(57)【要約】【課題】フラッシュ率を向上させることによって、エネルギー採取効率の高い地熱交換器と地熱発電装置を提供する。【解決手段】地熱交換器１は、地上から水が供給される外管２と、外管２の内側に配置された内管３とを備え、内管３はその底部４に仕切弁６を備えている。外管２内に注入された水に対して、地熱帯から熱が供給されて沸騰せずに高圧熱水が生成され、この高圧熱水は沸騰せずに、仕切弁６が開いたときに内管３内に流入し、減圧エリア８で減圧されて、高圧熱水は気液２相流に変換され、地上に取出される。【選択図】図１
2018200027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に設けられ地上から水が供給される外管と、前記外管の内側に配置された内管とを備えた２重管構造であり、内管はその底部に設けられた仕切弁を備え、外管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて、沸騰せずに高圧熱水が生成される高圧エリアが形成され、仕切弁が開いたときに高圧エリアの高圧熱水が内管内に流入し、内管内の減圧エリアの上部はタービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換され、この気液２相流が地上に取出される地熱交換器であって、
減圧エリアでのフラッシュ率を向上させるフラッシュ率向上手段を有し、フラッシュ率向上手段は、仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力と内管内の減圧エリアとの圧力差が設定基準値を超えたときに仕切弁が開いて、減圧エリアにおける圧力が、タービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換されることによるものであり、外管に注入される水を加圧ポンプにより加圧する圧力を設定することによって、仕切弁が開くようにしたことを特徴とする地熱交換器。
【請求項２】
前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにしたことを特徴とする請求項１記載の地熱交換器。
【請求項３】
前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、水の臨界圧力付近として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにしたことを特徴とする請求項１記載の地熱交換器。
【請求項４】
前記外管を下降する水の流れの方向に対して垂直な外管断面の断面積は、前記内管を上昇する気液２相流の流れの方向に対して垂直な内管断面の断面積に対して大きく設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の地熱交換器。
【請求項５】
前記仕切弁は絞り機能を有する構造となっていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の地熱交換器。
【請求項６】
地上に取出された気液２相流は、高圧フラッシャーによって蒸気と圧力水とに分離され、蒸気を分離された残りの圧力水はさらに減圧されて、中圧フラシャーによって蒸気に変換されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の地熱交換器。
【請求項７】
地上に取出された気液２相流から蒸気を分離された残りの圧力水は、高温状態を維持して補給水槽に供給され、復水器から補給水槽に送られる循環水を加熱することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の地熱交換器。
【請求項８】
少なくとも１つの前記外管と少なくとも１つの前記内管とが組み合わされてなる挿入管が、複数の地熱井に対して挿入され、前記内管の出口が並列に接続されて構成され、前記内管の減圧エリアが監視されており、減圧エリアの蒸気温度が規定値を下回った地熱井を外して、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の地熱交換器。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする地熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地熱エネルギーを効率よく取り出すことができる地熱交換器および地熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地熱エネルギーを利用して発電する地熱発電は、高温のマグマ層を熱源とするものであり、半永久的な熱エネルギーとすることができるとともに、発電の過程において温室効果ガスを発生しないことから、化石燃料の代替手段として近年注目されている。また、原子力発電所の事故により、原子力に多くを依存していた日本のエネルギー政策は根本から見直すことを余儀なくされており、地熱エネルギーの活用への期待が高まっている。
【０００３】
従来の地熱発電は、地熱帯をボーリングし、地熱帯に存在する自然の蒸気や熱水を自然の圧力を利用して取り出し発電を行っている。そのため、取り出された蒸気と熱水には、地熱帯特有の硫黄その他の不純物が多量に含まれている。この不純物はスケールとなって、熱井戸や配管類、あるいはタービン等に付着する。スケールが付着すると、経年的に発電出力が減少し長期間の使用が困難となる。
【０００４】
このスケールによる問題を解決するために、地上から水を送り、エネルギーを採取する方式を採用した地熱交換器が、特許文献１、特許文献２に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第４９２７１３６号公報
【特許文献２】特許第５７３１０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載されたものは、地下に設置された地熱交換器で取出した高圧熱水単相流を気水分離器で蒸気として取出す方法であるが、２重管内を循環する作動流体の損失水頭が大きくなるため、加圧ポンプの容量アップ分総合効率が悪くなる。
【０００７】
また、特許文献２に記載されたものは、地下に設置された地熱交換器内で加温沸騰させて、蒸気単相流を地上に取り出す方法であるが、適用される対象が原理上高温の地熱地帯に限定される。
【０００８】
従って、地熱エネルギーを有効に取り出すためには、高温域の地熱帯まで作動流体を加圧して、圧力、温度を高めることで、フラッシュ率を向上させることが必要である。また、超臨界に近いエネルギー量は莫大なものがあり、これを利用することができれば、効果的な地熱エネルギーの採取が可能となる。
【０００９】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、高温、高圧の蒸気を生産することにより、フラッシュ率を向上させることによって、エネルギー採取効率の高い地熱交換器と地熱発電装置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】
【００１０】
以上の課題を解決するために、本発明の地熱交換器は、地中に設けられ地上から水が供給される外管と、前記外管の内側に配置された内管とを備えた２重管構造であり、内管はその底部に設けられた仕切弁を備え、外管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて、沸騰せずに高圧熱水が生成される高圧エリアが形成され、仕切弁が開いたときに高圧エリアの高圧熱水が内管内に流入し、内管内の減圧エリアの上部はタービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換され、この気液２相流が地上に取出される地熱交換器であって、減圧エリアでのフラッシュ率を向上させるフラッシュ率向上手段を有し、フラッシュ率向上手段は、仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力と内管内の減圧エリアとの圧力差が設定基準値を超えたときに仕切弁が開いて、減圧エリアにおける圧力が、タービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換されることによるものであり、外管に注入される水を加圧ポンプにより加圧する圧力を設定することによって、仕切弁が開くようにしたことを特徴とする。
【００１１】
高圧エリアでは、外管に注入される水を加圧ポンプにより加圧する圧力を設定することによって、高圧の状態を作ることができ、これによって、高圧エリアに存在する、蒸気を含まない液相の高圧熱水は、熱量を多く含む状態となる。内管の底部には仕切弁が設けられており、この仕切弁は、仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力と内管内の減圧エリアとの圧力差が設定基準値を超えたときに開いて、減圧エリアで減圧されて気液２相流に変換されるため、熱量を多く含む熱水から気液２相流が生成されることになり、減圧エリアでのフラッシュ率を向上することができる。
【００１２】
また、地下に設置された仕切弁を介して、熱水から気液２相流が生成されるため、熱水を地上に上げてから気液２相流を生成する方式と比較すると、外管に注入される水を加圧するための加圧ポンプの負担が小さくて済み、エネルギー採取のための総合効率を高めることができる。
【００１３】
本発明の地熱交換器においては、前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにした構成とすることができる。
【００１４】
仕切弁が開く条件となる、仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力とすると、その温度条件において、減圧エリアとの圧力差を大きく設定することができ、減圧エリアでのフラッシュ率を向上することができる。
【００１５】
また、本発明の地熱交換器においては、前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、水の臨界圧力付近として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにした構成とすることができる。
【００１６】
この場合には、減圧エリアとの圧力差は、超臨界近くの圧力とタービン圧との圧力差となるため、フラッシュ率は非常に大きくなる。
【００１７】
本発明の地熱交換器においては、前記外管を下降する水の流れの方向に対して垂直な外管断面の断面積は、前記内管を上昇する気液２相流の流れの方向に対して垂直な内管断面の断面積に対して大きく設定されている構成とすることができる。
【００１８】
外管断面の断面積を大きくしていることによって、外管を下降する水の速度が遅くなるため、水が地熱帯から熱を吸収する熱吸収時間を長くとることができる。また、内管の減圧エリア上部では低温域を通過することになるが、上昇する気液２相流の通過速度が速くなるため、減圧エリアにおける熱損失を減少させることができる。
【００１９】
本発明の地熱交換器においては、前記仕切弁は絞り機能を有する構造とすることができる。
【００２０】
仕切弁の下流側の管径を細くすることによって減圧することができ、これによって圧力差を大きくすることができるため、フラッシュ率をさらに大きくすることができる。
【００２１】
本発明の地熱交換器においては、地上に取出された気液２相流は、高圧フラッシャーによって蒸気と圧力水とに分離され、蒸気を分離された残りの圧力水はさらに減圧されて、中圧フラシャーによって蒸気に変換される構成とすることができる。
【００２２】
減圧され蒸気を分離された残りの圧力水は、まだ十分に圧力、温度とも高い状態であるため、これをさらにもう一段階減圧して蒸気を取り出すことによって、熱効率をさらに向上させることができる。
【００２３】
本発明の地熱交換器においては、地上に取出された気液２相流から蒸気を分離された残りの圧力水は、高温状態を維持して補給水槽に供給され、復水器から補給水槽に送られる循環水を加熱する構成とすることができる。
【００２４】
蒸気を分離された残りの圧力水は、まだ十分に圧力、温度とも高い状態であるため、この圧力水で循環水を加熱することにより、システムの安全性を高めることができる。
【００２５】
本発明の地熱交換器においては、少なくとも１つの前記外管と少なくとも１つの前記内管とが組み合わされてなる挿入管が、複数の地熱井に対して挿入され、前記内管の出口が並列に接続されて構成され、前記内管の減圧エリアが監視されており、減圧エリアの蒸気温度が規定値を下回った地熱井を外して、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集される構成とすることができる。
【００２６】
それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気を合計して採集することにより、タービン・復水器・発電機・変圧器等の容量を大きく設計することができる。特に、減圧エリアの蒸気温度が規定値を下回った地熱井を外して、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集される構成とすることにより、効率的なエネルギー採取が可能となる。
【００２７】
本発明の地熱発電装置は、本発明の地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする。
本発明の地熱交換器は、フラッシュ率を向上することができるため、高性能の発電が可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によると、フラッシュ率を向上させることによって、エネルギー採取効率の高い地熱交換器と地熱発電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第一実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置の構成を示す図である。
【図２】外管と内管の断面を示す図である。
【図３】水の相図と臨界点を示す図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本発明の地熱交換器と地熱発電装置を、その実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の第一実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置の構成を示す。
地熱交換器１は、地中に設けられ地上から水が供給される外管２と、外管２の内側に配置された内管３とを備えた２重管構造であり、内管３は、その底部４に設けられた仕切弁６を備えている。
【００３１】
外管２内に注入された水に対して、地熱帯から熱が供給されて沸騰せずに高圧熱水が生成され、高圧エリア５が形成される。この高圧熱水は沸騰せずに、仕切弁６が開いたときに内管３内に流入する。高圧エリア５では、蒸気を含まない液相の高圧熱水として存在する。内管３内の減圧エリア８の上部は、タービンが必要とする圧力近くに減圧されており、この減圧エリア８において、高圧熱水は気液２相流に変換され、この気液２相流が地上に取出される。
【００３２】
減圧エリア８の上部を高圧フラッシャー１０に接続することで、減圧エリア８の下部と上部において圧力勾配を得ることができる。減圧エリア８では、仕切弁６の一次側を圧力水の飽和蒸気圧、二次側をタービン圧力とする圧力差を利用して減圧沸騰し、フラッシュ率に応じた２相流となり、体積膨張して急速に減圧エリア８を上昇する。
【００３３】
地熱交換器１は、減圧エリア８でのフラッシュ率を向上させるフラッシュ率向上手段を有している。このフラッシュ率向上手段は、仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５内の高圧熱水の圧力と内管３内の減圧エリア８との圧力差が設定基準値を超えたときに仕切弁６が開いて、減圧エリア８における圧力が、タービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換されることによるものであり、外管２に注入される水を加圧ポンプ９によって加圧する圧力を設定することによって、仕切弁６が開くようにするものである。仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力とすることができ、また、水の臨界圧力付近とすることもできる。このフラッシュ率向上手段の詳細については、後に詳述する。
【００３４】
生産された気液２相流は上昇して地上に取出され、高圧フラッシャー１０内で、蒸気と圧力水に分離される。この分離によって生じた蒸気単相流は、高圧蒸気槽１１と蒸気弁２１を経てタービン１２の高圧部に導入され、タービン１２を駆動させる。高圧蒸気槽１１には、放散弁１３が接続されている。
【００３５】
高圧フラッシャー１０によって蒸気を分離された残りの圧力水は、まだ十分に圧力、温度とも高い状態であるため、減圧弁１４によってさらに減圧され、中圧フラシャー１５によって蒸気単相流に変換される。この蒸気単相流は、中圧蒸気槽１６、中圧蒸気弁１７を経てタービン１２に導入され、タービン１２を駆動させる補助とすることができる。これにより、システムの熱効率を格段に向上させることができる。図１においては、中圧蒸気槽１６からの蒸気を、タービン１２の中間部より導入させているが、中圧用のタービン１２を別系統で設置してもよい。
【００３６】
タービン１２を出た蒸気はその後、復水器１８にて冷却水により冷却されて水に戻り、補給水槽１９を経て、加圧ポンプ９により加圧されて、再び外管２に供給される。この過程を繰り返すことによって、連続して地熱を取り出す。必要に応じて、補給水が補給水槽１９へ補給される。外管２が地表付近の低温地帯と接する場所には、断熱部２０が形成されている。
【００３７】
仕切弁６として、スプリングを内蔵した急閉鎖型のリフト式逆止弁を用いることができる。これは、管内の流体が逆流に転ずる瞬間には、弁体が内蔵されたスプリングの作用により完全に閉鎖され、ウォーターハンマを起こさないのが特徴である。仕切弁６は、高圧エリア５と減圧エリア８の境界に設置されているため、スプリングの作用により、一次側の圧力とスプリングのバネによる圧力との差が設定値を超えないと開かない。この効果で、仕切弁６の一次側を高圧にすることができる。
【００３８】
仕切弁６の下流側にオリフィスのように、管径を細くする絞り構造を備えることによって、二次側を減圧することができる。この絞り構造は、仕切弁６と一体型とすることもできる。フラッシュ率は、
（高圧側の飽和水のエンタルピー  −  低圧側の飽和水のエンタルピー）÷低圧側の潜熱
であるため、絞り構造によって減圧することにより、圧力差が大きくなれば、連動して温度差も大きくなる。そのため、フラッシュ率は大きくなる。絞り機構は、口径を変えることにより圧力差を調整することができる。
【００３９】
仕切弁６の一次側の圧力は、加圧ポンプ９の吐出圧を調整することによって可変とすることができ、加圧ポンプ９の圧力は、加圧ポンプ９を駆動するモーターの回転数を可変とすることによって簡単に可変とすることができる。仕切弁６の二次側は、絞り機構と直結し、その下流のフラッシャー、つまりタービン圧で決定される。厳密には、仕切弁６の二次とフラッシャーとは圧力勾配が形成されるが、大きな意味では仕切弁６の二次側はタービン圧とした。従って、仕切弁６の二次側はタービン圧、仕切弁６の一次側は飽和圧力に連動した可変制御可能な圧力でよい。
【００４０】
図２に、外管と内管の断面を示す。
図２は、図１におけるＡ―Ａ断面図であり、外管２を下降する水の流れの方向に対して垂直な外管断面２ａの断面積は、内管３を上昇する気液２相流の流れの方向に対して垂直な内管断面３ａの断面積に対して大きく設定されている。
外管断面２ａの断面積を大きくしていることによって、外管２を下降する水の速度が遅くなるため、水が地熱帯から熱を吸収する熱吸収時間を長くとることができる。また、体積膨張した気液２相流と圧力水とでは時間当たりの質量に差はないが、内管３の減圧エリア上部では低温域を通過することになり、上昇する気液２相流の通過速度が速くなるため、減圧エリアにおける熱損失を減少させることができる。
【００４１】
以下に、本発明におけるフラッシュ率向上手段の具体例について説明する。
表１に、坑井の坑井深度と蒸気温度、飽和圧力の一例を示す。
【００４２】
【表１】
2018200027.tif 000003
【００４３】
表１において、高圧エリアには水圧がかかるが、押し上げる分も同じ圧力が必要であるため、水圧と押上げ圧は相殺される。また、加圧する圧力は、飽和圧力と循環水の圧損分だけとなる。押上圧は循環水の温度上昇による密度減少分を考慮する必要があるが、この計算では無視している。
表１における各項目の算出の根拠等を、表２に示す。
【００４４】
【表２】
2018200027.tif 000004
【００４５】
表２における計算式１は
（Ｌ×１，０００×９．８）÷１，０００，０００
であり、計算式２は、
Ｐ０＝ＰＦ−Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３
である。
【００４６】
計算は、以下の条件を前提とした。
１．高圧エリア底部（仕切弁一次）において、沸騰させないために必要な圧力を決定する。
２．坑井温度から高圧エリア底部で生成される圧力水温度を想定し、蒸気温度、蒸気圧力を決定する。
３．タービン入口圧は蒸気温度、蒸気圧から決定する。
４．タービンの条件は、大分県九重町のホテル（出力１０００ｋＷ）の仕様を参考値とした。
５．仕切弁の取り付け位置は、坑井の最深部として計算した。
【００４７】
表１における坑井深度と周囲温度は、大分県別府市鍋山地区における予測データによるものである。また、蒸気温度は坑井深度における周囲温度−１００℃と仮定した。
【００４８】
高圧エリア５においては、沸騰しないことを条件とするため、表１における「加圧分」に相当する圧力を、加圧ポンプ９によって注入する水に対して加える。加圧ポンプの圧力は（飽和圧力＋圧損分）で計算する。
【００４９】
図３に、水の相図と臨界点を示す。
本発明においては、仕切弁６が開く条件となる、仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５内の高圧熱水の圧力を、一例として、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力としている。これは、図３において、飽和曲線上の圧力を、仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５の高圧熱水の圧力とすることを意味する。また、仕切弁６が開く条件となる、仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５内の高圧熱水の圧力を、水の臨界圧力付近とすることもできる。水の臨界圧力は、２２．１２ＭＰａであり、臨界温度は３７４．２℃である。圧力と温度が臨界点を超えると、超臨界水が生成される。
【００５０】
この圧力水を、２重管を構成する内管３の底部に設置した仕切弁６を介して、内管３側の減圧エリア８に導入する。仕切弁６が、「臨界圧力との圧力差で開」となるように設定すると、減圧エリア８に導入された圧力水は、高圧エリア５と減圧エリア８との圧力差で計算されるフラッシュ率に比例する蒸気と、フラッシュ率に反比例する圧力水の気液２相流に変換される。減圧エリア８内の圧力は、タービン１２の入口に直結された蒸気弁２１で制御することにより、常時タービン圧相当を保持することができる。
【００５１】
表３に、フラッシュ率の計算例を示す。
【００５２】
【表３】
2018200027.tif 000005
【００５３】
表３は、各圧力水の温度から１５０℃でフラッシュさせた場合のフラッシュ率を示している。例えば、臨界圧力近く（３５０℃）の圧力水を１５０℃でフラッシュさせた場合は、
（高圧側の飽和水のエンタルピー  −  低圧側の飽和水のエンタルピー）÷低圧側の潜熱
により、
（ｈ’（３５０℃）−ｈ’（１５０℃））÷（ｈ”-ｈ’）（１５０℃）％
＝６９．４％
となる。
【００５４】
この計算で明らかなように、減圧沸騰させると、蒸気の他に熱水も同時に生産され、フラッシュ率はこのときの蒸気の割合を表すものである。圧力水を減圧すると、圧力水はエンタルピーの一部を開放し、減圧分に見合った温度まで下げて平衡する。本発明においては、高熱地帯に設置された２重管内における減圧エリア８内で減圧させるが、減圧エリア８における圧力差は、「臨界圧力近くの圧力とタービン圧との圧力差」となるため、フラッシュ率は非常に大きくなり、特許第４９２７１３６号の場合のフラッシュ率の数倍に達する。このように、高圧の圧力水から減圧沸騰させることで、フラッシュ率を大きくすることができる。このことは必要蒸気量に対して、循環させる水の量を少なくできることを意味し、加圧ポンプ９の容量を小さく設計できるため、効率アップの有効手段となる。
【００５５】
このように、対象となる地熱帯として、非常に高温の場所を選定することで、２重管の外管２の下部である、高圧エリア５では高温の加圧水となる。外管２側で沸騰を防止する目的と合わせて、地熱帯の温度で計算される飽和蒸気圧に見合った圧力を加圧する。加圧する圧力は、地熱帯によっては、臨界点近くまで加圧することも可能である。
【００５６】
運転初期の圧力形成不成立のリスクを防止する目的と合わせて、高圧エリア５と減圧エリア８との境界に設置した仕切弁６を設定基準値以上で開くことにより、高圧エリア５では、仕切弁６の効果で、仕切弁６の１次側を臨界圧力近くまで加圧することが可能となる。フラッシュ率は、３００℃を超える温度帯域では４０％以上となり、総合効率は非常に高いシステムを構築することができる。原理上、圧力４ＭＰa、温度３５０℃以上の蒸気が生産でき、８ＭＰa、３００℃、フラッシュ率４９％のシステムが構築できることで、大容量の発電が可能であり、再生可能エネルギーとしての位置づけが可能である。
【００５７】
２重管式地熱交換器では、適宜断熱処理が必要であり、特に断熱処理する必要のある場所は、２重管の内管３と外管２との間、および、外管２が低温の地熱帯に接触する箇所である。２重管下部における高温地帯と接する面は、熱伝導特性に優れた材質を使用する。
【００５８】
以上説明したように、本発明においては、仕切弁６の一次側には、坑井の深さに比例した水圧がかかることになるが、一方、減圧エリア８を上昇する気液２相流には、深さに比例した圧力をかけてやらなければ、気液２相流を取り出すことができない。外管２側を下降する圧力水の質量と、内管３側を上昇する圧力水の質量は同じ数値であるため、加圧ポンプ９が必要とする揚程は、システムを通過する圧損分と飽和圧力の和で計算すればよい。このため、高圧エリア５の底部に対して高い圧力をかけることができるため、高温地帯を対象とした場合において、高い飽和圧力とすることができ、フラッシュ率を大きくすることができる。
【００５９】
なお、仕切弁６を設置する位置は、２重管を構成する内管３の底部としているが、地熱帯周辺の状況によっては、地熱地帯の低温部と中温部の境界とすることもできる。
【００６０】
タービン、発電機等の主要機器の事故または送電系統の事故が起こった場合には、発電機の遮断器を作動させるが、この場合、地熱交換器内の圧力が急激に上昇することを防ぐため、圧力調整弁を作動させて、２重管内の急激な圧力上昇を防ぐことによって対応する。また、高圧フラッシャー１０内を含めた蒸気系統に凝縮水が貯留することが考えられるが、この場合には、圧力調整弁を開くことで、系内の圧力を一気に大気圧相当まで減圧することにより対処することができる。さらに、運転初期においては、高圧フラッシャー１０内が大気圧に近い低圧のため、低温、低圧の蒸気が生産されるが、この場合も、圧力調整弁を開くことで、低温、低圧の蒸気は大気へ逃し、その後、高温、高圧の蒸気に切り替えていけばよい。
【００６１】
１つの地熱井に対して、少なくとも１つの外管２と少なくとも１つの内管３とが組み合わされてなる、１つの挿入管を挿入して使用することも可能であるが、ボーリングする場所によって、温度・圧力ともそれぞれ異なるため、発電に利用した場合に、地熱井１つに対する発電出力がそれぞれ違うこととなる。そのため、複数の地熱井に対して、挿入管の内管３の出口を並列につなぎ、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気を合計して採集することで、タービン・復水器・発電機・変圧器等の容量を大きく設計することができ、発電所全体の効率がアップするという利点がある。また、蒸気ヘッダーを配置することにより、採集された蒸気の圧力の均一化を図ることができ、圧力が均一化された蒸気を単機のタービンに供給することができる。特に、減圧エリア８の蒸気温度が規定値を下回った地熱井を外して、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集される構成とすることにより、効率的なエネルギー採取が可能となる。
【００６２】
図４に、本発明の第二実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置の構成を示す。
地熱交換器１は、地中に設けられ地上から水が供給される外管２と、外管２の内側に配置された内管３とを備えた２重管構造であり、内管３は、その底部４に設けられた仕切弁６を備えている。
【００６３】
外管２内に注入された水に対して、地熱帯から熱が供給されて沸騰せずに高圧熱水が生成され、高圧エリア５が形成される。この高圧熱水は沸騰せずに、仕切弁６が開いたときに内管３内に流入する。高圧エリア５では、蒸気を含まない液相の高圧熱水として存在する。
【００６４】
内管３内の減圧エリア８では、タービンが必要とする圧力近くに減圧されており、この減圧エリア８において、高圧熱水は気液２相流に変換され、この気液２相流が地上に取出される。
【００６５】
地熱交換器１は、減圧エリア８でのフラッシュ率を向上させるフラッシュ率向上手段を有している。このフラッシュ率向上手段は、仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５内の高圧熱水の圧力と内管３内の減圧エリアとの圧力差が設定基準値を超えたときに仕切弁６が開いて、減圧エリア８における圧力が、タービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換されることによるものであり、外管２に注入される水を加圧ポンプ９によって加圧する圧力を設定することによって、仕切弁６が開くようにするものである。仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力とすることができ、また、水の臨界圧力付近とすることもできる。フラッシュ率向上手段の具体例は、第一実施形態において説明したものと同様である。
【００６６】
生産された気液２相流は上昇して地上に取出され、高圧フラッシャー１０内で、蒸気と圧力水に分離される。この分離によって生じた蒸気単相流は、高圧蒸気槽１１と蒸気弁２１を経てタービン１２に導入され、タービン１２を駆動させる。高圧蒸気槽１１には、放散弁１３が接続されている。
【００６７】
地上に取出された気液２相流から蒸気を分離された後の圧力水は、高温状態を維持して補給水槽１９に供給され、復水器１８から補給水槽１９に送られる循環水を加熱する構成となっている。蒸気を分離された残りの圧力水は、まだ十分に圧力、温度とも高い状態であるため、この圧力水で循環水を加熱することにより、システムの安全性を高めることができる。
【００６８】
以下に、上述した第一実施形態（実施例１）と、第二実施形態（実施例２）との比較を行う。
表４に、実施例１と実施例２のフラッシュ率の比較を示す。
【００６９】
【表４】
2018200027.tif 000006
【００７０】
実施例１は、高圧タービンと中圧タービンで多く発電するため、坑井に帰っていく循環水の温度が下がる。一方、実施例２は、高圧タービンだけで発電するため、坑井に帰っていく循環水の温度は高くなる。坑井の能力にもよるが、高温領域の熱交換の方がフラッシュ率は高くなる。
【００７１】
表５に、実施例１と実施例２との発電量の比較を示す。
【００７２】
【表５】
2018200027.tif 000007
【００７３】
このように、実施例２の方が発電量は多い。
表６に、加圧ポンプ９の必要容量の比較を示す。
【００７４】
【表６】
2018200027.tif 000008
【００７５】
このように、実施例２の方が加圧ポンプ９の容量が大きくなる。発電数値から加圧ポンプ９の容量分を差し引くと、実際の発電数値は同じである。ただし、中圧タービンでの発電容量アップと、タービン１２の圧力上昇による容量アップは別計算であり、坑井の能力に応じて設計することになる。
【００７６】
ここで、タービン１２からの循環水を実施例２のように加熱する場合と、加熱しない場合とを比較すると、実施例２では、熱交換器で復水器１８からの循環水を加熱する分、補給水槽１９に入るフラッシャーからの熱量が失われる。失われた熱量分は、復水器１８からの循環水に移っており、全体の熱効率は変わらない。
【００７７】
しかし、補給水槽１９に入る両方の循環水は、あらかじめ熱交換のプロセスを経ているため、ほとんど、同一の温度とすることができる。加圧ポンプ９の一次側（サクション側）の温度変化による負担を軽くすることは、このシステムにおいては、非常に重要であり、システムの安全性に寄与する。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、フラッシュ率を向上させることによって、エネルギー採取効率の高い地熱交換器と地熱発電装置として利用でき、特に、大容量の発電が可能な再生可能エネルギー型の発電装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１  地熱交換器
２  外管
２ａ  外管断面
３  内管
３ａ  内管断面
４  底部
５  高圧エリア
６  仕切弁
８  減圧エリア
９  加圧ポンプ
１０  高圧フラッシャー
１１  高圧蒸気槽
１２  タービン
１３  放散弁
１４  減圧弁
１５  中圧フラシャー
１６  中圧蒸気槽
１７  中圧蒸気弁
１８  復水器
１９  補給水槽
２０  断熱部
２１  蒸気弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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