(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上から地下に注入された水が地熱帯により加熱されることによって得られる圧力水が蒸気発生器に送られて、蒸気発生器内で蒸気として取り出され、この蒸気がタービンに送られる地熱交換器であって、タービン出口を出た蒸気が導かれて、水より沸点の低い作動流体と熱交換がなされる一次復水熱交換器を備えるとともに、一次復水熱交換器を出た水と、蒸気発生器から減圧沸騰された蒸気を除いて得られる戻水とが導かれて、水より沸点の低い前記作動流体と熱交換がなされる二次復水熱交換器を備え、前記作動流体によりバイナリ―発電がなされる地熱交換器であって、
前記一次復水熱交換器で熱交換されずに残った蒸気は、蒸気加熱器と蒸気槽を経てタービンに送られて、蒸気の循環路が形成されていることを特徴とする地熱交換器。
【請求項２】
前記蒸気加熱器による加熱は、地熱以外の外部熱源によってなされることを特徴とする請求項１記載の地熱交換器。
【請求項３】
前記圧力水は、地熱帯から熱が供給されて生成される熱水が蒸気を含まない状態で地上まで上昇したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の地熱交換器。
【請求項４】
前記圧力水は、地上に取出された気液２相流から蒸気を分離して得られるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の地熱交換器。
【請求項５】
請求項１から４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。
【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。また、地熱エネルギーを有効に取り出すことを目的として、地下においてフラッシュ率を向上させる手段を備えた地熱交換器に関する発明が、特許文献３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
【特許文献３】特許第６１７６８９０号公報
【０００６】
地熱発電の推進を阻害する原因の一つに、冷却水の調達の問題がある。日本国内においては、地熱資源の多くが温泉地帯に存在しており、国立公園内であることが多く、自然の景観に優れたこれらの地域においては、名水もまた観光資源であり、地域の大きな財産となっている。
【０００７】
地熱発電を計画できる大部分の地熱帯において、タービンから出てきた蒸気を冷却し、温水に戻す復水器の機能は、タービンの効率アップの必須条件であることから、冷却水を確保することの必要性は、発電所を計画する場所を制限することになり、地熱発電推進の妨げとなっている。
【０００８】
一般的な地熱発電では、復水器を設置してタービンを出た蒸気を冷却して水に戻し、タービン出口に負圧をかけて、タービン内での入口と出口の圧力差を大きくすることで、タービンの効率をアップさせる。この場合、タービンの出口では蒸気であり、蒸気の潜熱は飽和水の約６倍以上であるため、多量の冷却水が必要であるばかりでなく、復水器において熱交換される蒸気の潜熱が無駄に捨てられることになる。
【０００９】
また、特許文献１、２，３において開示されたいずれの方式においても、地下に埋設された２重管式の地熱交換器を使用しており、これによって生じる共通する欠点は、取り出す地熱エネルギーの温度が一定しないことにある。特に、地熱開発においては、全国に圧倒的に多く存在する、約１８０℃以下の中低温地帯を対象とした地熱発電システムの開発が重要であるが、このような中低温地帯を熱源として用いる場合には、地熱エネルギーの温度の不安定性に起因する問題点が顕著となる。そのため、生産される蒸気の温度、流量が安定せず、発電出力が安定しないという問題点を生じる。また、地熱帯には地熱流体が流動していることも、地熱温度が安定化しない原因となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、多量の冷却水を準備することが困難な環境下においても設置することができ、タービンを出た蒸気が有する大きな潜熱を無駄なく利用することができ、取り出す地熱エネルギーの温度が安定しないという状況下であっても、生産される蒸気の温度、流量を安定させることを可能とする地熱交換器と、この地熱交換器を用いて効率良く大容量の発電を行い、発電地域の地熱資源を有効に利用することが可能な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】
【００１１】
以上の課題を解決するために、本発明の地熱交換器は、地上から地下に注入された水が地熱帯により加熱されることによって得られる圧力水が蒸気発生器に送られて、蒸気発生器内で蒸気として取り出され、この蒸気がタービンに送られる地熱交換器であって、タービン出口を出た蒸気が導かれて、水より沸点の低い作動流体と熱交換がなされる一次復水熱交換器を備えるとともに、一次復水熱交換器を出た水と、蒸気発生器から減圧沸騰された蒸気を除いて得られる戻水とが導かれて、水より沸点の低い作動流体と熱交換がなされる二次復水熱交換器を備え、作動流体によりバイナリ―発電がなされることを特徴とする。
【００１２】
一般的な地熱発電の系統では、復水器を設置して、タービンを出た蒸気を冷却して水に戻し、タービン出口に負圧をかけることによりタービンの効率をアップさせている。しかし、この場合には、タービンの出口では蒸気であり、蒸気の潜熱は飽和水の約６倍以上であるため、多量の冷却水が必要となる。さらに、復水器において熱交換された蒸気には多量の潜熱が残っており、これが無駄に捨てられることになる。
【００１３】
本発明では、復水器の代わりに、バイナリ―発電に使用できる復水熱交換器を２段に設置して、バイナリ―発電で潜熱を熱交換することにより、復水器の代わりとしている。これにより、冷却水を必要としないため、多量の水を準備することが困難な場合が多い山中に設置することができる。また、復水器において熱交換された蒸気のエネルギーが無駄に捨てられることが無く、エネルギーの有効利用が可能となる。
【００１４】
本発明の地熱交換器においては、前記一次復水熱交換器で熱交換されずに残った蒸気は、蒸気加熱器と蒸気槽を経てタービンに送られて、蒸気の循環路が形成されていることとすることができる。
【００１５】
このように蒸気の循環路が形成されて再加熱ラインを構成することにより、システム全体のフラッシュ率は大きく向上するため、地熱交換器を経由する循環水ラインの流量を大きく減少させることができる。そのため、坑井循環ポンプの容量を大きく減少させ、圧力水槽における圧力水の加熱、循環水槽における循環水の加熱に必要な熱量を大きく減少させることができるため、システム全体の効率を大きく向上させることができる。また、比熱の大きな水を加熱するよりも、蒸気を加熱する方が外部熱源の熱量が少なくて済む。
【００１６】
本発明の地熱交換器においては、前記蒸気加熱器による加熱は、地熱以外の外部熱源によってなされることとすることができる。外部熱源の一例として、バイオマス発電の余剰熱、再生可能燃料のいずれかまたはこれらの組み合わせによるものとすることができる。
【００１７】
本発明においては、蒸気の循環路が形成されて再加熱ラインが構成されており、蒸気加熱器によって再加熱がなされる。この再加熱は、地熱以外の外部熱源によってなされるため、取り出す地熱エネルギーの温度が安定しないという状況下であっても、生産される蒸気の温度、流量を安定させることができる。
【００１８】
本発明の地熱交換器においては、前記圧力水は、地熱帯から熱が供給されて生成される熱水が蒸気を含まない状態で地上まで上昇したものであることとすることができる。
また、本発明の地熱交換器においては、前記圧力水は、地上に取出された気液２相流から蒸気を分離して得られるものであることとすることができる。
【００１９】
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。
【００２０】
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、大容量の発電が可能となる。また、地熱が熱源として不足する場合においても、地熱の温度変化にすばやく対応することができ、発電出力が安定する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、多量の冷却水を準備することが困難な環境下においても設置することができ、タービンを出た蒸気が有する大きな潜熱を無駄なく利用することができ、取り出す地熱エネルギーの温度が安定しないという状況下であっても、生産される蒸気の温度、流量を安定させることを可能とする地熱交換器と、この地熱交換器を用いて効率良く大容量の発電を行い、発電地域の地熱資源を有効に利用することが可能な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】
【００２２】
【図１】本発明の地熱交換器と地熱発電装置の地上設備の構成を示す図である。
【図２】地下設備に関する第一実施形態を示す図である。
【図３】地下設備に関する第二実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、本発明の地熱交換器と地熱発電装置の地上設備の構成を示す。
【００２４】
地熱交換器１では、地上から地下に注入された水が地熱帯により加熱されることによって得られる圧力水が蒸気発生器１０に送られて、蒸気発生器１０内で蒸気として取り出され、この蒸気がタービン１２に送られる。タービン１２の出口を出た蒸気は、一次復水熱交換器１８ａに導かれ、水より沸点の低い作動流体と熱交換がなされて、作動流体によりバイナリ―発電がなされる。
【００２５】
一次復水熱交換器１８ａで熱交換されずに残った蒸気は、蒸気加熱器２３と蒸気槽２４を経てタービン１３に送られて、蒸気の循環路が形成される。蒸気加熱器２３による加熱は地熱以外の外部熱源によってなされ、外部熱源は、バイオマス発電の余剰熱、再生可能燃料のいずれかまたはこれらの組み合わせによるものである。
【００２６】
一次復水熱交換器１８ａを出た水と、蒸気発生器１０から減圧沸騰された蒸気を除いて得られる戻水は、二次復水熱交換器１８ｂに導かれ、水より沸点の低い作動流体と熱交換がなされて、作動流体によりバイナリ―発電がなされる。戻水ポンプ２７の回転数を制御することにより、循環水を大きくかき回して熱交換比率をアップさせることができる。
【００２７】
地下から取出される圧力水は、圧力水槽２２に貯蔵され、圧力水ポンプ２１によって蒸気発生器１０に送られる。圧力水槽２２内に十分な量を貯留し、坑井の温度変化に対応できるようにする。圧力水槽２２に貯留された圧力水は、蒸気流量・蒸気温度・蒸気圧に基づいて計算されたフラッシュ率により定められる量が圧力水ポンプ２１により取出される。圧力水は圧力水槽２２内で加熱され、この加熱は、地熱帯から得られる熱源以外の外部熱源によってなされ、外部熱源として、バイオマス発電の余剰熱または再生可能燃料を用いることができる。
【００２８】
蒸気発生器１０によって生成された蒸気は、蒸気加熱器２３によって、蒸気を飽和蒸気から過熱蒸気に変えることができ、これにより、タービン１２の効率を向上させることができる。過熱蒸気は、蒸気圧を臨界圧力より低く設定し、これにより、従来型の地熱発電では該当しない高温度のタービンを採用することができる。過熱蒸気は、蒸気槽２４と蒸気弁２６を経てタービン１２に導入されて、タービン１２を駆動させ、発電機によって発電がなされる。
【００２９】
二次復水熱交換器１８ｂを出た水は、循環水槽１６に導かれる。循環水槽１６内に蓄えられた水は加熱され、この加熱は、地熱帯から得られる熱源以外の外部熱源によってなされ、外部熱源として、バイオマス発電の余剰熱または再生可能燃料を用いることができる。
【００３０】
循環水槽１６内の循環水は、坑井循環ポンプ９により加圧されて、再び地下の坑井に供給される。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。
【００３１】
図２に、地下設備に関する第一実施形態を示す。
地熱交換器１は、地中に設けられて坑井循環ポンプ９によって加圧された水が供給される外管２と、外管２の内側に配置されて、外管２中を地熱帯まで下降する圧力水に対して、地熱帯から熱が供給されて生成される熱水が蒸気を含まない状態で上昇する内管３を備えている。内管３から取出された圧力水は、圧力水槽２２に貯蔵され、蒸気発生器１０に送られて、蒸気発生器１０内で蒸気として取り出される。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。
【００３２】
図３に、地下設備に関する第二実施形態を示す。
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はその内部に設けられた圧力弁６を備えている。外管２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５が形成され、圧力弁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圧力弁６が開き、圧力弁６が開いたときに高圧エリア５から高圧熱水が内管３に流入し、内管３の減圧エリア８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相流に変換される。外管２に注入される水を坑井循環ポンプ９によって加圧する圧力を設定することによって、圧力弁６が開くようになっている。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。
【００３３】
圧力弁６が開くための基準値の設定は、圧力弁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して、圧力差の設定基準値を超えて圧力弁６が開くようにすることができる。
【００３４】
また、圧力弁６が開くための基準値の設定は、圧力弁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して、圧力差の設定基準値を超えて圧力弁６が開くようにすることもできる。
【００３５】
地上に取出された気液２相流から蒸気を分離して得られる圧力水は、圧力水槽２２に貯蔵される。分離された蒸気は、蒸気加熱器２３に送られる。
【００３６】
本発明のように、圧力水を減圧して蒸気を生産するシステムは、圧力水の温度差による圧力差を利用するシステムであり、
フラッシュ率（％）＝（高温飽和水潜熱−低温飽和水潜熱）／低温蒸発潜熱
で計算されるが、この式は次の計算式に置き換えることができる。
フラッシュ率（％）＝蒸気発生量／循環水量
【００３７】
本発明の地熱交換器においては、減圧沸騰による蒸気発生量は、循環蒸気量分を差し引くことができるため、システム全体のフラッシュ率は４０％を越えることが可能となる。この数値は、超臨界に近い温度領域の圧力水を減圧することに等しく、国の施策である次世代エネルギーに貢献することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、多量の冷却水を準備することが困難な環境下においても設置することができ、タービンを出た蒸気が有する大きな潜熱を無駄なく利用することができ、取り出す地熱エネルギーの温度が安定しないという状況下であっても、生産される蒸気の温度、流量を安定させることを可能とする地熱交換器と、この地熱交換器を用いて効率良く大容量の発電を行い、発電地域の地熱資源を有効に利用することが可能な地熱発電装置として、広く利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  地熱交換器
２  外管
３  内管
５  高圧エリア
６  圧力弁
８  減圧エリア
９  坑井循環ポンプ
１０  蒸気発生器
１２  タービン
１６  循環水槽
１８ａ  一次復水熱交換器
１８ｂ  二次復水熱交換器
２０  断熱部
２１  圧力水ポンプ
２２  圧力水槽
２３  蒸気加熱器
２４  蒸気槽
２６  蒸気弁
２７  戻水ポンプ
【要約】
【課題】多量の冷却水を準備することが困難な環境下においても設置することができ、タービンを出た蒸気が有する大きな潜熱を無駄なく利用することができ、取り出す地熱エネルギーの温度が安定しないという状況下であっても、生産される蒸気の温度、流量を安定させることを可能とする地熱交換器を提供する。
【解決手段】  タービン１２の出口を出た蒸気は、一次復水熱交換器１８ａに導かれ、水より沸点の低い作動流体と熱交換がなされる。一次復水熱交換器１８ａで熱交換されずに残った蒸気は、タービン１３に送られて、蒸気の循環路が形成される。一次復水熱交換器１８ａを出た水と、蒸気発生器１０から減圧沸騰された蒸気を除いて得られる戻水は、二次復水熱交換器１８ｂに導かれ、水より沸点の低い作動流体と熱交換がなされて、作動流体によりバイナリ―発電がなされる。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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