JP2014227962A

JP2014227962A - 地熱発電用の蒸気発生装置、地熱発電用の蒸気発生方法及び地熱発電システム

Info

Publication number: JP2014227962A
Application number: JP2013109764A
Authority: JP
Inventors: 幸三郎土屋; Kosaburo Tsuchiya; 賢一安藤; Kenichi Ando; 千明長井; Chiaki Nagai; 顕正鐙; Akimasa Abumi
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-12-08
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: JP6268752B2

Abstract

【課題】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発生させる地熱発電システムにおいて、地熱発電システムのエネルギー効率を高め、ポンプ等のコスト増を抑制することにより、発電単価を低減する。【解決手段】蒸気タービン３０を回転させる蒸気を発生する地熱発電用の蒸気発生装置２０であって、水が地上から地熱帯１まで下降して地熱帯１で熱を吸収する下降流路と、該下降流路と下端で連通され、熱水が下端から上昇する上昇流路と、該上昇流路に設けられ、該上昇流路で上昇する熱水の圧力を飽和蒸気圧以下に減圧する減圧部２６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、地熱発電用の蒸気発生装置、地熱発電用の蒸気発生方法及び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装置を備えるものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１に記載の地熱発電システムでは、高圧ポンプによって加圧された水が、地熱吸収装置の内管を通して地熱帯に供給されて熱水になり、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る。そして、取り出された熱水は蒸気発生装置において蒸気にされ、この蒸気が蒸気タービンに供給される。また、特許文献２に記載の地熱発電システムでは、水が、地熱吸収装置の内管を通して地熱帯に供給されて熱水と蒸気との混合体になり、この混合体が、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る。そして、取り出された混合体は気液分離装置で蒸気と熱水とに分離され、蒸気が蒸気タービンに供給される。

ここで、これら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を汲み上げないため、システム内で流れる熱水や蒸気に地下のミネラル等が含まれず、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号公報特開平９−１１２４０７号公報

特許文献１、２に記載の地熱発電システムでは、熱水又は熱水と蒸気との混合体を地上まで圧送するため、高圧ポンプが必要となる。特に、特許文献１に記載の地熱発電システムでは、地熱吸収装置内で水が蒸気化して熱吸収効率が低下しないように、地熱吸収装置に高圧の水を供給するため、ポンプの高圧化が必要となる。よって、ポンプの駆動電力が増大するため、発電するために消費する電力が増加し、地熱発電システム全体のエネルギー効率が低くなる。また、ポンプのコストが高くなる。さらに、地熱吸収装置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るため、これらのコストも高くなる。従って、発電単価が高くなる。

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発生させる地熱発電システムにおいて、地熱発電システムのエネルギー効率を高め、ポンプ等のコスト増を抑制することにより、発電単価を低減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用の蒸気発生装置は、蒸気タービンを回転させる蒸気を発生する地熱発電用の蒸気発生装置であって、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する下降流路と、前記下降流路と下端で連通され、前記液体が下端から上昇する上昇流路と、前記上昇流路に設けられ、前記上昇流路で上昇する前記液体の圧力を飽和蒸気圧以下に減圧する減圧部とを備えることを特徴とする。

前記地熱発電用の蒸気発生装置において、前記減圧部は、前記地熱帯の深さに配されてもよい。

また、前記地熱発電用の蒸気発生装置において、前記下降流路は、下端において内外が連通した二重管の外管と内管との間および前記内管の内側の何れか一方に形成され、前記上昇流路は、前記二重管の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に形成されてもよい。

また、前記地熱発電用の蒸気発生装置において、前記減圧部はオリフィスであってもよい。

また、本発明に係る地熱発電用の蒸気発生方法は、蒸気タービンを回転させる蒸気を発生させる地熱発電用の蒸気発生方法であって、液体を地上から地熱帯まで下降させて該液体に前記地熱帯で熱を吸収させ、熱を吸収した前記液体を前記地熱帯から上昇させる途中で該液体の圧力を飽和蒸気圧以下に減圧させることを特徴とする。

また、本発明に係る地熱発電システムは、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する下降流路と、前記下降流路と下端で連通され、前記液体が下端から上昇する上昇流路と、前記上昇流路に設けられ、前記上昇流路で上昇する前記液体の圧力を飽和蒸気圧以下に減圧する減圧部とを備える蒸気発生装置と、前記下降流路に前記液体を供給するポンプと、前記蒸気発生装置で発生した蒸気で回転する蒸気タービンとを備えることを特徴とする。

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発生させる地熱発電システムにおいて、地熱発電システムのエネルギー効率を高め、ポンプ等のコスト増を抑制することにより、発電単価を低減することができる。

一実施形態に係る蒸気発生装置を備える地熱発電システムの概略構成を示す図である。蒸気発生装置の上部を示す立断面図である。他の実施形態に係る蒸気発生装置の概略構成を示す図である。他の実施形態に係る蒸気発生装置の概略構成を示す図である。他の実施形態に係る蒸気発生装置の概略構成を示す図である。

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蒸気発生装置２０を備え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、蒸気発生装置２０と、蒸気タービン３０と、発電機３２と、復水器（復液器）３４と、循環水タンク３６と、ポンプ３８とを備えている。

地熱発電システム１０では、蒸気発生装置２０において蒸気が発生され、この蒸気が、蒸気タービン３０を回転させ、蒸気タービン３０の回転により発電機３２が作動されて発電が行われる。蒸気タービン３０を通過した蒸気は、復水器３４において冷却・減圧されて復水される。ここで、復水器３４に供給された蒸気が冷却・減圧されることにより、蒸気タービン３０の上流側と下流側との圧力差が大きくなり。蒸気タービン３０の回転効率が高まる。そして、復水器３４を通過した水は、循環水タンク３６に貯留され、循環水タンク３６に貯留された水が、ポンプ３８により蒸気発生装置２０へ供給される。

蒸気発生装置２０は、地上から地熱帯１まで延びる二重管式の熱交換器であり、底が閉じた外管２２と、底が開いた内管２４と、内管２４の下部に設けられた減圧部２６とを備えている。内管２４の開口した下端は、外管２２の下端に配されており、内管２４内の流路と、内管２４と外管２２との間の流路とは下端において連通している。外管２２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１から外管２２内に地下水が流入しないようになっている。一方で、外管２２の内部と地熱帯１との間は熱伝導が良好であり、地熱帯１から外管２２内の水に熱が移動するようになっている。

図２は、蒸気発生装置２０の上部を示す立断面図である。この図に示すように、内管２４は、外管２２の上端部から上方へ延びており、外管２２の上端部と内管２４とはナット２５で締結されている。また、ナット２５の近傍には、外管２２と内管２４との間に嵌め込まれたパッキン２７が設けられている。外管２２の上端部におけるパッキン２７より下側には、配管２８が接続されており、この配管２８がポンプ３８に接続されている。一方、内管２４は蒸気タービン３０に接続されている。

図１に示すように、減圧部２６は、地熱帯１の深部に配されている。この減圧部２６は、内管２４を上下に仕切る多孔又は単孔のオリフィス板を備えている。

以上のような構成の蒸気発生装置２０では、ポンプ３８により外管２２の上部に供給された水が、外管２２と内管２４との間を通って下降する際に、地熱帯１から受熱して熱水となり、この熱水が、内管２４内に流入して減圧部２６で減圧される。

ここで、内管２４内の減圧部２６より上側（下流側）において圧力が飽和蒸気圧以下まで低下するように、ポンプ３８の圧力、熱水の流量、オリフィスの孔径や開口率等が設定されており、内管２４内の減圧部２６より上側において、熱水が蒸気化される。例えば、熱水の温度が２００℃であれば、内管２４内の圧力は、減圧部２６より上側において２００℃での飽和蒸気圧である１．５５３８ＭＰａ以下まで低下するように設定され、、熱水の温度が１５０℃であれば、内管２４内の圧力は、減圧部２６より上側において１５０℃での飽和蒸気圧である０．４７５８ＭＰａ以下まで低下するように設定される。これにより、蒸気発生装置２０において蒸気が発生され、この蒸気が蒸気タービン３０に送られて蒸気タービン３０が回転される。なお、火山帯では地熱帯１の温度が３００〜４００℃にもなることから、地熱帯１の熱で外管２２内の水を２００〜３００℃の熱水にすることは可能である。

なお、減圧部２６を深部に設けることで、減圧部２６より下側（上流側）の圧力として静水圧を加えることができる。例えば、深さ２００ｍの位置に減圧部２６を設ける場合、その静水圧は、１．０×１０^−３×（２００×１０^２）×０．０９８０６７＝１．９６１３４ＭＰａ（水の単位体積重量＝１．０×１０^−３（ｋｇｆ／ｃｍ^２），１（ｋｇｆ／ｃｍ^２）＝０．０９８０６７ＭＰａ）であり、飽和蒸気温度を２００℃とすると飽和蒸気圧は１．５５３８ＭＰａとなる。この場合、ポンプ３８の圧力は、熱水が蒸気化して不足した水量を補うための圧送圧があれば十分である。従って、ポンプ３８の負荷が小さくなるため、ポンプ３８を高圧ポンプにする必要は無い。

以上説明したように、本実施形態に係る蒸気発生装置２０では、水が、外管２２と内管２４との間の下降流路を通って地上から地熱帯１まで下降し地熱帯１で熱を吸収して熱水となり、この熱水が、内管２４の内側の上昇流路を通って上昇する際に減圧部２６で飽和蒸気圧以下に減圧される。これによって、内管２４内で蒸気を発生させて蒸気タービン３０に送ることができる。ここで、ポンプ３８は、熱水が蒸気化して不足した水量を補うための圧送圧があり、内管２４内の減圧部２６より上側において圧力が飽和蒸気圧以下まで低下するような低圧のものを採用すればよい。従って、ポンプ３８の駆動電力を低減してエネルギー効率を高めることができる。また、ポンプ３８のコストを低減できる。また、蒸気発生装置２０やこれに繋がる配管等を耐圧性の低いものにすることができるため、これらのコストも低減できる。さらに、熱水を蒸気化する気化器や蒸気と熱水とを分離する気水分離器を、地上に設置する必要が無いため、これらのコストも低減できる。従って、発電単価を低減できる。

特に、本実施形態に係る蒸気発生装置２０では、減圧部２６が地熱帯１の深部に配されており、内管２４内で発生した蒸気が地熱帯１の熱で過熱蒸気になるため、乾燥した高温の蒸気を発生させることができる。従って、ドライスチーム式の蒸気発電が可能になり、湿分除去を不要又は簡単にすることができる。

また、本実施形態に係る蒸気発生装置２０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２２と内管２４との間を通って下降し、地熱帯１で熱を吸収して熱水となって内管３４に流入して上昇する。これによって、地熱帯１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。

図３は、他の実施形態に係る蒸気発生装置１２０の概略構成を示す図である。この図に示すように、蒸気発生装置１２０は、上述の実施形態の内管２４に替えて内管１２４を備え、減圧部２６に替えて減圧部１２６を備える。減圧部１２６は、地熱帯１の深部に配されており、内管１２４は、減圧部１２６を境に下側（上流側）の小径部１２４Ａと上側（下流側）の大径部１２４Ｂとに分かれている。

以上のような構成の蒸気発生装置１２０では、ポンプ３８により外管２２の上部に供給された水が、外管２２と内管１２４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１２４内に流入して減圧部１２６で流路径が拡大することにより減圧される。

ここで、内管１２４内の大径部１２４Ｂにおいて圧力が飽和蒸気圧以下まで低下するように、ポンプ３８の圧力、熱水の流量、小径部１２４Ａ及び大径部１２４Ｂの直径等が設定されており、内管１２４内の減圧部１２６より上側において、熱水が蒸気化される。これにより、蒸気発生装置１２０において蒸気が発生され、この蒸気が蒸気タービン３０に送られて蒸気タービン３０を回転させる。

図４は、他の実施形態に係る蒸気発生装置２２０の概略構成を示す図である。この蒸気発生装置１２０は、減圧装置２３０を備える。減圧装置２３０は、エアーコンプレッサー２３２と、エアーコンプレッサー２３２に接続された空気管２３４とを備える。空気管２３４は、内管２４に挿入されて地熱帯１の深部まで延びている。

本実施形態に係る蒸気発生装置２２０では、ポンプ３８の始動時にエアーコンプレッサー２３２が短時間（例えば、１〜数秒間）作動されて空気管２３４から内管２４に流入した熱水にエアーが噴射される。ここで、エアーが噴射された領域の圧力は、熱水の飽和蒸気圧より低くなり、この領域で熱水が連続して蒸気化するようになるため、空気管２３４の下端近傍には減圧部２２６が形成される。

ここで、内管２４内の空気管２３４の下端より上側（下流側）において、圧力が飽和蒸気圧以下まで低下するように、ポンプ３８の圧力、熱水の流量等が設定されており、内管２４内の空気管２３４の下端より上側において、エアーの噴射後に熱水が蒸気化される。これにより、蒸気発生装置２２０において、減圧された空間が形成され、空気管２３４の下端近傍での熱水の圧力が飽和蒸気圧を下回ることで、蒸気が発生され、この蒸気が蒸気タービン３０に送られて蒸気タービン３０を回転させる。なお、空気管２３４を、内管２４内で上下移動可能にしておけば、空気管２３４の下端位置を変更できるため、減圧部２２６の位置を制御することが可能になる。

図５は、他の実施形態に係る蒸気発生装置３２０の概略構成を示す図である。この図に示すように、蒸気発生装置３２０は、上述の実施形態の減圧部２６に加えて減圧部３２６を備える。減圧部３２６は、地熱帯１の深部における減圧部２６の上側に配されている。この減圧部３２６は、内管２４を上下に仕切る多孔のオリフィス板であり、図中の拡大平面図に示すように、内管２４の軸心に沿って形成された中心孔３２６Ａと、中心孔３２６Ａの周りに等間隔で形成された複数（例えば、図示するように８個）の外周孔３２６Ｂとが設けられている。

ここで、中心孔３２６Ａは、下端から上端まで同径の孔であるが、外周孔３２６Ｂは、下端から上端にかけて次第に拡径する孔である。また、複数の外周孔３２６Ｂは、下端から上端にかけて内管２４の周方向（同方向であり、図中時計周り方向）に傾斜している。これにより、内管２４の減圧部３２６より下流側では、渦流が発生し、渦流のサイクロン効果により内周部の減圧効果が高められる。また、外周孔３２６Ｂが下端から上端にかけて次第に拡径して流路径を拡大する孔であることにより、熱水又は蒸気は外周孔３２６Ｂを通過する際に減圧される。

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、蒸気発生装置２０、１２０、２２０、３２０に供給する液体を水としたが、当該液体としては、水の他にアンモニア水（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。ここで、これらの液体は、水に比して飽和蒸気圧が低いことから、減圧部２６、１２６、２２６、３２６による減圧が容易である。

また、上述の実施形態では、減圧部２６、１２６、２２６、３２６を地熱帯１に設けたが、これは必須ではなく、熱水が地上まで上昇する途中で蒸気化できるのであれば、地熱帯１より上側に設けてもよい。

また、上述の実施形態では、蒸気発生装置２０、１２０、２２０、３２０において、水を、外管２２と内管２４との間を通して下降させ、内管２４の内側で蒸気化させるが、水を、内管２４の内側を通して下降させ、外管２２と内管２４との間で蒸気化させてもよい。さらに、蒸気発生装置２０、１２０、２２０、３２０を、下端で内外が連通された二重管構造としたが、蒸気発生装置は、液体が地熱帯１まで下降して熱を吸収し、地上まで上昇する途中で蒸気化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、水を液化させたり蒸気化させたりしながら循環させたが、これは必須ではなく、蒸気を水に戻した後に排水し、別途、ポンプ３８で水を蒸気発生装置２０、１２０、２２０、３２０に供給してもよい。

１地熱帯、１０地熱発電システム、２０蒸気発生装置、２２外管、２４内管、２５ナット、２６減圧部、２７パッキン、２８配管、３０蒸気タービン、３２発電機、３４復水器、３６循環水タンク、３８ポンプ、１２０蒸気発生装置、１２４内管、１２４Ａ小径部、１２４Ｂ大径部、１２６減圧部、２２０蒸気発生装置、２２６減圧部、２３０減圧装置、２３２エアーコンプレッサー、２３４空気管、蒸気発生装置、３２６減圧部、３２６Ａ中心孔、３２６Ｂ外周孔

Claims

蒸気タービンを回転させる蒸気を発生する地熱発電用の蒸気発生装置であって、
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する下降流路と、
前記下降流路と下端で連通され、前記液体が下端から上昇する上昇流路と、
前記上昇流路に設けられ、前記上昇流路で上昇する前記液体の圧力を飽和蒸気圧以下に減圧する減圧部と
を備える地熱発電用の蒸気発生装置。
前記減圧部は、前記地熱帯の深さに配されている請求項１に記載の地熱発電用の蒸気発生装置。
前記下降流路は、下端において内外が連通した二重管の外管と内管との間および前記内管の内側の何れか一方に形成され、
前記上昇流路は、前記二重管の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に形成されている請求項１又は請求項２に記載の地熱発電用の蒸気発生装置。
前記減圧部はオリフィスである請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の地熱発電用の蒸気発生装置。
蒸気タービンを回転させる蒸気を発生させる地熱発電用の蒸気発生方法であって、
液体を地上から地熱帯まで下降させて該液体に前記地熱帯で熱を吸収させ、
熱を吸収した前記液体を前記地熱帯から上昇させる途中で該液体の圧力を飽和蒸気圧以下に減圧させる地熱発電用の蒸気発生方法。
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する下降流路と、前記下降流路と下端で連通され、前記液体が下端から上昇する上昇流路と、前記上昇流路に設けられ、前記上昇流路で上昇する前記液体の圧力を飽和蒸気圧以下に減圧する減圧部とを備える蒸気発生装置と、
前記下降流路に前記液体を供給するポンプと、
前記蒸気発生装置で発生し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。