JP2010090782A - 地熱流体利用システムのスケール付着監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地熱利用システムの地熱流体配管路に対し、システム操業を継続のまま所望の監視地点に外部接続するだけで、熱水に析出したスケールの付着進行状況を簡単にモニタリングできる新規なスケール付着監視装置を提供する。
【解決手段】地熱流体配管路４の監視地点に分岐接続してサンプリングした原熱水を冷却するモニタリング熱交換器７を設け、該モニタリング熱交換器の熱特性および流体特性を測定し、その測定結果から求めた総括伝熱係数、汚れ係数に基づいて地熱流体配管路の経時的なスケール付着量を演算により求める。
【選択図】 図１

Description

この発明は、地熱発電システムなどを対象とした地熱流体利用システムの配管路に付着するスケールをモニタリングするためのスケール付着監視装置に関する。

生産井を通じて地上に噴出する地熱流体（地熱蒸気と熱水の二相流体）は、セパレータ（気水分離器）にて地熱蒸気と熱水に分離した上で、各種の地熱流体システムにて利用される。例えば、フラッシュサイクルの地熱発電システムでは、生産井から採取した地熱流体を先ず高圧側セパレータに導いて気水分離し、ここで分離した地熱蒸気を発電機と連結した蒸気タービンの高圧段に導いてタービンを駆動する。また、高圧側セパレータで分離した熱水は減圧して次段の低圧側セパレータに導き、ここで気水分離したフラッシュ蒸気を蒸気タービンの中間段に導入し、熱水はさらに被加熱流体の加熱用熱交換器などで熱回収した後に、蒸気タービンからの復水とともに還元井を経て地中に戻している。

この場合に、よく知られているように生産井から噴出する地熱流体には、炭酸ガス，硫化水素などのガス成分のほか、シリカなどの各種鉱物質（スケール成分）が溶解して混在している。そして、この地熱流体を地上において気水分離すると、圧力，温度の低下、および酸性ガス成分の放出に伴う熱水のｐＨの上昇により、熱水に溶解していた前記の鉱物質成分がシリカや炭酸カルシウムなどの難溶性物質となって析出するようになる。

そのために、地熱発電システムでは蒸気タービンのほか、地熱流体の配管路、およびこの配管路に接続した熱交換器(蒸発器等)などの機器に対しても、前記難溶成分（鉱物質）の析出物がスケールとなって配管の管壁や熱交換器の伝熱面に着床し、さらにシステムの操業時間経過とともに着床したスケールが次第に成長してその付着厚さが増加する。そのために、配管路，熱交換器の通路が狭まり、これが配管路の圧力上昇、熱交換器などの機能，耐久性低下などの原因となって地熱利用システムの円滑な操業に支障を来すようになる。そのほか、熱水，蒸気タービンの余剰復水を還元井から地中に戻す場合に、熱水に混在している難溶性のスケール成分が還元井の壁面に付着堆積し、このために還元井の能力が低下してシステムの円滑な操業が行えなくなる問題もある。

そこで、地熱流体配管路のスケーリング対策として、生産井からセパレータ，熱交換器などを経て還元井に至る地熱流体配管路の途中地点にｐＨ調整剤（硫酸、硝酸等の薬液），もしくは熱水のＳｉＯ₂濃度が不飽和状態となるように希釈する希釈水（蒸気タービンの復水，あるいは河川水など）を外部から注入して配管にスケールが析出，着床するのを抑制するｐＨ調整法などが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

また、地熱発電システムの蒸気タービンに対する対策として、スケールの付着量増加に伴ってタービンノズルの出口圧力が経時的に低下してタービン出力が低下することをタービン運転中に監視し、その監視データを基にタービンが損傷トラブルに発展することが予測される状況に至った時に警報を発報して蒸気タービンの速やかな停止、およびそれに引き続く予備ロータ・ノズルヘの交換、あるいは運転機の羽根・ノズル等に付着したスケールの除去作業実施を促すようにした地熱発電用タービンのスケール監視システムも知られている（例えば、特許文献４参照）。

そのほか、地熱利用システムの配管路に接続した熱交換器について、伝熱面を介して熱交換する２流体の入口，出口温度、および流量の計測値から熱交換器の伝熱性能を演算して求め、その伝熱性能の経時的な推移から伝熱面の汚れ（スケール付着）を除去するための洗浄時期を検知するようにした熱交換器の洗浄時期検知方法も知られている（例えば、特許文献５）。
特開平３−６１６７３号公報 特開平３−２８４３２号公報 特開平１１−２５７２０４号公報 特開２００２−２５０２７１号公報 特開平１０−２８１６９５号公報

前記地熱流体利用システムのスケーリング対策として、先述の特許文献１〜３に開示されているように、地熱流体配管路の途中箇所に適当量のｐＨ調整剤，もしくは希釈水を注入して熱水に含まれているスケール成分の析出，着床を抑制してシステムから排出する熱水を還元井に戻すようにする方式が知られているが、一方では生産井を通じて地下の滞留層から汲み上げた地熱流体の化学組成（ガス成分，スケール成分）は必ずしも一定不変ではなく、周囲環境変化などの様々な要因で変動する場合がある。

このために、地熱利用システムを長期に亙り継続して操業する場合に、操業開始当初に調べた地熱流体の性状に合わせて指定した定量のｐＨ調整剤，希釈水をシステム操業中に配管路に注入する管理方式のままでは、地熱流体の組成変動などにより長期の操業期間中に還元井に戻す熱水のｐＨ調整が適正に行われなくなるおそれがある。また、配管路の導管内面に付着したスケールは外部から簡単に目視確認することもできない。

したがって、長期に亙り地熱利用システムの操業中にｐＨ調整を適正に実施するには、地熱流体配管路の管壁に着床するスケールの付着状況を経時的にモニタリングし、このモニタリングデータを基に配管路に注入するｐＨ調整剤の注入量を地熱流体の性状に合わせて適正に増減調整するとともに、さらにｐＨ調整の評価を追跡確認するようなスケーリング対策の管理が必要となる。しかしながら、操業中の地熱利用システムに対してその流体配管路上で選んだ監視地点に外部接続するだけで管路のモスケール付着状況のモニタリングが行えるスケール付着監視装置は知られてない。

なお、先記の特許文献４，５には、蒸気タービン，熱交換器などの地熱利用機器について、その機器内部のスケール付着状況を経時的にモニタリングし、スケール付着量が許容レベルを超えた際にスケール除去を促すアラーム信号を出力するようにしたスケール監視装置が開示されているが、これらのスケール監視装置は特定した機器にのみ対応しており、セパレータ（気水分離器）などを含む地熱流体利用システムについて、その配管路のスケール付着を監視することができない。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は地熱利用システムの地熱流体配管路に対し、システム操業を継続のまま所望の監視地点に外部接続するだけで、熱水に析出したスケールの付着進行状況を簡単にモニタリングできるようにした小形で汎用性の高い新規なスケール付着監視装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明のスケール付着監視装置は、地熱流体配管路の監視地点に分岐接続して流体配管路からサンプリングした原熱水を冷却するモニタリング熱交換器と、該モニタリング熱交換器の熱特性および流体特性等の測定結果から求めた総括伝熱係数，汚れ係数に基づいて地熱流体配管路の経時的なスケール付着量を演算する演算手段とからなり（請求項１）、具体的にはスケール付着監視装置を次記のような態様で構成するものとする。
（１）前記のモニタリング熱交換器に原熱水の入口，出口温度を計測する温度計、冷却媒体の入口，出口温度を計測する温度計、および原熱水の流量を計測する流量計を配し、前記温度計，流量計の計測データを基に演算手段がモニタリング熱交換器の総括伝熱係数，汚れ係数、および伝熱面に付着したスケール厚さを演算してそのデータを保存する（請求項２）。
（２）前項（１）において、演算手段にスケール付着厚さの上限値をあらかじめ設定し、スケール付着監視の過程でモニタリング熱交換器の伝熱面に付着したスケール厚さが前記設定値を超えた際にアラーム信号を外部に出力する警報手段を備える（請求項３）。
（３）前記のモニタリング熱交換器を、地熱流体配管路からサンプリングした原熱水を流す伝熱管に周囲から冷却空気を導風して地熱熱水と熱交換させる空冷式熱交換器で構成する（請求項４）。
（５）前記のモニタリング熱交換器を、冷却水を冷却媒体として地熱流体配管路からサンプリングした原熱水と熱交換させる二重管式の水冷式熱交換器で構成する（請求項５）。

上記したこの発明によるスケール付着監視装置のモニタリング熱交換器は、可搬式の小形コンパクトな構成であり、地熱利用システムの操業中でもシステムの配管路の監視したい地点に備えた分岐接続用ノズルにモニタリング熱交換器を簡単に外部接続して使用できる。また、システムの配管路からサンプリングしてモニタリング熱交換器に流す原熱水の流量は極少量であり、地熱利用システムの操業に影響を与えることなく監視地点の配管路に着床するスケールの経時的推移を模擬してモニタリングできる。

これにより、地熱利用システムのスケーリング対策として実施するｐＨ調整法では、監視装置で収集したデータを基に、システムの配管路に注入するｐＨ調整剤，希釈水の適正な管理量の把握，決定、およびその成果の追跡監視を行って地熱利用システムの正常な操業維持，管理に寄与することができる。

また、当該監視装置の演算手段にスケール付着厚さの上限値をあらかじめ設定し、スケール付着の監視過程でモニタリング熱交換器の伝熱面に付着したスケール厚さが前記設定値を超えた際にアラーム信号を外部に出力する警報手段を備えることにより、スケール付着が危険レベルに達したと判断された場合には、前記警報手段から出力するアラーム信号を基に地熱流体システムの緊急停止，付着スケールの強制除去などの適切な保全処置を行うことが可能である。

なお前記のモニタリング熱交換器は、必要時に地熱利用システムの操業を継続したまま地熱流体の配管路から取り外し、熱交換器の伝熱面に付着したスケールを除去して初期状態（リセット）に戻した上で、配管路の別な監視箇所に接続してスケールのモニタリングを行うことができる。

以下、この発明による実施の形態を図１ないし３に示す図示実施例に基づいて説明する。なお、図１，図２はそれぞれ異なる実施例によるスケール付着監視装置の構成図、図３はスケール付着監視装置を接続した地熱利用システムのフローシートを表す図である。

図３において、１は地下深部の貯留層から地熱流体を採取する生産井、２は地熱利用システムの高圧セパレータ（気水分離器）、３は低圧セパレータ、４はシステムの配管路、５は還元井、６前記配管路４に外部接続したスケール付着監視装置である。

上記の地熱利用システムにおいて、高圧セパレータ２，低圧セパレータ３で気液分離した高圧蒸気，低圧蒸気は例えば蒸気タービン（不図示）に導入してタービン発電機を駆動する。また、低圧セパレータ３で分離された低温側の熱水は、例えば熱交換器など（不図示）で熱回収した後にピットに集められ、ここから還元井５を経て地中に戻される。

ここで、図示例の地熱利用システムでは、前記のスケール付着監視装置６が高圧セパレータ２，低圧セパレータ３の出口側、例えば、セパレータの底部に付設の熱水レベルヘッダーに設けた分岐ノズルを利用して外部接続し、詳細を後記するように配管路４からサンプリングした原熱水（例えば、流量：１？／分）をモニタリング熱交換器に流した後、ピットに集められて還元井５に戻される。

次に、スケール付着監視装置の詳細な構成を図１，図２に示す。なお、図１は前記モニタリング熱交換器を空冷式熱交換器で構成した実施例、図２は水冷式熱交換器で構成した実施例である。

まず、図１の実施例において、スケール付着監視装置６は空冷式のモニタリング熱交換器７と演算器８（パソコン）との組合せからなり、演算器８は上位の中央演算装置９に連係されている。一方、モニタリング熱交換器７は、接続管１０を介して地熱利用システムの配管路４に分岐接続した小形の空冷式熱交換器であり、配管路４からサンプリングした原熱水を流す伝熱管７ａに対し、該伝熱管７ａの外周面にファン７ｂで送風した冷却空気を導風して原熱水を冷却するようにしている。また、モニタリング熱交換器７の流体特許測定のために、接続管１０には原熱水の流量Ｆｂを測定するための流量計１１、流量制御弁１２が設けられ、そして、熱特性を測定するために、モニタリング熱交換器７の前後で原熱水の入口温度Ｔ_in，出口温度Ｔ_outを計測する温度計１３，１４および、熱交換器７の導風路には冷却空気の入口温度ｔ_in，出口温度ｔ_outを計測する温度計１５，１６が設けられる。流量計１１，温度計１３〜１６の計測信号を基に演算器８が後記のようにモニタリング熱交換器７の総括伝熱係数，汚れ係数を算出する。なお、１７は参照用に追加して原熱水の電気伝導度を計測する電気伝導計で、その計測データを演算器８で算出したモニタリング熱交換器７の総括伝熱係数値と照合してその相間関係を調べるためのものである。

一方、図２の実施例では、モニタリング熱交換器７に水冷式熱交換器を採用しており、その熱交換器本体は原熱水が通流する内管７ｃと冷却水が通流する外管７ｄからなる二重管で構成されている。また、前記外管７ｄの入口および出口側には冷却水の入口温度ｔ_in，出口温度ｔ_outを計測する温度計１５，１６を配備しており、その他の構成は図１の実施例と同様である。

次に、前記したモニタリング熱交換器７の伝熱性能を演算する演算処理について述べる。まず、地熱流体の配管路４に分岐接続したモニタリング熱交換器７の初期状態（スケール付着なしの状態）で、その熱交換量Ｑ１［Kcal/h］を演算する。

Ｑ１＝Ｆｂ×（ＨＴ_in−ＨＴ_out）・・・・・（１）
但し、ＨＴ_in：原熱水の入口温度Ｔ_inに対応するエンタルピー［Kcal/Kg］
ＨＴ_out：原熱水の出口温度Ｔ_outに対応するエンタルピー［Kcal/Kg］
また、熱水の温度計１３〜１６の検出データから、初期状態の対数平均温度差ΔＴｍ１［℃］を演算する。

ΔＴｍ１＝ (Ｔ_in−ｔ_out）−（Ｔ_out−ｔ_in）／Ｌｎ（Ｔ_in−ｔ_out）／（Ｔ_out−ｔ_in）・・・・・（２）
次に、前式（１），（２）の演算結果を基に、モニタリング熱交換器７の初期状態の総括伝熱係数Ｕ１［Kcal/m²hc］を演算し、その演算値を演算器８のメモリーに保存する。

Ｕ１＝Ｑ１／（Ａ×ΔＴｍ１）・・・・・（３）
但し、Ａ：モニタリング熱交換器の伝熱面積［ｍ²］
上記の演算処理はモニタリング開始後から一定の時間周期（例えば、週１回，あるいは月１回の周期）で繰り返し行い、その都度算出した総括伝熱係数Ｕ２［Kcal/m²hc］を使用開始当初の総括伝熱係数Ｕ１と対比して次記のように一定時間経過後の汚れ係数ｒ［m²hc/Kcal］を演算する。

ｒ＝１／（Ｕ１−Ｕ２）・・・・・（４）
さらに、モニタリング熱交換器の伝熱面に付着したスケールの熱伝導率ｋ［Kcal/mhc］（既知の値）と前記汚れ係数ｒ［m²hc/Kcal］から伝熱管７ａの伝熱面に付着したスケールの厚さｔ［ｍ］を算出する。

ｔ＝ｋ×ｒ・・・・・（５）
これにより、前記の演算処理により求めたモニタリング熱交換器７のスケール付着量をもって、原熱水をサンプリングしたシステム配管路の監視地点における導管のスケール付着量を模擬できることになる。

また、この実施例では前記演算器８でスケール付着厚さの許容上限値をあらかじめ設定し、スケール付着監視の過程でモニタリング熱交換器７の伝熱面に付着したスケールが前記設定値を超えた際にアラーム信号を中央演算装置９に出力する警報手段を備えている。

なお、モニタリング熱交換器７に着床して成長するスケールの性状は温度条件などによって多孔質なスケールになったり緻密なスケールになったりする。しかも、多孔質なスケールと緻密なスケールとでは熱伝導率ｋが異なる。そこで、前記監視装置で演算するスケール厚さｔを、熱交換器に付着したスケールの性状に合わせて補正するために、モニタリング熱交換器７の熱水通路にテストピースを取付けてモニタリングを行い、その後このテストピースをモニタリング熱交換器７から取り出して実際に付着したスケールの性状，熱伝導率，厚さを確認した上で、前記の演算処理により算出するスケール付着厚さｔの補正係数を定めるようにするのがよい。また、年間を通じて長期期間に亙りモニタリングを行う場合には、図１の空冷式熱交換器に導風する冷却空気（外気），図２の水冷式熱交換器に導水する冷却水はできるだけ同じ温度条件でモニタリングを行うことが望ましい。

上記構成になるスケール付着監視装置６は、地熱利用システムの配管路でスケール付着を監視する所望の地点、例えば図３における高圧セパレータ２，低圧セパレータ３の出口側（気液分離した熱水の出口）に付設した分岐ノズルを利用してここにモニタリング熱交換器７を分岐接続し、この監視地点で地熱流体の配管路４からサンプリングした原熱水をモニタリング熱交換器７に流して経時的なスケール付着量を監視する。なお、監視地点は、前記の地点に限定されることはなく、例えば、生産井１に近い配管路の途中、あるいは還元井５に近い地点を選んで地熱流体配管路にサンプリング熱交換器７を分岐接続してモニタリングを行うことも可能である。

そして、スケール付着監視装置７で得たスケール付着の経時的なデータは演算手段８のメモリーに保存するとともに、中央演算装置９に逐一送信してシステムの監視員に現在のスケール付着状況を知らせる。また、モニタリング熱交換器７のスケール付着量があらかじめ設定した許容上限値を超えた場合には、演算手段８の警報手段よりアラーム信号を出力して上位の中央演算装置９に伝える。

これにより、アラーム信号を受けた中央演算装置９は、システム配管路の監視地点に対応して、例えば先述の特許文献１〜特許文献３の各実施例に開示されている配管路途中の注入箇所（生産井と高圧セパレータとの間、高圧セパレータと低圧セパレータとの間、低圧セパレータと還元井との間の地点）に適量のｐＨ調整剤，希釈水を注入する、あるいはその注入量を増加させるような制御指令を与えてきめ細かなｐＨ調整管理を適正に行うことができる。

また、生産井から汲み上げた地熱流体に含まれている化学成分の組成変動などにより、モニタリング熱交換器における経時的なスケール付着量の増加割合が低下した場合は、そのモニタリングデータを基に、前記とは逆にシステム配管路に注入するｐＨ調整剤，希釈水の注入量を減少させるように制御することもできる。

そのほか、当該スケール付着監視装置のモニタリング熱交換器７は可搬可能な小形コンパクトな構成であり、地熱利用システムの操業を継続したまま、必要に応じてモニタリング熱交換器７を地熱流体の配管路４から取り外し、熱交換器７の伝熱面に付着したスケールを除去して初期状態（リセット）に戻した上で、同じ監視地点に再接続してモニタリングを行う、あるいはシステム配管路の別な監視地点に移して付着スケールのモニタリングを行うことも可能である。

モニタリング熱交換器に空冷式熱交換器を採用したこの発明の実施例によるスケール付着監視装置の構成を表す図 モニタリング熱交換器に水冷式熱交換器を採用したこの発明の実施例によるスケール付着監視装置の構成を表す図 この発明のスケール付着監視装置を接続した地熱利用システムのフローシートを表す図

符号の説明

１ 生産井
２ 高圧セパレータ
３ 低圧セパレータ
４ 地熱利用システムの配管路
５ 還元井
６ スケール付着監視装置
７ モニタリング熱交換器
７ａ 伝熱管
７ｂ ファン
７ｃ 二重管式伝熱管の内管
７ｄ 二重管式伝熱管の外管
８ 演算器
１１ 流量計
１３〜１６ 温度計

Claims (5)

1. 地熱流体利用システムの配管路に付着するスケールをモニタリングするためのスケール付着監視装置であって、
   前記地熱流体配管路の監視地点に分岐接続して流体配管路からサンプリングした原熱水を冷却するモニタリング熱交換器と、該モニタリング熱交換器の熱特性および流体特性等の測定結果から求めた総括伝熱係数，汚れ係数に基づいて地熱流体配管路の経時的なスケール付着量を演算する演算手段とを備えることを特徴とする地熱流体利用システムのスケール付着監視装置。
2. 請求項１に記載のスケール付着監視装置において、モニタリング熱交換器に原熱水の入口，出口温度を計測する温度計、冷却媒体の入口，出口温度を計測する温度計、および原熱水の流量を計測する流量計を配し、前記温度計，流量計の計測データを基に演算手段がモニタリング熱交換器の総括伝熱係数，汚れ係数、および伝熱面に付着したスケール厚さを演算してそのデータを保存することを特徴とする地熱流体利用システムのスケール付着監視装置。
3. 請求項２に記載のスケール付着監視装置において、演算手段にスケール付着厚さの上限値をあらかじめ設定しておき、スケール付着監視の過程でモニタリング熱交換器の伝熱面に付着したスケール厚さが前記設定値を超えた際にアラーム信号を外部に出力する警報手段を備えたことを特徴とする地熱利用システムのスケール監視装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか1項に記載のスケール付着監視装置において、モニタリング熱交換器が、地熱流体配管路からサンプリングした原熱水を流す伝熱管に周囲から冷却空気を導風して地熱熱水と熱交換させる空冷式熱交換器であることを特徴とする地熱流体利用システムのスケール付着監視装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか1項に記載のスケール付着監視装置において、モニタリング熱交換器が、冷却水を冷却媒体として地熱流体配管路からサンプリングした原熱水と熱交換させる二重管式の水冷式熱交換器であることを特徴とする地熱流体利用システムのスケール付着監視装置。

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