(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地熱蒸気中の溶解性固形物の含有量を測定・監視する蒸気純度監視装置であって、前記地熱蒸気を冷却し、前記地熱蒸気中の水蒸気を凝縮・液化すると共に腐食性ガスを蒸気中から気体のまま分離し外部へ抽気する蒸気ドレン化装置と、液化された蒸気ドレンを冷却する冷却器と、冷却されたドレン中の含有物と、陰イオン交換反応を行う陰イオン交換樹脂と、陰イオン交換反応後の前記蒸気ドレンの電気伝導率を測定する電気伝導率測定手段とを有し、地熱蒸気中の溶解性固形物の含有量を表す指標として、前記電気伝導率を測定・監視すること、を特徴とする蒸気純度監視装置。  
【請求項２】
前記蒸気ドレン化装置が、生成した前記蒸気ドレンの温度を管理する温度管理手段を有していること、を特徴とする請求項１に記載の蒸気純度監視装置。
【請求項３】
前記蒸気ドレン化装置が、該装置の内部圧力を管理する圧力管理手段を有していること、を特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気純度監視装置。
【請求項４】
前記陰イオン交換樹脂へ高濃度のアルカリ溶液を注入する、アルカリ溶液注入手段を有していること、を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の蒸気純度監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地熱発電プラントにおいて、地熱蒸気中の溶解性固形物（例えば、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）や塩化カリウム（ＫＣｌ）等の塩化物）の含有量を測定・監視する蒸気純度監視装置に関するものである。機等に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
地熱発電プラントは、地下から採取した高温の地熱蒸気を作動流体として、発電機に連結された蒸気タービンを回転させることにより、電力を発生させる発電プラントである。地熱発電プラントの一構成を、図４に基づき説明する。
【０００３】
図１に示すように、地下５００ｍ〜４，０００ｍ下にて発生する高圧熱水の地下滞留層（図示せず）から、天然の高圧熱水（地熱蒸気）を採取する生産井１が設けられている。高圧熱水は、採取される地上までの上昇中に圧力が急低下するため、一部が蒸気へと気化し、地上においては熱水（液体）と蒸気（気体）とが混在した二相流となっている。
そして、生産井１の後段（下流側）には、旋回式の気水分離器２が配管によって連結され、生産井１から採取された前記二相流は、気水分離器２によって熱水（液体）と蒸気（気体）とに分離された後、熱水については熱水還元井３を介して地下滞留層へと送り戻され、高圧熱水として再利用される。
【０００４】
一方、気水分離器２によって熱水から分離された蒸気は、蒸気溜め４を経由したのち、ミストセパレータ５へと送られる。ミストセパレータ５では、気水分離器２において十分に分離できなかった蒸気中のミスト（液体）が除去される。
その後、蒸気は蒸気タービン６へと送られ、蒸気タービン６内部のタービンノズル（図示せず）から吹き出された高圧蒸気が、発電機７と連結されたタービン翼（図示せず）を回すことにより、電力が発生させられる。
【０００５】
地熱発電プラントは、上述した構成及び作用の如く、地下から採取した高圧熱水が気化した蒸気を作動流体とし、蒸気タービン６を回転させることにより発電を行うプラントであるが、通常、生産井１から採取される高圧熱水は、地下水が地下の高温岩体へ接触・透水することにより生成されているため、高温岩体に含まれる種々の「化学成分」が高圧熱水中へ多量に溶解している。
よって、高圧熱水の一部が蒸気へと気化する際、高圧熱水中の「化学成分」が、硫化水素（Ｈ２Ｓ），塩化水素（ＨＣｌ），炭酸ガス（ＣＯ２）等の「腐食性ガス（酸性ガス）」、又は塩化ナトリウム（ＮａＣｌ），塩化カリウム（ＫＣｌ），炭酸塩等の塩化物（中性塩），鉄化合物、シリカ等からなる「溶解性固形物」として、純粋な「水蒸気（Ｈ２Ｏ）」と共に蒸気中に混在している。
【０００６】
蒸気中へ混在している上述の不純物のうち、「溶解性固形物」、特に多量に混在する塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）や塩化カリウム（ＫＣｌ）等の塩化物（中性塩）は、気水分離器２やミストセパレータ５等の蒸気処理設備，蒸気タービン６，及び各々の配管内部において、高圧（高温）蒸気が蒸発濃縮することにより析出し、スケールとなって固着堆積しやすい。
特に、高圧蒸気が噴出されるタービンノズル内部にスケールが堆積すると、ノズルの開口面積が狭くなるためタービン翼の回転動力が低下し、プラントの発電効率が大きく落ちてしまう。
そこで、通常、蒸気タービン６の前段（上流側）において、蒸気中の「溶解性固形物」の含有量を定期的に測定・監視（蒸気純度の監視）することが、地熱発電プラントの運転上必須となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の蒸気純度の監視方法を説明する。
先ず、蒸気タービン６の前段（上流側）に設置されたサンプリング用手動バルブを開いて、蒸気タービン６へ進入する前の蒸気を分岐した後、前記蒸気を冷却器によって冷却・凝縮してサンプル溶液を生成する（ドレン化）。このとき、蒸気中の「溶解性固形物」（例えば、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ））は、イオン状態（Ｎａ＋，Ｃｌ−）でサンプル溶液中に溶解している。
そこで、このサンプル溶液をそのまま、原子吸光分析装置（サンプル溶液中の金属イオン（Ｎａ＋）を原子状（Ｎａ）に変換したのち、該Ｎａ原子のみが吸収可能な波長の光を通して検出された「吸光度」によって、前記金属イオン（Ｎａ＋）濃度を分析する装置）等の各種分析装置にかけることによって、サンプル溶液中のＮａ＋濃度、すなわち蒸気中の「溶解性固形物」（ＮａＣｌ）量を測定・監視している。
【０００８】
しかし、上述した従来の蒸気純度の監視方法は、サンプル溶液中の「溶解性固形物」濃度の分析時間に略１時間も要するとともに、サンプル溶液の各種分析装置への移し替えや前記分析装置の操作等、人手作業を多々要する監視方法である。よって、監視効率が悪いにとどまらず、蒸気タービン６へ絶えず流れる蒸気の純度を連続的に測定・監視することが困難な監視方法である。
【０００９】
ところで、生産井１から採取される高圧熱水の流量は、地下水の自然的特性変化，吸引配管系統の流量調整弁（図示せず）の異常，人為的操作ミス等を要因として突発的に増大することがあり、このとき、気水分離器２による熱水と蒸気との分離効率が大きく低下する。すると、元来熱水へ多く含まれている「溶解性固形物」が蒸気中へ多量に混入するため、蒸気の「溶解性固形物」含有量が突発的に増加してしまう。
このため、蒸気純度（蒸気の「溶解性固形物」含有量）は、単発的ではなく連続的に監視することが重要であるが、従来の蒸気純度の監視方法では、人手による一日一回程度の単発的な監視しかできず、よって、「溶解性固形物」を多量に含有した蒸気が突発的に蒸気タービン６内へ進入すると、前述した発電効率の低下を見逃したり、装置の破損を頻繁に招いてしまう。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためなされたものであり、地熱発電プラントにおいて、蒸気タービンの前段（上流側）における地熱蒸気中の溶解性固形物の含有量を、無人で連続的に測定・監視することが可能な蒸気純度監視装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、請求項１に記載の本発明の蒸気純度監視装置は、地熱蒸気中の溶解性固形物の含有量を測定・監視する蒸気純度監視装置であって、前記地熱蒸気を冷却し、前記地熱蒸気中の水蒸気を凝縮・液化すると共に腐食性ガスを蒸気中から気体のまま分離し外部へ抽気する蒸気ドレン化装置と、液化された蒸気ドレンを冷却する冷却器と、冷却されたドレン中の含有物と、陰イオン交換反応を行う陰イオン交換樹脂と、陰イオン交換反応後の前記蒸気ドレンの電気伝導率を測定する電気伝導率測定手段とを有し、地熱蒸気中の溶解性固形物の含有量を表す指標として、前記電気伝導率を測定・監視することを特徴としている。
【００１３】
又、請求項２に記載の蒸気純度監視装置は、請求項１に記載の蒸気純度監視装置において、前記蒸気ドレン化装置が、生成した前記蒸気ドレンの温度を管理する温度管理手段を有していることを特徴としている。又、請求項３に記載の蒸気純度監視装置は、請求項１又は２に記載の蒸気純度監視装置において、前記蒸気ドレン化装置が、該装置の内部圧力を管理する圧力管理手段を有していることを特徴としている。
【００１４】
又、請求項４に記載の蒸気純度監視装置は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の蒸気純度監視装置において、前記陰イオン交換樹脂へ高濃度のアルカリ溶液を注入する、アルカリ溶液注入手段を有していることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る蒸気純度監視装置の構成図を示す。尚、従来技術と同一の要素には同一の符号を付してある。
【００１６】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る蒸気純度監視装置１０は、図４に示した地熱発電プラントの、蒸気タービン６の前段（上流側）のメイン蒸気配管１１を分岐させ、前記メイン蒸気配管１１内を流れる蒸気を一部採取して、その純度（蒸気中の「溶解性固形物」量）の測定・監視を行うよう、設置されている。
【００１７】
その構成について、更に詳述する。先ず、メイン蒸気配管１１から分岐された配管１２に、開閉可能な手動バルブ１３を介して、蒸気ドレン化装置１４が設けられている。
蒸気ドレン化装置１４は、装置下部から通設された配管１２、該配管１２から流出する蒸気を冷却・凝縮させるため、装置上部に設けられた、冷却水が通される螺旋状冷却管等の冷却手段１５、該冷却手段１５によって冷却され、凝縮して生成されたドレン２６の温度を制御・管理する温度管理手段１６、蒸気ドレン化装置１４の装置内部圧力を制御・管理する圧力管理手段１７、後述する作用の如く、冷却手段１５によっても凝縮せず、蒸気中から気体のまま分離した「腐食性ガス」を外部へ抽気するガス抽気ポンプ１８、及び、凝縮したドレン２６を後段（下流側）へ排出するドレン配管２８等により構成されている。
【００１８】
次に、蒸気ドレン化装置１４の後段（下流側）には、ドレン配管２８を介して冷却器１９が設けられ、更に冷却器１９の後段（下流側）に、ドレン配管２８，ポンプ２０を介して気液分離器２１が設置されている。
冷却器１９は、螺旋状のドレン配管１２を冷却水によって外部から冷却する構造となっている。又、気液分離器２１は、蒸気ドレン化装置１４内の蒸気ドレンの水位が低下した場合に混在した「腐食性ガス」を排気する構造となっている。
【００１９】
そして、気液分離器２１の後段（下流側）へ、容器等に詰められた強塩基性の陰イオン交換樹脂２２がドレン配管２８を介して配置された後、陰イオン交換樹脂２２の後段に、電気伝導率セル（電極），指示／記録計等からなる電気伝導率計２３や、警報装置２４等の電気伝導率測定手段２５が設けられている。
尚、陰イオン交換樹脂２２には、高濃度のアルカリ性溶液（ＮａＯＨ溶液等）を外部から適時注入可能な、アルカリ溶液注入手段２７が設けられている。
陰イオン交換樹脂２２は、３次元の架橋高分子気体（以下、記号Ｒで示す）に、陰イオン交換機能を持った交換基を導入し製造された樹脂であり、強塩基性の陰イオン交換基としては、４級アンモニウム基（例えば、「−Ｎ（ＣＨ３）３ＯＨ」で示される。）が一般的である。よって、本実施形態では、化学式「Ｒ−Ｎ（ＣＨ３）３ＯＨ」で示される陰イオン交換樹脂２２が用いられた蒸気純度監視装置１０によって説明するが、本発明は特にこれに限定されるものではない。
【００２０】
本発明の実施形態に係る蒸気純度監視装置１０は、上述のように構成されることにより、次のように作用する。
先ず、蒸気純度監視装置１０を構成する各装置の保守作業時などを除き、通常の蒸気純度の監視時には手動バルブ１３を開状態に開いておく。このとき、図１に示す蒸気タービン６へ流入する、メイン蒸気配管１１内の蒸気（温度約１００℃〜１８０℃）の一部が蒸気純度監視装置１０側へと分流する。分流された蒸気は、配管１２を通って、蒸気ドレン化装置１４内へと入る。
【００２１】
蒸気ドレン化装置１４では、配管１２から噴出される蒸気が、冷却手段１５により、その温度が１００℃近傍にまで冷却される。このとき、蒸気中の「水蒸気（Ｈ２Ｏ）」は冷却されることにより凝縮し、ドレン２６へと液化する。又、この１００℃近傍のドレン２６は所定の水位を維持して装置の下方に溜められており、このドレン２６と装置下部に位置する配管１２内の蒸気との熱交換によっても、蒸気中の「水蒸気」の凝縮・液化（ドレン化）は促進される。
一方、蒸気中の不純物である「腐食性ガス」及び「溶解性固形物」のうち、「溶解性固形物」は、凝縮した前記ドレン２６中に、そのまま全てイオン状態にて溶解する。
一方、「腐食性ガス」は、１００℃近傍まで冷却されても凝縮（液化）しないため、気体状態を保ったままであり、凝縮した液相のドレン２６とは分離される。その後、ガス抽気ポンプ１８によって外部へ除去され、図示しないガス処理施設等へと移送される。
【００２２】
ところで、上述の作用によって、「腐食性ガス」はドレン２６と分離されるが、ドレン２６の温度及び蒸気ドレン化装置１４の内部圧力によっては、「腐食性ガス」がドレン２６中へ一部溶解してしまう。通常、ドレン２６の温度が低温なほど、又、装置の内部圧力が高圧なほど、ドレン２６への「腐食性ガス」の溶解度が上昇する。
よって、できるだけドレン２６温度を高温に、装置の内部圧力を低圧に保つよう、又、一方で、「水蒸気」の凝縮（ドレン化）も促進するよう、温度管理手段１６及び圧力管理手段１７を用い、ドレン２６の温度及び蒸気ドレン化装置１４の内部圧力とが最適にコントロールされている。好ましくは、ドレン２６の温度が略１００℃に、蒸気ドレン化装置１４の内部圧力が６００〜７００ｍｍＨｇに設定・管理されるのが望ましい。
【００２３】
そして、イオン状態の「溶解性固形物」、及び、一部溶解した「腐食性ガス」を含有するドレン２６は、配管１２を通って冷却器１９へと流れ、常温まで冷却される。その温度は、後段（下流側）の陰イオン交換樹脂２２の劣化・損傷を防止する目的から、約２５℃程度まで冷却されるのが好ましい。
その後、冷却されたドレン２６は、ポンプ２０によって気液分離器２１へと送られ、ドレン２６と混在したわずかな気体分が完全に分離除去された後、陰イオン交換樹脂２２へと流入する。
【００２４】
陰イオン交換樹脂２２は、ドレン２６に含まれる「溶解性固形物」及び「腐食性ガス」と、次に示す陰イオン交換反応を起こす。尚、本実施形態例では、「溶解性固形物」が塩化ナトリウム（ＮａＣｌ），「腐食性ガス」が塩化水素（ＨＣｌ）の場合を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の「溶解性固形物」，「腐食性ガス」の場合も同様の反応が生じる。
（１）「溶解性固形物（ＮａＣｌ）」の分解反応
0004107798.tif 000002
上反応式により、陰イオン交換樹脂２２のＯＨ−イオンと、ドレン２６中の溶解性固形物（ＮａＣｌ）のＣｌ−イオンとが陰イオン交換され、ドレン２６中には水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）がイオン状態（Ｎａ＋，ＯＨ−）として溶解する。
（２）「腐食性ガス（ＨＣｌ）」の中和反応
0004107798.tif 000003
上反応式により、陰イオン交換樹脂２２のＯＨ−イオンと、ドレン２６中に溶解している腐食性ガス（ＨＣｌ）のＣｌ−イオンとが陰イオン交換され、腐食性ガス（ＨＣｌ）は水（Ｈ２Ｏ）へと変成し、ドレン２６中から除去される。
【００２５】
なわち、上記（１）及び（２）の２つの陰イオン交換反応が同時に進行し、ドレン２６は、陰イオン交換後の「溶解性固形物」、すなわち水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）のみがイオン状態で含有するアルカリ性溶液となり、一部溶解していた「腐食性ガス（ＨＣｌ）」は完全に除去（中和）される。
【００２６】
その後、陰イオン交換反応後のドレン２６は電気伝導率測定手段２５へと流入し、電気伝導率計２３を用いてドレン２６の電気抵抗値が連続的に測定されることにより、その電気伝導率が連続的に測定される。尚、電気伝導率計２３による測定後は、ドレン２６は外部の適当な処理場（図示せず）へ排出される。一般的に、酸を含有しない、純アルカリ性溶液のイオン（電解質）濃度とその電気伝導率とは比例関係にあることが知られている。例えば、本実施形態における水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液の場合、溶液中のＮａ＋濃度とその電気伝導率とは、
〔数１〕
ａ＋濃度（ｍｇ／ｌ）＝電気伝導率（μＳ／ｃｍ）×０．０９９５７・・・（式１）
という関係式で示される。よって、陰イオン交換反応後のドレン２６の電気伝導率を電気伝導率計２３を用いて測定すれば、上記式１により、ドレン２６中に含まれるＮａ＋濃度を正確に得ることができる。すなわち、手動バルブ１３を開いておけば、メイン蒸気配管１１を流れる蒸気の、該蒸気中に含まれている「溶解性固形物（本実施形態ではＮａＣｌ）」の濃度（含有量）を、連続的且つ正確に測定・監視することができる。
【００２７】
そして、ドレン２６の電気伝導率や，ドレン２６中の溶解性固形物濃度（蒸気純度）は、電気伝導率計２３を構成する表示／記録計等に常に表示・記録され、スケールを短期間で過大に析出させるような、高い溶解性固形物濃度を検知した場合には警報装置２４を発信し、生産井１や気液分離器２、蒸気タービン６等地熱発電プラント１０の各装置の運転を停止させることにより、「溶解性固形物」の濃度（含有量）の連続的な測定のみならず、無人監視も可能となる。
【００２８】
ところで、陰イオン交換樹脂２２は、時間経過とともに、上記（１），（２）に記載した陰イオン交換反応の交換能力が低下するため、適当な時期（約１ヶ月程度）にドレン２６の注入を一時止め、アルカリ溶液注入手段２７を用いて高濃度のアルカリ溶液（例えばＮａＯＨ溶液）を陰イオン交換樹脂２２に注入し、以下（３）に示す、上記（１）とは逆の反応をさせて、交換能力を回復させる。
（３）「陰イオン交換樹脂」の再生反応
0004107798.tif 000004
上反応式により、陰イオン交換樹脂２２の交換能力は何度でも再生され、よって、半永久的に陰イオン交換樹脂２２の使用が可能となる。
又、蒸気純度の監視に要する人手は、上述の陰イオン交換樹脂２２の再生に要するアルカリ溶液の注入作業のみとなり、作業の完全無人化がほぼ達成される。
【００２９】
図３，図４は、蒸気タービン６へ送られる前段（上流側）の蒸気中のＮａ含有量と、該蒸気のドレン溶液の電気伝導率（Cｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）を各日毎に実際に測定したグラフであり、図３は陰イオン交換を行わない条件の蒸気ドレン溶液の場合を、図４は陰イオン交換を行なった条件の蒸気ドレン溶液の場合を示している。
【００３０】
両グラフから明らかなように、陰イオン交換を行わない条件の蒸気ドレン溶液は「腐食性ガス（酸性ガス）」を含んでいるため、その電気伝導率は「腐食性ガス」を形成するイオンに大きく影響され、Ｎａ含有量の変化に関係なく一定の値を示してしまう（図３）。
一方、本発明のように、陰イオン交換を行った条件の蒸気ドレン溶液は、「腐食性ガス」が完全に除去され、純アルカリ性溶液となっているため、Ｎａ含有量と比例関係にあるその電気伝導率は、Ｎａ含有量の変化に追従している（図４）。
すなわち、地熱蒸気をドレン化した後、陰イオン交換を行ったドレン溶液の電気伝導率を測定し、該電気伝導率を地熱蒸気中の「溶解性固形物」の含有量を表す指標として測定・監視する、本発明の装置（手法）の正確性が立証されている。
【００３１】
以上、本発明の蒸気純度監視装置について、図４に示した地熱発電プラントの構成に適用された蒸気純度監視装置を説明したが、本発明は上述した実施形態例に限定されるものではなく、種々の形式の地熱発電プラントに適用可能である。又、陰イオン交換樹脂は、上述したような強塩基性の陰イオン交換基を有する樹脂が好ましいが、これに限らず、陰イオン交換能力を持った樹脂であれば弱塩基性のものであってもよい。
又、冷却手段１５，冷却器１９は共に冷却水を用いて冷却する、上述の冷却構造が安価で好ましいが、特にこれに限定されるものではない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項１に記載の本発明の蒸気純度監視装置によれば、地熱蒸気プラントにおけるスケールの主因となっている、地熱蒸気中の「溶解性固形物」の含有量を無人且つ連続的に測定・監視することが可能となる。よって、突発的に生じる地熱蒸気の流量変動による「溶解性固形物」の含有量の増加に対しても、即応して対処することができ、地熱発電プラントの発電効率低下及びプラントを構成する装置・機器類の損傷を防止することが可能となる。また、蒸気ドレン化装置において、腐食性ガスを蒸気中から気体のまま分離し外部へ抽気すると共に、更に冷却器によりドレンを冷却することにより、後段（下流側）の陰イオン交換樹脂の劣化・損傷を防止することができる。
【００３４】
又、請求項２に記載の蒸気純度監視装置によれば、請求項１の蒸気純度監視装置が有する前述の効果に加え、地熱蒸気中の「腐食性ガス」の蒸気ドレン中への溶解量をできる限り抑えることができ、ひいては、後段に設けられた陰イオン交換樹脂の陰イオン交換能力の早期低下を抑えることが可能となる。又、請求項３に記載の蒸気純度監視装置によれば、請求項１又は２の蒸気純度監視装置が有する前述の効果に加え、地熱蒸気中の「腐食性ガス」が蒸気ドレン中への溶解量を更に抑えることができ、ひいては、後段に設けられた陰イオン交換樹脂の陰イオン交換能力の早期低下を抑えることが可能となる。
【００３５】
又、請求項４に記載の蒸気純度監視装置によれば、請求項１乃至請求項３の何れかの蒸気純度監視装置が有する前述の効果に加え、陰イオン交換樹脂の陰イオン交換能力が大きく低下した場合においても、アルカリ溶液を注入することにより、何度でもその交換能力を再生させることが可能となり、半永久的な蒸気純度の連続監視が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る蒸気純度監視装置の構成図
【図２】  陰イオン交換が行われていない蒸気ドレンの、電気伝導率とＮａ含有量との関係図
【図３】  イオン交換が行われている蒸気ドレンの、電気伝導率とＮａ含有量との関係図
【図４】  地熱発電プラントの一構成図
【符号の説明】
１４    蒸気ドレン化装置
１５    冷却手段
１６    温度管理手段
１７    圧力管理手段
１８    ガス抽気ポンプ
１９    冷却器
２２    陰イオン交換樹脂
２３    電気伝導率計
２４    警報装置
２５    電気伝導率測定手段
２６    ドレン
２７    アルカリ溶液注入手段
【図１】
0004107798.tif 000005
【図２】
0004107798.tif 000006
【図３】
0004107798.tif 000007
【図４】
0004107798.tif 000008