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

Abstract

【課題】 系統遮断時等におけるガスタービンの回転数上昇を抑制することができる複合発電システムおよび複合発電システムの制御方法を提供する。
【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

本発明は、特に、固体酸化物燃料電池発電およびマイクロガスタービン発電を用いるのに好適な複合発電システムおよび複合発電システムの制御方法に関する。

一般に、燃料電池発電と、ガスタービン発電とを組み合わせた複合発電システムが知られている。特に近年においては、燃料として都市ガスを用い、発電出力が小さな（例えば１００ｋＷ未満）マイクロガスタービン発電を組み合わせた複合発電システムが知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。
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。

このような複合発電システムの場合、燃料電池の燃料極から排出される燃料極排ガス中に燃焼されていない燃料ガス（未燃ガス）を利用するため、および、燃料極排ガスの有する熱エネルギを利用するため、燃料極排ガスをガスタービンまたはマイクロガスタービンの燃焼器に導入することで、発電効率の向上が図られている。
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。

また、上述のような複合発電システムを電力会社系統と連携運転させ、発電された電力を電力会社系統に供給する際の制御方法等が提案されている（例えば、特許文献３および４）。

このような複合発電システムにおいて、マイクロガスタービン等の負荷制御は、燃焼器に供給される燃料の量によって制御されている。つまり、負荷が高い場合には燃焼器に供給される燃料の量が増やされ、負荷が小さい場合には燃焼器に供給される燃料の量が減らされていた。
特開２０００−１２０４７号公報 特開２００４−１１１１２７号公報 特開平１１−２６２１７９号公報 特開２００２−８３６１９号公報

ところで、上述の複合発電システムでは系統遮断（トリップ）が行われると、燃料電池への燃料および空気の供給が遮断されるとともに、マイクロガスタービンの燃焼器への燃料および空気の供給が遮断されていた。

しかしながら燃焼器に供給される燃料および空気が、燃料電池の燃料極および空気極から排出されたものである場合、系統遮断と同時に、燃焼器への燃料および空気の供給を停止できなかった。
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。

特に、燃焼器には大量の空気が供給され、この空気の流量を制御するために大型のバルブが用いられていた。大型のバルブは開閉に時間がかかるため、系統遮断と同時に、燃焼器への空気の流入を遮断することは困難であった。

また、上述のように、燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料極からマイクロガスタービン等の燃焼器に未燃燃料を含む排ガスが供給されている場合には、排ガスの供給を短時間に遮断すると、燃料電池内における燃料ガスのリークが発生する恐れがあった。
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。

一方で、マイクロガスタービン等に回転駆動されている発電機は、系統遮断の指示と略同時に系統から切り離される。そのため、マイクロガスタービン等への負荷は、系統遮断の指示と略同時に低くなる。

すると、系統遮断の指示から数秒の間は、燃焼器に供給される燃料の量と、マイクロガスタービン等への負荷とのバランスが崩れた状態となり、マイクロガスタービン等の回転数を適切な範囲内に制御できないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、系統遮断時等におけるガスタービンの回転数上昇を抑制することができる複合発電システムおよび複合発電システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
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。

本発明によれば、例えばタービン発電機の負荷が減少して、ガスタービンの回転数が上昇した場合に、タービン発電機が発電した電力は電力消費部に消費される。すると、タービン発電機の負荷の減少が低減され、ガスタービンにかかる負荷の減少が低減される。そのため、ガスタービンの回転数上昇が抑制される。

上記発明においては、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が望ましい。

本発明によれば、タービン発電機が発電した電力の周波数は、ガスタービンの回転数に応じて変化するため、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により、ガスタービンの回転数を検出することができる。例えば、ガスタービンの回転軸の回転数を直接検出する方法と比較して、電気的にガスタービンの回転数を検出することができる。

上記発明においては、前記検出部は、前記回転軸の回転数を検出することが望ましい。

本発明によれば、回転軸の回転数を直接検出することにより、ガスタービンの回転数を検出することができる。例えば、タービン発電機が発電した電力の周波数によりガスタービンの回転数を検出する方法と比較して、直接的にガスタービンの回転数を検出することができる。

上記発明においては、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が望ましい。

本発明によれば、タービン発電機と外部の系統とが切り離された際に、タービン発電機が発電した電力を消費することにより、ガスタービンの回転数が変化する前に、外部の系統との切り離しによるタービン発電機の負荷の減少を低減することができる。

本発明の複合発電システムの制御方法は、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、
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。

本発明によれば、例えばタービン発電機の負荷が減少して、ガスタービンの回転数が上昇した場合に、ガスタービンの回転数の上昇が検出され、タービン発電機が発電した電力は電力消費部に消費される。すると、タービン発電機の負荷の減少が低減され、ガスタービンにかかる負荷の減少が低減される。そのため、ガスタービンの回転数上昇が抑制される。

本発明の複合発電システムおよび複合発電システムの制御方法によれば、ガスタービンの回転数が上昇した場合に、タービン発電機が発電した電力を電力消費部に消費させることにより、ガスタービンにかかる負荷の減少が低減し、ガスタービンの回転数上昇を抑制することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
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。

ＳＯＦＣ発電部２には、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）４と、ＳＯＦＣインバータ部５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。

ＳＯＦＣ４の空気極６には、コンプレッサ３４により圧縮された空気を供給する圧縮空気配管８が接続されている。圧縮空気配管８には、圧縮空気の供給を制御するＳＯＦＣ空気供給弁９が設けられている。一方、空気極６には、空気極６から排出された空気を燃焼器３５に導く排出空気配管１０が接続されている。

圧縮空気配管８と排出空気配管１０との間には、圧縮空気配管８内の圧縮空気の一部を排出空気配管１０に導く空気バイパス配管１１が接続されている。空気バイパス配管１１には、内部を流れる空気の流量を制御する空気バイパス弁１２が設けられている。空気バイパス弁１２には、ＳＯＦＣ４の温度を検出する温度センサ１３の出力が入力されている。このような構成とすることで、空気極６に流入する圧縮空気の流量を制御して、ＳＯＦＣ４の温度を制御することができる。
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。

ＳＯＦＣ４の燃料極７には、燃料ガスである都市ガスを供給する燃料配管１５が接続されている。燃料配管１５には、燃料極７への燃料ガスの供給を制御するＳＯＦＣ燃料供給弁１６が設けられ、燃料極７とＳＯＦＣ燃料供給弁１６との間には、パージガスを供給するパージ流路１７が接続されている。

一方、燃料極７には、燃料極７から排出された燃料ガスを燃焼器３５に導く排出燃料配管１８が接続されている。排出燃料配管１８には、内部を流れる排出燃料ガスの流量を制御する差圧制御弁１９が設けられている。差圧制御弁１９には、ＳＯＦＣ４内における燃料ガスと圧縮空気との差圧を検出するＳＯＦＣ差圧センサ２０の出力が入力されている。このような構成とすることで、ＳＯＦＣ４内における燃料ガスと圧縮空気との差圧が、所定の範囲内に収まるように燃料極７内の燃料ガス圧力を制御することができる。ここで、所定の範囲内とは、例えば、０．９８０７ｋＰａ（１００ｍｍＡｑ）以内の範囲を挙げることができる。

排出燃料配管１８における差圧制御弁１９の下流側には、再循環ブロア２１および排出燃料配管１８と燃料配管１５とを繋ぐ燃料バイパス配管２２が接続されている。このような構成とすることで、燃料極７から排出された排出燃料ガスの一部を再び燃料極７に導くことができる。燃料極７から排出された排出燃料ガスには、未反応の燃料ガスが含まれているため、このように再循環させることにより、燃料ガスの利用率を上げることができる。

排出燃料配管１８における燃料バイパス配管２２の接続部の下流側には、マイクロガスタービン３０に供給される排出燃料ガスの圧力を制御するガスタービン圧力センサ２３および燃料圧力制御弁２４が設けられている。このような構成とすることで、ＳＯＦＣ４とは独立してマイクロガスタービン３０に供給される排出燃料ガスの圧力を制御することができる。

排出燃料配管１８における燃料圧力制御弁２４の下流側には、ベントライン２５が接続され、ベントライン２５にはベントライン用遮断弁２６が設けられている。排出燃料配管１８におけるベントライン２５との接続部の下流側には、燃焼器３５への排出燃料ガスの流入を制御する排出燃料用遮断弁２７が設けられている。

マイクロガスタービン発電部３には、マイクロガスタービン（ガスタービン）３０と、再生熱交換器３１と、タービン発電機３２と、タービンインバータ部（電力消費部）３３と、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は、回転軸３７を介してタービン３６により回転駆動されることにより、空気を圧縮するものである。
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は、ＳＯＦＣ４から供給される排出空気および排出燃料ガス、さらに、燃料配管１５から供給される燃料ガスを内部で燃焼させるものである。燃焼器３５で生成された高温の燃焼ガスはタービン３６に導かれている。
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は燃焼器３５から供給された燃焼ガスにより回転駆動されるものであり、回転軸３７を介してコンプレッサ３４およびタービン発電機３２を回転駆動するものである。
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。

図２は、図１のタービン発電機およびタービンインバータ部を説明する模式図である。
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。

タービンインバータ部３３は、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。

図３は、図２のタービンインバータ部の構成を説明する模式図である。
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は、マイクロガスタービン３０の起動時にタービン発電機３２に電力を供給するとともに、トリップ時にタービン発電機３２が発電した電力を吸収するものである。起動インバータ４１は、タービン発電機３２および系統連携インバータと電気的に接続されているとともに、上位コントローラ４３との間で信号の伝達が可能に接続されている。
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。

起動インバータ回路部４４は、タービン発電機３２に供給する電力の周波数を制御するものである。周波数数検出部４５は、タービン発電機３２が発電した電力の周波数を検出することにより、マイクロガスタービン３０の回転数を検出するものである。回生抵抗器４６は、タービン発電機３２が発電した電力を熱に変換し、消費するものである。起動インバータコントローラ４７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。

系統連携インバータ４２は、タービン発電機３２が発電した電力の周波数を外部系統４８の周波数に変換するとともに、トリップ時にタービン発電機３２と外部系統４８とを遮断するものである。系統連携インバータ４２は、起動インバータ４１および外部系統４８と電気的に接続されているとともに、上位コントローラ４３との間で信号の伝達が可能に接続されている。
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。

系統連携インバータ回路部４９は、タービン発電機３２が発電した電力の周波数を、外部系統４８の周波数に変換するものである。系統連携コントローラ５０は、系統連携インバータ回路部４９を制御して、外部系統４８に供給する電力の周波数を制御するとともに、外部系統４８との接続遮断を制御するものである。

上位コントローラ４３は、起動インバータ４１や、系統連携インバータ４２や、各種制御弁等を制御するものである。
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。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣ複合発電システム１における発電の概略について説明する。
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。

燃料ガスおよび圧縮空気が供給されたＳＯＦＣ４では発電が行われ、発電された電力はＳＯＦＣインバータ部５を介して外部系統４８に供給される。ＳＯＦＣインバータ部５は、発電された電力を外部系統４８に供給できるように変換するものである。

ＳＯＦＣ４の温度は、空気極６に供給される圧縮空気の流量、つまり、空気バイパス配管１１を流れる圧縮空気の流量により制御される。
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。

一方、ＳＯＦＣ４内における燃料ガスと圧縮空気との間の差圧は、差圧制御弁１９により制御される。
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。

差圧制御弁１９を通過した排出燃料ガスは、再循環ブロア２１により燃料バイパス配管２２側に送出される。再循環ブロア２１により送出された排出燃料ガスの一部は、燃料バイパス配管２２および燃料配管１５を介して、再び燃料極７に導かれる。

残りの排出燃料ガスは、燃料圧力制御弁２４により圧力が調整された後にマイクロガスタービン３０の燃焼器３５に導かれる。燃焼器３５に導かれる排出燃料ガスの温度は、約５００℃程度である。
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。

なお、図１において、白抜きで示された弁等は開かれた弁等を示し、黒塗りで示された弁等は閉じられた弁等を示している。つまり、ベントライン用遮断弁２６は閉じられ、排出燃料用遮断弁２７および排出空気用遮断弁１４は開かれている。

一方、空気極６から排出された排出空気は、空気バイパス配管１１を通過した圧縮空気と合流した後に燃焼器３５に導かれている。燃焼器３５に導かれる排出空気の温度は、約６００℃程度である。

マイクロガスタービン発電部３では、タービン発電機３２がマイクロガスタービン３０により回転駆動され発電を行っている。

マイクロガスタービン３０は、コンプレッサ３４が回転軸３７を介してタービン３６に回転駆動され、外部の空気を圧縮する。圧縮された空気は圧縮空気配管８に流入し、再生熱交換器３１において排ガスと熱交換することにより加熱される。
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。

一方、燃焼器３５には、ＳＯＦＣ４から流出した排出空気および排出燃料ガスが供給されるとともに、ガスタービン用燃料配管１５Ｇから燃料ガスが供給される。燃料ガスはガスタービン用遮断弁３９により流量が制御される。
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。

燃焼ガスはタービン３６に導かれ、タービン３６を回転駆動させ、タービン３６から排ガス流路４０に流入する。タービン３６の回転は回転軸３７を介してコンプレッサ３４およびタービン発電機３２に伝達される。タービン３６に導かれる燃焼ガスの温度は、約９００℃程度である。
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。

図４は、図２のタービン発電機により発電された電力の周波数を説明する模式図である。
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。

図５は、直流に変換された図２のタービン発電機により発電された電力を説明する模式図である。図６は、図２の系統連携インバータから出力される電力の周波数を説明する模式図である。
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。

次に、ＳＯＦＣ複合発電システムが外部系統と系統遮断された場合（トリップされた場合）について説明する。
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。

ＳＯＦＣ燃料供給弁１６が閉じられた燃料配管１５には、パージ流路１７からパージガスが供給される。
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。

一方、ＳＯＦＣ空気供給弁９および排出空気用遮断弁１４が閉じられているため、空気極６への空気の流入および流出は遮断される。
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。

また、排出燃料用遮断弁２７およびガスタービン用遮断弁３９が閉じられているため、マイクロガスタービン３０の燃焼器３５への排出燃料ガスおよび燃料ガスの供給は停止される。すると、燃焼器３５内の燃焼が止まり、燃焼ガスの生成が停止され、タービン３６への燃焼ガスの供給も停止される。
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。

次に、本実施形態の特徴であるマイクロガスタービンの過回転防止制御について説明する。
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。

上位コントローラ４３は、図２および図７に示すように、ＳＯＦＣ複合発電システム１が系統遮断されると非常停止状態となり、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に対して弁を閉じる制御信号を出力する。一方、ベントライン用遮断弁２６に対しては弁を開く制御信号を出力する。
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。

上位コントローラ４３が上述のように非常停止状態になることがトリガとなり、起動インバータ４１の起動インバータコントローラ４７は、周波数数検出部４５の出力の監視を開始する（検出ステップ）。
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。

排出空気用遮断弁１４は、排出燃料用遮断弁２７およびガスタービン用遮断弁３９と比較して制御する流体流量が大きく、制御信号が入力されてから完全に閉じられるまでに時間を要する。例えば、制御信号が入力されてから排出空気用遮断弁１４が閉じられるまでに約２秒程度の時間を要する。
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。

そのため、燃焼器３５への排出燃料ガスおよび燃料ガスの供給が止められた後も、数秒の間は燃焼器３５に高温の排出空気が供給されつづける。つまり、上述のように排出空気用遮断弁１４を閉じるのに時間がかかることと、排出空気の流量が、排出燃料ガスおよび燃料ガスの流量よりも大きいことから、排出燃料ガス等の供給が止められた後も、しばらくの間、高温の排出空気が燃焼器３５に供給される。

燃焼器３５に供給された高温の排出空気は、燃焼器３５を通過してタービン３６に流入する。タービン３６は高温の排出空気により回転駆動され、回転軸３７に回転駆動力が伝達される。この排出空気による回転駆動力の発生は、タービン３６に排出空気が供給されている間は継続される。つまり、上位コントローラ４３から制御信号が出力されてから数秒の間、マイクロガスタービン３０の回転駆動は継続される。

ここで、燃焼器３５からタービン３６に供給される燃焼ガスの温度が約９００℃であって、燃焼器３５に供給される排出空気の温度が約６００℃である。そのため、排出空気が供給されたタービン３６は、燃焼ガスが供給されたときに近い回転駆動力を発生する。

一方、タービン発電機３２は、系統連携インバータ４２において系統遮断されるため、回転軸３７に対する負荷が低減される。
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。

このように、マイクロガスタービン３０の回転駆動が継続されている間に、回転軸３７に対する負荷が軽減されると、マイクロガスタービン３０の回転数は上昇する。回転軸３７の回転数が上昇すると、タービン発電機３２により発電される電力の周波数は、回転軸３７の回転数に比例して上昇する。

周波数数検出部４５は、この発電された電力の周波数を検出し、検出結果を起動インバータコントローラ４７に出力する。
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。

具体的には、タービン発電機３２が発電した電力を一定の周期で断続的に回生抵抗器４６に供給し、電力を熱に変換して消費する（消費ステップ）。
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。

タービン３６への排出空気の供給量が減少すると、タービン３６で発生する回転駆動力が低下し、回転軸３７の回転数も低下する。回転軸３７の回転数が低下すると、タービン発電機３２で発電される電力の周波数も低下し、周波数の低下は周波数数検出部４５に検出される。

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。
具体的には、回生抵抗器４６への電力の供給を停止する。

このような制御を行うことにより、以後に述べる第２の実施形態における制御と比較して、次ぎに述べる点で有利となる。
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。

上記の構成によれば、系統遮断によりタービン発電機３２の負荷が減少して、マイクロガスタービン３０の回転数が上昇した場合に、タービン発電機３２が発電した電力は電力消費部に消費される。すると、タービン発電機３２の負荷の減少が低減され、マイクロガスタービン３０にかかる負荷の減少が低減される。そのため、マイクロガスタービン３０の回転数上昇を抑制することができる。

タービン発電機３２が発電した電力の周波数は、マイクロガスタービン３０の回転数に応じて変化するため、タービン発電機３２が発電した電力の周波数を検出することにより、マイクロガスタービン３０の回転数を検出することができる。これにより、マイクロガスタービン３０の回転軸３７の回転数を直接検出する方法と比較して、電気的にマイクロガスタービン３０の回転数を検出することができ、マイクロガスタービン３０の回転数の上昇抑制する制御が容易となる。

〔第２の実施形態〕
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。

図３は、図２のタービンインバータ部の構成を説明する模式図である。
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１４１は、マイクロガスタービン３０の起動時にタービン発電機３２に電力を供給するとともに、トリップ時にタービン発電機３２が発電した電力を吸収するものである。起動インバータ１４１は、タービン発電機３２および系統連携インバータと電気的に接続されているとともに、上位コントローラ１４３との間で信号の伝達が可能に接続されている。

起動インバータ１４１には、起動インバータ回路部４４と、周波数数検出部４５と、回生抵抗器４６と、起動インバータコントローラ１４７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。

上位コントローラ１４３には、マイクロガスタービン３０の回転軸３７の回転数を検出する回転数検出部（検出部）１４５が設けられている。上位コントローラ１４３は、起動インバータ１４１や、系統連携インバータ４２や、各種制御弁等を制御するとともに、回転数検出部１４５の検出結果に基づいて回生抵抗器４６への電力の供給を制御するものである。

次に、本実施形態の特徴であるマイクロガスタービンの過回転防止制御について説明する。
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。

マイクロガスタービン３０の過回転防止制御は、以下のいずれかの条件が満たされると制御が開始される（検出ステップ）。
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。

なお、この条件を満たしたことにより過回転防止制御が開始された場合には、予め定めた所定期間の間は過回転防止制御を継続することとする。そのため、所定期間中に、後述する過回転防止制御を終了する条件が満たされても、過回転防止制御は継続され、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。

上位コントローラ１４３が、マイクロガスタービン３０の過回転を検出した場合に、過回転防止制御が開始される（検出ステップ）。
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。

第１の実施形態と同様に、起動インバータ１４１が、マイクロガスタービン３０の過回転を検出した場合に、過回転防止制御が開始される（検出ステップ）。
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。

過回転防止制御が開始されると、第１の実施形態と同様に、タービン発電機３２が発電した電力は一定の周期で断続的に回生抵抗器４６に供給され、電力は熱に変換され消費される（消費ステップ）。

その後、以下のいずれかの条件が満たされると、マイクロガスタービン３０の過回転防止制御が終了される。
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。

上記の構成によれば、タービン発電機３２と外部系統４８とが切り離された際に、タービン発電機３２が発電した電力を回生抵抗器４６で消費することにより、マイクロガスタービン３０の回転数が変化する前に、外部系統４８との切り離しによるタービン発電機３２の負荷の減少を低減することができ、マイクロガスタービン３０の回転数上昇を抑制することができる。

回転軸３７の回転数を直接検出することにより、マイクロガスタービン３０の回転数を検出することができる。これにより、タービン発電機３２が発電した電力の周波数によりマイクロガスタービン３０の回転数を検出する方法と比較して、直接的にマイクロガスタービン３０の回転数を検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システムの概略を説明する模式図である。 図１のタービン発電機およびタービンインバータ部を説明する模式図である。 図２のタービンインバータ部の構成を説明する模式図である。 図２のタービン発電機により発電された電力の周波数を説明する模式図である。 直流に変換された図２のタービン発電機により発電された電力を説明する模式図である。 図２の系統連携インバータから出力される電力の周波数を説明する模式図である。 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。 本発明の第２の実施形態の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。 図２のタービンインバータ部の構成を説明する模式図である。

符号の説明

１，１０１ ＳＯＦＣ複合発電システム（複合発電システム）
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
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、
   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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