(57)【要約】【課題】地下に貯留する地熱資源を半永久的に安定して採取し、それを発電に利用すること、かつ、設備構成を単純化して建設コストの低減や運転の容易性を図ること。【解決手段】生産井１から噴出する地熱蒸気と地熱熱水とを分離することなく、直接、多機能蒸発器に３送り、これを熱源として二次流体を加熱、蒸気化し、この蒸気をタービン４に導き発電し、一方、多機能蒸発器３内で低温化した地熱蒸気の凝縮水と地熱熱水の混合流体を還元井２に戻すことを特徴とする地熱発電方法を提案する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水とを分離することなく、直接、多機能蒸発器に送り、これを熱源として二次流体を加熱、蒸気化し、この蒸気をタービンに導き発電し、一方、多機能蒸発器内で低温化した地熱蒸気の凝縮水と地熱熱水の混合流体を還元井に戻すことを特徴とする地熱発電方法。
【請求項２】
上記二次流体として、フロン類、炭化水素類、アンモニア類などの低沸点媒体または清水を使用することを特徴とする請求項１に記載の地熱発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水の両方を熱源として用いた新規な発電方法に関しており、更に詳しくは、多機能蒸発器を使用して設備構成を単純化した地熱発電システムを提案する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に広く普及している地熱発電方法は、図４に示すように、生産井１から噴出する地熱蒸気と地熱熱水をセパレータ８により分離し、分離した蒸気のみを直接的にタービン４に送って発電機５にて発電し、分離した地熱熱水は還元井２を介して地下に戻している。
【０００３】
このような方法では、タービン４に送った地熱蒸気の一部は、凝縮器６において凝縮され地下に還元されるが、残りは直接または冷却装置７などを介して大気に放出されることなる。よって、地下に還元した総量は、生産した地熱蒸気と地熱熱水の総量より少なくなるため、地下の地熱資源を貯留する圧力が経時的に低下し、その結果、生産できる地熱蒸気と地熱熱水が経時的に低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、上記問題点を解決するために、図５に示すように、生産井１から噴出する地熱蒸気と地熱熱水をセパレータ８によって分離した後、その分離された地熱蒸気および地熱熱水をそれぞれ熱源として、前段蒸発器９および後段蒸発器１０のそれぞれにおいて二次流体を加熱、蒸気化して、それをタービン４に送って発電機５にて発電することによって、地下に還元した総量と生産した地熱蒸気と地熱熱水の総量が同じになるようにした地熱発電方法が実用化されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような発電方法は、セパレータによって分離された地熱蒸気と地熱熱水とを別々の蒸発器に導き、そこで二次流体との熱交換を行なうシステムが必要であるため、システムを構成する設備が複雑になり、その結果、建設コストが上昇したり、発電システムの運転が容易でなくなるため、普及が進んでいないのが現状である。
【０００６】
そこで、本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、地下に貯留する地熱資源を半永久的に安定して採取し、それを発電に有効に利用すること、かつ、設備構成を単純化して建設コストの低減や運転の容易性を図れる地熱発電方法を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術が抱える上記問題点を解決するために、鋭意研究した結果、生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水とをセパレータによって分離することなく、直接蒸発器に送ってそれらの両方を熱源として有効に利用できれば地熱発電システムを単純化できるということを知見した。
【０００８】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、以下に示す内容を要旨構成とするものである。すなわち、本発明の地熱発電方法は、
生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水とを分離することなく、直接、多機能蒸発器に送り、その多機能蒸発器内で自然分離した地熱蒸気と地熱熱水のそれぞれを熱源として、二次流体（低沸点媒体）を加熱、蒸気化し、この蒸気をタービンに導き発電し、一方、多機能蒸発器内で低温化した地熱蒸気の凝縮水と地熱熱水の混合流体を還元井に戻すことを特徴とする地熱発電方法である。
【０００９】
このような構成によれば、地下に貯留する地熱資源を半永久的に安定して採取して、それを最大限に発電に利用でき、さらに設備構成が単純化され得るので、発電システムの建設コストの低減や運転の容易性を図ることができるのである。
【００１０】
本発明にかかる地熱発電方法を実施するには、まず、生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水を分離することなく直接、多機能蒸発器に送り込む。
【００１１】
本発明に係る地熱発電方法で使用される多機能蒸発器内では、地熱蒸気と地熱熱水の比重差により、地熱蒸気の相と地熱熱水の相に自然に分離し、かつ、両相の境界面水位はコントロールできるように工夫されている。多機能蒸発器内部には二次流体を通過させるチューブが配設され、チューブ内を流れる二次流体は、地熱蒸気と地熱熱水の両方から熱を受け取るように構成されている。
【００１２】
すなわち、二次流体は、多機能蒸発器内でまず地熱熱水の相から熱を受け取り、次に地熱蒸気の相から更に熱を受け取り、蒸気化し、そして、タービンに送られ、発電機によって発電する。発電後の二次流体は、凝縮器内で液化し、更に多機能蒸発器内に戻される。一方、多機能蒸発器内に送られた地熱蒸気は二次流体に熱を奪われ凝縮し、地熱熱水の相に吸収される。また、地熱熱水の相においても二次流体から熱を奪われ、低温化する。この低温化した流体は、還元井を介して地下に全量戻されることになる。
【００１３】
上記地熱発電方法において、二次流体としては、フロン類、炭化水素類、アンモニア類などの低沸点媒体または清水を使用することが望ましく、生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水の諸条件、すなわち流量、圧力、温度、熱量および化学的性状を考慮してこれらの低沸点媒体または清水から選ばれる最適な二次流体を使用することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の態様】
以下、本発明にかかる地熱発電方法の一実施形態について、図１〜図３を参照にして詳述する。
図において、生産井１より噴出する地熱蒸気と地熱熱水は、輸送管を介して多機能蒸発器３に送られる。これらの地熱蒸気と地熱熱水は、多機能蒸発器３内で二次流体と熱交換され、その熱交換後の地熱蒸気と地熱熱水は、輸送管および還元井２を介して地下に戻される。
【００１５】
実際に発電に利用される二次流体は、多機能蒸発器３において加熱、蒸気化し、輸送管を介してタービン４に導かれ発電機５を駆動する。タービン４から排出される二次流体は、凝縮器６で冷却され、再び、輸送管を介して多機能蒸発器３に戻される。
【００１６】
次に、本発明の重要な役目を果たす多機能蒸発器３について説明する。多機能蒸発器３の構造として様々な構造が考えられるが、代表例として、横型タイプ（図２）と縦型タイプ（図３）を考案した。
【００１７】
従来の蒸発器は、地熱蒸気あるいは地熱熱水と二次流体との熱交換による蒸気を発生させる機能のみであるのに対して、本発明にて用いる多機能蒸発器は、
▲１▼地熱蒸気と地熱熱水を分離させ、およびこれらの境界面水位をコントロールする機能、▲２▼地熱蒸気あるいは地熱熱水と二次流体との熱交換によって蒸気を発生させる機能、および▲３▼凝縮かつ低温化した地熱蒸気と地熱熱水の混合流体を還元井に安定的に送出するためのバッファー機能を有するタンクとしての機能、という３つの機能を兼ね備えた全く新しいタイプの蒸発器である。
【００１８】
上記横型および縦型タイプは共に、蒸発器本体１１、伝熱管群１２および伝熱管リング１３で構成され、二次流体は、伝熱管リング１３を介して伝熱管群１２の内側を流れるようになっており、地熱蒸気および地熱水は、蒸発器本体１１内を伝熱管群１２の外側を流れるようになっている。
ここで、多機能蒸発器の作用について、図２の横型タイプで説明する。
生産井１から噴出した地熱蒸気と地熱熱水は、蒸発器本体１１の左上から流入し、ここで、地熱蒸気と地熱熱水は比重差により各相に自然分離される。比重の小さい地熱蒸気は、蒸発器本体１１の上部を右方向に流れる。同様に、比重の大きい地熱熱水は、蒸発器本体１１の下部を右方向に流れる。この過程において、伝熱管群１２内を流れる二次流体と熱交換される。また、蒸発器本体１１の上部において熱交換によって発生した地熱蒸気凝縮水は、比重が大きくなることで降下し地熱熱水の相に吸収される。
【００１９】
熱交換によって低温化した地熱蒸気凝縮水を含む地熱熱水は、蒸発器本体１１の右下より、輸送管を介して還元井２に送られる。この輸送管の途中に調節弁を設け、還元井２に送る流量を調節することによって、蒸発器本体１１の中央付近に地熱蒸気の相と地熱熱水の相との境界面水位を作り保持する。また、二次流体は、蒸発器本体１１の右下より下部伝熱管リング１３を介して下部伝熱管群１２内を流れ、ここで地熱熱水の相より熱を受け取る。その後、上部伝熱管リング１３を介して上部伝熱管群１２内を流れ、ここで、更に地熱蒸気の相より熱を受け取り、蒸気化した後、蒸発器本体１１の右上から流出して、タービン４に送られるようになっている。
【００２０】
本発明にかかる地熱発電方法は、上記いずれかのタイプの多機能蒸発器３に対して、生産井１から噴出する地熱蒸気と地熱熱水とを分離することなく、直接的に、送り込み、これを熱源として二次流体を加熱、蒸気化し、この蒸気をタービン４に導いて発電できる点、および多機能蒸発器３内で低温化した地熱蒸気の凝縮水と地熱熱水の混合流体を還元井２に戻すことができる点に特徴がある。
【００２１】
したがって、本発明にかかる地熱発電方法によれば、地下に還元した総量と生産した地熱蒸気と地熱熱水の総量を同じとすることができ、地下の地熱資源を貯留する圧力を低下させること無く、半永久的に保持し、それによって、将来に亘って安定した地熱蒸気と地熱熱水の生産が可能となる。
【００２２】
また、従来の一般的に普及している地熱発電方法と遜色のない簡略な設備構成を実現でき、設備建設コストの低減や運転の容易性を図れるという効果を奏することもできる。
【００２３】
さらに、生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水は、地域によって、その流量、温度、圧力、熱量および化学的性状は様々である。温度を例にとれば、地域によっては３００℃を越す場合もあれば１００℃程度であったりもする。一方、二次流体の候補としては多種多様なものがあり、これもまた物性や熱特性は様々である。
【００２４】
よって、生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水の流量、温度、圧力、熱量および化学的性状から最適な二次流体を選択することによって、生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水が如何なる条件であろうとも、それに合わせた高効率的な熱の採取、しいては発電が可能となるのである。
【００２５】
更には、一般に、生産井から噴出する地熱蒸気と地熱熱水は、高温であるものの地下では高圧状態であるため地熱熱水の単一相として存在する。また、その地熱熱水には多量の不純物を含むことが多い。これが生産井を通して減圧・減温しながら噴出するため地熱蒸気と地熱熱水の二相状態となって噴出してくる。そのため、図４に示すような一般的に広く普及している地熱発電方法では、地熱蒸気が発生した割合に応じて濃縮作用により、地熱熱水中に含まれる不純物濃度が高くなり、スケールとして析出することが多い。図５に示すような従来の地熱発電方法においても、最終的に地熱蒸気凝縮水と地熱熱水は合流するものの、地熱熱水が滞留する前段蒸発器内でスケールとして析出することが多い。
【００２６】
これに対して、図１に示すような本発明の地熱発電方法では，ニ次流体に熱を奪われた地熱蒸気凝縮水は、即座に地熱熱水の相に吸収されるため、希釈により不純物濃度が低下し、スケールとして析出することを防止できるという効果もある。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の地熱発電方法によれば、地下に貯留する地熱資源を半永久的に安定して採取して、それを最大限に発電に利用でき、さらに設備が単純化され得るので、発電システムの建設コストを低減し、運転の容易性を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる地熱発電方法を説明するための概略図である。
【図２】本発明にかかる地熱発電方法に用いる多機能蒸発器（横型タイプ）の構造を示す概略図である。
【図３】本発明にかかる地熱発電方法に用いる多機能蒸発器（横型タイプ）の構造を示す概略図である。
【図４】従来の地熱発電方法を説明するための概略図である。
【図５】図４に示す地熱発電方法を改良した他の従来技術を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１  生産井
２  還元井
３  多機能蒸発器
４  タービン
５  発電機
６  凝縮器
７  冷却装置
８  セパレータ
９  前段蒸発器
１０  後段蒸発器
１１  蒸発器本体
１２  伝熱管群
１３  伝熱管リング
【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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