JP2017145811A - 地熱回収装置及び地熱回収装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地熱の熱エネルギーを利用した発電システムにおいて、発電量を増大させる。【解決手段】地熱回収装置１０は、循環ポンプ２２が設けられ、循環ポンプ２２によって加圧された熱媒体が熱水の状態で循環する循環流路１２と、地中に設置され、地中の熱で循環流路１２を流れる熱媒体を加熱する熱交換器１４と、熱交換器１４で加熱された熱媒体から熱エネルギーを電気エネルギーとして回収するバイナリ発電装置１６と、循環流路に接続されたバイパス路３６と、熱交換器１４に流入する熱媒体の流量と、バイパス路３６を通って熱交換器１４を迂回する熱媒体の流量との分流割合を調整する調整機構３８と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、地熱回収装置及び地熱回収装置の運転方法に関するものである。

従来、特許文献１に開示されているように、地中に設置された熱交換器を通して地熱を回収する地熱回収装置が知られている。具体的には、特許文献１に開示された地熱回収装置は、地中に設置された熱交換器と、熱交換器に接続され、熱媒体が循環する熱媒体流路とを備えている。熱媒体流路には、熱交換器で気化した熱媒体によって駆動されるタービンと、タービンを駆動した熱媒体を凝縮させる冷却システムと、液状の熱媒体を加圧するポンプとが設けられている。タービンには発電機が接続されていて、タービンがガス状の熱媒体によって駆動されることによって、発電機が発電を行う。

特表２０１４−５００４２０号公報

特許文献１では、ガス状の熱媒体によってタービンを駆動している。すなわち、ガス状の熱媒体の熱エネルギーを電気エネルギーとして回収している。このため、発電量には限界がある。

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、地熱の熱エネルギーを利用した発電システムにおいて、発電量を増大させることにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、循環ポンプが設けられ、前記循環ポンプによって加圧された熱媒体が熱水の状態で循環する循環流路と、地中に設置され、地中の熱で前記循環流路を流れる熱媒体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱された前記熱媒体から熱エネルギーを電気エネルギーとして回収するバイナリ発電装置と、を備えている地熱回収装置である。

本発明では、熱交換器によって加熱された熱媒体が循環流路を熱水の状態で流れ、バイナリ発電装置によって熱媒体の熱エネルギーが電気エネルギーとして回収される。このため、ガス状の熱媒体によってタービンを駆動して電気エネルギーを回収するものに比べ、熱媒体からの入熱量を大きくすることができ、発電量を増大させることができる。また、熱媒体が沸騰するのが防止されるため、熱媒体の熱を効率的にバイナリ発電装置に伝達することができる。また、熱媒体の沸騰が抑制されて熱水の状態に維持されるため、十分な発電を確保できるだけでなく、熱交換器内等の管内の圧力が上昇した場合に対処できるための対策を施しておく必要がなくなる。

前記循環流路には、前記熱交換器を迂回するバイパス路が接続されていてもよい。この場合、前記地熱回収装置は、前記熱交換器に流入する熱媒体の流量と、前記バイパス路を通って前記熱交換器を迂回する熱媒体の流量との分流割合を調整する調整機構を備えていてもよい。

この態様では、立ち上げ運転時等の熱交換器に熱媒体が流入し始めるとき等、熱交換器において熱媒体が急激に加熱される場合があるときに、熱交換器に流入する熱媒体の流量を減らすことができる。これにより、熱交換器で大量の蒸気が生成されることを防止することができる。また、調整機構によって熱媒体の分流割合を調整することにより、バイナリ発電装置に向かって流れる熱媒体の温度を調整することが可能となる。

前記地熱回収装置は、前記循環流路における前記バイパス路の流出端と前記熱交換器との間に配置され、前記熱交換器で加熱された熱媒体をフラッシュさせるフラッシュタンクを備えていてもよい。

この態様では、熱交換器において熱媒体の一部が気化して気液二相の状態になったとしても、フラッシュタンクにおいて、液状の熱媒体とガス状の熱媒体とに分離することができる。このため、ガス状の熱媒体がバイナリ発電装置に導入されることを防止することができる。例えば、立ち上げ運転時の始め等において、少量の熱媒体を熱交換器に導入させると、気化した熱媒体が熱交換器から流出する。その場合、気化した熱媒体をフラッシュタンクでフラッシュさせることにより、少なくともその一部の熱媒体を液化させることができる。

前記地熱回収装置は、前記フラッシュタンクで分離されたガス状の熱媒体を排出する排出機構と、前記循環流路に熱媒体を補給する補給器と、を備えていてもよい。

この態様では、ガス状の熱媒体を排気する一方で、減った分の熱媒体を補給することにより、熱媒体の量が次第に減っていくことを防止することができる。しかも、ガス状の熱媒体を液化させる手段を設ける必要がない。

前記地熱回収装置は、前記熱交換器を通過した熱媒体と、前記熱交換器を迂回した熱媒体とを混合させる混合タンクを備えていてもよい。

この態様では、熱交換器で加熱された熱媒体と、熱交換器を迂回した熱媒体とが混合タンクで混合される。したがって、調整機構によって熱媒体の分流割合を調整することによって、混合タンク内の熱媒体の温度を調整することができ、この結果、バイナリ発電装置に向かって流れる熱媒体の温度を調整することができる。

前記地熱回収装置は、前記熱交換器の出側での圧力及び温度の監視しつつ、前記熱交換器に流入する熱媒体の流量を徐々に増やす立ち上げ運転を行う立ち上げ運転制御部を有していてもよい。

この態様では、地熱回収装置の立ち上げ時において、熱交換器へ流入させる熱媒体の流量を徐々に増やすため、熱交換器で大量の蒸気が生成されることを防止することができる。また、熱交換器の出側での圧力及び温度の監視を行うことにより、急激な温度変化及び圧力変化が起こることを防止することができるため、熱交換器及びその出側の配管が損傷することを防止することができる。

前記地熱回収装置は、前記循環流路における前記フラッシュタンクの出側に配置された開閉機構と、前記循環ポンプの停止時に、前記排出機構を開放するとともに前記開閉機構を閉鎖する制御を行う停止制御部を有していてもよい。

この態様では、循環ポンプを停止するときに、循環流路を流れる熱媒体の流量が急激に低下することによって、熱交換器において熱媒体が急激にガス化することがあるが、排出機構を開放にすることにより、ガス化した熱媒体を外部に排出することができる。これにより、熱交換器及びその出側の配管が損傷することを防止することができる。また、フラッシュタンクからバイナリ発電装置に熱媒体が流れることを防止するため、バイナリ発電装置にガス状の熱媒体が導入されるのを防止することができる。

本発明は、地中に設置され、地中の熱で循環流路を流れる熱媒体を加熱する熱交換器を備えた地熱回収装置の運転方法であって、熱交換器の出側での圧力及び温度の監視しつつ、前記熱交換器に流入する熱媒体の流量を徐々に増やす立ち上げ運転を行う地熱回収装置の運転方法である。

前記地熱回収装置の運転方法において、前記循環流路に設けられた循環ポンプの停止時に、フラッシュタンクで分離されたガス状の熱媒体を排出する排出機構を開放するとともに、前記フラッシュタンクとバイナリ発電装置との間に配置された開閉機構を閉鎖してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、地熱の熱エネルギーを利用した発電システムにおいて、発電量を増大させることができる。

本発明の実施形態に係る地熱回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 前記地熱回収装置の立ち上げ運転における運転動作を説明するフロー図である。 前記地熱回収装置が第１予備運転にある状態を説明するための図である。 前記地熱回収装置が第２予備運転にある状態を説明するための図である。 前記地熱回収装置が第３予備運転にある状態を説明するための図である。 前記地熱回収装置が通常運転にある状態を説明するための図である。 前記地熱回収装置の緊急停止時における運転動作を説明するフロー図である。 前記地熱回収装置が緊急停止時の運転状態を説明するための図である。 本発明のその他の実施形態に係る地熱回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 本発明のその他の実施形態に係る地熱回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 本発明のその他の実施形態に係る地熱回収装置の全体構成を概略的に示す図である。 本発明のその他の実施形態に係る地熱回収装置の全体構成を概略的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る地熱回収装置１０は、地熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する装置であり、熱媒体が循環する循環流路１２と、地中に設置される熱交換器１４と、バイナリ発電装置１６と、コントローラ２０と、を備えている。熱媒体としては、水が用いられているが、これに限られるものではない。

循環流路１２は、熱交換器１４及びバイナリ発電装置１６が接続されることにより閉ループを構成する流路であり、熱媒体が封入されている。循環流路１２には、循環ポンプ２２と、バッファタンク２４と、フラッシュタンク２６と、混合タンク２８とが設けられている。

循環ポンプ２２は、循環流路１２内で液状の熱媒体を循環させるものであり、熱媒体が熱水の状態に維持されるように熱媒体を加圧することができる。循環ポンプ２２から送り出された熱媒体は熱交換器１４に向かって流れる。

バッファタンク２４は、循環ポンプ２２の上流側に設けられている。循環流路１２におけるバッファタンク２４と循環ポンプ２２とを接続する部位の一端は、バッファタンク２４の底部においてバッファタンク２４に接続されている。このため、循環ポンプ２２における熱媒体の吸い込み口には、バッファタンク２４内に貯留された液状の熱媒体のヘッド圧がかかっている。このため、熱媒体が循環ポンプ２２に吸入される際に、キャビテーションを起こすことを防止することができる。

バッファタンク２４には、熱媒体が貯留されている。バッファタンク２４には、循環流路１２に熱媒体を補給する補給器３０が設けられている。補給器３０は、開閉弁ＶＷ５が開放されることによって、バッファタンク２４に熱媒体を供給する構成となっている。補給器３０は、手動で開閉弁ＶＷ５を開閉する構成であってもよく、後述する第４圧力検出器Ｐ４の検出値に応じて開閉弁ＶＷ５を開閉する構成であってもよい。

フラッシュタンク２６は、循環流路１２における熱交換器１４の下流側に配置されている。フラッシュタンク２６は、熱交換器１４で加熱された熱媒体をフラッシュさせるものであり、液状の熱媒体とガス状の熱媒体とに分離することができる。フラッシュタンク２６の下部には、通常運転時においては熱水の状態の熱媒体が貯留されることになる。フラッシュタンク２６内の液状の熱媒体は、底部から循環流路１２に導出される。

フラッシュタンク２６には、排出機構３２が設けられている。排出機構３２は、フラッシュタンク２６の上部に設けられており、開閉弁ＶＷ１によって排出機構３２を開放状態及び閉鎖状態に切り換えることができる。排出機構３２が開放状態にあるときには、フラッシュタンク２６内のガス状の熱媒体を外部に排出することができる。

混合タンク２８は、循環流路１２におけるフラッシュタンク２６とバイナリ発電装置１６との間に配置されている。また、循環流路１２には、フラッシュタンク２６と混合タンク２８との間の位置に開閉機構ＶＷ２が設けられている。混合タンク２８には、開閉弁ＶＷ３を備えたガス抜き機構３４が設けられている。

循環流路１２には、バイパス路３６が接続されている。バイパス路３６の一端部（流入端）は、循環流路１２における循環ポンプ２２と熱交換器１４との間に接続されている。バイパス路３６は、循環ポンプ２２から吐出された熱媒体を、熱交換器１４を迂回して循環流路１２におけるフラッシュタンク２６の下流側に合流させる。

バイパス路３６の他端部（流出端）は、混合タンク２８に直接接続されているが、これに限られるものではなく、混合タンク２８の上流側で循環流路１２に接続されていてもよい。

バイパス路３６の流入端には、熱媒体の分流割合を調整する調整機構３８として機能する三方弁ＶＷ４が設けられている。三方弁ＶＷ４は、循環ポンプ２２から送り出された熱媒体が、熱交換器１４に流入する熱媒体の流量に対して、熱交換器１４を迂回する熱媒体の流量の比を調整可能に構成されている。

熱交換器１４は、二重管式の熱交換器であり、外管１４ａと、外管１４ａ内に配置された内管１４ｂとを備えている。外管１４ａの一側（下側）の端部及び他側（上側）の端部はそれぞれ塞がれている。内管１４ｂの一側（下側）の端部は開放され、他側（上側）の端部は塞がれている。このため、内管１４ｂの内部空間は、内管１４ｂの下端を通じて外管１４ａの内側空間（すなわち、内管１４ｂの外側空間）と連通している。

外管１４ａの上端部には、循環流路１２から熱媒体が導入される導入口が形成され、内管１４ｂの上端部には、内管１４ｂの内部空間から循環流路１２に熱媒体を導出させる導出口が形成されている。外管１４ａの外周面は、地熱を受ける伝熱面として機能する。このため、熱交換器１４では、外管１４ａ内を流れる熱媒体が地熱を受けて加熱される。外管１４ａ内で加熱された熱媒体は、内管１４ｂ内に流入し、その後、循環流路１２に導出される。地熱は、例えば２５０℃程度あればよく、もっと高温であってもよい。なお、熱交換器１４は地中に完全に埋まっていてもよく、上部が地上に突出していてもよい。

バイナリ発電装置１６は、作動ポンプ１６ａと蒸発器１６ｂと膨張機１６ｃと凝縮器１６ｄと設けられた作動媒体の循環回路１６ｅを有している。作動ポンプ１６ａが駆動することにより、作動媒体が循環回路１６ｅ内を循環する。作動媒体はＲ２４５ｆａ等の低沸点冷媒である。作動ポンプ１６ａは、回転数を調整可能なポンプによって構成されている。

蒸発器１６ｂは、熱媒体によって作動媒体を加熱するように構成されており、作動媒体を蒸発させる。膨張機１６ｃは、蒸発器１６ｂで得られたガス状の作動媒体を膨張させる。膨張機１６ｃには、発電機１６ｆが接続されていて、膨張機１６ｃの動作によって発電機１６ｆによる発電が行われる。凝縮器１６ｄは、膨張機１６ｃで膨張した作動媒体を、ポンプ４０ａが駆動されることによって冷却回路４０を流れる冷却媒体（冷却水等）によって冷却し、ガス状の作動媒体を凝縮させる。冷却回路４０は冷却器４０ｂに接続されている。

地熱回収装置１０は、温度検出器Ｔ１〜Ｔ５及び圧力検出器Ｐ１〜Ｐ５を備えている。温度検出器Ｔ１〜Ｔ５は、熱媒体の温度を検出し、検出した温度に応じた信号を出力する。圧力検出器Ｐ１〜Ｐ５は、熱媒体の圧力を検出し、検出した圧力に応じた信号を出力する。

温度検出器Ｔ１〜Ｔ５としては、循環流路１２における熱交換器１４とフラッシュタンク２６との間の流路に配置された第１温度検出器Ｔ１と、循環流路１２におけるフラッシュタンク２６と混合タンク２８との間の流路に配置された第２温度検出器Ｔ２と、循環流路１２における混合タンク２８とバイナリ発電装置１６との間の流路に配置された第３温度検出器Ｔ３と、循環流路１２におけるバッファタンク２４と循環ポンプ２２との間の流路に配置された第４温度検出器Ｔ４と、循環流路１２における循環ポンプ２２と調整機構３８との間の流路に配置された第５温度検出器Ｔ５と、が設けられている。

圧力検出器Ｐ１〜Ｐ５としては、循環流路１２における熱交換器１４とフラッシュタンク２６との間の流路に配置された第１圧力検出器Ｐ１と、循環流路１２におけるフラッシュタンク２６と混合タンク２８との間の流路に配置された第２圧力検出器Ｐ２と、循環流路１２における混合タンク２８とバイナリ発電装置１６との間の流路に配置された第３圧力検出器Ｐ３と、循環流路１２におけるバッファタンク２４と循環ポンプ２２との間の流路に配置された第４圧力検出器Ｐ４と、循環流路１２における循環ポンプ２２と調整機構３８との間の流路に配置された第５圧力検出器Ｐ５と、が設けられている。

第１温度検出器Ｔ１及び第１圧力検出器Ｐ１は、熱交換器１４の出側での熱媒体の温度又は圧力を検出する。第２温度検出器Ｔ２及び第２圧力検出器Ｐ２は、フラッシュタンク２６から流出した液状の熱媒体の温度又は圧力を検出する。第３温度検出器Ｔ３及び第３圧力検出器Ｐ３は、バイナリ発電装置１６に導入される熱媒体の温度又は圧力を検出する。第４温度検出器Ｔ４及び第４圧力検出器Ｐ４は、循環ポンプ２２の吸入側での熱媒体の温度又は圧力を検出する。第５温度検出器Ｔ５及び第１圧力検出器Ｐ５は、ポンプの吐出側での熱媒体の温度又は圧力を検出する。

コントローラ２０は、第１〜第５温度検出器Ｔ１〜Ｔ５及び第１〜第５圧力検出器Ｐ１〜Ｐ５から出力された信号を受信するように構成されている。コントローラ２０は、記憶部、演算部等を備え、記憶部に記憶された制御プログラムを実行することにより、所定の機能を発揮する。この機能には、立ち上げ運転制御部２０ａと、通常運転制御部２０ｂと、停止制御部２０ｃと、が少なくとも含まれている。

立ち上げ運転制御部２０ａは、地熱回収装置１０を起動するときに行う運転を制御するものであり、バイナリ発電装置１６を起動するまでに、第１予備運転と、第２予備運転と、第３予備運転とをこの順に行うための制御を実行する。

第１予備運転では、立ち上げ運転制御部２０ａは、循環ポンプ２２を駆動する一方で、開閉弁ＶＷ２を閉鎖し、三方弁ＶＷ４における熱交換器側ポートを閉じる。このため、熱媒体は熱交換器１４を迂回するようにバイパス路３６を通して循環流路１２を循環する。また、第１予備運転では、ガス抜き機構３４の開閉弁ＶＷ３が開放されて、ガス抜きが行われる。また、第１予備運転では、冷却回路４０のポンプ４０ａが駆動されて、冷却媒体が冷却回路４０を流れる。

第１予備運転は、所定時間だけ行われ、予め設定された時間が経過すると、第２予備運転に移行する。第２予備運転では、立ち上げ運転制御部２０ａは、排出機構３２の開閉弁ＶＷ１を開放するとともに、三方弁ＶＷ４における熱交換器側ポートを少し開放する。このため、熱媒体は、少量ではあるが熱交換器１４に導入され、熱交換器１４で気化したガス状の熱媒体は、フラッシュタンク２６に設けられた排出機構３２から外部に排出される。第２予備運転において、所定の条件が満たされると、第３予備運転に移行する。

第３予備運転では、立ち上げ運転制御部２０ａは、開閉機構ＶＷ２を開放した状態で熱媒体を循環させる。第３予備運転では、バイナリ発電装置１６に供給される熱媒体が予め設定された温度になるまで行われ、その温度に達すると、立ち上げ運転を終了して、通常運転に切り換えられる。

通常運転制御部２０ｂは、第３温度検出器Ｔ３による検出値が予め設定された温度に到達したことに基づいてバイナリ発電装置１６を起動する。すなわち、バイナリ発電装置１６の作動ポンプ１６ａを起動する。これにより、作動媒体が循環回路１６ｅ内を循環し、発電が行われる通常運転となる。

停止制御部２０ｃは、地熱回収装置１０を緊急停止させるための制御を実行する。具体的に、停止制御部２０ｃは、地熱回収装置１０を緊急停止させるための指令（緊急遮断信号）を受けると、排出機構３２を全開とし、また三方弁ＶＷ４の熱交換器側ポートを閉鎖し、また、開閉機構ＶＷ２を閉じる。したがって、循環ポンプ２２から吐出された熱媒体が熱交換器１４に向かって流れることが防止される。一方、熱交換器１４に流入する熱媒体の量が減って、熱交換器１４において急激に気化するため、開閉機構ＶＷ２を閉じるとともに排出機構３２の開閉弁ＶＷ１を全開にすることにより、気化したガスを外部に排出するようにしている。

ここで、図２〜図６を参照しつつ、本実施形態に係る地熱回収装置１０の立ち上げ運転動作について説明する。なお、図３〜図６においては、三方弁ＶＷ４のうち、閉じられたポートは黒塗りで描かれ、開放されたポートは白抜きで描かれている。また、開閉弁ＶＷ１，ＶＷ３，ＶＷ５及び開閉機構ＶＷ２については、閉じられた状態が黒塗りで描かれ、開放した状態が白抜きで描かれている。

立ち上げ運転においては、まず、第１予備運転が行われる。図２及び図３に示すように、第１予備運転では、開閉弁ＶＷ２を閉鎖し、三方弁ＶＷ４におけるバイパス路側ポートとポンプ側ポートが連通した状態とする（ステップＳＴ１）。これにより、三方弁ＶＷ４の熱交換器側ポートが閉じる。そして、循環ポンプ２２を起動する（ステップＳＴ２）と、循環ポンプ２２から送り出された熱媒体は熱交換器１４及びフラッシュタンク２６を経由することなく、パイパス路を通して混合タンク２８に導入される。なお、このときの熱媒体は、加圧された状態ではあるが、熱交換器１４で加熱されることなる循環流路１２を流れるため、熱水の状態ではない。

第１予備運転においては、混合タンク２８に設けられたガス抜き機構３４の開閉弁ＶＷ３が開放されて、混合タンク２８のガス抜きが行われる（ステップＳＴ３）。したがって、バイパス路３６を経由した循環流路１２での熱媒体の循環を行いながら、混合タンク２８内のガス抜きを行う。また、第１予備運転では、冷却回路４０のポンプ４０ａが駆動されて、冷却媒体が冷却回路４０を流れる。なお、バイナリ発電装置１６のポンプは未だ起動されていない。

第１予備運転は所定時間だけ行われ、予め設定された時間が経過すると、第２予備運転となる。第２予備運転では、ガス抜き機構３４の開閉弁ＶＷ３を閉じる一方で、排出機構３２の開閉弁ＶＷ１を全開状態に開放するとともに、三方弁ＶＷ４における熱交換器側ポートを少し開放する（ステップＳＴ４）。すなわち、三方弁ＶＷ４は、ポンプ側ポートがバイパス路側ポートと熱交換器側ポートとに連通した状態となる。これにより、熱媒体は、少量ではあるが熱交換器１４に導入される。このとき、熱媒体は熱交換器１４において急激に気化するが、熱交換器１４に導入される熱媒体の量がまだ少ないため、熱交換器１４の出側において管内圧力が急激に上昇することはない。そして、熱交換器１４で気化したガス状の熱媒体は、フラッシュタンク２６に設けられた排出機構３２から外部に排出される。

このとき、立ち上げ運転制御部２０ａは、第４圧力検出器Ｐ４の検出値に応じて補給器３０の開閉弁ＶＷ５を開閉する。これにより、フラッシュタンク２６から排出された量に相当する量の熱媒体が補給され、バッファタンク２４内に貯留される熱媒体の量が安定する。

第２予備運転においては、熱交換器側ポートの開度を、所定時間毎に徐々に大きくする制御が行われる。すなわち、熱交換器側ポートの開度を所定時間だけ維持する制御を行った上で（ステップＳＴ５）、所定時間が経過すると、熱交換器１４の出側に設けられた第１温度検出器Ｔ１及び第１圧力検出器Ｐ１の検出値ｔ１，ｐ１に基づいて、熱交換器側ポートの開度を増加させるか否かの判断を行う（ステップＳＴ６）。具体的には、第２予備運転において、第１温度検出器Ｔ１及び第１圧力検出器Ｐ１の検出値ｔ１，ｐ１を監視しており、第１温度検出器Ｔ１の検出値ｔ１が閾値ａよりも大きく、かつ、第１圧力検出器Ｐ１の検出値ｐ１が閾値ｃよりも大きくなったかどうかを判断する。そして、この条件が満たされない場合には、予め設定された開度（ｂ％）だけ、三方弁ＶＷ４における熱交換器側ポートの開度を大きくする（ステップＳＴ７）。熱交換器側ポートの開度を大きくした後は、再度、ステップＳＴ５戻って、所定時間だけ、その開度を維持する。ここで、所定時間だけ待機するのは、熱交換器１４に導入される熱媒体の流量を増大させたとしても、熱交換器１４の出側での温度及び圧力がすぐに上がる訳ではないため、熱交換器１４に導入される熱媒体の流量が増加したことにより上昇した熱交換器１４の出側での温度及び圧力を検出するためである。このように所定時間待機しながら、熱交換器側ポートの開度を所定開度だけ大きくすることを繰り返して、熱交換器１４への熱媒体の導入量を徐々に増加させる。これにより、熱交換器１４の出側における圧力が急激に上昇するのを防止することができる。

そして、熱交換器１４の出側での熱媒体が特定の温度ａよりも高くなり、かつ特定の圧力ｃよりも高くなった、という条件が成立すると（ステップＳＴ６においてＹＥＳ）、図５にも示すように、第３予備運転に移行し、開閉機構ＶＷ２が開放される（ステップＳＴ８）。この条件は、熱交換器１４の出側での熱媒体が熱水の状態にあるか否かを判断するものである。そして、開閉機構ＶＷ２が開放されると、熱交換器１４で加熱された熱媒体も混合タンク２８に導入されるようになる。すなわち、熱交換器１４に導入される熱媒体の流量が増大するのに伴い、熱交換器１４からガスの状態で導出される熱媒体の量が次第に減る一方で、液状態のまま熱交換器１４から導出される熱媒体の量が次第に増える。そして、過冷却の状態（加圧状態下において、飽和温度よりも低い温度の液状態すなわち熱水の状態）の熱媒体が熱交換器１４から流出するようになる。この過冷却状態の熱媒体が混合タンク２８に導入される。なお、第３予備運転の当初においても、排出機構３２の開閉弁ＶＷ１は、全開状態に維持されている。

続いて、第２温度検出器Ｔ２による検出値ｔ２が予め設定された温度ｄよりも高くなったか否かを判断する（ステップＳＴ９）。検出値ｔ２が温度ｄ以下であえば、所定時間（ｅ分）待機し（ステップＳＴ１０）、再度、検出値ｔ２が温度ｄよりも高くなったか否かを判定する。そして、検出値ｔ２が温度ｄよりも高くなるとバイナリ発電装置１６を起動する（ステップＳＴ１１）。このとき、排出機構３２の開閉弁ＶＷ１を一定時間で全閉とする（ステップＳＴ１２）。そして、図６に示すように、三方弁ＶＷ４は、バイパス路側ポートを全閉とし、ポンプ側ポートと熱交換器側ポートとが連通した状態とする（ステップＳＴ１３）。これにより、地熱回収装置１０は通常運転に移行し（ステップＳＴ１４）、循環ポンプ２２から吐出された加圧状態の熱媒体は、バイパス路３６を流れることなく、熱交換器１４に導入され、熱交換器１４において加熱される。熱交換器１４から流出する熱媒体は熱水の状態であり、フラッシュタンク２６に導入される。フラッシュタンク２６内の熱水の状態の熱媒体は、混合タンク２８を経由して、バイナリ発電装置１６の蒸発器１６ｂに導入される。バイナリ発電装置１６では、蒸発器１６ｂにおいて、作動媒体が熱媒体によって蒸発し、蒸発した作動媒体は膨張機１６ｃを駆動する。膨張機１６ｃの駆動によって発電機において発電が行われる。つまり、熱媒体の熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する。膨張機１６ｃを駆動した作動媒体は、凝縮器１６ｄにおいて冷却水によって凝縮し、作動ポンプ１６ａによって蒸発器１６ｂに送られる。バイナリ発電装置１６においては、このような動作が行われている。なお、立ち上げ運転当初においては、フラッシュタンク２６内に貯留された熱媒体は、飽和液の状態であるが、通常運転時には、熱水の状態の熱媒体がフラッシュタンク２６内に導入されるようになる。したがって、通常運転時には、熱水の状態の熱媒体がフラッシュタンク２６に貯留されることになる。

地熱の温度はほぼ安定しているため、通常運転に移行した後は、バイナリ発電装置１６の蒸発器１６ｂに導入される熱媒体の温度はほぼ安定している。ただし、通常運転において、第３温度検出器Ｔ３により、バイナリ発電装置１６の蒸発器１６ｂに導入される熱媒体の温度を監視し、第３温度検出器Ｔ３の検出値に応じて、三方弁ＶＷ４におけるバイパス路側ポートの開度を調整するようにしてもよい。

次に、地熱回収装置１０の緊急停止時の運転動作について、図７及び図８を参照しつつ説明する。緊急停止時、すなわち、コントローラ２０が、地熱回収装置１０を緊急停止させるための指令（緊急遮断信号）を受けると（ステップＳＴ２１）、停止制御部２０ｃは、排出機構３２の開閉弁ＶＷ１を全開状態とするとともに、三方弁ＶＷ４のバイパス路側ポートとポンプ側ポートとが連通した状態とする（ステップＳＴ２２）。これにより、三方弁ＶＷ４の熱交換器側ポートが閉じられ、循環ポンプ２２から吐出された熱媒体は、熱交換器１４に導入されることなく、バイパス路３６を流れ、混合タンク２８に導入される。また、排出機構３２の開閉弁ＶＷ１が全開状態となることにより、熱交換器１４で気化したガス状の熱媒体は排出機構３２から外部に放出される。これにより、熱交換器１４及びその出側の配管が高圧になることを抑制できる。なお、バイナリ発電装置１６は緊急停止される。

以上説明したように、本実施形態では、熱交換器１４によって加熱された熱媒体が循環流路１２を熱水の状態で流れ、バイナリ発電装置１６によって熱媒体の熱エネルギーが電気エネルギーとして回収される。このため、ガス状の熱媒体によってタービンを駆動して電気エネルギーを回収するものに比べ、熱媒体からの入熱量を大きくすることができ、発電量を増大させることができる。また、熱媒体が沸騰するのが防止されるため、熱媒体の熱を効率的にバイナリ発電装置１６に伝達することができる。また、熱媒体の沸騰が抑制されて熱水の状態に維持されるため、十分な発電を確保できるだけでなく、熱交換器内等の管内の圧力が上昇した場合に対処できるための対策を施しておく必要がなくなる。

また本実施形態では、熱交換器１４に流入する熱媒体の流量と、熱交換器１４を迂回する熱媒体の流量との分流割合を調整する調整機構３８が設けられている。このため、立ち上げ運転時等の熱交換器１４に熱媒体が流入し始めるとき等、熱交換器１４において熱媒体が急激に加熱される場合があるときに、熱交換器１４に流入する熱媒体の流量を減らすことができる。これにより、熱交換器１４で大量の蒸気が生成されることを防止することができる。また、調整機構３８によって熱媒体の分流割合を調整することにより、バイナリ発電装置１６に向かって流れる熱媒体の温度を調整することができる。

また本実施形態では、熱交換器１４において熱媒体の一部が気化して気液二相の状態になったとしても、フラッシュタンク２６において、液状の熱媒体をガス状の熱媒体とに分離することができる。このため、ガス状の熱媒体がバイナリ発電装置１６に導入されることを防止することができる。例えば、立ち上げ運転時の始めは、少量の熱媒体を熱交換器１４に導入させると、気化した熱媒体が熱交換器１４から流出する。その場合、気化した熱媒体をフラッシュタンク２６でフラッシュさせることにより、少なくともその一部の熱媒体を液化させることができる。

また本実施形態では、排出機構３２及び補給器３０が設けられているため、ガス状の熱媒体を排気する一方で、減った分の熱媒体を補給することにより、熱媒体の量が次第に減っていくことを防止することができる。しかも、ガス状の熱媒体を液化させる手段を設ける必要がない。

また本実施形態では、熱交換器１４で加熱された熱媒体と、熱交換器１４を迂回した熱媒体とが混合タンク２８で混合される。したがって、調整機構３８によって熱媒体の分流割合を調整することによって、混合タンク２８内の熱媒体の温度を調整することができ、この結果、バイナリ発電装置１６に向かって流れる熱媒体の温度を調整することができる。

また本実施形態では、地熱回収装置１０の立ち上げ時において、熱交換器１４へ流入させる熱媒体の流量を徐々に増やすため、熱交換器１４で大量の蒸気が生成されることを防止することができる。また、急激な温度変化及び圧力変化が起こることを防止することができるため、熱交換器１４及びその出側の配管が損傷することを防止することができる。

また本実施形態では、循環ポンプ２２を停止するときに、循環流路１２の流量が急激に低下することによって、熱交換器１４において熱媒体が急激にガス化することがあるが、排出機構３２を全開にすることにより、ガス化した熱媒体を外部に排出することができる。これにより、熱交換器１４及びその出側の配管が損傷することを防止することができる。また、フラッシュタンク２６からバイナリ発電装置１６に熱媒体が流れることを防止するため、バイナリ発電装置１６にガス状の熱媒体が導入されるのを防止することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、第４圧力検出器Ｐ４の検出値に応じて開閉弁ＶＷ５を開閉することによって、バッファタンク２４内の熱媒体量を安定させる構成としたが、これに限られるものでない。循環流路１２内に封入されている熱媒体の量に応じて液面高さが変わるため、図９に示すように、バッファタンク２４に液面検出器２４ａが設けられていてもよい。この場合、第４温度検出器Ｔ４及び第４圧力検出器Ｐ４を省略することができる。立ち上げ運転制御部２０ａは、液面検出器２４ａが液面に応じた信号を出力する構成の場合には、液面検出器２４ａから受け取った信号に基づいて、開閉弁ＶＷ５を開閉する構成であってもよい。

前記実施形態では、熱交換器１４に流入する熱媒体の流量と、熱交換器１４を迂回する熱媒体の流量との分流割合を調整する調整機構３８が三方弁ＶＷ４によって構成された例を説明したが、調整機構３８の構成はこれに限られない。例えば、図１０に示すように、調整機構３８は、循環流路１２におけるバイパス路３６の接続部位と熱交換器１４との間に配置された第１流量調整弁３８ａと、バイパス路３６に配置された第２流量調整弁３８ｂとを有する構成としてもよい。

前記実施形態では、熱交換器１４が、二重管式の熱交換器１４で構成された例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、図１１に示すように、熱交換器１４は、Ｕ字管からなる熱交換器１４で構成されていてもよい。

前記実施形態では、混合タンク２８が設けられているが、これに限られるものではない。例えば、図１２に示すように、混合タンク２８が省略され、バイパス路３６の一端（流出端）が循環流路１２におけるフラッシュタンク２６とバイナリ発電装置１６との間の部位に直接接続されていてもよい。

１０ 地熱回収装置
１２ 循環流路
１４ 熱交換器
１６ バイナリ発電装置
２０ コントローラ
２０ａ 運転制御部
２０ｂ 通常運転制御部
２０ｃ 停止制御部
２２ 循環ポンプ
２４ バッファタンク
２６ フラッシュタンク
２８ 混合タンク
３０ 補給器
３２ 排出機構
３６ バイパス路
３８ 調整機構
ＶＷ２ 開閉機構

Claims (9)

1. 循環ポンプが設けられ、前記循環ポンプによって加圧された熱媒体が熱水の状態で循環する循環流路と、
   地中に設置され、地中の熱で前記循環流路を流れる熱媒体を加熱する熱交換器と、
   前記熱交換器で加熱された前記熱媒体から熱エネルギーを電気エネルギーとして回収するバイナリ発電装置と、
   を備えている地熱回収装置。
2. 前記循環流路には、前記熱交換器を迂回するバイパス路が接続されており、
   前記熱交換器に流入する熱媒体の流量と、前記バイパス路を通って前記熱交換器を迂回する熱媒体の流量との分流割合を調整する調整機構を備えている請求項１に記載の地熱回収装置。
3. 前記循環流路における前記バイパス路の流出端と前記熱交換器との間に配置され、前記熱交換器で加熱された熱媒体をフラッシュさせるフラッシュタンクを備えている請求項２に記載の地熱回収装置。
4. 前記フラッシュタンクで分離されたガス状の熱媒体を排出する排出機構と、
   前記循環流路に熱媒体を補給する補給器と、を備えている請求項３に記載の地熱回収装置。
5. 前記熱交換器を通過した熱媒体と、前記熱交換器を迂回した熱媒体とを混合させる混合タンクを備えている請求項２から４の何れか１項に記載の地熱回収装置。
6. 前記熱交換器の出側での圧力及び温度の監視しつつ、前記熱交換器に流入する熱媒体の流量を徐々に増やす立ち上げ運転を行う立ち上げ運転制御部を有する請求項１からから５の何れか１項に記載の地熱回収装置。
7. 前記循環流路における前記フラッシュタンクの出側に配置された開閉機構と、
   前記循環ポンプの停止時に、前記排出機構を開放するとともに前記開閉機構を閉鎖する制御を行う停止制御部を有する請求項４に記載の地熱回収装置。
8. 地中に設置され、地中の熱で循環流路を流れる熱媒体を加熱する熱交換器を備えた地熱回収装置の運転方法であって、
   熱交換器の出側での圧力及び温度の監視しつつ、前記熱交換器に流入する熱媒体の流量を徐々に増やす立ち上げ運転を行う地熱回収装置の運転方法。
9. 前記循環流路に設けられた循環ポンプの停止時に、フラッシュタンクで分離されたガス状の熱媒体を排出する排出機構を開放するとともに、前記フラッシュタンクとバイナリ発電装置との間に配置された開閉機構を閉鎖する請求項８に記載の地熱回収装置の運転方法。

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