(57)【要約】【課題】可及的に低い注入圧力で地中熱交換器内と熱水輸送管内のフラッシングの発生を抑止して、加圧水の状態に保持できる地熱発電システムを提供する。【解決手段】地表から地中内の所定の深度まで埋設される地中熱交換器１０を用いた地熱発電システム６０であって、地中熱交換器１０は、底部を閉塞した外管２と、外管２内に挿入され、一部を伝熱特性の良好な区間、残部を断熱特性の良好な区間とした内管３と、外管２と内管３との間隙に形成され、内管３の内部と繋がる環状のアニュラス５と、を備えた。【選択図】図１
2020067027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表から地中内の所定の深度まで埋設される地中熱交換器を用いた地熱発電システムであって、前記地中熱交換器は、
底部を閉塞した外管と、
該外管内に挿入され、一部を伝熱特性の良好な区間、残部を断熱特性の良好な区間とした内管と、
前記外管と前記内管との間隙に形成され、前記内管の内部と繋がる環状のアニュラスと、を備えることを特徴とする地中熱交換器を用いた地熱発電システム。
【請求項２】
地上で前記地中熱交換器と隣接する位置に設けられ、
発電装置から前記地中熱交換器の前記アニュラスに低温の作動流体を注入し、前記地中熱交換器の前記内管から前記熱エネルギーを含む高温の作動流体を取り出す循環方向と、前記発電装置から前記地中熱交換器の前記内管に前記低温の作動流体を注入し、前記地中熱交換器の前記アニュラスから前記高温の作動流体を取り出す循環方向とを切替可能な、
循環方向変更機構を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の、地中熱交換器を用いた地熱発電システム。
【請求項３】
地上で前記地中熱交換器と隣接する位置に設けられ、
前記地中熱交換器から得られる前記熱エネルギーを含む高温の作動流体と発電装置から前記地中熱交換器に還流する低温の作動流体との間で熱交換を行う、
地上熱交換機構を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の、地中熱交換器を用いた地熱発電システム。
【請求項４】
地上で前記地中熱交換器と隣接する位置に設けられ、
発電装置から前記地中熱交換器の入口に低温の作動流体を注入し、前記地中熱交換器の出口から前記熱エネルギーを含む高温の作動流体を取り出す循環機構に加えて、前記地中熱交換器の前記出口から取り出した前記高温の作動流体を前記地中熱交換器の入口に直接導いて循環させる、
閉回路形成機構を更に備えることを特徴とする請求項に１記載の、地中熱交換器を用いた地熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、高温の地層や岩体などから熱エネルギーを抽出する地中熱交換器を用いた地熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温の地層や岩体、マグマなどから熱エネルギーを抽出して発電や熱の直接利用を行うための地中熱交換器として、坑井内同軸熱交換器（Downhole Coaxial Heat Exchanger, ＤＣＨＥ）が提案されている。この坑井内同軸熱交換器は、二重管型の地中熱交換器であって、坑井内に配置される密閉された外管（例えば、ケーシング）と、この外管の中に挿入された高性能の断熱性能を有する内管（以下、「断熱内管」と記す）で構成される。この坑井内同軸熱交換器では、外管と断熱内管との間に形成される環状の隙間（以下、「アニュラス」と記す）に作動流体を注入して、断熱内管を通して高温の作動流体を地上に取り出す循環方法が行われる（非特許文献１参照）。
【０００３】
盛田らは、二重管型地中熱交換器において、清水を作動流体として用いる場合について数値計算によって検討を行い、上記坑井内同軸熱交換器によれば高効率の熱エネルギー抽出が可能になることを明らかにしている（非特許文献２参照）。
【０００４】
高効率の坑井内同軸熱交換器を実現するためには、内管として使用可能な高性能の断熱管が必要である。そのような断熱管として、例えば、真空二重管式断熱管が挙げられる。真空二重管式断熱管を内管として用いた坑井内同軸熱交換器を構築して実証実験が行われ、実際に高性能の坑井内同軸熱交換器の構築が可能なことが実証されている（非特許文献３参照）。
【０００５】
ところで、地中熱交換器を用い、かつ、水を発電システムの作動流体として用いる地熱発電において、可及的に高い発電効率を達成するため、また、地中熱交換器の性能を維持するため、さらに、水素脆化や水素脆性破壊によるトラブルを防止するために、地中熱交換器と熱水輸送管の内部の水を加圧水の状態に保つことが重要と考えられる。
【０００６】
例えば、非特許文献４では、地中熱交換器と二相タービン及び蒸気タービンとを備える地熱発電システムにおいて、地中熱交換器と地上の熱水輸送管を加圧水の状態に保ち、フラッシング（flashing：液体から気体への急激な相変化、具体的には水が急激に蒸気になること）が二相タービンのノズルでのみ発生するようにして運転することによって、蒸気や熱水を地層から取り出して発電する従来型地熱発電の発電効率に比べて大幅に高い発電効率を達成できることが開示されている。
【０００７】
また、非特許文献５では、発電装置がバイナリー・サイクル発電装置の場合とカリーナ・サイクル発電装置の場合について検討が行われているが、いずれも、地中熱交換器を加圧水の状態で運転することが前提になっている。さらに、同文献では、加圧水の状態で運転する理由の１つとして、水素の発生を抑制することが挙げられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】盛田耕二著地熱エネルギーの新しい採取方法−坑井内同軸熱交換器方式、地熱、第２８巻、第１号、p．６１〜７８，１９９１年発行
【非特許文献２】盛田耕二・松林修著坑井内同軸熱交換器の性能に及ぼす主要設計諸元の影響一坑井内同軸熱交換器に関する研究（第１報）、日本地熱学会誌、第８巻、第３号、p．３０１〜３２２，１９８６年発行
【非特許文献３】盛田耕二・溝上芳史・Warren S．Bollmeier，２．箸ハワイにおける概念実証実験結果の解析一坑井内同軸熱交換器に関する研究（第５報）、日本地熱学会誌、第１５巻、第３号、p．２７５〜３０３，１９９３年発行
【非特許文献４】盛田耕二・杉本静哉・山田恭曜・藤田勉・向井良一著坑井内同軸熱交換器を用いる地熱発電の予備的検討(I)一坑井内同軸熱交換器に関する研究（第３報）、日本地熱学会誌、第１１巻、第４号、p. ３１９〜３３８，１９８９年発行
【非特許文献５】盛田耕二・田子真・江原幸雄著坑井内同軸熱交換器を用いる小規模地熱発電システムの運転特性の検討、日本地熱学会誌、第２７巻、第２号、p. １４９〜１６２，２００５年発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のように、地中熱交換器と地上の熱水輸送管を加圧水の状態で運転することによって、高い発電効率を実現できる。一方、フラッシングが生じて蒸気が発生すれば、高温下ではその蒸気と鉄が反応して水素が発生する。この水素は鉄を透過するので、真空二重管式断熱管では真空度が低下して、断熱性能が低下する。このため、地中熱交換器の性能が低下する。また、水素は、坑井のケーシングや断熱内管、さらには熱水輸送管などの鋼製品の水素脆化や水素脆性破壊を引き起こす可能性があるので、トラブルを防止するために、極力その発生を抑制する必要がある。このためにも、地中熱交換器と熱水輸送管を含めて、加圧水の状態で運転することが重要と考えられる。
【００１０】
二重管型地中熱交換器内において、フラッシングの発生を防止して加圧水の状態を維持するためには、地中熱交換器内と地中熱交換器の出口において、熱水の圧力がその熱水の温度における飽和蒸気圧よりも高い条件で運転する必要がある。この条件を満足させるためには、注入ポンプによって地中熱交換器内に注入する還元水の圧力を高くして、地中熱交換器の出口における熱水の圧力が、その熱水の飽和蒸気圧以上になるようにすることが考えられる。この還元水の注入圧力は、地中熱交換器内で作動流体の水を循環するために必要な圧力と、地中熱交換器内で熱水のフラッシングの発生を防止するために必要な圧力の和となる。
【００１１】
ところで、地層や岩体の温度が高く、高温の熱水あるいは超臨界水が得られるような場合には、飽和蒸気圧が高くなり、還元水の注入圧力も高くなる。例えば、水の臨界温度は３７４℃であるが、臨界温度における水の飽和蒸気圧（臨界圧力）は２２ＭＰａにも達する。地中熱交換器の出口や熱水輸送管の熱水の温度が水の臨界温度程度に達する場合は、フラッシングの発生を防止するために、２２ＭＰａ程度の圧力で還元水を地中熱交換器に注入する必要があると考えられる。地中熱交換器内の圧力損失が大きい場合には、さらに高い注入圧力が必要になる。
【００１２】
このように地層や岩体の温度が高く、高温の熱水あるいは超臨界水が得られるような場合において、地中熱交換器と熱水輸送管内のフラッシングの発生を防止しようとすれば、還元水を極めて高圧で地中熱交換器に注入する必要がある。このため、高価な高圧ポンプが必要になり、また、注入ポンプの運転に大きなエネルギーが必要になる。従って、設備費が高くなる上に、有効な発電量が減少してしまう。
【００１３】
本開示の技術は、上記課題に鑑みてなされたものであり、可及的に低い注入圧力で地中熱交換器内と熱水輸送管内のフラッシングの発生を抑止して、加圧水の状態に保持できる、地中熱交換器を用いた地熱発電システム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】
【００１４】
本開示の地中熱交換器を用いた地熱発電システムは、地表から地中内の所定の深度まで埋設される地中熱交換器を用いた地熱発電システムであって、前記地中熱交換器は、底部を閉塞した外管と、該外管内に挿入され、一部を伝熱特性の良好な区間、残部を断熱特性の良好な区間とした内管と、前記外管と前記内管との間隙に形成され、前記内管の内部と繋がる環状のアニュラスと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、地上で前記地中熱交換器と隣接する位置に設けられ、発電装置から前記地中熱交換器の前記アニュラスに低温の作動流体を注入し、前記地中熱交換器の前記内管から前記熱エネルギーを含む高温の作動流体を取り出す循環方向と、前記発電装置から前記地中熱交換器の前記内管に前記低温の作動流体を注入し、前記地中熱交換器の前記アニュラスから前記高温の作動流体を取り出す循環方向とを切替可能な、循環方向変更機構を更に備えることもできる。
【００１６】
さらに、地上で前記地中熱交換器と隣接する位置に設けられ、前記地中熱交換器から得られる前記熱エネルギーを含む高温の作動流体と発電装置から前記地中熱交換器に還流する低温の作動流体との間で熱交換を行う、地上熱交換機構を更に備えることもできる。
【００１７】
また、地上で前記地中熱交換器と隣接する位置に設けられ、発電装置から前記地中熱交換器の入口に低温の作動流体を注入し、前記地中熱交換器の出口から前記熱エネルギーを含む高温の作動流体を取り出す循環機構に加えて、前記地中熱交換器の前記出口から取り出した前記高温の作動流体を前記地中熱交換器の入口に直接導いて循環させる、閉回路形成機構を更に備えることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本開示の技術によれば、可及的に低い注入圧力で地中熱交換器内と熱水輸送管内のフラッシングの発生を抑止して、加圧水の状態に保持することが可能になる。また、注入ポンプの運転に伴う動力の消費量の低減と、高圧ポンプの使用が必要な機会の低減も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図である。
【図２】第二実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図である。（順循環方向の場合）
【図３】第二実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図である。（逆循環方向の場合）
【図４】第三実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図である。
【図５】第四実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図である。
【図６】従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システムの構成を示す模式図である。
【図７】基準例（従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システム）の地中熱交換器の出口温度の経時変化の例を示すグラフである。
【図８】図７の出口温度の経時変化に対応する地中熱交換器の所要注入圧力と出口圧力の経時変化の例を示すグラフである。
【図９】図７において地中熱交換器の出口温度が最高温度に達した時点における地中熱交換器内の温度分布を示すグラフである。
【図１０】第一実施形態の地中熱交換器の出口温度の経時変化の例を示すグラフである。
【図１１】図１０の出口温度の経時変化に対応する地中熱交換器の所要注入圧力と出口圧力の経時変化の例を示すグラフである。
【図１２】図１０において地中熱交換器の出口圧力が最大圧力に達した時点における地中熱交換器内の温度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る地熱発電システムについて説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２１】
［第一実施形態］
（全体構成）
図１は、第一実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図である。
【００２２】
本実施形態に係る地熱発電システム６０は、地中にある高温の地層や岩体、マグマ等から熱エネルギーのみを抽出し、この熱エネルギーを利用して発電するものであり、地中熱交換器１０と、発電用地上設備２０を備えている。
以下、地中熱交換器１０及び発電用地上設備２０の構成について詳しく説明する。
【００２３】
（地中熱交換器１０）
地中熱交換器１０は、例えば、坑井１内に配置される二重管型地中熱交換器であって、二重管型地中熱交換器の外管に相当する、底部を閉塞したケーシング２と、ケーシング２よりも小径の円管状でケーシング２内に挿入される両端部が開放された内管３と、ケーシング２と内管３との間隙に形成され、内管３の内部と繋がる環状のアニュラス５と、を備えている。また、地中熱交換器１０の大部分は地中内に埋設されているが、一部は地表よりも上側に配置されている。ケーシング２の地上部分には、アニュラス５と繋がるアニュラス接続口７が設けられており、内管３の地上側の開放端部には、内管接続口８が設けられている。
【００２４】
本実施形態において、二重管型地中熱交換器の外管に相当するケーシング２には、例えば、直径が７から１０インチ程度で、長さが数百から数千メートの鋼管が用いられる。ただし、ケーシング２の寸法、材質等は、これには限定されず、設置する現場の地質や温度分布、予想される地層の伝熱特性などを考慮して適宜選定することができる。
【００２５】
従来提案されている坑井内同軸熱交換器では、内管４（図６参照）として全長にわたって高性能の断熱管３ａが用いられる。これに対し本実施形態では、内管４とは異なる内管３が用いられる。内管３では、大部分の区間を断熱管３ａで形成するが、一部の区間を伝熱特性の良い良伝熱管３ｂで形成する。良伝熱管３ｂとしては鋼管を用いることができるが、これには限定されない。
【００２６】
さらに、図１では、良伝熱管３ｂは、鉛直方向において２つの区間に設けられているが、１つの区間のみであっても、３つ以上の区間に設けられていてもよい。現場の条件によって、フラッシングの発生を防ぐため、また、還元水の注入圧力を低くするために、必要に応じて良伝熱管３ｂを用いる区間を変更することができる。即ち、良伝熱管３ｂを用いる区間の数や深度、長さ等は、地中熱交換器１０を設置する現場の地質や温度分布、予想される地層の伝熱特性などを考慮した数値シミュレーションなどによって決定できる。シミュレーションでは、運転時の地中熱交換器内の温度や圧力を予測し、その結果を考慮して、フラッシングの発生を防止できるように、また、ポンプによる還元水の注入圧力を可及的に低くできるように決定することができる。さらにまた、地中熱交換器１０の運転中に温度と圧力の分布を調べ、この分布に基づいて決定することも考えられる。
なお、上記では、断熱管３ａ及び良伝熱管３ｂの２つの異なる種類の管を組み合わせて内管３を構成した例を示したが、１つの内管３の一部の区間のみ、材質を代えたり、別部材を貼り付けたり、厚みや形状を変えたりすることによって、断熱管３ａ及び良伝熱管３ｂを用いたのと同様の特性を持たせることもできる。
【００２７】
（発電用地上設備２０）
発電用地上設備２０は、地上において地中熱交換器１０と隣接する位置に設けられる。この発電用地上設備２０は、発電装置１１と、発電装置１１及びアニュラス接続口７を接続する還元水輸送管１３と、還元水輸送管１３の途中に設けられる注入ポンプ１７と、発電装置１１及び内管接続口８を接続する熱水輸送管１５と、を備えている。
【００２８】
発電用地上設備２０では、注入ポンプ１７によって発電装置１１からの低温の還元水が還元水輸送管１３を介してアニュラス接続口７へ導入される一方、地中熱交換器１０内の高温の作動流体が内管接続口８から熱水輸送管１５を介して発電装置１１へと輸送されて、発電装置１１と地中熱交換器１０との間で作動流体が循環するように構成されている。ここで、上述のように、発電装置１１からの低温の還元水がアニュラス接続口７へ導入され、地中熱交換器１０内の高温の作動流体が内管接続口８から発電装置１１へと輸送される循環方向（図１における矢印の方向）を以下、本明細書において、「逆循環方向」と記す。
【００２９】
（従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システム１１０）
ここで、本実施形態に対して比較対象となる従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システム１１０について簡単に説明しておく。
【００３０】
図６は、例えば非特許文献１に開示されている従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システムの構成を示す模式図である。
この地熱発電システム１１０は、地中熱交換器１００と、発電用地上設備２０とを備えているが、発電用地上設備２０の構成、作動流体、及び作動流体の循環方向は第一実施形態に係る地熱発電システム６０と同様であるため説明を省略し、地中熱交換器１００の構成のみ説明する。
【００３１】
地中熱交換器１００は、坑井１内に配置される二重管型の坑井内同軸熱交換器であって、二重管型地中熱交換器の外管に相当する、底部を閉塞したケーシング２と、ケーシング２よりも小径の円管状でケーシング２内に挿入される両端部が開放された内管４と、ケーシング１と内管３との間隙に形成され、内管３の内部と繋がる環状のアニュラス５と、を備えている。
また、地中熱交換器１００の一部は地表よりも上側に配置されており、ケーシング２の地上部分にはアニュラス接続口７が設けられ、内管４の地上側の端部に内管接続口８が設けられている点は、第一実施形態の地中熱交換器１０と同様である。ここで、内管４には、全長にわたって、真空二重管式断熱管等の断熱管３ａが用いられる。
【００３２】
従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システム１１０では、発電装置１１から排出された低温の還元水は、注入ポンプ１７によって逆循環方向に輸送され、地中熱交換器１００のアニュラス接続口７に注入される。地中熱交換器１００に注入された還元水は、アニュラス５を下降するが、このときに高温の地層によって加熱されて熱水になる。高温になった熱水は、地中熱交換器１００の底部でアニュラス５の下端の開口部を経て内管４に流入する。内管４は断熱管３ａで構成されているので、内管４に流入した熱水は、ほとんどそのままの温度で内管４中を上昇する。
【００３３】
高温の熱水が断熱管３ａで形成される内管４を上昇するにつれて、熱水の圧力は低くなるが、この熱水の圧力が飽和蒸気圧よりも低くなったときにフラッシングが発生することになる。地熱発電システム１１０では、フラッシングを防ぐために、注入ポンプ１７によって地中熱交換器１００に注入する還元水の圧力を高くして、地中熱交換器１００の出口となる内管接続口８における熱水の圧力が、その熱水の飽和蒸気圧以上になるようにして運転する。このように運転することによって、地中熱交換器１００の内管接続口８のみならず地中熱交換器１００内においてもフラッシングの発生を防止することができる。しかし、地層温度が著しく高温の場合は、フラッシングの発生を防止するために高価な高圧ポンプが必要になり、注入ポンプ１７の運転に大きなエネルギーが必要になる。すなわち、設備費が高くなる上に、有効な発電量が減少してしまうという問題点がある。
【００３４】
これに対して、本実施形態では、上述した構成に基づいて、以下に説明する作用及び効果を奏する。以下、図１に基づいて本実施形態に係る地熱発電システム６０の運転方法について述べると共に、従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システム１１０と対比しつつ、本実施形態の作用及び効果について説明する。
【００３５】
（運転方法及び作用）
発電装置１１から排出された低温の還元水は、注入ポンプ１７によって逆循環方向に輸送され、地中熱交換器１０のアニュラス接続口７に注入される。ここで、注入ポンプ１７による還元水の注入圧力は、地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８における熱水の圧力が、その熱水の飽和蒸気圧以上になるように調整される。
【００３６】
地中熱交換器１０に注入された還元水は、アニュラス５を下降するが、このときに高温の地層によって加熱されて熱水になる。高温の熱水は、地中熱交換器１０の底部でアニュラス５の下端の開口部を経て内管３に流入する。
【００３７】
高温の地層から地中熱交換器１０により熱を抽出する場合、通常は地中熱交換器１０の深さが数千メートルにもなるので、地中熱交換器１０の深い部分では熱水の圧力が非常に高くなる。このため、地中熱交換器１０の深い部分ではフラッシングが発生する可能性が小さい。また、地層温度が水の臨界温度以上の場合は、熱水が地中熱交換器１０の深部で超臨界水の状態になることが考えられる。
【００３８】
次に、内管３に流入した高温の熱水が内管３を上昇するにつれて、熱水の圧力は低くなる。この熱水の圧力が飽和蒸気圧よりも低くなったときにフラッシングが発生することになる。
【００３９】
ここで、従来提案されている二重管型地中熱交換器を用いる地熱発電システム１１０では、上述したように、注入ポンプ１７によって地中熱交換器１００に注入する還元水の圧力を高くして、地中熱交換器１００の出口となる内管接続口８における熱水の圧力が、その熱水の飽和蒸気圧以上になるようにして運転することにより、フラッシングの発生を防止していた。しかし、高価な高圧ポンプが必要になり、注入ポンプ１７の運転に大きなエネルギーが必要になる。すなわち、設備費が高くなる上に、有効な発電量が減少してしまう。
【００４０】
これに対して、本実施形態では、内管３の大部分の区間を断熱管３ａで構成し、フラッシングの発生が予想される一部の区間を良伝熱管３ｂで構成する。このため、内管３の断熱管３ａ中をほとんどそのままの温度で上昇してきた高温の熱水は、この良伝熱管３ｂの区間でアニュラス５を流下する低温の還元水によって冷却されて温度が低下する。これに伴い熱水の飽和蒸気圧が低下し、フラッシングの発生が防止される。
【００４１】
このようにして温度が低下した熱水はその後、内管３の断熱管３ａ中をほとんどそのままの温度で上昇するが、深度が浅くなると熱水の圧力が低くなるので、再びフラッシングが生じる可能性が増す。本実施形態では、このフラッシングの発生が予想される深度が浅い部分にも良伝熱管３ｂが設けられている。このため、この良伝熱管３ｂの区間で再び内管３を上昇する熱水がアニュラス５を下降する低温の還元水で冷却される。これによって熱水の飽和蒸気圧が低下してフラッシングの発生が防止される。
【００４２】
即ち、本実施形態によれば、地中熱交換器１０の内管３内における熱水の温度、ひいてはその飽和蒸気圧を低下させることができるので、地中熱交換器１０と熱水輸送管１５におけるフラッシングの発生を防止することができ、加圧水の状態で運転することが可能になる。また、地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８や熱水輸送管１５における熱水の温度を下げること、ひいては飽和蒸気圧を下げることができるので、地中熱交換器１０や熱水輸送管１５を加圧水の状態に保つために必要な還元水の地中熱交換器１０への注入圧力を低くできる。
【００４３】
ところで、非特許文献５には、地層温度が高く、地中熱交換器の設計や運転条件が適切な場合は、地中熱交換器内に水の密度差に基づく大きな重力水頭圧が生じることが示されている。本実施形態において、地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８における飽和蒸気圧を減少させた場合には、後述する実施例からも明らかなように、地中熱交換器１０に大気圧で水を注入しても、地中熱交換器１０内に発生する重力水頭圧によって、地中熱交換器１０の内管接続口８の圧力がその位置における水の飽和蒸気圧以上になるケースが多くなると推定される。この場合は、地中熱交換器１０内で水を循環するためにも、また、フラッシングの発生を防止するためにも、地中熱交換器１０に注入する還元水を加圧する必要がなくなる。
【００４４】
なお、通常は運転が進むにつれて地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８における熱水の温度が低下し、これに伴いその飽和蒸気圧も低下する。このようにして、地中熱交換器１０の内管接続口８における熱水の温度と飽和蒸気圧が十分に低下した場合は、地中熱交換器１０の性能を十分に発揮させるために、良伝熱管３ｂを断熱管３ａに置き換えて運転することが好ましい。断熱管３ａへの置き換えの時期は、運転条件や現場の地層条件などによって異なる。実施に際しては、熱水温度と圧力の推移を観測し、その状況から判断することができる。また、運転の進行につれて徐々に置き換えることも、ある時点で一挙に置き換えることも可能である。
【００４５】
（本実施形態の効果）
本実施形態に係る地熱発電システム６０においては、地中熱交換器１０の内管３が断熱管３ａ及び良伝熱管３ｂで形成されている。このため、内管３の断熱管３ａ中をほとんどそのままの温度で上昇してきた高温の熱水は、良伝熱管３ｂの区間でアニュラス５を流下する低温の還元水によって冷却されて温度が低下する。これに伴い熱水の飽和蒸気圧が低下し、フラッシングの発生が防止される。
【００４６】
従って、地中熱交換器１０と熱水輪送管１５内の熱水を加圧水の状態に保持し、かつ、作動流体の水を循環するために必要な地中熱交換器１０への還元水の注入圧力を大幅に低減することができる。
【００４７】
また、本実施形態に係る地熱発電システム６０によれば、注入ポンプ１７で還元水を圧入しなくても、地中熱交換器１０内に発生する重力水頭圧だけで、地中熱交換器１０と熱水輸送管１５内の熱水を加圧水の状態に保持し、かつ、作動流体の水を地中熱交換器１０内で循環できるケースを増やすことができる。
【００４８】
さらに、本実施形態に係る地熱発電システム６０は、高温の地層や岩体、マグマなどから地中熱交換器１０によって熱抽出して行う地熱発電において有効であり、地中熱交換器１０内の作動流体が超臨界水の状態になるような場合でも、上述の効果と同様な効果を発揮することが可能である。
【００４９】
［第二実施形態］
図２及び図３は、第二実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図であり、図２は順循環方向の場合、図３は逆循環方向の場合を示す。
本実施形態に係る地熱発電システム７０は、地中熱交換器１０と発電用地上設備２０に加えて、循環方向変更機構３０を備えている。この地熱発電システム７０では、循環方向変更機構３０を用いて、地中熱交換器１０と発電装置１１との間で流体を通常の「逆循環方向」から「順循環方向」へと変更して運転を行うものである。地中熱交換器１０と発電用地上設備２０の構造は第一実施形態と同様であるため説明を省略し、以下、循環方向変更機構３０の構成について説明する。
【００５０】
（循環方向変更機構３０）
循環方向変更機構３０は、地上で地中熱交換器１０と隣接する位置に設けられる。
循環方向変更機構３０では、注入ポンプ１７よりもアニュラス接続口７側の還元水輸送管１３の途中に第１三方弁２５を介して第１管路２１が接続される一方、熱水輸送管１５の途中に第２三方弁２７を介して第２管路２３が接続されている。第１管路２１の他端は、熱水輸送管１５における第２三方弁２７と内管接続口８との間に接続されている。他方、第２管路２３の他端は、還元水輸送管１３における第１三方弁２５とアニュラス接続口７との間に接続されている。
【００５１】
ここで、第１三方弁２５及び第２三方弁２７は、二重管型地中熱交換器１０の中の作動流体の流れる方向を切り替えるためのものである。即ち、第１三方弁２５を切り替えることにより、発電装置１１から排出される還元水がアニュラス接続口７ではなく、第１管路２１を経由して内管接続口８へと導入される。他方、第２三方弁２７を切り替えることにより、地中熱交換器１０のアニュラス接続口７から排出された熱水が注入ポンプ１７側ではなく、第２管路２３を経由して熱水輸送管１５へと導入される。このため、地中熱交換器１０の中の作動流体の流れる方向が「順循環方向」（還元水を内管接続口８から内管３に注入し、アニュラス５を通してアニュラス接続口７から熱水を地上に取り出す循環方法）になる。従って、地中熱交換器１０の入口と出口の位置が「逆循環方向」（還元水をアニュラス接続口７からアニュラス５に注入し、内管３を通して内管接続口８から熱水を地上に取り出す循環方法）の場合と反対になる。
【００５２】
（運転方法及び作用）
本実施形態では、二重管型地中熱交換器１０内で作動流体が流れる方向を「順循環方向」にして運転を行う。すなわち、「順循環方向」で運転を行う場合、発電装置１１から排出された低温の還元水は、注入ポンプ１７によって加圧されて第１管路２１を通り、地中熱交換器１０の内管接続口８から内管３に入る。注入ポンプ１７による還元水の注入圧力は、地中熱交換器１０のアニュラス接続口７における熱水の圧力がその熱水の温度における飽和蒸気圧よりも高くなるように調整される。
【００５３】
内管３に流入した低温の還元水は内管３を下降し、地中熱交換器１０の深部に到達する。深部に到達した作動流体の水の温度は、地上で注入された還元水の温度と大きく異ならないため、地中熱交換器１０の深部でフラッシングが発生することはない。
【００５４】
地中熱交換器１０の深部で内管３からアニュラス５に入った低温の水は、高温の地層によって加熱されながらアニユラス５を上昇し、高温の熱水になる。しかし、地層の温度は浅部になるほど低くなるので、ある深度で、アニュラス５を上昇する熱水の温度よりも地層温度が低くなる。この場合、今度は熱水が地層によって冷やされて温度が低下し、これに伴い熱水の飽和蒸気圧も低くなる。この深度よりも浅いところでは地層温度がさらに低くなるので、アニュラス５を上昇する熱水はさらに冷やされて地中熱交換器１０のアニュラス接続口７に到達する。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、地中熱交換器１０の浅部において、アニュラス５を上昇する熱水の温度、ひいてはその飽和蒸気圧を低下させることができる。従って、地中熱交換器１０の出口や熱水輸送管１５における熱水の飽和蒸気圧も低下するので、地中熱交換器１０や熱水輸送管１５を加圧水の状態に保つために必要な還元水の注入圧力を低くできる。
【００５６】
また、条件によっては、地中熱交換器１０中に水の密度差により発生する重力水頭圧によって、注入ポンプ１７で注入しなくても、作動流体の水が地中熱交換器１０の中で循環し、かつ、地中熱交換器１０の出口において、熱水の飽和蒸気圧以上の圧力が得られる。この場合は、循環するためにも、また、フラッシングの発生を防止するためにも地中熱交換器１０に注入する還元水を注入ポンプ１７で加圧する必要がなくなる。
【００５７】
（本実施形態の効果）
本実施形態に係る地熱発電システム７０においては、二重管型の地中熱交換器１０を「順循環方向」で一定の期間運転する。これによって、地中熱交換器１０の浅部において、アニュラス５を上昇する熱水の温度、ひいては熱水の飽和蒸気圧を低下させ、熱水を加圧水の状態に保持する。このため、フラッシングの発生を防止するために必要な作動流体の注入圧力を大幅に低くすることができる。
【００５８】
また、本実施形態に係る地熱発電システム７０によれば、注入ポンプ１７で還元水を圧入しなくても、地中熱交換器１０内に発生する重力水頭圧だけで、地中熱交換器１０と熱水輸送管１５内の熱水を加圧水の状態に保持し、かつ、作動流体の水を地中熱交換器１０内で循環できるケースを増やすことができる。
【００５９】
（本実施形態の変形例）
本実施形態では、図２及び図３に示すように、地中熱交換器１０内の循環方向を二つの三方弁（即ち、第１三方弁２５及び第２三方弁２７）によって便宜的に切り替える例を示したが、三方弁の個数や取付位置は図示のものに限定されない。また、三方弁を用いる方法のみならず、閉止弁を使うなど他の方法によって作動流体の流れる方向を切り替えることもできる。
【００６０】
また、本実施形態では、断熱管３ａ及び良伝熱管３ｂで形成されている内管３を備えた地中熱交換器１０を用いたが、従来提案されている坑井内同軸熱交換器のように、全長にわたって断熱管３ａとした内管４を用いた地中熱交換器１００を用いてもよい。
【００６１】
さらに、本実施形態では、運転方法として「順循環方向」で運転する例を示したが、通常は運転が進むにつれて地中熱交換器１０の出口となるアニュラス接続口７における熱水の温度が低下し、これに伴いその飽和蒸気圧も低下する。このように、地中熱交換器１０の出口となるアニュラス接続口７における熱水の温度と飽和蒸気圧が十分に低下した場合は、第１三方弁２５及び第２三方弁２７を切り替えて、図３に示すように、地中熱交換器１０内の作動流体の流れを、より熱抽出効率の良い「逆循環方向」にして運転を行ってもよい。
【００６２】
［第三実施形態］
図４は、第三実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図である。
【００６３】
本実施形態に係る地熱発電システム８０は、地中熱交換器１０と発電用地上設備２０に加えて、地上熱交換機構４０を備えている。この地熱発電システム８０では、地上熱交換機構４０を用いて、地中熱交換器１０から得られる高温の熱水と発電装置１１から地中熱交換器１０に還流する低温の還元水の間で熱交換を行うものである。地中熱交換器１０と発電用地上設備２０の構造は第一実施形態と同様であるため説明を省略し、以下、地上熱交換機構４０について詳しく説明する。
【００６４】
（地上熱交換機構４０）
地上熱交換機構４０は、地上で地中熱交換器１０と隣接する位置に設けられる。
【００６５】
地上熱交換機構４０では、注入ポンプ１７よりもアニュラス接続口７側の還元水輸送管３の途中に第１迂回路２８が設けられる一方、熱水輸送管１５の一部に第２迂回路２９が設けられている。第１迂回路２８の一部と第２迂回路２９の一部には、共通する地上熱交換器３１が設けられている。地上熱交換器３１は、地中熱交換器１０の坑口に近い地上位置に設置される。地上熱交換器３１は、地中熱交換器１０から得られる熱水と発電装置１１からの還元水の間で熱交換するためのものである。
【００６６】
第１迂回路２８には、地上熱交換器３１よりも発電装置１１側に第１閉止弁３２が設けられる一方、地上熱交換器３１よりもアニュラス接続口７側に第２閉止弁３３が設けられる。また、第２迂回路２９には、地上熱交換器３１よりも内管接続口８側に第１閉止弁３５が設けられる一方、地上熱交換器３１よりも発電装置１１側に第２閉止弁３６が設けられる。さらに、第１迂回路２８を経由しない場合に通過する還元水輸送管１３の途中には、第３閉止弁３４が設けられ、第２迂回路２９を経由しない場合に通過する熱水輸送管１５の途中には、第３閉止弁３７が設けられる。第１閉止弁３２、第２閉止弁３３及び第３閉止弁３４は、還元水の流路を切り替えるためのものである。他方、第１閉止弁３５、第２閉止弁３６及び第３閉止弁３７は、熱水の流路を切り替えるためのものである。
【００６７】
即ち、第１閉止弁３２及び第２閉止弁３３を開ける一方、第３閉止弁３４を閉じることにより、発電装置１１から排出される低温の還元水が第１迂回路２８を経由して地上熱交換器３１を通る。また、第１閉止弁３５及び第２閉止弁３６を開ける一方、第３閉止弁３７を閉じることにより、地中熱交換器１０から取り出された高温の熱水が第２迂回路２９を経由して地上熱交換器３１を通る。これに対して、地上熱交換器３１を使わない場合は、第３閉止弁３４及び第３閉止弁３７を開けると共に、第１閉止弁３２、第２閉止弁３３及び第１閉止弁３５、第２閉止弁３６の各弁を閉じる。これにより、還元水と熱水がそれぞれ第１迂回路２８、第２迂回路２９を経由せずに、本来の管路を通って流れる。
【００６８】
（運転方法及び作用）
本実施形態では、第１閉止弁３２及び第２閉止弁３３を開ける一方、第３閉止弁３４を閉じて、発電装置１１から排出される低温の還元水が地上熱交換器３１を通るようにする。また、第１閉止弁３５及び第２閉止弁３６を開ける一方、第３閉止弁３７を閉じて、地中熱交換器１０から取り出された高温の熱水が地上熱交換器３１を通るようにする。地上熱交換器３１では、地中熱交換器１０から取り出された高温の熱水を発電装置１１から排出された低温の還元水で冷やし、熱水の温度を下げることによって、熱水の飽和蒸気圧を低下させる。
【００６９】
前述のように、本実施形態によれば、熱水輸送管１５に入る作動流体温度、ひいてはその飽和蒸気圧を低下させることができるので、熱水輸送管１５を加圧水の状態に保つために必要な地中熱交換器１０への還元水の注入圧力を低くできる。
【００７０】
（本実施形態の効果）
本実施形態に係る地熱発電システム８０においては、地上熱交換器３１を設置することによって、地中熱交換器１０から得られる高温の熱水と発電装置１１から地中熱交換器１０に還流する低温の還元水の間で熱交換させている。このため、熱水の温度、ひいては熱水の飽和蒸気圧を低下でき、これによって、熱水を加圧水の状態に保持し、かつ、作動流体の水を循環するために必要な地中熱交換器１０への還元水の注入圧力を低くすることができる。
【００７１】
（本実施形態の変形例）
本実施形態では、図４の矢印に示すように、地中熱交換器１０と発電装置１１との間の流体の循環方向を「逆循環方向」として運転する例を示したが、「順循環方向」の運転であってもよい。
【００７２】
また、本実施形態では、断熱管３ａ及び良伝熱管３ｂで形成されている内管３を備えた地中熱交換器１０を用いたが、従来提案されている坑井内同軸熱交換器のように、全長にわたって断熱管３ａとした内管４を用いた地中熱交換器１００を用いてもよい。
【００７３】
さらに、本実施形態では、地上熱交換器３１を使用して運転する例を示したが、通常は運転が進むにつれて地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８における熱水の温度が低下し、これに伴い飽和蒸気圧も低下する。このように地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８における熱水の温度と飽和蒸気圧が十分に低下した場合は、管路を切り替えて地上熱交換器３１を経由せずに、還元水と熱水が本来の管路を流れるようにして運転を行ってもよい。
【００７４】
［第四実施形態］
図５は、第四実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す模式図である。
【００７５】
本実施形態に係る地熱発電システム９０は、地中熱交換器１０と発電用地上設備２０に加えて、閉回路形成機構５０を備えている。この地熱発電システム９０では、発電運転開始前に、閉回路形成機構５０を用いて地中熱交換器１０の出口から排出される熱水を地中熱交換器１０の入口へと導き、地中熱交換器１０を含む閉管路内で作動流体を循環させるものである。地中熱交換器１０と発電用地上設備２０の構造は第一実施形態と同様であるため説明を省略し、以下、閉回路形成機構５０について詳しく説明する。
【００７６】
（閉回路形成機構５０）
閉回路形成機構５０は、地上で地中熱交換器１０と隣接する位置に設けられる。
閉回路形成機構５０では、地中熱交換器１０の坑口の直近の位置に設けられ、還元水輸送管１３と熱水輸送管１５とを結ぶ管路４１と、管路４１の途中に設置された循環ポンプ４３と、地中熱交換器１０と管路４１を含む閉管路の外部に設けられかつ管路４１の上流側に配置される加圧ポンプ４５と、作動流体の水の流路を切り替えるための閉止弁４７、閉止弁４９、閉止弁５１、閉止弁５３と、を備えている。ここで、閉止弁４７は上記閉回路の外側の還元水輸送管１３の途中に、閉止弁４９は上記閉回路の外側の熱水輸送管１５の途中に設けられる。また、閉止弁５１及び閉止弁５３は、共に管路４１の途中に設けられるが、循環ポンプ４３を挟んでアニュラス接続口７側に閉止弁５１が、内管接続口８側に閉止弁５３が配置される。
【００７７】
閉止弁４７と閉止弁４９を閉め、閉止弁５１と閉止弁５３を開けることによって、地中熱交換器１０と管路４１を含む閉管路が形成される。他方、閉止弁４７と閉止弁４９を開け、閉止弁５１と閉止弁５３を閉めることによって、通常の流路が形成され、注入ポンプ１７を運転して通常の発電運転を開始することが可能になる。
【００７８】
循環ポンプ４３は、作動流体の水を地中熱交換器１０と管路４１を含む閉管路で循環させるためのポンプである。このポンプは圧力が高圧になるので高耐圧性が必要であるが、地中熱交換器１０内に水を循環する方向に重力水頭圧が発生するため、高揚程は必要とされない。
【００７９】
加圧ポンプ４５は、地中熱交換器１０と管路４１を含む閉管路内の作動流体の水を加圧水の状態に保つため、また地中熱交換器１０内の温度低下に伴う水の容積の減少を補うためのものである。加圧ポンプ４５としては、流量が小さくても良いため、小流量のプランジャーポンプのようなものが考えられる。
【００８０】
地中熱交換器１０と管路４１を含む閉管路内の圧力はかなり高圧になると予想され、地層温度によっては水の臨界圧力の２２ＭＰａ以上になる可能性もある。したがって、地中熱交換器１０と管路４１を含む閉管路は、予想される高い圧力に耐えるものにすることが望まれる。
【００８１】
（運転方法及び作用）
本実施形態では、発電運転開始前に、閉止弁４７と閉止弁４９を閉め、閉止弁５１と閉止弁５３を開けることによって、地中熱交換器１０と管路４１を含む閉管路を形成する。また、加圧ポンプ４５によってフラッシングを防ぐために必要な圧力まで当該閉管路内の作動流体を昇圧した上で、循環ポンプ４３を運転して、閉管路内で作動流体の水を所定期間循環させる。
【００８２】
循環開始時に地中熱交換器１０の内管接続口８から排出された高温の熱水は、管路４１を通って地中熱交換器１０のアニュラス接続口７からアニュラス５に流入する。この高温の熱水は地中熱交換器１０の浅部で、低温の地層によって冷やされて温度が低下する。このようにして一定の時間循環させると、地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８における熱水の温度が下がり、その飽和蒸気圧も低下する。
【００８３】
このように、本実施形態によれば、地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８における熱水の温度を下げて飽和蒸気圧を低下させることができるので、地中熱交換器１０や熱水輸送管１５を加圧水の状態に保つために必要な還元水の注入圧力を低くできる。このようにして地中熱交換器１０の出口における熱水の温度及び飽和蒸気圧が十分に低下した後、閉止弁４７と閉止弁４９を開け、閉止弁５１と閉止弁５３を閉めることによって、通常の流路に戻し、注入ポンプ１７を運転して通常の発電運転を開始する。
【００８４】
この運転方法では、地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８から管路４１を通り、地中熱交換器１０の入口となるアニュラス接続口７に至る配管を高圧に耐えるものにする必要があるが、閉止弁４９よりも下流の熱水輸送管１５や発電装置１１に付随する設備の耐圧性能を下げることができる。
【００８５】
バイナリー・サイクル発電やカリーナ・サイクル発電など二次媒体を用いる地熱発電では、熱水と二次媒体との間で熱交換をするために熱交換器が必要であるが、この運転方法は、そのようなシステムにおいて管路や熱交換器などの構成機器の耐圧性能を下げる上で、有効な方法と考えられる。
【００８６】
（本実施形態の効果）
本実施形態に係る地熱発電システム９０においては、発電運転開始前に、閉回路形成機構５０を用いて地中熱交換器１０の出口から排出される熱水を地中熱交換器１０の入口へと導き、地中熱交換器１０を含む閉管路内で作動流体を循環させる。これによって、地中熱交換器１０の出口となる内管接続口８における熱水の温度を下げて飽和蒸気圧を低下させることができる。また、このようにした後に通常の管路に戻して発電運転を開始することにより、発電運転開始時に熱水を加圧水の状態に保持し、かつ、作動流体の水を循環するために必要な地中熱交換器１０への還元水の注入圧力を低くすることができる。
【００８７】
（本実施形態の変形例）
本実施形態では、地中熱交換器として断熱管３ａ及び伝熱管３ｂで形成されている内管３を備えた地中熱交換器１０を用いたが、従来提案されている坑井内同軸熱交換器のように、全長にわたって断熱管３ａとした内管４を用いた地中熱交換器１００を用いてもよい。
【実施例】
【００８８】
以下、図１に示す第一実施形態に係る地熱発電システム６０のシミュレーション結果と、図６に示す従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システム１１０のシミュレーション結果とを対比することにより、本実施形態に関する効果について実証する。
【００８９】
（基準例）
まず、図６に示す構成の従来提案されている地中熱交換器を用いる地熱発電システム１１０を用い、ある地熱地域で深さ３０００ｍの地中熱交換器１００によって熱抽出して発電を行う場合を想定してシミュレーションを行った。ここで、想定した地層温度は、深さ３０００ｍで３３０℃である（後記の図９参照、図中の破線はこの検討で想定した自然平衡状態の地層の温度分布を示している)。
【００９０】
図７は、基準例の地中熱交換器１００の出口温度の経時変化の例を示すグラフである。また、図８は、図７の出口温度の経時変化に対応する地中熱交換器１００の所要注入圧力と出口圧力の経時変化の例を示すグラフである。
【００９１】
ここで、所要注人圧力は、所定の量の作動流体を地中熱交換器１００内で循環し、かつ地中熱交換器１００の出口における熱水の圧力をその熱水の飽和蒸気圧以上に保つため、すなわち地中熱交換器１００と熱水輸送管１５を加圧水の状態に保ち、フラッシングの発生を防止するために必要な注入圧力である。
【００９２】
本例では、運転開始直後に地中熱交換器１００の出口温度、すなわち内管接続口８における熱水温度が３２４℃にも達しており(図７参照)、内管接続口８における熱水の圧力、すなわち出口圧力は熱水の飽和蒸気圧と同じ１２．０ＭＰａになっている(図８参照)。このため、地中熱交換器１００内を加圧水の状態に保ち、かつ、作動流体を循環するために必要な注入圧力が９．４ＭＰａにもなっている（図８参照）。
【００９３】
なお、地中熱交換器１００の出口圧力よりも所要注入圧力の方が低いのは、地中熱交換器１００内の水の温度差、ひいては密度差によって、水を循環する方向に重力水頭圧が発生するためである。
【００９４】
図９は、図７において地中熱交換器１００の出口温度が最高温度（３２４℃）に達した時点（運転開始後２３分経過時点）における地中熱交換器１００内の温度分布を示すグラフである。アニュラス５を流下する作動媒体の平均温度に比べて、内管３内を上昇する作動媒体の温度がかなり高くなっている。この温度の違いによって、前記の重力水頭圧が発生する。
なお、図中の破線は、自然平衡状態の地層の温度分布を示しているが、深さ３０００ｍにおける自然平衡状態の地層温度は３３０℃である。
【００９５】
（実施例）
図１に示す構成の第一実施形態に係る地熱発電システム６０において、深さ１０００ｍから１１００ｍまでの区間と、地表から深さ５０ｍまでの区間を伝熱管３ｂ（本例では鋼管）とした地中熱交換器１０を用いた場合について、基準例と同様に発電を行う場合を想定して行ったシミュレーション結果を示す。
【００９６】
図１０は、第一実施形態の地中熱交換器１０の出口温度の経時変化の例を示すグラフである。また、図１１は、図１０の出口温度の経時変化に対応する地中熱交換器１０の所要注入圧力と出口圧力の経時変化の例を示すグラフである。
【００９７】
図１０のグラフから分かるように、この場合の地中熱交換器１０の最高出口温度は２００℃になっている。この温度は、内管４として断熱管３ａのみを用いる基準例の３２４℃（図７参照）に比べて、１２４℃も低くなっている。
【００９８】
また、図１１のグラフから分かるように、最大出口圧力が１．８ＭＰａになっている。この最大出口圧力は、基準例の最大出口圧力１２．０ＭＰａ（図８参照）に比べて１０．２ＭＰａも低くなっており、比率では約１／７になっている。
【００９９】
また、注入圧力は、基準例では最大で９．４ＭＰａにも達している（図８参照）が、この例では運転開始時から１５時間後まで大気圧と同じ０．１ＭＰａで一定で、その後徐々に増大して４８時間経過後に０．２ＭＰａになっている。これは、運転早期にはフラッシングの防止と作動流体の循環のために注入ポンプ１７で加圧して作動流体を注入する必要がないこと、その後注入ポンプ１７による加圧が必要になるが、非常に小さなポンプ動力で済むことを示している。
【０１００】
図１０及び図１１の結果より、従来型の地中熱交換器１００と比較して、第一実施形態の地中熱交換器１０では、最高出口温度を低下させ、地中熱交換器の出口圧力と注入圧力を低減できることが分かる。
【０１０１】
なお、図１１においてピーク時の出口圧力が１．８ＭＰａになっているが、このときの出口温度が２００℃なので（図１０参照）、地中熱交換器１０の出口における熱水の飽和蒸気圧は１．６ＭＰａである。また、この時点の注入圧力は大気圧と同じ０．１ＭＰａになっている。このように、注入ポンプ１７で注入しなくても出口圧力が出口における熱水の飽和蒸気圧よりも高くなっているのは、地中熱交換器１０内において水の密度差に基づいて発生する重力水頭圧がかなり大きいためである。
【０１０２】
図１２は、図１０において地中熱交換器１０の出口圧力が最大圧力に達した時点における地中熱交換器１０内の温度分布を示すグラフである。なお、図中の破線は、この検討で想定した自然平衡状態の地層の温度分布を示している。
【０１０３】
図１２のグラフから、地中熱交換器１００の内管４の一部の区間において断熱管３ａを鋼管などの伝熱特性の良い材料からなる良伝熱管３ｂに置き換えれば、その区間でアニュラス５に注入された作動流体の温度が上昇し、これとは反対に、内管３を上昇する熱水が冷やされて温度が低下することが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本開示の技術は、地中熱交換器によって高温の地層や岩体、マグマなどから熱エネルギーを抽出して行う地熱発電において、地中熱交換器と熱水輸送管におけるフラッシングの発生を抑止するため、また、地中熱交換器への作動流体の注入圧力を低減するために有効である。このため、地中熱交換器を用いた地熱発電を実用化する上で、重要な技術と考えられる。
【符号の説明】
【０１０５】
１  坑井
２  ケーシング（外管）
３  内管
３ａ  断熱管（断熱特性の良好な区間）
３ｂ  良伝熱管（伝熱特性の良好な区間）
４  内管
５  アニュラス
７  アニュラス接続口
８  内管接続口
１０  地中熱交換器
１１  発電装置
１３  還元水輸送管
１５  熱水輸送管
１７  注入ポンプ
２０  発電用地上設備
２１  第１管路
２３  第２管路
２５  第１三方弁
２７  第２三方弁
２８  第１迂回路
２９  第２迂回路
３０  循環方向変更機構
３１  地上熱交換器
３２，３５  第１閉止弁
３３，３６  第２閉止弁
３４，３７  第３閉止弁
４０  地上熱交換機構
４１  管路
４３  循環ポンプ
４５  加圧ポンプ
４７，４９，５１，５３  閉止弁
５０  閉回路形成機構
６０，７０，８０，９０  地熱発電システム
【図１】
2020067027.tif 000003
【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】
2020067027.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2020067027.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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