JP2016098803A

JP2016098803A - 地熱発電システム

Info

Publication number: JP2016098803A
Application number: JP2014239218A
Authority: JP
Inventors: 紀人香月; Norito Kozuki; 篤藤井; Atsushi Fujii; 貴弘日▲高▼; Takahiro Hidaka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-05-30

Abstract

【課題】地熱発電システムにおいて、地熱水の熱を効率良く使用することで発電効率の向上を図る。
【解決手段】地熱水から蒸気を分離する気水分離器１１と、気水分離器１１で分離された蒸気により駆動する蒸気タービン１２と、蒸気タービン１２により発電する発電機１３と、蒸気タービン１２を駆動した蒸気を凝縮する復水器１４と、蒸気を用いて復水器１４の不凝縮ガスを抽出するガス抽出器１５と、気水分離器１１で蒸気が分離された地熱水により作動媒体を加熱して蒸気を生成する蒸発器１８と、ガス抽出器１５から排出された蒸気により蒸発器１８に供給される作動媒体を予熱する予熱器２２と、蒸発器１８で分離された蒸気により駆動する蒸気タービン１９と、蒸気タービン１９により発電する発電機２０とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、地熱を利用してタービンを駆動回転することで発電を行う地熱発電システムに関するものである。

地熱を利用した発電システムは、地中を所定深さまで掘削し、地下深部で蒸気と熱水が高圧下で共存する地熱水を地上へ噴出させ、この地熱水を気水分離器により蒸気と熱水とに分離し、この分離した蒸気によりタービンを駆動回転して発電を行うものが一般的である。このように地熱を利用した発電は、地上で燃料を燃焼させることがないため、ＣＯ_２排出量が極めて少なく、環境に優しい発電方式である。

また、地熱発電システムでは、発電効率を向上する目的で、地熱水から蒸気を分離した熱水を還元熱水して利用したバイナリ発電システムを組み合わせることが考えられている。バイナリ発電システムは、還元熱水と低沸点媒体との熱交換によりこの低沸点媒体を加熱して蒸気を生成し、この生成した蒸気によりバイナリタービンを駆動回転して発電を行うものである。このようなバイナリ地熱発電システムとしては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。

特開２０１３−０７９５８７号公報特開２０１３−１７０５５３号公報

上述した地熱発電システムにおいて、地熱水から分離した蒸気は、タービンを駆動した後に復水器に送られ、ここで、冷却されて凝縮水となる。復水器の機能として重要なことは、蒸気が水に凝縮することで得られる内部の真空を高く保持することである。ところが、地熱水から分離した蒸気は、二酸化炭素（ＣＯ_２）や硫化水素（Ｈ_２Ｓ）などの不凝縮ガスが含まれている。そのため、復水器内にある不凝縮ガスを排出する必要がある。

従来の地熱発電システムでは、ガス抽出器としてエジェクタを用い、復水器内にある不凝縮ガスを吸引して排出している。そして、このエジェクタにおける駆動流体として、地熱水から分離して生成した蒸気の一部を使用しており、使用後は、冷却されて復水器に戻される。そのため、タービンを駆動するための蒸気量が減少し、発電効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、地熱水の熱を効率良く使用することで発電効率の向上を図る地熱発電システムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するための本発明の地熱発電システムは、地熱水から蒸気を分離する気水分離器と、前記気水分離器で分離された蒸気により駆動する第１タービンと、前記第１タービンにより発電する第１発電機と、前記第１タービンを駆動した蒸気を凝縮する復水器と、蒸気を用いて前記復水器の不凝縮ガスを抽出するエジェクタと、前記気水分離器で蒸気が分離された地熱水により作動媒体を加熱して蒸気を生成する蒸発器と、前記エジェクタから排出された蒸気により前記蒸発器に供給される作動媒体を予熱する予熱器と、前記蒸発器で分離された蒸気により駆動する第２タービンと、前記第２タービンにより発電する第２発電機と、を有することを特徴とするものである。

従って、気水分離器が地熱水から蒸気を分離し、この蒸気により第１タービンを駆動することで第１発電機により発電を行うと共に、蒸発器が残りの地熱水により作動媒体を加熱して蒸気を生成し、この蒸気により第２タービンを駆動することで第２発電機により発電を行う。このとき、第１タービンを駆動した蒸気が復水器で凝縮され、エジェクタは、蒸気を用いて復水器の不凝縮ガスを抽出し、不凝縮ガスを含んだ蒸気が予熱器に送られ、ここで、蒸気により蒸発器に供給される作動媒体を予熱する。そのため、従来、復水器で不凝縮ガスを含んだ蒸気を凝縮していたが、本発明では、この不凝縮ガスを含んだ蒸気により作動媒体を予熱することで、地熱水における熱の有効利用を図ることができ、その結果、地熱水の熱を効率良く使用することで発電効率を向上することができる。

本発明の地熱発電システムでは、前記予熱器にて、作動流体を予熱した蒸気から分離した液体を前記復水器に戻す気液分離器が設けられることを特徴としている。

従って、予熱器で作動流体を予熱した不凝縮ガスを含んだ蒸気は、気液分離器で液体が分離されて復水器に戻されるが、この不凝縮ガスを含んだ蒸気は、予熱器で凝縮されるため、別途、この蒸気を凝縮するための冷却系統が不要となり、システムのコンパクト化を図ることができる。

本発明の地熱発電システムでは、前記気液分離器で分離された蒸気及び不凝縮ガスを冷却塔に供給する真空ポンプが設けられると共に、前記気液分離器で分離された液体を前記復水器に供給する供給ポンプが設けられることを特徴としている。

従って、真空ポンプによりその上流側に配置される気液分離機からエジェクタまでの不凝縮ガスを含んだ蒸気のラインに負圧を作用することができ、エジェクタから排出された不凝縮ガスを含んだ蒸気を予熱器に適正に供給することができる。

本発明の地熱発電システムによれば、蒸気を用いて復水器の不凝縮ガスを抽出するエジェクタと、エジェクタから排出された蒸気により蒸発器に供給される作動媒体を予熱する予熱器を設けるので、地熱水における熱の有効利用を図ることができ、地熱水の熱を効率良く使用することで発電効率を向上することができる。

図１は、本実施形態の地熱発電システムを表す概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る地熱発電システムの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

本実施形態の地熱発電システムは、シングルフラッシュ方式の地熱発電システムにバイナリ方式の地熱発電システムを組み合わせたコンバインド発電システムである。

地熱発電システムは、図１に示すように、気水分離器１１と、蒸気タービン（第１タービン）１２と、発電機（第１発電機）１３と、復水器１４と、ガス抽出器（エジェクタ）１５と、気液分離器１６と、冷却塔１７と、蒸発器１８と、蒸気タービン（第２タービン）１９と、発電機（第２発電機）２０と、空冷式凝縮器２１と、予熱器２２とを有している。

ここで、シングルフラッシュ方式の地熱発電システムとして、気水分離器１１、蒸気タービン１２、発電機１３、復水器１４、ガス抽出器（エジェクタ）１５、気液分離器１６、冷却塔１７が主に機能し、バイナリ方式の地熱発電システムとして、気水分離器１１、蒸発器１８、蒸気タービン１９、発電機２０、空冷式凝縮器２１、予熱器２２が主に機能する。

生産井３１は、例えば、地下５００ｍ〜４，０００ｍ下で発生する高圧熱水の地下滞留層（図示略）から、天然の地熱水を採取する井戸である。この地熱水は、採取される地上までの上昇中に圧力が急低下するため、一部が蒸気へと気化し、地上では熱水（液体）と蒸気（気体）とが混在する二相流となる。生産井３１の地熱水は、熱水噴出ラインＬ１により気水分離器１１まで送られる。熱水噴出ラインＬ１は、調整弁Ｖ１が設けられており、この調整弁Ｖ１により気水分離器１１に送る地熱水の圧力と流量を調整することができる。

気水分離器１１は、生産井３１から熱水噴出ラインＬ１を通して送られた地熱水を分離熱水（液体）と蒸気（気体）に分離するものである。地熱水から分離された蒸気は、蒸気供給ラインＬ２により蒸気タービン１２に送られる。蒸気タービン１２は、気水分離器１１で分離された蒸気によりタービンを回転するものである。発電機１３は、タービンの回転軸に駆動連結されており、回転力を受けて発電することができる。

復水器１４は、蒸気タービン１２を駆動した使用済の蒸気が蒸気排出ラインＬ３により送られ、この蒸気を冷却水により凝縮して復水（温水）とするものである。地熱水から分離された蒸気は、二酸化炭素（ＣＯ_２）や硫化水素（Ｈ_２Ｓ）などの不凝縮ガスを含んでおり、ガス抽出器１５は、復水器１４に滞留する不凝縮ガスを抽出するものである。このガス抽出器１５は、エジェクタであり、抽出ラインＬ４を介して復水器１４に連結されると共に、蒸気分岐ラインＬ５を介して蒸気供給ラインＬ２に連結されている。蒸気分岐ラインＬ５は、調整弁Ｖ２が設けられており、この調整弁Ｖ２によりガス抽出器１５に送る蒸気の流量を調整することができる。ガス抽出器１５は、蒸気分岐ラインＬ５から供給された蒸気により抽出ラインＬ４を介して復水器１４に滞留する不凝縮ガスを抽出する。

蒸発器１８は、気水分離器１１で蒸気が分離された分離熱水により低沸点の作動媒体（例えば、ブタンまたはペンタンなど）を加熱して蒸気を生成するものである。蒸発器１８は、気水分離器１１からの分離熱水ラインＬ６を通る分離熱水と、作動媒体供給ラインＬ７を通る作動媒体との間で熱交換を行い、作動媒体を加熱して蒸気とする。蒸発器１８で生成された蒸気は、この作動媒体供給ラインＬ７により蒸気タービン１９に送られる。蒸気タービン１９は、蒸発器１８で生成された蒸気によりタービンを回転するものである。発電機２０は、タービンの回転軸に駆動連結されており、回転力を受けて発電することができる。

空冷式凝縮器２１は、蒸気タービン１９を駆動した使用済の蒸気が作動流体排出ラインＬ８により送られ、この蒸気を冷却空気により凝縮して液体とするものである。予熱器２２は、ガス抽出器１５から排出された不凝縮ガスを含む蒸気により蒸発器１８に供給される作動媒体を予熱するものである。この予熱器２２は、空冷式凝縮器２１から蒸発器１８まで作動媒体供給ラインＬ７により送られる作動媒体と、ガス抽出器１５からの不凝縮ガス処理ラインＬ９を通る蒸気との間で熱交換を行い、作動媒体を予熱する。作動媒体供給ラインＬ７における空冷式凝縮器２１と予熱器２２との間にポンプＰ１が設けられており、ポンプＰ１により作動媒体供給ラインＬ７と作動流体排出ラインＬ８との間で作動流体を循環することができる。

分離熱水ラインＬ６は、ポンプＰ２が設けられており、蒸発器１８で作動流体を加熱し、予熱器２２で作動流体を予熱した分離熱水を還元井３２に戻す。還元井３２に戻された熱水は、地下滞留層へと送り戻され、高圧熱水として再利用される。

気液分離器１６は、不凝縮ガス処理ラインＬ９の下流端部が連結され、不凝縮ガスを含んだ蒸気を気液分離するものである。このとき、不凝縮ガスを含んだ蒸気は、予熱器２２で作動流体を予熱することから一部が凝縮されており、別途、冷却水が不要となる。気液分離器１６は、気体排出ラインＬ１０により冷却塔１７に連結され、気体排出ラインＬ１０に真空ポンプＰ３が設けられている。また、気液分離器１６は、液体排出ラインＬ１１により復水器１４に連結され、液体排出ラインＬ１１にポンプＰ４が設けられている。気液分離器１６は、分離した気体（蒸気及び不凝縮ガス）を気体排出ラインＬ１０により冷却塔１７に送ると共に、分離した液体（水）を液体排出ラインＬ１１により復水器１４に送る。

冷却塔１７は、気液分離器１６からの蒸気及び不凝縮ガスと、復水器１４からの復水（温水）が冷却されるものである。冷却塔１７は、前述したように、気液分離器１６からの気体排出ラインＬ１０が連結され、また、復水器１４との間に復水供給ラインＬ１２と冷却水供給ラインＬ１３が設けられている。そして、復水供給ラインＬ１２と冷却水供給ラインＬ１３は、ポンプＰ５，Ｐ６が設けられている。冷却塔１７は、気液分離器１６から気体排出ラインＬ１０により送られた蒸気及び不凝縮ガスを大気に排出する。また、冷却塔１７は、復水器１４から復水供給ラインＬ１２により送られた復水を空気に接触させて冷却する。冷却塔１７で冷却された復水は、冷却水供給ラインＬ１３により復水器１４に送られ、冷却水として使用される。

ここで、本実施形態の地熱発電システムの作動について説明する。

生産井３１から噴出した地熱水は、熱水噴出ラインＬ１を通して気水分離器１１に送られ、この気水分離器１１は、地熱水から蒸気を分離する。すると、この蒸気は、蒸気供給ラインＬ２を通して蒸気タービン１２に送られ、蒸気タービン１２は、タービンを回転させることで発電機１３により発電を行う。蒸気タービン１２から排出された蒸気は、蒸気排出ラインＬ３を通して復水器１４に送られ、復水器１４にて、冷却塔１７から冷却水供給ラインＬ１３により戻された冷却水と直接接触することで冷却され、凝縮して復水（温水）となる。

また、地熱水から分離された蒸気の一部は、蒸気分岐ラインＬ５を通してガス抽出器１５に送られる。ガス抽出器１５は、例えば、蒸気分岐ラインＬ５から供給された蒸気により抽出ラインＬ４に対して吸引力（負圧）を発生させ、この吸引力により抽出ラインＬ４を通して復水器１４に滞留する不凝縮ガスを抽出する。ガス抽出器１５により抽出された不凝縮ガスは、不凝縮ガス処理ラインＬ９に送り出される。

一方、気水分離器１１で蒸気が分離された分離熱水は、分離熱水ラインＬ６を通して蒸発器１８、予熱器２２に送られる。予熱器２２は、不凝縮ガス処理ラインＬ９を流れる不凝縮ガスを含む蒸気により作動媒体供給ラインＬ７を流れる作動流体を予熱する。蒸発器１８は、分離熱水ラインＬ６を流れ分離熱水により作動媒体供給ラインＬ７を流れる作動流体を予熱して蒸気を生成する。なお、蒸発器１８と予熱器２２を通過した分離熱水は、還元井３２に戻され、地下滞留層へと送り戻されて高圧熱水として再利用される。

すると、この作動流体の蒸気は、作動媒体供給ラインＬ７を通して蒸気タービン１９に送られ、蒸気タービン１９は、タービンを回転させることで発電機２０により発電を行う。蒸気タービン１９から排出された作動媒体の蒸気は、空冷式凝縮器２１に送られ、空冷式凝縮器２１は、空気と直接接触することで冷却され、凝縮して液体（作動媒体）となる。

そして、予熱器２２で作動媒体を予熱した不凝縮ガスを含む蒸気は、不凝縮ガス処理ラインＬ９により気液分離器１６に送られ、気液分離器１６は、この蒸気を気液分離する。この気液分離器１６で分離した気体（蒸気および不凝縮ガス）は、気体排出ラインＬ１０により冷却塔１７に送られる一方、分離した液体（水）は、液体排出ラインＬ１１により復水器１４に送られる。復水器１４は、蒸気タービン１２からの蒸気と、気液分離器１６からの蒸気を冷却塔１７から戻された冷却水により凝縮して復水とする。

このように本実施形態の地熱発電システムにあっては、地熱水から蒸気を分離する気水分離器１１と、気水分離器１１で分離された蒸気により駆動する蒸気タービン１２と、蒸気タービン１２により発電する発電機１３と、蒸気タービン１２を駆動した蒸気を凝縮する復水器１４と、蒸気を用いて復水器１４の不凝縮ガスを抽出するガス抽出器１５と、気水分離器１１で蒸気が分離された地熱水により作動媒体を加熱して蒸気を生成する蒸発器１８と、ガス抽出器１５から排出された蒸気により蒸発器１８に供給される作動媒体を予熱する予熱器２２と、蒸発器１８で分離された蒸気により駆動する蒸気タービン１９と、蒸気タービン１９により発電する発電機２０とを設けている。

従って、気水分離器１１が地熱水から蒸気を分離し、この蒸気により蒸気タービン１２を駆動して発電機１３により発電を行うと共に、蒸発器１８が残りの地熱水により作動媒体を加熱して蒸気を生成し、この蒸気により蒸気タービン１９を駆動して発電機２０により発電を行う。このとき、蒸気タービン１２を駆動した蒸気が復水器１４で凝縮され、ガス抽出器１５は、気水分離器１１からの蒸気を用いて復水器１４の不凝縮ガスを抽出する。そして、不凝縮ガスを含んだ蒸気を予熱器２２に送り、この蒸気により蒸発器１８に供給される作動媒体を予熱する。そのため、従来、復水器１４で不凝縮ガスを含んだ蒸気を凝縮していたが、本発明では、この不凝縮ガスを含んだ蒸気により作動媒体を予熱することで、地熱水における熱の有効利用を図ることができ、その結果、地熱水の熱を効率良く使用することで発電効率を向上することができる。

従来の地熱発電システムと本実施形態の地熱発電システムを比較した場合、還元井３２に戻す熱水の温度を同じにすると、約５％の発電効率を向上することができる。

本実施形態の地熱発電システムでは、予熱器２２にて、作動流体を予熱した蒸気から分離した液体を復水器１４に戻す気液分離器１６を設けている。従って、予熱器２２で作動流体を予熱した不凝縮ガスを含んだ蒸気は、気液分離器１６で液体が分離されて復水器１４に戻されるが、この不凝縮ガスを含んだ蒸気は、予熱器２２で凝縮されるため、別途、この蒸気を凝縮するための冷却系統が不要となる。そのため、冷却系統として、冷却水供給ラインＬ１３から気液分離器１６への冷却水供給ラインが不要となり、システムのコンパクト化を図ることができる。また、冷却塔１７で処理する冷却水の量が減少するため、冷却塔１７やポンプＰ６などの小型化が可能となる。

本実施形態の地熱発電システムでは、気液分離器１６で分離された蒸気及び不凝縮ガスを冷却塔１７に供給する真空ポンプＰ３を設けると共に、気液分離器１６で分離された液体を復水器１４に供給するポンプＰ４を設けている。従って、真空ポンプＰ３によりその上流側に配置される気液分離機１６からガス抽出器１５までの不凝縮ガスを含んだ蒸気のラインに負圧を作用することができ、ガス抽出器１５から排出された不凝縮ガスを含んだ蒸気を予熱器２２に適正に供給することができる。

なお、上述した実施形態では、ガス抽出器１５から排出された蒸気により蒸発器１８に供給される前の作動媒体を予熱する予熱器２２を設けたが、蒸発器１８と予熱器２２との間に、蒸発器１８を通った分離熱水により予熱器２２により予熱されて蒸発器１８に供給される前の作動媒体を予熱する予熱器を更に設けてもよい。

１１気水分離器
１２蒸気タービン（第１タービン）
１３発電機（第１発電機）
１４復水器
１５ガス抽出器（エジェクタ）
１６気液分離器
１７冷却塔
１８蒸発器
１９蒸気タービン（第２タービン）
２０発電機（第２発電機）
２１空冷式凝縮器
２２予熱器
３１生産井
３２還元井
Ｌ１熱水噴出ライン
Ｌ２蒸気供給ライン
Ｌ３蒸気排出ライン
Ｌ４抽出ライン
Ｌ５蒸気分岐ライン
Ｌ６分離熱水ライン
Ｌ７作動媒体供給ライン
Ｌ８作動流体排出ライン
Ｌ９不凝縮ガス処理ライン
Ｌ１０気体排出ライン
Ｌ１１液体排出ライン
Ｌ１２復水供給ライン
Ｌ１３冷却水供給ライン
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ５，Ｐ６ポンプ
Ｐ４ポンプ（供給ポンプ）
Ｐ３真空ポンプ
Ｖ１，Ｖ２調整弁

Claims

地熱水から蒸気を分離する気水分離器と、
前記気水分離器で分離された蒸気により駆動する第１タービンと、
前記第１タービンにより発電する第１発電機と、
前記第１タービンを駆動した蒸気を凝縮する復水器と、
蒸気を用いて前記復水器の不凝縮ガスを抽出するエジェクタと、
前記気水分離器で蒸気が分離された地熱水により作動媒体を加熱して蒸気を生成する蒸発器と、
前記エジェクタから排出された蒸気により前記蒸発器に供給される作動媒体を予熱する予熱器と、
前記蒸発器で分離された蒸気により駆動する第２タービンと、
前記第２タービンにより発電する第２発電機と、
を有することを特徴とする地熱発電システム。
前記予熱器にて、作動流体を予熱した蒸気から分離した液体を前記復水器に戻す気液分離器が設けられることを特徴とする請求項１に記載の地熱発電システム。
前記気液分離器で分離された蒸気及び不凝縮ガスを冷却塔に供給する真空ポンプが設けられると共に、前記気液分離器で分離された液体を前記復水器に供給する供給ポンプが設けられることを特徴とする請求項２に記載の地熱発電システム。