JP2008293849A - 複合発電システムおよび複合発電システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 空気極および燃料極を有する固体酸化物型燃料電池と、圧縮した空気を空気極に供給するコンプレッサと空気極から排出された排出空気と少なくとも燃料極から排出された排出燃料ガスとが供給され、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器と燃焼器から排出された燃焼ガスにより回転駆動されるタービンとコンプレッサおよびタービンを回転可能に支持する回転軸とが設けられたガスタービンと、回転軸により回転駆動されるタービン発電機と、ガスタービンの回転数を検出する検出部45と、検出部45の検出結果に基づいて、タービン発電機32が発電した電力を消費する電力消費部46と、が設けられたことを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
上述の複合発電システムの燃料電池として、例えば高効率な高温型燃料電池である固体酸化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、以下、SOFCと表記する。)を用いたSOFC複合発電システムが知られている。
さらに、燃料電池の空気極から排出される空気極排ガスの有する熱エネルギを利用するため、空気極排ガスをマイクロガスタービン等の燃焼器に導入して、発電効率の向上が図られている。
つまり、燃焼器に流入する燃料の流量を調節するバルブや、空気の流量を調節するバルブを閉じても、両バルブと燃焼器との間の配管容積に相当する量の燃料ガスや空気が燃料器に流入していた。そのため、マイクロガスタービン等のタービンへの入熱が系統遮断後も所定の期間継続されていた。
このような燃料ガスのリークを防止するため、燃焼器への燃料電池排ガスの供給遮断はゆっくりと行う必要があり、燃焼器へ燃料の供給停止を指示してから所定の期間は、燃料が燃焼器に供給されるという問題があった。
本発明の複合発電システムは、空気極に空気が供給されるとともに燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う固体酸化物型燃料電池と、圧縮した空気を前記空気極に供給するコンプレッサと、前記空気極から排出された排出空気と少なくとも前記燃料極から排出された排出燃料ガスとが供給され、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、前記コンプレッサおよび前記タービンを回転可能に支持する回転軸と、が設けられたガスタービンと、該回転軸により回転駆動されるタービン発電機と、前記ガスタービンの回転数を検出する検出部と、該検出部の検出結果に基づいて、前記タービン発電機が発電した電力を消費する電力消費部と、が設けられたことを特徴とする。
が設けられた複合発電システムの制御方法であって、前記ガスタービンの回転数の上昇を検出する検出ステップと、回転数の上昇に基づいて、前記タービン発電機が発電した電力を消費する消費ステップと、が設けられたことを特徴とする。
以下、本発明の第1の実施形態に係るSOFC複合発電システムについて図1から図7を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係るSOFC複合発電システムの概略を説明する模式図である。
SOFC複合発電システム(複合発電システム)1には、図1に示すように、SOFC発電部2と、マイクロガスタービン発電部3と、が設けられている。
SOFC4は、空気と燃料ガスである都市ガスとが供給されることにより発電を行うものである。SOFC4には、圧縮空気が供給される空気極6と、燃料ガスが供給される燃料極7とが設けられている。
SOFCインバータ部5は空気極6および燃料極7と電気的に接続され、SOFC4により発電された電力を、外部の系統に供給するために変換するものである。具体的には、発電された電力の周波数等を外部系統の周波数等に変換するものである。
排出空気配管10における空気極6と空気バイパス配管11の接続部との間には、燃焼器35への排出空気の流入を制御する排出空気用遮断弁14が設けられている。
マイクロガスタービン30には、コンプレッサ34と、燃焼器35と、タービン36と、回転軸37と、が設けられている。
コンプレッサ34には、外部から空気が供給される供給流路38と、圧縮された空気をSOFC4の空気極6に導く圧縮空気配管8とが接続されている。圧縮空気配管8には、タービン36から流出した排ガスとの間で熱交換を行う再生熱交換器31が設けられている。このようにすることで、圧縮空気の温度をさらに上昇させることができ、SOFC複合発電システム1の発電効率の向上を図ることができる。
燃焼器35には、上述の排出空気配管10および排出燃料配管18と、ガスタービン用燃料配管15Gとが接続されている。
ガスタービン用燃料配管15Gは、燃料配管15と燃焼器35との間を繋ぐ配管であり、ガスタービン用燃料配管15Gには、燃焼器35に流入する燃料ガスの流量を制御するガスタービン用遮断弁39が設けられている。
タービン36には、タービン36から排出された排ガスを外部に導く排ガス流路40が設けられ、排ガス流路40には、上述の再生熱交換器31が設けられている。
タービン発電機32は、図1および図2に示すように、マイクロガスタービン30の回転軸37により回転駆動され、発電を行うものである。
タービン発電機32は、タービンインバータ部33の起動インバータ41と電気的に接続されている。
さらに、タービン発電機32と外部系統との系統遮断(トリップ)が行われたときに、タービン発電機32が発電した電力を吸収するものでもある。
タービンインバータ部33には、起動インバータ41と、系統連携インバータ42と、上位コントローラ43とが設けられている。
起動インバータ41には、起動インバータ回路部44と、周波数数検出部(検出部)45と、回生抵抗器(電力消費部)46と、起動インバータコントローラ47と、が設けられている。
系統連携インバータ42には、系統連携インバータ回路部49と、系統連携コントローラ50と、が設けられている。
具体的には、SOFC複合発電システム1がトリップしたとき(外部系統48と系統遮断されたとき)に、系統連携インバータ42の系統連携コントローラ50に対して系統遮断を行う信号を出力し、起動インバータ41の起動インバータコントローラ47に対して電力消費を行う信号を出力している。同時に、排出空気用遮断弁14や、排出燃料用遮断弁27や、ガスタービン用遮断弁39を閉じる制御信号を出力している。
SOFC複合発電システム1における通常運転時には、図1に示すように、SOFC燃料供給弁16が開かれ、燃料配管15からSOFC4の燃料極7に燃料ガスが供給される。一方、SOFC空気供給弁9が開かれ、マイクロガスタービン30のコンプレッサ34により圧縮された圧縮空気が、圧縮空気配管8を介してSOFC4の空気極6に供給される。
具体的には、温度センサ13の出力に基づいて開度が制御される空気バイパス弁12により空気バイパス配管11を流れる圧縮空気の流量が制御される。空気バイパス配管11を流れる圧縮空気の流量が増えると、空気極6に供給される圧縮空気の流量が減少し、空気バイパス配管11を流れる圧縮空気の流量が減ると、空気極6に供給される圧縮空気の流量が増加する。
具体的には、SOFC差圧センサ20の出力に基づいて差圧制御弁19の開度が制御され、燃料極7における燃料ガスの圧力が制御される。差圧制御弁19の開度が小さくなると、燃料極7から流出する排出燃料ガスの流量が減少し、燃料極7における燃料ガスの圧力が高くなる。一方、差圧制御弁19の開度が大きくなると、燃料極7から流出する排出燃料ガスの流量が増大し、燃料極7における燃料ガスの圧力が低くなる。
具体的には、燃料圧力制御弁24の上流側に配置されたガスタービン圧力センサ23の出力に基づいて燃料圧力制御弁24の開度が制御され、燃焼器35に導かれる排出燃料ガスの圧力が調節される。
その後、圧縮空気は、圧縮空気配管8を介してSOFC4の空気極6に供給される。
燃焼器35内では、燃料ガスおよび排出燃料ガスに含まれる未燃の燃料ガスが燃焼され、高温の燃焼ガスが形成される。
排ガス流路40を流れる排ガスは、再生熱交換器31において圧縮空気と熱交換することにより圧縮空気を加熱し、外部に放出される。
タービン発電機32は、図2に示すように、回転軸37により回転駆動され発電を行う。発電された電力は、起動インバータ41を介して系統連携インバータ42に入力される。
タービン発電機32により発電された電力の周波数は、図4に示すように、マイクロガスタービン30の回転数に依存している。つまり、マイクロガスタービン30の回転数が上がると電力の周波数が高くなり、回転数が下がると電力の周波数は低くなる。
系統連携インバータ42は、図3に示すような周波数が変動する電力を、一度、図5に示す直流電力に変換した後に、図6に示す所定の周波数(例えば60Hzや50Hz)の交流電力に変換して外部系統48に出力する。
図7は、図1のSOFC複合発電システムが系統遮断された状態を説明する模式図である。
SOFC複合発電システム1が系統遮断されると、図7に示すように、SOFC燃料供給弁16、SOFC空気供給弁9、排出燃料用遮断弁27、ガスタービン用遮断弁39および排出空気用遮断弁14は閉じられ、ベントライン用遮断弁26は開かれる。
これらの弁の開閉は、図2の上位コントローラ43から出力される制御信号に基づいて行われる。
パージガスは燃料配管15から燃料極7に導かれ、燃料ガスを燃料極7から追い出す。追い出された燃料ガスは、排出燃料用遮断弁27が閉じられているため、排出燃料配管18およびベントライン25を介して外部に放出される。
燃料ガスおよび空気の供給が遮断されるため、SOFC4における発電は停止される。
タービン36への燃焼ガスの供給が停止されると、タービン36および回転軸37の回転も停止する。
コンプレッサ34は回転軸37とともに回転が止まり、空気の圧縮が停止される。タービン発電機32も回転軸37の停止とともに発電を停止する。
マイクロガスタービン30の過回転防止制御は、例えば、SOFC複合発電システム1が系統遮断(トリップ)された場合に行われる。
また、系統連携インバータ42に、外部系統48と遮断する制御信号を出力する。
具体的には、マイクロガスタービン30の回転数が設計上の許容回転数、例えば1分当たり6万5千回転(65krpm)を超えたか否かを判定する。
一方、排出燃料用遮断弁27およびガスタービン用遮断弁39は、排出空気用遮断弁14よりも早く閉じられる。
系統連携インバータ42における系統遮断は、上位コントローラ43から制御信号が入力されると、即座に行われる。そのため、回転軸37に対する負荷も、上位コントローラ43から制御信号が出力されると、間を置かずに軽減される。
起動インバータコントローラ47は、入力された検出結果からマイクロガスタービン30の回転数が設計上の許容回転数を超えたと判断した場合には、過回転防止制御を開始する。
すると、回転軸37に対する負荷が増加し、マイクロガスタービン30の回転数上昇が抑制される。つまり、マイクロガスタービン30の過回転が防止される。
具体的には、回生抵抗器46への電力の供給を停止する。
まず、上位コントローラ43と、起動インバータコントローラ47との間での回転数制御の干渉を防止することができる。
上位コントローラ43における過回転検出待ちによる時間切れの発生を防止できる。
起動インバータにおける回転数の誤検知による誤作動を防止できる。
回生抵抗器46の保護機構を設ける必要がなく、エラーコードを簡素化できる。
次に、本発明の第2の実施形態に係るSOFC複合発電システムについて図8および図9を参照して説明する。
本実施形態のSOFC複合発電システムの基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、過回転防止制御の方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図8および図9を用いて過回転防止制御およびその構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図8は、本実施形態のSOFC複合発電システムにおけるタービンインバータ部の構成を説明する模式図である。
SOFC複合発電システム(複合発電システム)101のタービンインバータ部133は、図8に示すように、タービン発電機32が発電した電力の周波数を、外部系統の周波数に変換するとともに、マイクロガスタービン30の起動時にタービン発電機32に電力を供給し、コンプレッサ34を回転駆動させるものである。
さらに、タービン発電機32と外部系統との系統遮断(トリップ)が行われたときに、タービン発電機32が発電した電力を吸収するものでもある。
タービンインバータ部133には、起動インバータ141と、系統連携インバータ42と、上位コントローラ143とが設けられている。
起動インバータコントローラ147は、起動インバータ回路部44を制御してタービン発電機32に供給する電力の周波数を制御するとともに、回生抵抗器46への電力の供給を制御するものである。
なお、上記の構成からなるSOFC複合発電システム101における発電の概略、および、SOFC複合発電システムが外部系統と系統遮断された場合については、第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
まず、SOFC複合発電システム1が系統遮断(トリップ)されることにより、上位コントローラ143が非常停止状態になった場合に、過回転防止制御が開始される。
SOFC複合発電システム1が系統遮断されると、第1の実施形態において説明したように、その後にマイクロガスタービン30の回転数が上昇する。そのため、上位コントローラ143が非常停止状態になると同時に過回転防止制御を行うことで、マイクロガスタービン30の回転数上昇を効果的に抑制できる。
具体的には、上位コントローラ143は、回転数検出部145の検出結果に基づいて、マイクロガスタービン30の回転数が設計上の許容回転数、例えば1分当たり6万5千回転(65krpm)を超えたと判断した場合に、過回転防止制御が開始される。そのため、系統遮断がされていない場合、あるいは、何らかの事情で上位コントローラ143が非常停止状態にならない場合でも、マイクロガスタービン30の回転数上昇を抑制できる。
具体的には、起動インバータコントローラ147は、周波数検出部45の検出結果に基づいて、マイクロガスタービン30の回転数が設計上の許容回転数を超えたと判断した場合に、過回転防止制御が開始される。そのため、系統遮断がされていない場合、あるいは、何らかの事情で上位コントローラ143が非常停止状態にならない場合でも、マイクロガスタービン30の回転数上昇を抑制できる。
上位コントローラ143が、回転数検出部145の検出結果に基づいてマイクロガスタービン30の回転が、所定の回転数、例えば60krpmを下回ったと判断した場合には、過回転防止制御を終了する。
あるいは、起動インバータコントローラ147は、周波数検出部45の検出結果から、マイクロガスタービン30の回転数が所定の回転数、例えば60krpmを下回ったと判断した場合には、過回転防止制御を終了する。
4 SOFC(固体酸化物型燃料電池)
30 マイクロガスタービン(ガスタービン)
32 タービン発電機
33,133 タービンインバータ部(電力消費部)
34 コンプレッサ
35 燃焼器
36 タービン
37 回転軸
45 周波数数検出部(検出部)
46 回生抵抗器(電力消費部)
145 回転数検出部(検出部)
Claims (5)
- 空気極に空気が供給されるとともに燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
圧縮した空気を前記空気極に供給するコンプレッサと、前記空気極から排出された排出空気と少なくとも前記燃料極から排出された排出燃料ガスとが供給され、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、前記コンプレッサおよび前記タービンを回転可能に支持する回転軸と、が設けられたガスタービンと、
該回転軸により回転駆動されるタービン発電機と、
前記ガスタービンの回転数を検出する検出部と、
該検出部の検出結果に基づいて、前記タービン発電機が発電した電力を消費する電力消費部と、
が設けられたことを特徴とする複合発電システム。 - 前記検出部は、前記タービン発電機が発電した電力の周波数を検出することを特徴とする請求項1記載の複合発電システム。
- 前記検出部は、前記回転軸の回転数を検出することを特徴とする請求項1記載の複合発電システム。
- 前記タービン発電機と外部の系統とは、接続および切り離し可能とされ、
前記電力消費部は、前記タービン発電機と外部の系統とが切り離された際に、前記タービン発電機が発電した電力を消費することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の複合発電システム。 - 空気極に空気が供給されるとともに燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う固体酸化物型燃料電池と、
圧縮した空気を前記空気極に供給するコンプレッサと、前記空気極から排出された排出空気と少なくとも前記燃料極から排出された排出燃料ガスとが供給され、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、前記コンプレッサおよび前記タービンを回転可能に支持する回転軸と、が設けられたガスタービンと、
該回転軸により回転駆動されるタービン発電機と、
が設けられた複合発電システムの制御方法であって、
前記ガスタービンの回転数の上昇を検出する検出ステップと、
回転数の上昇に基づいて、前記タービン発電機が発電した電力を消費する消費ステップと、
が設けられたことを特徴とする複合発電システムの制御方法。
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