(57)【要約】      （修正有）【課題】ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）がトリップした場合も、ガスタービンを安定して運転できる発電システム及び発電システムの運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池と、ガスタービンと、燃料ガス供給ラインと、排燃料ガス供給ラインと、供給量調整部と、情報取得部１０２、通常時用演算部１０４、非常時用演算部１０８、及び、燃料ガス流量制御部１１０を備える制御装置６２と、を有し、燃料ガス流量制御部は、トリップ指令１０６が出力された場合、通常時用演算部及び非常時用演算部で演算した燃料ガス流量制御弁の開度を用いて供給量調整部を制御し、ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃焼器を備えるガスタービンと、
前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
前記燃料電池から排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガス供給ラインと、
前記燃料ガス供給ラインに設置された燃料ガス流量制御弁を備え、前記燃料ガス流量制御弁の開度により燃料ガスの供給量を調整し、前記燃料ガス供給ラインから前記燃焼器に供給する前記燃料ガスの流量を調整する供給量調整部と、
各部から情報を取得する情報取得部、前記情報取得部が取得した情報を演算処理し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する通常時用演算部、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する非常時用演算部、及び、前記通常時用演算部で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、かつ、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正して前記燃料ガス流量制御弁の開度を制御し前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御部を備える制御装置と、を有し、
前記燃料ガス流量制御部は、トリップ指令が出力された場合、前記通常時用演算部及び前記非常時用演算部で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記非常時用演算部は、前記トリップ指令を検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量の値を前記燃料ガス流量制御部に出力し、
前記燃料ガス流量制御部は、前記通常時用演算部から出力された流量と前記非常時用演算部から出力された流量とを加算した流量の燃料ガスを前記ガスタービンに供給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】
燃料電池と、
燃焼器を備えるガスタービンと、
前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
前記燃料電池から排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガス供給ラインと、
前記燃料ガス供給ラインに設置された燃料ガス流量制御弁を備え、前記燃料ガス流量制御弁の開度により燃料ガスの供給量を調整し、前記燃料ガス供給ラインから前記燃焼器に供給する前記燃料ガスの流量を調整する供給量調整部と、
各部から情報を取得する情報取得部、前記情報取得部が取得した情報を演算処理し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する通常時用演算部、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する非常時用演算部、前記通常時用演算部で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、かつ、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正して前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御部、及び、トリップ指令が出力された場合、前記燃料ガス流量制御部と前記非常時用演算部で演算した結果を用いて前記燃料ガス流量制御弁の開度を制御し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量補正制御部を備える制御装置と、を有し、
前記非常時用演算部は、トリップ指令が出力された場合、前記燃料ガス流量補正制御部に演算した結果を出力することを特徴とする発電システム。
【請求項４】
前記非常時用演算部は、前記トリップ指令を検出してから一定時間、前記燃料ガス流量制御弁の開度の値を一定の値で前記燃料ガス流量制御部に出力することを特徴とする請求項２または３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記非常時用演算部は、前記トリップ指令を検出してから一定時間経過後、前記燃料ガス流量制御弁の開度の値を徐々に減少させて前記燃料ガス流量制御部に出力することを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記排燃料ガス供給ラインに配置され、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量を計測する排ガス流量計を有し、
前記非常時用演算部は、前記排燃料ガス流量計の結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量を算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記非常時用演算部は、前記情報取得部から指令値に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量を取得し、取得した指令値に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量を算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項８】
前記非常時用演算部は、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に加え、前記情報取得部から排空気の温度、排燃料ガスの温度及び燃料ガスの熱量に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量を算出することを特徴とする請求項６または７に記載の発電システム。
【請求項９】
前記燃料ガス流量制御部は、前記トリップ指令が出力された場合、所定の時間、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正する処理を停止、所定の時間経過後、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正する処理を開始することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記燃料ガス流量制御部は、前記トリップ指令が出力された場合、前記燃料ガス流量制御部と前記非常時用演算部で演算した結果を用いて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出しつつ、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正して前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御し、所定の時間経過後、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正する制御を停止し、その後、その時点における前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量の制御値を初期値とし、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正する制御を開始することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記燃料電池から排酸化性ガスを前記燃焼器に供給する排酸化性ガスラインと、
前記ガスタービンの圧縮機から前記燃焼器に圧縮酸化性ガスを供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、を有し、
前記制御装置は、前記ガスタービンの最大出力を算出する最大出力演算部、前記トリップ指令が出力された場合、前記燃焼器に供給する燃料ガス及び圧縮空気の供給量を前記最大出力演算部で算出した最大出力以下に制限する出力制限部をさらに有し、
前記燃料ガス流量制御部は、前記トリップ指令が出力された場合、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を、前記出力制限部で出力された値以下とすることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項１２】
前記圧縮酸化性ガス供給ラインから前記燃焼器に供給される圧縮酸化性ガスの流量を調整する圧縮空気調整部を備え、
前記制御装置は、前記情報取得部が取得した情報を演算処理し、前記圧縮機から排出する圧縮酸化性ガスの流量を算出する圧縮空気量制御部を有し、
前記圧縮空気量制御部は、前記トリップ指令が出力された場合、前記圧縮機から排出する圧縮酸化性ガスの流量を、前記出力制限部で出力された値以下とすることを特徴とする請求項１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
燃料電池と、燃焼器を備えるガスタービンと、前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガス供給ラインと、前記燃料ガス供給ラインに設置された燃料ガス流量制御弁を備え、前記燃料ガス流量制御弁の開度により燃料ガスの供給量を調整し、前記燃料ガス供給ラインから前記燃焼器に供給する前記燃料ガスの流量を調整する供給量調整部と、を有する発電システムの運転方法であって、
各部から情報を取得し、取得した情報を演算処理し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する通常時用演算工程と、
前記通常時用演算工程で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、かつ、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正して前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する工程と、
前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する非常時用演算工程と、
トリップ指令が出力された場合、前記通常時用演算工程及び前記非常時用演算工程で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する工程と、を有することを特徴とする発電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及び発電システムの運転方法に関する。
【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、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料及び排熱をガスタービンの燃焼器において燃料及び酸化性ガスとして使用することができる。また、ＳＯＦＣの他に作動温度が高い燃料電池として溶融炭酸塩形燃料電池が知られており、ＳＯＦＣと同様にガスタービンとの連携による排熱利用が検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。また、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とガスタービンに加え、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。また、特許文献１には、ＳＯＦＣ（燃料電池）とガスタービンを備えるコンバインドシステムにおいて、ガスタービンに供給する燃料系統を複数備え、それぞれの系統の流量を調整することが記載されている。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した発電システムにおいて、ＳＯＦＣから排出される排燃料ガスと排空気をガスタービン燃焼器に供給する。また、ガスタービン燃焼器は、排燃料ガスと排空気に加え、ＳＯＦＣを経由していない燃料ガスと圧縮機から排出された空気も供給される。ここで、発電システムにおいて、ＳＯＦＣの運転が予期せずに停止、具体的にはトリップしてしまうと、ＳＯＦＣからガスタービン燃焼器への排燃料ガスの供給を停止することになり、ガスタービン燃焼器に供給される燃料が減少してしまい、運転状態が変動してしまう。
【０００６】
これに対して、特許文献１では、発熱量が一定となるように、燃料電池から出力された可燃性ガスと共に供給する別系統で精製した可燃性ガスの供給量を調整しているが、ＳＯＦＣからの排燃料ガスと排空気（排酸化性ガス）を用いて燃焼させた燃焼ガスによってガスタービンを安定かつ高効率に運転するために改善の余地がある。また、特許文献１では、ＳＯＦＣのトリップ時の制御について、特に考慮されていない。なお、ＳＯＦＣ以外の燃料電池を用いた場合も同様の課題が生じる。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、ＳＯＦＣがトリップした場合も、ガスタービンの燃焼器における安定した燃焼及び出力制御ができるように燃料流量の制御をかけることで、ガスタービンを安定して運転できる発電システム及び発電システムの運転方法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】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、燃料電池と、燃焼器を備えるガスタービンと、前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガス供給ラインと、前記燃料ガス供給ラインに設置された燃料ガス流量制御弁を備え、前記燃料ガス流量制御弁の開度により燃料ガスの供給量を調整し、前記燃料ガス供給ラインから前記燃焼器に供給する前記燃料ガスの流量を調整する供給量調整部と、各部から情報を取得する情報取得部、前記情報取得部が取得した情報を演算処理し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する通常時用演算部、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する非常時用演算部、及び、前記通常時用演算部で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、かつ、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正して前記燃料ガス流量制御弁の開度を制御し前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御部を備える制御装置と、を有し、前記燃料ガス流量制御部は、トリップ指令が出力された場合、前記通常時用演算部及び前記非常時用演算部で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明の発電システムでは、前記非常時用演算部は、前記トリップ指令を検出した場合、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量の値を前記燃料ガス流量制御部に出力し、前記燃料ガス流量制御部は、前記通常時用演算部から出力された流量と前記非常時用演算部から出力された流量とを加算した流量の燃料ガスを前記ガスタービンに供給することが好ましい。
【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、燃料電池と、燃焼器を備えるガスタービンと、前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガス供給ラインと、前記燃料ガス供給ラインに設置された燃料ガス流量制御弁を備え、前記燃料ガス流量制御弁の開度により燃料ガスの供給量を調整し、前記燃料ガス供給ラインから前記燃焼器に供給する前記燃料ガスの流量を調整する供給量調整部と、各部から情報を取得する情報取得部、前記情報取得部が取得した情報を演算処理し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する通常時用演算部、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する非常時用演算部、前記通常時用演算部で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、かつ、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正して前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御部、及び、トリップ指令が出力された場合、前記燃料ガス流量制御部と前記非常時用演算部で演算した結果を用いて前記燃料ガス流量制御弁の開度を制御し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量補正制御部を備える制御装置と、を有し、前記非常時用演算部は、トリップ指令が出力された場合、前記燃料ガス流量補正制御部に演算した結果を出力することを特徴とする。
【００１１】
本発明の発電システムでは、前記非常時用演算部は、前記トリップ指令を検出してから一定時間、前記燃料ガス流量制御弁の開度の値を一定の値で前記燃料ガス流量制御部に出力することが好ましい。
【００１２】
本発明の発電システムでは、前記非常時用演算部は、前記トリップ指令を検出してから一定時間経過後、前記燃料ガス流量制御弁の開度の値を徐々に減少させて前記燃料ガス流量制御部に出力することが好ましい。
【００１３】
本発明の発電システムでは、前記排燃料ガス供給ラインに配置され、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量を計測する排燃料ガス流量計を有し、前記非常時用演算部は、前記排燃料ガス流量計の結果に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量を算出することが好ましい。
【００１４】
本発明の発電システムでは、前記非常時用演算部は、前記情報取得部から指令値に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量を取得し、取得した指令値に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量を算出することが好ましい。
【００１５】
本発明の発電システムでは、前記非常時用演算部は、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に加え、前記情報取得部から排空気の温度、排燃料ガスの温度及び燃料ガスの熱量に基づいて、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量を算出することが好ましい。
【００１６】
本発明の発電システムでは、前記燃料ガス流量制御部は、前記トリップ指令が出力された場合、所定の時間、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正する処理を停止し、所定の時間経過後、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正する処理を開始することが好ましい。
【００１７】
本発明の発電システムでは、前記燃料ガス流量制御部は、前記トリップ指令が出力された場合、前記燃料ガス流量制御部と前記非常時用演算部で演算した結果を用いて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出しつつ、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正して前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御し、所定の時間経過後、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正する制御を停止し、その後、その時点における前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量の制御値を初期値とし、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正する制御を開始することが好ましい。
【００１８】
本発明の発電システムでは、前記燃料電池から排酸化性ガスを前記燃焼器に供給する排酸化性ガスラインと、前記ガスタービンの圧縮機から前記燃焼器に圧縮酸化性ガスを供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、を有し、前記制御装置は、前記ガスタービンの最大出力を算出する最大出力演算部、前記トリップ指令が出力された場合、前記燃焼器に供給する燃料ガス及び圧縮空気の供給量を前記最大出力演算部で算出した最大出力以下に制限する出力制限部をさらに有し、前記燃料ガス流量制御部は、前記トリップ指令が出力された場合、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を、前記出力制限部で出力された値以下とすることが好ましい。
【００１９】
本発明の発電システムでは、前記圧縮酸化性供給ラインから前記燃焼器に供給される圧縮酸化性ガスの流量を調整する圧縮空気調整部を備え、前記制御装置は、前記情報取得部が取得した情報を演算処理し、前記圧縮機から排出する圧縮酸化性ガスの流量を算出する圧縮空気量制御部を有し、前記圧縮空気量制御部は、前記トリップ指令が出力された場合、前記圧縮機から排出する圧縮酸化性ガスの流量を、前記出力制限部で出力された値以下とすることが好ましい。
【００２０】
上記の目的を達成するための本発明の発電システムの運転方法は、燃料電池と、燃焼器を備えるガスタービンと、前記燃焼器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガス供給ラインと、前記燃料ガス供給ラインに設置された燃料ガス流量制御弁を備え、前記燃料ガス流量制御弁の開度により燃料ガスの供給量を調整し、前記燃料ガス供給ラインから前記燃焼器に供給する前記燃料ガスの流量を調整する供給量調整部と、を有する発電システムの運転方法であって、各部から情報を取得し、取得した情報を演算処理し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する通常時用演算工程と、前記通常時用演算工程で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、かつ、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスの流量に基づいて、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を補正して前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する工程と、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量に基づいて前記燃料ガス流量制御弁の開度を算出する非常時用演算工程と、トリップ指令が出力された場合、前記通常時用演算工程及び前記非常時用演算工程で演算した結果を用いて前記供給量調整部を制御し、前記ガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、ＳＯＦＣの運転状態を考慮して、ガスタービン燃焼器への燃料流量の制御を行うことができ、燃料ガスの流量指令の精度を高め、ガスタービンを安定して運転することができる。また、本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、ＳＯＦＣからガスタービンの燃焼器に供給される排燃料ガスと排酸化性ガスの条件を考慮して、燃焼器への燃料流量制御を行うので、ＳＯＦＣの起動停止時や発電システムの負荷変化時であっても出力制御（ガスタービンの燃焼器への燃料流量制御）を適正に行ことができる。さらに、本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、燃料流量制御の偏差を小さくできることから、燃料流量制御の偏差に伴う負荷変化速度の制約を受けずに運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。
【図２】図２は、本実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。
【図３】図３は、本実施例の発電システムの動作の一例を示す説明図である。
【図４】図４は、他の実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。
【図５】図５は、他の実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。
【図６】図６は、他の実施例の発電システムの動作の一例を示す説明図である。
【図７】図７は、他の実施例の発電システムの動作の一例を示す説明図である。
【図８】図８は、他の実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。
【図９】図９は、他の実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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１】
【００２４】
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。
【００２５】
図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。本実施例において、図１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。圧縮機２１は、空気取り込み口に開度を調整できる入口案内翼（ＩＧＶ：Ｉｎｌｅｔ  Ｇｕｉｄｅ  Ｖａｎｅ）２１ａが設けられている。圧縮機２１は、入口案内翼２１ａの開度を大きくすることで、圧縮機２１が生成する圧縮空気量を増加させ、開度を小さくすることで、圧縮機２１が生成する圧縮空気量を減少させる。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。また、燃焼器２２には、後述するＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３と排空気（排酸化性ガス）Ａ３が供給される。燃焼器２２は、排燃料ガスＬ３と排空気（排酸化性ガス）Ａ３が供給されると、圧縮空気Ａ１と燃焼ガスＬ１とともに排燃料ガスＬ３と排空気（排酸化性ガス）Ａ３を混合して燃焼させる。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇ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及び後述する燃料ガスＬ２の各燃料ガスは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（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ることが可能である。
【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）と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で圧縮された一部の圧縮空気（圧縮酸化性ガス）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。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、本実施形態では、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気とした場合で説明する。また、ＳＯＦＣ１３から排出される排酸化性ガスは、排空気となる。また、発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３に酸化性ガスまた排酸化性ガスが供給される。
【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（圧縮酸化性ガス供給ライン）３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気（圧縮酸化性ガス）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（昇圧機）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。なお、制御弁３２とブロワ（昇圧機）３３の配置は図１の配置に限定されることはなく、ブロワ（昇圧機）や制御弁の形式によって順序を逆にして配置してもよい。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気（排酸化性ガス）Ａ３を排出する排空気ライン（排酸化性ガス供給ライン）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排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される排空気供給ライン（排酸化性ガス供給ライン）３６とに分岐される。つまり、排空気ライン３４と排空気供給ライン３６とは、ＳＯＦＣ１３の空気極で用いられた排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排空気供給ラインとして機能する。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、排空気供給ライン３６は、ＳＯＦＣ１３とガスタービン１１との間の系統を切り離すための遮断弁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排燃料ガス流量制御弁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。排燃料ガス流量制御弁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、排燃料ガス流量制御弁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。なお、排燃料ガス流量制御弁４７とブロワ（昇圧機）４８の配置は図１の配置に限定されることはなく、ブロワ（昇圧機）や制御弁の形式によっては順序を逆にして配置してもよい。
【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には、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Ｓによりタービン５２が回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの燃焼排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。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とが設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７とが設けられている。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Ｇは、大気へ放出される。なお、本実施例においては排ガスＧをＨＲＳＧ５１の熱源として利用しているが、排ガスＧはＨＲＳＧ５１以外の各種機器の熱源として利用することも可能である。
【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が起動した後に蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３が起動する。
【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が排ガスＧ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】
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の加圧を開始し、加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と排空気供給ライン３６の遮断弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態もしくはブロワ３３を運転した状態で、制御弁３２を所定開度だけ開放する。発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３の加圧専用の制御弁を設け、当該制御弁を所定開度だけ開放してもよい。なお、ここで昇圧速度を制御するための開度調整を行う。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では、燃料極側に燃料ガスＬ２、図示されていない圧縮空気ラインの分岐から圧縮空気（酸化性ガス）を供給して昇圧を開始する。発電システム１０は、燃料極にパージガスを供給するパージガス供給手段を設け、燃料極にパージガスを供給することで、ＳＯＦＣ１３の燃料極側を昇圧させるようにしてもよい。ここで、パージガスとしては、窒素等の不活性ガスを用いることができる。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の排燃料ガス流量制御弁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。なお、再循環ブロワ５０は燃料極側の加圧前に起動していてもよい。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側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の燃料極側は、燃料ガスＬ２、空気、不活性ガス等が供給されることで圧力が上昇する。このとき、ＳＯＦＣ１３の燃料極側の圧力は、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力との差圧が所定値以内になるよう、制御が行われている。
【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にてＳＯＦＣ１３への供給空気流量を制御すると共に、ブロワ３３が起動していなければブロワ３３を駆動する。それと同時に遮断弁３８を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排空気供給ライン３６から燃焼器２２に供給する。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と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の圧力制御が安定したら、制御弁３７が開放となっている場合は閉止する一方、遮断弁３８の開放を維持する。このため、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が排空気供給ライン３６から燃焼器２２に供給され続ける。また、排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器２２へ投入可能な成分となったら、制御弁４６を閉止する一方、排燃料ガス流量制御弁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の駆動による発電機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】
次に、燃焼器２２に供給する燃料ガスの流量の制御について説明する。本実施形態の発電システム１０は、第１燃料ガス供給ライン２７に燃料ガス流量制御弁７０が設けられている。発電システム１０は、燃料ガス流量制御弁７０の開閉、開度を制御することで、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１の流量を制御することができる。なお、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１の流量を制御する供給量調整部は、制御弁以外の機構でもよく、例えばポンプ、フィーダで調整をしてもよい。
【００４０】
また、本実施形態の発電システム１０は、燃料供給ライン２７に設けられ、燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１の流量を検出する燃料ガス流量計８０と、排燃料ガス供給ライン４５に設けられ、燃焼器２２に供給される排燃料ガスの流量を検出する排燃料ガス流量計８２と、ＩＧＶ２１ａの開度を検出するＩＧＶ開度検出部８６と、を有する。燃料ガス流量計８０、排燃料ガス流量計８２、ＩＧＶ開度検出部８６は、検出結果を制御装置６２に送る。また、発電システム１０は、大気圧を検出する大気温度検出部と、排空気供給ライン３６に設けられ、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３の温度を検出する排空気温度検出部、排燃料ガス供給ライン４５に設けられ、燃焼器２２に供給される排燃料ガスＬ３の温度を検出する排燃料ガス温度検出部、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、圧縮機２１から排出される圧縮空気Ａ２の温度を基準温度として検出する基準温度検出部等、発電システム１０の各部の情報を取得する検出部も有する。
【００４１】
次に、図２を用いて、制御装置６２の構成について説明する。ここで、図２は、本実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。なお、図２は、制御装置６２の機能のうち、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１の流量を制御する機能を抽出した構成である。制御装置６２は、図２に示す構成以外にも各種機能を実現する機能を備えている。
【００４２】
制御装置６２は、各部から情報を取得する情報取得部１０２と、情報取得部１０２が取得した情報に基づいて演算を行い、燃焼器２２への燃料ガスＬ１の供給量を算出する通常時用演算部１０４と、ＳＯＦＣ１３がトリップしたことを検出した場合、トリップ指令を出力するトリップ指令出力部１０６と、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスＬ１の流量を算出する非常時用演算部１０８と、通常時用演算部１０４で算出された燃焼器２２への燃料ガスＬ１の供給量と非常時用演算部１０８で算出された燃焼器２２への燃料ガスＬ１の供給量とに基づいて、燃料ガス流量制御弁７０の動作を制御する燃料ガス流量制御部１１０と、を有する。通常時用演算部１０４、トリップ指令出力部１０６、非常時用演算部１０８、燃料ガス流量制御部１１０は、関数演算器で機能を実現してもよいし、演算プログラムを処理することで機能を実現してもよい。また、制御装置６２の各部は、物理的に個別の処理装置としてもよいし、１つの処理装置の機能を仮想で分離したものでもよい。
【００４３】
情報取得部１０２は、制御装置６２の他の機能から出力されるガスタービン１１の発電出力の指令値（発電量の指示値）、大気温度の検出結果、排空気温度検出部８２から出力される排空気の温度の検出結果、制御装置６２の他の機能から出力されるＳＯＦＣ１３の発電出力の指令値（発電量の指示値）、熱量を算出するための基準温度、燃料ガスの成分（熱量）等を取得する。
【００４４】
通常時用演算部１０４は、情報取得部１０２から入力された情報に対して、設定された演算式で演算を行うことで、燃焼器２２に供給する燃料ガスの流量指令（ＧＴ燃料ガス流量指令）を作成する。具体的には、通常時用演算部１０４は、情報取得部１０２の各部で取得された、ガスタービン発電出力指令（ＧＴ出力指令）、大気温度、排空気温度（ＳＯＦＣ排空気温度）、ＳＯＦＣの電流指令、基準温度、ＩＧＶ２１の開度（ＧＴ−ＩＧＶ開度）、排燃料温度（ＳＯＦＣ排燃料温度）を用いて演算処理を行い、燃料ガスの流量指令（ＧＴ燃料ガス流量指令）を算出する。通常時用演算部１０４が、燃料ガスの流量指令を算出する方法は、種々の方法を用いることができ、上述した情報の全てを用いて算出しても、一部を用いて算出しても、さらに他の情報を用いて算出してもよい。
【００４５】
トリップ指令出力部１０６は、ＳＯＦＣ１３がトリップしたことを検出した場合、トリップ指令を排燃料ガス流量制御弁４７及び非常時用演算部１０８に出力する。トリップ指令出力部１０６は、情報取得部１０２が取得した情報に基づいて、ＳＯＦＣ１３がトリップしたかを判定する。トリップ指令出力部１０６は、情報取得部１０２が取得した情報にトリップ情報が含まれているかを判定してもよいし、情報取得部１０２が取得した情報を処理して、ＳＯＦＣ１３がトリップするかを判定してもよい。また、トリップ指令出力部１０６は、排燃料ガス流量制御弁４７及び非常時用演算部１０８以外にもトリップ指令を出力してもよい。
【００４６】
非常時用演算部１０８は、排燃料ガス流量計８２から出力された排燃料ガスの流量と、情報取得部１０２から取得した情報に基づいて、排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量を算出する。つまり、非常時用演算部１０８は、排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスと同様の熱量とある燃料ガスの流量を算出する。本実施形態の非常時用演算部１０８は、流量を排燃料ガス流量制御弁４７、燃料ガス流量制御弁７０の弁開度に換算した値で処理を実行する。
【００４７】
非常時用演算部１０８は、燃料ガス流量制御弁７０の開度をＹＮＧとし、排燃料ガス流量計８２での計測結果（ＳＯＦＣ排燃料ガス流量）をＦＳＯＦＣとし、排燃料ガスの熱量をＬＨＶＳＯＦＣとし、燃料ガスの熱量をＬＨＶＮＧとし、燃料ガス流量から燃料ガス流量制御弁７０の弁開度への変換係数をαとすると、開度ＹＮＧは、下記式で算出することができる。熱量ＬＨＶＳＯＦＣと、熱量ＬＨＶＮＧは、一定値または計測したガス組成から計算することができる。
ＹＮＧ＝ＦＳＯＦＣ×ＬＨＶＳＯＦＣ／ＬＨＶＮＧ×α
【００４８】
燃料ガス流量制御部１１０は、通常処理時、つまり、トリップ指令に基づいた処理を行っていない間、通常時用演算部１０４で演算した結果を用いて燃料ガス流量制御弁７０を制御する。また、燃料ガス流量制御部１１０は、燃料ガス流量計８０で検出した燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスの流量に基づいて、ガスタービン１１の燃焼器２２に供給する燃料ガスの流量を補正し、供給する燃料ガスの流量を制御する。燃料ガス流量制御部１１０は、燃料ガス流量制御弁７０の開度を制御することで、燃焼器２２に供給する燃料ガスの流量を制御する。燃料ガス流量制御部１１０は、トリップ指令出力部１０６からトリップ指令が出力された場合、通常時用演算部１０４及び非常時用演算部１０８で演算した結果を用いて燃料ガス流量制御弁７０を制御し、ガスタービン１１の燃焼器２２に供給する燃料ガスの流量を制御する。
【００４９】
次に、図２及び図３を用いて、ＳＯＦＣ１３がトリップした場合の制御装置６２の処理を説明する。図３は、本実施例の発電システムの動作の一例を示す説明図である。図３の燃料ガス流量制御弁開度（制御部出力）は、燃料ガス流量制御部１１０から燃料ガス流量制御弁７０に出力される指令値（制御信号）である。制御部出力は、図中上方向に向かうにしたがって開度が大きくなり、燃料ガスの流量が増加する。燃料ガス流量は、計測値が燃料ガス流量計８０で計測した値であり、目標値が通常時用演算部１０４で算出される値である。排燃料ガス流量は、排燃料ガス流量計８２から出力される排燃料ガスの流量である。燃料ガス流量制御部モードは、燃料ガス流量制御部１１０で実行する処理のモードである。オートは、燃料ガス流量制御部１１０が燃料ガス流量計８０から出力された流量に基づいて、弁開度を補正する処理を行うモードであり、マニュアルは、燃料ガス流量制御部１１０が燃料ガス流量計８０から出力された流量に基づいて、弁開度を補正する処理を行わないモード（つまり通常時用演算部１０４と非常時用演算部１０８から燃料ガス流量制御部１１０に入力された情報に基づいて算出した開度を維持するモード）である。
【００５０】
制御装置６２は、図３に示すように、時間ｔ１までは、通常モードで制御を行う。このとき、燃料ガス流量制御部１１０は、オートで制御しており、通常時用演算部１０４から出力される指令値に基づいて目標値を算出し、燃料ガス流量計８０から出力される結果に基づいて燃料ガス流量制御弁７０の弁開度を補正する。また、本実施形態の非常時用演算部１０８は、トリップ指令を検出するまで燃料ガス流量制御部１１０に指令値を出力しない。
【００５１】
その後、時間ｔ１でトリップ指令が出力されると、排燃料ガス流量制御弁４７が閉じられて、排燃料ガスの流量が０となり、モードがオートからマニュアルに切り替えられる。また、時間ｔ１でトリップ指令が出力されると、非常時用演算部１０８は、排燃料ガス流量計８２から出力された計測値に基づいて排燃料ガス流量制御弁４７の開度を算出し、燃料ガス流量制御部１１０に出力する。燃料ガス流量制御部１１０は、通常時用演算部１０４から出力された弁開度と非常時用演算部１０８から出力された弁開度を加算した弁開度を制御値として排燃料ガス流量制御弁４７の開度を制御する。燃料ガス流量制御部１１０は、通常時用演算部１０４から出力された弁開度と非常時用演算部１０８から出力された弁開度を加算した弁開度と、それぞれの弁開度から算出される流量の合計値となるように弁開度を補正してもよいし、各演算部で補正した値を出力するようにしてもよい。また、制御装置６２は、モードをマニュアルに切り換えている間に、情報取得部１０２から出力される情報が変化し、通常時用演算部１０４から出力される目標値が排燃料ガスの流量が０になった場合に必要な燃料ガスの流量となる。
【００５２】
制御装置６２は、時間ｔ１から所定時間経過した後の時間ｔ２でモードをマニュアルからオートに切り換え、非常時用演算部１０８から信号値の出力を停止し、燃料ガス流量制御部１１０で通常時用演算部１０４から出力される弁開度（目標値）に基づいて、制御部出力を行う。また、燃料ガス流量制御部１１０は、燃料ガス流量計８０から出力される値に基づいて弁開度を補正する制御も実行する。制御装置６２は、制御のモードをバンプレスに切り替えることができるようにトラッキング処理を施すことが好ましい。
【００５３】
発電システム１０及び制御装置６２は、以上のように演算を行うことで、ＳＯＦＣ１３のトリップ発生直後に、排燃料ガスの供給停止により低減した燃料に対応する燃料分を燃料ガスで燃焼器２２に供給することができる。つまり、情報取得部１０２から出力される情報に基づいて実行する制御で生じる制御の遅れを低減することができる。以上より、燃焼器２２への外乱を小さく抑えることが可能となり、ＳＯＦＣ１３にトリップが発生した後もガスタービン１１を単独で安定して運転できる。
【００５４】
具体的には、制御装置６２は、トリップ指令が出力された場合、非常時用演算部１０８から燃料ガス流量制御部１１０に算出した弁開度を入力することで、ＳＯＦＣ１３のトリップ直後に燃料ガス流量制御弁７０、つまりガスタービンに供給する燃料ガスの流量を制御する制御弁を強制的に開く（弁開度を強制的に大きくする）ことができ、燃焼器２２に供給される燃料が低減することを抑制することができ、ＳＯＦＣ１３のトリップ時もガスタービン１１を安定して稼働させることができる。また、制御装置６２は、非常時用演算部１０８から燃料ガス流量制御部１１０に算出した弁開度を入力し、燃料ガス流量制御弁７０の開度を、ＳＯＦＣ１３のトリップ直前の燃料ガスに非常時用演算部１０８から出力された値を加算したものとする。例えば、トリップ直前に排燃料ガス流量制御弁４７が２０％開いていて、排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量の燃料ガス流量制御弁７０の開度が１０％であれば、燃料ガス流量制御弁７０の開度を３０％とする。これにより、ガスタービン１１に供給される燃料の熱量の変動を小さくすることができる。
【実施例２】
【００５５】
次に、図４を用いて、実施例２の発電システムを説明する。図４は、他の実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。実施例２の発電システムは、制御装置６２ａ以外の構成は、図１に示す発電システム１０と同様である。以下、制御装置６２ａの構成について説明する。
【００５６】
制御装置６２ａは、情報取得部１０２と、通常時用演算部１０４と、トリップ指令出力部１０６と、非常時用演算部１０８ａと、燃料ガス流量制御部１１０と、を有する。非常時用演算部１０８ａは、排燃料ガス流量計８２に換えて、情報取得部１０２から出力される情報に基づいて排燃料ガスの流量を算出し、情報取得部１０２から取得した情報に基づいて、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量を算出する。つまり、非常時用演算部１０８ａは、排燃料ガスの流量の計測値を用いずに、排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスと同様の熱量とある燃料ガスの流量を算出する。
【００５７】
非常時用演算部１０８ａは、燃料ガス流量制御弁７０の開度をＹＮＧとし、燃料ガスの熱量をＬＨＶＮＧとし、燃料ガス流量から燃料ガス流量制御弁７０の弁開度への変換係数をαとし、ＳＯＦＣの電流指令値をＩＳＯＦＣとし、排燃料ガスの温度をＴｆｕｅｌとし、排空気の温度をＴａｉｒとし、電流指令値から熱流量への変換係数をβ１とし、温度から電流値への変換係数をβ２、β３とすると、開度ＹＮＧは、下記式で算出することができる。
ＹＮＧ＝ＩＳＯＦＣ×（１＋Ｔｆｕｅｌ×β２＋Ｔａｉｒ×β３）×β１／ＬＨＶＮＧ×α
【００５８】
制御装置６２ａは、非常時用演算部１０８ａが情報取得部１０２で取得した指令値（制御情報）を用いて、演算を行うことで排燃料ガス流量計８２を設けなくても制御を実行することができる。
【００５９】
また、制御装置６２ａは、排燃料ガスの流量を燃料ガスの流量に換算する際に排空気の温度、排燃料の温度を考慮することで、排燃料ガスの流量から燃料ガスの流量への換算の精度をより高くすることができる。なお、上述した実施例１の制御装置６２も排燃料ガス流量計８２の結果を用いつつ、排空気の温度、排燃料の温度を考慮してもよい。なお、排空気の温度、排燃料の温度は、排燃料ガス、排空気が流れているライン内の温度を温度計で計測することで算出することができる。
【実施例３】
【００６０】
次に、図５及び図６を用いて、実施例３の発電システムを説明する。図５は、他の実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。図６は、他の実施例の発電システムの動作の一例を示す説明図である。実施例３の発電システムは、制御装置６２ｂ以外の構成は、図１に示す発電システム１０と同様である。以下、制御装置６２ｂの構成について説明する。
【００６１】
制御装置６２ｂは、情報取得部１０２と、通常時用演算部１０４と、トリップ指令出力部１０６と、非常時用演算部１０８と、燃料ガス流量制御部１１０と、弁開度制御部１２０と、を有する。制御装置６２ｂは、非常時用演算部１０８で算出した結果（弁開度の指令値）を弁開度制御部１２０に出力する。制御装置６２ｂは、通常時用演算部１０４から出力された結果に基づいて燃料ガス流量制御部１１０で算出した結果（弁開度の指令値）を弁開度制御部１２０に出力する。
【００６２】
弁開度制御部１２０は、燃料ガス流量制御部１１０から出力された弁開度と非常時用演算部１０８から算出された弁開度とを合算して燃料ガス流量制御弁７０の弁開度を設定し、設定した弁開度で燃料ガス流量制御弁７０を制御する。
【００６３】
制御装置６２ｂは、弁開度制御部１２０を設け、非常時用演算部１０８で算出した弁開度を弁開度制御部１２０に入力することで、燃料ガス流量制御部１１０での制御のモードを変更せずに実施例１、２と同様の処理を行うことができる。また、制御装置６２ｂは、燃料ガス流量計８０の検出結果に基づいて補正を行う処理をオートで行うことで、非常時用演算部１０８から出力される値が実際の値と大きく離れている場合、補正することができる。
【００６４】
次に、図６を用いて、トリップ信号発生時の制御装置６２ｂの制御について説明する。図６に示す燃料ガス流量制御部出力は、燃料ガス流量制御部１１０から出力される値（指令値）であり、非常時用演算部出力は、非常時用演算部１０８から出力される値（指令値）である。
【００６５】
本実施形態の非常時用演算部１０８は、非常時用演算部出力に示すように、トリップ指令が時間ｔ１に出力されると、算出した排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量の弁開度を出力する。非常時用演算部１０８は、算出した排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量の弁開度を一定時間、具体的には、時間ｔ１から時間ｔ２の間出力した後、出力する弁開度の値を徐々に減少させ、時間ｔ２から所定の時間経過した時間ｔ３で出力を０とする。
【００６６】
実施例３の制御装置６２ｂは、燃料ガス流量制御部１１０は、燃料ガス流量計８０の結果に基づいて、出力する弁開度の補正処理を行っている。このため、図６に示すように徐々に非常時用演算部１０８の出力の減少に合わせて、出力が増加する。これにより、弁開度制御部１２０に入力される値の増加と減少とが補間されるため、出力される弁開度の値の変動を抑制しつつ、燃料ガス流量制御部１１０から出力される値を目標値に近づけることができる。
【実施例４】
【００６７】
次に、図７を用いて、実施例４の発電システムを説明する。実施例４は、制御装置は、実施例３の制御装置６２ｂと同様の構成である。図６に示す例では、モードを切り換えずに非常時用演算部１０８から出力する値を徐々に減少させたがこれに限定されない。
【００６８】
図７は、他の実施例の発電システムの動作の一例を示す説明図である。制御装置６２ｂは、図７に示すように、非常時用演算部１０８から出力する値は、算出した排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスの流量に相当する燃料ガスの流量の弁開度を一定時間、具体的には、時間ｔ１から時間ｔ２の間出力した後、時間ｔ２で０とする。また、制御装置６２ｂは、燃料ガス流量制御部１１０での制御を、時間ｔ２で燃料ガス流量制御部１１０の制御のモードをオートからマニュアルに切り換える。つまり、時間ｔ２で、燃料ガス流量制御部１１０が燃料ガス流量計８０から出力された流量に基づいて、弁開度を補正する処理を停止する。同時に燃料ガス流量制御部１１０から出力される値をリセットし、弁開度制御部１２０から出力されている値を初期値する。具体的には、時間ｔ３で弁開度制御部１２０から出力されている値、つまりガスタービンに供給する燃料ガスの流量の制御値を初期値とする。これらの切換操作が完了した後、時間ｔ３で、燃料ガス流量制御部１１０での制御のモードをマニュアルからオートに切り換える。つまり、時間ｔ３で、燃料ガス流量制御部１１０が燃料ガス流量計８０から出力された流量に基づいて、弁開度を補正する処理を開始する。
【００６９】
このように、制御装置６２ｂは、時間ｔ１でトリップ信号が出力され非常時用演算部１０８から所定の値を出力した後、非常時用演算部１０８から出力する値を０とする際に、燃料ガス流量制御部１１０の値をリセットし、その時点の結果に基づいて初期値を再設定することで、非常時用演算部１０８から出力する値を０としている間の燃料ガス流量制御部１１０の制御性を高くすることができる。つまり、切り換えの変動を小さくすることができる。
【実施例５】
【００７０】
次に、図８を用いて、実施例５の発電システムを説明する。図８は、他の実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。図８に示す実施例５の発電システムは、制御装置６２ｃ以外の構成は、図１に示す発電システム１０と同様である。以下、制御装置６２ｃの構成について説明する。
【００７１】
制御装置６２ｃは、情報取得部１０２と、通常時用演算部１０４と、トリップ指令出力部１０６と、非常時用演算部１０８と、燃料ガス流量制御部１１０と、最大出力演算部１４０と、出力決定部１４２と、出力制限部１４４と、を有する。制御装置６２ｃは、トリップ指令が出力された場合の制御は、上述した各種処理を実行することができる。制御装置６２ｃは、上述した制御に加え、ガスタービンの出力を考慮した制御を実行する。
【００７２】
最大出力演算部１４０は、ガスタービン１１の単独運転時の最大出力を算出する。最大出力演算部１４０は、ガスタービン１１の構造、性能に加え、燃料ガスや空気の条件に基づいて、その時点でのガスタービン１１の最大出力を算出する。最大出力演算部１４０は、算出した最大出力の情報を算出する。
【００７３】
出力決定部１４２は、情報取得部１０２から出力された情報に基づいて、ガスタービンの出力を算出する。出力決定部１４２は、決定した出力の値を出力制限部１４４に送る。
【００７４】
出力制限部１４４は、最大出力演算部１４０に基づいて、ガスタービン１１の単独運転時の出力を最大出力以下に制限する。出力制限部１４４は、出力決定部１４２から送られた出力の値が最大出力以下である場合、出力決定部１４２から送られた出力の値をそのまま送る。出力制限部１４４は、出力決定部１４２から送られた出力の値が最大出力以上である場合、最大出力を通常時用演算部１０４、非常時用演算部１０８に送る。また、出力制限部１４４は、算出したガスタービン１１の出力に基づいて、ＩＧＶ２１ａの開度を制御する。
【００７５】
通常時用演算部１０４及び非常時用演算部１０８は、トリップ指令が出力された場合、出力制限部１４４から出力された出力に基づいて、燃料ガス流量制御弁７０の開度を算出する。
【００７６】
制御装置６２ｃは、最大出力演算部１４０と、出力決定部１４２と、出力制限部１４４と、を設けることで、ＳＯＦＣ１３がトリップし、ガスタービン１１が単独運転になった場合にガスタービン１１の出力が最大以下で運転されるようにすることができる。これにより、ガスタービン１１に性能以上の負荷がかかることを抑制することができ、発電システムの運転時の安全性をより高くすることができる。
【実施例６】
【００７７】
次に、図９を用いて、実施例６の発電システムを説明する。図９は、他の実施例の発電システムの制御装置の概略構成を表す概略構成図である。図９に示す実施例６の発電システムは、制御装置６２ｄ以外の構成は、図１に示す発電システム１０と同様である。以下、制御装置６２ｄの構成について説明する。
【００７８】
制御装置６２ｄは、情報取得部１０２と、トリップ指令出力部１０６と、冷却空気量決定部１６０と、ＩＧＶ開度演算部１６２と、ＳＯＦＣ空気量設定部１６４と、演算部１６６と、圧縮空気流量制御部１６８と、演算部１７０と、を有する。制御装置６２ｄは、上述した各部で、トリップ指令の出力時に、ＳＯＦＣ１３を冷却する処理を実行する。ここで、制御装置６２ｄは、上述した実施例と同様に通常時用演算部１０４と、非常時用演算部１０８と、燃料ガス流量制御部１１０等も備え、トリップ指令が出力された場合の制御は、上述した各種処理を実行することができる。
【００７９】
冷却空気量決定部１６０は、ＳＯＦＣ１３がトリップした場合、圧縮機２１からＳＯＦＣ１３に供給し、ＳＯＦＣ１３の冷却に利用する空気量を算出する。ＩＧＶ開度演算部１６２は、情報取得部１０２から出力された情報に基づいて、ＩＧＶ２１ａの開度を算出する。ＩＧＶ開度演算部１６２は、情報取得部１０２から送られた情報とガスタービン１１の燃焼器２２に供給する圧縮空気の量に基づいてＩＧＶ２１ａの開度を決定する。ＳＯＦＣ空気量設定部１６４は、情報取得部１０２から送られた情報とＩＧＶ開度演算部１６２の結果に基づいて、ＩＧＶ２１ａの開度の余裕を算出し、ＳＯＦＣ１３の冷却に用いることができる圧縮空気の最大値を算出する。
【００８０】
演算部１６６は、冷却空気量決定部１６０で算出した必要な空気の量と、ＳＯＦＣ空気量設定部１６４で設定した圧縮空気の最大値に基づいて、ＳＯＦＣ１３に供給する空気の量を決定する。圧縮空気流量制御部１６８は、演算部１６６で決定したＳＯＦＣ１３に供給する空気量に基づいて、制御弁３２の開度を調整し、所定の量の空気をＳＯＦＣ１３に供給する。演算部１７０は、ＩＧＶ開度演算部１６２で算出した弁開度と、演算部１６６で算出した弁開度を合算して、ＩＧＶ２１ａの弁開度を決定し、決定した弁開度でＩＧＶ２１ａを制御する。
【００８１】
制御装置６２ｄは、以上のように各部を制御し、ＩＧＶ２１ａの開度と制御弁３２の開度を制御することで、圧縮空気の一部をＳＯＦＣ１３に送気することができる。これによりＳＯＦＣ１３をより早く冷却することが可能となる。また、制御装置６２ｄは、以上のように各部を制御し、ＳＯＦＣ１３の冷却に用いることができる空気量を制限することで、ガスタービン１１の単独運転に与える影響を少なくしつつ、ＳＯＦＣ１３の冷却を行うことができる。
【符号の説明】
【００８２】
１０  発電システム
１１  ガスタービン
１２  発電機
１３  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
１４  蒸気タービン
１５  発電機
２１  圧縮機
２１ａ  ＩＧＶ
２２  燃焼器
２３  タービン
２５  空気取り込みライン
２６  第１圧縮空気供給ライン
２７  第１燃料ガス供給ライン
３１  第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）
３２、４２  制御弁
３３、４８  ブロワ
３４  排空気ライン（排酸化性ガスライン）
３６  排空気供給ライン（排酸化性ガス供給ライン）
４１  第２燃料ガス供給ライン
４３  排燃料ライン
４４  排出ライン
４５  排燃料ガス供給ライン
４７  排燃料ガス流量制御弁
４９  燃料ガス再循環ライン
５０  再循環ブロワ
５１  排熱回収ボイラ
５２  タービン
５３  燃焼排ガスライン
５４  蒸気供給ライン
５５  給水ライン
５６  復水器
５７  給水ポンプ
６２、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ  制御装置
７０  燃料ガス流量制御弁
８０  燃料ガス流量計
８２  排燃料ガス流量計
８６  ＩＧＶ開度検出部
１０２  情報取得部
１０４  通常時用演算部
１０６  トリップ指令出力部
１０８、１０８ａ  非常時用演算部
１１０  燃料ガス流量制御部
１２０  弁開度制御部
１４０  最大出力演算部
１４２  出力決定部
１４４  出力制限部
１６０  冷却空気量決定部
１６２  ＩＧＶ開度演算部
１６４  ＳＯＣＦ空気量設定部
１６６、１７０  演算部
１６８  圧縮空気流量制御部
【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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