(57)【要約】【課題】燃料電池により熱力学的な効率を向上させることが可能な発電プラントシステムおよびその運転方法を提案する。【解決手段】一の実施形態によれば、発電プラントシステムは、給水ポンプからの水を加熱して蒸気を発生させる、または前記給水ポンプからの水から発生した蒸気を受け取り、受け取った蒸気を加熱する第１加熱部を有する燃焼ボイラを備える。前記システムはさらに、燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスにより前記水または前記蒸気を加熱する加熱器とを備える。前記システムはさらに、前記第１加熱部および前記加熱器の少なくともいずれかにより加熱された蒸気により駆動される第１タービンを備え、少なくとも前記第１タービンに接続された発電機と、前記燃料電池とにより発電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水ポンプからの水を加熱して蒸気を発生させる、または前記給水ポンプからの水から発生した蒸気を受け取り、受け取った蒸気を加熱する第１加熱部を有する燃焼ボイラと、
燃料電池と、
前記燃料電池からの排ガスにより前記水または前記蒸気を加熱する加熱器と、
前記第１加熱部および前記加熱器の少なくともいずれかにより加熱された蒸気により駆動される第１タービンとを備え、
少なくとも前記第１タービンに接続された発電機と、前記燃料電池とにより発電する、発電プラントシステム。
【請求項２】
前記燃焼ボイラ内の前記第１加熱部の熱源流体と前記燃料電池からの前記排ガスのうちの低温の方である第１熱源は、前記給水ポンプからの前記水を加熱し、
前記燃焼ボイラ内の前記第１加熱部の熱源流体と前記燃料電池からの前記排ガスのうちの高温の方である第２熱源は、前記第１熱源により加熱された前記水を加熱して前記蒸気を発生させる、または前記第１熱源により加熱されて前記水から発生した前記蒸気を加熱する、
請求項１に記載の発電プラントシステム。
【請求項３】
前記燃料電池からの前記排ガスを燃焼させることで得られる燃焼排ガスを前記燃焼ボイラに供給する燃焼器をさらに備える、請求項１または２に記載の発電プラントシステム。
【請求項４】
前記燃焼ボイラからの排ガスにより空気を予熱する第１空気予熱器をさらに備え、前記第１空気予熱器からの前記空気を前記燃料電池に供給する、請求項１から３のいずれか１項に記載の発電プラントシステム。
【請求項５】
前記燃料電池からの前記排ガスにより、前記第１空気予熱器からの前記空気を予熱する第２空気予熱器をさらに備え、前記第２空気予熱器からの前記空気を前記燃料電池に供給する、請求項４に記載の発電プラントシステム。
【請求項６】
前記燃焼ボイラは、前記第１タービンから排出された蒸気を加熱する第２加熱部をさらに有し、
前記第２加熱部から排出された蒸気により駆動される第２タービンをさらに備え、
少なくとも前記第１および第２タービンに接続された前記発電機により発電する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の発電プラントシステム。
【請求項７】
前記加熱器は、前記給水ポンプと前記第１タービンとの間、前記第１タービンと前記第２加熱部との間、前記第２加熱部と前記第２タービンとの間、または前記第２タービンと前記第２タービンから排出された蒸気により駆動される第３タービンとの間に、第３加熱部を有する、請求項６に記載の発電プラントシステム。
【請求項８】
前記第３加熱部は、前記第１加熱部または前記第２加熱部と並列に設けられている、請求項７に記載の発電プラントシステム。
【請求項９】
前記加熱器は、前記第１加熱部と並列に設けられた前記第３加熱部と、前記第２加熱部と並列に設けられた第４加熱部とを有する、請求項７に記載の発電プラントシステム。
【請求項１０】
前記加熱器は、前記第１加熱部と前記第１タービンとの間に前記第３加熱部を有し、前記第１タービンと前記第２加熱部との間に第４加熱部を有する、請求項７に記載の発電プラントシステム。
【請求項１１】
前記第１タービンから排出された蒸気により駆動される第２タービンをさらに備え、
前記第１加熱部と前記加熱器の一方は、前記給水ポンプと前記第１タービンとの間に設けられ、前記第１加熱部と前記加熱器の他方は、前記第１タービンと前記第２タービンとの間に設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載の発電プラントシステム。
【請求項１２】
前記加熱器は、前記燃料電池の燃料極と空気極の一方のみからの排ガスを利用して、前記水または前記蒸気を加熱する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の発電プラントシステム。
【請求項１３】
前記加熱器は、前記燃料電池の燃料極と空気極の両方からの排ガスを利用して、前記水または前記蒸気を加熱する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の発電プラントシステム。
【請求項１４】
前記加熱器は、
前記燃料極と前記空気極の一方からの前記排ガスを利用して前記水または前記蒸気を加熱した後に、前記燃料極と前記空気極の他方からの前記排ガスを利用して前記水または前記蒸気を加熱する、または
前記燃料極と前記空気極からの前記排ガスの混合ガスを利用して前記水または前記蒸気を加熱する、
請求項１３に記載の発電プラントシステム。
【請求項１５】
前記加熱器は、前記燃料電池の空気極からの排ガスを用いて前記燃料電池の燃料極からの排ガスを燃焼させ、発生した燃焼排ガスを利用して前記水または前記蒸気を加熱する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の発電プラントシステム。
【請求項１６】
燃焼ボイラ内の第１加熱部により、給水ポンプからの水を加熱して蒸気を発生させ、または前記給水ポンプからの水から発生した蒸気を受け取り、受け取った蒸気を加熱し、
燃料電池からの排ガスにより加熱器内で前記水または前記蒸気を加熱し、
前記第１加熱部および前記加熱器の少なくともいずれかにより加熱された蒸気により第１タービンを駆動させ、
少なくとも前記第１タービンに接続された発電機と、前記燃料電池とにより発電する、
ことを含む発電プラントシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、発電プラントシステムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１６は、従来の発電プラントシステムの構成を示す模式図であり、火力発電システムの一例を示している。
【０００３】
図１６の発電プラントシステムは、給水ポンプ１と、第１および第２加熱部２ａ、２ｂを有する燃焼ボイラ２と、高圧蒸気タービン（ＨＰＳＴ）３と、中圧蒸気タービン（ＩＰＳＴ）４と、低圧蒸気タービン（ＬＰＳＴ）５と、発電機６と、復水器７と、ボイラ燃料供給部１１と、第１空気予熱器１２と、通風機１３と、煙突１４とを備えている。なお、空気予熱器１２は、後述の第２空気予熱器と区別するために第１空気予熱器と表記している。
【０００４】
図１６では、給水ポンプ１から供給された高圧の水を、第１加熱部２ａにより加熱して蒸気を発生させる。この蒸気は高圧蒸気タービン３の内部を流通し、圧力と温度それぞれを低下させながら膨張し、内蔵している羽根車を回転駆動させ、高圧蒸気タービン３からの排出蒸気は、第２加熱部２ｂにより加熱（再熱）される。第２加熱部２ｂにより再熱された蒸気は、中圧蒸気タービン４の内部を流通し、高圧蒸気タービン３と同様に羽根車を回転駆動させる。中圧蒸気タービン４からの排出蒸気は、低圧蒸気タービン５の内部を流通し、高圧蒸気タービン３や中圧蒸気タービン４と同様に羽根車を回転駆動させる。
【０００５】
発電機６は、高圧蒸気タービン３、中圧蒸気タービン４、および低圧蒸気タービン５と同一回転軸で連結しており、その回転エネルギを電気エネルギに変化させることで発電する。低圧蒸気タービン５からの排出蒸気は、復水器７で例えば海水（図示せず）により冷却されて水に戻されて給水ポンプ１に流入する。給水ポンプ１は、この水を再び第１加熱部２ａに供給する。
【０００６】
ボイラ燃料供給部１１は、燃焼ボイラ２で燃焼させるボイラ燃料（例えば石炭）を供給する。第１空気予熱器１２は、通風機１３から送風された空気を、燃焼ボイラ２からの排ガスとの熱交換により加熱（予熱）する。燃焼ボイラ２は、第１空気予熱器１２により予熱された空気を使用してボイラ燃料を燃焼させる。これにより、第１加熱部２ａは、水を加熱して蒸気を発生させることができ、第２加熱部２ｂは、蒸気を再熱することができる。煙突１４は、燃焼ボイラ２から排出され、第１空気予熱器１２を通過して、空気を予熱した後の排ガスを放出するために設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−４５４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
新たな発電システムとして、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が注目されている。ＳＯＦＣは、都市ガスなどから製造した成分の電気化学反応により、直接電気エネルギを取り出すことのできる発電システムである。ＳＯＦＣの特徴の１つは、排ガスの温度が６００〜１０００℃と高いことである。そこで、この高温の排ガスの熱を有効活用することができれば望ましい。さらには、この排ガスに含まれる残存燃料も有効活用できれば望ましい。
【０００９】
一方、火力発電システムに関しては、低炭素社会の実現のため、より高効率化することが求められている。例えば、図１６のような火力発電システムに最新の技術を導入することで、全体プロセスの熱力学的な効率を向上させることが検討されている。図１６の火力発電システムの効率は、例えば蒸気の生成方法や加熱方法に依存している。そこで、上述のＳＯＦＣを利用することで蒸気を効率的に生成および加熱し、全体プロセスの熱力学的な効率を向上させることができれば望ましい。例えば、既設の石炭火力発電所にＳＯＦＣを新しく追設して利用することで、全体の効率を向上することが望ましい。
【００１０】
そこで、本発明の実施形態は、燃料電池により熱力学的な効率を向上させることが可能な発電プラントシステムおよびその運転方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一の実施形態によれば、発電プラントシステムは、給水ポンプからの水を加熱して蒸気を発生させる、または前記給水ポンプからの水から発生した蒸気を受け取り、受け取った蒸気を加熱する第１加熱部を有する燃焼ボイラを備える。前記システムはさらに、燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスにより前記水または前記蒸気を加熱する加熱器とを備える。前記システムはさらに、前記第１加熱部および前記加熱器の少なくともいずれかにより加熱された蒸気により駆動される第１タービンを備え、少なくとも前記第１タービンに接続された発電機と、前記燃料電池とにより発電する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態の変形例の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図３】第２実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図４】第２実施形態の変形例の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図５】第３実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図６】第４実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図７】第４実施形態の変形例の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図８】第５実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図９】第５実施形態の変形例の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図１０】第６実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図１１】第７実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図１２】第８実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図１３】第９実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図１４】第１０実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図１５】第１１実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【図１６】従来の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１〜図１６では、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図であり、火力発電システムの一例を示している。
【００１５】
図１の発電プラントシステムは、図１６に示す構成機器に加えて、ＳＯＦＣ燃料供給部２１と、コントロール弁２２と、改質器２３と、燃料電池（ＳＯＦＣ）２４と、第２空気予熱器２５と、ＳＯＦＣ燃焼器２６と、第３加熱部２７ａを有する蒸気加熱器２７とを備えている。
【００１６】
図１では、給水ポンプ１から圧送された高圧の水を、燃焼ボイラ２内の第１加熱部２ａにより加熱して高温・高圧の蒸気を発生させる。燃焼ボイラ２は、石炭や石油などのボイラ燃料をボイラ燃料供給部１１から供給され、ボイラ燃料を燃焼させることで発生した熱により水を加熱する。
【００１７】
高圧蒸気タービン３は、第１加熱部２ａからの蒸気により回転駆動される。高圧蒸気タービン３からの排出蒸気は、燃焼ボイラ２内の第２加熱部２ｂにより再熱され、高温の状態となる。中圧蒸気タービン４は、第２加熱部２ｂからの蒸気により回転駆動され、低圧蒸気タービン５は、中圧蒸気タービン４からの排出蒸気により回転駆動される。高圧蒸気タービン３、中圧蒸気タービン４、および低圧蒸気タービン５はそれぞれ、第１、第２、および第３タービンの例である。
【００１８】
発電機６は、高圧蒸気タービン３、中圧蒸気タービン４、および低圧蒸気タービン５の回転エネルギを電気エネルギに変化させることで発電する。低圧蒸気タービン５からの低温・低圧の排出蒸気は、復水器７で水に戻されて給水ポンプ１に流入する。なお、復水器７と第１加熱部２ａとの間（図１に示すポンプは１台のみなので、給水ポンプ１と第１加熱部２ａとの間になる）には、タービンからの抽気蒸気を加熱源とした給水加熱器が設けられていてもよい。
【００１９】
第１空気予熱器１２は、通風機１３から送風された空気を、燃焼ボイラ２からの排ガスとの熱交換により予熱する。その結果、第１空気予熱器１２により温度上昇した空気が、燃焼ボイラ２に供給される。燃焼ボイラ２は、この空気を使用してボイラ燃料を燃焼させる。第１空気予熱器１２からの空気の一部は、第２空気予熱器２５にも供給される。煙突１４は、第１空気予熱器１２から排出された排ガスを放出するために設けられている。
【００２０】
図１の発電プラントシステムは、燃料極（アノード極）と、空気極（カソード極）と、インバータとを有する燃料電池２４を備えている。本実施形態では、燃料電池２４の排気熱や、燃料電池２４からの排ガスに含まれている残存燃料を、発電機６による発電のために有効活用する。
【００２１】
本実施形態の燃料電池２４は、ＳＯＦＣである。ＳＯＦＣ燃料供給部２１は、都市ガスや天然ガスなどの燃料をコントロール弁２２および改質器２３を介して、燃料電池２４の燃料極に供給する。改質器２３は、燃料を水蒸気改質し、改質ガスを生成する。その結果、燃料電池２４の燃料極に供給された改質ガスと、燃料電池２４の空気極に供給された空気とが電気化学反応を起こすことで、燃料電池２４が発電する。
【００２２】
なお、燃料極からの排ガスは、高温を有し、かつ残存燃料を含んでいる。本実施形態では、この排ガスの一部をコントロール弁２２に供給することで、燃料極に再循環させる。これにより、燃料を改質器２３での改質反応やＳＯＦＣ２４での電気化学反応を継続させるために必要な温度まで上昇させることや、残存燃料を有効活用することが可能となる。再循環させる排ガスの量は、コントロール弁２２の開度により調整される。
【００２３】
燃料電池２４を動作させるためには、空気極に供給する空気の温度を高温（例えば８００℃）に維持する必要がある。そこで、第２空気予熱器２５は、第１空気予熱器１２からの空気を、空気極からの高温の排ガスとの熱交換により予熱し、この予熱された空気を空気極に供給する。これにより、電気化学反応を維持するために十分な温度まで空気を予熱することが可能となる。
【００２４】
蒸気加熱器２７は、燃料電池２４からの排熱を回収して、発電機６による発電に利用するために設けられている。以下、蒸気加熱器２７の詳細について説明する。加えて、ＳＯＦＣ燃焼器２６の詳細も説明する。
【００２５】
空気極からの排ガスは、例えば９００℃ほどの高温となる。蒸気加熱器２７内の第３加熱部２７ａは、第１加熱部２ａからの蒸気を、空気極からの排ガスとの熱交換により加熱する。その結果、第１加熱部２ａからの蒸気は、より高温になって高圧蒸気タービン３に供給される。あるいは、同じ温度であれば、ボイラ燃料を減らすことができる。一方、蒸気加熱器２７を通過した排ガスは、ＳＯＦＣ燃焼器２６に供給される。
【００２６】
このように、本実施形態の発電プラントシステムは、本来捨てられるはずであった空気極の排ガスの熱を蒸気加熱器２７により回収して蒸気を加熱する。これにより、燃焼ボイラ２で水や蒸気を加熱するための熱量の生成量を減らすことが可能となり、燃焼ボイラ２に投入するボイラ燃料を減らすことが可能となる。よって、本実施形態の発電プラントシステムは、発電機６と燃料電池２４とが互いに独立に発電を行うシステムに比べて、少ないボイラ燃料およびＳＯＦＣ燃料で高い発電量を得ることができる。
【００２７】
また、燃料極からの排ガスは、未反応の燃料ガスを含んでいる。そこで、ＳＯＦＣ燃焼器２６は、燃料極からの排ガスも蒸気加熱器２７からの排ガスを用いて燃焼させ、これにより得られる熱で加熱されたガスを燃焼ボイラ２に投入する。その結果、未反応の燃料ガスを熱エネルギにして回収することができるため、発電プラントシステム全体の効率をさらに向上させることができる。
【００２８】
図１では、第１加熱部２ａが、給水ポンプ１からの水を加熱して蒸気を発生させ、第３加熱部２７ａが、空気極からの排ガスを用いてこの蒸気をさらに加熱している。これは、第１加熱部２ａの熱源である燃焼排ガスが、空気極からの排ガスよりも低温だからである。この場合、第１加熱部２ａにおける燃焼排ガスは、低温熱源である第１熱源の一例であり、空気極からの排ガスは、高温熱源である第２熱源の一例である。
【００２９】
一方、第１加熱部２ａが空気極からの排ガスよりも高温の場合には、図２の構成を採用してもよい。
【００３０】
図２は、第１実施形態の変形例の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【００３１】
図２では、第３加熱部２７ａが、空気極からの排ガスを用いて給水ポンプ１からの水を加熱して蒸気を発生させる。この蒸気は、第３加熱部２７ａから出力（排出）され、第１加熱部２ａ内に流入する。第１加熱部２ａにおける燃焼排ガスは、第３加熱部２７ａから受け取ったこの蒸気をさらに加熱し、高圧蒸気タービン３に供給する。これは、第１加熱部２ａ内の燃焼排ガスが、空気極からの排ガスよりも高温だからである。この場合、空気極からの排ガスは、低温熱源である第１熱源の一例であり、第１加熱部２ａは、高温熱源である第２熱源の一例である。
【００３２】
なお、図２の第３加熱部２７ａは、水が蒸気に変化するまで水を加熱してもよいし、水が蒸気に変化しない程度に水を加熱してもよい。後者の場合、第１加熱部２ａは、第３加熱部２７ａから水を受け取り、この水を加熱して蒸気に変化させる。また、第１加熱部２ａは、第３加熱部２７ａから水と蒸気との混合物を受け取り、この混合物を加熱してもよい。これにより、混合物中の水も蒸気に変化する。
【００３３】
なお、図２の蒸気加熱器２７は、上述のように、蒸気を加熱するのではなく、専ら水を加熱する場合もある。この場合、蒸気加熱器２７は、給水加熱器と呼び換える方が正確であるが、本明細書では他の図面の蒸気加熱器２７との対応関係を分かりやすくするため、蒸気加熱器と表記している。これは、本明細書に記載のその他の構成機器についても同様である。
【００３４】
全体プロセスの熱力学的な効率は、図１の構成と図２の構成とでほぼ同じである。図１と図２では、第１加熱部２ａと第３加熱部２７ａが給水ポンプ１と高圧タービン３との間に位置する点も共通である。ただし、これらの構成機器同士をつなぐ配管の構成が、図１と図２とで異なっている。第１加熱部２ａの熱源流体と第３加熱部２７ａの熱源流体のより低温の方の加熱部が上流になるように構成する。
【００３５】
以上のように、本実施形態の発電プラントシステムは、電気化学反応により発電する燃料電池２４と、燃料電池２４からの排ガスにより蒸気タービン用の水または蒸気を加熱する蒸気加熱器２７とを備えている。よって、本実施形態によれば、この燃料電池２４により発電プラントシステムの熱力学的な効率を向上させることが可能となる。
【００３６】
例えば、本実施形態の発電プラントシステムは、発電機６と燃料電池２４とが互いに独立に発電を行うシステムに比べて、少ないボイラ燃料およびＳＯＦＣ燃料で高い発電量を得ることが可能となる。さらに、本実施形態によれば、燃焼ボイラ２用の空気を燃料電池２４にも使用するための第１および第２空気予熱器１２、２５や、燃料電池２４の残留燃料から得られる熱を燃焼ボイラ２に渡して使用するためのＳＯＦＣ燃焼器２６により、熱力学的な効率をさらに向上させることが可能となる。
【００３７】
また、この技術は、既設の石炭火力発電所に燃料電池を新しく追設して適用することで全体の効率を向上することができる。これは、後述の第２、３、５〜１２実施形態でも同様である。
【００３８】
図１や図２の蒸気タービンサイクルは、再熱サイクルを構成しているが、再熱サイクルでないランキンサイクルを構成していてもよい。すなわち、第２加熱部２ｂ、中圧蒸気タービン４、低圧蒸気タービン５がなく、高圧蒸気タービン３と復水器７がつながっている構成にしてもよい。
【００３９】
なお、燃料電池２４は、本実施形態ではＳＯＦＣであるが、ＳＯＦＣ以外の燃料電池としてもよい。これは、後述の第２〜第１２実施形態でも同様である。
【００４０】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。図３の発電プラントシステムの構成機器は、図１等に示す構成機器と同様である。
【００４１】
図３では、第１加熱部２ａで加熱された蒸気が高圧蒸気タービン３に供給されている。高圧蒸気タービン３から排出された蒸気は第２加熱部２ｂで再熱された後、第３加熱部２７ａでも再熱されて中圧蒸気タービン４に供給される。本実施形態では、再熱に必要な加熱の一部を燃料電池２４の排熱によりまかなうため、第１実施形態と同様にボイラ燃料を減らすことができる。よって、システム全体の効率向上を実現することができる。
【００４２】
図３では、第２加熱部２ｂにおける燃焼排ガスが、空気極からの排ガスよりも低温である。一方、第２加熱部２ｂにおける燃焼排ガスが空気極からの排ガスよりも高温の場合には、図４の構成を採用してもよい。
【００４３】
図４は、第２実施形態の変形例の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【００４４】
図４では、高圧蒸気タービン３から排出された蒸気は第３加熱部２７ａにて再熱された後、第２加熱部２ｂでも再熱されて中圧蒸気タービン４に供給される。本変形例でも、再熱に必要な加熱の一部を燃料電池２４の排熱によりまかなうため、ボイラ燃料を減らすことができる。
【００４５】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。図５の発電プラントシステムの構成機器は、図１等に示す構成機器と同様である。
【００４６】
図５では、第１加熱部２ａで加熱された蒸気が高圧蒸気タービン３に供給されている。高圧蒸気タービン３から排出された蒸気は、第２加熱部２ｂで再熱されて中圧蒸気タービン４に供給される。中圧蒸気タービン４から排出された蒸気は、第３加熱部２７ａで再熱されて低圧蒸気タービン５に供給される。本実施形態では、燃焼ボイラ２に投入するボイラ燃料の量を増加させることなく、中圧タービン４から排出された蒸気をもう一度再熱させることができ、タービンサイクルの効率を向上させることができる。
【００４７】
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。図６の発電プラントシステムの構成機器は、図１等に示す構成機器と同様である。ただし、図６の燃焼ボイラ２は、第２加熱部２ｂを備えていない。
【００４８】
図６では、第１加熱部２ａで加熱された蒸気が高圧蒸気タービン３に供給されている。高圧蒸気タービン３から排出された蒸気は第３加熱部２７ａで再熱されて、中圧蒸気タービン４に供給される。本実施形態では、燃焼ボイラ２で蒸気を再熱しないことから、燃焼ボイラ２にて再熱を行うための熱量を発生させるための燃料を削減でき、システム全体の効率を向上させることができる。
【００４９】
図６の構成から、第１加熱部２ａと第３加熱部２７ａの加熱能力の違いや配管の構成を考慮して、それぞれが加熱する流体を入れ換えて図７の構成を採用してもよい。
【００５０】
図７は、第４実施形態の変形例の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【００５１】
図７では、第３加熱部２７ａにて加熱された蒸気が高圧蒸気タービン３に供給されている。高圧蒸気タービン３から排出された蒸気は第１加熱部２ａで再熱されて、中圧蒸気タービン４に供給される。本変形例でも、第２加熱部２ｂを使用しないことでシステム全体の効率を向上させることができる。
【００５２】
（第５実施形態）
図８は、第５実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。図８の発電プラントシステムは、図１等に示す構成機器に加えて、弁２８を備えている。
【００５３】
図８では、給水ポンプ１からの水を、弁２８により第１加熱部２ａと第３加熱部２７ａとに分岐させることができる。第１加熱部２ａと第３加熱部２７ａは、給水ポンプ１と高圧蒸気タービン３との間に並列に設けられている。第１加熱部２ａで加熱された蒸気と、第３加熱部２７ａで加熱された蒸気は、合流して高圧蒸気タービン３に供給される。本実施形態によれば、燃焼ボイラ２で加熱する蒸気の量が減るため、燃焼ボイラ２に投入する燃料が減り、システムの効率を向上させることができる。
【００５４】
なお、弁２８は、第１加熱部２ａと第３加熱部２７ａの一方のみに水を供給することも可能である。例えば、第３加熱部２７ａを使用しない場合には、第１加熱部２ａのみに水を供給するよう弁２８を制御する。
【００５５】
図８の蒸気タービンサイクルは、再熱サイクルを構成しているが、再熱サイクルでないランキンサイクルを構成していてもよい。すなわち、第２加熱部２ｂ、中圧蒸気タービン４、低圧蒸気タービン５がなく、高圧蒸気タービン３と復水器７がつながっている構成にしてもよい。
【００５６】
図９は、第５実施形態の変形例の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【００５７】
図９では、高圧蒸気タービン３から排出された蒸気が、第２加熱部２ｂと第３加熱部２７ａとに供給されている。第２加熱部２ｂと第３加熱部２７ａは、高圧蒸気タービン３と中圧蒸気タービン４の間に並列に設けられている。第２加熱部２ｂで再熱された蒸気と、第３加熱部２７ａで再熱された蒸気は、合流して中圧蒸気タービン４に供給される。本実施形態によれば、燃焼ボイラ２で再熱する蒸気の量が減るため、燃焼ボイラ２に投入する燃料が減り、システムの効率を向上させることができる。
【００５８】
（第６実施形態）
図１０は、第６実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。図１０の発電プラントシステムは、図９等に示す構成機器に加えて、蒸気加熱器２７内に第４加熱部２７ｂを備えている。
【００５９】
図１０では、給水ポンプ１からの水を、弁２８により第１加熱部２ａと第３加熱部２７ａに分岐させることができる。第１加熱部２ａと第３加熱部２７ａは、給水ポンプ１と高圧蒸気タービン３との間に並列に設けられている。第１加熱部２ａで加熱された蒸気と、第３加熱部２７ａで加熱された蒸気は、合流して高圧蒸気タービン３に供給される。本実施形態によれば、燃焼ボイラ２で加熱する蒸気の量が減るため、燃焼ボイラ２に投入する燃料が減り、システムの効率を向上させることができる。
【００６０】
図１０ではさらに、高圧蒸気タービン３から排出された蒸気が、第２加熱部２ｂと第４加熱部２７ｂとに供給されている。第２加熱部２ｂと第４加熱部２７ｂは、高圧蒸気タービン３と中圧蒸気タービン４の間に並列に設けられている。第２加熱部２ｂで再熱された蒸気と、第４加熱部２７ｂで再熱された蒸気は、合流して中圧蒸気タービン４に供給される。本実施形態によれば、燃焼ボイラ２で再熱する蒸気の量が減るため、燃焼ボイラ２に投入する燃料が減り、システムの効率を向上させることができる。
【００６１】
（第７実施形態）
図１１は、第７実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。図１１の発電プラントシステムは、図１０と同様に、蒸気加熱器２７内に第４加熱部２７ｂを備えている。
【００６２】
図１１では、給水ポンプ１から供給される水を第１加熱部２ａで加熱した後、第３加熱部２７ａで加熱し、第１および第３加熱部２ａ、２７ａで加熱された蒸気を高圧蒸気タービン３に供給する。なお、給水ポンプ１からの水は、第１加熱部２ａで蒸気に変化してもよいし、第３加熱部２７ａで蒸気に変化してもよい。高圧蒸気タービン３を通過した蒸気は、第４加熱部２７ｂにより加熱された後、第２加熱部２ｂにより加熱され、中圧蒸気タービン４に供給される。本実施形態によれば、燃焼ボイラ２で加熱および再熱する蒸気の量が減るため、燃焼ボイラ２に投入する燃料が減り、システムの効率を向上させることができる。
【００６３】
なお、本実施形態では、第１加熱部２ａにおける燃焼排ガスが空気極からの排ガスよりも低温であるため、第１加熱部２ａの下流に第３加熱部２７ａが位置している。一方、第１加熱部２ａが空気極からの排ガスよりも高温である場合には、第１加熱部２ａの上流に第３加熱部２７ａが配置される。
【００６４】
また、本実施形態では、第２加熱部２ｂが空気極からの排ガスよりも高温であるため、第２加熱部２ｂの上流に第４加熱部２７ｂが位置している。一方、第２加熱部２ｂが空気極からの排ガスよりも低温である場合には、第２加熱部２ｂの下流に第４加熱部２７ｂが配置される。
【００６５】
（第８実施形態）
図１２は、第８実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【００６６】
第１〜第７実施形態の蒸気加熱器２７は、空気極からの排ガスを利用して、蒸気タービン用の水または蒸気を加熱している。一方、本実施形態の蒸気加熱器２７は、燃料極からの排ガスを利用して、蒸気タービン用の蒸気を加熱している。これにより、本実施形態の蒸気加熱器２７を第１〜第７実施形態の蒸気加熱器２７と同様に機能させることが可能となる。
【００６７】
なお、本実施形態の蒸気加熱器２７は、発電プラントシステムを図１〜図１１のいずれかのように構成することで、蒸気タービンに供給する蒸気や水を加熱してもよい。すなわち、本実施形態の蒸気加熱器２７が加熱する作動流体は、蒸気でも水でもよい。
【００６８】
図１２の蒸気タービンサイクルは、再熱サイクルを構成しているが、再熱サイクルでないランキンサイクルを構成していてもよい。すなわち、第２加熱部２ｂ、中圧蒸気タービン４、低圧蒸気タービン５がなく、高圧蒸気タービン３と復水器７がつながっている構成にしてもよい。
【００６９】
（第９実施形態）
図１３は、第９実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。図１３の発電プラントシステムは、図１０と同様に、蒸気加熱器２７内に第４加熱部２７ｂを備えている。
【００７０】
第１〜第８実施形態の蒸気加熱器２７は、空気極と燃料極の一方のみからの排ガスを利用して、蒸気タービン用の水または蒸気を加熱している。一方、本実施形態の蒸気加熱器２７は、空気極と燃料極の両方からの排ガスを利用して、蒸気タービンに供給する水や蒸気を加熱している。これにより、本実施形態の蒸気加熱器２７を第１〜第８実施形態の蒸気加熱器２７と同様に機能させることが可能となる。
【００７１】
具体的には、第３加熱部２７ａは、第１加熱部２ａからの蒸気を燃料極からの排ガスを利用して加熱する。次に、第４加熱部２７ｂは、第３加熱部２ｂからの蒸気を空気極からの排ガスを利用して加熱する。第３および第４加熱部２７ｂにより加熱された蒸気は、高圧蒸気タービン３に供給される。
【００７２】
なお、本実施形態の蒸気加熱器２７は、発電プラントシステムを図１〜図１２のいずれかのように構成することで、蒸気タービンに供給する蒸気や水を加熱してもよい。これは、後述の第１０および第１１実施形態でも同様である。
【００７３】
また、本実施形態の蒸気加熱器２７は、燃料極からの排ガスを利用した後に空気極からの排ガスを利用しているが、代わりに、空気極からの排ガスを利用した後に燃料極からの排ガスを利用してもよい。
【００７４】
図１３の蒸気タービンサイクルは、再熱サイクルを構成しているが、再熱サイクルでないランキンサイクルを構成していてもよい。すなわち、第２加熱部２ｂ、中圧蒸気タービン４、低圧蒸気タービン５がなく、高圧蒸気タービン３と復水器７がつながっている構成にしてもよい。
【００７５】
（第１０実施形態）
図１４は、第１０実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【００７６】
本実施形態の蒸気加熱器２７は、第９実施形態と同様に、空気極と燃料極の両方からの排ガスを利用して、蒸気タービン用の蒸気を加熱している。これにより、本実施形態の蒸気加熱器２７を第１〜第９実施形態の蒸気加熱器２７と同様に機能させることが可能となる。
【００７７】
具体的には、燃料極からの排ガスと空気極からの排ガスは、発電プラントシステム内の流路で混合されてから蒸気加熱器２７に供給される。第３加熱部２７ａは、燃料極からの排ガスと空気極からの排ガスとの混合ガスを利用して、第１加熱部２ａからの蒸気を加熱する。燃料極からの排ガスと空気極からの排ガスとを混合させて蒸気加熱器２７に供給することで、蒸気加熱器２７内で熱交換できる熱量を増すことができる。
【００７８】
図１４の蒸気タービンサイクルは、再熱サイクルを構成しているが、再熱サイクルでないランキンサイクルを構成していてもよい。すなわち、第２加熱部２ｂ、中圧蒸気タービン４、低圧蒸気タービン５がなく、高圧蒸気タービン３と復水器７がつながっている構成にしてもよい。
【００７９】
（第１１実施形態）
図１５は、第１１実施形態の発電プラントシステムの構成を示す模式図である。
【００８０】
本実施形態の蒸気加熱器２７は、第９および第１０実施形態と同様に、空気極と燃料極の両方からの排ガスを利用して、蒸気タービンに供給する水や蒸気を加熱している。これにより、本実施形態の蒸気加熱器２７を第１〜第１０実施形態の蒸気加熱器２７と同様に機能させることが可能となる。
【００８１】
具体的には、燃料極からＳＯＦＣ燃焼器２６に供給される排ガスが空気極からの排ガスを用いて燃焼され、ＳＯＦＣ燃焼器２６からの排ガスとして蒸気加熱器２７に供給される。第３加熱部２７ａは、ＳＯＦＣ燃焼器２６からの排ガスを利用して、第１加熱部２ａからの蒸気を加熱する。
【００８２】
本実施形態によれば、燃料極と空気極からの排ガスを蒸気加熱器２７に供給する前にＳＯＦＣ燃焼器２６で燃焼させることで、より高温のガスを蒸気加熱器２７に供給することが可能となる。これにより、第１加熱部２ａからの蒸気が蒸気加熱器２７内で熱交換することのできる熱量を増やすことが可能となる。
【００８３】
図１５の蒸気タービンサイクルは、再熱サイクルを構成しているが、再熱サイクルでないランキンサイクルを構成していてもよい。すなわち、第２加熱部２ｂ、中圧蒸気タービン４、低圧蒸気タービン５がなく、高圧蒸気タービン３と復水器７がつながっている構成にしてもよい。
【００８４】
（第１２実施形態）
図１の発電プラントシステムは、燃焼ボイラ２から排出される排ガスの熱を有効利用するために、燃焼ボイラ２に供給する空気をこの排ガスにより予熱する第１空気予熱器１２を備えている。同システムはさらに、第１空気予熱器１２を通して燃焼ボイラ２に空気を供給する通風機１３を備えている。また、燃料電池２４は化学反応の継続のために高温の空気を必要とするため、同システムはさらに、燃料電池２４用の第２空気予熱器２５を備えている。
【００８５】
そして、同システムは、通風機１３および第１空気予熱器１２からの空気の一部を、第２空気予熱器２５に供給している。これにより、燃料電池２４用の空気を燃焼ボイラ２用の空気と一緒に得ることができるため、燃料電池２４用の空気の予熱を容易に実現することが可能となる。これは、図１以外に示す発電プラントシステムでも同様である。
【００８６】
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および方法は、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および方法の形態に対し、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。
【符号の説明】
【００８７】
１：給水ポンプ、２：燃焼ボイラ、２ａ：第１加熱部、２ｂ：第２加熱部、
３：高圧蒸気タービン、４：中圧蒸気タービン、５：低圧蒸気タービン、
６：発電機、７：復水器、１１：ボイラ燃料供給部、１２：第１空気予熱器、
１３：通風機、１４：煙突、２１：ＳＯＦＣ燃料供給部、２２：コントロール弁、
２３：改質器、２４：燃料電池、２５：第２空気予熱器、２６：ＳＯＦＣ燃焼器、
２７：蒸気加熱器、２７ａ：第３加熱部、２７ｂ：第４加熱部、２８：弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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