JP6268714B2

JP6268714B2 - 地熱発電システム

Info

Publication number: JP6268714B2
Application number: JP2013029003A
Authority: JP
Inventors: 幸三郎土屋; 賢一安藤; 千明長井; 潔島; 彰一西
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: JP2014156843A

Description

本発明は、地熱発電システムに関する。

地熱発電システムとして、地上から地熱帯まで延びる二重管構造の地熱吸収器を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の地熱発電システムでは、高圧給水ポンプによって加圧された水が地熱吸収器の内管に供給され、この水が、内管を通って地熱帯まで下降して地熱帯から受熱して熱水となり、この熱水が、地熱吸収器の内管と外管との間を通して地上に取り出されて蒸気発生器において蒸気となり、この蒸気が蒸気タービンを回転させることで、発電が行われる。そして、蒸気タービンを回転させた後の蒸気が、蒸気タービンから復水器に送られて復水器において水となり、この水が、上記高圧給水ポンプによって加圧されて地熱吸収器の内管に供給される。

ここで、この地熱発電システムでは、地熱帯から熱を吸収するのみで熱水が汲み上げられないため、蒸気発生器や蒸気タービン等に送られる熱水や蒸気に地下のミネラル等が含まれず、蒸気発生器や蒸気タービンや配管等にミネラル等の不純物が付着することがない。また、地熱帯の地下水系に影響を与えることがなく、温泉水を枯渇させる虞もない。

特開２０１１−５２６２１号公報

特許文献１に記載の地熱発電システムでは、地熱吸収器で水が蒸気化して熱吸収効率が低下することの抑制を目的として、蒸気タービンの下流側の復水器から地熱吸収器に高圧の水を供給するが、そのために、地熱吸収器に給水するポンプを高圧給水ポンプにする必要があり、給水ポンプのコストが高くなる。また、地熱吸収器やこれに繋がる配管等を耐圧性の高いものにする必要があり、これらのコストも高くなる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、地熱帯から熱水を汲み上げることなく、蒸気タービンを回転させる蒸気を生成する地熱発電システムにおいて、地熱吸収器に液体を供給するポンプのコスト増を抑制することを課題にするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る地熱発電システムは、第一の液体が地上から地熱帯まで下降して前記地熱帯で熱を吸収して地上まで上昇する地熱吸収器と、前記地熱吸収器を経由した第一の液体が一次側に、前記第一の液体よりも沸点が低い第二の液体が二次側に供給され、前記第一の液体から前記第二の液体へ熱を移動させて前記第二の液体を蒸気化させる熱交換器と、前記熱交換器で生成された蒸気で回転する蒸気タービンとを備える地熱発電システムであって、前記地熱吸収器、前記熱交換器の一次側、及び該熱交換器の一次側の出口と前記地熱吸収器との間に配置される１つのポンプが流路中に設けられ、前記ポンプにより前記第一の液体が、前記地熱吸収器、前記熱交換器の順に循環される循環流路を備え、該第一の液体が液体のまま循環される循環流路は、閉回路であるとともに、前記第一の液体の蒸気圧以上の圧力に設定され、前記ポンプは、前記第一の液体の蒸気圧以上の圧力に耐えるだけの耐圧性を有する。

前記地熱発電システムは、前記熱交換器の二次側、前記蒸気タービン、前記蒸気タービンを経由した前記蒸気を復液する復液器、前記復液器により復液された前記第二の液体が貯留される貯留タンク、及び前記貯留タンクから前記熱交換器の二次側に前記第二の液体を供給する第二のポンプが流路中に設けられ、前記第二の液体が液化したり蒸気化したりしながら循環する第二の循環流路を備えてもよい。

前記地熱発電システムにおいて、前記地熱吸収器は、下端において内外が連通した二重管構造であってもよく、前記第一の液体は、外管と内管との間および前記内管の内側の何れか一方を通って下降し、前記外管と前記内管との間および前記内管の内側の何れか他方を通って上昇してもよい。

前記地熱発電システムにおいて、前記第一の液体は油であってもよい。

本発明によれば、地熱帯から熱水を汲み上げることなく、蒸気タービンを回転させる蒸気を生成する地熱発電システムにおいて、地熱吸収器に液体を供給するポンプのコスト増を抑制することができる。

一実施形態に係る地熱発電システムの概略構成を示す図である。地熱吸収器の上部を示す立断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る地熱発電システム１０の概略構成を示す図である。この図に示すように、地熱発電システム１０は、水が地中を経由して循環する第一の循環流路２０と、水よりも沸点が低い液体が液化したり蒸気化したりしながら地上で循環する第二の循環流路４０と、第二の循環流路４０の液体を復液するのに利用される水を供給する流路６０とを備えている。ここで、第二の循環流路４０で用いられる液体としては、アンモニア水（濃度２５％で標準沸点が３７．７℃）、ペンタン（標準沸点が３６．０７℃）等が挙げられる。

第一の循環流路２０には、ポンプ２２と、熱交換器２４の一次側と、地熱吸収器３０とが設けられている。また、第二の循環流路４０には、上記熱交換器２４の二次側と、セパレーター４２と、蒸気タービン４４と、復液器（熱交換器）４６の一次側と、復液タンク４８と、ポンプ５０とが設けられている。蒸気タービン４４には発電機７０が接続されており、蒸気タービン４４の回転により発電機７０が作動されて発電が行われる。さらに、流路６０には、上記復液器４６の二次側が設けられている。

地熱吸収器３０は、地上から地熱帯まで延びる二重管式の熱交換器であり、底が閉じた外管３２と、底が開いた内管３４とを備えている。内管３４の開口した下端は、外管３２の下端に配されており、内管３４内の流路と、内管３４と外管３２との間の流路とは、これらの下端において連通している。外管３２は、上端が開口しているのみでその他の部分は閉じており、地熱帯から外管３２内に熱水が流入しないようになっている。一方で、外管３２の内部と地熱帯との間は熱伝導が良好であり、地熱帯から外管３２内の水に熱が移動するようになっている。

図２は、地熱吸収器３０の上部を示す立断面図である。この図に示すように、内管３４は、外管３２の上部から上方へ延びており、外管３２の上部と内管３４とは袋ナット３５で締結されている。また、袋ナット３５の近傍には、外管３２と内管３４との間に嵌め込まれたパッキン３６が設けられている。外管３２の上部におけるパッキン３６より下側には、配管２６が接続されており、この配管２６がポンプ２２の吐出口に接続されている。

図１に示すように、内管３４の上部は、熱交換器２４の一次側の入口に接続され、熱交換器２４の一次側の出口は、ポンプ２２の吸込口に接続されている。第一の循環流路２０では、ポンプ２２が水を、地熱吸収器３０、熱交換器２４の一次側の順序で循環させる。地熱吸収器３０では、配管２６から外管３２の上部に供給された水が、外管３２と内管３４との間を通って下降する際に、地熱帯から受熱して熱水となり、この熱水が、内管３４内を通って地上まで上昇する。

第一の循環流路２０では、１２０℃〜１５０℃の熱水が熱交換器２４の一次側へ供給される。ここで、第一の循環流路２０で循環する水の圧力は、１２０℃〜１５０℃の熱水が蒸気化しないように設定されている。例えば、熱水の温度が１２０℃であれば、約０．２ＭＰａ以上、熱水の温度が１５０℃であれば、約０．５ＭＰａ以上である。また、第一の循環流路２０に設けられたポンプ２２や熱交換器２４や地熱吸収器３０や配管は、第一の循環流路２０の圧力に耐え得るだけの耐圧性を有するものである。

第二の循環流路４０では、ポンプ５０の吐出口は、熱交換器２４の二次側の入口に接続され、熱交換器２４の二次側の出口は、セパレーター４２の入口に接続されている。また、セパレーター４２の出口は、蒸気タービン４４の入口と、復液タンク４８に接続されている。また、蒸気タービン４４の出口は、復液器４６の一次側の入口に接続され、復液器４６の二次側の出口は、復液タンク４８に接続されている。さらに、復液タンク４８は、ポンプ５０の吸込口に接続されている。

以上のような構成の第二の循環流路４０では、ポンプ５０が、液体を、復液タンク４８から、熱交換器２４の二次側に供給する。熱交換器２４では一次側に供給された１２０〜１５０℃の熱水から二次側に供給された液体へ熱が移動する。ここで、熱交換器２４の二次側に供給された液体は、水よりも沸点が低い低沸点液体（例えば、標準沸点が４０℃未満）であるため蒸気化される。

熱交換器２４の二次側で生成された蒸気は、セパレーター４２に送られる。セパレーター４２では、蒸気とこれに混じった液体とが分離され、蒸気は蒸気タービン４４に送られ、液体は復液タンク４８に送られる。第二の循環流路４０における蒸気タービン４４の下流側には、復液器４６の一次側が設けられており、この復液器４６の二次側には冷却媒体としての水が供給される。このため、復液器４６の一次側に供給された蒸気は冷却・減圧されるため、蒸気タービン４４の上流側と下流側との間に圧力差ができる。これによって、高温高圧の蒸気が、蒸気タービン４４の上流側から下流側へ移動し、蒸気タービン４４を回転させる。

復液器４６では一次側に供給された蒸気から二次側に供給された水へ熱が移動する。なお、復液器４６の二次側に供給された水は、その熱を受けて温水となるが、この温水は排水せずに生活用水等として有効に利用してもよい。一方、復液器４６の一次側に供給された蒸気は、冷却・減圧されて液体となり、復液タンク４８に送られる。

以上説明したように、本実施形態に係る地熱発電システム１０は、地熱吸収器３０、熱交換器２４の一次側、及びポンプ２２が設けられ、該ポンプ２２により水が循環される第一の循環流路２０を備えており、熱交換器２４の二次側に供給された水よりも沸点が低い液体を、一次側に供給された熱水からの熱の移動により蒸気化させ、生成した蒸気により蒸気タービン４４を回転させる。

ここで、蒸気タービン４４の下流側で復液された液体を、地熱吸収器３０にポンプで供給して蒸気化させることなく熱水として取り出そうとする場合には、該液体をポンプで高圧化して地熱吸収器３０に供給しなければならず、高圧ポンプが必要になる。それに対して、本実施形態に係る地熱発電システム１０では、閉回路であり、蒸気圧以上の圧力に設定された第一の循環流路２０において、ポンプ２２で水を地熱吸収器３０と熱交換器２４の一次側を通るように循環させればよく、ポンプ２２は、水を高圧にする高圧ポンプである必要が無く、蒸気圧以上の圧力に耐え得る耐圧性を有していればよい。従って、ポンプ２２のコストを抑えることができる。

また、本実施形態に係る地熱発電システム１０では、第一の循環流路２０において、水を気液二相流体ではなく液体として循環させることにより、気液二相流体が持つ熱エネルギーの損失や圧力損失等の様々な問題を解決することができる。また、地熱吸収器３０から気液二相流体を取り出す場合に比して、効率よく熱エネルギーを得ることができることにより、地熱吸収器３０の径を小さくすることができ、ボーリングの孔径を小さくすることができる。

また、本実施形態に係る地熱発電システム１０は、第二の循環流路４０を備えている。この第二の循環流路４０には、熱交換器２４の二次側、蒸気タービン４４、蒸気タービン４４を経由した蒸気を復液する復液器４６の一次側、復液された液体が貯留される復液タンク４８、及び、復液タンク４８から熱交換器２４の二次側に液体を供給するポンプ５０が設けられており、この第二の循環流路４０では、水よりも沸点が低い液体が、液化したり蒸気化したりしながら循環する。これによって、アンモニア水やペンタン等の媒体を、捨てることなく継続して使用できるため、当該媒体の使用量を低減でき、コストを抑えることができる。

また、地熱吸収器３０は、下端において内外が連通した二重管構造であり、水は、外管３２を通って下降し、地熱帯で熱を吸収して熱水となって内管３４を通って上昇する。これによって、地熱帯から熱水を汲み上げることなく蒸気を生成することができる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、第一の循環流路２０で循環させる液体を水としたが、当該液体は、第二の循環流路４０で循環させる液体よりも沸点が高いものであればよく、水の他に油等が挙げられる。ここで、油の場合、水に比して沸点が高く蒸気化し難いことから、第一の循環流路２０の圧力をより低く抑えることができる。従って、第一の循環流路２０の配管や地熱吸収器３０や熱交換器２４やポンプ２２に要求される耐圧性が低くなり、設備のコストを抑えることができる。

また、上述の実施形態では、地熱吸収器３０において、水を、外管３２と内管３４との間を通して下降させ、内管３４の内側を通して上昇させるが、内管３４の内側を通して下降させ、外管３２と内管３４との間を通して上昇させてもよい。さらに、地熱吸収器３０を、下端で内外が連通された二重管構造としたが、地熱吸収器は、液体が地熱帯まで下降して熱を吸収して地上まで上昇する構成であればよく、例えば、Ｕ字管構造や、下降部と上昇部とが下端を除いて仕切り板で仕切られた構造等でもよい。

さらに、上述の実施形態では、第二の循環流路４０において、水よりも沸点が低い液体を液化させたり蒸気化させたりしながら循環させたが、これは必須ではない。また、第二の循環流路４０において、セパレーター４２を設けて、蒸気と液体とを分離したが、これも必須ではない。

１０地熱発電システム、２０第一の循環流路、２２ポンプ、２４熱交換器、２６配管、３０地熱吸収器、３２外管、３４内管、３５袋ナット、３６パッキン、４０第二の循環流路、４２セパレーター、４４蒸気タービン、４６復液器、４８復液タンク、５０ポンプ、６０流路、７０発電機

Claims

第一の液体が地上から地熱帯まで下降して前記地熱帯で熱を吸収して地上まで上昇する地熱吸収器と、
前記地熱吸収器を経由した第一の液体が一次側に、前記第一の液体よりも沸点が低い第二の液体が二次側に供給され、前記第一の液体から前記第二の液体へ熱を移動させて前記第二の液体を蒸気化させる熱交換器と、
前記熱交換器で生成された蒸気で回転する蒸気タービンとを備える地熱発電システムであって、
前記地熱吸収器、前記熱交換器の一次側、及び該熱交換器の一次側の出口と前記地熱吸収器との間に配置される１つのポンプが流路中に設けられ、前記ポンプにより前記第一の液体が、前記地熱吸収器、前記熱交換器の順に循環される循環流路を備え、
該第一の液体が液体のまま循環される循環流路は、閉回路であるとともに、前記第一の液体の蒸気圧以上の圧力に設定され、前記ポンプは、前記第一の液体の蒸気圧以上の圧力に耐えるだけの耐圧性を有することを特徴とする地熱発電システム。
前記熱交換器の二次側、前記蒸気タービン、前記蒸気タービンを経由した前記蒸気を復液する復液器、前記復液器により復液された前記第二の液体が貯留される貯留タンク、及び前記貯留タンクから前記熱交換器の二次側に前記第二の液体を供給する第二のポンプが流路中に設けられ、前記第二の液体が液化したり蒸気化したりしながら循環する第二の循環流路を備える請求項１に記載の地熱発電システム。
前記地熱吸収器は、下端において内外が連通した二重管構造であり、前記第一の液体は、外管と内管との間および前記内管の内側の何れか一方を通って下降し、前記外管と前記内管との間および前記内管の内側の何れか他方を通って上昇する請求項１又は請求項２に記載の地熱発電システム。
前記第一の液体は油である請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の地熱発電システム。