JP2019105251A - 地熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの熱利用を向上させ、発電効率の向上を図ることのできる地熱発電システムを提供する。【解決手段】地熱蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンからの排気を冷却し、凝縮させる復水器と、前記地熱蒸気の一部の供給を受けて前記復水器内の不凝縮ガスを抽出するエジェクタと、バイナリ媒体により駆動されるバイナリタービンと、前記バイナリ媒体を加熱するためのバイナリ媒体加熱機構と、前記エジェクタの出口側と前記バイナリ媒体加熱機構との間に配設され、前記エジェクタ通過後の前記地熱蒸気及び前記不凝縮ガスを前記バイナリ媒体加熱機構に導入する導入配管と、前記バイナリ媒体加熱機構通過後の前記地熱蒸気及び前記不凝縮ガスを冷却する冷却機構と、を具備した地熱発電システム。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、地熱発電システムに関する。

地熱水をエネルギー源として蒸気タービンを回す地熱発電システムは、蒸気タービンの後に、復水器を設け、そこで蒸気の冷却・凝縮を行うことで低圧力の状態を作り、タービン前後の圧力差を大きくしているシステムが一般的である。

しかし、地熱蒸気には、水蒸気以外に二酸化炭素などの非凝縮性ガスが含まれていることが多い。非凝縮性ガスが復水器内に溜まると復水器の蒸気冷却性能を劣化させるため、エジェクタを用いてこの非凝縮性ガスを復水器外に排出することが広く行なわれている。

エジェクタは、地熱水の一部を駆動蒸気としてベンチュリ効果により復水器内よりも低圧力を作り出し、非凝縮性ガスを復水器から吸引するものである。エジェクタで吸引された非凝縮性ガスは、駆動蒸気とともにインターコンデンサで冷却された後、大気に放出されることが多い。また復水器で蒸気が凝縮した復水も冷却塔に送られて冷却され、インターコンデンサや復水器における冷却水に使われる。

エジェクタを通過して非凝縮性ガスと混合された後でも、駆動蒸気は、高温・高圧で高いエネルギーを持つケースが多い。そこで、このエネルギーを利用し、蒸気サイクルとは別の低沸点流体を作動媒体（バイナリ媒体）としたバイナリサイクルの予熱源の一部とすることが提案されている。このシステムでは、エジェクタ通過後の駆動蒸気・非凝縮性ガスを、バイナリ媒体の予熱器に導入することによって、バイナリ媒体の予熱に使用し、バイナリ媒体と熱交換することにより、その冷却を行っている。

特開２０１６−９８８０３号公報

上述したとおり、従来の地熱発電システムでは、エジェクタ通過後の駆動蒸気・非凝縮性ガスを、バイナリ媒体の予熱器に導入することにより、バイナリ媒体の予熱と、エジェクタ通過後の駆動蒸気及び非凝縮性ガスの冷却を行っている。

しかし、バイナリ媒体を予熱するだけでは、エジェクタ通過後の駆動蒸気及び非凝縮性ガスの冷却が不十分となり、その圧力が十分に下がらない場合がある。このため、エジェクタの前後の圧力差が十分でなく、復水器からの非凝縮性ガスの吸引能力が低くなり、必要な吸引能力を確保するためより多くの駆動蒸気量を必要とし、蒸気タービン駆動に回す蒸気量が減少し、発電効率の低下を招くことになる。また復水器の復水も高いエネルギーを持つケースがあるが、この復水の持つエネルギーも利用されておらず、システムの熱利用が十分ではなく、発電効率の低下を招く一因となっている。

本発明の目的は、システムの熱利用を向上させ、発電効率の向上を図ることのできる地熱発電システムを提供することにある。

実施形態の地熱発電システムは、地熱蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンからの排気を冷却し、凝縮させる復水器と、前記地熱蒸気の一部の供給を受けて前記復水器内の不凝縮ガスを抽出するエジェクタと、バイナリ媒体により駆動されるバイナリタービンと、前記バイナリ媒体を加熱するためのバイナリ媒体加熱機構と、を具備している。また、地熱発電システムは、前記エジェクタの出口側と前記バイナリ媒体加熱機構との間に配設され、前記エジェクタ通過後の前記地熱蒸気及び前記不凝縮ガスを前記バイナリ媒体加熱機構に導入する導入配管と、前記バイナリ媒体加熱機構通過後の前記地熱蒸気及び前記不凝縮ガスを冷却する冷却機構と、を具備している。

第１実施形態の地熱発電システムの構成示す系統図。 図１のエジェクタ通過ガス冷却器の構成例を示す縦断面図。 第２実施形態の地熱発電システムの構成示す系統図。 第３実施形態の地熱発電システムの構成示す系統図。

以下、実施形態の地熱発電システムを、図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態に係る地熱発電システム１００の概略構成を示す系統図である。図１に示すように、地熱発電システム１００は、フラッシャー１０１、蒸気タービン１０２、発電機１０３、復水器１０４、エジェクタ１０５、冷却塔１０６、エジェクタ通過ガス冷却器１０７、真空ポンプ１０８、復水ポンプ１０９を有する。

また、地熱発電システム１００は、バイナリタービン１２０、第２の発電機１２１、バイナリ媒体冷却器１２３、バイナリ媒体ポンプ１２４、バイナリ媒体予熱器１２５、バイナリ媒体蒸発器１２６、還元井ポンプ１２７を有する。

フラッシャー１０１は、生産井１３０から地熱水取出し配管１３１にて取り出した地熱水を圧力調整し、気相の水蒸気と液相のブラインに分離する。分離された水蒸気の多くは、蒸気供給配管１３２によって、蒸気タービン１０２に送られる。また、分離された水蒸気の一部は分岐され、エジェクタ駆動蒸気供給配管１３３によってエジェクタ１０５に送られる。

蒸気タービン１０２に送られた蒸気は、蒸気タービン１０２を駆動し、その駆動により蒸気タービン１０２に連結した発電機１０３を回転させて発電を行う。蒸気タービン１０２を駆動して発電した後の蒸気は排気となり、排気配管１３４によって復水器１０４に送られる。

復水器１０４に送られた排気は、冷却塔１０６から冷却水供給配管１４３によって復水器１０４に供給される冷却水により冷却されて凝縮し、復水となる。復水は、復水器１０４と冷却塔１０６とを連通する復水配管１３５及び復水配管１３５に介挿された復水ポンプ１０９によって冷却塔１０６に送られ、ここで冷却されて冷却水となる。

一方、フラッシャー１０１で生成されたブラインは、ブライン供給配管１３６によってバイナリ媒体蒸発器１２６に送られ、ここでバイナリ媒体を蒸発させる。この蒸発によりバイナリ媒体は高温・高エネルギーとなり、バイナリ媒体供給配管１３８によってバイナリタービン１２０へ送られ、バイナリタービン１２０を駆動し、その駆動によりバイナリタービン１２０に連結した第２の発電機１２１を回転させて発電を行う。この後、ブラインは、ブライン排出配管１３７及びブライン排出配管１３７に介挿された還元井ポンプ１２７によって地中に戻される。

バイナリタービン１２０を出たバイナリ媒体は、バイナリ媒体排出配管１３９によってバイナリ媒体冷却器１２３に送られ、ここで冷却され凝縮される。この後、バイナリ媒体は、バイナリ媒体送出配管１４０及びバイナリ媒体送出配管１４０に介挿されたバイナリ媒体ポンプ１２４によって、高圧とされて、バイナリ媒体予熱器１２５と、バイナリ媒体蒸発器１２６に順次送られる。

一方、エジェクタ１０５の出口側とバイナリ媒体予熱器１２５との間には、これらの間を連通するエジェクタ通過ガス供給配管１４１が設けられている。そして、エジェクタ１０５を通過したエジェクタ通過ガスは、エジェクタ通過ガス供給配管１４１によってバイナリ媒体予熱器１２５に送られ、バイナリ媒体を予熱する。なお、このエジェクタ通過ガスの気相の度合いや温度が高く、熱量が大きい場合は、バイナリ媒体蒸発器１２６に送り、バイナリ媒体の沸騰に用いても良い。

バイナリ媒体予熱器１２５の出口側とエジェクタ通過ガス冷却器１０７との間には、エジェクタ通過ガス排出配管１４２が設けられている。このエジェクタ通過ガス排出配管１４２によって、バイナリ媒体予熱器１２５を通過したエジェクタ通過ガスは、エジェクタ通過ガス冷却器１０７に送られ、ここで冷却される。エジェクタ通過ガス冷却器１０７における冷却には、冷却塔１０６から復水器１０４に冷却水を供給する冷却水供給配管１４３から分岐した冷却水供給分岐配管１４４によって供給される冷却水が用いられる。

エジェクタ通過ガス冷却器１０７において冷却され、凝縮した液相部は、冷却水戻し配管１４５によって復水器１０４に送られ冷却水として使用される。また、残りの気相部については、排気配管１４６及びこの排気配管１４６に介挿された真空ポンプ１０８によって系外に排出される。

エジェクタ１０５は、エジェクタ配管１４７によって復水器１０４と接続されており、エジェクタ駆動蒸気供給配管１３３から供給される水蒸気の流れによって、復水器１０４内の非凝縮性ガスを排出する。したがって、エジェクタ通過ガスには、エジェクタ後の駆動蒸気及び非凝縮性ガスが含まれる。

図２は、図１におけるエジェクタ通過ガス冷却器１０７の構成例の縦断面概略構成を示す図である。図２に示すエジェクタ通過ガス冷却器１０７は、冷却水供給分岐配管１４４から供給されるエジェクタ通過ガス冷却水を散水し、エジェクタ通過ガスと直接接触させるノズル１７０を具備している。また、エジェクタ通過ガス冷却器１０７は、エジェクタ通過ガス排出配管１４２から供給されるエジェクタ通過ガスの流れを調整し、エジェクタ通過ガス冷却水との接触の度合いを高めるバッフル板１７１を具備している。エジェクタ通過ガスは、ここでエジェクタ通過ガス冷却水と接触し、冷却・凝縮され一部は液相部となり、残りは気相部となる。液相部は、冷却水戻し配管１４５によって復水器１０４に送られ、気相部は、排気配管１４６から系外に排出される。

以上のとおり、第１実施形態に係る地熱発電システム１００は、エジェクタ１０５を通過した後のエジェクタ通過ガスを、エジェクタ通過ガス供給配管１４１によってバイナリ媒体予熱器１２５に送り、バイナリ媒体を加熱（予熱）する構成となっている。これによって、システムの熱利用を向上させ、発電効率の向上を図ることができる。

さらに、第１実施形態に係る地熱発電システム１００は、エジェクタ通過ガス冷却器１０７と、このエジェクタ通過ガス冷却器１０７とバイナリ媒体予熱器１２５の出口側との間を連通するエジェクタ通過ガス排出配管１４２とを具備している。そして、バイナリ媒体予熱器１２５においてバイナリ媒体を加熱（予熱）した後のエジェクタ通過ガスを、エジェクタ通過ガス排出配管１４２によってエジェクタ通過ガス冷却器１０７に送り、ここで冷却する構成となっている。

したがって、エジェクタ通過ガスは、バイナリ媒体予熱器１２５及びエジェクタ通過ガス冷却器１０７によって２度冷却される。これによって、エジェクタ通過ガスを十分に冷却することができ、エジェクタ１０５の出口側の圧力を低下させてエジェクタ１０５の前後の圧力差を大きくすることができる。

これによって、エジェクタ１０５を駆動するためのエジェクタ駆動蒸気の量を低減することができ、タービン駆動蒸気の量を増加させることができるので、蒸気タービン１０２及び発電機１０３による発電量を増加させることができる。したがって、システムの熱利用を向上させ、発電効率の向上を図ることができる。

次に、図３を参照して第２実施形態に係る地熱発電システム２００の構成について説明する。この地熱発電システム２００は、復水器１０４とバイナリ媒体予熱器１２５とを連通する復水供給配管１３５ａと、バイナリ媒体予熱器１２５の出口側と冷却塔１０６とを連通する復水排出配管１３５ｂとを具備している。また、復水供給配管１３５ａには復水ポンプ１０９が介挿されている。

そして、復水器１０４にて凝縮された復水が、復水供給配管１３５ａ及び復水ポンプ１０９を通して、バイナリ媒体予熱器１２５に送られ、バイナリ媒体を加熱（予熱）する構成となっている。また、バイナリ媒体予熱器１２５を通過した後の復水は、復水排出配管１３５ｂによって冷却塔１０６に送られ、冷却される。なお、他の部分の構成は、図１に示した第１実施形態に係る地熱発電システム１００と同様となっているので、対応する部分には、同一の符号を付して、重複した説明は省略する。

上記構成の地熱発電システム２００では、バイナリ媒体予熱器１２５において、エジェクタ通過ガスに加えて、復水によりバイナリ媒体を加熱（予熱）する。これによって、バイナリ媒体をより効率的に加熱することができる。すなわち、システムの熱利用を向上させ、発電効率の向上を図ることができる。

また、復水器１０４から直接復水を冷却塔１０６に送り冷却する第１実施形態の場合に比べて、冷却塔１０６に送られる復水の温度が下がるので、冷却塔１０６の負荷を低減することができる。

なお、エジェクタ１０５を通過したエジェクタ通過ガスの気相の度合いや温度が高く、熱量が大きい場合は、エジェクタ通過ガスを、バイナリ媒体予熱器１２５ではなく、バイナリ媒体蒸発器１２６に送る構成とし、バイナリ媒体の沸騰に用いても良い。

次に、図４を参照して第３実施形態に係る地熱発電システム３００の構成について説明する。この地熱発電システム３００では、第２実施形態に係る地熱発電システム２００と同様に、復水器１０４とバイナリ媒体予熱器１２５とを連通する復水供給配管１３５ａと、バイナリ媒体予熱器１２５の出口側と冷却塔１０６とを連通する復水排出配管１３５ｂとを具備している。また、復水供給配管１３５ａには復水ポンプ１０９が介挿されている。

そして、復水器１０４にて凝縮された復水が、復水供給配管１３５ａ及び復水ポンプ１０９を通して、バイナリ媒体予熱器１２５に送られ、バイナリ媒体を加熱（予熱）する構成となっている。また、バイナリ媒体予熱器１２５を通過した後の復水は、復水排出配管１３５ｂによって冷却塔１０６に送られ、冷却される。

一方、エジェクタ１０５の出口側には、エジェクタ通過ガスを直接エジェクタ通過ガス冷却器１０７に導入するエジェクタ通過ガス導入配管１４１ａが設けられている。そして、エジェクタ１０５を通過したエジェクタ通過ガスは、エジェクタ通過ガス冷却器１０７によって冷却される。エジェクタ通過ガス冷却器１０７における冷却には、冷却塔１０６から復水器１０４に冷却水を供給する冷却水供給配管１４３から分岐した冷却水供給分岐配管１４４によって供給される冷却水が用いられる。

エジェクタ通過ガス冷却器１０７において冷却され、凝縮した液相部は、冷却水戻し配管１４５によって復水器１０４に送られ冷却水として使用される。また、残りの気相部については、排気配管１４６及びこの排気配管１４６に介挿された真空ポンプ１０８によって系外に排出される。なお、他の部分の構成は、図１に示した第１実施形態に係る地熱発電システム１００と同様となっているので、対応する部分には、同一の符号を付して、重複した説明は省略する。

上記構成の地熱発電システム３００では、バイナリ媒体予熱器１２５において、復水によりバイナリ媒体を加熱（予熱）する。これによって、バイナリ媒体をより効率的に加熱することができ、システムの熱利用を向上させ、発電効率の向上を図ることができる。また、復水器１０４から直接復水を冷却塔１０６に送り冷却する第１実施形態の場合に比べて、冷却塔１０６に送られる復水の温度が下がるので、冷却塔１０６の負荷を低減することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…第１実施形態に係る地熱発電システム、１０１…フラッシャー、１０２…蒸気タービン、１０３…発電機、１０４…復水器、１０５…エジェクタ、１０６…冷却塔、１０７…エジェクタ通過ガス冷却器、１０８…真空ポンプ、１０９…復水ポンプ、１２０…バイナリタービン、１２１…第２の発電機、１２３…バイナリ媒体冷却器、１２４…バイナリ媒体ポンプ、１２５…バイナリ媒体予熱器、１２６…バイナリ媒体蒸発器、１２７…還元井ポンプ、１３０…生産井、１３１…地熱水取出し配管、１３２…蒸気供給配管、１３３…エジェクタ駆動蒸気供給配管、１３４…排気配管、１３５復水配管…、１３５ａ…復水供給配管、１３５ｂ…復水排出配管、１３６…ブライン供給配管、１３７…ブライン排出配管、１３８…バイナリ媒体供給配管、１３９…バイナリ媒体排出配管、１４０…バイナリ媒体送出配管、１４１…エジェクタ通過ガス供給配管、１４１ａ…エジェクタ通過ガス導入配管、１４２…エジェクタ通過ガス排出配管、１４３…冷却水供給配管、１４４…冷却水供給分岐配管、１４５…冷却水戻し配管、１４６…排気配管、１４７…エジェクタ配管、１７０…ノズル、１７１…バッフル板、２００…第２実施形態に係る地熱発電システム、３００…第３実施形態に係る地熱発電システム。

Claims (6)

1. 地熱蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンからの排気を冷却し、凝縮させる復水器と、
   前記地熱蒸気の一部の供給を受けて前記復水器内の不凝縮ガスを抽出するエジェクタと、
   バイナリ媒体により駆動されるバイナリタービンと、
   前記バイナリ媒体を加熱するためのバイナリ媒体加熱機構と、
   前記エジェクタの出口側と前記バイナリ媒体加熱機構との間に配設され、前記エジェクタ通過後の前記地熱蒸気及び前記不凝縮ガスを前記バイナリ媒体加熱機構に導入する導入配管と、
   前記バイナリ媒体加熱機構通過後の前記地熱蒸気及び前記不凝縮ガスを冷却する冷却機構と、
   を具備したことを特徴とする地熱発電システム。
2. 請求項１記載の地熱発電システムであって、
   前記復水器と前記バイナリ媒体加熱機構との間に配設され、前記復水器で凝縮した復水を前記バイナリ媒体加熱機構に供給する復水供給配管と、
   前記バイナリ媒体加熱機構通過後の前記復水を冷却塔に導くための復水排出配管と
   を具備したことを特徴とする地熱発電システム。
3. 請求項１又は２記載の地熱発電システムであって、
   前記バイナリ媒体加熱機構が、前記バイナリ媒体を余熱するめのバイナリ媒体予熱機構であることを特徴とする地熱発電システム。
4. 地熱蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンからの排気を冷却し、凝縮させる復水器と、
   前記地熱蒸気の一部の供給を受けて前記復水器内の不凝縮ガスを抽出するエジェクタと、
   バイナリ媒体により駆動されるバイナリタービンと、
   前記バイナリ媒体を加熱するためのバイナリ媒体加熱機構と、
   前記復水器と前記バイナリ媒体加熱機構との間に配設され、前記復水器で凝縮した復水を前記バイナリ媒体加熱機構に供給する復水供給配管と、
   前記バイナリ媒体加熱機構通過後の前記復水を冷却塔に導くための復水排出配管と
   を具備したことを特徴とする地熱発電システム。
5. 請求項４記載の地熱発電システムであって、
   前記バイナリ媒体加熱機構が、前記バイナリ媒体を余熱するめのバイナリ媒体予熱機構であることを特徴とする地熱発電システム。
6. 請求項４又は５記載の地熱発電システムであって、
   前記エジェクタ通過後の前記地熱蒸気及び前記不凝縮ガスを冷却する冷却機構を具備したことを特徴とする地熱発電システム。

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