 압축기(21)가 공기 A를 압축하고, 연소기(22)가 압축 공기 A1과 연료 가스 L1을 혼합하여 연소하고, 터빈(23)이 배 가스 G에 의해 회전함으로써, 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.
이어서 SOFC(13)를 기동시키기 위하여 SOFC(13)를 가압한다. SOFC(13)를 가압하기 위하여, 먼저 SOFC(13)에 압축 공기 A2를 공급하여 승압을 개시함과 동시에 가열을 개시한다. 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 소정 개도만큼 개방한다. 그러면, 압축기(21)로 압축한 일부의 압축 공기 A2가 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에서 SOFC(13)측으로 공급된다. 이것에 의해, SOFC(13)측은 압축 공기 A2가 공급됨으로써 압력이 상승한다.
한편, SOFC(13)에서는 연료극측에 연료 가스 L2를 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 L2가 제 2 연료 가스 공급 라인(41)에서 SOFC(13)측으로 공급됨과 동시에, 배 연료 가스 L3이 연료 가스 재순환 라인(49)에 의해 재순환한다. 이것에 의해, SOFC(13)측은 연료 가스 L2가 공급됨으로써 압력이 상승한다.
그리고, SOFC(13)의 공기극측의 압력이 압축기(21)의 출구 압력이 되면, 제어 밸브(32)를 전개함과 동시에 블로워(33)를 구동한다. 그와 동시에 제어 밸브(37)를 개방하여 SOFC(13)로부터의 배 공기 A3을 배출 라인(35)에서 배출한다. 그러면, 압축 공기 A2가 블로워(33)에 의해 승압된 후 SOFC(13)측으로 공급된다. 그와 동시에 제어 밸브(46)를 개방하여 SOFC(13)로부터의 배 연료 L3을 배출 라인(44)에서 배출한다. 그리고, SOFC(13)에 따른 공기극측의 압력과 연료극측의 압력이 목표 압력에 도달하면 SOFC(13)의 가압이 완료된다.
그 후, SOFC(13)의 반응(발전)이 안정되고, 배 공기 A3과 배 연료 가스 L3의 성분이 안정되면, 제어 밸브(37)를 폐지하는 한편, 제어 밸브(38)를 개방한다. 그러면, SOFC(13)로부터의 배 공기 A3이 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 L3이 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 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 전부 행해지게 되고, 발전 시스템(10)이 정상 운전하게 된다.
한편, 일반적인 발전 시스템에서는, SOFC(13)를 기동할 때 가스 터빈(11)의 압축기(21)로 압축한 공기의 일부를 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에서 SOFC(13)에 공급함으로써 가압하고 있다. 그러므로 가스 터빈(11)에서는, SOFC(13)의 가압이 완료될 때까지의 사이에, 연소기(22)에 공급되는 압축 공기나 터빈(23)에 보내지는 냉각 공기가 부족해질 우려가 있다.
그래서 실시예 1의 발전 시스템(10)에서는, 가스 터빈(11)의 압축기(21)에 따른 공기 주입구에 입구 안내 날개(IGV : Inlet Guide Vane)(21A)가 설치되어 있음으로서, 제어 장치(제어부)(61)는 SOFC(13)의 가압시에 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(개폐 밸브)(32)를 개방함과 동시에, 입구 안내 날개(21a)의 개도를, 사전에 설정한 기준 개도에서 크게 하는 제어를 한다.
즉, SOFC(13)의 가압시에, 압축기(21)에 따른 입구 안내 날개(21a)의 개도를 크게 함으로써, 압축기(21)가 생성하는 압축 공기량을 증가시키고, 연소기(22)나 터빈(23)에 보내지는 압축 공기량을 확보하는 한편, SOFC(13)에 보내지는 압축 공기량도 확보한다. 그러므로, 가스 터빈(11)에서의 공기 부족을 억제할 수 있다.
상세하게 설명하면, 도 1에 나타낸 바와 같이 가스 터빈(11)에서, 연소기(22)는 발전 부하에 따라 연소 가스와 함께 연소에 필요한 공기량이 설정되고, 터빈(23)은 고온 부품을 냉각하기 위해 필요한 공기량이 설정된다. 연소기(22)와 터빈(23)에 필요한 기준 공기량이 설정되면, 이 기준 공기량에 따른 입구 안내 날개(21a)의 기준 개도가 설정된다. 한편, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(32)는 유량을 조정할 수 있게 되어 있다.
또한 도 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 검출기(62)가 제 1 압축 공기 공급 라인(26)에 설치되어 있다. 이 제 1 검출기(62)는 가스 터빈(11)의 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 제 1 압력을 검출한다. 또한, 제 2 검출기(63)가 SOFC(13)에 설치되어 있다. 이 제 2 검출기(63)는 SOFC(13)의 공기극, 다시 말해 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(32)보다도 SOFC(13)측의 제 2 압력을 검출한다. 각 검출기(62, 63)는 검출한 제 1 압력과 제 2 압력을 제어 장치(61)로 출력한다.
SOFC(13)의 가압을 개시할 때에, 제어 장치(61)는 제어 밸브(32)를 전개 상태보다 작은 초기 개도(예를 들어, 반개(半開))까지 개방하는 제어를 한다. 이 제어와 함께, 제어 장치(61)는 제 1 검출기(62)에 의해 검출된 제 1 압력이 가스 터빈(11)에 따른 기준 공기량에 따른 기준 압력이 되도록, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 가스 터빈 정상 운전시의 기준 개도보다 큰 소정 개도로 하는 제어를 한다. 그러므로 압축기(21)에 있어서, 연소기(22)와 터빈(23)에서 필요한 기준 공기량보다 많은 압축 공기가 생성된다.
그리고, 제 2 검출기(63)에 의해 검출된 제 2 압력이 제 1 검출기(62)에 의해 검출된 제 1 압력에 가까워짐에 따라, 제어 장치(62)는 입구 안내 날개(21a)의 개도를 서서히 기준 개도보다 큰 소정 개도에서 기준 개도로 되돌리는 제어를 한다. 그 후, 제 2 검출기(63)에 의해 검출된 제 2 압력이 제 1 검출기(62)에 의해 검출된 제 1 압력에 도달하면, 제어 장치(61)는 제어 밸브(32)의 개도를 초기 개도(예를 들어, 반개)에서 소정 개도(예를 들어, 전개)까지 크게 하는 제어를 한다.
즉, SOFC(13)의 가압이 진행되고 제 2 압력이 제 1 압력에 가까워짐에 따라, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 서서히 작게 함으로써, 압축기(21)에서 생성한 압축 공기량이 기준 공기량까지 서서히 저하한다. 그리고 제 2 압력이 제 1 압력에 도달하여 SOFC(13)의 압력이 완료된면, 제어 밸브(32)를 전개함과 동시에, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도보다 큰 소정 개도에서 기준 개도로 되돌림으로써, 압축기(21)에서 생성되는 압축 공기량이 기준 공기량으로 돌아간다.
여기서 상술한 실시예 1의 발전 시스템(10)에 따른 SOFC(13)의 기동 방법에 대하여 설명한다.
실시예 1의 발전 시스템(10)에 따른 SOFC(13)의 기동 방법은, 가스 터빈 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 연소기(22)에 공급하는 공정과, 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 일부를 SOFC(13)의 공기극에 공급하는 공정과, 압축기(21)에 따른 공기 주입구에 설치되는 입구 안내 날개(21a)의 개도를, 사전에 설정한 기준 개도에서 크게 하는 공정과, 공기극측의 압력이 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 압력에 도달하면 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도까지 되돌리는 공정을 갖고 있다.
즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 시간 t1에서 가스 터빈(11)이 기동하고, 소정 시간이 경과하면 시간 t2에서 SOFC(13)의 가압을 개시한다. 입구 안내 날개(21a)는, 시간 t1에서 가스 터빈(11)의 기동과 동기하여 가스 터빈(11)의 운전 상태에 따른 기준 개도(개도 1)까지 개방된다. 그리고 이 시간 t2에서, SOFC(13)의 가압 개시와 동기하여, 제어 밸브(32)를 초기 개도(예를 들어, 반개)까지 개방함과 동시에, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도보다 큰 소정 개도(개도 2)까지 개방한다.
그러면 가스 터빈(11)에서는, 압축기(21)로 압축하는 공기 A의 양이 증가하고, 압축기(21)에서 기준 공기량의 공기 A1이 연소기(22)나 터빈(23)으로 흐르며, 압축기(21)의 출구 압력(제 1 압력)은 저하하지 않고 소정 압력이 유지된다. 한편, SOFC(13)에서는, 압축기(21)로 압축된 공기 일부의 압축 공기 A2가 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 통하여 SOFC(13)로 흐르므로, SOFC(13)의 압력(제 2 압력)이 서서히 높아진다.
그리고 시간 t3에서, 제 2 압력이 제 1 압력에 가까워지면, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도를 목표로 작게 하여 SOFC(13)에 공급하는 압축 공기량을 저하시킨다. 이 경우, 제 1 압력보다 소정량보다 낮은 소정의 제 3 압력을 사전에 설정해 두고, 제 2 압력이 제 3 압력에 도달하면, SOFC(13)에의 공급 압축 공기량을 저하시키면 된다. 그리고 시간 t4에서, 제 2 압력이 제 1 압력에 도달하면, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도(개도 1)로 함과 동시에, 제어 밸브(32)를 개방(예를 들어, 전개)한다.
그러면 압축 공기의 공급에 의한 SOFC(13)의 가압이 완료되고, 제어 밸브(32)를 전개로 함과 동시에 블로워(33)를 구동함으로써, 압축 공기 A2를 블로워(33)에 의해 승압하여 SOFC(13)측으로 공급한다. 그러므로, SOFC(13)의 공기극측은 압력이 더욱 상승하고 목표 압력까지 승압된다.
이와 같이 실시예 1의 발전 시스템에 있어서는, 압축기(21)와 연소기(22)와 터빈(23)을 갖는 가스 터빈(11)과, 압축기(21)에 따른 공기 주입구에 설치되는 입구 안내 날개(21a)와, 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 연소기(22)에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인(26)과, 공기극 및 연료극을 갖는 SOFC(13)과, 압축기(21)로 압축한 압축 공기 중 적어도 일부를 공기극에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)과, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 설치되는 제어 밸브(32)와, SOFC(13)의 압축시에 제어 밸브(32)를 개방함과 동시에 입구 안내 날개(21a)의 개도를, 사전에 설정한 기준 개도에서 크게 하는 제어 장치(61)를 설치하고 있다.
따라서, SOFC(13)의 가압을 개시할 때에, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)의 제어 밸브(32)를 개방함과 동시에, 압축기(21)의 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도에서 크게 한다. 그러면 압축기(21)는 보다 많은 공기를 주입하여 압축하고, 생성되는 압축 공기량이 증가한다. 그리고 생성된 전량의 압축 공기 중 연소기(22) 및 터빈(23)에 필요한 기준 공기량이 보내지고, 남은 압축 공기가 SOFC(13)에 보내진다. 그러므로, 이때에 연소기(22)나 터빈(23)에 압축 공기가 부족해지는 일 없이 연소기(22)의 이상 연소나 터빈(23)에서의 냉각 부족을 억제할 수 있다. 그 결과, 가스 터빈(11)에서의 공기 부족을 억제하고, 가스 터빈(11)을 안정되게 운전하면서 SOFC(13)를 가능하게 할 수 있다.
실시예 1의 발전 시스템에서는 유량을 조정 가능한 제어 밸브(32)를 설치하고, 제어 장치(61)는 SOFC(13)의 가압시에 제어 밸브(32)를 전개 상태보다 작은 초기 개도까지 개방함과 동시에, 입구 안내 날개(31a)의 개도를 가스 터빈(11)의 정상 운행시보다 큰 소정 개도까지 개방한다. 따라서 SOFC(13)의 가압시에 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 설치되는 하나의 제어 밸브(32)의 개도를 조정하는 것만으로, SOFC(13)에 공급하는 압축 공기의 공급량을 조정할 수 있고, 구조의 간략화 및 저가격화를 가능하게 할 수 있다.
실시예 1의 발전 시스템에서는, 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 제 1 압력을 검출하는 제 1 검출기(62)와, SOFC(13)의 제 2 압력을 검출하는 제 2 검출기(63)를 설치하고, 제어 장치(61)는, 제 2 압력이 제 1 압력에 도달하면 제어 밸브(32)의 개도를 크게 함과 동시에, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도까지 되돌리고 있다. 따라서 SOFC(13)의 가압이 완료되면 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도까지 되돌림으로써, 연소기(22)나 터빈(23)에의 압축 공기의 공급량을 일정하게 유지할 수 있다.
실시예 1의 발전 시스템에서는, 제어 장치(61)는 제 2 압력이 제 1 압력에 가까워짐에 따라 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도를 목표로 작아져 있다. 따라서 SOFC(13)에 공급되는 압축 공기의 공급량을 서서히 저하시킴으로써, 제 2 압력을 제 1 압력에 높은 정밀도로 도달시킬 수 있고, 정밀도가 높은 압축 공기의 공급 제어를 행할 수 있다.
또한 실시예 1의 발전 시스템에 따른 SOFC(13)의 기동 방법에 있어서는, 가스 터빈(11)의 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 연소기(22)에 공급하는 공정과, 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 SOFC(13)의 공기극에 공급하는 공정과, 압축기(21)에 따른 입구 안내 날개(21a)의 개도를, 사전에 설정한 기준 개도에서 크게 변경하는 공정과, 공기극측의 압력이 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 압력에 도달하면 제어 밸브(32)의 개도를 크게 함과 동시에 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도까지 되돌리는 공정을 갖고 있다.
따라서 SOFC(13)의 가압을 개시할 때, 연소기(22)나 터빈(23)에 압축 공기가 부족한 일 없이 가스 터빈(11)에서의 공기 부족을 억제하고, 가스 터빈(11)을 안정되게 운전하면서 SOFC(13)를 안정되게 가압할 수 있다. 또한 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 일부를 SOFC(13)의 공기극에 공급하도록 구성하지만, 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 전부를 SOFC(13)의 공기극에 공급하도록 해도 된다.
실시예 2
도 4는 본 발명의 실시예 2에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도, 도 5는 실시예 2의 발전 시스템에 따른 SOFC의 가압시에 따른 압축 공기의 공급 타이밍을 나타내는 타임 차트d;다. 또한 상술한 실시예와 똑같은 기능을 갖는 부재에는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
실시예 2의 발전 시스템에서는, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 본 발명의 개폐 밸브로서 개방시에 따른 통과 유량이 큰 제 1 차단 밸브(제 1 개폐 밸브)(71)와, 개방시에 따른 통과 유량이 작은 제 2 차단 밸브(제 2 개폐 밸브)(72)가 병렬로 설치되고 있다. 즉, 제 2 차단 공기 공급 라인(31)에 제 1 차단 밸브(71)가 설치되고, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제 1 차단 밸브(71)의 우회로(31a)에 제 2 차단 밸브(72)가 설치되어 있다. 제어 장치(61)는 SOFC(13)의 가압시에, 제 1 차단 밸브(71)를 폐지 상태로 하고 제 2 차단 밸브(72)를 개방 상태로 함과 동시에, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 가스 터빈(11)의 정상 운전시보다 큰 소정 개도까지 개방하도록 하고 있다. 이 경우, 제 1 차단 밸브(71)와 제 2 차단 밸브(제 2 개폐 밸브)(72)는 전개시의 제 1 차단 밸브(71)에 따른 압축 공기의 통과 유량이 전개시의 제 2 차단 밸브(72)에 따른 압축 공기의 통과 유량보다 크게 되도록 설정되어 있다.
즉, SOFC(13)의 가압시에, 압축기(21)에 따른 입구 안내 날개(21a)의 개도를 크게 함으로써, 압축기(21)가 생성하는 압축 공기량이 증가하고, 연소기(22)나 터빈(23)에 보내지는 압축 공기량을 확보하는 한편, SOFC(13)에 보내지는 압축 공기량도 확보한다. 그러므로, 가스 터빈(11)에서의 공기 부족을 억제할 수 있다.
상세하게 설명하면, 도 4에 나타낸 바와 같이 가스 터빈(11)에서, 연소기(22)는 발전 부하에 따라 연소 가스와 함께 연소에 필요한 공기량이 설정되고, 터빈(23)은 고온 부품을 냉각하기 위해 필요한 공기량이 설정된다. 연소기(22)와 터빈(23)에 필요한 기준 공기량이 설정되면, 이 기준 공기량에 따른 입구 안내 날개(21a)의 기준 개도가 설정된다. 한편 제 2 압축 공기 공급 라인(31)은, 전개시에 압축 공기의 통과 유량이 다른 두 개의 차단 밸브(71, 72)가 병렬로 설치되어 있다. 제어 장치(61)는 SOFC(13)의 가압시에, 통과 유량이 작은 제 2 차단 밸브(72)만을 개방하는 제어를 함과 동시에, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 가스 터빈 정상 운전시의 기준 개도보다 큰 소정 개도로 하는 제어를 한다.
또한 제어 장치(61)는, 제 2 검출기(63)에 의해 검출된 제 2 압력이 제 1 검출기(62)에 의해 검출된 제 1 압력에 도달하면, 제 2 차단 밸브(72)를 폐지하고 제 1 차단 밸브(71)를 개방함과 동시에 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도보다 큰 소정 개도에서 기준 개도까지 되돌리는 제어를 한다.
여기서 상술한 실시예 2의 발전 시스템(10)에 따른 SOFC(13)의 기동 방법에 대하여 설명한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 시간 t1에서 가스 터빈(11)이 기동하여 소정 시간이 경과하면, 시간 t2에서 SOFC(13)의 가압을 개시한다. 입구 안내 날개(21a)는, 시간 t1에서 가스 터빈(11)의 기동과 동기하여 가스 터빈(11)의 운전 상태에 따른 기준 개도(개도 1)까지 개방된다. 그리고 이 시간 t2에서, SOFC(13)의 가압 개시와 동기하고, 제 2 차단 밸브(72)를 개방함과 동시에 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도보다 큰 소정 개도(개도 2)까지 개방한다.
그러면 가스 터빈(11)에서는, 압축기(21)로 압축하는 공기 A의 양이 증가하고, 압축기(21)에서 기준 공기량의 공기 A1이 연소기(22)나 터빈(23)으로 흐르며, 압축기(21)의 출구 압력(제 1 압력)은 저하하지 않고 소정 압력이 유지된다. 한편, SOFC(13)에서는, 압축기(21)로 압축된 공기 일부의 압축 공기 A2가 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 통하여 SOFC(13)로 흐르므로 SOFC(13)의 압력(제 2 압력)이 서서히 높아진다.
시간 t3에서, 제 2 압력이 제 1 압력에 가까워지면, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도를 목표로 작게 하여 SOFC(13)에 공급하는 압축 공기량을 저하시킨다. 그리고 시간 t4에서, 제 2 압력이 제 1 압력에 도달하면, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도(개도 1)로 함과 동시에, 제 1 차단 밸브(71)를 개방하여 제 2 차단 밸브(72)를 폐지한다. 그러면 압축 공기의 공급에 의한 SOFC(13)의 가압이 완료되고, 제 1 차단 밸브(71)를 개방함과 동시에 블로워(33)를 구동함으로써, 압축 공기 A2를 블로워(33)에 의해 승압하여 SOFC(13)측으로 공급한다. 그러므로, SOFC(13)의 공기극측은 압력이 더욱 상승하고 목표 압력까지 승압된다.
이와 같이 실시예 2의 발전 시스템에 있어서는, 압축기(21)와 연소기(22)와 터빈(23)을 갖는 가스 터빈(11)과, 압축기(21)에 따른 공기 주입구에 설치되는 입구 안내 날개(21a)와, 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, 압축기(21)로 압축한 압축 공기 중 적어도 일부를 공기극에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)과, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 병렬로 설치되는 통과 유량이 다른 제 1, 제 2 차단 밸브(71, 72)와, SOFC(13)의 기동시에 통과 유량이 적은 제 2 차단 밸브(72)만을 개방함과 동시에 입구 안내 날개(21a)의 개도를, 사전에 설정된 기준 개도에서 크게 하는 제어 장치(61)를 설치하고 있다.
따라서, SOFC(13)의 가압을 개시할 때에, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)의 제 2 차단 밸브(72)를 개방함과 동시에, 압축기(21)의 입구 안내 날개(21a)의 개도를 기준 개도에서 크게 한다. 그러면 압축기(21)는 보다 많은 공기를 주입하여 압축하고, 생성되는 압축 공기량이 증가한다. 그리고 생성된 전량의 압축 공기 중 연소기(22) 및 터빈(23)에 필요한 기준 공기량이 보내지고, 남은 압축 공기가 SOFC(13)에 보내진다. 그러므로, 이때에 연소기(22)나 터빈(23)에 압축 공기가 부족해지는 일 없이 연소기(22)에서의 이상 연소나 터빈(23)에서의 냉각 부족을 억제할 수 있다. 그 결과, 가스 터빈(11)에서의 공기 부족을 억제하고, 가스 터빈(11)을 안정되게 운전하면서 SOFC(13)를 안정되게 기동할 수 있다.
실시예 2의 발전 시스템에서는, 개방시에 따른 통과 유량이 큰 제 1 차단 밸브(71)와 통과 유량이 작은 제 2 차단 밸브(72)를 병렬로 설치하고, 제어 장치(61)는 SOFC(13)의 가압시에 제 1 차단 밸브(71)를 폐지 상태로 하여 제 2 차단 밸브(72)를 개방 상태로 함과 동시에, 입구 안내 날개(21a)의 개도를 가스 터빈의 정상 운전시보다 큰 소정 개도까지 개방하고 있다. 따라서 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 통과 유량이 다른 두 개의 차단 밸브(71, 72)를 설치함으로써, 각 차단 밸브(71, 72)를 개폐하는 것만으로 SOFC(13)에 공급하는 압축 공기의 공급량을 조정할 수 있고, 유량 제어를 간소화하여 저가격화할 수 있음과 동시에, 유량 제어 변환을 신속하게 행할 수 있다.
실시예 3
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 3단계로 전기를 추출하는 것이 가능하기 때문에 극도로 높은 발전 효율을 실현할 수 있다. 또한 아래의 설명에서는, 본 발명의 연료 전지로서 고체 산화물형 연료 전지를 적용하여 설명하지만, 이 형식의 연료 전지에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 관련한 발전 시스템에 따른 압축 공기의 공급 라인을 나타내는 개략도, 도 7은 실시예 3의 발전 시스템에 따른 SOFC의 기동시에 따른 압축 공기의 공급 타이밍을 나타내는 타임 차트, 도 8은 실시예 3의 발전 시스템을 나타내는 개략 구성도이다.
실시예 3에 있어서, 도 8에 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 일체 회전 가능하게 연결되어 있다. 압축기(21)는 공기 주입 라인(25)에서 주입한 공기 A를 압축한다. 연소기(22)는 압축기(21)에서 제 1 압축 공기 공급 라인(26)을 통하여 공급된 압축 공기 A1과, 제 1 연료 가스 공급 라인(27)에서 공급된 연료 가스 L1을 혼합하여 연소한다. 터빈(23)은 연소기(22)에서 배 가스 공급 라인(28)을 통하여 공급된 배 가스(연소 가스) G에 의해 회전한다. 또한 도시하지 않으나, 터빈(23)은 압축기(21)로 압축된 압축 공기 A1이 차량 안을 통하여 공급되고, 이 압축 공기 A1을 냉각 공기로 하여 날개 등을 냉각한다. 발전기(12)는 터빈(23)과 동일 축상에 설치되어 있고, 터빈(23)이 회전함으로써 발전할 수 있다. 또한, 여기에서는 연소기(22)에 공급하는 연료 가스 L1로서, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG)를 사용한다.
SOFC(13)는 환원제로서의 고온 연료 가스와 산화제로서의 고온 공기(산화성 가스)가 공급됨으로써, 소정의 작동 온도에서 반응하여 발전을 행하는 것이다. 이 SOFC(13)는 압력 용기 안에 공기극과 고체 전해질과 연료극이 수용되어 구성된다. 공기극에 압축기(21)로 압축된 일부의 압축 공기 A2가 공급되고, 연료극에 연료 가스가 공급됨으로써 발전을 행한다. 또한 여기서는, SOFC(13)에 공급하는 연료 가스 L2로서, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG), 수소(H2) 및 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 탄화수소 가스, 석탄 등 탄소질 원료의 가스화 설비에 의해 제조된 가스를 사용한다. 또한, SOFC(13)에 공급되는 산화성 가스는, 산소를 약 15%~30% 포함하는 가스이고, 대표적으로는 공기가 적합하지만, 공기 이외에도 연소 배 가스와 공기의 혼합 가스나, 산소와 공기의 혼합 가스 등이 사용 가능하다(이하, SOFC(13)에 공급되는 산화성 가스를 공기라고 함).
이 SOFC(13)는, 제 1 압축 공기 공급 라인(26)에서 분기한 제 2 압축 공기 공급 라인(31)이 연결되고, 압축기(21)가 압축된 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 블로워(승압기)(33)가 공기가 흐르는 방향에 따라 설치되어 있다. 제어 밸브(32)는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른, 공기가 흐르는 방향의 상류측에 설치되고, 블로워(33)는 제어 밸브(32)의 하류측에 설치되어 있다. SOFC(13)는 공기극에서 사용된 배 공기 A3을 배출하는 배 공기 라인(34)이 연결되어 있다. 이 배 공기 라인(34)은 공기극에 사용된 배 공기 A3을 외부에 배출하는 배출 라인(35)과, 연소기(22)에 연결되는 압축 공기 순환 라인(36)으로 분기된다. 배출 라인(35)은 배출한 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 L2를 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 L3을 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 L3이 흐르는 방향에 따라 설치되어 있다. 제어 밸브(47)는 배 연료 가스 공급 라인(45)에 따른 연료 가스 L3이 흐르는 방향의 상류측에 설치되고, 블로워(48)는 제어 밸브(47)의 하류측에 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 L3을 제 2 연료 가스 공급 라인(41)에서 재순환하는 재순환 블로워(50)가 설치되어 있다.
증기 터빈(14)은 배열 회수 보일러(HRSG)(51)에서 생성된 증기에 의해 터빈(52)을 회전하는 것이다. 이 배열 회수 보일러(51)는 가스 터빈(11)(터빈(23))으로부터의 배 가스 라인(53)이 연결되어 있고, 공기와 고온의 배 가스 G 사이에 열 교환을 행함으로써, 증기 S를 생성한다. 증기 터빈(14)(터빈(52))은 배열 회수 보일러(51) 사이에 증기 공급 라인(54)과 급수 라인(55)이 설치되어 있다. 그리고, 배수 라인(55)은 복수기(56)와 급수 펌프(57)가 설치되어 있다. 발전기(15)는 터빈(52)과 동일 축상에 설치되어 있고, 터빈(52)이 회전함으로써 발전할 수 있다. 또한, 배열 회수 보일러(51)로 열이 회수된 배 가스는 유해 물질이 제거된 후 대기로 배출된다.
여기서, 실시예 3의 발전 시스템(10)의 작동에 대하여 설명한다. 발전 시스템(10)을 기동할 경우, 가스 터빈(11), 증기 터빈(14), SOFC(13)의 순서로 기동한다.
먼저 가스 터빈(11)에서 압축기(21)가 공기 A를 압축하고, 연소기(22)가 압축 공기 A1과 연료 가스 L1을 혼합하여 연소하고, 터빈(23)이 배 가스 G에 의해 회전함으로써, 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.
이어서 SOFC(13)에서는, 먼저 압축 공기 공급 장치(81)에 의해 압축 공기 A2를 공급하여 승압을 개시한다. 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 폐지한다. 그리고 압축 공기 공급 장치(81)를 구동함과 동시에 제어 밸브(85)를 개방하면, 이 압축 공기 공급 장치(81)로 압축한 일부의 압축 공기 A2가 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에서 SOFC(13)측으로 공급된다. 이것에 의해, SOFC(13)측은 압축 공기 A2가 공급됨으로써 압력이 상승한다.
한편, SOFC(13)에서는 연료극측에 연료 가스 L2를 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 L2가 제 2 연료 가스 공급 라인(41)에서 SOFC(13)측으로 공급됨과 동시에, 배 연료 가스 L3이 연료 가스 재순환 라인(49)에 의해 재순환한다. 이것에 의해, SOFC(13)측은 연료 가스 L2가 공급됨으로써 압력이 상승한다.
그리고, SOFC(13)의 공기극측의 압력이 압축기(21)의 출구 압력이 되면, 제어 밸브(32)를 개방함과 동시에 제어 밸브(85)를 폐지하고 블로워(33)를 구동한다. 그와 동시에 제어 밸브(37)를 개방하여 SOFC(13)로부터의 배 공기 A3을 배출 라인(35)에서 배출한다. 그러면, 압축 공기 A2가 블로워(33)에 의해 SOFC(13)측으로 공급된다. 그와 동시에 제어 밸브(46)를 개방하여 SOFC(13)로부터의 배 연료 L3을 배출 라인(44)에서 배출한다. 그리고, SOFC(13)에 따른 공기극측의 압력과 연료극측의 압력이 목표 압력에 도달하면 SOFC(13)의 승압이 완료된다.
그 후, SOFC(13)의 반응(발전)이 안정되고, 배 공기 A3과 배 연료 가스 L3의 성분이 안정되면, 제어 밸브(37)를 폐지하는 한편, 제어 밸브(38)를 개방한다. 그러면, SOFC(13)로부터의 배 공기 A3이 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 L3이 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 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 전부 행해지게 되고, 발전 시스템(10)이 정상 운전하게 된다.
한편 일반적인 발전 시스템에서는, SOFC(13)를 기동할 때, 가스 터빈(11)의 압축기(21)로 압축한 공기의 일부를 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에서 SOFC(13)에 공급함으로써 승압하고 있다. 그러면 가스 터빈(11)에서는, 연소기(22)에 공급되는 압축 공기나 터빈(23)에 보내지는 냉각 공기가 부족해질 우려가 있다.
그래서 실시예 3의 발전 시스템(10)에서는, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(제 1 개폐 밸브)(32)보다도 SOFC(13)측에 접속되는 압축 공기 공급 장치(압축 공기 공급부)(81)를 설치하고, 제어 장치(제어부)(82)는 SOFC(13)의 기동시에 이 제어 밸브(32)를 폐지하여 압축 공기 공급 장치(81)를 구동하도록 하고 있다.
즉, 가스 터빈(11)의 압축기(21)와는 별도로 단독 구동이 가능한 압축 공기 공급 장치(81)를 설치하고, SOFC(13)의 기동시에 이 압축 공기 공급 장치(81)를 구동한다. 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 공기 부족을 억제할 수 있다.
상세하게 설명하면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 압축 공기 공급 장치(81)는 제 3 압축 공기 공급 라인(83)과, 기동용 압축기(84)와, 제어 밸브(제 2 개폐 밸브)(85)를 갖고 있다. 제 3 압축 공기 라인(83)은, 일단부가 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(32)와 블로워(33) 사이에, 다시 말해 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(32)보다도 압축 공기 A2가 흐르는 방향이 하류측에 접속되어 있다. 기동용 압축기(84)는 구동 모터(86)에 의해 구동 가능하고, 제 3 압축 공기 공급 라인(83)의 타단부에 접속되어 있다. 제어 밸브(85)는 제 3 압축 공기 공급 라인(83)에 설치되어 있다.
제어 장치(82)는 적어도 제어 밸브(32)와 제어 밸브(85)의 개도를 조정 가능함과 동시에, 구동 모터(86)에 의한 기동용 압축기(84)와 블로워(33)의 구동 및 정지를 제어 가능하게 되어 있다. 그러므로 제어 장치(82)는, SOFC(13)의 기동시에 제어 밸브(32)를 폐지하고, 제어 밸브(85)를 개방함과 동시에 구동 모터(86)를 구동하여 기동용 압축기(84)를 시동한다.
또한 제 1 검출기(87)가 제 1 압축 공기 공급 라인(26)에 설치되어 있다. 이 제 1 검출기(87)는 가스 터빈(11)의 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 제 1 압력을 검출한다. 또한, 제 2 검출기(88)가 SOFC(13)에 설치되어 있다. 이 제 2 검출기(88)는 SOFC(13)의 공기극, 다시 말해 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(32)보다도 SOFC(13)측의 제 2 압력을 검출한다. 각 검출기(87, 88)는 검출한 제 1 압력과 제 2 압력을 제어 장치(82)로 출력한다.
그리고 제어 장치(82)는, 제 2 검출기(88)에 의해 검출된 제 2 압력이 제 1 검출기(87)에 의해 검출된 제 1 압력에 도달하면, 압축 공기 공급 장치(81)의 구동을 정지한다. 즉 제 2 압력이 제 1 압력에 도달하면, 구동 모터(86)의 구동을 정지하여 기동용 압축기(84)를 정지함과 동시에 제어 밸브(85)를 폐지한다. 이와 동시에 제어 장치(82)는 제어 밸브(32)를 개방한다.
여기서 상술한 실시예 3의 발전 시스템(10)에 따른 SOFC(13)의 기동 방법에 대하여 설명한다.
실시예 3의 발전 시스템(10)에 따른 SOFC(13)의 기동 방법은, 가스 터빈 압축기(11)의 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 연소기(22)에 공급하는 공정과, 압축 공기 공급 장치(81)로 압축한 압축 공기를 SOFC(13)의 공기극에 공급하는 공정과, 공기극측의 압력이 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 압력에 도달하면 압축 공기 공급 장치(81)에 의한 공기극에의 압축 공기 공급을 정지하는 공정과, 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 일부를 SOFC(13)의 공기극에 공급하는 공정을 갖고 있다.
즉 도 7에 나타낸 바와 같이, 시간 t1에서 가스 터빈(11)이 기동하고, 소정 시간 경과 후에 가스 터빈(11)에 의한 발전이 개시되면 시간 t2에서 SOFC(13)를 기동한다. 이 경우, 가스 터빈(11)은 저부하 운전 상태여도 좋고, 정격 운전 상태여도 좋다. 이 시간 t2에서 제어 밸브(32)의 폐지 상태를 유지한 채로 제어 밸브(85)를 개방함과 동시에 구동 모터(86)에 의해 기동용 압축기(84)를 구동한다. 그러면 가스 터빈(11)에서는, 압축기(21)로 압축한 압축 공기 A1이 SOFC측에 흐르지 않고, 전량이 연소기(22)나 터빈(23)으로 흐르므로, 압축기(21)의 출구 압력(제 1 압력)은 저하되지 않고 소정 압력이 유지된다. 한편, SOFC(13)에서는, 기동용 압축기(84)로 압축된 압축 공기 A4가 제 3 압축 공기 공급 라인(83) 및 제 2 압축 공기 공급 라인(31)을 통하여 SOFC(13)로 흐르므로, SOFC(13)의 압력(제 2 압력)이 서서히 높아진다.
그리고 시간 t3에서 제 2 압력이 제 1 압력에 도달하면, 구동 모터(86)에 의해 기동용 압축기(84)를 정지함과 동시에 제어 밸브(85)를 정지하고, 동시에 제어 밸브(32)를 개방한다.
그러면 압축 공기 공급 장치(81)에 의한 SOFC(13)의 가압이 종료되고, 제어 밸브(32)를 전개로 함과 동시에 블로워(33)를 구동한다. 그러면, SOFC(13)의 공기극측은 압력이 더욱 상승하고 목표 압력까지 승압된다.
이와 같이 실시예 3의 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, 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 적어도 일부를 공기극에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인(31)과, 제 2 압축 공기 공급 라인에 설치되는 제어 밸브(32)와, 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(32)보다도 SOFC(13)측에 접속되는 압축 공기 공급 장치(81)와 SOFC(13)의 기동시에 제어 밸브(32)를 폐지하여 압축 공기 공급 장치(81)를 구동하는 제어 장치(82)를 설치하고 있다.
따라서 가스 터빈(11)의 압축기(21)와는 별도로 압축 공기 공급 장치(81)를 설치하고, SOFC(13)의 기동시에 압축 공기 공급 장치(81)를 구동하도록 하고 있다. 그러면 SOFC(13) 기동시, 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, 이때에 연소기(22)나 터빈(23)에 압축 공기가 부족해지는 일 없이 연소기(22)에서의 이상 연소나 터빈(23)에서의 냉각 부족을 억제할 수 있다. 그 결과, 가스 터빈(11)에서의 공기 부족을 억제하고, 가스 터빈(11)을 안정되게 운전하면서 SOFC(13)을 기동할 수 있다.
실시예 3의 발전 시스템에서는, 압축 공기 공급 장치(81)로서 일단부가 제 2 압축 공기 공급 라인(31)에 따른 제어 밸브(32)와 블로워(33) 사이에 접속되는 제 3 압축 공기 공급 라인(83)과, 제 3 압축 공기 공급 라인(83)의 타단부에 접속되는 기동용 압축기(84)와, 제 3 압축 공기 공급 라인(83)에 설치되는 제어 밸브(85)를 설치하고, 제어 장치(82)는 SOFC(13) 기동시에 제어 밸브(32)를 폐지하여 제어 밸브(85)를 개방하고 있다. 따라서 연소기(22)와 SOFC(13)에 대하여, 각각 별도의 압축기(21, 84)에서 압축 공기가 보내지게 되고, 간단한 구성으로 가스 터빈(11)에 따른 공기 부족을 적정하게 억제할 수 있다.
실시예 3의 발전 시스템에서는, 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 제 1 압력을 검출하는 제 1 검출기(87)와, SOFC(13)의 제 2 압력을 검출하는 제 2 검출기(88)를 설치하고, 제어 장치(82)는, 제 2 압력이 제 1 압력에 도달하면 압축 공기 공급 장치(81)의 구동을 정지함과 동시에, 제어 밸브(32)를 개방하고 있다. 따라서 압축 공기 공급 장치(81)를 SOFC(13)의 압축용으로만 사용함으로써, 이 압축 공기 장치(81)의 소형화 및 저가격화를 가능하게 할 수 있다.
실시예 3의 발전 시스템에서는, 상술한 바와 같이 가스 터빈(11)의 압축기(21)와는 별도로 단독 구동이 가능한 압축 공기 공급 장치(81)를 설치하는 것으로부터, 가스 터빈(11)을 기동하기 전부터 압축 공기 공급 장치(81)에 의해 SOFC(13)에 공기를 공급하여 승압할 수 있다. 그러므로, 가스 터빈(11)의 기동에 관계없이 사전에 SOFC(13)를 승압함으로써, 발전 시스템(10)의 조기 기동을 가능하게 할 수 있다.
또한 실시예 3의 발전 시스템에 따른 고체 산화물형 연료 전지의 기동 방법에 있어서는, 가스 터빈(11)의 압축기(21)로 압축한 압축 공기를 연소기(22)에 공급하는 공정과, 압축 공기 공급 장치(81)로 압축한 압축 공기를 SOFC(13)의 공기극에 공급하는 공정과, 공기극측의 압력이 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 압력에 도달하면 압축 공기 공급 장치(81)에 의한 공기극에의 압축 공기 공급을 정지하는 공정과, 압축기(21)로 압축한 압축 공기 일부를 SOFC(13)의 공기극에 공급하는 공정을 갖고 있다.
따라서 SOFC(13)의 기동시, 연소기(22)나 터빈(23)에 압축 공기가 부족한 일 없이 가스 터빈(11)에서의 공기 부족을 억제하고, 가스 터빈(11)을 안정되게 운전하면서 SOFC(13)를 안정되게 가압할 수 있다. 또한 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 일부를 SOFC(13)의 공기극에 공급하도록 구성하지만, 압축기(21)로 압축한 압축 공기의 전부를 SOFC(13)의 공기극에 공급하도록 해도 된다.
또한 상술한 실시예 3에서, 본 발명의 제 1 개폐 밸브 및 제 2 개폐 밸브를 유량 조정 가능한 제어 밸브(32, 85)로 했으나, 유량 조정이 불가능한 차단 밸브여도 된다.
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(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 : 제어 장치(제어부)
62 : 제 1 검출기
63 : 제 2 검출기
71 : 제 1 차단 밸브(제 1 개폐 밸브)
72 : 제 2 차단 밸브(제 2 개폐 밸브)
81 : 압축 공기 공급 장치(압축 공기 공급부)
82 : 제어 장치(제어부)
83 : 제 3 압축 공기 공급 라인
84 : 기동용 압축기
85 : 제어 밸브(제 2 개폐 밸브)
87 : 제 1 검출기
88 : 제 2 검출기

Claims (10)

  1. 연료 전지와,
    압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과,
    상기 압축기에 따른 공기 주입구에 설치되는 입구 안내 날개와,
    상기 압축기로 압축한 압축 공기를 상기 연소기에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인과,
    상기 압축기로 압축한 압축 공기 중 적어도 일부를 상기 연료 전지에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인과,
    상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 설치되는 개폐 밸브와,
    상기 연료 전지의 기동시에 상기 개폐 밸브를 개방함과 동시에 상기 입구 안내 날개의 개도(開度)를 사전에 설정된 기준 개도에서 크게 하는 제어를 하는 제어부
    를 갖는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개폐 밸브는 유량을 조정 가능한 제어 밸브이고, 상기 제어부는 상기 연료 전지의 기동시에 상기 개폐 밸브를 전개(全開) 상태보다 작은 초기 개도까지 개방함과 동시에, 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 가스 터빈의 정상(定常) 운전시보다 큰 소정 개도까지 개방하는 제어를 하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 개폐 밸브는 개방시에 따른 통과 유량이 큰 제 1 개폐 밸브와 통과 유량이 작은 제 2 개폐 밸브가 병렬로 설치되어 구성되고, 상기 제어부는 상기 연료 전지의 기동시에 상기 제 1 개폐 밸브를 폐지(閉止) 상태로 하여 상기 제 2 개폐 밸브를 개방 상태로 함과 동시에, 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 가스 터빈의 정상 운전시보다 큰 소정 개도까지 개방하는 제어를 하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기로 압축한 압축 공기의 압력을 검출하는 제 1 검출기와, 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 따른 상기 개폐 밸브보다도 상기 연료 전지측의 압력을 검출하는 제 2 검출기가 설치되고, 상기 제어부는 상기 제 2 검출기에 의해 검출된 제 2 압력이 상기 제 1 검출기에 의해 검출된 제 1 압력에 도달하면, 상기 개폐 밸브의 개도를 크게 함과 동시에, 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 기준 개도까지 되돌리는 제어를 하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 2 검출기에 의해 검출된 제 2 압력이 상기 제 1 검출기에 의해 검출된 제 1 압력에 가까워짐에 따라 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 기준 개도를 목표로 작게 하는 제어를 하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  6. 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기를 가스 터빈 연소기에 공급하는 공정과,
    가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기의 일부를 연료 전지에 공급하는 공정과,
    상기 가스 터빈 압축기에 따른 공기 주입구에 설치되는 입구 안내 날개의 개도를 사전에 설정된 기준 개도에서 크게 하는 공정과,
    상기 연료 전지의 압력이 상기 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기의 압력에 도달하면 상기 입구 안내 날개의 개도를 상기 기준 개도로 되돌리는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법.
  7. 압축기와 연소기를 갖는 가스 터빈과,
    상기 압축기로 압축한 압축 공기를 상기 연소기에 공급하는 제 1 압축 공기 공급 라인과,
    공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지와,
    상기 압축기로 압축한 압축 공기 중 적어도 일부를 상기 공기극에 공급하는 제 2 압축 공기 공급 라인과,
    상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 설치되는 제 1 개폐 밸브와,
    상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 따른 상기 제 1 개폐 밸브보다도 상기 연료 전지측에 접속되는 압축 공기 공급부와,
    상기 연료 전지의 기동시에 상기 제 1 개폐 밸브를 폐지하여 상기 압축 공기 공급부를 구동하는 제어부
    를 갖는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 압축 공기 공급부는, 일단부가 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 따른 상기 제 1 개폐 밸브보다도 상기 연료 전지에 접속되는 제 3 압축 공기 공급 라인과, 상기 제 3 압축 공기 공급 라인의 타단부에 접속되는 기동용 압축기와, 상기 제 3 압축 공기 공급 라인에 설치되는 제 2 개폐 밸브를 갖고, 상기 제어부는 상기 연료 전지의 기동시에 상기 제 1 개폐 밸브를 폐지하여 상기 제 2 개폐 밸브를 개방함과 동시에, 상기 기동용 압축기를 구동하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 압축기로 압축한 압축 공기의 압력을 검출하는 제 1 검출기와, 상기 제 2 압축 공기 공급 라인에 따른 상기 제 1 개폐 밸브보다도 상기 연료 전지측의 압력을 검출하는 제 2 검출기가 설치되고, 상기 제어부는 상기 제 2 검출기에 의해 검출된 제 2 압력이 상기 제 1 검출기에 의해 검출된 제 1 압력에 도달하면 상기 압축 공기 공급부의 구동을 정지함과 동시에, 상기 제 1 개폐 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  10. 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기를 가스 터빈 연소기에 공급하는 공정과,
    압축 공기 공급부로 압축한 압축 공기를 연료 전지의 공기극에 공급하는 공정과,
    상기 공기극측의 압력이 상기 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기의 압력에 도달하면 상기 압축 공기 공급부에 의한 상기 공기극으로의 압축 공기의 공급을 정지하는 공정과,
    상기 가스 터빈 압축기로 압축한 압축 공기를 상기 연료 전지의 공기극에 공급하는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 발전 시스템에 따른 연료 전지의 기동 방법.
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