(57)【要約】【課題】発電システムの駆動に際し異種の燃料を供給する。【解決手段】ＳＯＦＣから排出される排燃料ガスＬ３をガスタービン１１の燃焼器２２の燃料に用いる発電システムにおいて、燃焼器２２は、第１メインノズル４Ａと、第２メインノズル４Ｂと、第１メインノズルに接続されてＳＯＦＣから排出される排燃料ガスを送る排燃料ガス供給ライン４５と、第２メインノズルに接続されて排燃料ガスとは異種の燃料ガスＬ１を送る第２メインノズル燃料ライン２７ｂと、排燃料ガス供給ラインの第１メインノズル制御弁５Ｂと、燃料ガス供給ラインの第２メインノズル制御弁５Ｃと、を備え、ガスタービンを起動する場合に第１メインノズル制御弁を閉止し第２メインノズル制御弁を開放する制御をし、ガスタービンの起動後にＳＯＦＣが起動されると、第１メインノズル制御弁を開放し第２メインノズル制御弁を絞る制御をする制御装置６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出される排燃料ガスをガスタービンの燃焼器の燃料として利用する発電システムにおいて、
前記燃焼器は、
第１メインノズルと、
第２メインノズルと、
前記第１メインノズルに接続されて前記燃料電池から排出される前記排燃料ガスを送る第１メインノズル燃料ラインと、
前記第２メインノズルに接続されて前記排燃料ガスとは種類の異なる燃料ガスを送る第２メインノズル燃料ラインと、
前記第１メインノズル燃料ラインに設けられる第１メインノズル制御弁と、
前記第２メインノズル燃料ラインに設けられる第２メインノズル制御弁と、
を備え、
前記ガスタービンを起動する場合に前記第１メインノズル制御弁を閉止して前記第２メインノズル制御弁を開放する制御をし、前記ガスタービンの起動後に前記燃料電池が起動されると、前記第１メインノズル制御弁を開放し前記第２メインノズル制御弁を絞る制御をする制御部を有することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記燃焼器は、パイロットノズルと、前記パイロットノズルに接続されて前記燃料ガスを送るパイロットノズル燃料ラインと、前記パイロットノズル燃料ラインに設けられるパイロットノズル制御弁と、を備え、前記制御部は、前記ガスタービンを起動する場合や駆動する場合に前記パイロットノズル制御弁を開放する制御をすることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
燃料電池から排出される排燃料ガスをガスタービンの燃焼器の燃料として利用する発電システムの駆動方法において、
前記燃焼器は、
前記燃料電池から排出される前記排燃料ガスを噴射する第１メインノズルと、前記排燃料ガスとは種類の異なる燃料ガスを噴射する第２メインノズルと、を備え、
前記ガスタービンを起動する場合に前記第２メインノズルのみから燃料ガスを噴射する工程と、
前記ガスタービンの起動後に前記燃料電池が起動されると、前記第１メインノズルから前記排燃料ガスを噴射するとともに、前記第２メインノズルから所定量に絞られた前記燃料ガスを噴射する工程と、
を有することを特徴とする発電システムの駆動方法。
【請求項４】
燃料電池とガスタービンとを有する発電システムに備えられ、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを燃焼させた燃焼ガスをガスタービンに供給する燃焼器において、
前記燃料電池から排出される前記排燃料ガスを噴射する第１メインノズルと、
前記排燃料ガスとは種類の異なる燃料ガスを噴射する第２メインノズルと、
前記第１メインノズルからの前記排燃料ガスの噴射を制御する第１メインノズル制御弁と、
前記第２メインノズルからの前記燃料ガスの噴射を制御する第２メインノズル制御弁と、
を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
前記燃料ガスを噴射するパイロットノズルと、前記パイロットノズルからの前記燃料ガスの噴射を制御するパイロットノズル制御弁と、をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、発電システムの駆動方法及び燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としての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、空気極側に供給する空気（酸化剤）としてガスタービンの圧縮機から吐出された圧縮空気を使用することができる。また、ＳＯＦＣから排気された高温の排燃料ガスをガスタービンの燃焼器の燃料として使用することができる。
【０００３】
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において、ガスタービンは、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機と、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと空気から燃焼ガスを生成する燃焼器を有したものである。
【０００４】
なお、例えば、下記特許文献２は、燃料電池から排出される排燃料ガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料電池システムについて示されている。この燃焼器は、燃料電池からの排燃料ガスがバーナにより噴出され一次空気を用いて排燃料ガスの一次燃焼を行う一次燃焼室と、一次燃焼室よりもガス通路が絞られた連絡通路を介して一次燃焼室に接続され二次空気を用いて一次燃焼室からのガスの二次燃焼を行う二次燃焼室とを備える。そして、バーナは、中央部に着火用トーチ火炎を噴出するトーチ火炎吹出口を配置し、トーチ火炎吹出口の外側に排燃料ガスを噴出する環状の排燃料吹出口を配置し、排燃料吹出口の外側に排空気を噴出する環状の排空気吹出口を同心に配置してなる三重の吹出口を備えるとともに、排空気吹出口内に排空気吹出口内を貫通して助燃料を噴出する複数の助燃料吹出口を備える。
【０００５】
また、例えば、下記特許文献３は、カロリーの異なる少なくとも二種類の燃料を燃焼器に供給する燃焼器の燃料供給方法が示されている。ガスタービンの運転開始時には、燃焼器を構成する第１ノズルに、高カロリー燃料を供給する第１燃料供給系統、および燃焼器を構成する第２ノズルに、低カロリー燃料を供給する第２燃料供給系統の双方を用いて、燃焼器に高カロリー燃料および低カロリー燃料を供給する。そして、ガスタービンが低カロリー燃料のみで継続運転可能な出力に達した時点で、燃焼器への高カロリー燃料の供給を遮断し、燃焼器に低カロリー燃料のみを供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２０５９３０号公報
【特許文献２】特開２００８−１６６０７０号公報
【特許文献３】特開２０１２−４１８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１に示すような発電システムにおいて、ガスタービンは、燃焼器においてＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと圧縮空気とを燃焼し生成した燃焼ガスで駆動する。一方、ＳＯＦＣは、供給された燃料ガスと圧縮機において圧縮された圧縮空気を利用して発電をし、発電に利用された排燃料ガスと圧縮空気をガスタービンへ排出する。このため、まず、ガスタービンを起動させた後、ＳＯＦＣに圧縮空気を供給してＳＯＦＣを起動させる。
【０００８】
上述した特許文献１に示すような発電システムにおいて、ガスタービンに燃焼ガスを供給する燃焼器は、ＳＯＦＣが運転していない状態では排燃料ガスが供給されないため、燃料ガスが必要となる。また、燃焼器は、ＳＯＦＣからの排燃料ガスを燃料として利用する際、ガスタービンが定格負荷に到達する入熱に対して、入熱が不足する場合には、高カロリーな燃料ガスを供給して入熱を補う必要がある。このように、ＳＯＦＣ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の運転にあたっては、ＳＯＦＣとガスタービンの運転状態によって、燃焼器に供給される燃料が排燃料ガスと燃料ガスとのように、種類の異なる燃料ガスとなる。
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、発電システムの駆動に際し、燃焼器に種類の異なる燃料が供給されても、ガスタービンを安定させた状態で駆動させることのできる発電システム、発電システムの駆動方法及び燃焼器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、燃料電池から排出される排燃料ガスをガスタービンの燃焼器の燃料として利用する発電システムにおいて、前記燃焼器は、第１メインノズルと、第２メインノズルと、前記第１メインノズルに接続されて前記燃料電池から排出される前記排燃料ガスを送る第１メインノズル燃料ラインと、前記第２メインノズルに接続されて前記排燃料ガスとは種類の異なる燃料ガスを送る第２メインノズル燃料ラインと、前記第１メインノズル燃料ラインに設けられる第１メインノズル制御弁と、前記第２メインノズル燃料ラインに設けられる第２メインノズル制御弁と、を備え、前記ガスタービンを起動する場合に前記第１メインノズル制御弁を閉止して前記第２メインノズル制御弁を開放する制御をし、前記ガスタービンの起動後に前記燃料電池が起動されると、前記第１メインノズル制御弁を開放し前記第２メインノズル制御弁を絞る制御をする制御部を有することを特徴とする。
【００１１】
従って、ガスタービンを起動する場合、燃料ガスを燃焼器に供給することで、ガスタービンを起動する。また、ガスタービンが起動された後は、圧縮機で圧縮された一部の圧縮空気を燃料電池に供給し、燃料電池を起動させる。そして、燃料電池が起動されると、燃料電池から排燃料ガスが排出されるため、この排燃料ガスを燃焼器に供給すると共に、流量を絞った所定量の燃料ガスを供給して排燃料ガスの入熱不足を補完する。このため、発電システムは、ガスタービンを安定させた状態で駆動させることができる。しかも、第１メインノズルと第２メインノズルとから、高温の排燃料ガスと低温の燃料ガスとがそれぞれ独立して供給され燃焼されるため、これら温度の異なる排燃料ガスと燃料ガスとを混合させ燃焼器に供給する混合器を省略することができる。
【００１２】
また、本発明の発電システムは、前記燃焼器は、パイロットノズルと、前記パイロットノズルに接続されて前記燃料ガスを送るパイロットノズル燃料ラインと、前記パイロットノズル燃料ラインに設けられるパイロットノズル制御弁と、を備え、前記制御部は、前記ガスタービンを起動する場合や駆動する場合に前記パイロットノズル制御弁を開放する制御をすることを特徴とする。
【００１３】
従って、ガスタービンを起動する場合や駆動する場合、パイロットノズルから噴射された燃料ガスを燃焼させることで、第１メインノズルや第２メインノズルから噴射される排燃料ガスや燃料ガスと圧縮空気とが混合された予混合気の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明の発電システムの駆動方法は、燃料電池から排出される排燃料ガスをガスタービンの燃焼器の燃料として利用する発電システムの駆動方法において、前記燃焼器は、前記燃料電池から排出される前記排燃料ガスを噴射する第１メインノズルと、前記排燃料ガスとは種類の異なる燃料ガスを噴射する第２メインノズルと、を備え、前記ガスタービンを起動する場合に前記第２メインノズルのみから燃料ガスを噴射する工程と、前記ガスタービンの起動後に前記燃料電池が起動されると、前記第１メインノズルから前記排燃料ガスを噴射するとともに、前記第２メインノズルから所定量に絞られた前記燃料ガスを噴射する工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
従って、ガスタービンを起動する場合、燃焼器の第２メインノズルから燃料ガスを噴射し燃焼させることで、ガスタービンを起動する。また、ガスタービンが起動された後は、圧縮機で圧縮された一部の圧縮空気を燃料電池に供給し、燃料電池を起動させる。そして、燃料電池が起動されると、燃料電池から排出された排燃料ガスが燃焼器の第１メインノズルから噴射されると共に、この排燃料ガスの入熱不足を補完する所定量の燃料ガスが第２メインノズルから噴射される。このため、発電システムは、ガスタービンを安定させた状態で駆動することができる。しかも、第１メインノズルと第２メインノズルとから、高温の排燃料ガスと低温の燃料ガスとがそれぞれ独立して供給されて燃焼されるため、これら温度の異なる排燃料ガスと燃料ガスとを混合させ燃焼器に供給する混合器を省略することができる。
【００１６】
上記の目的を達成するための本発明の燃焼器は、燃料電池とガスタービンとを有する発電システムに備えられ、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを燃焼させた燃焼ガスをガスタービンに供給する燃焼器において、前記燃料電池から排出される前記排燃料ガスを噴射する第１メインノズルと、前記排燃料ガスとは種類の異なる燃料ガスを噴射する第２メインノズルと、前記第１メインノズルからの前記排燃料ガスの噴射を制御する第１メインノズル制御弁と、前記第２メインノズルからの前記燃料ガスの噴射を制御する第２メインノズル制御弁と、を有することを特徴とする。
【００１７】
従って、ガスタービンを起動する場合、第２メインノズル制御弁を開放して第２メインノズルから燃料ガスを噴射し燃焼させることで、ガスタービンを起動する。また、ガスタービンが起動された後は、ガスタービンの圧縮機で圧縮された一部の圧縮空気を燃料電池に供給し、燃料電池を起動させる。そして、燃料電池が起動されると、第１メインノズル制御弁を開放して第１メインノズルから、燃料電池から排気された排燃料ガスを噴射し燃焼させると共に、第２メインノズル制御弁により流量を絞った所定量の燃料ガスを噴射し、排燃料ガスの入熱不足を補完する。このため、発電システムは、ガスタービンを安定させた状態で駆動させることができる。しかも、第１メインノズルと第２メインノズルとから、高温の排燃料ガスと低温の燃料ガスとがそれぞれ独立して供給され燃焼されるため、これら温度の異なる排燃料ガスと燃料ガスとを混合させ燃焼器に供給する混合器を省略することができる。
【００１８】
また、本発明の燃焼器は、前記燃料ガスを噴射するパイロットノズルと、前記パイロットノズルからの前記燃料ガスの噴射を制御するパイロットノズル制御弁と、をさらに有することを特徴とする。
【００１９】
従って、ガスタービンを起動する場合や駆動する場合、パイロットノズル制御弁を開放してパイロットノズルから噴射された燃料ガスを燃焼させることで、第１メインノズルや第２メインノズルから噴射される排燃料ガスや燃料ガスと圧縮空気とが混合された予混合気の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、発電システムの駆動に際し、燃焼器に種類の異なる燃料が供給されても、ガスタービンを安定させた状態で駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る発電システムの燃焼器を表す概略図である。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、本実施例の発電システムにおける燃焼器駆動時での燃料供給のフローチャートである。
【図４】図４は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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燃料電池の運転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。
【実施例】
【００２３】
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段階で発電することができるため、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。
【００２４】
図１は、本発明の一実施例に係る発電システムの燃焼器を表す概略図、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は、本実施例の発電システムにおける燃焼器駆動時での燃料供給のフローチャート、図４は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。
【００２５】
本実施例において、図４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。
【００２６】
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から燃料ガス供給ライン２８を通して供給された燃焼ガスＧ１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。
【００２７】
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で圧縮された圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスＬ２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）。
【００２８】
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３３とが圧縮空気Ａ２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における圧縮空気Ａ２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圧縮空気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圧縮空気Ａ３（排空気）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。
【００２９】
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、排燃料ガスＬ３を昇圧可能なブロワ４８が排燃料ガス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の排燃料ガスＬ３の流れ方向の下流側に設けられている。
【００３０】
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に再循環させる再循環ブロワ５０が設けられている。
【００３１】
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が回転するものである。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。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、排ガスライン５３から供給される高温の排ガスＧ２と給水ライン５５から供給される水との間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。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Ｇ２は、有害物質を除去されてから大気へ放出される。
【００３２】
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。
【００３３】
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が燃焼ガスＧ１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。
【００３４】
続いて、ＳＯＦＣ１３を起動させるために、圧縮機２１から圧縮空気Ａ２を供給してＳＯＦＣ１３の加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の空気極側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
【００３５】
一方、ＳＯＦＣ１３の燃料極側では、燃料ガスＬ２を供給して加圧を開始する。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により再循環される。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。
【００３６】
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からの圧縮空気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の加圧が完了する。
【００３７】
その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、圧縮空気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からの圧縮空気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。
【００３８】
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。
【００３９】
以下、燃焼器２２について説明する。燃焼器２２は、タービン２３の車室（図示せず）に配置される。燃焼器２２は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１やＳＯＦＣ１３から排出された圧縮空気Ａ３が車室に供給され、この圧縮空気Ａ１や圧縮空気Ａ３と燃料ガスＬ１を混合し燃焼させ燃焼ガスＧ１を生成する。
【００４０】
図１および図２に示すように、燃焼器２２は、外筒１の内部に所定間隔をあけて空気通路Ｒを形成するように内筒２が支持されている。内筒２は、その先端部にタービン２３に接続される尾筒（燃焼ガス供給ライン２８）が連結されている。
【００４１】
内筒２は、その内部の中心部の燃焼器軸Ｃ上で、この燃焼器軸Ｃの延在方向に沿ってパイロットノズル３が配設されている。パイロットノズル３は、その先端部の周囲に、筒状で先端側が広角して形成された燃焼筒３ｂが装着されている。
【００４２】
また、内筒２は、その内部の内周面に周方向に沿ってパイロットノズル３を取り囲むように複数（本実施例では８個）のメインノズル（予混合ノズルともいう）４が燃焼器軸Ｃと平行に配設されている。このメインノズル４は、第１メインノズル４Ａおよび第２メインノズル４Ｂを有する。本実施例において、第１メインノズル４Ａと第２メインノズル４Ｂとは、４個ずつ設けられ、内筒２の周方向で交互に配置されている。
【００４３】
外筒１は、その基端部にトップハット部１Ａが設けられている。トップハット部１Ａは、外筒１の基端部の内周面に沿って配置されて、外筒１とともに空気通路Ｒの一部を形成する筒状部材１Ａａと、この筒状部材１Ａａの基端側の開口を閉塞する蓋部材１Ａｂとで構成されている。蓋部材１Ａｂは、上述のパイロットノズル３が支持され、このパイロットノズル３の燃料ポート３ａが外側に配置されている。この燃料ポート３ａは、第１燃料ガス供給ライン２７から分岐したパイロットノズル燃料ライン２７ａが接続されてパイロットノズル３に燃料ガスＬ１が供給される。また、蓋部材１Ａｂは、上述の第１メインノズル４Ａおよび第２メインノズル４Ｂが支持され、第１メインノズル４Ａの燃料ポート４Ａａおよび第２メインノズル４Ｂの燃料ポート４Ｂａが外側に配置されている。第１メインノズル４Ａの燃料ポート４Ａａは、第１メインノズル燃料ラインとしての排燃料ガス供給ライン４５が接続されて第１メインノズル４Ａに排燃料ガスＬ３が供給される。また、第２メインノズル４Ｂの燃料ポート４Ｂａは、第１燃料ガス供給ライン２７から分岐した第２メインノズル燃料ライン２７ｂが接続されて第２メインノズル４Ｂに燃料ガスＬ１が供給される。
【００４４】
また、パイロットノズル燃料ライン２７ａは、パイロットノズル３への燃料ガスＬ１の供給を制御するパイロットノズル制御弁５Ａが設けられている。また、排燃料ガス供給ライン４５は、第１メインノズル４Ａへの排燃料ガスＬ３の供給を制御する第１メインノズル制御弁５Ｂが設けられている。また、第２メインノズル燃料ライン２７ｂは、第２メインノズル４Ｂへの燃料ガスＬ１の供給を制御する第２メインノズル制御弁５Ｃが設けられている。
【００４５】
このような燃焼器２２では、高温・高圧の圧縮空気Ａ１や圧縮空気Ａ３が外筒１の先端側から空気通路Ｒに流れ込むと、この圧縮空気Ａ１や圧縮空気Ａ３は、外筒１の基端側のトップハット部１Ａの位置で折り返され、内筒２内に流れ込む。内筒２内では、メインノズル４（４Ａ，４Ｂ）から噴射された燃料ガスＬ１や排燃料ガスＬ３と、内筒２内に流れ込む圧縮空気Ａ１や圧縮空気Ａ３とが混合されて予混合気となり、内筒２の先端側の尾筒内に流れ込む。また、内筒２内では、パイロットノズル３から噴射された燃料ガスＬ１と、内筒２内に流れ込む圧縮空気Ａ１や圧縮空気Ａ３とが混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスＧ１を生成して尾筒内に噴出する。このとき、燃焼ガスＧ１の一部が尾筒内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出することで、各メインノズル４から尾筒内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。生成された燃焼ガスＧ１は、タービン２３に供給される。
【００４６】
燃焼器２２において、各制御弁５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、制御装置（制御部）６より開閉および開度が制御される。制御装置６は、ガスタービン１１の起動や運転状態、ＳＯＦＣ１３の運転状態に応じて各制御弁５Ａ，５Ｂ，５Ｃを制御する。従って、制御装置６は、ガスタービン１１やＳＯＦＣ１３の運転状態を入力し常時監視する。
【００４７】
以下、上述した制御装置６による制御であって、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。なお、ここでは、ガスタービン１１、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動する場合であって、ガスタービン１１の駆動について説明する。
【００４８】
まず、ガスタービン１１を起動する前の停止状態において、制御装置６は、パイロットノズル制御弁５Ａ、第１メインノズル制御弁５Ｂおよび第２メインノズル制御弁５Ｃを閉止した状態とする。
【００４９】
そして、図３に示すように、ガスタービン１１を起動する指令を受けた場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、制御装置６は、パイロットノズル制御弁５Ａを開放し、かつ第２メインノズル制御弁５Ｃを開放する制御をする（ステップＳ２）。燃焼器２２は、パイロットノズル３から燃料ガスＬ１を噴射させ、かつ第２メインノズル４Ｂから燃料ガスＬ１を噴射させて圧縮空気Ａ１と混合し燃焼ガスを生成する。これにより、ガスタービン１１は、燃料ガスＬ１から生成された燃焼ガスＧ１により起動される。
【００５０】
その後、ガスタービン１１の圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３に供給されるようになり、かつ燃料ガスＬ２がＳＯＦＣ１３に供給されてＳＯＦＣ１３が起動される。このＳＯＦＣ１３が起動された旨の信号を入力した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御装置６は、パイロットノズル制御弁５Ａを開放したままの状態で、第１メインノズル制御弁５Ｂを開放し、かつ第２メインノズル制御弁５Ｃを所定開度に絞る制御をする（ステップＳ４）。すると、燃焼器２２において、第１メインノズル４Ａから排燃料ガスＬ３を噴射させて燃焼ガスＧ１を生成させる。第２メインノズル制御弁５Ｃの所定開度は、ガスタービン１１が定格負荷に到達する入熱に対し、排燃料ガスＬ３のみで入熱が不足する分を、燃料ガスＬ１を供給して入熱を補うための開度である。これにより、起動後のＳＯＦＣ１３から排燃料ガスＬ３が排出されると、ガスタービン１１は、主に排燃料ガスＬ３により駆動される。なお、制御装置６は、ステップＳ３でＳＯＦＣ１３が起動された旨の信号を入力するまでは（ステップＳ３：Ｎｏ）、ステップＳ２にてパイロットノズル制御弁５Ａを開放し、かつ第２メインノズル制御弁５Ｃを開放し、燃焼器２２は、パイロットノズル３から噴射された燃料ガスＬ１により燃焼ガスＧ１を生成する。つまり、ガスタービン１１は、ＳＯＦＣ１３が起動されるまでは燃料ガスＬ１により生成された燃焼ガスＧ１により駆動される。
【００５１】
このように本実施例の発電システム１０にあっては、ＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３をガスタービン１１の燃焼器２２の燃料として利用する発電システム１０において、燃焼器２２は、第１メインノズル４Ａと、第２メインノズル４Ｂと、第１メインノズル４Ａに接続されてＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３を送る排燃料ガス供給ライン（第１メインノズル燃料ライン）４５と、第２メインノズル４Ｂに接続されて排燃料ガスＬ３とは種類の異なる燃料ガスＬ１を送る第２メインノズル燃料ライン２７ｂと、排燃料ガス供給ライン４５に設けられる第１メインノズル制御弁５Ｂと、第２メインノズル燃料ライン２７ｂに設けられる第２メインノズル制御弁５Ｃと、を備え、ガスタービン１１を起動する場合に第１メインノズル制御弁５Ｂを閉止して第２メインノズル制御弁５Ｃを開放する制御をし、ガスタービン１１の起動後にＳＯＦＣ１３が起動されると、第１メインノズル制御弁５Ｂを開放し第２メインノズル制御弁５Ｃを絞る制御をする制御装置６を有する。
【００５２】
従って、ガスタービン１１を起動する場合、燃料ガスＬ１を燃焼器２２に供給することで、ガスタービン１１を起動する。また、ガスタービン１１が起動された後は、圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給し、ＳＯＦＣ１３を起動させる。そして、ＳＯＦＣ１３が起動されると、ＳＯＦＣ１３から排燃料ガスＬ３が排出されるため、この排燃料ガスＬ３を燃焼器２２に供給すると共に、流量を絞った所定量の燃料ガスＬ１を供給して排燃料ガスＬ３の入熱不足を補完する。このため、本実施例の発電システム１０は、ガスタービン１１を安定させた状態で駆動させることが可能になる。しかも、第１メインノズル４Ａと第２メインノズル４Ｂとから、高温（４５０℃程度）の排燃料ガスＬ３と低温（１５℃程度）の燃料ガスＬ１とがそれぞれ独立して供給され燃焼されるため、これら温度の異なる排燃料ガスＬ３と燃料ガスＬ１とを混合させ燃焼器２２に供給する混合器を省略することが可能になる。
【００５３】
また、本実施例の発電システム１０にあっては、燃焼器２２は、パイロットノズル３と、パイロットノズル３に接続されて燃料ガスＬ１を送るパイロットノズル燃料ライン２７ａと、パイロットノズル燃料ライン２７ａに設けられるパイロットノズル制御弁５Ａと、を備え、制御装置６は、ガスタービン１１を起動する場合や駆動する場合にパイロットノズル制御弁５Ａを開放する制御をする。
【００５４】
従って、ガスタービン１１を起動する場合や駆動する場合、パイロットノズル３から噴射された燃料ガスＬ１を燃焼させることで、第１メインノズル４Ａや第２メインノズル４Ｂから噴射される排燃料ガスＬ３や燃料ガスＬ１と圧縮空気とが混合された予混合気の安定燃焼を行うための保炎を行うことが可能になる。
【００５５】
また、本実施例の発電システム１０の駆動方法にあっては、ＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３をガスタービン１１の燃焼器２２の燃料として利用する発電システム１０の駆動方法において、燃焼器２２は、ＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３を噴射する第１メインノズル４Ａと、排燃料ガスＬ３とは種類の異なる燃料ガスＬ１を噴射する第２メインノズル４Ｂと、を備え、ガスタービン１１を起動する場合に第２メインノズル４Ｂのみから燃料ガスＬ１を噴射する工程と、ガスタービン１１の起動後にＳＯＦＣ１３が起動されると、第１メインノズル４Ａから排燃料ガスＬ３を噴射するとともに、第２メインノズル４Ｂから所定量に絞られた燃料ガスＬ１を噴射する工程と、を有する。
【００５６】
従って、ガスタービン１１を起動する場合、燃焼器２２の第２メインノズル４Ｂから燃料ガスＬ１を噴射し燃焼させることで、ガスタービン１１を起動する。また、ガスタービン１１が起動された後は、圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給し、ＳＯＦＣ１３を起動させる。そして、ＳＯＦＣ１３が起動されると、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガスＬ３が燃焼器２２の第１メインノズル４Ａから噴射されると共に、この排燃料ガスＬ３の入熱不足を補完する所定量の燃料ガスＬ１が第２メインノズル４Ｂから噴射される。このため、本実施例の発電システム１０は、ガスタービン１１を安定させた状態で駆動することが可能になる。しかも、第１メインノズル４Ａと第２メインノズル４Ｂとから、高温（４５０℃程度）の排燃料ガスＬ３と低温（１５℃程度）の燃料ガスＬ１とがそれぞれ独立して供給されて燃焼されるため、これら温度の異なる排燃料ガスＬ３と燃料ガスＬ１とを混合させ燃焼器２２に供給する混合器を省略することが可能になる。
【００５７】
また、本実施例の燃焼器２２にあっては、ＳＯＦＣ１３とガスタービン１１とを有する発電システム１０に備えられ、ＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３を燃焼させた燃焼ガスをガスタービン１１に供給する燃焼器２２において、ＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３を噴射する第１メインノズル４Ａと、排燃料ガスＬ３とは種類の異なる燃料ガスＬ１を噴射する第２メインノズル４Ｂと、第１メインノズル４Ａからの排燃料ガスＬ３の噴射を制御する第１メインノズル制御弁５Ｂと、第２メインノズル４Ｂからの燃料ガスＬ１の噴射を制御する第２メインノズル制御弁５Ｃと、を有する。
【００５８】
従って、ガスタービン１１を起動する場合、第２メインノズル制御弁５Ｃを開放して第２メインノズル４Ｂから燃料ガスＬ１を噴射し燃焼させることで、ガスタービン１１を起動する。また、ガスタービン１１が起動された後は、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給し、ＳＯＦＣ１３を起動させる。そして、ＳＯＦＣ１３が起動されると、第１メインノズル制御弁５Ｂを開放して第１メインノズル４Ａから、ＳＯＦＣ１３から排気された排燃料ガスＬ３を噴射し燃焼させると共に、第２メインノズル制御弁５Ｃにより流量を絞った所定量の燃料ガスＬ１を噴射し、排燃料ガスＬ３の入熱不足を補完する。このため、本実施例の発電システム１０は、ガスタービン１１を安定させた状態で駆動させることが可能になる。しかも、第１メインノズル４Ａと第２メインノズル４Ｂとから、高温（４５０℃程度）の排燃料ガスＬ３と低温（１５℃程度）の燃料ガスＬ１とがそれぞれ独立して供給され燃焼されるため、これら温度の異なる排燃料ガスＬ３と燃料ガスＬ１とを混合させ燃焼器２２に供給する混合器を省略することが可能になる。
【００５９】
また、本実施例の燃焼器２２にあっては、燃料ガスＬ１を噴射するパイロットノズル３と、パイロットノズル３からの燃料ガスＬ１の噴射を制御するパイロットノズル制御弁５Ａと、をさらに有する。
【００６０】
従って、ガスタービン１１を起動する場合や駆動する場合、パイロットノズル制御弁５Ａを開放してパイロットノズル３から噴射された燃料ガスＬ１を燃焼させることで、第１メインノズル４Ａや第２メインノズル４Ｂから噴射される排燃料ガスＬ３や燃料ガスＬ１と圧縮空気とが混合された予混合気の安定燃焼を行うための保炎を行うことが可能になる。
【符号の説明】
【００６１】
３  パイロットノズル
４Ａ  第１メインノズル
４Ｂ  第２メインノズル
５Ａ  パイロットノズル制御弁
５Ｂ  第１メインノズル制御弁
５Ｃ  第２メインノズル制御弁
６  制御装置（制御部）
１０  発電システム
１１  ガスタービン
１３  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
２２  燃焼器
２７ａ  パイロットノズル燃料ライン
２７ｂ  第２メインノズル燃料ライン
４５  排燃料ガス供給ライン（第１メインノズル燃料ライン）
Ｌ１  燃料ガス
Ｌ３  排燃料ガス
【図１】
2014101844.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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