JP2013231391A - 地熱発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】スプレイノズルから噴霧された水分粒子を粒子状固形物と共にドレン回収ポットにて確実に回収することのできる地熱発電設備を提供する。
【解決手段】本発明の地熱発電設備は、生産井２から採取した蒸気と熱水とを分離する複数段の気液分離器３，４と、前段の気液分離器３から排出された蒸気を後段の気液分離器４に導入する蒸気導入管５と、蒸気導入管５の内部に水分粒子を霧状に噴霧するスプレイノズル１３と、スプレイノズルから噴霧された水分粒子を回収するドレン回収ポット１４とを備えている。蒸気導入管５は、蒸気導入管５の内面に衝突した水分粒子を蒸気導入管５の内面下部に導く案内溝を、スプレイノズル１３とドレン回収ポット１４との間に有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱発電設備に関し、特に、生産井から採取した蒸気と熱水を気液分離する気液分離器を備えた地熱発電設備に関する。

生産井から採取した蒸気を発電用蒸気タービンの動力源とする地熱発電設備では、蒸気中に熱水が含まれていると蒸気タービンを駆動する上で障害となる。そのため、例えば、特許文献１や特許文献２に記載された地熱発電設備では、生産井から採取した蒸気を気液分離器（セパレータともいう）に導入し、この気液分離器で蒸気と熱水とを分離してから発電用蒸気タービンに蒸気を供給するようにしている。

また、生産井からは蒸気や熱水だけでなく岩石などの粒子状固形物も噴出するため、生産井から噴出した粒子状固形物が蒸気中に混入していると蒸気タービンの摩耗や汚れなどを招くおそれがある。そこで、蒸気中の粒子状固形物や水分を除去する方法として、気液分離器から排出された蒸気を発電用タービンへ送る配管にスプレイノズルを付設し、このスプレイノズルから噴霧された水分粒子（ミスト）により蒸気中に存在する気液分離器で分離されなかった粒子状固形物や水分を配管の内面に落下させ、配管の内面に落下した粒子状固形物を配管に付設されたドレン回収ポットにより水分粒子と共に回収することが検討されている。

しかしながら、配管の内面に落下した水分粒子や粒子状固形物が蒸気の流れに乗って再飛散すると、再飛散した水分粒子や粒子状固形物がドレン回収ポットで回収されずにそのまま配管内を流通する。そして、配管内を流通した水分粒子や粒子状固形物が蒸気タービンに供給されると、蒸気タービンの腐食や汚れなどを招くため、蒸気タービンを定期的にメンテナンスする必要がある。特に、気液分離器が遠心力を利用したサイクロン式気液分離器である場合には、セパレータ出口配管を流通する蒸気の流れが旋回を伴った流れとなるため、配管の内面に落下した水分粒子や粒子状固形物が蒸気の流れに乗って再飛散しやすい。

蒸気タービンのメンテナンス頻度を減らすためには、気液分離器と蒸気タービンとの間に新たな気液分離器を設置して蒸気中に残留する水分を除去することが考えられる。しかし、その場合には蒸気の圧力降下が起こり、発電への負の影響が発生すると共に、気液分離器の設置費用も膨大なものとなる。

特開２０００−６４９４５号公報 特開平８−６１２１６号公報

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、スプレイノズルから噴霧された水分粒子を粒子状固形物と共にドレン回収ポットにて確実に回収することのできる地熱発電設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、生産井から採取した蒸気と熱水とを分離する気液分離器と、該気液分離器から排出された蒸気を発電用タービンへ送る配管と、前記配管の内部に水分粒子を霧状に噴霧するスプレイノズルと、該スプレイノズルから噴霧された水分粒子を回収するドレン回収ポットとを備え、前記配管の内面に衝突した水分粒子を前記配管の内面下部に導く案内溝を、前記配管が前記スプレイノズルと前記ドレン回収ポットとの間に有していることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の地熱発電設備において、前記案内溝が前記配管のほぼ全周にわたって前記配管の内面に形成されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の地熱発電設備において、前記案内溝は、鉛直方向と前記配管の軸方向とを含む面に垂直に投影される前記案内溝の投影線の上端がガス流通方向上流、下端がガス流通方向下流側となるように形成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の地熱発電設備において、前記配管を流通する蒸気の水平方向の流速をＶｓｓ（ｍ／ｓ）、下記の式（１）から求められる粒子の終端速度をＶｓｐ（ｍ／ｓ）としたとき、鉛直方向と前記配管の軸方向とを含む面に垂直に投影される前記案内溝の投影線と鉛直方向とのなす角度θが、
θ＝ｔａｎ^−１（Ｖｓｓ／Ｖｓｐ）
であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の地熱発電設備において、前記案内溝により前記配管の内面下部に導かれた水分粒子を前記ドレン回収ポットに導く第２の案内溝を前記配管の内面下部に設けたことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の地熱発電設備において、前記配管の内面に２つの帯状鋼材を互いに平行に溶接して前記案内溝が形成されていることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の地熱発電設備において、前記配管が、前記蒸気井から採取した蒸気と熱水とを分離する複数段の気液分離器のうち前段の気液分離器から排出された蒸気を後段の気液分離器に導入する蒸気導入管であることを特徴とする。

本発明によれば、粒子状固形物と共に配管の内面に落下した水分粒子が蒸気の流れに乗って再飛散しても案内溝により配管の内面下部に導かれ、粒子状固形物と共にドレン回収ポットにて回収されることになるので、気液分離器が遠心力を利用したサイクロン式気液分離器であってもスプレイノズルから噴霧された水分粒子を粒子状固形物と共にドレン回収ポットにて確実に回収することができる。

また、スプレイノズルから噴霧された水分粒子を粒子状固形物と共にドレン回収ポットにて確実に回収することが可能となることにより、水分粒子と共に配管を流通した粒状固形物が蒸気タービンに供給されることを防止でき、これにより、粒状固形物が蒸気タービンに付着して蒸気タービンの汚れや故障を引き起こすことを抑制することができる。
さらに、配管内で再飛散した水分粒子が蒸気タービンに供給されることを防ぐために、気液分離器と蒸気タービンとの間に気液分離器を新設する必要もないので、気液分離器の新設による蒸気の圧力降下や気液分離器の新設に伴うコストの上昇を招くこともない。

本発明の第１の実施形態に係る地熱発電設備の概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る地熱発電設備の要部を示す図である。 図２のＡ−Ａ断面を示す図である。 蒸気導入管の内面に形成された案内溝を鉛直方向と蒸気導入管の軸方向とを含む面に垂直に投影した案内溝の投影線を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る地熱発電設備の要部を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る地熱発電設備の概略構成を示す図、図２は本発明の第１の実施形態に係る地熱発電設備の要部を示す図、図３は図２のＡ−Ａ断面を示す図である。図中符号１は本発明の第１の実施形態に係る地熱発電設備を示し、この地熱発電設備１は気液分離器３，４、蒸気導入管５、熱水回収管６、タービン駆動用蒸気管７、蒸気タービン８、発電機９、復水器１０、スプレイノズル１３およびドレン回収ポット１４を備えている。

気液分離器３，４は生産井２から採取した蒸気と熱水とを分離するものであって、これらの気液分離器３，４のうち気液分離器３は気液分離器４の前段に配置されている。また、これらの気液分離器３，４としては、例えば遠心力を利用したサイクロン方式のものや、ワイヤーマットに蒸気を衝突させて蒸気と熱水とを分離する方式のものなどを用いることができる。

蒸気導入管５は気液分離器３で熱水と分離された蒸気を気液分離器４に導入するものであって、気液分離器３の頂部と気液分離器４の側部に接続されている。
熱水回収管６は気液分離器３，４から熱水を回収するものであって、気液分離器３，４の底部に接続されている。
タービン駆動用蒸気管７は気液分離器４からタービン駆動用蒸気を取り出して蒸気タービン８に供給するものであって、気液分離器４の頂部に接続されている。

蒸気タービン８はタービン駆動用蒸気管７から供給された蒸気により発電機９を駆動するものであって、この蒸気タービン８としては、例えば多段式軸流タービン等を用いることができる。
復水器１０は蒸気タービン８から排出された湿り蒸気を凝縮して復水を得るものであって、蒸気タービン８からの湿り蒸気を復水により冷却する冷却器１１を有している。

スプレイノズル１３は蒸気導入管５を流通する蒸気中の粒子状固形物を蒸気導入管５の内面に落下させるための水分粒子（ミスト）を蒸気導入管５の内部に噴霧するものであって、蒸気導入管５の入口部に付設されている。
ドレン回収ポット１４はスプレイノズル１３から噴霧された水分粒子を粒子状固形物と共に回収するものであって、蒸気導入管５の下面に付設されている。

蒸気導入管５は、図２及び図３に示すような案内溝１５をスプレイノズル１３とドレン回収ポット１４との間に有している。この案内溝１５は蒸気導入管５の内面に衝突した水分粒子を蒸気導入管５の内面下部に導くものであって、蒸気導入管５のほぼ全周にわたって蒸気導入管５の内面に形成されている。
また、案内溝１５は、鉛直方向と蒸気導入管５の軸方向とを含む面に垂直に投影される案内溝１５の投影線の上端がガス流通方向上流、下端がガス流通方向下流側となるように形成されている。

蒸気導入管５を流通する蒸気の水平方向の流速をＶｓｓ（ｍ／ｓ）、下記の式（１）から求められる粒子の終端速度をＶｓｐ（ｍ／ｓ）とすると、案内溝１５は、鉛直方向と蒸気導入管５の軸方向とを含む面に垂直に投影される案内溝１５の投影線Ｌ（図４参照）と鉛直方向とのなす角度θが
θ＝ｔａｎ^−１（Ｖｓｓ／Ｖｓｐ）
となるように蒸気導入管５の内面に形成されている。

このような地熱発電設備では、気液分離器３から排出された蒸気が蒸気導入管５に流入すると、蒸気中に含まれる岩石等の粒子状固形物はスプレイノズル１３から噴霧された水分粒子によって見掛け上の体積が増大し、水分粒子と共に蒸気導入管５の内面に落下する。このとき蒸気の流れに乗って蒸気導入管５の内面に衝突した水分粒子は、蒸気導入管５の内面に形成された案内溝１５により蒸気導入管５の内面下部に導かれる。

従って、粒子状固形物と共に蒸気導入管５の内面に落下した水分粒子が蒸気の流れに乗って再飛散しても蒸気導入管５に設けた案内溝１５により蒸気導入管の内面下部に導かれ、粒子状固形物と共にドレン回収ポット１４にて回収されることになるので、気液分離器３が遠心力を利用したサイクロン式気液分離器であってもスプレイノズル１３から噴霧された水分粒子を粒子状固形物と共にドレン回収ポット１４にて確実に回収することができ、これにより、蒸気導入管５で再飛散した水分粒子が後段の気液分離器４にそのまま導入されて気液分離器４の負荷が増大することを防止することができる。

また、スプレイノズル１３から噴霧された水分粒子を粒子状固形物と共にドレン回収ポット１４にて確実に回収することが可能となることにより、水分粒子と共に蒸気導入管５を流通した粒状固形物が蒸気タービン８に供給されることを防止でき、これにより、粒状固形物が蒸気タービン８に付着して蒸気タービン８の汚れや故障を引き起こすことを抑制することができる。

さらに、蒸気導入管５で再飛散した水分粒子が蒸気タービン８に供給されることを防ぐために、気液分離器４と蒸気タービン８との間に気液分離器を新設する必要もないので、気液分離器の新設による蒸気の圧力降下や気液分離器の新設に伴うコストの上昇を招くこともない。
また、蒸気導入管５に形成した案内溝１５の上記投影線Ｌと鉛直方向とのなす角度θをθ＝ｔａｎ^−１（Ｖｓｓ／Ｖｓｐ）としたことで、水分粒子と共に再飛散した粒状固形物をドレン回収ポット１４にて確実に回収することができ、これにより、水分粒子と共に再飛散した粒状固形物が気液分離器４を通過して蒸気タービン８に供給されることを防止することができる。

なお、本発明は上述した第１の実施形態に限定されるものではない。たとえば、図５に示す第２の実施形態のように、案内溝１５により蒸気導入管５の内面下部に導かれた水分粒子をドレン回収ポット１４に導く第２の案内溝１６を蒸気導入管５の内面下部に設けてもよい。このようにすると、案内溝１５により蒸気導入管５の内面下部に導かれた水分粒子を粒子状固形物と共にドレン回収ポット１４にてより確実に回収することができる。
また、粒子状固形物と共に蒸気導入管５の内面に落下した水分粒子が蒸気の流れに乗って再飛散することを第２の案内溝１６により抑制することができる。さらに、スプレイノズル１３から噴霧される水分粒子の量が少ない場合でも蒸気導入管５の内面下部に安定した水路を形成することができる。

上述した第１の実施形態では、蒸気導入管５の内面に形成される案内溝１５として、蒸気導入管５の内面を凹状に加工したものを例示したが、これに限られるものではない。たとえば、図示を省略するが、蒸気導入管５の内面に２つの帯状鋼材を互いに平行に溶接して案内溝１５を形成してもよい。
また、上述した第１の実施形態では、蒸気井から採取した蒸気と熱水とを分離する複数段の気液分離器として２段の気液分離器を例示したが、これに限られるものではなく、気液分離器の段数は３段以上であってもよい。

１…地熱発電設備
２…生産井
３，４…気液分離器
５…蒸気導入管
６…熱水回収管
７…タービン駆動用蒸気管
８…蒸気タービン
９…発電機
１０…復水器
１１…冷却器
１２…真空発生装置
１３…スプレイノズル
１４…ドレン回収ポット
１５…案内溝
１６…第２の案内溝

Claims (7)

1. 生産井から採取した蒸気と熱水とを分離する気液分離器と、該気液分離器から排出された蒸気を発電用タービンへ送る配管と、前記配管の内部に水分粒子を霧状に噴霧するスプレイノズルと、該スプレイノズルから噴霧された水分粒子を回収するドレン回収ポットとを備え、前記配管の内面に衝突した水分粒子を前記配管の内面下部に導く案内溝を、前記配管が前記スプレイノズルと前記ドレン回収ポットとの間に有していることを特徴とする地熱発電設備。
2. 前記案内溝が前記配管のほぼ全周にわたって前記配管の内面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の地熱発電設備。
3. 前記案内溝は、鉛直方向と前記配管の軸方向とを含む面に垂直に投影される前記案内溝の投影線の上端がガス流通方向上流、下端がガス流通方向下流側となるように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の地熱発電設備。
4. 前記配管を流通する蒸気の水平方向の流速をＶｓｓ（ｍ／ｓ）、下記の式（１）から求められる粒子の終端速度をＶｓｐ（ｍ／ｓ）としたとき、鉛直方向と前記配管の軸方向とを含む面に垂直に投影される前記案内溝の投影線と鉛直方向とのなす角度θが、
   θ＝ｔａｎ^−１（Ｖｓｓ／Ｖｓｐ）
   であることを特徴とする請求項３に記載の地熱発電設備。
   

   
5. 前記案内溝により前記配管の内面下部に導かれた水分粒子を前記ドレン回収ポットに導く第２の案内溝を前記配管の内面下部に設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の地熱発電設備。
6. 前記配管の内面に２つの帯状鋼材を互いに平行に溶接して前記案内溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の地熱発電設備。
7. 前記配管は、前記蒸気井から採取した蒸気と熱水とを分離する複数段の気液分離器のうち前段の気液分離器から排出された蒸気を後段の気液分離器に導入する蒸気導入管であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の地熱発電設備。

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