(57)【要約】      （修正有）【課題】地中から組み上げる熱水と蒸気の気水混合流体の流量を増加することなく、蒸気タービンに供給する蒸気量を増加し、発電量を増加することができる地熱発電システムを提供する。【解決手段】従来の地熱発電システムに、再生器６３、凝縮器６４、蒸発器６１、吸収器６２等から構成される吸収式ヒートポンプ、高圧気水分離器５１Ｈ、高圧蒸気タービン５２Ｈを設置する。従来の気水分離器及び蒸気タービンは、低圧気水分離器５１Ｌ及び低圧蒸気タービン５２Ｌとして使用する。地中に戻される熱水の熱を吸収して高温の熱を作り、この熱で地中から汲み上げた熱水を加熱して、高温で高圧の蒸気を発生させる。発生した蒸気は、高圧蒸気タービン５２Ｈに供給され、次いで、低圧蒸気タービン５２Ｌに供給される。地中から汲み上げたときに発生する蒸気は低圧蒸気タービン５２Ｌに供給される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中からの気水混合流体を蒸気と熱水に分離する気水分離器、蒸気が供給される蒸気タービン、蒸気タービンと連動する発電機、蒸気タービンを出た蒸気が凝縮する復水器、熱水と液相の熱媒体が熱交換する蒸発器、熱水と気相の熱媒体が熱交換する凝縮器、気相の熱媒体を圧縮する圧縮機を備えていることを特徴とする地熱発電システム。
【請求項２】
前記熱媒体は、水又は炭酸ガス又はフロン系流体であることを特徴とする請求項１に記載の地熱発電システム。
【請求項３】
地中からの気水混合流体を蒸気と熱水に分離する気水分離器、蒸気が供給される蒸気タービン、蒸気タービンと連動する発電機、蒸気タービンを出た蒸気が凝縮する復水器、熱水と液相の熱媒体が熱交換する蒸発器、熱水と熱交換する吸収液に気相の熱媒体が吸収される吸収器、熱水と熱交換する吸収液から気相の熱媒体を発生する再生器、気相の熱媒体が凝縮する凝縮器を備えていることを特徴とする地熱発電システム。
【請求項４】
気水混合流体を蒸気と熱水に分離する高圧気水分離器、この高圧気水分離器からの蒸気が供給される高圧蒸気タービン、地中からの気水混合流体を蒸気と熱水に分離する低圧気水分離器、この低圧気水分離器からの蒸気が供給される低圧蒸気タービン、高圧蒸気タービン及び低圧蒸気タービンと連動する発電機、低圧蒸気タービンを出た蒸気が凝縮する復水器、熱水と液相の熱媒体が熱交換する蒸発器、熱水と熱交換する吸収液に気相の熱媒体が吸収される吸収器、熱水と熱交換する吸収液から気相の熱媒体を発生する再生器、気相の熱媒体が凝縮する凝縮器を備えていることを特徴とする地熱発電システム。
【請求項５】
前記高圧蒸気タービンを出た蒸気は、前記高圧気水分離器内の熱水と熱交換した後、低圧蒸気タービンに供給されることを特徴とする請求項４の地熱発電システム。
【請求項６】
前記熱媒体は水であって前記吸収液は臭化リチウム水溶液である、又は、前記熱媒体はアンモニアであって前記吸収液は水であることを特徴とする請求項３、４、５に記載の地熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いて地中からの熱水を加熱して発電量を増加する蒸気のみを蒸気タービンに供給する地熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の地熱発電システムには、火力発電システムと比較して、燃料が不要である長所を有するが、蒸気タービンへ供給される蒸気の温度及び圧力が低いため、発電量当たりの蒸気流量が多く、装置コストが高くなる短所がある。
【０００３】
従来技術において、冷暖房用や給湯用のヒートポンプと地熱発電システムを組み合せる冷暖房や給湯の運用改善を図る公知例はあるが、ヒートポンプを用いて地中から汲み上げた熱水を加熱し、蒸気タービンに供給する蒸気の流量を増加する公知例見は当たらない。
【０００４】
また、地熱に代わって太陽熱を利用するシステムとヒートポンプを組み合わせる発電システムの公知例はあるが、この公知例においてヒートポンプを用いて蒸気タービンに供給する蒸気流量を増加する記述は見当たらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２５１４５６号公報
【特許文献２】特開２０１２−２２５３１３号公報
【特許文献３】特開２００６−１７００７２号公報
【特許文献４】特開２０１１−６９２３３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】八丈島地熱・風力発電所−東京電力ホームページ、地熱発電所、地熱発電のしくみ（ｈｔｔｐ店／／ｗｗｗ.ｔｅｐｃｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｈａｃｈｉｊｏｊｉｍａ−ｇｐ／ｈａｃｈｉｊｏ／ｇ−０３−Ｊ．ｈｔｍｌ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする課題は、蒸気のみを蒸気タービンに供給する地熱発電システムにおいて、地中から汲み上げる気水混合流体の流量を増加することなく、発電量を増加することができる地熱発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、ヒートポンプを設置し、地中に戻される熱水の有する熱を吸収して高温の熱をつくり、この高温の熱を用いて地中から汲み上げる熱水を沸騰させることにより、蒸気タービンへ供給される蒸気の流量を増加し、温度及び圧力を高くすることにより解決される。
【０００９】
ヒートポンプには、圧縮式ヒートポンプ又は吸収式ヒートポンプを使用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、地中から汲み上げる熱水と蒸気の気水混合流体の流量を増加することなく、発電量を増加することができるので、発電量当たりの地熱発電システムの装置寸法が小さくなり、装置コストが削減され、発電コストが低減される効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１による圧縮式ヒートポンプを有する地熱発電システムの概略図。
【図２】本発明の実施例２による吸収式ヒートポンプを有する地熱発電システムの概略図。
【図３】本発明の実施例３による吸収式ヒートポンプを有する地熱発電システムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の実施例１による圧縮式ヒートポンプを有する地熱発電システムの概略図である。この本発明の実施例１の地熱発電システムは、概して、気水分離器１１、蒸気タービン１２、発電機１３、復水器１４、冷却塔１５、復水ポンプ１６、熱水ピット１７、還元水ポンプ１８、ガス抽出器１９等の地熱発電システム本体を構成する機器類、蒸発器２１、凝縮器２２、圧縮機２３、膨張弁２４等から構成される圧縮式ヒートポンプを構成する機器類、及び循環ポンプ２６から構成される。
【００１４】
圧縮式ヒートポンプの熱媒体には、室温から約２００℃の温度域において、容易に気液相変化する水又は二酸化炭素ガス又はフロン系流体を使用する。
【００１５】
地中から汲み上げた蒸気と熱水の気水混合流体Ｍ１１は、気水分離器１１に供給され、蒸気Ｓ１１と熱水Ｗ１１に分離される。
【００１６】
蒸発器２１において、液相熱媒体Ｈ２１は、気水分離器１１からの熱水Ｗ２３によって加熱されて、気相に変化する。この気相熱媒体Ｈ２２は、圧縮機２３によって圧縮されて高温の気相熱媒体Ｈ２３になる。この高温の気相熱媒体Ｈ２３は、凝縮器２２において熱水Ｗ２１によって冷却されて、液相熱媒体Ｈ２４になる。液相熱媒体Ｈ２４は、膨張弁２４を通過するときに減圧し、低温の液相熱媒体Ｈ２１になり、蒸発器２１に戻される。
【００１７】
気水分離器１１からの熱水Ｗ２１は、循環ポンプ２６によって凝縮器２２に移送され、高温の気相熱媒体Ｈ２３によって加熱されて沸騰し、気水混合流体Ｍ２２となって気水分離器１１に戻される。また、気水分離器１１からの熱水Ｗ２３は、蒸発器２１に移送され、蒸発器２２において液相熱媒体Ｈ２１を加熱し、自らは冷却されて温度が低下した熱水Ｗ２４となり、熱水ピット１７内に排出される。
【００１８】
気水分離器１１内の蒸気Ｓ１１は、蒸気タービン１２に供給されて蒸気タービン１２を駆動し、連動する発電機１３から電力を発生させる。蒸気タービン１２を出た蒸気Ｓ１２は、復水器１４において冷却されて凝縮水Ｃ１１となった後、冷却塔１５を経て熱水ピット１７に排出される。
【００１９】
熱水ピット１７に排出された熱水Ｗ２４及び凝縮水Ｃ１２は、還元水ポンプ１８によって地中に戻される。
【００２０】
本発明の実施例１による地熱発電システムの蒸気タービン１２に供給される蒸気Ｓ１１の流量は、従来技術による地熱発電システムの蒸気タービンに供給される蒸気流量よりも、凝縮器２２における熱交換によって発生する蒸気流量が増加となる。
【００２１】
本発明の実施例１による地熱発電システムの発電量は、蒸気タービンに供給される蒸気流量が増加するので、従来技術による地熱発電システムの発電量よりも多くなる。
【００２２】
例えば、表１に示すように、地中内の温度１５０℃（飽和圧力０．４８ＭＰａ）の熱水を毎時１００トン汲み上げる条件において得られる発電量は、従来技術による地熱発電システムでは約４５０ｋＷであるが、本発明の実施例１による地熱発電システムでは約１，５０００ｋＷに増加する。
【００２３】
しかし、本発明の実施例１による地熱発電システムでは、圧縮機が約６６０ｋＷの電力を使用するため、その他補機動力を無視する条件において、システムの発電量は約８４０ｋＷになる。
【００２４】
本発明の実施例１による地熱発電システムには、発電機からの発生電力が大きくなるが、使用電力が大きい圧縮機を有するため、システム全体の電力発生量が十分大きくならない欠点がある。
【００２５】
このため、本発明の実施例１による地熱発電システムには、使用電力が小さい地熱発電システムを提供する課題が残る。
【００２６】
使用電力が小さい地熱発電システムを提供する課題は、圧縮式ヒートポンプに代わって吸収式ヒートポンプを使用することによって解決する。
【実施例２】
【００２７】
図２は、本発明の実施例２による吸収式ヒートポンプを使用する地熱発電システムの概略図である。この本発明の実施例２による吸収式ヒートポンプを使用する地熱発電システムは、概して、気水分離器３１、蒸気タービン３２、発電機３３、復水器３４、復水ポンプ３５、冷却塔３６、熱水ピット３７、還元水ポンプ３８、ガス抽出器３９等の地熱発電システム本体を構成する機器類、蒸発器４１、吸収器４２、再生器４３、凝縮器４４、熱交換器４５等から構成される吸収式ヒートポンプを構成する機器類、及び循環ポンプ４６等から構成される。
【００２８】
吸収式ヒートポンプに用いる熱媒体と吸収液の組み合わせには、室温から約２００℃の温度域において、吸収液への気相熱媒体の吸収及び吸収液からの気相熱媒体の放出が容易に行われる特性が要求される。このため、熱媒体は水で吸収液は臭化リチウム水溶液の組み合わせ、又は、熱媒体はアンモニアで吸収液は水の組み合わせを使用する。
【００２９】
地中内の蒸気と熱水の気水混合流体Ｍ３１は、気水分離器３１に供給されて蒸気Ｓ３１と熱水Ｗ３１に分離される。
【００３０】
蒸発器４１において、液相熱媒体Ｈ４１は、気水分離器３１からの熱水Ｗ４３によって加熱されて気相に変化し、この気相熱媒体Ｈ４２は吸収器４２に供給される。このとき、熱水Ｗ４３は、液相熱媒体Ｈ４３によって冷却されるので、温度が低下した熱水Ｗ４４になる。
【００３１】
吸収器４２において、気相熱媒体Ｈ４２は、気水分離器３１からの熱水Ｗ４１によって冷却される吸収液Ｈ４３に吸収される。このとき、熱水Ｗ４１は、吸収液Ｈ４３から加熱されるので沸騰し、蒸気と熱水の気液混合流体Ｍ４２になる。気相の熱媒体Ｈ４２を吸収した吸収液Ｈ４４は、熱交換器４５を経て、再生器４３に供給される。
【００３２】
再生器４３において、吸収液Ｈ４４は、蒸発器４１を経た熱水Ｗ４４によって加熱されて沸騰し、吸収器４２おいて吸収した気相熱媒体を放出する。気相熱媒体Ｈ４５を放出した吸収液Ｈ４３は、熱交換器４５を経て、吸収器４２に戻される。
【００３３】
再生器４３で発生した気相熱媒体Ｈ４５は、凝縮器４４に供給され、冷却流体ＣＷ４１によって冷却され、液相熱媒体Ｈ４１になる。この液相熱媒体Ｈ４１は、蒸発器４１に戻される。冷却流体ＣＷ４１には、地下水、河川水、海水、冷却塔からの水又は大気が使用される。
【００３４】
気水分離器３１から吸収器４２へ移送される熱水Ｗ４１は、加熱されて気水混合流体Ｍ４２となって気水分離器３１に戻される。また、気水分離器３１から蒸発器４１へ移送される熱水Ｗ４３は、冷却されて温度が低下し、続いて、再生器４３において冷却されて更に温度が低下した後、熱水ピット３７内に排水される。
【００３５】
気水分離器３１内の蒸気Ｓ３１は、蒸気タービン３２に供給されて蒸気タービン３２を駆動し、連動する発電機３３から電力を発生させる。蒸気タービン３２を出た蒸気Ｓ３２は、復水器３４において冷却されて凝縮水Ｃ３１となった後、冷却塔３６を経て熱水ピット３７に排出される。
【００３６】
熱水ピット３７に排出された熱水Ｗ４５と凝縮水Ｃ３２は、還元水ポンプ４８によって地中に戻される。
【００３７】
本発明の実施例２になる地熱発電システムの蒸気タービン３２に供給される蒸気Ｓ３１の流量は、前記した本発明の実施例１になる地熱発電システムの蒸気タービン１２に供給される蒸気Ｓ１１の流量に近似する。このため、発電機３３からの発電量も、前記した本発明の実施例１になる地熱発電システムの発電機１３からの発電量に近似する。
【００３８】
したがって、本発明の実施例２になる地熱発電システムの発電量は、圧縮機が不要になるので、実施例１になる地熱発電システムの発電量より、概略、圧縮機の使用する電力量相当分が多くなる。
【００３９】
例えば、表１に示すように、地中内の温度１５０℃（飽和圧力０．４８ＭＰａ）の熱水を毎時１００トン汲み上げて地熱発電をするする条件において、その他補機動力を無視するとき、本発明の実施例２になる地熱発電システムの発電量は１，４８０ｋＷになる。
【００４０】
更に、本発明の実施例２になる地熱発電システムよりも多くの電力を発電する課題に対しては、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力及び温度を高くすることで解決する。
【００４１】
蒸気タービンに供給される蒸気の圧力及び温度を高くすることは、熱水を循環するだけであった循環ポンプ４６を昇圧できるポンプに取り替えるとともに、気水分離器を高圧気水分離器と低圧気水分離器の複数とし、蒸気タービンを高圧蒸気タービンと低圧蒸気タービンの複数とし、高圧気水分離器からの蒸気は高圧蒸気タービンに、低圧気水分離器からの蒸気は低圧蒸気タービンに供給することによって達成される。
【実施例３】
【００４２】
図３は、本発明の実施例３による吸収式ヒートポンプを使用する地熱発電システムの概略図である。この本発明の実施例３による吸収式ヒートポンプを使用する地熱発電システムは、高圧気水分離器５１Ｈ、低圧気水分離器５１Ｌ、高圧蒸気タービン５２Ｈ、低圧蒸気タービン５２Ｌ、発電機５３、復水器５４、冷却塔５５、復水ポンプ５６、熱水ピット５７、還元水ポンプ５８、ガス抽出器５９等の地熱発電システムの本体を構成する機器類、蒸発器６１、吸収器６２、再生器６３、凝縮器６４、熱交換器６５等から構成される吸収式ヒートポンプを構成する機器類、及び昇圧ポンプ６６から構成される。
【００４３】
吸収式ヒートポンプに用いる熱媒体と吸収液の組み合わせには、室温から約２００℃の温度域において、吸収液への気相熱媒体の吸収及び吸収液からの気相熱媒体の放出が容易に行われる特性が要求される。このため、熱媒体は水で吸収液は臭化リチウム水溶液とする組み合わせ、又は、熱媒体はアンモニアで吸収液は水の組み合わせを使用する。
【００４４】
地中内の蒸気と熱水の気水混合流体Ｍ５１は、低圧気水分離器５１Ｌに供給されて蒸気と熱水に分離される。蒸発器６１において、液相熱媒体Ｈ６１は、低圧気水分離器５１Ｌからの熱水Ｗ６３によって加熱されて気相に変化し、この気相熱媒体Ｈ６２は吸収器６２に供給される。このとき、熱水Ｗ６３は、液相熱媒体Ｈ６３によって冷却されるので、温度が低下した熱水Ｗ６４になる。
【００４５】
吸収器６２において、気相熱媒体Ｈ６２は、低圧気水分離器５１Ｌからの熱水Ｗ６１によって冷却される吸収液Ｈ６３に吸収される。このとき、低圧気水分離器５１Ｌからの熱水Ｗ６１は、吸収液Ｈ６３から加熱されるので、蒸気と熱水の気液混合流体Ｍ６２になる。気相熱媒体Ｈ６２を吸収した吸収液Ｈ６４は、熱交換器６５を経て、再生器６３に供給される。
【００４６】
再生器６３において、吸収液Ｈ６４は、蒸発器６１を経た熱水Ｗ６４によって加熱されて沸騰し、吸収器６２において吸収した気相熱媒体を放出する。気相熱媒体Ｈ６５を放出した吸収液Ｈ６３は、熱交換器６５を経て、吸収器６２に戻される。
【００４７】
再生器６３で発生した気相熱媒体Ｈ６５は、凝縮器６４に供給され、冷却流体ＣＷ６１によって冷却され、液相熱媒体Ｈ６１になる。この液相熱媒体Ｈ６１は、蒸発器６１に戻される。冷却流体ＣＷ６１には、地下水、河川水、海水、冷却塔からの水又は大気が使用される。
【００４８】
低圧気水分離器５１Ｌから吸収器６２へ移送される熱水Ｗ６１は、加熱されて気水混合流体Ｍ６２となって高圧気水分離器５１Ｈに供給される。また、低圧気水分離器５１Ｌから蒸発器６１へ移送される熱水Ｗ６３は、冷却されて温度が低下し、続いて、再生器６３において冷却されて温度が低下した後、熱水ピット５７内に排水される。
【００４９】
吸収器６２からの気水混合流体Ｍ６２は、高圧気水分離器５１Ｈにおいて、蒸気Ｓ５１Ｈと熱水Ｗ５１Ｈに分離される。高圧気水分離器５１Ｈ内の蒸気Ｓ５１Ｈは、高圧蒸気タービン５２Ｈに供給され、高圧蒸気タービン５２Ｈを駆動し、発電機５３から電力を発生する。高圧蒸気タービン５２Ｈを出た蒸気Ｓ５２Ｈは、低圧蒸気タービン５２Ｌに供給され、発電機５３からの電力発生に使用される。
【００５０】
高圧気水分離器５１Ｈ内の熱水Ｗ５１Ｈは、低圧気水分離器５１Ｌに供給される。このとき、圧力が低下するため蒸気と熱水の気水混合流体になる。
【００５１】
低圧気水分離器５１Ｌ内の蒸気Ｓ５１Ｌは、低圧蒸気タービン５２Ｌに供給されて低圧蒸気タービン５２Ｌを駆動し、連動する発電機５３から電力を発生する。低圧蒸気タービン５２Ｌを出た蒸気Ｓ５２Ｌは、復水器５３において冷却されて凝縮水Ｃ５１となった後、冷却塔５６を経て熱水ピット５７に排出される。
【００５２】
熱水ピット５７に排出された蒸発器６１及び再生器６３を経由した熱水Ｗ６５と、冷却塔５６を経由した凝縮水Ｃ５２は、還元水ポンプ６８によって地中に戻される。
【００５３】
本発明の実施例３による地熱発電システムの発電量は、高圧蒸気タービン５２Ｈが駆動するときに発生する電力量と低圧蒸気タービン５２Ｌが駆動するときに発生する電力量の合計となる。
【００５４】
本発明の実施例３による地熱発電システムにおいて、低圧蒸気タービン５２Ｌに供給される蒸気Ｓ５１Ｈの流量、温度及び圧力は、実施例２における蒸気タービン３２に供給される蒸気の流量、温度及び圧力に近似する。このため、本発明の実施例３による地熱発電システムにおける低圧蒸気タービン５２Ｌの駆動によって発生する電力量は、本発明の実施例２による地熱発電システムの蒸気タービン３２の駆動によって発生する電力量と近似する。
【００５５】
したがって、本発明の実施例３になる地熱発電システムの発電量は、本発明の実施例２の地熱発電システムの発電量よりも、高圧蒸気タービン５２Ｈの駆動によって発生する電力量が増加する。
【００５６】
例えば、表１に示すように地中内の温度１５０℃（飽和圧力０．４８ＭＰａ）の熱水を毎時１００トン汲み上げて地熱発電をするする条件において、その他補機動力を無視するとき、本発明の実施例２の地熱発電システムの発電量は約１、４８０ｋＷであるが、本発明の実施例３の発電量は約１、５８０ｋＷの電力に増加する。
【００５７】
蒸気タービンには、蒸気中の乾き度が低下するとき、蒸気の流れが不安定になる問題が生じる。この問題は、蒸気タービンに供給される蒸気の過熱度（蒸気温度―飽和温度）を大きくすることで解決される。
【００５８】
蒸気タービンに供給される蒸気の過熱度を大きくすることは、高圧蒸気タービン５２Ｈから出た蒸気Ｓ５２Ｈを、高圧気水分離器５１Ｌ内の熱水Ｗ５１Ｈによって再加熱することにより達成できる。
【００５９】
低圧蒸気タービン５２Ｌに供給される蒸気は、温度が熱水Ｗ５１Ｈの温度近くまで加熱されるので、低圧蒸気タービン内における蒸気中の乾き度が向上し、不安定な蒸気流れを抑制されるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明になるヒートポンプと組み合わせた地熱発電システムは、新設及び既設の地熱発電システムに応用可能であり、太陽熱や工場排熱を利用する発電システムにも応用可能である。
【００６１】
【表１】
2014134106.tif 000003
【符号の説明】
【００６２】
５１Ｈ：高圧気水分離器、５１Ｌ：低圧気水分離器、５２Ｈ：高圧蒸気タービン、５２Ｌ：低圧蒸気タービン、５３：発電機、５４：復水器、５５：冷却塔、５６：復水ポンプ、５７：熱水ピット、５８：還元水ポンプ、５９：ガス抽出器、６１：蒸発器、６２：吸収器、６３：再生器、６４：凝縮器、６５：熱交換器、６６：昇圧ポンプ、Ｓ５１Ｈ：高圧蒸気、Ｓ５１Ｌ：低圧蒸気、Ｓ５２Ｈ：高圧蒸気、Ｓ５２Ｌ：低圧蒸気、Ｃ５１：凝縮水、Ｍ５１：気液混合流体、Ｍ６２：気液混合流体、Ｗ５１Ｈ：熱水、Ｗ５１Ｌ：熱水、Ｗ６１：熱水、Ｗ６２：熱水、Ｗ６３：熱水、Ｗ６４：熱水、Ｗ６５：熱水、Ｈ６１：液相熱媒体、Ｈ６２：気相熱媒体、Ｈ６３：吸収液、Ｈ６４：吸収液、Ｈ６５：気相熱媒体、ＣＷ６１：冷却流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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