WO2014069414A1 - 発電システム及び発電システムの運転方法 - Google Patents

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exhaust
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和徳 藤田
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power generation system that combines a solid oxide fuel cell, a gas turbine, and a steam turbine, and a method for operating the power generation system.
  • Solid oxide fuel cells Solid Oxide Fuel Cells: hereinafter referred to as SOFC
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cells
  • this SOFC has a high operating temperature in order to increase the ionic conductivity, it can be used as air (oxidant) for supplying air discharged from the compressor of the gas turbine to the air electrode side.
  • the SOFC can use high-temperature fuel that could not be used as fuel in the combustor of the gas turbine.
  • Patent Document 1 various types of power generation systems that can achieve high-efficiency power generation have been proposed in which SOFCs, gas turbines, and steam turbines are combined.
  • the combined system described in Patent Document 1 includes an SOFC, a gas turbine combustor that burns exhaust fuel gas and exhaust air discharged from the SOFC, and a compressor that compresses air and supplies the compressed fuel to the SOFC.
  • a gas turbine is provided.
  • the calorie of the exhaust fuel gas supplied from the SOFC to the gas turbine may fluctuate.
  • fluctuations are likely to occur at the start of the supply of exhaust fuel gas from the SOFC to the gas turbine.
  • combustion in the combustion chamber of the gas turbine becomes unstable, which is a problem.
  • the present invention solves the above-described problems, and provides a power generation system and a method for operating the power generation system that can stabilize the exhaust fuel gas supplied from the fuel cell to the gas turbine and stabilize the combustion in the gas turbine.
  • the purpose is to provide.
  • a power generation system of the present invention includes a gas turbine having a compressor and a combustor, a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust gas discharged from the fuel cell as the gas.
  • An exhaust fuel gas supply line for supplying to the turbine, an open / close control valve that is provided in the exhaust fuel gas supply line and that switches between opening and closing, and the exhaust fuel gas supply line in a range upstream from the open / close control valve is heated.
  • the exhaust fuel gas supply line is heated by the heating means, and the state of the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel gas supply line detected by the detection section is predetermined. It is possible not to supply the exhaust gas to the gas turbine until the state is stabilized. Then, the exhaust fuel gas supply line that supplies the exhaust fuel gas to the gas turbine can be heated, so that the exhaust fuel gas in which the drain is generated can be suppressed from being directly supplied to the combustor of the gas turbine. Also, exhaust fuel gas whose calorie has been increased due to the generation of drain is supplied to the gas turbine, or the generated drain is evaporated and the H 2 O content is high, that is, the exhaust fuel gas with low calorie. Can be prevented from being supplied to the gas turbine. Thereby, the property of the exhaust fuel gas supplied to the gas turbine can be stabilized, and the combustion of the gas turbine can be stabilized.
  • the detection unit is a calorimeter that detects calories of the exhaust fuel gas, and the control unit detects that the calories detected by the detection unit are within a predetermined range. In this case, it is determined that the heating of the exhaust fuel gas supply line is completed.
  • exhaust gas with stable calories can be supplied to the gas turbine, and combustion of the gas turbine can be stabilized.
  • the detection unit is a thermometer that detects the temperature of the exhaust fuel gas, and the control unit detects that the temperature detected by the detection unit is equal to or higher than a predetermined value. It is determined that the heating of the exhaust fuel gas supply line is completed.
  • the supply of the exhaust fuel gas to the gas turbine can be started after detecting that the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel gas supply line flows at a temperature at which no drain is generated. Thereby, exhaust fuel gas with stable calories can be supplied to the gas turbine, and combustion of the gas turbine can be stabilized.
  • a fuel gas supply line that supplies fuel gas to the fuel cell, and one end of the exhaust fuel gas supply line upstream of the opening / closing control valve are connected, and the fuel gas supply A fuel gas recirculation line connected to the other end of the line and supplying a part of the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel gas supply line to the fuel gas supply line, and the heating means,
  • One end of the exhaust fuel gas supply line is connected downstream of the connection position with the fuel gas recirculation line and upstream of the open / close control valve, and the other end is connected to the fuel gas recirculation line.
  • An exhaust fuel gas recirculation line connected to the exhaust fuel gas recirculation line, supplying the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel gas supply line to the fuel gas recirculation line; By circulating the exhaust fuel gas flowing, characterized by heating the exhaust fuel gas supply line in the heat of the exhaust fuel gas.
  • the exhaust fuel gas supply line can be heated by circulating the exhaust fuel gas. Therefore, it is not necessary to provide a separate heating source, and the exhaust fuel gas used for heating can be used effectively.
  • the operation method of the power generation system of the present invention includes a gas turbine having a compressor and a combustor, a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and supplying exhaust gas discharged from the fuel cell to the gas turbine.
  • the step of detecting the state of the exhaust fuel gas in the exhaust fuel gas supply line the step of heating the exhaust fuel gas supply line based on the result detected by the detection unit, and the result detected by the detection unit And opening the open / close control valve when it is determined that the state of the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel gas supply line is stable.
  • the exhaust fuel gas supply line is heated, and the exhaust fuel is not supplied to the gas turbine until the detected state of the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel gas supply line is stabilized in a predetermined state. it can. Then, the exhaust fuel gas supply line that supplies the exhaust fuel gas to the gas turbine can be heated, so that the exhaust fuel gas in which the drain is generated can be suppressed from being directly supplied to the combustor of the gas turbine. Also, exhaust fuel gas whose calorie has been increased due to the generation of drain is supplied to the gas turbine, or the generated drain is evaporated and the H 2 O content is high, that is, the exhaust fuel gas with low calorie. Can be prevented from being supplied to the gas turbine. Thereby, the calories of the exhaust fuel gas supplied to the gas turbine can be stabilized, and the combustion of the gas turbine can be stabilized.
  • the exhaust fuel gas supply line for supplying the exhaust fuel gas to the gas turbine can be heated, so that the exhaust fuel gas generated by the drain is directly supplied to the combustor of the gas turbine. It can be suppressed. Also, exhaust fuel gas whose calorie has been increased due to the generation of drain is supplied to the gas turbine, or the generated drain is evaporated and the H 2 O content is high, that is, the exhaust fuel gas with low calorie. Can be prevented from being supplied to the gas turbine. Thereby, the calories of the exhaust fuel gas supplied to the gas turbine can be stabilized, and the combustion of the gas turbine can be stabilized.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a power generation system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view of an exhaust fuel gas supply line in a power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of the driving operation of the power generation system according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a time chart showing the timing of the operation of a valve that controls the flow of exhaust fuel in the power generation system of this embodiment.
  • the power generation system of this embodiment is a triple combined cycle (registered trademark) in which a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC), a gas turbine, and a steam turbine are combined.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • gas turbine gas turbine
  • steam turbine a steam turbine
  • This triple combined cycle realizes extremely high power generation efficiency because electricity can be taken out in three stages of SOFC, gas turbine, and steam turbine by installing SOFC upstream of gas turbine combined cycle power generation (GTCC). can do.
  • GTCC gas turbine combined cycle power generation
  • a solid oxide fuel cell is applied as the fuel cell of the present invention, but the present invention is not limited to this type of fuel cell.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a power generation system of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view of an exhaust fuel gas supply line in a power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • the power generation system 10 includes a gas turbine 11 and a generator 12, an SOFC 13, a steam turbine 14 and a generator 15.
  • the power generation system 10 is configured to obtain high power generation efficiency by combining power generation by the gas turbine 11, power generation by the SOFC 13, and power generation by the steam turbine 14.
  • the power generation system 10 includes a control device 62.
  • the control device 62 controls the operation of each unit of the power generation system 10 based on the input setting, the input instruction, the result detected by the detection unit, and the like.
  • the gas turbine 11 includes a compressor 21, a combustor 22, and a turbine 23, and the compressor 21 and the turbine 23 are coupled to each other by a rotary shaft 24 so as to be integrally rotatable.
  • the compressor 21 compresses the air A taken in from the air intake line 25.
  • the combustor 22 mixes and combusts the compressed air A ⁇ b> 1 supplied from the compressor 21 through the first compressed air supply line 26 and the fuel gas L ⁇ b> 1 supplied from the first fuel gas supply line 27.
  • the turbine 23 is rotated by exhaust gas (combustion gas) G supplied from the combustor 22 through the exhaust gas supply line 28.
  • the turbine 23 is supplied with compressed air A1 compressed by the compressor 21 through the passenger compartment, and cools the blades and the like using the compressed air A1 as cooling air.
  • the generator 12 is provided on the same axis as the turbine 23 and can generate electric power when the turbine 23 rotates.
  • liquefied natural gas LNG is used as the fuel gas L1 supplied to the combustor 22.
  • the SOFC 13 generates power by reacting at a predetermined operating temperature by being supplied with high-temperature fuel gas as a reducing agent and high-temperature air (oxidizing gas) as an oxidant.
  • the SOFC 13 is configured by accommodating an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode in a pressure vessel. A part of the compressed air A2 compressed by the compressor 21 is supplied to the air electrode, and fuel gas is supplied to the fuel electrode to generate power.
  • the fuel gas L2 supplied to the SOFC 13 for example, liquefied natural gas (LNG), hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ), carbon such as coal, etc. Gas produced by gasification equipment for quality raw materials is used.
  • the oxidizing gas supplied to the SOFC 13 is a gas containing approximately 15% to 30% oxygen, and typically air is preferable. However, in addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air, oxygen And the like can be used (hereinafter, the oxidizing gas supplied to the SOFC 13 is referred to as air).
  • the SOFC 13 is connected to the second compressed air supply line 31 branched from the first compressed air supply line 26, and can supply a part of the compressed air A2 compressed by the compressor 21 to the introduction portion of the air electrode.
  • a control valve 32 capable of adjusting the amount of air to be supplied and a blower (a booster) 33 capable of increasing the pressure of the compressed air A2 are provided along the air flow direction.
  • the control valve 32 is provided on the upstream side of the second compressed air supply line 31 in the air flow direction, and the blower 33 is provided on the downstream side of the control valve 32.
  • the SOFC 13 is connected to an exhaust air line 34 that exhausts exhaust air A3 used at the air electrode.
  • the exhaust air line 34 is branched into an exhaust line 35 for exhausting the exhaust air A3 used at the air electrode to the outside, and a compressed air circulation line 36 connected to the combustor 22.
  • the discharge line 35 is provided with a control valve 37 capable of adjusting the amount of air discharged
  • the compressed air circulation line 36 is provided with a control valve 38 capable of adjusting the amount of air circulated.
  • the SOFC 13 is provided with a second fuel gas supply line 41 for supplying the fuel gas L2 to the introduction portion of the fuel electrode.
  • the second fuel gas supply line 41 is provided with a control valve 42 that can adjust the amount of fuel gas to be supplied.
  • the SOFC 13 is connected to an exhaust fuel line 43 that exhausts the exhaust fuel gas L3 used at the fuel electrode.
  • the exhaust fuel line 43 is branched into an exhaust line 44 that discharges to the outside and an exhaust fuel gas supply line 45 that is connected to the combustor 22.
  • the discharge line 44 is provided with a control valve 46 capable of adjusting the amount of fuel gas to be discharged.
  • the exhaust fuel gas supply line 45 is provided with a control valve 47 capable of adjusting the amount of fuel gas to be supplied, and a blower 48 capable of boosting fuel. Is provided along the flow direction of the fuel gas L3.
  • the control valve 47 is provided on the upstream side in the flow direction of the exhaust fuel gas L 3 in the exhaust fuel gas supply line 45, and the blower 48 is provided on the downstream side of the control valve 47.
  • the SOFC 13 is provided with a fuel gas recirculation line 49 that connects the exhaust fuel line 43 and the second fuel gas supply line 41.
  • the fuel gas recirculation line 49 is provided with a recirculation blower 50 that recirculates the exhaust fuel gas L3 of the exhaust fuel line 43 to the second fuel gas supply line 41.
  • the steam turbine 14 rotates the turbine 52 with the steam generated by the exhaust heat recovery boiler (HRSG) 51.
  • the exhaust heat recovery boiler 51 is connected to an exhaust gas line 53 from the gas turbine 11 (the turbine 23), and generates steam S by exchanging heat between the air and the high temperature exhaust gas G.
  • the steam turbine 14 (turbine 52) is provided with a steam supply line 54 and a water supply line 55 between the exhaust heat recovery boiler 51.
  • the water supply line 55 is provided with a condenser 56 and a water supply pump 57.
  • the generator 15 is provided coaxially with the turbine 52 and can generate electric power when the turbine 52 rotates.
  • the exhaust gas G from which heat has been recovered by the exhaust heat recovery boiler 51 is released to the atmosphere after removing harmful substances.
  • the operation of the power generation system 10 of the present embodiment will be described.
  • the electric power generation system 10 starts in order of the gas turbine 11, the steam turbine 14, and SOFC13.
  • the compressor 21 compresses the air A
  • the combustor 22 mixes and burns the compressed air A1 and the fuel gas L1
  • the turbine 23 is rotated by the exhaust gas G. 12 starts power generation.
  • the turbine 52 is rotated by the steam S generated by the exhaust heat recovery boiler 51, whereby the generator 15 starts power generation.
  • the compressed air A ⁇ b> 2 is supplied to start pressure increase and heating is started.
  • the control valve 37 of the discharge line 35 and the control valve 38 of the compressed air circulation line 36 closed and the blower 33 of the second compressed air supply line 31 stopped, the control valve 32 is opened by a predetermined opening.
  • a part of the compressed air A2 compressed by the compressor 21 is supplied from the second compressed air supply line 31 to the SOFC 13 side.
  • the pressure on the SOFC 13 side increases as the compressed air A2 is supplied.
  • the fuel gas L2 is supplied to the fuel electrode side and pressure increase is started.
  • the control valve 46 of the exhaust line 44 and the control valve 47 of the exhaust fuel gas supply line 45 closed and the blower 48 stopped, the control valve 42 of the second fuel gas supply line 41 is opened and the fuel gas is recirculated.
  • the recirculation blower 50 of the line 49 is driven.
  • the fuel gas L2 is supplied from the second fuel gas supply line 41 to the SOFC 13 side, and the exhaust fuel gas L3 is recirculated by the fuel gas recirculation line 49.
  • the pressure on the SOFC 13 side is increased by supplying the fuel gas L2.
  • the control valve 32 When the pressure on the air electrode side of the SOFC 13 becomes the outlet pressure of the compressor 21, the control valve 32 is fully opened and the blower 33 is driven. At the same time, the control valve 37 is opened and the exhaust air A3 from the SOFC 13 is exhausted from the exhaust line 35. Then, the compressed air A2 is supplied to the SOFC 13 side by the blower 33. At the same time, the control valve 46 is opened, and the exhaust fuel gas L3 from the SOFC 13 is discharged from the discharge line 44. When the pressure on the air electrode side and the pressure on the fuel electrode side in the SOFC 13 reach the target pressure, the pressure increase of the SOFC 13 is completed.
  • the control valve 37 is closed and the control valve 38 is opened.
  • the exhaust air A3 from the SOFC 13 is supplied to the combustor 22 from the compressed air circulation line 36.
  • the control valve 46 is closed, while the control valve 47 is opened to drive the blower 48.
  • the exhaust fuel gas L3 from the SOFC 13 is supplied from the exhaust fuel gas supply line 45 to the combustor 22.
  • the fuel gas L1 supplied from the first fuel gas supply line 27 to the combustor 22 is reduced.
  • the power generation by the generator 12 by driving the gas turbine 11, the power generation by the SOFC 13, and the power generation by the generator 15 are all performed by driving the steam turbine 14, and the power generation system 10 becomes a steady operation.
  • the exhaust fuel gas L3 from the SOFC 13 is supplied from the exhaust fuel gas supply line 45 to the combustor 22.
  • the temperature of the exhaust fuel gas supply line 45 is low, the temperature of the exhaust fuel gas L3 supplied toward the gas turbine 11 in the exhaust fuel gas supply line 45 decreases.
  • the combustion heat value (calories) of the exhaust fuel gas L3 may fluctuate.
  • An opening / closing valve (opening / closing control valve) 106 disposed near the gas turbine 11 of the supply line 45 (in the present embodiment, downstream of the control valve 47) is provided.
  • the control device (control unit) 62 of the power generation system 10 performs heating based on the result of the detection unit 104 at the start of supply of the exhaust fuel gas L3 to the exhaust fuel gas supply line 45, that is, after opening the control valve 47.
  • the means 102 and the on-off valve 106 are driven.
  • the heating unit 102 for heating the exhaust fuel gas supply line 45 is provided, and the heating of the heating unit 102 is controlled based on the detection result of the detection unit 104. Further, by controlling the opening and closing of the on-off valve 106 based on the detection result of the detection unit 104, the execution and stop of the supply of the exhaust fuel gas L3 to the gas turbine 11 (combustor 22) are controlled. Then, the exhaust fuel gas supply line 45 can be heated, and the exhaust fuel gas L3 that has passed through the exhaust fuel gas supply line 45 after heating the exhaust fuel gas supply line 45 can be supplied to the gas turbine 11. Thereby, combustion calorific value (calorie) of exhaust fuel gas L3 supplied to gas turbine 11 (combustor 22) can be stabilized.
  • the heating means 102 includes an exhaust fuel gas recirculation line 112 and a control valve 116.
  • the exhaust fuel gas recirculation line 112 has one end connected between the blower 48 of the exhaust fuel gas supply line 45 and the combustor 22, and the other end connected to the fuel gas recirculation line 49. .
  • the exhaust fuel gas recirculation line 112 supplies the exhaust fuel gas L3 supplied from the exhaust fuel gas supply line 45 to the fuel gas recirculation line 49.
  • the control valve 116 is installed in the exhaust fuel gas recirculation line 112.
  • the control valve 116 switches between opening and closing to switch whether or not the exhaust fuel gas L3 flows into the exhaust fuel gas recirculation line 112, and adjusting the opening degree to control the exhaust gas flowing through the exhaust fuel gas recirculation line 112.
  • the flow rate of the fuel gas L3 is controlled.
  • the detection unit 104 is disposed downstream of the blower 48 of the exhaust fuel gas supply line 45 and upstream of the position connected to the exhaust fuel gas recirculation line 112.
  • the detection unit 104 is a detection device that detects the calories of the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 at the installed position.
  • the detection unit 104 may be any detection device that can detect the state of the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 at the installed position. For example, temperature detection for detecting the temperature of the exhaust fuel gas L3 is possible. An apparatus can also be used.
  • the state of the exhaust fuel gas L3 is various conditions that can determine whether drain has occurred in the exhaust fuel gas L3 while flowing through the exhaust fuel gas supply line 45.
  • the detection unit 104 is preferably arranged on the gas turbine 11 side of the exhaust fuel gas supply line 45, that is, on the side close to the position connected to the exhaust fuel gas recirculation line 112. Thereby, by flowing through the exhaust fuel gas supply line 45, a change occurring in the exhaust fuel gas L3 can be detected with a higher probability.
  • the on-off valve 106 is disposed downstream of the position connected to the exhaust fuel gas recirculation line 112 and upstream of the combustor 22.
  • the on-off valve 106 can switch whether to supply the exhaust fuel gas L3 to the combustor 22 by switching between opening and closing.
  • the control device 62 can adjust at least the opening and closing of the on-off valve 106. Therefore, the control device 62 can switch whether or not to supply the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 to the gas turbine 11. Further, the control device 62 of the present embodiment can adjust the opening and closing and the opening degree of the control valves 46, 47 and 116. Therefore, the control device 62 can switch the flow of the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel line 43, that is, the device that supplies the exhaust fuel.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of the driving operation of the power generation system according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a time chart showing the timing of the operation of a valve that controls the flow of exhaust fuel in the power generation system of this embodiment.
  • the driving operation shown in FIG. 3 can be realized by the control device (control unit) 62 executing arithmetic processing based on the detection result of each unit.
  • the power generation system 10 executes the exhaust fuel gas circulation in parallel using the fuel gas recirculation line 49 even during the execution of the processing shown in FIG.
  • the control device 62 discharges the exhaust fuel gas L3 from the exhaust line 44 (step S14). Specifically, as shown at time t1 in FIG. 4, the control device 62 opens the control valve 46, closes the control valve 47, closes the control valve 116, and closes the on-off valve 106. As a result, the exhaust fuel gas L3 flows in the direction of the arrow 132 shown in FIG.
  • the control device 62 determines whether or not the state of the exhaust fuel gas L3 is stable (step S16). That is, the control device 62 determines whether the component of the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel line 43 is stable. For example, the control device 62 performs a composition analysis of the exhaust fuel gas L3 and makes a determination based on the result.
  • step S16 When it is determined that the state of the exhaust fuel gas L3 is not stable (No in step S16), the control device 62 returns to step S16 and executes the determination in step S16 again.
  • the control device 62 repeats the process of step S16 while discharging the exhaust fuel gas L3 from the discharge line 44 until the state of the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel line 43 is stabilized.
  • step S16 When it is determined that the state of the exhaust fuel gas L3 is stable (Yes in step S16), the control device 62 starts supplying the exhaust fuel gas L3 to the exhaust fuel gas supply line 45 (step S18). Recirculation of the exhaust fuel gas L3 in the exhaust fuel gas supply line 45 using the recirculation line 112 is started (step S20). Specifically, as shown at time t2 in FIG. 4, the control device 62 reduces the opening of the control valve 46 and opens the control valve 47 from closed. Thereby, the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel line 43 can be supplied to the exhaust fuel gas supply line 45. Further, the control device 62 changes the control valve 116 from closed to open and keeps the on-off valve 106 closed.
  • the control device 62 drives the blower 48.
  • the blower 48 sends the exhaust fuel gas L ⁇ b> 3 flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 toward the connection portion with the exhaust fuel gas recirculation line 112.
  • the on-off valve 106 is closed and the control valve 116 is opened, the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 reaches the connecting portion with the exhaust fuel gas recirculation line 112, and the exhaust fuel gas L3 is exhausted. It flows to the gas recirculation line 112.
  • the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 flows in the direction of the arrow 134 shown in FIG.
  • the control device 62 circulates the exhaust fuel gas in the order of the exhaust fuel gas supply line 45, the exhaust fuel gas recirculation line 112, the fuel gas recirculation line 49, and the SOFC 13, thereby supplying the exhaust fuel gas with the exhaust fuel gas L3.
  • Line 45 can be heated.
  • the exhaust fuel gas L3 used for heating is charged into the SOFC 13 so that it can be heated again.
  • the control device 62 determines whether the heating of the exhaust fuel gas supply line 45 is completed (Step S22). The control device 62 determines whether the heating of the exhaust fuel gas supply line 45 is completed based on the detection result of the detection unit 104. Based on the state of the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 detected by the detection unit 104, the control device 62 determines whether the heating of the exhaust fuel gas supply line 45 by the heating means 102 has been completed. Specifically, the detection unit 104 can measure the calorie and temperature of the exhaust fuel gas L3 as the state of the exhaust fuel gas L3.
  • the control device 62 determines that no drain is found in the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 based on the state of the exhaust fuel gas L3, the heating of the exhaust fuel gas supply line 45 is completed. Is determined.
  • the detection unit 104 detects the temperature
  • the control device 62 determines that the heating is completed when the temperature becomes a certain value or more.
  • the control device 62 determines that the heating is completed when the calorie falls within a predetermined range.
  • Step S22 When the controller 62 determines that the heating has not been completed (No in Step S22), the controller 62 returns to Step S22 and performs the determination in Step S22 again.
  • the control device 62 uses the exhaust fuel gas recirculation line 112 until the heating of the exhaust fuel gas supply line 45 is completed, that is, until the state of the exhaust fuel gas L3 detected by the detection unit 104 is stabilized.
  • the process of step S22 is repeated while continuing the recirculation of L3. Accordingly, the control device 62 can heat the exhaust fuel gas supply line 45 in a state where the exhaust fuel gas L3 is not supplied from the exhaust fuel gas supply line 45 to the gas turbine 11.
  • the control device 62 adjusts the opening degree of the control valve 46 based on the state of the exhaust fuel gas L3 (for example, the temperature of the exhaust fuel gas detected by the detection unit 104). To do. Specifically, when the exhaust fuel gas L3 flows into the exhaust fuel gas supply line 45 and the pressure of the exhaust fuel gas supply line 45 increases, the opening degree of the control valve 46 is increased. As a result, surplus exhaust fuel gas L3 out of exhaust fuel gas L3 supplied from exhaust fuel line 43 can be exhausted from exhaust line 44.
  • step S22 When it is determined that the heating has been completed (Yes in step S22), the control device 62 stops the recirculation of the exhaust fuel gas L3 using the exhaust fuel gas recirculation line 112, and the exhaust fuel gas L3 to the gas turbine 11 is stopped. Is started (step S24). Specifically, as shown at time t3 in FIG. 4, the control device 62 switches the control valve 46 from open to closed, maintains the control valve 47 open, changes the control valve 116 from open to closed, and opens and closes. The valve 106 is changed from closed to open.
  • the power generation system 10 of the present embodiment uses the heating unit 102 to heat the exhaust fuel gas supply line 45, and after the heating of the exhaust fuel gas supply line 45 is completed, the exhaust fuel to the gas turbine 11 is recovered. Supply of gas L3 is started. Accordingly, it is possible to suppress the exhaust fuel gas L3 having a lowered temperature from flowing through the exhaust fuel gas supply line 45 in a low temperature (normal temperature) state at the start of operation or the like and being supplied to the gas turbine 11.
  • the exhaust fuel gas L3 when the exhaust fuel gas L3 is cooled, drainage is generated.
  • the composition of the components changes, and the amount of moisture decreases, so that the combustion calorific value (calories) increases.
  • the amount of drain generation gradually changes. Thereafter, when the drain generated in the exhaust fuel gas supply line 45 evaporates, the evaporated drain enters the exhaust fuel gas L3, and the H 2 O content of the exhaust fuel gas L3 increases.
  • the exhausted fuel gas L3 has a lower calorific value as the amount of H 2 O increases.
  • the fuel heat generation amount of the exhaust fuel gas L3 on the downstream side of the exhaust fuel gas supply line 45 gradually changes.
  • the combustion control in the gas turbine 11 becomes complicated.
  • the power generation system 10 of the present embodiment starts supplying the exhaust fuel gas L3 to the gas turbine 11 after the heating of the exhaust fuel gas supply line 45 is completed. Thereby, the fluctuation
  • the power generation system 10 of the present embodiment has a configuration in which the exhaust fuel gas recirculation line 112 is provided as the heating means 102 to recirculate the exhaust fuel gas L3.
  • the exhaust fuel gas L3 is provided as the heating means 102 to recirculate the exhaust fuel gas L3.
  • the power generation system 10 is provided with the exhaust fuel gas recirculation line 112 and returns the exhaust fuel gas L3 to the SOFC 13 again, thereby reheating the exhaust fuel gas L3 and finishing the heating of the exhaust fuel gas recirculation line 112. Thereafter, the gas turbine 11 can be supplied. Thereby, the exhaust fuel gas L3 can be used efficiently.
  • the power generation system 10 connects the exhaust fuel gas recirculation line 112 to the downstream side of the blower 48 of the exhaust fuel gas supply line 45 to drive the exhaust fuel gas L3 to the exhaust fuel gas recirculation line 112.
  • a blower 48 can be used as a source. Thereby, one blower 48 can be used effectively.
  • the on-off valve 106 is preferably disposed in the vicinity of the gas turbine 11 (combustor 22) of the exhaust fuel gas supply line 45. That is, the power generation system 10 preferably shortens the distance between the on-off valve 106 and the combustor 22. Thereby, when the on-off valve 106 is opened and the supply of the exhaust fuel gas L3 to the gas turbine 11 is started, the range of the exhaust fuel gas supply line 45 heated by the exhaust fuel gas L3 supplied to the gas turbine 11 is shortened. can do. Accordingly, when the supply of the exhaust fuel gas L3 to the gas turbine 11 is started, the generation of drain in the exhaust fuel gas L3 of the exhaust fuel gas supply line 45 in the range downstream of the on-off valve 106 is suppressed. be able to.
  • the power generation system 10 of the present embodiment is provided with the control valve 47 upstream of the blower 48 and the detector 104 of the exhaust fuel gas supply line 45, so that the blower 48 and the detector 104 of the exhaust fuel gas supply line 45 are provided. It is possible to switch whether or not to supply the exhausted fuel gas L3 to the range in which is disposed.
  • the position of the control valve 47 is the position where the control valve 47 is disposed on the combustor 22 side of the exhaust fuel gas supply line 45, but the disposition position is not particularly limited, and the downstream side of the connecting portion with the exhaust line 44 And what is necessary is just to be upstream from the connection part with the exhaust fuel gas recirculation line 112. Note that the power generation system 10 is not necessarily provided with the control valve 47.
  • the power generation system 10 may use another heating method as a heating means.
  • the exhaust fuel gas recirculation line 112 may be heated using steam discharged from other equipment, for example, steam generated in the exhaust heat recovery boiler (HRSG) 51, or the exhaust fuel gas recirculation line 112.
  • the exhaust fuel gas recirculation line 112 may be heated by winding a heating wire or the like and causing electricity to flow through the heating wire to generate heat.
  • the on-off valve 106 only needs to be able to switch between opening and closing, but may be a control valve that adjusts the opening degree.
  • the control valve 47 may be a control valve as long as it can be switched at least between opening and closing.
  • at least one of the control valve 47 and the on-off valve 106 provided in the exhaust fuel gas supply line 45 is preferably a control valve whose opening degree (flow path resistance) can be adjusted. Thereby, the quantity of the exhaust fuel gas L3 supplied to the combustor 22 can be adjusted.

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Abstract

　発電システム及び発電システムの運転方法において、燃料電池からガスタービンに供給する排燃料ガスをより安定させ、ガスタービンでの燃焼を安定させることを課題とする。発電システム１０は、ガスタービン１１と、燃料電池１３と、排燃料ガス供給ライン４５と、排燃料ガス供給ライン４５に設けられた開閉制御弁（開閉弁）１０６と、開閉制御弁１０６よりも上流側の範囲の排燃料ガス供給ライン４５を加熱する加熱手段１０２と、開閉制御弁１０６よりも上流側の範囲の排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスの状態を検出する検出部１０４と、加熱手段１０２による排燃料ガス供給ライン４５の加熱を制御し、排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定した場合、開閉制御弁１０６を開とする制御部（制御装置）６２と、を有する。

Description

発電システム及び発電システムの運転方法
　本発明は、固体酸化物形燃料電池とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システム及び発電システムの運転方法に関するものである。
　固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器に燃料として使用することができる。
　このため、例えば、下記特許文献１に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。
特開２００９－２０５９３０号公報
　上述した従来の発電システムでは、ＳＯＦＣからガスタービンに供給する排燃料ガスのカロリーが変動する場合がある。特に、発電システムでは、ＳＯＦＣからガスタービンへの排燃料ガスの供給開始時に変動が生じやすい。ガスタービンに供給する排燃料ガスの熱量が変動すると、ガスタービンの燃焼室での燃焼が不安定になり問題である。
　本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池からガスタービンに供給する排燃料ガスをより安定させ、ガスタービンでの燃焼を安定させることができる発電システム及び発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、前記排燃料ガス供給ラインに設けられ、少なくとも開閉を切り換える開閉制御弁と、前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインを加熱する加熱手段と、前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガスの状態を検出する検出部と、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記加熱手段による前記排燃料ガス供給ラインの加熱を制御し、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定した場合、前記開閉制御弁を開とする制御部と、を有することを特徴とする。
　従って、加熱手段と検出部と開閉制御弁を設けることで、加熱手段により排燃料ガス供給ラインを加熱し、かつ、検出部で検出した排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの状態が所定の状態に安定するまで、ガスタービンに排燃料ガスを供給しないようにすることができる。すると、ガスタービンに排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインを加熱できることで、ドレンが発生した排燃料ガスが直接ガスタービンの燃焼器に供給されることを抑制することができる。また、ドレンが発生することで水分が低減されてカロリーが高くなった排燃料ガスがガスタービンに供給されたり、発生したドレンが蒸発してＨ２Ｏ分が多い、つまりカロリーの低い排燃料ガスがガスタービンに供給されたりすることを抑制することができる。これにより、ガスタービンに供給する排燃料ガスの性状を安定させることができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
　本発明の発電システムでは、前記検出部は、前記排燃料ガスのカロリーを検出する熱量計であり、前記制御部は、前記検出部で検出した前記カロリーが所定の範囲内であることを検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定することを特徴とする。
　従って、ガスタービンにカロリーが安定した排燃料ガスを供給することができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
　本発明の発電システムでは、前記検出部は、前記排燃料ガスの温度を検出する温度計であり、前記制御部は、前記検出部で検出した前記温度が所定値以上であることを検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定することを特徴とする。
　従って、排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスがドレンの発生しない温度で流れていることを検出した後、ガスタービンへの排燃料ガスの供給を開始することができる。これにより、ガスタービンにカロリーが安定した排燃料ガスを供給することができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
　本発明の発電システムでは、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記排燃料ガス供給ラインの前記開閉制御弁よりも上流側に一方の端部が連結され、前記燃料ガス供給ラインに他方の端部が連結され、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスの一部を前記燃料ガス供給ラインに供給する燃料ガス再循環ラインと、を有し、前記加熱手段は、前記排燃料ガス供給ラインの前記燃料ガス再循環ラインとの連結位置より下流側かつ前記開閉制御弁よりも上流側に一方の端部が連結され、前記燃料ガス再循環ラインに他方の端部が接続された排燃料ガス再循環ラインを備え、前記排燃料ガス再循環ラインで前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスを燃料ガス再循環ラインに供給し、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスを循環させ、前記排燃料ガスの熱で前記排燃料ガス供給ラインを加熱することを特徴とする。
　従って、排燃料ガスを循環させることで、排燃料ガス供給ラインを加熱することができる。これにより、別途加熱源を設ける必要がなくなり、また、加熱に利用した排燃料ガスも有効に活用することができる。
　また、本発明の発電システムの運転方法は、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、前記排燃料ガス供給ラインに設けられ、少なくとも開閉を切り換える開閉制御弁と、を有する発電システムの運転方法であって、前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガスの状態を検出する工程と、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを加熱する工程と、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスの状態が安定したと判定した場合、前記開閉制御弁を開とする工程と、を有することを特徴とする。
　従って、排燃料ガス供給ラインを加熱し、かつ、検出した前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの状態が所定の状態に安定するまで、ガスタービンに排燃料を供給しないようにすることができる。すると、ガスタービンに排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインを加熱できることで、ドレンが発生した排燃料ガスが直接ガスタービンの燃焼器に供給されることを抑制することができる。また、ドレンが発生することで水分が低減されてカロリーが高くなった排燃料ガスがガスタービンに供給されたり、発生したドレンが蒸発してＨ２Ｏ分が多い、つまりカロリーの低い排燃料ガスがガスタービンに供給されたりすることを抑制することができる。これにより、ガスタービンに供給する排燃料ガスのカロリーを安定させることができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
　本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、ガスタービンに排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインを加熱できることで、ドレンが発生した排燃料ガスが直接ガスタービンの燃焼器に供給されることを抑制することができる。また、ドレンが発生することで水分が低減されてカロリーが高くなった排燃料ガスがガスタービンに供給されたり、発生したドレンが蒸発してＨ２Ｏ分が多い、つまりカロリーの低い排燃料ガスがガスタービンに供給されたりすることを抑制することができる。これにより、ガスタービンに供給する排燃料ガスのカロリーを安定させることができ、ガスタービンの燃焼を安定させることができる。
図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける排燃料ガス供給ラインの概略図である。 図３は、本実施例の発電システムの駆動動作の一例を示すフローチャートである。 図４は、本実施例の発電システムの排燃料の流れを制御する弁の動作のタイミングを表すタイムチャートである。
　以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムにおける固体酸化物形燃料電池の起動方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
　本実施例の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Ｔｒｉｐｌｅ　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　Ｃｙｃｌｅ：登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。
　図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける排燃料ガス供給ラインの概略図である。本実施例において、図１に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成したものである。また、発電システム１０は、制御装置６２を備えている。制御装置６２は、入力された設定、入力された指示及び検出部で検出した結果等に基づいて、発電システム１０の各部の動作を制御する。
　ガスタービン１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここでは、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いている。
　ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと酸化剤としての高温の空気（酸化性ガス）が供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスが供給されることで発電を行う。なお、ここでは、ＳＯＦＣ１３に供給する燃料ガスＬ２として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いている。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。
　このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３とが空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される圧縮空気循環ライン３６とに分岐される。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、圧縮空気循環ライン３６は、循環する空気量を調整可能な制御弁３８が設けられている。
　また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における排燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の下流側に設けられている。
　また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。
　蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気によりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に蒸気供給ライン５４と給水ライン５５が設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７が設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスＧは、有害物質を除去されてから大気へ放出される。
　ここで、本実施例の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動する。
　まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４にて、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。
　続いて、ＳＯＦＣ１３では、まず、圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始すると共に加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と圧縮空気循環ライン３６の制御弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態で、制御弁３２を所定開度だけ開放する。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
　一方、ＳＯＦＣ１３では、燃料極側に燃料ガスＬ２を供給して昇圧を開始する。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２が供給されることで圧力が上昇する。
　そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２を全開にすると共に、ブロワ３３を駆動する。それと同時に制御弁３７を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排出ライン３５から排出する。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３によりＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力が目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。
　その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、排空気Ａ３と排燃料ガスＬ３の成分が安定したら、制御弁３７を閉止する一方、制御弁３８を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から燃焼器２２に供給される。また、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。
　ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動により発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。
　ところで、一般的な発電システムでは、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。ここで、排燃料ガス供給ライン４５の温度が低いと、排燃料ガス供給ライン４５でガスタービン１１に向けて供給される排燃料ガスＬ３の温度が低下する。排燃料ガスＬ３の温度が低下すると、ドレンが発生し、排燃料ガスＬ３の燃焼発熱量（カロリー）が変動する恐れがある。
　そこで、本実施例の発電システム１０では、排燃料ガス供給ライン４５を加熱する加熱手段１０２と、排燃料ガス供給ライン４５で流す排燃料ガスＬ３の状態を検出する検出部１０４と、排燃料ガス供給ライン４５のガスタービン１１の近傍（本実施形態では、制御弁４７よりも下流側）に配置された開閉弁（開閉制御弁）１０６、と、を設ける。発電システム１０の制御装置（制御部）６２は、排燃料ガス供給ライン４５への排燃料ガスＬ３の供給開始時に、つまり制御弁４７を開にした後に、検出部１０４の結果に基づいて、加熱手段１０２及び開閉弁１０６を駆動するようにしている。
　即ち、排燃料ガス供給ライン４５を加熱するための加熱手段１０２を設け、検出部１０４の検出結果に基づいて、加熱手段１０２の加熱を制御する。さらに、検出部１０４の検出結果に基づいて、開閉弁１０６の開閉を制御することで、ガスタービン１１（燃焼器２２）への排燃料ガスＬ３の供給の実行、停止を制御する。すると、排燃料ガス供給ライン４５を加熱することができ、さらに排燃料ガス供給ライン４５を加熱した後に排燃料ガス供給ライン４５を通過した排燃料ガスＬ３をガスタービン１１に供給することができる。これにより、ガスタービン１１（燃焼器２２）に供給する排燃料ガスＬ３の燃焼発熱量（カロリー）を安定させることができる。
　詳細に説明すると、図２に示すように、加熱手段１０２は、排燃料ガス再循環ライン１１２と制御弁１１６とを有する。排燃料ガス再循環ライン１１２は、一方の端部が排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８と燃焼器２２との間に接続され、他方の端部が燃料ガス再循環ライン４９に接続されている。排燃料ガス再循環ライン１１２は、排燃料ガス供給ライン４５から供給された排燃料ガスＬ３を燃料ガス再循環ライン４９に供給する。制御弁１１６は、排燃料ガス再循環ライン１１２に設置されている。制御弁１１６は、開閉を切り換えることで、排燃料ガス再循環ライン１１２に排燃料ガスＬ３が流れるか流れないかを切り替え、開度を調整することで、排燃料ガス再循環ライン１１２を流れる排燃料ガスＬ３の流量を制御する。
　検出部１０４は、排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８より下流側、かつ、排燃料ガス再循環ライン１１２と連結している位置よりも上流側に配置されている。検出部１０４は、設置されている位置の排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスのカロリーを検出する検出装置である。なお、検出部１０４は、設置されている位置の排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３の状態を検出できる検出装置であればよく、例えば、排燃料ガスＬ３の温度を検出する温度検出装置を用いることもできる。ここで、排燃料ガスＬ３の状態とは、排燃料ガス供給ライン４５を流れている間に排燃料ガスＬ３にドレンが生じたかを判定することができる各種条件である。なお、検出部１０４は、排燃料ガス供給ライン４５のガスタービン１１側、つまり、排燃料ガス再循環ライン１１２と連結している位置に近い側に配置することが好ましい。これにより、排燃料ガス供給ライン４５を流れることで、排燃料ガスＬ３に生じる変化をより高い確率で検出することができる。
　開閉弁１０６は、排燃料ガス再循環ライン１１２と連結している位置よりも下流側、かつ、燃焼器２２よりも上流側に配置されている。開閉弁１０６は、開閉を切り換えることで排燃料ガスＬ３を燃焼器２２に供給するか否かを切り換えることができる。
　制御装置６２は、少なくとも開閉弁１０６の開閉を調整可能である。そのため、制御装置６２は、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３をガスタービン１１に供給するか否かを切り換えることができる。また、本実施形態の制御装置６２は、制御弁４６、４７、１１６の開閉及び開度を調整可能である。そのため、制御装置６２は、排燃料ライン４３を流れる排燃料ガスＬ３の流れ、つまり排燃料を供給する機器を切り換えることができる。
　以下、図２から図４を用いて、上述した本実施例の発電システム１０の駆動方法について説明する。図３は、本実施例の発電システムの駆動動作の一例を示すフローチャートである。図４は、本実施例の発電システムの排燃料の流れを制御する弁の動作のタイミングを表すタイムチャートである。図３に示す駆動動作は、制御装置（制御部）６２が各部の検出結果に基づいて、演算処理を実行することで実現することができる。また、発電システム１０は、図３に示す処理の実行中も、燃料ガス再循環ライン４９を用いた排燃料ガスの循環を並行して実行している。
　まず、制御装置６２は、排燃料ライン４３への排燃料ガスＬ３の供給を開始したら（ステップＳ１２）、排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する（ステップＳ１４）。具体的には、制御装置６２は、図４の時間ｔ１に示すように、制御弁４６を開とし、制御弁４７を閉とし、制御弁１１６を閉とし、開閉弁１０６を閉とする。これにより、排燃料ガスＬ３は、図２に示す矢印１３２の方向に排燃料ガスＬ３が流れ、排出ライン４４から排出される。
　制御装置６２は、排燃料ガスＬ３の状態が安定したかを判定する（ステップＳ１６）。つまり、制御装置６２は、排燃料ライン４３を流れる排燃料ガスＬ３の成分が安定しているかを判定する。制御装置６２は、例えば、排燃料ガスＬ３の組成分析を行い、その結果に基づいて判定を行う。
　制御装置６２は、排燃料ガスＬ３の状態が安定していないと判定した場合（ステップＳ１６でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１６に戻り、ステップＳ１６の判定を再び実行する。制御装置６２は、排燃料ライン４３を流れる排燃料ガスＬ３の状態が安定するまで、排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出しつつ、ステップＳ１６の処理を繰り返す。
　制御装置６２は、排燃料ガスＬ３の状態が安定している（ステップＳ１６でＹｅｓ）と判定した場合、排燃料ガスＬ３を排燃料ガス供給ライン４５に供給開始し（ステップＳ１８）、排燃料ガス再循環ライン１１２を用いた排燃料ガス供給ライン４５の排燃料ガスＬ３の再循環を開始する（ステップＳ２０）。具体的には、制御装置６２は、図４の時間ｔ２に示すように、制御弁４６の開度を小さくし、制御弁４７を閉から開とする。これにより、排燃料ライン４３を流れる排燃料ガスＬ３を、排燃料ガス供給ライン４５に供給することができる。さらに、制御装置６２は、制御弁１１６を閉から開とし、開閉弁１０６を閉のまま維持する。制御装置６２は、制御弁４７を開として、排燃料ガス供給ライン４５に排燃料ガスＬ３への供給を開始したら、ブロワ４８を駆動する。ブロワ４８は、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３を排燃料ガス再循環ライン１１２との連結部に向けて送る。また、開閉弁１０６を閉とし、制御弁１１６を開とすることで、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３は、排燃料ガス再循環ライン１１２との連結部に到達すると、排燃料ガス再循環ライン１１２に流れる。これにより、排燃料ガス供給ライン４５を流れた排燃料ガスＬ３は、図２に示す矢印１３４の方向に流れ、排燃料ガス再循環ライン１１２を流れ、燃料ガス再循環ライン４９に供給される。燃料ガス再循環ライン４９に供給された排燃料ガスＬ３は、他の排燃料及び燃料と混合され、再びＳＯＦＣ１３に供給される。制御装置６２は、排燃料ガスを、排燃料ガス供給ライン４５、排燃料ガス再循環ライン１１２、燃料ガス再循環ライン４９、ＳＯＦＣ１３の順で循環させることで、排燃料ガスＬ３で排燃料ガス供給ライン４５を加熱することができる。また、加熱に利用した排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ１３に投入することで、再度加熱することができる。
　制御装置６２は、排燃料ガスＬ３の再循環を開始したら、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了したかを判定する（ステップＳ２２）。制御装置６２は、検出部１０４の検出結果に基づいて、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了したかを判定する。制御装置６２は、検出部１０４が検出した排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３の状態に基づいて、加熱手段１０２による排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了したかを判定する。具体的には、検出部１０４は、排燃料ガスＬ３の状態として、排燃料ガスＬ３のカロリーや温度を計測することができる。制御装置６２は、排燃料ガスＬ３の状態に基づいて、排燃料ガス供給ライン４５に流れる排燃料ガスＬ３にドレンが発見されていないと判定した場合、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が終了したと判定する。制御装置６２は、検出部１０４で温度を検出する場合、温度が一定の値以上となったら加熱が完了したと判定する。制御装置６２は、検出部１０４で排燃料ガスＬ３のカロリーを検出する場合、カロリーが所定の範囲内となったら加熱が完了したと判定する。
　制御装置６２は、加熱が完了していないと判定した場合（ステップＳ２２でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ２２に戻り、ステップＳ２２の判定を再び実行する。制御装置６２は、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が終了するまで、つまり、検出部１０４で検出する排燃料ガスＬ３の状態が安定するまで、排燃料ガス再循環ライン１１２を用いた排燃料ガスＬ３の再循環を継続しつつ、ステップＳ２２の処理を繰り返す。これにより、制御装置６２は、排燃料ガス供給ライン４５から排燃料ガスＬ３をガスタービン１１に供給しない状態で、排燃料ガス供給ライン４５を加熱することができる。また、制御装置６２は、排燃料ガスＬ３の再循環を開始したら、排燃料ガスＬ３の状態（例えば検出部１０４で検出した排燃料ガスの温度）に基づいて、制御弁４６の開度を調整する。具体的には、排燃料ガス供給ライン４５に排燃料ガスＬ３が流入して排燃料ガス供給ライン４５の圧力が上昇したら、制御弁４６の開度を大きくする。これにより、排燃料ライン４３から供給される排燃料ガスＬ３のうち余剰な排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出することができる。
　制御装置６２は、加熱が完了した（ステップＳ２２でＹｅｓ）と判定した場合、排燃料ガス再循環ライン１１２を用いた排燃料ガスＬ３の再循環を停止し、ガスタービン１１への排燃料ガスＬ３の供給を開始する（ステップＳ２４）。具体的には、制御装置６２は、図４の時間ｔ３に示すように、制御弁４６を開から閉に切り換え、制御弁４７を開のまま維持し、制御弁１１６を開から閉とし、開閉弁１０６を閉から開とする。これにより、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３は、供給される先が排燃料ガス再循環ライン１１２から、開閉弁１０６の先の燃焼器２２に切り換えられ、図２の矢印１３６に示す方向に排燃料ガスＬ３が供給される。制御装置６２は、燃焼器２２への排燃料ガスＬ３の供給を開始したら、本処理を終了する。
　このように本実施例の発電システム１０は、加熱手段１０２を用いて、排燃料ガス供給ライン４５を加熱し、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了してから、ガスタービン１１への排燃料ガスＬ３の供給を開始する。これにより、運転開始時等の低温（常温）な状態の排燃料ガス供給ライン４５を流れ、温度が低下した排燃料ガスＬ３がガスタービン１１に供給されることを抑制することができる。
　ここで、排燃料ガスＬ３は、冷却されるとドレンが発生する。ドレンが発生した排燃料ガス供給ライン４５の下流側の排燃料ガスＬ３は、成分の構成が変化し、水分量が減ることで燃焼発熱量（カロリー）が高くなる。また、発電システム１０は、排燃料ガス供給ライン４５が排燃料ガスＬ３により加熱されるため、ドレンの発生量が徐々に変化する。また、その後、排燃料ガス供給ライン４５で発生したドレンが蒸発すると、蒸発したドレンが排燃料ガスＬ３に混入し、排燃料ガスＬ３のＨ２Ｏ分が多くなる。排燃料ガスＬ３は、Ｈ２Ｏ分が多くなると、燃焼発熱量（カロリー）が低くなる。これにより、排燃料ガス供給ライン４５の下流側の排燃料ガスＬ３は、燃料発熱量が徐々に変化する。このような排燃料ガスＬ３をガスタービン１１に供給すると、ガスタービン１１での燃焼の制御が複雑になる。また、そもそもドレンが発生した状態の排燃料ガスＬ３をガスタービン１１の燃焼器２２に供給することは好ましくない。これに対して、本実施例の発電システム１０は、上述したように、排燃料ガス供給ライン４５の加熱が完了してから、ガスタービン１１への排燃料ガスＬ３の供給を開始する。これにより、ガスタービン１１に供給する排燃料ガスＬ３の燃焼発熱量の変動を抑制することができる。供給する排燃料ガスＬ３の成分を安定させることができることで、ガスタービン１１の燃焼を安定させることができる。これにより、制御を簡単にすることができ、また、ガスタービン１１への悪影響も低減することができる。
　なお、本実施例の発電システム１０は、加熱手段１０２として、排燃料ガス再循環ライン１１２を設け、排燃料ガスＬ３を再循環させる構成としている。このように加熱源として排燃料ガスＬ３を用いることで、新たな加熱源を用いる必要がないため、装置構成を簡単にすることができる。また、発電システム１０は、排燃料ガス再循環ライン１１２を設け、排燃料ガスＬ３を再びＳＯＦＣ１３に戻すことで、排燃料ガスＬ３を再加熱し、排燃料ガス再循環ライン１１２の加熱を終了した後、ガスタービン１１に供給することができる。これにより、排燃料ガスＬ３を効率よく利用することができる。
　また、発電システム１０は、排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８よりも下流側に排燃料ガス再循環ライン１１２を連結させることで、排燃料ガス再循環ライン１１２に排燃料ガスＬ３を供給する駆動源として、ブロワ４８を用いることができる。これにより、１つのブロワ４８を有効に活用することができる。
　発電システム１０は、開閉弁１０６を排燃料ガス供給ライン４５のガスタービン１１（燃焼器２２）の近傍に配置することが好ましい。つまり、発電システム１０は、開閉弁１０６と燃焼器２２との距離を短くすることが好ましい。これにより、開閉弁１０６を開とし、ガスタービン１１への排燃料ガスＬ３の供給を開始した際に、ガスタービン１１へ供給する排燃料ガスＬ３で加熱する排燃料ガス供給ライン４５の範囲を短くすることができる。これにより、ガスタービン１１への排燃料ガスＬ３の供給を開始した際に、開閉弁１０６よりも下流側の範囲の排燃料ガス供給ライン４５の排燃料ガスＬ３にドレンが発生することを抑制することができる。
　また、本実施形態の発電システム１０は、排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８及び検出器１０４よりも上流側に制御弁４７を設けることで、排燃料ガス供給ライン４５のブロワ４８及び検出器１０４を配置している範囲に排燃料ガスＬ３を供給するか否かを切り換えることができる。また、図１では、制御弁４７の位置を排燃料ガス供給ライン４５の燃焼器２２側に配置した位置としているが配置位置は特に限定されず、排出ライン４４との連結部よりも下流側、かつ、排燃料ガス再循環ライン１１２との連結部よりも上流側であればよい。なお、発電システム１０は、必ずしも制御弁４７を設ける必要はない。
　なお、発電システム１０は、加熱手段として他の加熱方法を用いてもよい。例えば、排燃料ガス再循環ライン１１２を他の機器から排出される蒸気、例えば排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気を用いて加熱してもよいし、排燃料ガス再循環ライン１１２に電熱線等を巻きつけ、当該電熱線に電気を流して発熱させることで排燃料ガス再循環ライン１１２を加熱してもよい。
　開閉弁１０６は、少なくとも開閉を切り換えることができればよいが、開度を調整する制御弁でもよい。また、制御弁４７は、少なくとも開閉を切り換えることができればよく、制御弁でもよい。同様に、なお、排燃料ガス供給ライン４５に設けた制御弁４７と、開閉弁１０６とは、少なくとも一方を開度（流路抵抗）が調整できる制御弁とすることが好ましい。これにより、燃焼器２２に供給する排燃料ガスＬ３の量を調整することができる。
　１０　発電システム
　１１　ガスタービン
　１２　発電機
　１３　固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
　１４　蒸気タービン
　１５　発電機
　２１　圧縮機
　２２　燃焼器
　２３　タービン
　２６　第１圧縮空気供給ライン
　２７　第１燃料ガス供給ライン
　３１　第２圧縮空気供給ライン
　３２　制御弁（第１開閉弁）
　３３、４８　ブロワ
　３４　排空気ライン
　３６　圧縮空気循環ライン
　４１　第２燃料ガス供給ライン
　４２　制御弁
　４３　排燃料ライン
　４５　排燃料ガス供給ライン
　４７　制御弁
　４９　燃料ガス再循環ライン
　６２　制御装置（制御部）
　１０２　加熱手段
　１０４　検出部
　１０６　開閉弁
　１１２　排燃料ガス再循環ライン
　１１６　制御弁

Claims (5)

  1. 　圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
    　空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
    　前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、
    　前記排燃料ガス供給ラインに設けられ、少なくとも開閉を切り換える開閉制御弁と、
    　前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインを加熱する加熱手段と、
    　前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガスの状態を検出する検出部と、
    　前記検出部で検出した結果に基づいて、前記加熱手段による前記排燃料ガス供給ラインの加熱を制御し、前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定した場合、前記開閉制御弁を開とする制御部と、を有することを特徴とする発電システム。
  2. 　前記検出部は、前記排燃料ガスのカロリーを検出する熱量計であり、
    　前記制御部は、前記検出部で検出した前記カロリーが所定の範囲内であることを検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  3. 　前記検出部は、前記排燃料ガスの温度を検出する温度計であり、
    　前記制御部は、前記検出部で検出した前記温度が所定値以上であることを検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインの加熱が完了したと判定することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  4. 　前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
    　前記排燃料ガス供給ラインの前記開閉制御弁よりも上流側に一方の端部が連結され、前記燃料ガス供給ラインに他方の端部が連結され、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスの一部を前記燃料ガス供給ラインに供給する燃料ガス再循環ラインと、を有し、
    　前記加熱手段は、前記排燃料ガス供給ラインの前記燃料ガス再循環ラインとの連結位置より下流側かつ前記開閉制御弁よりも上流側に一方の端部が連結され、前記燃料ガス再循環ラインに他方の端部が接続された排燃料ガス再循環ラインを備え、前記排燃料ガス再循環ラインで前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスを前記燃料ガス再循環ラインに供給し、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスを循環させ、前記排燃料ガスの熱で前記排燃料ガス供給ラインを加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発電システム。
  5. 　圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、前記排燃料ガス供給ラインに設けられ、少なくとも開閉を切り換える開閉制御弁と、を有する発電システムの運転方法であって、
    　前記開閉制御弁よりも上流側の範囲の前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガスの状態を検出する工程と、
    　前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを加熱する工程と、
    　前記検出部で検出した結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる前記排燃料ガスの状態が安定したと判定した場合、前記開閉制御弁を開とする工程と、を有することを特徴とする発電システムの運転方法。
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