(57)【要約】  本発明は、ＯＲＣ閉サイクルシステムと、地熱システムとを含むＯＲＣバイナリサイクル地熱プラントに関する。地熱システムは、地熱生産井に接続された地熱流体の取入ラインであって、地熱流体が非凝縮性ガスを含む、取入ラインと、取入ラインに接続され境界区域内でＯＲＣ閉サイクルシステムに接続された境界ラインであって、地熱流体がサイクルシステムの有機作動流体と熱交換する、境界ラインと、境界ラインおよび地熱再注入井に接続された再注入ラインとを含む。地熱システムは、地熱流体から非凝縮性ガスを分離するように構成されたセパレータ装置と、セパレータ装置によって非凝縮性ガスの出口に接続された膨張器と、膨張器に接続された補助発電機とを更に含む。膨張器は、非凝縮性ガスが有機作動流体と熱交換した後、非凝縮性ガスを受け入れて膨張させるようにサイクルシステムと相互作用するために、境界区域の下流に配置される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのＯＲＣ閉サイクルシステム（２、２’、２’’）と地熱システム（３）とを備えるＯＲＣバイナリサイクル地熱プラントであって、
前記少なくとも１つのＯＲＣ閉サイクルシステム（２、２’、２’’）は、
１つの気化器（４）と、
１つの膨張タービン（５）と、
前記膨張タービン（５）に動作可能に接続された１つの発電機（６）と、
１つの凝縮器（７）と、
１つのポンプ（８）と、
有機作動流体（ＯＷＦ）が循環する閉サイクルに従って前記気化器（４）、前記膨張タービン（５）、前記凝縮器（７）、および前記ポンプ（８）を接続するように構成されたダクト（１００）と、
を少なくとも備え、
前記地熱システム（３）は、
少なくとも１つの地熱生産井（１１）に接続された地熱流体（ＧＦ）用の１つの取入ライン（１０）であって、前記地熱流体（ＧＦ）が非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を含む、１つの取入ライン（１０）と、
前記１つの取入ライン（１０）に接続され、かつ境界区域（１３）内で前記少なくとも１つのＯＲＣ閉サイクルシステムに動作可能に接続された１つの境界ライン（１２）であって、前記地熱流体（ＧＦ）が前記ＯＲＣ閉サイクルシステム（２、２’、２’’）の前記有機作動流体（ＯＷＦ）と熱交換する、１つの境界ライン（１２）と、
前記境界ライン（１２）に接続された１つの出口ライン（１４）と、
を少なくとも備え、
前記地熱システム（３）は、
前記地熱流体（ＧＦ）から少なくとも前記非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を分離するように構成された少なくとも１つのセパレータ装置（１６、１６’、１６’’）と、
前記セパレータ装置（１６、１６’、１６’’）によって前記非凝縮性ガス（ＮＣＧ）の出口（１７、１７’、１７’’）に動作可能に接続された膨張器（１９）と、
前記膨張器（１９）に動作可能に接続された補助発電機（２０）と、
を更に備え、
前記膨張器（１９）は、前記非凝縮性ガス（ＮＣＧ）が前記有機作動流体（ＯＷＦ）と熱交換した後に少なくとも前記非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を受け入れて膨張させるように、前記ＯＲＣ閉サイクルシステム（２、２’、２’’）と相互作用するために、前記境界区域（１３）の下流に配置されている、
ＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項２】
前記少なくとも１つのセパレータ装置（１６、１６’’）がまた、前記境界区域（１３）の下流に配置されている、請求項１に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項３】
高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’）と、前記高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’）の下流に動作可能に配置された低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’’）とを備える、請求項１または２に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項４】
前記低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’’）の境界区域（１３）は、前記地熱流体（ＧＦ）が前記高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’）の前記境界区域（１３）内で熱交換した後に前記地熱流体（ＧＦ）を受け入れる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項５】
前記膨張器（１９）が、前記低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’’）の前記境界区域（１３）の下流、および／または前記高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’）の前記境界区域（１３）の下流に配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項６】
前記少なくとも１つのセパレータ装置（１６’’）が、前記低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’’）の前記境界区域（１３）の下流、および／または前記高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム（２’）の前記境界区域（１３）の下流に動作可能に配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項７】
前記膨張器（１９）の入口圧（Ｐｉｎ）が、約２バール〜約１６バールとなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項８】
前記膨張器（１９）の吐出圧（Ｐｏｕｔ）が、約０．８バール〜約１．３バールとなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項９】
前記膨張器（１９）によるエンタルピー変化（ΔＨ）が、約８０ｋＪ／ｋｇ・Ｋ〜約２００ｋＪ／ｋｇ・Ｋとなる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項１０】
前記膨張器（１９）内の水の割合（Ｈ２Ｏ％）が、質量流（ＭＦ）の約２％〜約２５％となる、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項１１】
前記膨張器（１９）が、多段反転遠心ラジアルタービンである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント。
【請求項１２】
ＯＲＣバイナリサイクル地熱プロセスであって、
有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）内で有機作動流体（ＯＷＦ）を循環させるステップであって、前記有機作動流体（ＯＷＦ）が加熱および気化され、発電機（６）に接続されたタービン（５）内で膨張され、凝縮され、再度加熱および気化される、ステップと、
地熱生産井（１１）から非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を含む地熱流体（ＧＦ）を抽出するステップと、
前記有機作動流体（ＯＷＦ）と熱交換するために前記地熱流体（ＧＦ）を前記有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）の前記有機作動流体（ＯＷＦ）に動作可能に接続し、前記有機作動流体（ＯＷＦ）を加熱および気化するステップと、
前記地熱流体（ＧＦ）を排出するステップと、
を含み、
前記プロセスが、前記地熱流体（ＧＦ）から少なくとも前記非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を分離するステップと、補助発電機（２０）に接続された膨張器（１９）内で前記非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を膨張させるステップと
を更に含み、
前記膨張器（１９）内の前記非凝縮性ガス（ＮＣＧ）の膨張は、前記非凝縮性ガス（ＮＣＧ）が前記有機作動流体（ＯＷＦ）と熱交換した後に行われる、
ＯＲＣバイナリサイクル地熱プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＯＲＣ（有機ランキンサイクル）バイナリサイクル地熱プラントおよびプロセスに関する。ＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント／プロセスは、高温地熱流体が熱交換器内の熱を伝達する二次流体を用いて地熱供給源を利用する、電気／電力を生成するためのプラント／プロセス（発電所）である。二次流体は、閉サイクルを再度開始するために凝縮され、熱交換器に送り戻される前に、加熱され、蒸発し、タービン内で膨張する、ＯＲＣ閉サイクルで使用される有機流体である。この構成により、エネルギーはタービン内の地熱蒸気を直接利用するシステム（直接乾燥水蒸気膨張システムまたはフラッシュシステム）と比較してより低いエンタルピーレベルで供給源から作り出すことが可能となり、または直接利用技術と組み合わせてプラント効率を高めることを可能にする。
【背景技術】
【０００２】
地熱システムは一般的に、１つ以上の井戸と、１つ以上の液体または二相流を回収するためのシステムと、場合によっては一方では液体の流れを、もう一方では蒸気と非凝縮性ガス（ＮＣＧ）との混合物からなる流れを分離および分配するためのシステムとからなる。ＮＣＧは、ほぼ完全に二酸化炭素ＣＯ２（例えば、７０％〜９８％）、硫化水素Ｈ２Ｓ（例えば、０．６％〜２４％）、およびわずかに他のガス（例えば、窒素Ｎ２、水素Ｈ２、およびメタンＣＨ４）からなる。
【０００３】
液体の流れ、および蒸気と非凝縮性ガス（ＮＣＧ）との混合物からなる流れの両方を１つ以上の交換器に供給する既知のＯＲＣバイナリサイクル地熱プラントがあり、それらの流体はその交換器でＯＲＣサイクルの有機作動流体と熱交換する。
【０００４】
例えば、公文書の国際公開第２０１４０４１４１７号パンフレット（米国特許第２０１４０７５９３８号明細書としても公開されている）は、地熱流体から発電するための方法および装置を示している。本方法は、分離装置内で、地熱生産井からの地熱流体を地熱蒸気および非凝縮性ガス（ＮＣＧ）と地熱塩水とに分離し、地熱蒸気および非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を気化器に供給することと、地熱蒸気からの熱を用いて予熱した有機作動流体を気化器内で気化して、部分的に凝縮した地熱蒸気および気化した有機流体を生成することと、発電するタービン内の気化した有機流体および膨張した気化有機流体を膨張させることと、凝縮器内で膨張した気化有機流体を凝縮させて凝縮した有機流体を生成することと、凝縮した地熱蒸気および地熱塩水からの熱を用いて予熱器内で凝縮した有機流体を予熱することとを含む。その文献に示されたいくつかの実施形態では、気化器を通過する前に、地熱蒸気および非凝縮性ガス（ＮＣＧ）は、タービンと関連付けられた発電機に接続された膨張器内で膨張し、気化器を通過した後、非凝縮性ガス（ＮＣＧ）は、圧縮機内で圧縮され、予熱器からの地熱塩水とともに地熱注入井に再注入される。
【０００５】
公文書の国際公開第２０１４／１４０７５６号パンフレットは、発電のためのバイナリ地熱プラントを示している。プラントは、ＯＲＣシステムと、地熱流体を、非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を有する気相部分と、ＯＲＣシステムとともに作動する塩水部分とに分離するためのセパレータ装置と、地熱塩水に含まれる固形物の析出による熱交換器の効率低下を防止するためのシステムとを含む。セパレータ装置から流出する気相部分および塩水部分は、有機作動流体を気化させるＯＲＣシステムの気化器に通され、その後、蒸気復水からＮＣＧを分離するように構成された第２のセパレータ装置に通される。ＮＣＧは、蒸気復水および地熱塩水とともに、圧縮機を介して混合ユニット（熱交換器の効率低下を防止するためのシステムの一部である）に送られる。混合ユニットで再構築された地熱流体は、ＯＲＣシステムの予熱器に供給され、次いで再注入井に導入される。その文献に示された一実施形態では、ＯＲＣシステムの気化器に通す前に、セパレータ装置から流出する非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を有する気相部分は、発電機によって更に発電するために蒸気タービンに供給される。
【０００６】
上記に示された両方の文献では、地熱蒸気と非凝縮性ガス（ＮＣＧ）との混合物は、セパレータ装置によって膨張器に直接供給され、混合物はそこで、ＯＲＣバイナリサイクルに供給される前に一定の圧力に達するまで膨張する。
【発明の概要】
【０００７】
この分野では、本出願人は、例えば、利用可能な地熱資源が同じだとすると、より多くの電力を作り出すなど、全体としてバイナリプラントの効率を向上させる必要性を認識していた。
【０００８】
本出願人は、特にＯＲＣバイナリプラント内での非凝縮性ガス（ＮＣＧ）の利用を改善する必要性を認識していた。
【０００９】
本出願人はまた、上述した既知のものなど、膨張器内で非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を利用するＯＲＣバイナリプラントの製造費用および／または維持費を構造的に簡略化および低減する必要性を認識していた。
【００１０】
特に、本出願人は、次のように、
地熱資源を利用することにおいてより効率的なＯＲＣバイナリプロセスおよびプラントを着想する目的、
地熱資源に含まれる非凝縮性ガス（ＮＣＧ）のより良い使用を可能にする地熱資源を利用するためのＯＲＣバイナリプロセスおよびプラントを着想する目的、
特に、前記ＮＣＧの組成にほとんど無関係な方法で地熱資源（この変動性が予測可能でも制御可能でもない）に関係なくこのような利用を可能にする地熱資源を利用するためのＯＲＣバイナリプロセスおよびプラントを着想する目的、
構造的強度および前記ガスと相互作用する部分の摩耗に関してＮＣＧの利用により良く適合され得る地熱資源を利用するためのＯＲＣバイナリプロセスおよびプラントを着想する目的、
ＮＣＧがサイクル内で利用された後でもＮＣＧの制御された安全な管理を可能にする地熱資源を利用するためのＯＲＣバイナリプロセスおよびプラントを着想する目的、
特に、ＮＣＧの膨張用のプラントの部分に関して構造的に簡単である地熱資源を利用するためのＯＲＣバイナリプロセスおよびプラントを着想する目的、
を自身に設定していた。
【００１１】
本出願人は、ＯＲＣバイナリサイクルを提供するために使用される地熱蒸気および非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を含む地熱混合物の第１の冷却の下流には（すなわち、ＯＲＣに接続された交換器の出口では）、利用可能な熱の良好な部分が抽出され、その温度を下げ、蒸気を凝縮させる地熱混合物があるが、入口に対する減圧降下により、入口圧力とは依然として差がない圧力である地熱混合物があることを観察していた。
【００１２】
本出願人は、前記第１の冷却後に（すなわち、ＯＲＣに接続された交換器の出口では）前記地熱混合物を膨張させることによって、前述の先行技術のＮＣＧ膨張器に特有のものよりもはるかに適度のエンタルピー変化で膨張器を働かせることが可能であり、それに対して、地熱井から直接の混合物（地熱塩水から分離された）、ひいては利用可能な熱のすべてを含む混合物を受け入れることが可能であることに気付いていた。これは、バイナリサイクルでの熱交換後、膨張器に入る地熱混合物が非常に高い割合のＮＣＧ（一般的に５０〜７０％だが、より一般的に３０〜９５％となる）およびわずかな割合の水蒸気、ならびに実質的により低い温度を有する事実によるものである。
【００１３】
これは、効率を損なうことなく大気圧での排出を備えた膨張器を採用することを可能にする。それに対して、上述したものなどの先行技術の解決法には、排出が大気圧である場合、大量の水蒸気が大気中に失われるので、通常、真空下での排出があり、効率を著しく低下させる。
【００１４】
膨張器はまた、エンタルピー変化の低下が多くの膨張器段を不要にするので、より小型で構造的により簡単かつより経済的であり得る。膨張器が小型であるので、ステンレス鋼（例えば、１６％超のＣｒ％を有する）、チタン、またはニッケル合金など、高品質の耐食材料がその構築に使用され得る。
【００１５】
上記文献の国際公開第２０１４０４１４１７号パンフレット（米国特許第２０１４０７５９３８号明細書）は、国際公開第２０１４０４１４１７号パンフレットのＮＣＧ膨張器が地熱井（地熱塩水から分離された）から直接の混合物、ひいてはすべての利用可能な熱を含む混合物を受け入れるので、このような目的が達成されることが可能ではないことに留意するべきである。効率を著しく低下させる、大気中に水蒸気を失うことをしないために、国際公開第２０１４０４１４１７号パンフレットは、ＮＣＧを圧縮し、冷却塔および凝縮器内でＮＣＧを利用した後に地下にＮＣＧの再注入する部分を想定しており、これはプラントを複雑かつ高価にする。それに対して、既に指摘したように、冷却および水蒸気量の低下によるエンタルピーの最初の低下後に、すなわち、ＯＲＣに接続された交換器の出口では、地熱混合物を膨張させることによって、前述の先行技術のＮＣＧ膨張器に特有のものよりもはるかに適度のエンタルピー変化で膨張器を働かせることが可能であり、これにより、効率を損なうことなく大気圧での排出を備えた膨張器の採用が可能となる。国際公開第２０１４０４１４１７号パンフレットは、このような目的を達成するのを可能にしないだけでなく、反対の解決法も提案している。
【００１６】
したがって、本出願人は、上述の目的および更に他の目的が、ＯＲＣバイナリサイクル地熱プラント内で、場合により前記交換器からの地熱蒸気とともに、非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を搬送して膨張させるＯＲＣに接続された交換器の下流に位置する１つ以上の膨張器を実装することによって実現することができることを見出していた。
【００１７】
特に、特定の目的および更に他の目的は、添付の特許請求の範囲で特許請求され、かつ／または以下の態様で開示される種類のプラントおよびＯＲＣバイナリ地熱プロセスによって実質的に実現される。
【００１８】
独立態様では、本発明は、１つの気化器と、１つの膨張タービンと、（電気／電力を生成するように）膨張タービンに動作可能に接続された１つの発電機と、１つの凝縮器と、１つのポンプと、有機作動流体が循環する閉サイクルに従って気化器、膨張タービン、凝縮器、およびポンプを接続させるように構成されたダクトとを少なくとも含む少なくとも１つのＯＲＣ閉サイクルシステムを含む、ＯＲＣバイナリサイクル地熱プラントに関する。ＯＲＣバイナリサイクル地熱プラントは、少なくとも１つの地熱生産井に接続された１つの地熱流体取入ラインであって、地熱流体が非凝縮性ガスを含む、１つの地熱流体取入ラインと、取入ラインに接続され、かつ境界区域内で前記少なくとも１つのＯＲＣ閉サイクルシステムに動作可能に接続された１つの境界ラインであって、地熱流体が前記ＯＲＣ閉サイクルシステムの有機作動流体と熱交換する、１つの境界ラインと、再注入境界ラインに接続された１つの再注入出口ラインとを少なくとも含む、地熱システムを更に含む。地熱システムは、地熱流体から少なくとも非凝縮性ガスを分離するように構成された少なくとも１つのセパレータ装置と、セパレータ装置から流出する非凝縮性ガスのための出口に動作可能に接続された１つの膨張器と、（更なる電気／電力を生成するように）膨張器に動作可能に接続された１つの補助発電機とを更に含む。膨張器は、境界区域の下流に位置し、膨張器はそこで非凝縮性ガスが有機作動流体と熱交換した後に少なくともそのガスを受け入れて膨張させるようにＯＲＣ閉サイクルシステムと相互作用する。出口ラインは、地熱再注入井に接続された再注入ラインであることが好ましい。あるいは、出口ラインは、屋外に排出する。
【００１９】
独立態様では、本発明は、ＯＲＣバイナリサイクル地熱プロセスであって、有機ランキンサイクル内で有機作動流体を循環させることであって、前記有機作動流体が加熱および気化され、発電機に接続されたタービン内で膨張され、凝縮され、再度加熱および気化される、循環させることと、地熱生産井から非凝縮性ガスを含む地熱流体を抽出することと、前記有機作動流体と熱交換するために地熱流体を有機ランキンサイクルの有機作動流体に動作可能に接続することと、前記有機作動流体を加熱および気化することと、地熱流体を排出することと、を含み、
このプロセスは、地熱流体から少なくとも非凝縮性ガスを分離することと、補助発電機に接続された膨張器内の前記非凝縮性ガスを膨張させることとを更に含み、
膨張器内の非凝縮性ガスの膨張は前記非凝縮性ガスが有機作動流体と熱交換した後に行われる、ＯＲＣバイナリサイクル地熱プロセスに関する。
【００２０】
前述の態様による一態様では、膨張器は、地熱蒸気および非凝縮性ガスを含む地熱混合物を受け入れて膨張させる。地熱流体を排出することは、地熱流体を地熱再注入井に再注入することを含むことが好ましい。あるいは、地熱流体を排出することは、屋外に排出することを含む。
【００２１】
本出願人は、５０〜７０％の典型的なＣＯ２（ＮＣＧ）濃度（本発明による膨張器を配置することによって得られる）および大気圧での排出では、蒸気の部分的吐出圧は、約３０〜５０％であり、それ故に大気圧での膨張器吐出温度は、約０．３〜０．５バールの飽和圧力、すなわち、５０〜８０℃に相当することを確認していた。したがって、エネルギーは大気中でほとんど失われないことが実証される。先行技術の解決法の場合と同様に、ＣＯ２（ＮＣＧ）の割合がわずか５〜１０％である場合、約９５〜９９℃で大量の水蒸気が大気で失われ、効率を著しく低下させる。
【００２２】
本出願人は、適度のエンタルピー変化が比較的簡易な小型膨張器で管理することができることを更に確認していた。
【００２３】
本出願人はまた、地熱資源の状態が非常に変わりやすいことを観察していた。膨張器を通過する地熱混合物は、ＮＣＧに加えて、固体粒子および液体粒子（Ｈ２Ｏの滴、混合物の水滴）を含むことができる。これらの粒子は、粒子が接触する膨張器の部分に腐食の影響を及ぼす。腐食の影響は、流体自体の流速に正比例する。さらに、腐食は、遠心力の場が限られた領域内でより高い密度（固体でも液体でも）で粒子を寄り集め、それ故にこの効果を高める膨張器内でより大きい。
【００２４】
本出願人は、絶対的および相対的な流体速度が両方とも低く、かつ遠心力が影響しない膨張器が優先されるべきであることに気付いていた。本出願人は、単一回転または反転遠心ラジアルタービンが後者の腐食剤により良く耐えることができることにより、地熱混合物との使用に完全に適していることを見出していた。
【００２５】
したがって、更なる独立態様では、本発明は、１つの気化器と、１つの膨張タービンと、膨張タービンに動作可能に接続された１つの発電機と、１つの凝縮器と、有機作動流体が循環する閉サイクルに従って気化器、膨張タービン、および凝縮器を接続させるように構成されたダクトとを少なくとも含む少なくとも１つのＯＲＣ閉サイクルシステムを含む、ＯＲＣバイナリサイクル地熱プラントに関する。ＯＲＣバイナリサイクル地熱プラントは、少なくとも１つの地熱生産井に接続された１つの地熱流体取入ラインであって、地熱流体が非凝縮性ガスを含む、１つの地熱流体取入ラインと、取入ラインに接続され、かつ境界区域内で前記少なくとも１つのＯＲＣ閉サイクルシステムに動作可能に接続された１つの境界ラインであって、地熱流体が前記ＯＲＣ閉サイクルシステムの有機作動流体と熱交換する、１つの境界ラインと、再注入境界ラインに接続された１つの再注入ライン出口とを少なくとも含む、地熱システムを更に含む。地熱システムは、地熱流体から少なくとも非凝縮性ガスを分離するように構成された少なくとも１つのセパレータ装置と、セパレータ装置から流出する非凝縮性ガスのための出口に動作可能に接続された１つの膨張器と、膨張器に動作可能に接続された１つの補助発電機とを更に含む。非凝縮性ガスの膨張器は、反転式の遠心ラジアル（流出）タービンであることが好ましい。出口ラインは、地熱再注入井に接続された再注入ラインであることが好ましい。あるいは、出口ラインは、屋外に排出する。
【００２６】
「境界区域」という用語は、地熱流体および有機作動流体が熱交換する装置（例えば、気化器、予熱器）の組を意味する。
【００２７】
前述の態様の１つ以上による一態様では、前記少なくとも１つのセパレータ装置は、地熱流体を、地熱塩水と地熱蒸気および非凝縮性ガスを含む地熱混合物とに分離するように構成される。
【００２８】
前述の態様による一態様では、前記少なくとも１つのセパレータ装置は、地熱流体用の入口と、地熱混合物用の第１の出口と、地熱塩水用の第２の出口とを有する。
【００２９】
前述の態様による一態様では、膨張器は、地熱蒸気および非凝縮性ガスを含む地熱混合物を受け入れて膨張させるように前記少なくとも１つのセパレータ装置の第１の出口に接続される。
【００３０】
前述の態様の１つ以上による一態様では、前記少なくとも１つのセパレータ装置は、境界区域の下流にも配置される。分離は、地熱混合物がＯＲＣサイクルで熱交換した後に行われ、セパレータ装置から流出すると、地熱蒸気および非凝縮性ガスは膨張器に導入される。
【００３１】
一態様では、変形実施形態によれば、前記少なくとも１つのセパレータ装置は、境界区域の上流に配置される。分離は、地熱混合物がＯＲＣサイクルで熱交換する前に行われ、境界区域に位置する交換器から流出すると、地熱蒸気および非凝縮性ガスは膨張器に導入される。
【００３２】
更なる変形実施形態による一態様では、前記少なくとも１つのセパレータ装置は、境界区域の上流に配置された第１のセパレータ装置と、境界区域の下流に配置された第２のセパレータ装置とを含む。第２のセパレータ装置は、非凝縮性ガスを有する地熱蒸気から、境界区域に位置する交換器から流出する地熱混合物の液体部分を分離する。
【００３３】
前述の態様による一態様では、地熱プラントは、高圧ＯＲＣ閉サイクルシステムと、高圧ＯＲＣ閉サイクルシステムの下流に動作可能に配置された低圧ＯＲＣ閉サイクルシステムとを含む。
【００３４】
前述の態様による一態様では、低圧ＯＲＣ閉サイクルシステムの境界区域は、前記地熱流体が高圧ＯＲＣ閉サイクルシステムの境界区域内で熱交換した後に地熱流体を受け入れる。
【００３５】
前述の態様による一態様では、膨張器は、低圧ＯＲＣ閉サイクルシステムの境界区域の下流、および／または高圧ＯＲＣ閉サイクルシステムの境界区域の下流に配置される。
【００３６】
前述の態様による一態様では、前記少なくとも１つのセパレータ装置は、低圧ＯＲＣ閉サイクルシステムの境界区域の下流、および／または高圧ＯＲＣ閉サイクルシステムの境界区域の下流に動作可能に配置される。
【００３７】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、境界ラインは、ＯＲＣ閉サイクルシステムの気化器に動作可能に接続された少なくとも１つの第１のラインを含み、前記気化器では、前記第１のライン内を流れる地熱混合物は前記有機作動流体を気化させるために有機作動流体と熱交換する。
【００３８】
前述の態様による一態様では、ＯＲＣ閉サイクルシステムは、境界区域内に位置する予熱器を含む。
【００３９】
前述の態様による一態様では、境界ラインは、ＯＲＣ閉サイクルシステムの予熱器に動作可能に接続された少なくとも１つの第２のラインを含み、前記予熱器では、前記第２のライン内を流れる地熱流体は気化器に入る前に前記有機作動流体を予熱するように有機作動流体と熱交換する。
【００４０】
前述の態様による一態様では、第１のセパレータ装置は、境界区域の上流に配置され、地熱流体を、地熱塩水と地熱蒸気および非凝縮性ガスを含む地熱混合物とに分離するように構成される。
【００４１】
前述の態様による一態様では、第１のセパレータ装置は、地熱流体用の入口と、第１のラインに接続された地熱混合物用の第１の出口と、第２のラインに接続された地熱塩水用の第２の出口とを有する。
【００４２】
前述の態様による一態様では、第２のセパレータ装置は、境界区域の下流に配置され、地熱混合物を凝縮した地熱蒸気および非凝縮性ガスに分離するように構成される。
【００４３】
前述の態様による一態様では、第２のセパレータ装置は、地熱混合物用の入口と、凝縮した地熱蒸気用の第１の出口と、膨張器に接続された非凝縮性ガス用の第２の出口とを有する。
【００４４】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、前記少なくとも１つのセパレータ装置は、少なくとも１つの直接接触の熱交換器および／または少なくとも１つの表面式熱交換器を含む。
【００４５】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器の入口圧は、約２バール〜約１６バールとなる。
【００４６】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器の吐出圧は、約０．８〜約１．３バールとなる。吐出圧は、大気圧に略等しい。
【００４７】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器の入口温度は、約９０℃〜約１６０℃となる。
【００４８】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器によるエンタルピー変化は、約８０ｋＪ／ｋｇ・Ｋ〜約２００ｋＪ／ｋｇ・Ｋとなる。前に指摘したように、適度のエンタルピー変化は、比較的簡易な小型膨張器で管理することができる。
【００４９】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器内の非凝縮性ガスの割合は、質量流の約３０％〜約９５％となる。
【００５０】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器内の水の割合は、質量流の約２％〜約２５％となる。大気中に失われた水蒸気は最小であり、これは効率を高く保つことに寄与する。
【００５１】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器の入口質量流量は、約６Ｋｇ／ｓ〜約２０Ｋｇ／ｓとなる。
【００５２】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器の入口体積流量は、約０．４ｍ３／ｓ〜約２．５ｍ３／ｓとなる。
【００５３】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器の吐出体積流量は、約３ｍ３／ｓ〜約１５ｍ３／ｓからなる。
【００５４】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器の吐出滴定量は、約８５％〜約１００％となる。
【００５５】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、補助発電機が発電した電力は、約５００ｋＷ〜約４０００ｋＷとなる。
【００５６】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器は、遠心ラジアルタービンである。
【００５７】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器は、単一回転または反転遠心ラジアルタービンである。
【００５８】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器は、多段反転遠心ラジアルタービンである。
【００５９】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器は、固定ケーシングと、それぞれの円軌道に沿って連続して配設された一連のブレードからなる少なくとも１つのラジアルロータ段を支持する面を有する支持ディスクと、それぞれのディスクと一体の回転軸と、ケーシングに対して固定され、かつそれぞれの円軌道に沿って、前記少なくとも１つのラジアルロータ段に対して半径方向内部位置で連続して配設された一連のブレードからなる少なくとも１つのラジアルステータ段とを含み、
膨張容積が支持ディスクとケーシングとの間で画定され、前記少なくとも１つのディスクは前記少なくとも１つのラジアルロータ段に対して半径方向内部位置に配置される進入流路を有し、前記少なくとも１つのディスクは進入流路からの作動流体の作用の下で回転軸線を中心にそれぞれの軸とともに回転自在である、遠心ラジアルタービンである。
【００６０】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器は、それぞれの円軌道に沿って、かつ第１の配向で連続して配設された一連のブレードからなる少なくとも１つのラジアルロータ段を支持する第１の面を有する第１の支持ディスクと、第１のディスクと一体の第１の回転軸と、それぞれの円軌道に沿って、かつ第１の配向とは反対の第２の配向で連続して配設された一連のブレードからなる少なくとも１つのラジアルロータ段を支持する第２の面を有する第２の支持ディスクと、第２のディスクと一体の第２の回転軸とを含み、第１のディスクは膨張容積を画定するように第２のディスクに面しており、第１のディスクのブレードは第２のディスクのブレードと半径方向に互い違いにされ、
ディスクの各々がラジアルロータ段の一連のブレードに対して半径方向内部位置に配置される進入流路を有し、第１および第２のディスクは共通回転軸線を中心にそれぞれの軸とともに回転自在であり、進入流路からの作動流体の作用の下で反対方向に回転自在である、反転遠心ラジアルタービンである。
【００６１】
５つの前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、動作中に、遠心ラジアルタービンは、約２０００ＲＰＭ〜約４０００ＲＰＭとなる角速度で回転する。
【００６２】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、補助発電機は、いずれの減速ギヤも介在することなく膨張器の軸に直接接続される。これは、膨張器自体が作動する回転数によって可能となる。
【００６３】
前述の態様の少なくとも１つによる一態様では、膨張器は、前記膨張器の回転軸の周囲に動作可能に配設され、かつ前記軸への非凝縮性ガスまたは非凝縮性ガスを有する地熱蒸気の漏れを防止するように構成された封止装置を含む。
【００６４】
独立態様では、本発明はまた、少なくとも１つのロータおよび少なくとも１つの回転軸を含み、前記膨張器の前記少なくとも１つの回転軸の周囲に動作可能に配設され、かつ前記軸へのガス／水蒸気の漏れを防止するように構成された少なくとも１つの封止装置を更に含む、膨張器、好ましくは単一回転または反転遠心ラジアルタービンに関する。
【００６５】
２つの前述の態様の１つによる一態様では、前記封止装置は、回転軸の周囲に配設された少なくとも２つの環状チャンバを画定する少なくとも３つの封止要素と、前記２つの環状チャンバに動作可能に接続された少なくとも１つのエジェクタとを含む。
【００６６】
前述の態様による一態様では、エジェクタは、駆動流体入口と、駆動流体入口に接続されたノズルと、吸入口と、ディフューザとを含み、膨張器の膨張容積に近接して設定された第１の環状チャンバはエジェクタの駆動流体入口と流体連通しており、外部環境に隣接した第２の環状チャンバはエジェクタの吸入口と流体連通している。
【００６７】
エジェクタは、膨張器内に存在するガス（非凝縮性ガスまたは非凝縮性ガスを有する地熱蒸気）を利用する、第２の環状チャンバ内で大気圧より低い圧力を発生させる。特に、エジェクタは、駆動流体として、外部環境から第２の環状チャンバへ入った空気とともに存在するガス（非凝縮性ガスまたは非凝縮性ガスを有する地熱蒸気）の混合物を引き込むために、第１のシールによって漏れた（かつ第１の環状チャンバ内に存在する）ガス（非凝縮性ガスまたは非凝縮性ガスを有する地熱蒸気）を利用する。
【００６８】
前述の態様による一態様では、エジェクタのディフューザは、膨張器の排出口と流体連通している。
【００６９】
前述の態様による一態様では、封止装置は、第１の環状チャンバと第２の環状チャンバとの間に介在し、かつ膨張器の排出口と流体連通する第３の環状チャンバを少なくとも含む。このように、気密性を向上させ、それ故にエジェクタによって第２のチャンバ内に存在する空気と非凝縮性ガスとの混合物に吸い込まれた非凝縮性ガスの量を制限することが可能である。
【００７０】
前述の４つの態様の１つによる一態様では、封止装置は、第２のチャンバと外部環境との間に設定された補助環状チャンバを含み、前記補助チャンバは加圧下でガス（例えば、空気）の供給源と流体連通して選択的に配置することができる。
【００７１】
前述の態様による一態様では、封止装置は、エジェクタの駆動流体（非凝縮性ガス）が第２のチャンバ内に負圧を発生させることができるような圧力である場合、補助チャンバが加圧下でガスの供給源から切断される状態と、エジェクタの駆動流体（非凝縮性ガス）が第２のチャンバ内に負圧を発生させることができないような圧力である場合、補助チャンバが加圧下でガスの供給源に接続され、補助チャンバが大気圧より低い圧力である状態との２つの状態下で作動するように構成される。
【００７２】
この解決法により、膨張器の起動段階（全回転速度および全負荷に達するための段階）であっても気密性を確保することが可能となり、その間、膨張器内部の圧力は第２のチャンバ内に負圧を確保しないような圧力であり得る。
【００７３】
例示的目的ひいては非限定的目的のためにのみ提供される添付の図面を参照して本明細書を後述する。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明によるバイナリサイクル地熱プラントを示す。
【図２】概略的に示した部分を有する本発明による他のプラントでも代表的である、図１のプラントを示す。
【図３】図１および図２のプラントの変形実施形態を示す。
【図４】図２のプラントの更なる変形実施形態を示す。
【図５】図２のプラントの更なる変形実施形態を示す。
【図６】前述の図のプラントで使用可能な膨張器の断面図を示す。
【図７】図６の膨張器の要素を概略的に示す。
【図８】図７の要素と関連付けられた前述の図のプラントで使用可能な膨張器の概略図である。
【図９】図７の要素の変形を概略的に示す。
【図１０】図９の要素と関連付けられた前述の図のプラントで使用可能な膨張器の概略図である。
【図１１】図８および図１０の膨張器の拡大詳細図を示す。
【図１２】それぞれの動作形態における図７の要素の更なる変形の一形態を概略的に示す。
【図１３】それぞれの動作形態における図７の要素の更なる変形の別の形態を概略的に示す。
【図１４】図１１および図１２の要素と関連付けられた前述の図のプラントで使用可能な膨張器の概略図である。
【図１５】図１４の膨張器の変形の一形態の同様の概略図である。
【図１６】図１４の膨張器の変形の別の形態の同様の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
前述の図を参照すると、参照番号１はその全体が、ＯＲＣバイナリサイクル地熱プラントを指す。特に図１を参照すると、プラント１は、ＯＲＣ閉サイクルシステム（有機ランキンサイクル）２と、地熱システム３とを含む。
【００７６】
ＯＲＣ閉サイクルシステム２は、気化器４と、膨張タービン５と、膨張タービン５に動作可能に接続された発電機６と、凝縮器７と、ポンプ８と、予熱器９とを含む。ダクト１００は、閉サイクルに従って気化器４、膨張タービン５、凝縮器７、ポンプ８、および予熱器９を接続する。高分子量の有機作動流体ＯＷＦは、閉サイクル内で循環される。有機作動流体ＯＷＦは予熱器９および気化器４内で予熱、加熱、および気化される。気化器４から流出する気相状態での有機作動流体ＯＷＦは、膨張タービン５に入り、その流体はそのタービンで膨張し、膨張タービン５および発電機６のロータ（複数可）の回転を引き起こし、発電機はそれ故に発電する。膨張した有機作動流体ＯＷＦはその後、凝縮器７に入り、その流体はその凝縮器で液相に戻され、ここからポンプ８によって予熱器９に送り戻される。
【００７７】
有機作動流体ＯＷＦの加熱および気化は、地熱システム３からの地熱流体ＧＦとの熱交換によって生じる。
【００７８】
地熱システム３は、地熱生産井１１に接続された地熱流体ＧＦ用の取入ライン１０と、取入ライン１０に接続され、かつ境界区域１３内のＯＲＣ閉サイクルシステム２に動作可能に接続された境界ライン１２と、境界ライン１２および少なくとも１つの地熱再注入井１５に接続された再注入ライン１４からなる出口ラインとを含む。図１における実施形態では、境界区域１３は、気化器４および予熱器９を含む。より一般的に、本明細書および添付の特許請求の範囲では、「境界区域」１３という用語は、地熱流体ＧＦおよび有機作動流体ＯＷＦが熱交換する装置（例えば、気化器、予熱器）の組を意味する。ＯＲＣ閉サイクルシステム２および境界区域１３を図２に概略的に示す。
【００７９】
地熱流体ＧＦは、地熱塩水ＧＢ、ならびに地熱蒸気ＧＶ（水蒸気）および非凝縮性ガスＮＣＧを含む地熱混合物ＧＭを含む。一般的に、非凝縮性ガスＮＣＧは、ほぼ完全に二酸化炭素ＣＯ２（例えば、７０％〜９８％）、硫化水素Ｈ２Ｓ（例えば、０．６％〜２４％）、およびわずかに他のガス（例えば、窒素Ｎ２、水素Ｈ２、メタンＣＨ４）からなる。
【００８０】
地熱流体ＧＦの流れに対して境界区域１３の下流では、図１および図２に示す地熱システム３は、地熱流体ＧＦから地熱蒸気ＧＶおよび非凝縮性ガスＮＣＧを分離するように構成されたセパレータ装置１６を含む。セパレータ装置１６は、例えば、それ自体既知のフラッシュセパレータまたは表面型熱交換器である。フラッシュセパレータは、液体供給（地熱流体ＧＦ）が膨張装置を介して導入されるタンクからなる。タンクは、デミスタ（液滴セパレータ）よって同伴液体を除去した地熱蒸気ＧＶおよび非凝縮性ガスＮＣＧを含む地熱混合物ＧＭ用に上部に第１の出口１７と、タンクの底部で回収された地熱塩水ＧＢ用に底部に第２の出口１８とを有する。
【００８１】
セパレータ装置１６は、再注入ライン１４に位置し、このラインはそれ故に、境界区域１３をセパレータ装置１６に接続させる第１の部分１４ａ、および地熱塩水ＧＢを前記井戸１５に再注入するために第２の出口１８を再注入井１５に接続させる第２の部分１４ｂからなる。
【００８２】
地熱プラント１は、セパレータ装置１６によって地熱混合物ＧＭ（非凝縮性ガスＮＣＧおよび水蒸気ＧＶを含む）の第１の出口１７に動作可能に接続された膨張器１９と、膨張器１９に動作可能に接続された補助発電機２０とを更に含む。膨張器１９は、境界区域１３の下流に位置し、その膨張器はそこで、セパレータ装置１６からの流出中、すなわち、地熱混合物ＧＭが既にＯＲＣサイクルの有機作動流体ＯＷＦと熱交換した後、非凝縮性ガスＮＣＧおよび地熱蒸気ＧＶを受け入れて膨張させるようにＯＲＣ閉サイクルシステム２と相互作用する。
【００８３】
膨張器１９は、１つ以上の入口導管２１を介してセパレータ装置１６の第１の出口１７に接続される。
【００８４】
膨張器１９は、例えば、図６に示すものなど、例として、反転式の遠心ラジアル（流出）タービンである。図示しない変形実施形態では、膨張器１９は、別の種類のタービン（単一回転遠心ラジアル、求心ラジアル、軸流など）であり得る。
【００８５】
図６の反転遠心ラジアルタービン１９は、複数の第１のラジアルロータ段２３ａ、２３ｂを支持する第１の面を有する第１の支持ディスク２２を含み、各段がそれぞれの円軌道に沿って、かつ第１の配向で連続して配設された一連のブレードからなる。第１の回転軸２４は、第１のディスク２２と一体である。第２の支持ディスク２５は、複数の第２のラジアルロータ段２６ａ、２６ｂを支持する第２の面を有し、各段がそれぞれの円軌道に沿って、かつ第１の配向の反対の第２の配向で連続して配設された一連のブレードからなる。第２の回転軸２７は、第２のディスク２５と一体である。第１のディスク２２は、膨張容積を画定するように第２のディスク２５に面しており、第１のディスク２２のブレードは第２のディスク２５のブレードと半径方向に互い違いにされる。
【００８６】
第１の回転軸２４および第２の回転軸２７は、単一の補助発電機２０に接続され、あるいは各々がそれぞれの補助発電機２０に接続される。
【００８７】
ディスク２２、２５の各々は、ラジアルロータ段２３ａ、２３ｂ、２６ａ、２６ｂの一連のブレードに対して半径方向内部位置に配置される進入流路２８、２９を有する。進入流路２８、２９は、入口導管２１によってセパレータ装置１６の第１の出口１７に接続される。第１のディスク２２および第２のディスク２５は、共通回転軸線Ｘ−Ｘを中心にそれぞれの軸２４、２７とともに回転自在であり、進入流路２８、２９からの地熱混合物ＧＭの作用の下で反対方向に回転自在である。
【００８８】
第１の支持ディスク２２および第２の支持ディスク２５は、固定ケーシング３０に収容される。第１の軸２４および第２の軸２７は、軸受３１によってケーシング３０内で回転可能に支持される。
【００８９】
反転遠心ラジアルタービン１９は、それぞれの支持ディスク２２、２５において回転軸２４、２７の各々の周囲に動作可能に配設された封止装置３２（図６に概略的に図示）を更に含む。すべての封止装置３２は、前記軸２４、２７に向かって、すなわち、軸２４、２７とその軸を収容するスリーブ３３との間で画定された流路内で非凝縮性ガスＮＣＧまたは非凝縮性ガスＮＣＧを有する地熱蒸気ＧＶの漏れを防止するように構成される。
【００９０】
封止装置３２の構造は、図７で分かり得る。この実施形態では、封止装置３２は、回転軸２４、２７の周囲に配設された２つの環状チャンバ３５、３６を画定する３つの封止要素３４ａ、３４ｂ、３４ｃを含む。
【００９１】
第１の封止要素３４ａは、ガスによって占められる遠心ラジアルタービン１９の内容積に隣接する。第３の封止要素３４ｃは、外部と連通する環境、すなわち、大気圧で近接する。第２の封止要素３４ｂは、２つのチャンバ３５、３６を分離する。第１の環状チャンバ３５は、第１の封止要素３４ａおよび第２の封止要素３４ｂによって画定される。第２の環状チャンバ３６は、第２の封止要素３４ｂおよび第３の封止要素３４ｃによって画定される。
【００９２】
エジェクタ３７は、前記２つの環状チャンバ３５、３６に動作可能に接続される。
【００９３】
それ自体既知のエジェクタ３７は、駆動流体入口３８と、駆動流体入口３８に接続されたノズル３９と、吸入口４０と、ディフューザ４１とを含む（図１１）。
【００９４】
封止装置３２の第１の環状チャンバ３５は、第１の導管４２によってエジェクタ３７の駆動流体入口３８と流体連通している。第２の環状チャンバ３６は、第２の導管４３によってエジェクタ３７の吸入口４０と流体連通している（図７、図８および図１１）。ディフューザ４１は、図８（簡略化のため、単一回転遠心ラジアルタービンを示す）に概略的に示すように、第３の導管４５によって遠心ラジアルタービン１９の排出口４４と流体連通している。
【００９５】
エジェクタ３７は、遠心ラジアルタービン１９内に存在する非凝縮性ガスＮＣＧまたは非凝縮性ガスＮＣＧを有する地熱蒸気ＧＶを利用する、第２の環状チャンバ３６内で大気圧より低い圧力を発生させる。第２の環状チャンバ３６内の負圧は、外部環境から空気を取り込み、空気および空気に含まれる非凝縮性ガスＮＣＧの漏れを防止する。このために、エジェクタ３７は、駆動流体として、非凝縮性ガスＮＣＧまたは非凝縮性ガスＮＣＧを有する地熱蒸気ＧＶを利用し、これらの流体は外部環境から第２の環状チャンバ３６へ入った空気とともに存在するガスの混合物を引き込むように第１のシールを通過する（かつそれ故に第１の環状チャンバ３５内に存在する）。この混合物は次に、遠心ラジアルタービン１９の排出口４４に導入される。
【００９６】
図９および図１０に示す変形実施形態では、封止装置３２は、第１の環状チャンバ３５と第２の環状チャンバ３６との間に軸方向に介在した第３の環状チャンバ４６を含む。この場合、２つの第２の封止要素３４ｂは、前記第３の環状チャンバ４６を画定する。第３の環状チャンバ４６は、第４の導管４７によって遠心ラジアルタービン１９の排出口４４と流体連通している。このように、気密性を向上させ、それ故にエジェクタ３７によって第２のチャンバ３６内に存在する空気と非凝縮性ガスとの混合物に引き込まれた非凝縮性ガスの量を制限することが可能である。
【００９７】
図１２、図１３および図１４に示す更なる変形実施形態では、封止装置３２は、第２のチャンバ３６と外部環境との間、すなわち、第２のチャンバ３６の隣に設定された補助環状チャンバ４８を更に含む。前記補助チャンバ４８は、比例弁５０を装着した第５の導管４９によって、圧力（空気）を受けてガス供給源５１に選択的に接続することができる。
【００９８】
この追加の変形実施形態の封止装置３２は、２つの状態下で作動するように構成される。エジェクタ３７の駆動流体（非凝縮性ガスＮＣＧまたは非凝縮性ガスＮＣＧを有する地熱蒸気ＧＶ）が第２のチャンバ３６内に負圧を発生させることができるような圧力である場合、補助チャンバ４８は、圧力５１（図１３、弁５０が閉鎖状態）を受けてガス供給源から切断される。エジェクタ３７の駆動流体が第２のチャンバ３６内に負圧を発生させることができないような圧力である場合、補助チャンバ４８は、圧力５１を受けてガス供給源に接続され、したがって、大気圧より高い圧力である（図１２）。
【００９９】
第１の状態から他の状態に自動的に切り替えるために、圧力センサ５２によって加圧下での補助チャンバ４８と第２のチャンバ３６との間の圧力差を測定し、かつコントローラ５３（ＰＬＣ）によって制御された比例弁５０で圧力差を調整することができる。このように、エジェクタ３７が十分な真空を作り出すことができる段階にタービン１９が入ると、比例弁５０は、無意味に空気を使いきるのを避けるように閉鎖する。
【０１００】
図１５は、２つの封止装置３２が図１２および図１３のように構成される図６の反転遠心タービン１９を概略的に示す。図１５における解決法では、２つのエジェクタ３７および圧力５１（それぞれの弁５０、圧力センサ５２およびコントローラ５３による）を受けた２つのガス供給源があるが、各封止装置３２につき１つある。それに対して、図１６における変形形態では、両方の封止装置３２に接続されているのは、１つのエジェクタ３７および圧力５１（それぞれの弁５０、圧力センサ５２およびコントローラ５３による）を受けた１つのガス供給源だけである。
【０１０１】
前述の変形形態を備えた封止装置３２はまた、非凝縮性ガスの膨張用のもの以外の膨張器／タービンで使用することができ、それ故に独立した発明の主題を形成する。
【０１０２】
使用中には、本発明のプロセスによって、かつ図１および図２を参照すると、地熱生産井１１から抽出された地熱流体ＧＦは、順に気化器４および予熱器９に入り、その流体はそこで有機作動流体ＯＷＦと熱交換し、その予熱および蒸発をもたらす。その後、有機ランキンサイクルＯＲＣに熱を伝達した地熱流体ＧＦは、セパレータ装置１６に導入される。
【０１０３】
セパレータ装置１６は、地熱流体ＧＦから非凝縮性ガスＮＣＧおよび地熱蒸気ＧＶを分離する。非凝縮性ガスＮＣＧおよび地熱蒸気ＧＶは、第１の出口１７を介して上部から流出し、膨張器１９に導入される。地熱塩水ＧＢは、第２の出口１８を介して底部から流出し、再注入井１５を介して地下に再注入される。膨張器１９は、ＯＲＣサイクルの有機作動流体ＯＷＦに熱を伝達した後、地熱蒸気ＧＶおよび非凝縮性ガスＮＣＧを含む地熱混合物ＧＭを受け入れて膨張させる。
【０１０４】
膨張器１９の典型的な入口の熱力学的条件を以下の表１に示す。
【表１】
2018536107.tif 000003
【０１０５】
膨張器１９の典型的な吐出条件を以下の表２に示す。
【表２】
2018536107.tif 000004
【０１０６】
特定のエンタルピー変化および電力に関して、代表値を以下の表３に示す。
【表３】
2018536107.tif 000005
【０１０７】
上述の種類の反転遠心ラジアルタービンが膨張器１９として採用される場合、その支持ディスク２２、２５は、約２０００ＲＰＭ〜約４０００ＲＰＭとなる角速度で回転する。したがって、反転遠心ラジアルタービン１９の軸２４、２７は、いずれの減速ギヤも介在することなく補助発電機（複数可）２０に直接接続することができる。
【０１０８】
図３に示すプラント１の変形実施形態は、境界区域１３の上流に配置された第１のセパレータ装置１６’と、境界区域１３の下流に配置された第２のセパレータ装置１６’’とを含む。補助膨張器５４は、取入ライン１０の第１の分岐１０’を介して第１のセパレータ装置１６’に更に接続され、追加の補助発電機５５に機械的に接続される。第１のセパレータ装置１６’は、取入ライン１０からの地熱流体ＧＦを、非凝縮性ガスＮＣＧを有する地熱蒸気ＧＶと地熱塩水ＧＢとに分離する。
【０１０９】
非凝縮性ガスＮＣＧを有する地熱蒸気ＧＶは、第１の出口１７’を介して上部から流出し、補助膨張器５４に導入される。補助膨張器５４では、地熱蒸気ＧＶおよび非凝縮性ガスＮＣＧは、最初にＯＲＣサイクルで熱交換することなく、すなわち、先行技術に従うように膨張する。地熱塩水ＧＢは、第２の出口１８’’を介して底部から流出し、取入ライン１０の第２の分岐１０’’に流れ込む。
【０１１０】
膨張した地熱蒸気ＧＶは、補助膨張器５４から流出する非凝縮性ガスＮＣＧとともに、気化器４、次いでＯＲＣシステム２の予熱器９を介して境界ライン１２の第１のライン１２’に流れ込み、その後、再注入ライン１４の第１の分岐１４’ａの第１の部分を介して第２のセパレータ装置１６’’に送られる。第２のセパレータ装置１６’’は、入口導管２１によって膨張器１９に接続された第１の出口１７’’を有する。第２のセパレータ装置１６’’は、第１の分岐１４’ｂの第２の部分によって再注入井１５に接続された第２の出口１８’’を有する。第２のセパレータ装置１６’’は、境界区域１３からの（すなわち、ＯＲＣサイクルで熱交換した後の）地熱蒸気ＧＶと非凝縮性ガスＮＣＧとの混合物を液体部分（凝縮した地熱蒸気ＧＶ）とガス状部分（不凝縮地熱蒸気ＧＶおよび非凝縮性ガスＮＣＧ）とに分離する。液体部分は、再注入井１５に導入される。ガス状部分は、第１の出口１７’を介して流出し、図１および図２の膨張器１９に関して上述したのと同じように膨張器１９内で膨張する。
【０１１１】
第１のセパレータ装置１６’の第２の出口１８’からの地熱塩水ＧＢは、境界ライン１２の第２のライン１２’’およびＯＲＣシステム２の予熱器９を流れ、次いで再注入ライン１４の第２の分岐１４’’を介して再注入井１５に導入される。
【０１１２】
図４に示すプラント１の更なる変形実施形態は、高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’と、高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’の下流に動作可能に配置された低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’’とを含む。低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’’は、前記地熱流体が高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’内で熱交換した後、地熱流体ＧＦを受け入れる。
【０１１３】
第１のセパレータ装置１６’は、高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’の上流に配置されるが、補助膨張器は存在しない。第１の出口１７’を介して上部から流出する非凝縮性ガスＮＣＧを有する地熱蒸気ＧＶは、高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’で直接、熱交換し、次いで膨張器１９に接続された第２のセパレータ装置１６’’（リボイラまたは直接接触の熱交換器である）に入る。第１のセパレータ装置１６’の第２の出口１８’からの地熱塩水ＧＢは、高圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’で熱交換し、次いで低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’’に送られる。第２のセパレータ装置１６’’内で分離された液体部分は、第１の分岐１４’ｂの第２の部分に流れ込み、この部分は低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’’に入る前に第２の分岐１４’’と合流する。低圧ＯＲＣ閉サイクルシステム２’’から流出すると、地熱塩水ＧＢは、一部が再注入ライン１４を介して再注入井１５に導入され、一部が地熱蒸気ＧＶと非凝縮性ガスＮＣＧとの混合物から熱を抽出するように第２の交換器１６’’（リボイラ）内で再循環ライン５６を介して再循環される。
【０１１４】
図５に示すプラント１の更なる変形実施形態は、並列作動する２つのＯＲＣ閉サイクルシステム２’、２’’を含む。第１のセパレータ装置１６’の第１の出口１７’は、第１のＯＲＣ閉サイクルシステム２’に接続される。第１の出口１７’を介して上部から流出する非凝縮性ガスＮＣＧを有する地熱蒸気ＧＶは、第１のＯＲＣ閉サイクルシステムで直接、熱交換し、次いで膨張器１９に接続された第２のセパレータ装置１６’’（表面型熱交換器である）に入る。第１のセパレータ装置１６’の第２の出口１８’からの地熱塩水ＧＢは、再注入ライン１４の第１の分岐１４’ｂの第２の部分を介して第２のセパレータ装置１６’’内で分離された液体部分とともに、取入ライン１０の第２の分岐１０’’を介して第３のセパレータ装置１６’’’に入る。第３のセパレータ装置１６’’’では、更なる分離が生じる。第３のセパレータ装置１６’’’の第１の出口１７’’’を介して流出するガス状部分は、それぞれの発電機５８に接続された更なる補助膨張器５７に送られる。更なる補助膨張器５７から流出する膨張したガスは、補助凝縮器５９内で凝縮され、再注入井１５に導入される。第３のセパレータ装置１６’’’の第２の出口１８’’’を介して流出する液体部分は、第２のＯＲＣ閉サイクルシステム２’’に入り、補助凝縮器５９からの凝縮したガスとともに再注入井１５に次に導入されるためにそれぞれの有機作動流体ＯＷＦと熱交換する。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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