JP2015031252A - 地熱発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】エロージョンの発生を抑制するとともに、バイオマスなどの自然エネルギーを有効利用して高効率な発電を行うことができる地熱発電設備を提供する。【解決手段】蒸気井から発生する蒸気及び熱水を分離する汽水分離器２と、バイオマスを燃焼して得られた熱により汽水分離器２で分離された蒸気を第１過熱蒸気にする蒸気過熱器３と、第１過熱蒸気で駆動する第１タービン４と、第１タービンにより駆動される発電機５とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、タービンにエロージョンが発生することを抑制することができるとともに、バイオマス等の自然エネルギーを用いて効率が向上した地熱発電設備に関する。

従来、地熱発電設備においては、一般的な大容量汽力発電所と比べると発電効率が低い湿り蒸気によって生成された水滴の衝突に起因してタービンの動翼にエロージョンが発生する問題がある。

このような問題を解決する手段の一つとして、地熱発電設備とともに、ガスタービンや、ガスタービンからの排ガスから熱回収する排熱回収ボイラをさらに備えた発電プラントが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この発電プラントでは、排熱回収ボイラにより蒸気を過熱蒸気とし、その過熱蒸気をタービンに供給することで水滴によるエロージョンを抑制している。

しかしながら、タービンとは別にガスタービンや排熱回収ボイラを設置する必要があり、相当のコストが掛かる。

一方、バイオマスを燃料とするボイラと、蒸気タービンとを備えた発電プラントがある。当該発電プラントでは、バイオマスの有効利用という観点では有用であるものの、一般的な大容量汽力発電と比較して効率が低い。

このように、地熱発電設備においては、エロージョンの発生を抑制する仕組みを低コストで実現し、また、バイオマスを用いた発電プラントでは、効率の一層の向上を図る必要がある。

なお、このような問題は、バイオマスに限らず、自然エネルギーを利用する発電プラント一般に存在する。

特開昭５２−１０６０４４号公報

本発明は、このような事情に鑑み、エロージョンの発生を抑制するとともに、バイオマスなどの自然エネルギーを有効利用して高効率な発電を行うことができる地熱発電設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１の態様は、蒸気井から発生する蒸気及び熱水を分離する汽水分離器と、自然エネルギーを利用して得られた熱により前記汽水分離器で分離された蒸気を第１過熱蒸気にする蒸気過熱器と、前記第１過熱蒸気で駆動する第１タービンと、前記第１タービンにより駆動される発電機と、を備えることを特徴とする地熱発電設備にある。

かかる第１の態様では、第１タービン内の蒸気の変化が過熱蒸気域で生じるため、第１タービン内には水滴が存在しない。これによりエロージョンによる動翼の破損が防止できる。

また、従来の地熱発電設備と対比した場合、蒸気を過熱蒸気にするための熱源として、ガスタービン等の排ガスではなく、自然エネルギーを利用した熱を用いる。通常自然エネルギーを利用した熱を用いる場合、その熱を用いて蒸気を生成し、その蒸気で駆動するタービンが必要となるが、本発明の場合、それらの装置を地熱発電設備の第１タービンと共用することができ、コスト削減を図ることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する地熱発電設備において、前記自然エネルギーは、バイオマスであり、前記蒸気過熱器は、バイオマスを燃焼して得られた熱を利用して前記蒸気を前記第１過熱蒸気にすることを特徴とする地熱発電設備にある。

かかる第２の態様では、バイオマスを有効利用することができる。また、従来のバイオマスを用いた発電設備と対比した場合、当該設備で必要としていた蒸気タービンやそれに接続された発電機、及び蒸気タービンで仕事を終えた排ガスを復水する装置等を設置する代わりに、地熱発電設備が持つタービン等を利用するため、コスト削減を図ることができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する地熱発電設備において、前記自然エネルギーは、バイオマス及び太陽熱であり、太陽熱の変動分をバイオマスの燃焼により得られる熱で調整し、調整後の熱で前記蒸気を前記第１過熱蒸気にすることを特徴とする地熱発電設備にある。

かかる第３の態様では、太陽熱を有効利用することができる。また、地熱による蒸気を用いた発電を主とし、太陽熱を蒸気の加圧・加熱のために用い、バイオマスにより負荷調整を行うため、気象条件による影響を受けにくく、出力変動を抑制することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する地熱発電設備において、前記蒸気過熱器に地下水が供給され、当該地下水が当該蒸気過熱器により加圧・加熱されて蒸気とされ、当該蒸気が前記汽水分離器で分離された蒸気に添加されることを特徴とする地熱発電設備にある。

かかる第４の態様では、第１タービンを駆動する過熱蒸気源として地下水も用いることから、地熱発電設備の効率を向上させることができる。また、蒸気井からの蒸気に、地下水由来の蒸気が蒸気過熱器の前に添加されているため、還元井に排水する際に行うｐＨ調整が不要となる。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の何れか一つの態様に記載する地熱発電設備において、前記第１タービンに連結された第２タービンを備え、前記蒸気過熱器に前記汽水分離器で分離された熱水が供給され、当該熱水が当該蒸気過熱器により加圧・加熱されて第２過熱蒸気とされ、当該第２過熱蒸気が前記第２タービンに供給され、前記第２タービンで仕事をした前記第２蒸気が前記第１タービンに供給される第１過熱蒸気に添加されることを特徴とする地熱発電設備にある。

かかる第５の態様では、第２タービンを駆動する過熱蒸気源として汽水分離器で分離された熱水も用いることから、地熱発電設備の効率をさらに向上させることができる。さらに、蒸気井から得られる蒸気の量が低下した際に、熱水を過熱蒸気として用いることができるため、蒸気量の変動が出力変動に影響することを抑制することができる。

本発明によれば、エロージョンの発生を抑制するとともに、バイオマスなどの自然エネルギーを有効利用して高効率な発電を行うことができる地熱発電設備が提供される。

実施形態１に係る地熱発電設備の概略図である。 エンタルピーとエントロピー関係図である。 実施形態２に係る地熱発電設備の概略図である。 実施形態３に係る地熱発電設備の概略図である。 実施形態４に係る地熱発電設備の概略図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の内容に限定されない。

〈実施形態１〉

図１は、本実施形態に係る地熱発電設備の概略図である。地熱発電設備１は、蒸気井から得られた蒸気により発電する地熱発電部分として、汽水分離器２、蒸気過熱器３、第１タービン４（以後、本実施形態では、単にタービン４と称する。）、発電機５、凝縮器６及び冷却塔７を備えている。

汽水分離器２は、蒸気井から産出される蒸気及び熱水（二相流体）が供給され、蒸気と熱水とに分離する機器である。汽水分離器２は、タービン４に接続されており、汽水分離器２とタービン４との間には、蒸気過熱器３が設置されている。なお、本実施形態に係る地熱発電設備は、汽水分離器２で分離された熱水を還元井に戻す構成となっている。

蒸気過熱器３は、自然エネルギーを利用して得られた熱により、汽水分離器２で分離された蒸気を過熱して過熱蒸気（請求項の第１過熱蒸気に相当する）にする機器である。

本実施形態の蒸気過熱器３は、自然エネルギーの一例としてバイオマスを燃料とする一般的な蒸気ボイラである。蒸気過熱器３は、汽水分離器２で分離された蒸気を水冷壁内に流通させ、炉内でバイオマスを燃焼した際の熱により水冷壁内の蒸気を過熱する。蒸気過熱器３は、その過熱により得られた過熱蒸気をタービン４に供給するように構成されている。蒸気過熱器３における過熱の程度については後述する。

なお、バイオマスの種別は、燃焼可能なものであれば特に限定されない。また、燃焼の態様も、バイオマスを直接燃焼してもよいし、ガス化してから燃焼してもよい。

タービン４は、蒸気過熱器３より供給される過熱蒸気で駆動する蒸気タービンであり、タービン４に接続された発電機５を駆動する。

タービン４で仕事をした過熱蒸気は凝縮器６に送られる。凝縮器６では、過熱蒸気が冷却水により冷却されて凝縮水となり、凝縮水は冷却塔７に送られて空冷される。冷却された凝縮水の一部は還元井に排出され、一部は凝縮器６に供給される冷却水として用いられる。

上述した構成の地熱発電設備１においては、蒸気井から産出された二相流体が汽水分離器２により分離され、蒸気が蒸気過熱器３に供給される。当該蒸気は、蒸気過熱器３において、バイオマスの燃焼で得られた熱により過熱されて過熱蒸気（第１過熱蒸気）となり、タービン４に供給される。そして、過熱蒸気は、タービン４を駆動させ、タービン４により発電機５が駆動される。

ここで、図２を用いて、タービン４に供給される過熱蒸気について詳細に説明する。図２は、エンタルピーとエントロピー関係図である。同図の横軸はエントロピーを表し、縦軸はエンタルピーを表している。上に凸の曲線は飽和蒸気線を表しており、Ｐｉはタービン４の入口における蒸気（過熱蒸気）の圧力を表し、Ｐｏはタービン４の出口における蒸気（過熱蒸気）の圧力を表す圧力線である。

過熱蒸気は、蒸気過熱器３において過熱され、Ｐｉ，Ｐｏの圧力線上を変化する。飽和蒸気線の凸内部は、蒸気と熱水が混在している状態であり、凸の外部（過熱蒸気域）は蒸気のみが存在している状態である。

本発明に係る過熱蒸気がタービン４で仕事をすると、Ｌのように、タービン４の入口圧力Ｐ１から出口圧力Ｐ２に過熱蒸気の状態が変化する。すなわち、タービン４での仕事の前後における過熱蒸気の状態は、いずれも飽和蒸気線よりも外側の過熱状態である。換言すれば、蒸気過熱器３では、タービン４の入口及び出口においても過熱蒸気となるように蒸気を過熱する運転がなされている。

このようにタービン４内の蒸気の変化が過熱蒸気域で生じるため、タービン４内には水滴が存在しない。これによりエロージョンによる動翼の破損が防止できる。

上述したように、地熱発電設備１では、蒸気を過熱蒸気とするための熱源としてバイオマスを燃焼した際に生じた熱を用いている。

この地熱発電設備１を、バイオマスを燃焼して発電する設備と対比すると、当該設備で従来必要としていた蒸気タービンやそれに接続された発電機、蒸気タービンで仕事を終えた排ガスを復水する装置が不要となる。すなわち、バイオマスを燃焼し蒸気を生じさせるボイラ８を設置すればよいことになる。

一方、本実施形態に係る地熱発電設備１を、従来の地熱発電設備と対比した場合、蒸気を過熱蒸気にするための熱源として、ガスタービンの排ガスではなく、バイオマスを燃焼した熱を用いる。これにより、ガスタービンや排熱回収ボイラのような大がかりな装置が不要となり、コスト削減を図ることができる。

さらに、タービン入口で蒸気条件が向上するので、効率が上昇する。例えば、従来の復水式などの地熱発電における効率は１７％程度であり、従来のバイオマスを用いた発電における効率は２３．８％程度であるが、本実施形態の地熱発電設備１のバイオマス発電としての効率は２８．５％程度と試算される。つまり、本発明の地熱発電設備は、従来のバイオマス発電以上の発電効率を期待することができる。

以上に説明したように、バイオマスは、蒸気を過熱蒸気にする熱源として用いられ、地熱発電の効率に寄与するという形で有効利用される。また、当該過熱蒸気によりタービン４にエロージョンが生じることを抑制できる。すなわち、本発明によれば、エロージョンの発生を抑制するとともに、バイオマスを有効利用して高効率な発電を行うことができる地熱発電設備１が提供される。

〈実施形態２〉
本実施形態では、蒸気井から生産される蒸気や熱水の他に、地下水を利用する地熱発電設備１Ａについて説明する。図３は、本実施形態に係る地熱発電設備の概略図である。実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る地熱発電設備１Ａは、ポンプ９により地下水を汲み上げ、汲み上げられた地下水が蒸気過熱器３に供給される構成を有している。

蒸気過熱器３は、地下水を予備加熱して熱水とし、熱水を加熱して蒸気とする。具体的には地下水を水冷壁内に流通させることで、炉内で燃焼したバイオマスの熱により熱水とし、さらに蒸気とする。その蒸気は、汽水分離器２で分離された蒸気に混合される。蒸気過熱器３は、混合された蒸気を加圧・過熱し、過熱蒸気とする。

このような構成の地熱発電設備１Ａにおいても、実施形態１と同様に、タービン４には過熱蒸気が供給されるのでエロージョンの発生を抑制することができるとともに、バイオマスを有効利用して高効率な発電を行うことができる地熱発電設備１Ａが提供される。

さらに、タービン４を駆動する過熱蒸気源として地下水も用いることから、地熱発電設備１Ａの出力を増大させることができる。なお、過熱蒸気の生成に用いる地下水は、常に用いてもよいし、間欠的に用いてもよい。間欠的に用いる例としては、蒸気井から得られる蒸気の量が低下したときに、これを補うようにして地下水を利用する場合が挙げられる。

また、従来の地熱発電設備においては、仕事を終えた蒸気を凝縮器６で復水し、還元井に排水する際に、当該排水を地下水等で希釈することにより、ｐＨ調整をする場合がある。一方、本実施形態の地熱発電設備１Ａでは、蒸気井からの蒸気に、地下水由来の蒸気が蒸気過熱器３の前に添加されているため、排水時のｐＨ調整をすることが不要となる。

このように、本実施形態の地熱発電設備１Ａは、従来と同様に、還元井にｐＨ調整された排水を戻すことが可能であり、かつ、地下水を利用して出力の増大を図ることができる。

〈実施形態３〉
本実施形態では、汽水分離器２で分離された熱水を利用する地熱発電設備１Ｂについて説明する。図４は、本実施形態に係る地熱発電設備の概略図である。実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る地熱発電設備１Ｂは、汽水分離器２で分離された熱水を蒸気過熱器３に供給するポンプ１０を備えている。さらに、第１タービン４及び発電機５に接続された第２タービン１１を備えている。

蒸気過熱器３は、ポンプ１０より供給された熱水を蒸発させて蒸気とするとともに、当該蒸気を加圧・過熱し、過熱蒸気（第２過熱蒸気）とする。

第２タービン１１は、蒸気過熱器３から供給される第２過熱蒸気により駆動する蒸気タービンであり、第１タービン４とともに発電機５を駆動する。第２タービン１１で仕事をした第２過熱蒸気は、第１タービン４に供給される第１過熱蒸気に添加される。

このような構成の地熱発電設備１Ｂにおいても、実施形態１と同様に、第１タービン４及び第２タービン１１には第１・第２過熱蒸気が供給されるのでエロージョンの発生を抑制することができるとともに、バイオマスを有効利用して高効率な発電を行うことができる地熱発電設備１Ｂが提供される。

また、第２タービン１１を駆動する過熱蒸気源として汽水分離器２で分離された熱水も用いることから、地熱発電設備１Ｂの出力を増大させることができる。

さらに、本実施形態の地熱発電設備１Ｂは、汽水分離器２により分離された熱水を過熱蒸気として用いる。これにより、例えば、蒸気井から得られる蒸気の量が低下した際に、熱水を過熱蒸気として用いることができるため、蒸気量の変動が地熱発電設備１Ｂの出力変動に影響することを抑制することができる。また、熱水卓越形の蒸気井を用いる場合には、常時、熱水を過熱蒸気として利用してもよい。

〈実施形態４〉
本実施形態では、太陽熱を利用する地熱発電設備１Ｃについて説明する。図５は、本実施形態に係る地熱発電設備の概略図である。実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る地熱発電設備１Ｃは、太陽光を集光する太陽炉（図示せず）を備えている。また、蒸気過熱器３は、バイオマス及び太陽炉で得られた太陽熱により汽水分離器２で分離された蒸気を過熱するように構成されている。

具体的には、蒸気過熱器３においては、太陽熱の変動を測定しておき、その変動を抑えるようにバイオマスの燃焼を調整する。例えば、蒸気を第１過熱蒸気とするのに必要な所定の熱量を太陽熱が上回るのであれば、バイオマスの燃焼を行わなくてもよい。逆に、その所定の熱量を太陽熱が下回るのであれば、バイオマスの燃焼を行うように蒸気過熱器３を運転する。

このようにしてバイオマス及び太陽熱により過熱蒸発器３で得られた過熱蒸気は、第１タービン４に供給される。

このような構成の地熱発電設備１Ｃにおいても、実施形態１と同様に、第１タービン４には過熱蒸気が供給されるのでエロージョンの発生を抑制することができるとともに、太陽熱を有効利用して高効率な発電を行うことができる地熱発電設備１Ｃが提供される。

本実施形態に係る地熱発電設備１Ｃでは、地熱発電を主とし、太陽熱及びバイオマス由来の熱を蒸気の加圧・過熱のために用いる。太陽熱は、天候など気象条件により変動が大きいが、この変動を調整するようにバイオマスを燃焼するので、過熱蒸気を生成するために必要な熱を安定して得ることができる。これにより、地熱発電設備１Ｃは、気象条件の変動による影響を受けにくく、出力変動を抑制することができる。

〈他の実施形態〉
実施形態２及び実施形態３に係る地熱発電設備１Ａ及び１Ｂは、それぞれ地下水や熱水を用いる構成であったが、地下水及び熱水の双方を利用した構成であってもよい。すなわち、蒸気過熱器３に地下水を蒸気にさせ、当該蒸気を汽水分離器２で分離された蒸気に添加させ、さらに、蒸気過熱器３に熱水を過熱蒸気にさせ、第２タービン１１に供給させる構成の地熱発電設備としてもよい。

地熱発電設備を実施する産業及びバイオマスを用いた発電設備を実施する産業で利用できる。

１ 地熱発電設備
２ 汽水分離器
３ 蒸気過熱器
４ 第１タービン
５ 発電機
６ 凝縮器
７ 冷却塔
９，１０ ポンプ
１１ 第２タービン

Claims (5)

1. 蒸気井から発生する蒸気及び熱水を分離する汽水分離器と、
   自然エネルギーを利用して得られた熱により前記汽水分離器で分離された蒸気を第１過熱蒸気にする蒸気過熱器と、
   前記第１過熱蒸気で駆動する第１タービンと、
   前記第１タービンにより駆動される発電機と、
   を備えることを特徴とする地熱発電設備。
2. 請求項１に記載する地熱発電設備において、
   前記自然エネルギーは、バイオマスであり、
   前記蒸気過熱器は、バイオマスを燃焼して得られた熱を利用して前記蒸気を前記第１過熱蒸気にする
   ことを特徴とする地熱発電設備。
3. 請求項２に記載する地熱発電設備において、
   前記自然エネルギーは、バイオマス及び太陽熱であり、
   太陽熱の変動分をバイオマスの燃焼により得られる熱で調整し、調整後の熱で前記蒸気を前記第１過熱蒸気にする
   ことを特徴とする地熱発電設備。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する地熱発電設備において、
   前記蒸気過熱器に地下水が供給され、当該地下水が当該蒸気過熱器により加圧・加熱されて蒸気とされ、当該蒸気が前記汽水分離器で分離された蒸気に添加される
   ことを特徴とする地熱発電設備。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する地熱発電設備において、
   前記第１タービンに連結された第２タービンを備え、
   前記蒸気過熱器に前記汽水分離器で分離された熱水が供給され、当該熱水が当該蒸気過熱器により加圧・加熱されて第２過熱蒸気とされ、当該第２過熱蒸気が前記第２タービンに供給され、前記第２タービンで仕事をした前記第２蒸気が前記第１タービンに供給される第１過熱蒸気に添加される
   ことを特徴とする地熱発電設備。

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