JP2016151198A - 沸騰水型地熱交換器および沸騰水型地熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】取出される高温の蒸気と、送り込まれる水や地下低温地帯との熱交換を可能な限り抑制することができ、配管の軽量化が可能な沸騰水型地熱交換器および沸騰水型地熱発電装置を提供する。【解決手段】地熱交換器１は、地中に設けられて地上から水が供給される水注入管２と、水注入管２に接するように地中に設けられた蒸気取出管３とを備えている。蒸気取出管３には、その下部領域に複数の噴出口５が設けられ、蒸気取出管３内の圧力は、タービン６が必要とする圧力近くに減圧されている。蒸気取出管３の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなるように、蒸気取出管３が形成されている。水注入管２に供給された水は、地熱帯４から熱が供給されて高温圧力水となり、噴出口５から噴霧状態で蒸気取出管３内へ噴き出し、蒸気単相流に変換されて、発電機７により発電がなされる。【選択図】図１

Description

本発明は、地熱エネルギーを効率よく取り出すことが可能な沸騰水型地熱交換器および沸騰水型地熱発電装置に関する。

地熱エネルギーを利用して発電する地熱発電は、高温のマグマ層を熱源とするものであり、半永久的な熱エネルギーとすることができるとともに、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、化石燃料の代替手段として近年注目されている。

従来の地熱発電は、地熱帯をボーリングし、地熱帯に存在する自然の蒸気や熱水を自然の圧力を利用して取り出し発電を行っている。そのため、取り出された蒸気と熱水には、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、あるいはタービン等に付着する。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。

このスケールによる問題を解決するために、地上から水を送り、地熱帯から供給される熱によって加熱して熱水を取り出す方式を採用した技術が、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された技術は、地下に設置された地熱交換器で取出した高圧単相流を、地上に設置された気水分離器で蒸気として取出す方法のものであり、スケールによる問題を解決しつつ地熱を有効利用できる点で大きな効果を有するものである。

地熱交換に関してはさらに、以下のような問題点が考えられる。第一に、地下に送り込まれる水と、地熱の供給を得て取り出される熱水の、配管内における圧損のため、高圧ポンプの動力を大きくしなければならす、ポンプ動力を低く抑えて発電効率を上げるためには、地熱交換器の径を大きくする必要があるという問題点がある。

第二に、特許文献１による利点の一つに、既存の抗井のリプレイスがあるが、地熱交換器の径が制限されることによって、リプレイスが適用される抗井が限定されるという問題点がある。既存抗井のリプレイスの他に、地熱探査用抗井、休止中の抗井のリプレイス等を検討する場合においても、地熱交換器の径の大きさが障害となりうる。

特許文献２には、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解決課題として、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が記載されている。

特開２０１１−５２６２１号公報 特開２０１４−２２７９６２号公報

特許文献２に記載の技術によると、熱を吸収した液体を地熱帯から上昇させる途中で、液体の圧力を飽和蒸気圧以下に減圧させているため、加圧熱水を上昇させる場合と比較すると、地熱交換器を出ていく熱水と送り込まれる水および地下低温地帯との間で、熱の受け渡しが行われ、熱ロスが発生するという問題点はある程度改善される。

しかし、高温の蒸気は、送り込まれる水や地下低温地帯の近くを通って取り出される構造であるため、高温の蒸気と、送り込まれる水や地下低温地帯との熱交換を可能な限り抑制することが求められている。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、取出される高温の蒸気と、送り込まれる水や地下低温地帯との熱交換を可能な限り抑制することができ、配管の軽量化が可能な沸騰水型地熱交換器および沸騰水型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、本発明の沸騰水型地熱交換器は、地中に設けられ地上から水が供給される水注入管と、前記水注入管に接するように地中に設けられ、複数の噴出口を有する蒸気取出管とを備え、前記蒸気取出管内の圧力は、タービンが必要とする圧力近くに減圧されており、前記水注入管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて生成される高圧熱水が前記噴出口を介して地中に存在する蒸気取出管内で蒸気単相流に変換され、この蒸気単相流が地上に取出される沸騰水型地熱交換器であって、前記蒸気取出管が前記水注入管の内側に配置され、前記蒸気取出管の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなるように前記蒸気取出管が形成されていることを特徴とする。

水注入管に供給された水は、水注入管下部において、地上からの深さにほぼ比例した高温圧力水となる。蒸気取出管内の圧力は、タービンが必要とする圧力近くに減圧されているため、高温圧力水はその水圧によって蒸気取出管に設けられた噴出口を介して蒸気取出管へ噴出し、減圧された蒸気取出管内で蒸気単相流に変換され、この蒸気単相流が地上に取出される。

蒸気取出管の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなるように蒸気取出管が形成されていることにより、地表に近い低温領域に近づくにつれて、蒸気単相流が蒸気取出管内を上昇する際の速度が増大し通過時間が短縮される。蒸気が上昇する際の流速は、蒸気取出管の径の二乗に反比例して増大し、蒸気が上昇するに要する通過時間は、蒸気取出管の径の二乗に比例して短くなる。さらに、外管である水注入管との接触面積は、蒸気取出管の径に比例して小さくなることから、外管である水注入管との間で熱交換される熱量は、内管である蒸気取出管の径の三乗に比例して減少するため、蒸気単相流が低温領域を通過する際の熱損失を低減することができる。

また、外管である水注入管を設置した後で、内管である蒸気取出管を取り付ける場合には、蒸気取出管の径が地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなっていることにより、地熱帯側下方の径と同一の径で蒸気取出管を形成する場合と比べて、蒸気取出管の重量を軽くすることができ、工事の際の利便性を高めることができる。

蒸気取出管内での蒸気は、圧力勾配があるタービンへ移動したのち、タービン内で膨張してタービンを回す動力となる。タービンを出た蒸気は復水器にて水に戻り、再び水注入管に送り込まれる。循環する水量はタービンが必要とする蒸気量に等しいため、循環水量は非常に少なくて済む。この過程を繰り返すことにより、効率的に連続して地熱を取り出すことができる。
このような方式により地熱交換を行うことにより、低温地帯を通過する際に生じる熱ロスが小さく、管表面を通る際の摩擦による管ロスが小さく、循環させる水の量を削減することができる熱交換が可能となる。

本発明の沸騰水型地熱交換器においては、前記蒸気取出管の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって段階的に小さくなっている構造とすることができる。

また、本発明の沸騰水型地熱交換器においては、前記蒸気取出管の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって連続的に小さくなっている構造とすることができる。

本発明の沸騰水型地熱交換器においては、前記水注入管に供給される水の水位を低くすることによって、前記水注入管の上部に空気層が形成されることによる断熱部が、地表面に近い低温地帯に接する領域に対して設けられている構造とすることができる。

対象となる地熱層によっては、地中に設置する地熱交換器に供給する水圧が大きすぎる場合があり、この水圧を下げる必要性がある場合、水注入管の水位を下げることで地熱交換器内の圧力調整が可能である。これによって水注入管の上部には空気層が形成されることになり、断熱性の高い空気層によって断熱効果を得ることができる。特に、抗井の高温地帯の深度が大きい場合、水注入管に供給する水の水位を低くすることで、地表面に近い低温地帯に接する水注入管に空気層を形成することができる。

本発明の沸騰水型地熱交換器においては、前記水注入管に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることができる。

大容量の発電を行う場合には、循環水量が大きくなることにより、外管部の損失水頭が大きくなるが、水注入管に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることにより、損失水頭分を補うことができ、自然水圧による場合よりも大きな圧力が得られるため、大容量の発電を実現することが可能となる。また、水注入管に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることにより、蒸気圧力を高くすることができるため、未利用の全国の高温度の地熱帯に本発明の沸騰水型地熱交換器を広く適用することができる。

本発明の沸騰水型地熱交換器においては、少なくとも１つの前記水注入管と少なくとも１つの前記蒸気取出管とが組み合わされてなる挿入管が、複数の地熱井に対して挿入されて構成され、前記蒸気取出管の出口が並列に接続されて、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集され、採集された蒸気の圧力を均一化する蒸気ヘッダーを備えている構成とすることができる。

ボーリングする場所によって、温度・圧力ともそれぞれ異なるため、発電に利用した場合に、地熱井１つに対する発電出力がそれぞれ違うこととなる。そのため、複数の地熱井に対して、挿入管の蒸気取出管の出口を並列につなぎ、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気を合計して採集することで、タービン・復水器・発電機・変圧器等の容量を大きく設計することができ、発電所全体の効率がアップするという利点がある。また、蒸気ヘッダーを配置することにより、採集された蒸気の圧力の均一化を図ることができる。

本発明の沸騰水型地熱交換器においては、前記地熱井は、既存の設備に付帯するものであることとすることができる。

既存の設備に付帯する空の地熱井や休止中の地熱井に対して、水注入管と蒸気取出管とが組み合わされて構成される挿入管を挿入して用いることにより、新たにボーリングを行うことなく、熱水によるエネルギーを取出すことができる。特に、蒸気単相流として地中から取出すことにより、挿入管の径を小さくすることができるため、使用できる地熱井の自由度が高まる。

本発明の沸騰水型地熱発電装置は、本発明の沸騰水型地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする。
また、本発明の沸騰水型地熱発電装置は、前記発電をバイナリー方式によって行うことができる。

本発明の沸騰水型地熱交換器は、配管内における圧損や熱ロスの発生を抑制し、地中に埋設される管の径を小さくすることを可能とし、循環させる水の量を削減することができ、熱交換効率に優れたものであるため、この地熱交換器を用いることによって、既存の設備に付帯する地熱井を有効に利用して、効率の良い地熱発電を行うことができるため、利便性の高い地熱発電装置を実現することができる。

本発明によると、取出される高温の蒸気と、送り込まれる水や地下低温地帯との熱交換を可能な限り抑制することができ、配管の軽量化が可能な沸騰水型地熱交換器および沸騰水型地熱発電装置を実現することができる。

本発明の第一実施形態に係る沸騰水型地熱交換器と沸騰水型地熱発電装置を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る沸騰水型地熱交換器と沸騰水型地熱発電装置を示す図である。 本発明の沸騰水型地熱交換器をバイナリー方式の発電に適用した沸騰水型地熱発電装置の構成を示す図である。 水注入管に供給される水に対して、地上にて加圧する実施形態に係る沸騰水型地熱交換器と沸騰水型地熱発電装置を示す図である。

以下に、本発明の沸騰水型地熱交換器および沸騰水型地熱発電装置を、その実施形態に基づいて説明する。
本発明の実施形態に係る沸騰水型地熱交換器と沸騰水型地熱発電装置を図１に示す。

図１において、地熱交換器１は、地中に設けられて地上から水が供給される水注入管２と、水注入管２に接するように地中に設けられた蒸気取出管３とを備えている。図１においては、水注入管２を地熱帯４側に近い外管とし、蒸気取出管３を水注入管２の内側に設けた内管とした２重管構造としている。

蒸気取出管３には、その下部領域に、複数の噴出口５が設けられており、水注入管２と蒸気取出管３とは、この噴出口５によって開口状態となっている。すなわち、噴出口５は、水注入管２と蒸気取出管３との境界に設けられている。蒸気取出管３はタービン６に接続されており、蒸気取出管３内の圧力は、タービン６が必要とする圧力近くに減圧されている。

水注入管２に自然の落差を利用して供給された水は、水注入管２の底部付近において、地上からの深さにほぼ比例した圧力が加えられ、地熱帯４から熱が供給されて高温圧力水となる。蒸気取出管３内は減圧されているため、この圧力差を利用して、高温圧力水は矢印で示すように、噴出口５から噴霧状態で蒸気取出管３内へ噴き出し、タービン６が必要とする圧力と、水注入管２の底部との圧力差を利用して気化して蒸気単相流に変換される。地下にて生成された蒸気単相流は、蒸気取出管３とタービン６との圧力差でタービン６へ移動したのち、タービン６内で膨張してタービン６を回す動力となる。この動力によって発電機７により発電がなされる。

タービン６を出た蒸気はその後、復水器８にて冷却水９により冷却されて水に戻り、再び水注入管２に供給される。循環する水量はタービン６が必要とする蒸気量に等しいため、循環させる水量は非常に少なくて済む。この過程を繰り返すことによって、連続して地熱を取り出す。必要に応じて、補給水１１は水処理装置１０を介して補給水槽１２から補給される。補給水の水位は、補給水調節弁１３によって調節される。蒸気取出管３とタービン６との間には、蒸気ヘッダー１８と蒸気調節弁１５とが設けられている。その他、圧力調節弁１７が設けられている。

蒸気ヘッダー１８は、複数の地熱井から生産された蒸気をまとめて、単機のタービン６に供給するような場合に用いられるもので、これにより、圧力を均一化させることができる。なお、蒸気ヘッダー１８は、自然水圧による本実施形態の他、後述する、水注入管に供給される水に対して、地上にて加圧する実施形態においても用いることができる。

タービン６や発電機７等の主要機器の事故または送電系統の事故が起こった場合には、発電機７の遮断器が作動するが、この場合は、地熱交換器１内の圧力が急激に上昇することを防ぐため、緊急減圧弁１６を作動させて、地熱交換器１内の急激な圧力上昇を防ぐことができる。通常の発電機の負荷変動には、地熱交換器１が自動的に対応することができる。発電機負荷が増えた場合には、地熱交換器１内部の圧力が下がるため、蒸気発生量が増える。発電機負荷が減少した場合は、地熱交換器１内部の圧力が上昇するため蒸気発生量が減少する。このように一連の自動発電量制御機能が備わっていることも一つの特徴である。

蒸気取出管３の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなるように、蒸気取出管３が形成されている。図１においては、その第一実施形態として、蒸気取出管３の径が、地熱帯側下方から地表側上方に向かって段階的に小さくなっている構造のものを示している。高温域である地熱帯４領域の部分の径に対して、中温域２５領域の部分の径を小さくし、低温域２６領域の部分の径をさらに小さくしている。なお、図１に示すものは一例であって、径が減少する箇所の数はここに示すものに限定されない。

また、図２においては、その第二実施形態として、蒸気取出管３の径が、地熱帯側下方から地表側上方に向かって連続的に小さくなっている構造のものを示している。図２では、高温域である地熱帯４から中温域２５を経て低温域２６に至るまでの径の減少の割合が一定であり、一定の傾きで直線的に減少するものを例示しているが、径の減少の割合は一定でなくてもよく、曲線的に減少するものであってもよい。さらに、径の段階的な減少と連続的な減少とを組み合わせてもよい。

蒸気取出管３の径が、地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなるように蒸気取出管３が形成されていることにより、地表に近い低温領域に近づくにつれて、蒸気単相流が蒸気取出管３内を上昇する際の速度が増大し通過時間が短縮される。外管である水注入管２との間で熱交換される熱量は、内管である蒸気取出管３の径の三乗に比例して減少するため、蒸気単相流が低温領域を通過する際の熱損失を低減することができる。

また、外管である水注入管２を設置した後で、内管である蒸気取出管３を取り付ける場合には、蒸気取出管３の径が地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなっていることにより、地熱帯側下方の径と同一の径で蒸気取出管３を形成する場合と比べて、蒸気取出管３の重量を軽くすることができ、工事の際の利便性を高めることができる。

このように、本発明の沸騰水型地熱交換器では、水注入管２に自然の落差を利用して供給された水は、下降して周囲の地熱帯４から加熱されるため、水注入管２下部においては、高温の圧力水となっている。この高温・高圧水を、水注入管２下部から噴出口５を介して蒸気取出管３へ噴霧状態で噴き出す。蒸気取出管３下部では、タービン６が必要とする圧力より少し高めの飽和圧力と、水注入管２底部との圧力差を利用して気化させる。蒸気取出管３上部での圧力は、タービン６が必要とする圧力より少し高く設定されており、タービン６の負荷である発電機７の負荷とつりあって、ほぼ自動的に一定の圧力を維持することができる。水注入管２下部とタービン６との圧力差は非常に大きいため、タービン６が必要とする圧力・流量の蒸気を、連続して生産することが可能となる。蒸気はタービン６を出た後、復水器８で冷却されて水に戻り、再び水注入管２に送り込まれるが、循環する水量はタービン６が必要とする蒸気量に等しいため、循環水量は非常に少なく、水注入管２上部への給水には加圧ポンプは必須ではない。

本発明においては、高度処理された水を水注入管２の最下部まで、自然の圧力を利用して送り込むことで、圧力勾配が形成される。蒸気取出管３上部における圧力は、タービン６が必要とする入口圧であり、蒸気取出管３内部および配管類の圧損はこれより一桁少ない数値であるため、理論上抗井の深さは、タービン６が必要とする圧力分があればよく、地熱帯の高温地区での適用が可能である。

抗井の高温地帯の深度が大きい場合、水注入管２に供給する高度処理水の水位を低くすることにより、地表面に近い低温地帯２６に接する水注入管２には空気層１９が形成されるため、これにより断熱効果を向上することができる。また、水注入管２下部における高温地帯と接する面は、熱伝導特性に優れた材質のものを使用して、地熱を吸収しやすいようにする。

蒸気取出管３の下部領域に設けられる、複数の噴出口５は、小径の穴をあけることによって形成されるが、その口径、数および流速は、発電容量、抗井の温度および深さにより個別に設計される。その一例として、水注入管２の径を１６５．２ｍｍ、蒸気取出管３の径を８９．１ｍｍとしたときに、２ｍｍ径の噴出口５を１００個設けることができる。

地熱交換器１は、少なくとも１つの水注入管２と少なくとも１つの蒸気取出管３とが組み合わされてなる挿入管が、複数の地熱井に対して挿入されて構成され、蒸気取出管３の出口が並列に接続されて、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集され、採集された蒸気の圧力を均一化する蒸気ヘッダー１８を備えている構成とすることができる。

１つの地熱井に対して１つの挿入管を挿入して使用することも可能であるが、ボーリングする場所によって、温度・圧力ともそれぞれ異なるため、発電に利用した場合に、地熱井１つに対する発電出力がそれぞれ違うこととなる。そのため、複数の地熱井に対して、挿入管の蒸気取出管３の出口を並列につなぎ、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気を合計して採集することで、タービン・復水器・発電機・変圧器等の容量を大きく設計することができ、発電所全体の効率がアップするという利点がある。また、蒸気ヘッダー１８を配置することにより、採集された蒸気の圧力の均一化を図ることができ、圧力が均一化された蒸気を単機のタービンに供給することができる。

例えば、３つの地熱井を使用する場合、それぞれの地熱井での熱出力を発電機出力に換算して、１号井５００ｋＷ、２号井４００ｋＷ、３号井６００ｋＷである場合、３ユニット独立で発電システムを構築するより、これらを合計して、１号井＋２号井＋３号井＝１５００ｋＷの１ユニットとして設計すれば、全体の出力は同じでも、タービン・復水器・発電機・変圧器の容量を大きく設計することができ、電気機器の効率は容量によってアップするため、発電に利用した場合には発電所全体の効率がアップすることになる。また、工事費等の建設費を格段に安くすることができる。

また、地熱交換器１は、新設の地熱井を用いることができる他、既存の設備、例えば、既存の地熱発電所に付帯する地熱井であって、空の地熱井や休止中の地熱井に対して、水注入管２と蒸気取出管３とが組み合わされて構成される挿入管を挿入して用いることができる。特に、蒸気単相流として地中から取出すことにより、挿入管の径を小さくすることができるため、使用できる地熱井の自由度が高まり、既存の地熱井の有効利用を促進することができる。

このように、休坑井を含む既存の坑井をリプレイスすることで、環境アセスに要する時間を大幅に短縮することができ、開発コストを大きく削減することができる。また、従来型の地熱発電で必要な補充坑が不要である。さらに、地熱流体を一切用いないため、スケール腐食は通常の水配管・機器と同レベルになり、一般の工業装置のメンテナンス頻度で済むという利便性があるとともに、温泉源枯渇の懸念は払しょくされ、環境問題は劇的に緩和される。

本発明の沸騰水型地熱交換器は、地下で蒸気が生成されるため、通常地上に設置される圧力容器である蒸気発生器は不要である。そのため、蒸気発生器の建設費用が不要であり、システム全体の制御をより簡易な設計とすることができる。また、蒸気発生器を設置する必要がないため、圧力容器の取り扱い技術者が不要であり、保守要員の削減を図ることで運転コスト削減に供することができる。

また、本発明の沸騰水型地熱交換器は、地下水を圧送するための加圧ポンプは必須ではなくなるため、加圧ポンプの設置に要する費用を削減することができる。さらに、システム全体の制御をより簡易な設計とすることができる。さらに、蒸気発生器は不要であり、加圧ポンプは必須ではないため、地上設備を設置する用地を少なくすることができる。地熱帯は国立公園内に多く存在しており、発電設備の建設にあたっての環境負荷を軽減することが可能である。

本発明では、既存の発電用、温泉用を問わず、坑井の最深部地帯に一定の熱があることを条件として、地上から坑井の最深部へ水を供給することによって、坑井の再生を行うことが可能である。この場合には、水を供給する管は、通常の配管で十分である。

図３に、本発明の沸騰水型地熱交換器をバイナリー方式の発電に適用した沸騰水型地熱発電装置の構成を示す。
図３において、地熱交換器１の機能は図１に基づいて説明したものと同様であり、地熱交換器１の蒸気取出管３から取り出された蒸気単相流は、蒸発器２０に送られ、低沸点媒体を加熱する。加熱された低沸点媒体は、低沸点媒体蒸気となってタービン６へ移動して、タービン６を回す動力となる。この動力によって発電機７により発電がなされる。

タービン６を出た低沸点媒体蒸気はその後、凝縮器２１にて冷却水により冷却されて低沸点媒体に戻り、蒸発器２０に送られる。この繰り返しにより、継続的に発電がなされる。必要に応じて、補給水１１は水処理装置１０を介して補給水槽１２から補給される。補給水の水位は、補給水調節弁１３によって調節される。蒸気取出管３とタービン６との間には、蒸気ヘッダー１８と蒸気調節弁１５とが設けられている。
なお、図３においては、図１に示す実施形態の地熱交換器１を用いたものを示しているが、図２に示す実施形態の地熱交換器１を用いてバイナリー発電を行うこともできる。

上記の説明は、自然水圧による実施形態に関するものであるが、水注入管２に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることもできる。

大容量の発電を行う場合には、循環水量が大きくなることにより、外管部の損失水頭が大きくなるが、水注入管２に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることにより、損失水頭分を補うことができ、自然水圧による場合よりも大きな圧力が得られるため、大容量の発電を実現することが可能となる。また、水注入管２に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されている構成とすることにより、蒸気圧力を高くすることができるため、未利用の全国の高温度の地熱帯に本発明の沸騰水型地熱交換器を広く適用することができる。

以下に、水注入管に供給される水に対して、地上にて加圧する実施形態について説明する。
図４に、この実施形態に係る沸騰水型地熱交換器と沸騰水型地熱発電装置を示す。

図４において、地熱交換器１は、地中に設けられて地上から水が供給される水注入管２と、水注入管２に接するように地中に設けられた蒸気取出管３とを備えている。水注入管２を地熱帯４側に近い外管とし、蒸気取出管３を水注入管２の内側に設けた内管とした２重管構造としている。

蒸気取出管３には、その下部領域に、複数の噴出口５が設けられており、水注入管２と蒸気取出管３とは、この噴出口５によって開口状態となっている。すなわち、噴出口５は、水注入管２と蒸気取出管３との境界に設けられている。蒸気取出管３はタービン６に接続されており、蒸気取出管３内の圧力は、タービン６が必要とする圧力近くに減圧されている。

水注入管２に供給される水に加圧するための加圧ポンプ３１が地上に配置されている。水注入管２に供給される水は、地上にて加圧ポンプ３１によって加圧されるため、水注入管２の下部においては、この加圧による圧力と、地上からの深さにほぼ比例した圧力を合計した加圧水となる。

蒸気取出管３の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなるように、蒸気取出管３が形成されている。図４においては、蒸気取出管３の径が、地熱帯側下方から地表側上方に向かって段階的に小さくなっている構造のものを示しているが、蒸気取出管３の径が、地熱帯側下方から地表側上方に向かって連続的に小さくなっている構造のものを用いることもできる。

この加圧水に対して、地熱帯４から熱が供給されて高温圧力水となる。蒸気取出管３内は減圧されているため、この圧力差を利用して、高温圧力水は矢印で示すように、噴出口５から噴霧状態で蒸気取出管３内へ噴き出し、タービン６が必要とする圧力と、水注入管２の底部との圧力差を利用して気化して蒸気単相流に変換される。地下にて生成された蒸気単相流は、蒸気取出管３とタービン６との圧力差でタービン６へ移動したのち、タービン６内で膨張してタービン６を回す動力となる。この動力によって発電機７により発電がなされる。

タービン６を出た蒸気はその後、復水器８にて冷却水９により冷却されて水に戻り、再び水注入管２に供給される。循環する水量はタービン６が必要とする蒸気量に等しいため、循環させる水量は非常に少なくて済む。この過程を繰り返すことによって、連続して地熱を取り出す。必要に応じて、補給水１１は水処理装置１０を介して補給水槽１２から補給される。復水器８と補給水槽１２との間には引き抜きポンプ３０が設けられている。補給水の水位は、補給水調節弁１３によって調節される。蒸気取出管３とタービン６との間には、蒸気ヘッダー１８と蒸気調節弁１５とが設けられている。その他、圧力調節弁１７が設けられている。

上述したように、本発明においては、蒸気取出管の径が、地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなるように蒸気取出管が形成されていることにより、地表に近い低温領域に近づくにつれて、蒸気単相流が蒸気取出管内を上昇する際の速度が増大し通過時間が短縮され、蒸気単相流が低温領域を通過する際の熱損失が低減される点に大きな特徴があり、これによる大きな利点がある。

本発明は、配管内における圧損や熱ロスの発生を抑制し、地中に埋設される管の径を小さくすることを可能とし、循環させる水の量を削減することができ、熱交換効率に優れた沸騰水型地熱交換器および沸騰水型地熱発電装置として広く利用することができる。特に、既存の坑井を有効利用できることや、発電設備の建設にあたっての環境負荷を軽減できる点等において顕著な優位性があり、原子力発電所の事故により、原子力に多くを依存していた我が国のエネルギー政策が根本から見直すことを余儀なくされている現状を考慮すると、産業上の利用に大きく寄与するものである。

１ 地熱交換器
２ 水注入管
３ 蒸気取出管
４ 地熱帯
５ 噴出口
６ タービン
７ 発電機
８ 復水器
９ 冷却水
１０ 水処理装置
１１ 補給水
１２ 補給水槽
１３ 補給水調節弁
１５ 蒸気調節弁
１６ 緊急減圧弁
１７ 圧力調節弁
１８ 蒸気ヘッダー
１９ 空気層
２０ 蒸発器
２１ 凝縮器
２５ 中温域
２６ 低温域
３０ 引き抜きポンプ
３１ 加圧ポンプ

Claims (9)

1. 地中に設けられ地上から水が供給される水注入管と、前記水注入管に接するように地中に設けられ、複数の噴出口を有する蒸気取出管とを備え、前記蒸気取出管内の圧力は、タービンが必要とする圧力近くに減圧されており、前記水注入管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて生成される高圧熱水が前記噴出口を介して地中に存在する蒸気取出管内で蒸気単相流に変換され、この蒸気単相流が地上に取出される沸騰水型地熱交換器であって、前記蒸気取出管が前記水注入管の内側に配置され、前記蒸気取出管の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって小さくなるように前記蒸気取出管が形成されていることを特徴とする沸騰水型地熱交換器。
2. 前記蒸気取出管の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって段階的に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の沸騰水型地熱交換器。
3. 前記蒸気取出管の径は、地熱帯側下方から地表側上方に向かって連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の沸騰水型地熱交換器。
4. 前記水注入管に供給される水の水位を低くすることによって、前記水注入管の上部に空気層が形成されることによる断熱部が、地表面に近い低温地帯に接する領域に対して設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の沸騰水型地熱交換器。
5. 前記水注入管に供給される水に加圧するための加圧ポンプが地上に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の沸騰水型地熱交換器。
6. 少なくとも１つの前記水注入管と少なくとも１つの前記蒸気取出管とが組み合わされてなる挿入管が、複数の地熱井に対して挿入されて構成され、前記蒸気取出管の出口が並列に接続されて、それぞれの地熱井を用いて得られる蒸気が合計して採集され、採集された蒸気の圧力を均一化する蒸気ヘッダーを備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の沸騰水型地熱交換器。
7. 前記地熱井は、既存の設備に付帯するものであることを特徴とする請求項６に記載の沸騰水型地熱交換器。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の沸騰水型地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする沸騰水型地熱発電装置。
9. 前記発電は、バイナリー方式によるものであることを特徴とする請求項８記載の沸騰水型地熱発電装置。

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