JP6382755B2 - Fuel cell combined power generation system and operation method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池複合発電システム、およびその運転方法に関する。 The present invention relates to a combined fuel cell power generation system and an operation method thereof.
ガスタービン発電システムは、一般的に、空気圧縮機と、燃焼器と、ガスタービンと、を備える。ガスタービン発電システムでは、外気が空気圧縮機にて圧縮され、この圧縮空気が燃焼器に供給される。燃焼器には、この圧縮空気とともに燃料ガスが供給され、この燃料ガスと圧縮空気との燃焼によって燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスでガスタービンは発電機を駆動する。 A gas turbine power generation system generally includes an air compressor, a combustor, and a gas turbine. In the gas turbine power generation system, outside air is compressed by an air compressor, and this compressed air is supplied to a combustor. Fuel gas is supplied to the combustor together with the compressed air, and combustion gas is generated by combustion of the fuel gas and the compressed air. And a gas turbine drives a generator with this combustion gas.
近年、ガスタービン発電システムを燃料電池とを組み合わせることでエネルギーの高効率化を図った燃料電池複合発電システムが提案されている（特許文献１参照）。燃料電池複合発電システムでは、外気が、ガスタービン発電システムの空気圧縮機で圧縮され、この圧縮空気が燃料電池に供給される。また、燃料ガスが燃料圧縮機で圧縮され、この圧縮燃料ガスも燃料電池に供給される。そして、圧縮空気と圧縮燃料ガスとの化学反応により燃料電池は発電する。この化学反応後には、高温高圧の空気と、未反応の可燃性成分を有する未燃燃料ガスとが燃料電池から排出され、これらはガスタービン発電システムの燃焼器に供給される。この燃焼器において未燃燃料ガスを燃焼させることでガスタービンを駆動させることが可能となる。 In recent years, there has been proposed a fuel cell combined power generation system that achieves high energy efficiency by combining a gas turbine power generation system with a fuel cell (see Patent Document 1). In the fuel cell combined power generation system, outside air is compressed by an air compressor of the gas turbine power generation system, and this compressed air is supplied to the fuel cell. Further, the fuel gas is compressed by the fuel compressor, and this compressed fuel gas is also supplied to the fuel cell. The fuel cell generates electric power by a chemical reaction between the compressed air and the compressed fuel gas. After this chemical reaction, high-temperature and high-pressure air and unburned fuel gas having unreacted combustible components are discharged from the fuel cell, and these are supplied to the combustor of the gas turbine power generation system. It is possible to drive the gas turbine by burning unburned fuel gas in this combustor.
上述した燃料電池複合発電システムによれば、燃料電池が高圧の空気で化学反応することでエネルギー効率の向上が見込まれる。また、燃料電池から排出された未燃燃料ガスがガスタービン発電システムの燃焼器で燃焼することで、ガスタービンの駆動が可能となる。 According to the fuel cell combined power generation system described above, the energy efficiency is expected to be improved by the chemical reaction of the fuel cell with high-pressure air. Further, the unburned fuel gas discharged from the fuel cell is burned in the combustor of the gas turbine power generation system, so that the gas turbine can be driven.
ガスタービン発電システムは、早期起動や急速な負荷変化を可能にする等の優れた運用特性を有する。このガスタービン発電システムを燃料電池と組み合わせた場合、燃料電池が、未燃燃料ガスをガスタービン発電システムの燃焼器に供給可能な状態になるとガスタービンの起動が完了する。しかし、燃料電池の化学反応には十分な時間が必要となる。その結果、ガスタービン発電システムの早期起動が困難になる。 The gas turbine power generation system has excellent operational characteristics such as enabling early start-up and rapid load change. When this gas turbine power generation system is combined with a fuel cell, the start of the gas turbine is completed when the fuel cell is ready to supply unburned fuel gas to the combustor of the gas turbine power generation system. However, a sufficient time is required for the chemical reaction of the fuel cell. As a result, early startup of the gas turbine power generation system becomes difficult.
また、燃料電池複合発電システムでは、未燃燃料ガスの熱量が低いので、ガスタービンの駆動に必要な熱量が不足することが考えられる。そこで、この熱量の不足を補うために、燃料電池と反応していない高カロリーの燃料ガスを未燃燃料ガスとともに燃焼器へ供給することが考えられる。この場合、低カロリーの未燃燃料ガスと高カロリーの燃料ガスは、ある混合比率に調整された混合ガスとして燃焼器へ供給される。 Further, in the combined fuel cell power generation system, the amount of heat of the unburned fuel gas is low, so that it is considered that the amount of heat necessary for driving the gas turbine is insufficient. Therefore, in order to compensate for this shortage of heat, it is conceivable to supply high-calorie fuel gas that has not reacted with the fuel cell to the combustor together with unburned fuel gas. In this case, the low-calorie unburned fuel gas and the high-calorie fuel gas are supplied to the combustor as a mixed gas adjusted to a certain mixing ratio.
上記のような燃料電池複合発電システムにおいて、電力需要の変化に対応して急速にガスタービンの負荷を変化させる場合、燃焼器への燃料の供給量を急変させる必要がある。しかし、燃料電池における負荷の変化は遅いので、燃料電池から燃焼器への未燃燃料ガスの供給量の変化は、ガスタービンの負荷変化に求められる燃料ガスの供給量の変化よりも遅れてしまう。そこで、この遅れを補うために、未燃燃料ガスと混合される高カロリーの燃料ガスの供給量を大幅に変化させることが求められる。しかし、この場合、未燃燃料ガスと燃料ガスとの混合比率が変化するので、混合ガスの発熱量や混合ガスの成分が大きく変化してしまう。近年、環境対応の観点から低ＮＯｘの燃焼器が開発されているが、このような燃焼器は、各燃料ガスの熱量の調整範囲が非常に狭い。そのため、混合ガスの発熱量や成分が大きく変化すると、失火を招くおそれがある。つまり、燃焼しにくい低カロリーの未燃燃料ガスを燃焼させるために、高カロリーの燃料ガスの供給量を増減した場合、混合ガスは、安定に燃焼できる範疇から逸脱する可能性が高くなる。その結果、ガスタービンの負荷を変化できる範囲が限定されてしまうので、ガスタービン発電システムの急速な負荷変化が困難になる。つまり、ガスタービン発電システムと燃料電池とを組み合わせることによって、ガスタービン発電システムの優れた運用特性が損なわれるおそれがある。 In the fuel cell combined power generation system as described above, when the load of the gas turbine is rapidly changed in response to a change in electric power demand, it is necessary to suddenly change the amount of fuel supplied to the combustor. However, since the load change in the fuel cell is slow, the change in the amount of unburned fuel gas supplied from the fuel cell to the combustor is delayed from the change in the fuel gas supply amount required for the load change of the gas turbine. . Therefore, in order to compensate for this delay, it is required to greatly change the supply amount of the high calorie fuel gas mixed with the unburned fuel gas. However, in this case, since the mixing ratio of the unburned fuel gas and the fuel gas changes, the calorific value of the mixed gas and the components of the mixed gas change greatly. In recent years, low NOx combustors have been developed from the viewpoint of environmental friendliness, but such combustors have a very narrow adjustment range of the amount of heat of each fuel gas. Therefore, if the calorific value or component of the mixed gas changes greatly, misfire may occur. That is, when the supply amount of the high-calorie fuel gas is increased or decreased in order to burn the low-calorie unburned fuel gas that is difficult to burn, the mixed gas is more likely to deviate from the category that can be stably burned. As a result, since the range in which the load of the gas turbine can be changed is limited, rapid load change of the gas turbine power generation system becomes difficult. In other words, combining the gas turbine power generation system and the fuel cell may impair the excellent operational characteristics of the gas turbine power generation system.
そこで、本発明の目的は、ガスタービン発電システムの優れた運用特性を損なうことなく高効率稼働することが可能な燃料電池複合発電システム、およびその運転方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a combined fuel cell power generation system capable of operating with high efficiency without impairing the excellent operational characteristics of the gas turbine power generation system, and an operation method thereof.
一実施形態によれば、燃料電池複合発電システムは、ガスタービン発電システムと、燃料電池発電システムと、を備える。ガスタービン発電システムは、圧縮空気を生成する空気圧縮機と、燃焼ガスを生成するための複数段の燃料ノズルを備える燃焼器と、燃焼器から供給された燃焼ガスで駆動するガスタービンとを備える。燃料電池発電システムは、空気圧縮機から供給された圧縮空気と、圧縮空気の圧力に対応して圧縮された圧縮燃料ガスとが化学反応することにより発電し、化学反応後の圧縮空気である排出圧縮空気と、化学反応後の圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスとが燃焼器へ供給される燃料電池を備える。この燃料電池複合発電システムでは、複数段の燃料ノズルにおける一段目の燃料ノズルに、燃料電池から排出される排出圧縮空気が供給されるとともに燃料電池に供給される前の圧縮燃料ガスが供給され、かつ、複数段の燃料ノズルにおける一段目の燃料ノズルよりも下流側に設置された二段目以降の燃料ノズルに未燃燃料ガスが燃料電池から供給される。 According to one embodiment, a combined fuel cell power generation system includes a gas turbine power generation system and a fuel cell power generation system. A gas turbine power generation system includes an air compressor that generates compressed air, a combustor that includes a plurality of fuel nozzles for generating combustion gas, and a gas turbine that is driven by the combustion gas supplied from the combustor. . The fuel cell power generation system generates electricity by a chemical reaction between the compressed air supplied from the air compressor and the compressed fuel gas compressed according to the pressure of the compressed air, and discharges the compressed air after the chemical reaction. A fuel cell is provided in which compressed air and unburned fuel gas, which is compressed fuel gas after chemical reaction, are supplied to a combustor. In this fuel cell combined power generation system, the compressed fuel gas before being supplied to the fuel cell as well as the exhaust compressed air discharged from the fuel cell is supplied to the first stage fuel nozzle of the plurality of stages of fuel nozzles, In addition, unburned fuel gas is supplied from the fuel cell to the second-stage and subsequent fuel nozzles disposed downstream of the first-stage fuel nozzles in the plurality of stages of fuel nozzles.
ガスタービン発電システムの優れた運用特性を損なうことなく高効率稼働することが可能な燃料電池複合発電システムを提供することができる。 It is possible to provide a combined fuel cell power generation system that can operate with high efficiency without impairing the excellent operational characteristics of the gas turbine power generation system.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a combined fuel cell power generation system according to the first embodiment.
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１は、ガスタービン発電システム１０と、燃料電池発電システム２０と、蒸気タービン発電システム３０と、燃料圧縮機４０と、再循環ブロワ４１と、を備える。
As shown in FIG. 1, a combined fuel cell
ガスタービン発電システム１０は、空気圧縮機１１と、燃焼器１２と、ガスタービン１３（Ｇ／Ｔ）と、発電機１４と、を備える。
The gas turbine
空気圧縮機１１は吸気ダクト５０に接続され、この吸気ダクト５０を介して供給された空気６０を圧縮する。この圧縮空気は燃料電池発電システム２０に供給される。
The
図２は、燃焼器１２の概略的な断面図である。図２に示すように、燃焼器１２は、第一段燃料ノズル１２ａと、第一段燃料ノズル１２ａよりも燃焼ガスの流れ方向の下流側に設置された第二段燃料ノズル１２ｂと、を備える。第一段燃料ノズル１２ａには、排出圧縮空気が燃料電池発電システム２０から供給されるとともに、圧縮燃料ガスが燃料圧縮機４０から供給される。一方、第二段燃料ノズル１２ｂには、未燃燃料ガスが燃料電池発電システム２０から供給される。燃焼器１２は、圧縮燃料ガスや未燃燃料ガスの燃焼により燃焼ガスを生成する。生成した燃焼ガスは、ガスタービン１３に供給される。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
再び図１に戻って、ガスタービン１３は、燃焼器１２から燃焼ガスの供給を受ける。この燃焼ガスによって、ガスタービン１３は回転駆動する。
Returning to FIG. 1 again, the
発電機１４は、ガスタービン１３に直結されている。発電機１４は、ガスタービン１３の回転駆動により生じた回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。
The
以上がガスタービン発電システム１０の説明である。次に、燃料電池発電システム２０について説明する。
The above is the description of the gas turbine
燃料電池発電システム２０は、空気側熱交換器２１と、燃料側熱交換器２２と、燃料電池２３と、インバータ２４と、を備える。
The fuel cell
空気側熱交換器２１は、配管５１および配管５２に接続されている。空気側熱交換器２１は、配管５１を流れる圧縮空気と配管５２を流れる排出圧縮空気との間で熱交換を行う。
The air
燃料側熱交換器２２は、配管５３および配管５４に接続されている。燃料側熱交換器２２は、配管５３を流れる圧縮燃料ガスと配管５４を流れる未燃燃料ガスとの間で熱交換を行う。配管５３には燃料ガス圧力調整器６２が取り付けられ、この燃料ガス圧力調整器６２によって燃料電池２３を流れる圧縮燃料ガスの圧力が調整される。
The fuel
燃料電池２３は、空気側熱交換器２１および燃料側熱交換器２２に接続されている。燃料電池２３は、空気圧縮機１１から空気側熱交換器２１を介して圧縮空気の供給を受けるとともに、燃料圧縮機４０から燃料側熱交換器２２を介して圧縮燃料ガスの供給を受ける。この圧縮空気に含まれている酸素と、この圧縮燃料ガスに含まれている水素が化学反応することによって、燃料電池２３は発電する。この発電に伴って直流電力が燃料電池２３からインバータ２４に供給される。
The
また、燃料電池２３は、上記化学反応後の圧縮空気を空気側熱交換器２１に供給するとともに、上記化学反応後の圧縮燃料ガスを燃料側熱交換器２２に供給する。この化学反応後の圧縮空気が排出圧縮空気である。また、この化学反応後の圧縮燃料ガスが未燃燃料ガスである。
The
排出圧縮空気は、空気側熱交換器２１で減温され、減温された排出圧縮空気は、配管５２を介して燃焼器１２に供給される。配管５２には、酸化剤ガス圧力調整器６３が取り付けられ、この酸化剤ガス圧力調整器６３によって配管５２を流れる排出圧縮空気の圧力が調整される。
The exhaust compressed air is reduced in temperature by the air-
未燃燃料ガスは燃料側熱交換器２２で減温され、減温された未燃燃料ガスは配管５４を介して再循環ブロワ４１に供給される。
The unburned fuel gas is reduced in temperature by the fuel
本実施形態では、燃料電池２３はＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）であるが、他の種類の燃料電池であってもよい。
In the present embodiment, the
インバータ２４は、燃料電池２３に接続されている。インバータ２４は、燃料電池２３から供給された直流電力を交流電力に変換する。
The
以上が燃料電池発電システム２０の説明である。次に、蒸気タービン発電システム３０について説明する。
The above is the description of the fuel cell
蒸気タービン発電システム３０は、排熱回収ボイラ３１と、蒸気タービン３２（Ｓ／Ｔ）と、発電機３３と、を備える。
The steam turbine
排熱回収ボイラ３１は、排気ダクト５５を介してガスタービン１３に接続され、この排気ダクト５５を介してガスタービン１３の回転駆動により生じた熱を回収する。その後、排熱回収ボイラ３１は、回収した熱で水を温めて水蒸気を発生させる。この水蒸気は、蒸気タービン３２に供給される。
The exhaust
蒸気タービン３２は、排熱回収ボイラ３１から供給された水蒸気で回転駆動する。発電機３３は、蒸気タービン３２に直結されており、蒸気タービン３２の回転駆動により生じた回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。
The
以上が蒸気タービン発電システム３０の説明である。次に、燃料圧縮機４０と再循環ブロワ４１についてそれぞれ説明する。
The above is the description of the steam turbine
燃料圧縮機４０は配管５６に接続され、この配管５６を介して燃料６１が燃料圧縮機４０に供給される。燃料圧縮機４０は、この燃料６１を空気圧縮機１１で圧縮された圧縮空気の圧力に対応する圧力で圧縮することによって圧縮燃料ガスを生成する。この圧縮燃料ガスは、燃料側熱交換器２２を介して燃料電池２３に供給されるとともに、配管５７を介して燃焼器１２に供給される。本実施形態では、燃料６１は天然ガスであり、ガス会社等の燃料供給設備から供給される。
The
再循環ブロワ４１は、配管５４を介して燃料側熱交換器２２に接続されている。再循環ブロワ４１は、燃料側熱交換器２２から供給された未燃燃料ガスを加圧する。加圧された未燃燃料ガスは、配管５８を介して燃焼器１２に供給されるとともに、この配管５８から分岐した配管５９および配管５３を介して燃料側熱交換器２２に供給される。
The
配管５８と配管５９との接続箇所よりも上流側には、未燃燃料ガス圧力調整器６４が取り付けられ、この未燃燃料ガス圧力調整器６４によって配管５８を流れる未燃燃料ガスの圧力が調整される。また、配管５８と配管５９との接続箇所よりも下流側には、未燃燃料ガス流量制御弁６５が取り付けられ、この未燃燃料ガス流量制御弁６５によって燃焼器１２に供給される未燃燃料ガスの流量が調整される。
An unburned fuel
次に、上述した燃料電池複合発電システム１の動作の一例について、再び図１、２を参照しながら説明する。
Next, an example of the operation of the above-described fuel cell combined
まず、空気圧縮機１１が空気６０を圧縮することによって、圧縮空気を生成する。圧縮空気は、空気側熱交換器２１によって加温されて燃料電池２３に供給される。本実施形態では、例えば、空気側熱交換器１２は圧縮空気を約９００℃に加温する。
First, the
空気圧縮機１１の動作に並行して燃料圧縮機４０が燃料６１を圧縮する。これにより、圧縮燃料ガスが生成される。この圧縮燃料ガスは、燃料側熱交換器２２によって加温されて燃料電池２３に供給されるとともに燃焼器１２へ供給される。本実施形態では、圧縮燃料ガスの圧力が圧縮空気の圧力とほぼ等しくなるように燃料圧縮機４０は燃料６１を圧縮する。本実施形態では、例えば、圧縮燃料ガスおよび圧縮燃料の各々の圧力は約２ＭＰａである。また、圧縮燃料ガスの温度が圧縮空気の温度とほぼ等しくなるように、燃料側熱交換器２２は燃料圧縮機４０で圧縮された圧縮燃料ガスを加温する。
In parallel with the operation of the
次に、燃料電池２３が、圧縮空気と圧縮燃料ガスとの化学反応により発電する。この化学反応後、未燃燃料ガスおよび排気圧縮空気が燃料電池２３から排出される。燃料電池２３から排出された未燃燃料ガスは、燃料側熱交換器２２によって減温され、再循環ブロワ４１で加圧され、燃焼器１２に供給される。一方、燃料電池２３から排出された排気圧縮空気は、空気側熱交換器２１で減温された後に燃焼器１２に供給される。本実施形態では、例えば、排気圧縮空気の温度は約６００℃である。これが本実施形態における発電ステップである。
Next, the
次に、図２に示すように、燃焼器１２に設けられた第一段燃料ノズル１２ａに、排出圧縮空気と圧縮燃料ガスとが供給される。これにより、圧縮燃料ガスが、燃焼器１２の内部における第一段燃焼域で燃焼する。これが本実施形態における第１の燃焼ステップである。
Next, as shown in FIG. 2, exhaust compressed air and compressed fuel gas are supplied to the first
次に、第一段燃料ノズル１２ａよりも下流側に設けられた第二段燃料ノズル１２ｂに未燃燃料ガスを供給する。これにより、未燃燃料ガスが、燃焼器１２の内部における第一段燃焼域よりも下流側の第二段燃焼域で燃焼する。これが本実施形態における第２の燃焼ステップである。この第２の燃焼ステップと上記の第１の燃焼ステップにより燃焼ガスが生成され、生成された燃焼ガスはガスタービン１３に供給される。
Next, unburned fuel gas is supplied to the second
次に、再び図１に戻って、ガスタービン１３は燃焼ガスと排気圧縮空気の供給により回転駆動する。これが本実施形態における駆動ステップである。この駆動ステップにより生じた熱は、排熱回収ボイラ３１に回収される。
Next, returning to FIG. 1 again, the
次に、排熱回収ボイラ３１が、回収した熱で水を温めることによって水蒸気を発生させる。そして、蒸気タービン３２が排熱回収ボイラ３１から供給された水蒸気で回転駆動する。
Next, the exhaust
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１によれば、燃焼器１２が第一段燃料ノズル１２ａと、この第一段燃料ノズル１２ａよりも下流側に設置された第二段燃料ノズル１２ｂとを備える。第一段燃料ノズル１２ａには燃料電池２３に供給される前の圧縮燃料ガスが供給され、第二段燃料ノズル１２ｂには未燃燃料ガスが供給される。これにより、圧縮燃料ガスおよび未燃燃料ガスをそれぞれ独立して燃焼器１２に供給できるので、燃料電池２３の化学反応を待つことなくガスタービン１３を駆動させることができる。よって、ガスタービン発電システム１０の早期起動が可能となる。
As described above, according to the fuel cell combined
また、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１によれば、燃焼器１２において、圧縮燃料ガスおよび未燃燃料ガスが混合ガスとして燃焼するのではなく各々の燃料ガスが独立して燃焼する。そのため、ガスタービン発電システム１０の急速な負荷変化に対応して高カロリーの圧縮燃料ガスの供給量を急速に変化させても、安定した燃焼器１２の稼働が継続される。よって、電力需要の変化に対応して急速にガスタービン発電システム１０の負荷を変化させることが可能となる。
Moreover, according to the fuel cell combined
このように本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１によれば、ガスタービン発電システム１０に燃料電池発電システム２０を組み合わせることによって高い発電効率を保持しつつ、ガスタービン発電システム１０本来の優れた運用特性も保持することが可能となる。
As described above, according to the fuel cell combined
さらに、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１によれば、高カロリーの圧縮燃料ガスの燃焼によって酸素濃度が低下した雰囲気中で低カロリーの未燃燃料ガスを燃焼させているので、ＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。
Further, according to the fuel cell combined
なお、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１では、２つの燃料ノズルが燃焼器１２に設けられた構成であったが、燃料ノズルの数は２つ以上であってもよい。つまり、燃焼器１２が複数段の燃料ノズルを備え、一段目の燃料ノズルに圧縮燃料ガスを供給し、二段目以降の燃料ノズルに未燃燃料ガスを供給する構成であってもよい。
In the fuel cell combined
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る燃料電池複合発電システムについて説明する。図３は、第２の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示す図である。上述した第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
A fuel cell combined power generation system according to a second embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a combined fuel cell power generation system according to the second embodiment. The same components as those of the fuel cell combined
図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム２は、第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１の構成に加えて、圧縮燃料ガス流量制御弁６６と、制御部７０と、をさらに備える。
As shown in FIG. 3, in addition to the configuration of the fuel cell combined
圧縮燃料ガス流量制御弁６６は、配管５７に取り付けられ、制御部７０の制御動作に従って配管５７を流れる圧縮燃料ガスの流量、すなわち燃料圧縮機４０から燃焼器１２へ供給される圧縮燃料ガスの流量を調整する。
The compressed fuel gas flow
制御部７０は、圧縮燃料ガス流量制御弁６６の制御動作と、未燃燃料ガス流量制御弁６５の制御動作と、を行う。
The
以下、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム２の動作のうち、ガスタービン発電システム１０が起動してから定格運転するまでの動作と、定格運転中のガスタービン発電システム１０の負荷を変化させる動作について説明する。なお、これらの動作以外の動作内容については、第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
Hereinafter, among the operations of the combined fuel cell
まず、ガスタービン発電システム１０が起動してから定格運転するまでの動作について説明する。
First, the operation from the start of the gas turbine
ガスタービン発電システム１０が起動するとき、制御部７０は、燃料電池２３から燃焼器１２への未燃燃料ガスの供給を停止するように未燃燃料ガス流量制御弁６５を制御する。つまり、制御部７０が未燃燃料ガス流量制御弁６５を閉状態に維持する。そのため、圧縮燃料ガスのみが、空気圧縮機１１で圧縮された圧縮空気とともに第一段燃料ノズル１２ａに供給される。これにより、ガスタービン発電システム１０の起動時に、高カロリーの圧縮燃料ガスをより安定して燃焼させることができるので、早期起動が可能となり、定格負荷までに要する時間を短縮することが可能となる。
When the gas turbine
その後、燃料電池２３の作動に伴って、制御部７０が未燃燃料ガスの供給停止状態を解除するように未燃燃料ガス流量制御弁６５を制御すると、未燃燃料ガス流量制御弁６５が開状態となって未燃燃料ガスが第二段燃料ノズル１２ｂに供給される。このとき、ガスタービン発電システム１０は、すでに圧縮燃料ガスの燃焼によって生成した燃焼ガスにて定格運転を継続している。その後、燃焼器１２への未燃燃料ガスの供給量が増加するのに伴って、制御部７０は未燃燃料ガスの供給量を減少させるように未燃燃料ガス流量制御弁６５を制御する。つまり、制御部７０が未燃燃料ガス流量制御弁６５の開度を調節する。これにより、ガスタービン発電システム１０の安定した定格運転が継続される。
Thereafter, when the
以上がガスタービン発電システム１０が起動してから定格運転するまでの動作説明である。次に、定格運転中のガスタービン発電システム１０の負荷を変化させる動作について説明する。
The above is the description of the operation from the start of the gas turbine
定格運転中のガスタービン発電システム１０の負荷を急速に減少させる場合、まず、制御部７０は、燃料圧縮機４０から燃焼器１２への圧縮燃料ガスの投入量を減少させるように圧縮燃料ガス流量制御弁６６を制御する。この制御部７０の制御動作によって、燃料電池複合発電システム２の発電量が電力要求量まで急速に減少する。その後、燃料電池発電システム２０の負荷も減少するので未燃燃料ガスの供給量が減少する。その結果、燃焼器１２の第二段燃焼域における未燃燃料ガスの燃焼量が減少する。そこで、制御部７０が圧縮燃料ガスの流量を増加させるように圧縮燃料ガス流量制御弁６６を制御する。つまり、制御部７０は、圧縮燃料ガス流量制御弁６６を開状態に維持する。この制御部７０の制御動作によって、燃焼器１２の第一段燃焼域における圧縮燃料ガスの燃焼量が増加し、燃料電池複合発電システム２の発電量が確保される。
When rapidly reducing the load of the gas turbine
なお、ガスタービン発電システム１０の負荷を急速に増加させる場合には、負荷を減少させる場合と同様に、まず、制御部７０が、燃料圧縮機４０から燃焼器１２への圧縮燃料ガスの投入量を増加させるように圧縮燃料ガス流量制御弁６６を制御する。その後、燃料電池２３の化学反応によって未燃燃料ガスの供給量も増加する。これにより、ガスタービン発電システム１０の負荷が増加する。
When the load of the gas turbine
以上が定格運転中のガスタービン発電システム１０の負荷を変化させる動作の説明である。この動作によれば、制御部７０が、未燃燃料ガス流量制御弁６５の制御動作に先行して圧縮燃料ガス流量制御弁６６の制御動作を実行する。これにより、燃焼器１２に供給される圧縮燃料ガスの流量の増減制御が優先的に実施され、燃料電池２３から排出される未燃燃料ガスが遅れて追従するように燃焼器１２へ供給される。よって、負荷の変動が緩やかな燃料電池発電システム２０をガスタービン発電システム１０に組み合わせても、ガスタービン発電システム１０の急速な負荷変化の運用が確保される。つまり、ガスタービン発電システムの優れた運用特性を損なうことなく高効率稼働することが可能な燃料電池複合発電システムを提供することができる。
The above is description of the operation | movement which changes the load of the gas turbine
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。 Although several embodiments have been described above, these embodiments are presented as examples only and are not intended to limit the scope of the invention. The novel system described herein can be implemented in various other forms. Various omissions, substitutions, and changes can be made to the system configuration described in the present specification without departing from the gist of the invention. The appended claims and their equivalents are intended to include such forms and modifications as fall within the scope and spirit of the invention.
１、２ 燃料電池複合発電システム、１０ ガスタービン発電システム、１１ 空気圧縮機、１２ 燃焼器、１２ａ 第一段燃料ノズル、１２ｂ 第二段燃料ノズル、１３ ガスタービン、２０ 燃料電池発電システム、２３ 燃料電池、３１ 排熱回収ボイラ、３２ 蒸気タービン、４０ 燃料圧縮機、６５ 未燃燃料ガス流量制御弁、６６ 圧縮燃料ガス流量制御弁、７０ 制御部 1, 2 Fuel cell combined power generation system, 10 Gas turbine power generation system, 11 Air compressor, 12 Combustor, 12a First stage fuel nozzle, 12b Second stage fuel nozzle, 13 Gas turbine, 20 Fuel cell power generation system, 23 Fuel Battery, 31 Waste heat recovery boiler, 32 Steam turbine, 40 Fuel compressor, 65 Unburned fuel gas flow control valve, 66 Compressed fuel gas flow control valve, 70 Control unit
Claims (5)
前記空気圧縮機から供給された前記圧縮空気と、前記圧縮空気の圧力に対応して圧縮された圧縮燃料ガスとが化学反応することにより発電し、前記化学反応後の前記圧縮空気である排出圧縮空気と、前記化学反応後の前記圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスとが前記燃焼器へ供給される燃料電池を備える燃料電池発電システムと、を備え、
前記複数段の燃料ノズルにおける一段目の燃料ノズルに、前記燃料電池に供給される前の前記圧縮燃料ガスが供給されるとともに前記燃料電池から排出される前記排出圧縮空気が供給され、かつ、前記複数段の燃料ノズルにおける前記一段目の燃料ノズルよりも下流側に設置された二段目以降の燃料ノズルに前記未燃燃料ガスが前記燃料電池から供給される燃料電池複合発電システム。 A gas turbine power generation system comprising: an air compressor that generates compressed air; a combustor that includes a plurality of fuel nozzles for generating combustion gas; and a gas turbine that is driven by the combustion gas supplied from the combustor. When,
The compressed air supplied from the air compressor and the compressed fuel gas compressed corresponding to the pressure of the compressed air generate a power by chemical reaction, and the compressed exhaust gas is the compressed air after the chemical reaction. A fuel cell power generation system including a fuel cell in which air and uncombusted fuel gas that is the compressed fuel gas after the chemical reaction are supplied to the combustor,
The compressed fuel gas before being supplied to the fuel cell and the exhaust compressed air discharged from the fuel cell are supplied to the first fuel nozzle of the plurality of fuel nozzles, and A fuel cell combined power generation system in which the unburned fuel gas is supplied from the fuel cell to the second and subsequent fuel nozzles disposed downstream of the first fuel nozzle in a plurality of fuel nozzles.
前記ガスタービンの起動時に前記燃料電池から前記燃焼器への前記未燃燃料ガスの供給を停止するように前記未燃燃料ガス流量制御弁を制御する制御部と、
をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池複合発電システム。 An unburned fuel gas flow rate control valve capable of adjusting the flow rate of the unburned fuel gas supplied from the fuel cell to the combustor;
A control unit that controls the unburned fuel gas flow rate control valve to stop the supply of the unburned fuel gas from the fuel cell to the combustor when the gas turbine is started;
The fuel cell combined power generation system according to claim 1, further comprising:
前記制御部は、前記ガスタービンの負荷状態を変化させるときに、前記未燃燃料ガス流量制御弁の制御動作に先行して前記圧縮燃料ガス流量制御弁の制御動作を実行する、請求項２に記載の燃料電池複合発電システム。 A compressed fuel gas flow rate control valve capable of adjusting the flow rate of the compressed fuel gas supplied to the combustor;
The control unit executes a control operation of the compressed fuel gas flow rate control valve prior to a control operation of the unburned fuel gas flow rate control valve when changing a load state of the gas turbine. The combined fuel cell power generation system.
前記排熱回収ボイラから供給された前記水蒸気で駆動する蒸気タービンと、
をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池複合発電システム。 An exhaust heat recovery boiler that recovers heat generated by driving the gas turbine and generates steam using the heat;
A steam turbine driven by the steam supplied from the exhaust heat recovery boiler;
The fuel cell combined power generation system according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
前記燃焼器に設けられた複数段の燃料ノズルにおける一段目の燃料ノズルに、前記燃料電池に供給される前の前記圧縮燃料ガスと、前記排出圧縮空気と、を供給する第１の燃焼ステップと、
前記複数段の燃料ノズルにおける前記一段目の燃料ノズルよりも下流側に設置された二段目以降の燃料ノズルに前記未燃燃料ガスを供給する第２の燃焼ステップと、
前記第１の燃焼ステップおよび前記第２の燃焼ステップにより生成された燃焼ガスで前記ガスタービン発電システムのガスタービンが駆動する駆動ステップと、
を備える燃料電池複合発電システムの運転方法。 The fuel cell generates power by a chemical reaction between the compressed air compressed by the air compressor of the gas turbine power generation system and the compressed fuel gas compressed according to the pressure of the compressed air, and the compressed air after the chemical reaction is generated. A power generation step in which the fuel cell supplies the exhaust compressed air and the unburned fuel gas that is the compressed fuel gas after the chemical reaction to the combustor of the gas turbine power generation system;
A first combustion step of supplying the compressed fuel gas before being supplied to the fuel cell and the exhaust compressed air to a first stage fuel nozzle in a plurality of stages of fuel nozzles provided in the combustor; ,
A second combustion step of supplying the unburned fuel gas to the second and subsequent fuel nozzles disposed downstream of the first fuel nozzle in the plurality of fuel nozzles;
A driving step in which a gas turbine of the gas turbine power generation system is driven by the combustion gas generated by the first combustion step and the second combustion step;
A method for operating a combined fuel cell power generation system.
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