JPH036332B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明はシステムからの排ガスエネルギーを
タービンの駆動力に利用し、タービンと同軸上に
設置された圧縮機によりシステムが必要とする空
気を供給するターボ圧縮機システムの起動方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

この種のターボ圧縮機はシステムの排ガスエネ
ルギーを無駄に捨てることなくシステム内で有効
にエネルギー回収を図るものであるが、その代表
的なものとして燃料電池発電システムがある。以
下、一例としてこの燃料電池発電システムについ
て説明する。

燃料電池発電システムは、従来の汽力発電に比
べ高効率が期待できること、環境保全性が良い等
の利点があり、実用化を目指し近年盛んに開発が
進められている。燃料電池発電システムは、空気
極、燃料極及び電解質層から成る燃料電池本体
と、天然ガス等の炭化水素系燃料を改質して燃料
電池本体に燃料となる水素ガスを供給する改質器
と、燃料電池本体及び改質器に空気を供給するタ
ーボ圧縮機とを備えている。燃料電池本体の性能
は反応ガスの圧力の増大によつて向上する傾向を
示し、このため燃料、空気、各反応ガスの動作圧
力は例えば４〜６Kg／cm²ｇ程度に加圧維持され
る。このとき、空気の圧縮には多大の動力を必要
とするが、この動力は改質器からの燃焼排ガス及
び燃料電池本体の空気極からの余剰空気を導入す
るターボ圧縮機のタービンによりまかなわれる。
即ち、このターボ圧縮機は、システムの排ガスエ
ネルギーをタービンで回収し、同軸上の圧縮機で
必要な圧縮空気を供給することによつてシステム
内部部で動力を回収し、システム効率の向上を図
るものである。

さて、このような燃料電池発電システムにおい
て、システムを起動するには先ずターボ圧縮機を
起動させる必要があるが、初期には駆動源となる
システム排ガスが得られないため何等かの外部エ
ネルギーを付与してターボ圧縮機を立ち上げる必
要がある。

この具体的な従来の方法として、例えば、特開
昭60−160577号に開示されているものがあり、そ
のシステムを第１図に示す。図において、１は燃
料電池本体、改質器等で構成された燃焼炉を含む
システム、２はシステム１からの排ガスによつて
駆動され、システム１に必要な圧縮空気を供給す
るタービン２ａとこのタービン２ａと同軸上に配
置された圧縮機２ｂとから成るターボ圧縮機、３
はこのターボ圧縮機２の圧縮機２ｂの入口側に設
置された給気配管、４はこの給気配管３に設置さ
れた切換弁、５は圧縮機２ｂの出口側に設置され
圧縮機２ｂからの空気をシステム１に供給する空
気供給配管、６はこの空気供給配管５に設置され
た調節弁、７はシステム１からの排ガスをタービ
ン２ａへ導くシステム排ガス配管、８は空気供給
配管５とシステム排ガス配管７とをバイパスする
バイパス配管、９はこのバイパス配管８に設置さ
れたタービン動力を付勢する助燃炉、１０はバイ
パス配管８に設置された調節弁であり、助燃炉９
に供給される空気量の調節を行う。１１は助燃炉
９に燃料を供給する燃料供給配管、１２は起動用
圧縮空気供給装置、１３はこの起動用圧縮空気供
給装置１２からの空気を圧縮機２ｂの入口側給気
配管３に導く導入配管、１４はこの導入配管１３
に設置された切換弁である。尚、図示は省略して
いるが、例えば特開昭58−12268号に開示されて
いるように大気開放配管を空気供給配管５に設
け、この大気開放配管に大気開放調節弁を設けた
ものがある。これはシステム１の負荷変動に対す
る圧縮機２ｂの吐出空気圧力を一定に調節するも
のである。

次いで、上記のように構成された従来のシステ
ムにおいて、ターボ圧縮機の起動動作について説
明する。先ず始動に際し、切換弁４、調節弁６を
閉じ、切換弁１４、調節弁１０を開き、起動用圧
縮空気供給装置１２から圧縮空気を吐出させる。
これにより、圧縮空気が圧縮機２ｂを通過し助燃
炉９に導かれるが、このとき、助燃炉９に燃料供
給配管１１から燃料を供給して助燃炉９を燃焼さ
せることにより、圧縮空気が加熱されてそのまま
タービン２ａに投入される。圧縮空気の温度上昇
に伴つてターボ圧縮機２は起動を開始し同時に空
気は昇圧される。ターボ圧縮機２の自力運転に必
要な温度に達した時点で、切換弁４を開き、起動
用圧縮空気供給装置１２を停止し、切換弁１４を
閉じることにより、ターボ圧縮機２は自力運転に
移行する。この状態はいわば待機状態でありシス
テム１の必要に応じていつでも空気を送り出すこ
とができる。即ち、調節弁６を開くことにより圧
縮空気がシステム１へ供給され、同時にシステム
１の中でも圧縮空気が燃焼その他に利用された
後、排ガスとしてシステム排ガス配管７を経由し
てタービン２ａに導かれる。

しかしながら上述した従来のシステムにおい
て、起動用圧縮空気供給装置１２を停止させてタ
ーボ圧縮機２の自力運転に移行するが、このと
き、一時的に圧力降下を伴い、この圧力降下によ
つてタービン動力と圧縮機動力のバランスが崩れ
失速を招き、安定したターボ圧縮機２の自力運転
が得られないという欠点が生じていた。即ち、起
動用圧縮空気供給装置５を停止させた後、いかに
スムーズにターボ圧縮機２の自力運転へ移行する
かが重要な課題となつていた。

〔発明の概要〕

この発明は上記のようなものの欠点に鑑みてな
されたものであり、システム起動時に、起動用圧
縮空気供給装置によりターボ圧縮機を起動し、助
燃炉の燃焼エネルギー付勢に伴うターボ圧縮機の
動力上昇分を大気開放調節弁により系外に逃が
し、起動用圧縮空気供給装置の停止に伴う圧縮空
気の圧力降下を大気開放調節弁の絞り込みにより
補償してターボ圧縮機を自力運転させることによ
り、安定したターボ圧縮機の自力運転を実現でき
るターボ圧縮機システムの起動方法を提供するこ
とを目的としている。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を第２図に基づいて
説明する。図において、１〜１４は上述した従来
のシステムの構成と同様である。１５は圧縮機２
ｂの出口側系統、即ち、空気供給配管５に分岐し
て設けられた大気開放配管、１６はこの大気開放
配管１５に設けられた大気開放調節弁、１７は例
えばシステム起動時に使用する起動用バイパス配
管であり、圧縮機２ｂからの空気を空気供給配管
５からシステム排ガス配管７にバイパスさせるも
のであり、調節弁１８が併置されている。

次いで動作について説明する。システム始動時
において、先ず切換弁４、調節弁６，１０、大気
開放調節弁１６を閉じ、切換弁１４、調節弁１８
を開き、起動用圧縮空気供給装置１２を起動す
る。起動用圧縮空気供給装置１２からの圧縮空気
は圧縮機２ｂを通り、空気供給配管５、起動用バ
イパス配管１７、システム排ガス配管７を経由し
てタービン２ａに投入される。このとき、起動用
圧縮空気供給装置１２の容量がターボ圧縮機２を
起動させるのに十分であればターボ圧縮機２は起
動し、同時に圧縮機２ｂからの圧縮空気の圧力が
上昇する。この状態で調節弁１０を開き助燃炉９
に空気を導入するとともに燃料供給配管１１より
燃料も導入し、助燃炉９の燃焼を開始する。助燃
炉９の燃焼排ガスは起動用バイパス配管１６を通
つて戻つてくる圧縮空気とシステム排ガス配管７
内で合流してタービン２ａに投入される。助燃炉
９の点火時点で既にターボ圧縮機２が起動してい
れば、タービン２ａへの投入ガス温度の上昇とと
もにタービン動力が増し、圧縮機２ｂの吐出空気
圧力もさらに増加していく。助燃炉９の点火時点
でまだターボ圧縮機２が起動していなければ、タ
ービン２ａ入口投入ガスの温度上昇の過程でター
ボ圧縮機２は起動する。どの時点でターボ圧縮機
２が起動するにせよ、ターボ圧縮機２が起動する
ときの回転上昇は速やかに行われ、わずかの間
（数秒以内）に圧縮機２ｂの吐出空気圧力が急速
に増加する。このため、急速な圧力変動に伴う助
燃炉９の不安定燃焼を生じさせないため、助燃炉
９の点火以前に、即ち、起動用圧縮空気供給装置
１２の起動時にターボ圧縮機２を起動させるよう
にするのが最も望ましい。ターボ圧縮機２起動
後、助燃炉９の燃焼に伴うタービン２ａ入口ガス
の温度上昇によつて徐々に圧縮空気の圧力が上昇
する。圧縮空気の圧力が定格圧力を超える時点か
ら大気開放調節弁１６を開き始め、圧縮空気の圧
力が定格圧力を超えないようにタービン動力の増
加に対応して大気開放調節弁１６を漸開調整す
る。図示はしていないが、この操作のため、圧縮
機２ｂの吐出側に圧力センサを設け、圧縮空気の
圧力が一定となるよう大気開放調節弁１６の開度
調節機構（アクチユエータ）に対し圧力コントロ
ーラにより制御信号を出力している。このように
して、ターボ圧縮機２が自力運転を開始するに十
分なタービン２ａ入口温度に到達すれば、切換弁
４を開いて起動用圧縮空気供給装置１２を停止さ
せて切換弁１４を閉じる。これによりターボ圧縮
機２は自力運転状態となる。このとき、起動用圧
縮空気供給装置１２の停止に伴い一時的に圧縮機
２ｂ出口の圧力が低下しようとするが、図示して
いない圧力コントローラの働きにより大気開放調
節弁１６が閉の方向に制御され、圧縮空気の圧力
は一定に保たれる。大気開放調節弁１６の絞り込
みが完了し、圧縮空気の圧力が一定の定格値に維
持されている状態でターボ圧縮機２の自力運転へ
の移行が完了する。起動用圧縮空気供給装置１２
を停止する時点での助燃炉９の燃焼量あるいはタ
ービン２ａ入口温度は、起動用圧縮空気供給装置
１２停止後、圧縮空気圧力を一定の定格値に維持
して且つ大気開放調節弁１６が全閉あるいは多少
の余裕をもつた開度に維持されるような値に設定
されるのが望ましい。ターボ圧縮機２の自力運転
移行後は、調節弁６の漸開操作、調節弁１８の漸
閉操作により、起動用バイパス配管１７を経由す
る空気は徐々にシステム１の方へ切り換えられ、
圧縮機２ｂからの圧縮空気はシステム１へ投入さ
れるようになる。

このようなターボ圧縮機２の起動過程における
圧縮空気の流量、圧力、温度の変化の状態を従来
方法と比較したものを第３図に示す。図におい
て、実線がこの発明による方法の起動モード図で
あり、点線が従来方法の起動モード図である。先
ず、Ａ点で起動用圧縮空気供給装置１２の起動に
よりターボ圧縮機２を起動させる。その後、Ｂ点
で助燃炉９を点火し燃焼を開始する。これに伴う
タービン２ａ入口の空気温度の上昇により圧縮空
気の圧力が上昇するが、定格圧力を超えるＣ点以
降は、大気開放調節弁１６の開操作により圧力は
一定に維持され、タービン２ａ入口温度の上昇に
伴い大気開放調節弁１６の開度も増大する。その
あと、Ｄ点において起動用圧縮空気供給装置１２
を停止したとき、大気開放調節弁１６の閉操作に
より圧縮空気の圧力は一定値に維持される。この
ように起動用圧縮空気供給装置１２の停止時にお
いても圧縮空気の圧力変動を抑えることができ、
安定したターボ圧縮機２の自力運転を行わせるこ
とができる。これを従来方法と比較すればこの発
明の優位性は明らかである。即ち、起動用圧縮空
気供給装置１２の停止時（Ｄ点）、従来生じてい
た圧縮空気の圧力変動ひいてはターボ圧縮機２の
失速を招くことがない。

ところで、上記実施例ではシステムとして燃料
電池発電システムを対象とした場合について述べ
たが、その他化学プラント等のシステムを対象と
できることは言うまでもなく、要するにターボ圧
縮機を利用するシステムにこの発明を適用するこ
とができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、システム起動時
に、起動用圧縮空気供給装置によりターボ圧縮機
を起動し、助燃炉の燃焼エネルギー付勢に伴うタ
ーボ圧縮機の動力上昇分を大気開放調節弁により
系外に逃がし、起動用圧縮空気供給装置の停止に
伴う圧縮空気の圧力低下を大気開放調節弁の絞り
込みにより補償してターボ圧縮機を自力運転させ
るようにしたことにより、ターボ圧縮機の失速を
招くことなく、安定したターボ圧縮機の自力運転
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のターボ圧縮機システムの起動方
法を示す系統図、第２図はこの発明の一実施例に
よるターボ圧縮機システムの起動方法を示す系統
図、第３図はこの発明に係る起動過程状態を示す
起動モード図である。 図において、１はシステム、２はターボ圧縮
機、２ａはタービン、２ｂは圧縮機、５は空気供
給配管、７はシステム排ガス配管、８はバイパス
配管、９は助燃炉、１２は起動用圧縮空気供給装
置、１５は大気開放配管、１６は大気開放調節弁
である。尚、図中同一符号は同一又は相当部分を
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ システムからの排ガスにより駆動されるター
   ビンとこのタービンと同軸上に直結されシステム
   に必要な圧縮空気を供給する圧縮機とから構成さ
   れるターボ圧縮機と、このターボ圧縮機のタービ
   ンの入口側系統に上記圧縮機からの空気の一部を
   バイパスして供給するバイパス配管上に設置され
   上記タービンの不足動力を補う助燃炉と、上記圧
   縮機の入口側系統又は出口側系統に設置された起
   動用圧縮空気供給装置と、上記圧縮機の出口側系
   統に分岐して設けられた大気開放配管と、この大
   気開放配管に設けられた大気開放調節弁とを備え
   たターボ圧縮機システムにおいて、システム起動
   時に、上記起動用圧縮空気供給装置により上記タ
   ーボ圧縮機を起動し、上記助燃炉の燃焼エネルギ
   ー付勢に伴う上記ターボ圧縮機の動力上昇分を上
   記大気開放調節弁により系外に逃がし、上記起動
   用圧縮空気供給装置の停止に伴う圧縮空気の圧力
   低下を上記大気開放調節弁の絞り込みにより補償
   して上記ターボ圧縮機を自力運転させることを特
   徴とするターボ圧縮機システムの起動方法。