JP2011052621A - 地熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用する蒸気によって不純物が発電装置に付着することがなく、高温・高圧の蒸気が得られるため大容量の発電が可能であり、地熱帯付近における環境に悪影響を及ぼすことのない地熱発電装置を提供する。
【解決手段】高圧給水ポンプによって加圧された処理水が供給される加圧水注入管１１と、加圧水注入管１１中を下降する処理水に対して、地熱帯１０から熱が供給されて生成される熱水が上昇する熱水取出管１２とを有し、熱水取出管１２から取出された熱水が蒸気発生器２１に送られて生成される蒸気によって発電がなされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱帯に存在する自然の蒸気をそのまま取出すことなく、地熱帯を熱源として発電を行う地熱発電装置に関する。

地熱発電は、熱源を地球の高温のマグマ層とするものであり、半永久的な熱エネルギーを利用することができ、また、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、化石燃料に依存する発電の代替手段として近年注目されている。
従来の地熱発電では、地熱帯をボーリングし、地熱帯に存在する自然の蒸気を自然の圧力を利用して蒸気を取り出す方式を採っており、シングルフラッシュ方式またはこれを改良したダブルフラッシュ方式が通常良く利用されている。これらの詳細については、非特許文献１に記載されている。

図３に、シングルフラッシュ方式の系統図を示し、図４にダブルフラッシュ方式の系統図を示す。
図３に示すシングルフラッシュ方式においては、地熱帯から取出された蒸気と熱水が気水分離器５１に送られて蒸気と熱水に分離され、蒸気はタービン５２に送られて発電機５３により発電がなされる。タービン５２内の蒸気は復水器５４に送られて熱水となり、循環ポンプ５５を介して冷却塔５６に送られて冷却される。

また、図４に示すダブルフラッシュ方式においては、地熱帯から取出された蒸気と熱水が気水分離器５１に送られて蒸気と熱水に分離され、蒸気はタービン５２に送られるとともに、熱水はもう一つの気水分離器５７に送られて蒸気が生成され、この蒸気もタービン５２に送られて、発電機５３により発電がなされる。タービン５２内の蒸気は復水器５４に送られて熱水となり、循環ポンプ５５を介して冷却塔５６に送られて冷却される。

従来の地熱発電では、シングルフラッシュ方式とダブルフラッシュ方式のいずれを採用しても、地熱帯に存在する自然の蒸気を自然の圧力を利用して取り出し、気水分離して使用する方法であるため、取り出された蒸気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、あるいはタービンの羽根等に付着する。
発電装置に付着したスケールを除去する技術の一例が、特許文献１に記載されている。

特開２００９−１２５６８０号公報 吉川榮和著「発電工学」２００３年 電気学会発行

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。これを防止するためには、この不純物を除去することが必要となるが、不純物を除去するには、多額の経費がかかるうえに、一定期間発電装置の運転を止めざるを得ず、発電装置の恒常的な稼働に支障をきたすことになる。従って、スケールが付着することのない発電方式を実現することができれば、極めて有用である。

また、地熱帯に存在する自然の蒸気は、高温・高圧ではないため、大容量の発電が困難であった。さらに、地熱帯から多量の蒸気を取り出すため、地下水が減少し、付近の温泉が枯渇する等、自然環境に悪影響を与えていた。

このような事情から、地熱発電は、半永久的な熱源を有し、クリーンで環境にやさしいエネルギー採取手段でありながら、広く普及するには至っていない。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、使用する蒸気によって不純物が発電装置に付着することがなく、高温・高圧の蒸気が得られるため大容量の発電が可能であり、地熱帯付近における環境に悪影響を及ぼすことのない地熱発電装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の地熱発電装置は、高圧給水ポンプによって加圧された処理水が供給される加圧水注入管と、前記加圧水注入管中を地熱帯まで下降する処理水に対して、地熱帯から熱が供給されて生成される熱水が上昇する熱水取出管とを有し、前記熱水取出管から取出された前記熱水が蒸気発生器に送られて生成される蒸気によって発電がなされることを特徴とする。

加圧水注入管に対して、高圧給水ポンプによって加圧された処理水が供給され、この処理水が加圧水注入管中を下降して地熱帯に達することにより、地熱帯から処理水に熱が供給されて熱水が生成され、この熱水が熱水取出管中を上昇して取出されて発電に使用されるため、発電に使用される蒸気に不純物が含まれておらず、地熱帯に存在する自然の蒸気を直接使用する場合のように、タービンや配管等にスケールが付着しないため、スケールを除去する必要がなく、メンテナンスが容易であり、発電装置を長時間稼働させることが可能となる。

また、地熱帯に存在する自然の蒸気よりも高温・高圧の蒸気を利用することができるため、大容量の地熱発電が可能となる。
さらに、地熱帯に存在する蒸気を採取する方式ではないため、地熱帯の地下水系に影響を与えず、地熱帯付近の温泉が枯渇することがなく、温泉地域だけではなく、火山地帯や高温の岩盤からも熱エネルギーを取り出すことができ、広範囲で地熱の利用が可能となる。

本発明の地熱発電装置においては、前記加圧水注入管は前記熱水取出管の内部に配置され、加熱された処理水は開放された前記加圧水注入管の下端を通って前記熱水取出管に移る構造を有していることが好ましい。
このような構造とすると、加圧水注入管中を下降してきた処理水を、地熱帯に近接する領域において、容易に熱水取出管内に移行することができ、加圧水注入管と熱水取出管という２系統の配管を地下の地熱帯で接続する必要がなく、施工が簡単である。

本発明の地熱発電装置においては、前記加圧水注入管の外周部は、断熱性を有する材料で形成されていることが好ましい。
加圧水注入管の外周部を、断熱性を有する材料で形成することにより、熱水が熱水取出管中を上昇する際に、熱水を高温状態で維持することができ、効率的な発電が可能となる。

本発明によると、使用する蒸気によって不純物が発電装置に付着することがなく、高温・高圧の蒸気が得られるため大容量の発電が可能であり、地熱帯付近における環境に悪影響を及ぼすことのない地熱発電装置を実現することができる。

本発明の実施形態に係る地熱発電装置の構成を示す図である。 加圧水注入管と熱水取出管の下方側の詳細を示す図である。 シングルフラッシュ方式の系統図である。 ダブルフラッシュ方式の系統図である。

以下に、本発明の地熱発電装置をその実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る地熱発電装置の構成を示す図である。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る地熱発電装置は、加圧水注入管１１と熱水取出管１２とを有しており、加圧水注入管１１が熱水取出管１２の内部に配置された２重管構造となっている。加圧水注入管１１と熱水取出管１２とはいずれも地中に埋設されており、加圧水注入管１１と熱水取出管１２の下端が、地下深部に存在する地熱帯１０に到達するように、加圧水注入管１１と熱水取出管１２の深さが設定されている。

図２に、加圧水注入管１１と熱水取出管１２の下方側の詳細を示す。加圧水注入管１１の下端１１ｂは開放されているが、熱水取出管１２の下端１２ｂは底板が設けられて閉じられた構造となっている。加圧水注入管１１の下端１１ｂは、熱水取出管１２の下端１２ｂと所定の間隔を隔てて、熱水取出管１２の下端１２ｂより上方に位置している。

熱水取出管１２が地熱帯１０と近接する部分は、地熱帯１０からの地熱を効率良く享受するために、熱伝導性の高い材料、例えば銅やアルミ合金で形成されている。また、加圧水注入管１１と熱水取出管１２との間の断熱性を確保するために、加圧水注入管１１の外周部、すなわち加圧水注入管１１と熱水取出管１２との境界部１３は、断熱性を有する材料で形成されている。断熱性を有する材料の一種として、ロックウールを用いることができる。

加圧水注入管１１には、上端１１ａ側から、高圧給水ポンプによって加圧された、不純物を除去した高純度の処理水が供給され、この処理水は、加圧水注入管１１中を矢印で示すように降下して、下端１１ｂに達する。下端１１ｂ付近では、地熱帯１０から供給される熱によって処理水は加熱され、加熱された処理水は、開放された下端１１ｂを通って熱水取出管１２に移り、加圧状態と高温状態を維持しつつ熱水取出管１２中を矢印で示すように上昇して、熱水として上端１２ａに達して取出される。
この方式によると、加圧水注入管１１と熱水取出管１２とからなる配管構造において、配管の一方を加圧し、他方を一気に減圧することで両者の間に圧力差をつけることができる。この圧力差によって、熱エネルギーは、圧力の低い側へ瞬時に移動する。

熱水取出管１２から取出された熱水は、発電機室２０内の蒸気発生器２１に送られて減圧され、蒸気発生器２１で生成された蒸気は蒸気加熱器２２でさらに加熱されて、高温・高圧の蒸気としてタービン２３に送られ、発電機２４で発電がなされる。蒸気発生器２１では、加圧水注入管１１に注入される処理水への加圧圧力よりも低い圧力条件下で高圧状態が維持されており、これによって、高温・高圧の蒸気を得ることができる。この高温・高圧の蒸気が生成されることにより、大きな熱エネルギーの移動が可能となる。
タービン２３内の蒸気は復水器２５に送られ、復水器２５によって生成される熱水と、蒸気発生器２１内の熱水とは、高圧給水ポンプへ送られる。

なお、図１、図２においては、加圧水注入管１１と熱水取出管１２とをそれぞれ１つずつ配置した場合について示しているが、加圧水注入管１１と熱水取出管１２の数はこれに限定されず、加圧水注入管１１と熱水取出管１２とをそれぞれ複数配置してもよい。

図１に示す構造は、加圧水注入管１１と熱水取出管１２とを２重管構造となるように組み入れ、地熱帯１０をボーリングするときにこの２重管を挿入し、深くなるにしたがって接続していくことによって実現できる。

以下に、本発明の地熱発電装置を用いた場合に可能な発電量について説明する。
ここでは、地熱発電の方式としてシングルフラッシュ方式を採用し、熱サイクルはランキンサイクルを適用している。また、地熱発電に関する各種条件を以下のように設定している。

Ｑ_Ｅ（高圧給水ポンプへの給水量）＝１００［Ｌ／ｓ］もしくは［ｋｇ／ｓ］
Ｈ_Ｅ（高圧給水ポンプへのヘッド）＝３００［ｍ］
Ｈα（地耐圧力）＝１００［ｍ］
η_Ｅ（供給ポンプ系の効率）＝８０［％］
Ｔ_Ｅ（熱井戸から出る熱水の温度）＝３００［℃］
Ｘ_Ｅ（気水混合状態の熱水の湿り度）＝０．５０
Ｔ_Ｆ（発生させる蒸気の温度）＝２００［℃］
Ｐ_Ｆ（発生させる蒸気の圧力）＝１．０［ＭＰａ］（１気圧≒０．１ＭＰａ）
ｐ_T （タービンで液化する蒸気の割合）＝２０［％］
Ｔｃ （復水器での温度）＝１００［℃］
η_G （発電機の効率）＝８０［％］

以上の条件設定に基づいて、蒸気表より以下の各種定数が次のように定められる。
ｈ_Ｅ（熱水の比エンタルピー）＝２，０４７［ｋＪ／ｋｇ］
（熱水の温度 ３００℃、気水混合状態の熱水の湿り度０．５より）
ｈ_Ｆ１（蒸気発生器排水の比エンタルピー）＝８５２［ｋＪ／ｋｇ］
（蒸気発生器での飽和水温度２００℃より）
ｈ_Ｆ２（発生した蒸気の比エンタルピー）＝２，８２８［ｋＪ／ｋｇ］
（蒸気発生器での飽和蒸気温度２００℃、過熱蒸気圧力１ＭＰａより）
ｈｃ_１（復水器での水の比エンタルピー）＝４１９［ｋＪ／ｋｇ］
（復水器での飽和水温度１００℃より）
ｈｃ_２（復水器での蒸気の比エンタルピー）＝２，６７６［ｋＪ／ｋｇ］
（復水器での飽和蒸気温度１００℃より）

上述した条件に基づいて、本発明の地熱発電装置による発電能力について、以下に説明する。
最初に、高圧給水ポンプの所要動力を求める。
高圧給水ポンプの所要圧力は、ｇ（重力加速度）＝ ９．８［ｍ／ｓ^２］を用いると、
Ｐ_Ｅ＝（Ｈ_Ｅ＋Ｈα）ｇ／１０００ ［ＭＰａ］‥‥（１）
と表され、このＰ_Ｅを用いると、高圧給水ポンプの所要動力は、
Ｗ_Ｅ＝Ｐ_Ｅ・Ｑ_Ｅ／η_Ｅ ［ｋｗ］‥‥（２）
となる。式（１）、式（２）から、
Ｐ_Ｅ＝（３００ ＋ １００）×９．８／１０００ ≒３．９［ＭＰａ］
Ｗ_Ｅ＝３．９×１００／０．８０≒５００［ｋｗ］
であり、深さ３００ｍ、地耐圧力 １００ｍ の熱井戸に毎秒１００Ｌの処理水を供給するには、 高圧給水ポンプについて５００ｋｗ の動力が必要であることがわかる。

次に、蒸気発生器から取り出すことができる蒸気の量を求める。
蒸気の毎秒あたりの熱量（熱量／秒）ｈ_Ｅ・Ｑ_Ｅは、気化割合をｐ_Ｆとすると、
ｈ_Ｅ・Ｑ_Ｅ＝ ｈ_Ｆ１・（１−ｐ_Ｆ）Ｑ_Ｅ+ｈ_Ｆ２・ｐ_ＦＱ_Ｅ‥‥（３）
となる。これにより気化割合ｐ_Ｆは、
ｐ_Ｆ＝（ｈ_Ｅ−ｈ_Ｆ１）／（ｈ_Ｆ２−ｈ_Ｆ１）‥‥（４）
であり、式（４）から、
ｐ_Ｆ＝（２，０４７ − ８５２）／（２，８２８ − ８５２）≒０．６０
となり、熱井戸から取り出した熱水の ６０％、毎秒 ６０kg を、２００℃、１ＭＰａ の蒸気として取り出すことができる。

最後に、発電量への換算を行う。
復水器における比エンタルピーをｈｃとすると、
ｈｃ＝[（ｈｃ_２（１−ｐ_T）+ｈｃ_１・ｐ_T] ［ｋＪ/ｋｇ］‥‥（５）
を用いて、発電量Ｗ_Ｔは、
Ｗ_Ｔ＝（ｈ_Ｆ２−ｈｃ）×ｐ_ＦＱ_Ｅ×η_G ［ｋｗ］‥‥（６）
となる。式（５）、式（６）から、
ｈｃ＝２，６７６×０．８＋４１９×０．２≒２．２２５［ｋＪ/ｋｇ］
Ｗ_Ｔ＝（２，８２８−２，２２５）×６０× ０．８≒２９，０００［ｋｗ］
であり、３００℃の熱井戸から２００℃、１ＭＰａの蒸気を発生させた場合、２９，０００ｋＷ の発電が可能である。これは、従来技術による発電量と比較して、１桁大きい数量である。

このように、本発明の地熱発電装置によると、熱井戸に対して ５００ｋＷ の高圧給水ポンプで圧力を加え、蒸気発生器で減圧することにより、発電電力：高圧給水ポンプへの入力の比は、２９０００：５００となり、およそ５８ 倍の高利得であり、発電量についても大きな効果を得ることができる。

本発明は、使用する蒸気によって不純物が発電装置に付着することがなく、高温・高圧の蒸気が得られるため大容量の発電が可能であり、地熱帯付近における環境に悪影響を及ぼすことのない地熱発電装置として利用することができる。この発明により、現状よりも広範囲に地熱発電を普及させることが可能である。

１０ 地熱帯
１１ 加圧水注入管
１１ａ 加圧水注入管の上端
１１ｂ 加圧水注入管の下端
１２ 熱水取出管
１２ａ 熱水取出管の上端
１２ｂ 熱水取出管の下端
１３ 境界部
２０ 発電機室
２１ 蒸気発生器
２２ 蒸気加熱器
２３ タービン
２４ 発電機
２５ 復水器

Claims (3)

1. 高圧給水ポンプによって加圧された処理水が供給される加圧水注入管と、前記加圧水注入管中を地熱帯まで下降する処理水に対して、地熱帯から熱が供給されて生成される熱水が上昇する熱水取出管とを有し、前記熱水取出管から取出された前記熱水が蒸気発生器に送られて生成される蒸気によって発電がなされることを特徴とする地熱発電装置。
2. 前記加圧水注入管は前記熱水取出管の内部に配置され、加熱された処理水は開放された前記加圧水注入管の下端を通って前記熱水取出管に移る構造を有していることを特徴とする請求項１記載の地熱発電装置。
3. 前記加圧水注入管の外周部は、断熱性を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項２記載の地熱発電装置。

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