JP2017210889A - ８本以上の細管を備えた地熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【目的】地熱との熱交換のために地中に流される流体を効率的に地熱と熱交換できる、８本以上の細管を含む地熱回収装置を提供する。【構成】地下において地熱が伝導される外管であって少なくとも底部を含む下方部分が閉塞されている外管と、前記外管内の略中央に配置される内管と、前記外管と内管の間の隙間に配置される８本以上の細管とを備えており、前記８本以上の各細管は、それぞれ、流体が自らの内部で地熱と熱交換されながら自らの内部と前記外管の底部又はその近傍と前記内管の内部と地上の負荷機器との間を循環的に流通するように構成されている。前記８本以上の各細管は、それぞれ、その前記外管側の各側面が前記外管の内壁面に近接又は当接するように配置されている。【選択図】 図１

Description

本発明は地熱発電システムなどに使用可能な地熱回収装置に関する。

従来より、地熱貯留層まで掘削した生産井から地熱による蒸気や熱水を採取して地上での発電に利用する地熱発電システムが実用化されている。図３はこのような従来の地熱発電システムの一例を示す図である。図３に示す従来例では、生産井１から取り出した熱水と地熱蒸気をセパレータ３により分離し、分離した蒸気によりタービン４を駆動して発電機５により発電を行い、発電に使用された後の蒸気は、復水器６において冷却水で冷却されて復水され、セパレータ３からの熱水と共に還元井２から地中に還元される。

特開２０１０−２７０６７９号公報 特許第４４８５４６５号公報

しかしながら、上記の図３に示すような従来の地熱発電システムにおいては、地熱貯留層からの熱水又は蒸気を生産井１のストレーナ（多数のスリット又は穴を有する部分）を通して生産井１の内部に直接取り入れ、これを地上に汲み上げて発電に使用する（一部は還元井２で地中に戻す）ようにしていたので、近くの温泉を枯渇させるなど地熱貯留層周辺の地下水系に悪影響を与えてしまう、地熱発電の過程で地熱貯留層からの熱水又は蒸気中の硫黄等の成分が地熱発電に使用する装置にスケールとして固着・堆積し配管等が劣化したりスケールを取り除くために多額のメンテナンス費用が発生してしまうなどの問題があった。

ところで、このような問題点を解決するために、まだ公知ではないが図４に示すような循環型地熱発電システムが発明されている（特願２０１４−２３９２３６）。図４において、１１は地中の約３００〜６００ｍ深さ、例えば約５００ｍ深さの地熱貯留層１３まで埋設された例えばステンレス鋼製（良熱伝導性材料ならば他の素材でもよい）の外管（この外管１１は、地中に埋設された温泉井用管であって過去には温泉井用に使用されていたが現在は温泉井用として使用されていない温泉井用管の内部に配置されるものでもよい）、１２は前記外管１１内に配置される例えばステンレス鋼製の内管であってその底部１２ａ又はその近傍部分が開放されている内管である。図４において、前記外管１１は、内径が例えば３０ｍｍに形成され側方及び下方部分は全て閉塞されている。前記内管１２は、内径が例えば１５ｍｍに形成され上端側開口部１２ｂと底部（下端部）１２ａ又はその近傍部分が共に開口部となっている。前記内管１２の底部１２ａは、前記外管１１の底部１１ａ（又はその上面１１ａａ）の近傍の位置（例えば約１００ｍだけ上方の位置）に配置されている。

図４の地熱発電システムでは、流体、例えば工業用水（熱媒体でもよい）が、前記外管１１と内管１２との間の隙間１５内を下降させられ、前記内管１２の底部１２ａと前記外管１１の底部１１ａとの間の例えば約１００ｍの長さを有する底部近傍領域１４に送られて前記底部近傍領域１４の中を流動している間に、外部の地熱貯留層１３中の地熱と熱交換されて高温の熱水となった後、前記内管１２内を地上方向へ上昇する。

また図４のシステムにおいて、１６は、前記内管１２中を下降した後に前記外管１１内の底部近傍領域１４において地熱と熱交換されて前記内管１２内を地上まで上昇した熱水が前記内管１２の上端側開口部１２ｂを介して供給される蒸発器であって前記熱水を加熱（及び減圧）して蒸気を発生させる蒸発器、１７は前記蒸発器１６からの蒸気により駆動される発電用タービン、１７ａは前記タービン１７により駆動される発電機、１８は前記タービン１７の駆動に使用された蒸気を水に戻す復水器、１９ａは前記復水器１８からの水及び前記蒸発器１６において蒸気と分離された熱水をいったん貯留する貯水槽、１９は前記貯水槽１９ａからの熱水を外管１１と内管１２との間の隙間１５の上方の開口部１１ｂから前記隙間１５内に加圧注入する循環ポンプである。また図４の地熱発電システムにおいて、２０は、前記内管１２、前記外管１１内の底部近傍領域１４、前記内管１２と外管１１の隙間１５、前記蒸発器１６、前記タービン１７、前記復水器１８、及び前記貯水槽１９ａを繋ぐ閉流路であって、前記循環ポンプ１９により前記熱水が循環される閉流路又はこれを構成するパイプである。

ところで、前述のような循環型地熱発電システム（図４）においては、地熱貯留層１３中の熱水又は蒸気そのものを地上に汲み上げることがないので近くの温泉を枯渇させるなど地熱貯留層１３周辺の地下水系に悪影響を与えることを避けることができる、地熱発電の過程で地熱貯留層１３中の熱水又は蒸気中に含まれている硫黄等の成分が装置にスケールとして固着・堆積してしまうことによる配管等の劣化やスケールを除去するためのランニングコストの増大化を防ぐことができるなどのメリットが存在する。しかし、このような循環型地熱発電システム（図４）においても、循環される水等が前記外管１１と内管１２との間の隙間１５と外管１１内の底部近傍領域１４とにおいて地熱と熱交換される際の熱交換効率をさらに大きく向上させることが強く要請されていた。

本発明はこのような課題に着目して為されたものであって、地熱との熱交換のために流通される水等の流体が地下パイプ中でより効率的に地熱と熱交換されるようにした地熱回収装置を提供することを目的とする。

以上のような課題を解決するための本発明による８本以上の細管を備えた地熱回収装置は、地下において地熱が伝導される外管であって少なくとも底部を含む下方部分が閉塞されている外管と、前記外管内の略中央に配置され、上部及び底部又はそれらの近傍部分が開口部となっている内管と、前記外管と内管の間の隙間に配置される８本以上の細管とを備えており、前記８本以上の各細管は、それぞれ、流体が自らの内部で地熱と熱交換されながら自らの内部と前記外管の底部又はその近傍と前記内管の内部と地上の負荷機器との間を循環的に流通するように構成されている。

また、本発明においては、前記８本以上の各細管は、それぞれ、その前記外管側の各側面が前記外管の内壁面に近接又は当接するように配置されていてもよい。

また、本発明においては、前記８本以上の各細管は、前記外管中の地下地熱貯留層と対向する部分又はその周辺部分だけに対向又は当接するように配置されていてもよい。

さらに、本発明においては、前記外管と前記８本以上の各細管との間の隙間に熱伝導性の良い材料が充填されていることが望ましい。

本発明においては、地下において地熱が伝導される外管の内部に８本以上の細管が配置され、前記８本以上の各細管内をそれぞれ流体が流通しながら、外管に伝導された地熱と熱交換される。この場合、前記８本以上の各細管内を流体が流通するときは、単に外管と内管との間の隙間を流体が流通するときと比較して、流体の流通方向と直交する断面積が複数の小さな断面積に分割されるため、流体全体としては外管から地熱を受ける面積が大きく増大する。よって、本発明によれば、例えば外管と内管との間の隙間を流体が流通する場合と比較して、前記８本以上の各細管内を流通する流体と地熱との熱交換効率を、大幅に向上させることができる。

また、本発明において、前記８本以上の細管を、それぞれ、その前記外管側の各側面が前記外管の内壁面に近接又は当接するように配置したときは、前記外管に伝導・保持された地熱を前記８本以上の細管及びその内部の流体に効率的に伝導することができるので、前記外管内での前記流体（前記各８本以上の各細管内を流通する流体）の地熱との熱交換効率をより高めることができる。

また、本発明において、前記８本以上の細管を、前記外管中の地下地熱貯留層と対向する部分又はその周辺部分だけに対向又は当接するように配置したときは、前記８本以上の細管の各長さを地下地熱貯留層からの地熱との熱交換のために必要かつ有効な最小限度だけに抑えることができる結果、前記８本以上の細管を含む地熱回収装置の製造コストを最小限に抑制することができる。

さらに本発明において、前記外管と前記８本以上の各細管との間の隙間に熱伝導性の良い材料（水などの物質）を充填するようにしたときは、前記外管に伝導・保持された地熱を、前記隙間内に充填された物質を介して、前記８本以上の細管及びその内部の流体に、より効率的に伝導できるようになる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る計８本の細管を備えた地熱回収装置を説明するための一部に断面を含む概略図、（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。 （ａ）は本実施形態において外管内で計８本の各細管を保持する上側保持部を説明するための斜視図、（ｂ）はその平面図である。 本発明の他の実施形態に係る計１０本の細管を備えた地熱回収装置において外管内で計１０本の細管を保持する上側保持部を説明するための断面図である。 従来の地熱発電システムの一例を説明するための概略図である。 まだ公知ではないが発明されている循環型地熱発電システム（特願２０１４−２３９２３６）を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態に係る地熱回収装置を図面を参照して説明する（なお、図１などにおいて、図４と共通する部分には同一の符号を付している）。図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る８本の細管を備えた地熱回収装置を説明するための一部に断面を含む概略図、同（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。図１（ａ）において、１１は地中の５０〜１５００ｍ、例えば５００ｍの深さまで埋設された外管である。前記外管１１の外径は、例えば約２００〜３００ｍｍである。

また図１において、１２は、前記外管１１内の略中央に前記外管１１と略平行に配置される内管である。前記内管１２の底部１２ａは、開口部となっており、前記外管１１の底部１１ａの近傍の範囲（前記外管１１の底部１１ａから数十〜２００ｍ前後離れた範囲を含む）に配置されている。また、本実施形態では、前記外管１１と内管１２との間の隙間に、例えば８本の細管２１が前記外管１１及び内管１２と略平行に延びるように配置されている。前記８本の各細管２１は、それぞれ、前記外管１１の内壁面に近接（又は当接）するように配置されている。

図１は、本実施形態が例えば図４に示すような循環型地熱発電システムに適用された例を示している。図１において、前記外管１１と内管１２との隙間１５の上方の開口部１１ｂに循環ポンプ１９が接続され、前記内管１２の上端側開口部１２ｂに蒸発器１６がパイプ２０で接続されている。図１の貯水槽１９ａ、循環ポンプ１９、及び蒸発器１６は、発電用タービン１７及び復水器１８を介して互いにパイプ２０で接続されている。これにより、前記の蒸発器１６、発電用タービン１７、復水器１８、貯水槽１９ａ、循環ポンプ１９、外管１１及び内管１２により閉流路が形成されている。

前記外管１１と内管１２との間の隙間１５内に配置される前記８本の各細管２１は、図１（ｂ）に示すように、それぞれの外管１１側の外壁面が外管１１の内壁面に近接した状態で配置されている。また、前記８本の各細管２１は、図１（ｂ）に示すように、前記外管１１と内管１２との間に、前記８本が互いに等間隔で並ぶように配置されている。

また、図１（ａ）に示すように、前記８本の各細管２１は、前記外管１１の図示上下方向における途中部分からその下方の底部１１ａ近傍まで延びるように、備えられている。すなわち、前記８本の各細管２１は、前記外管１１中の地下地熱貯留層（図４の符号１３参照）と対向する部分（例えば図１の前記外管１１の底部１１ａから地上方向に約１００〜２００ｍの範囲内の部分）だけに対向又は当接するように、配置されている。このような各細管２１は、外管１１の前記途中部分と底部１１ａ近傍の部分とにそれぞれ配置・固定される上側保持部２２と下側保持部２３により、保持されている。

図２Ａ（ａ）は前記の各細管２１を保持する上側保持部２２を示す斜視図、同（ｂ）はその平面図である。図２Ａ（ａ）及び（ｂ）に示すように、上側保持部２２は略リング状の部材で、その中央に前記内管１２が挿通される比較的大きな穴が形成されている。また前記上側保持部２２中の前記内管１２が挿入される穴の周囲には、計８個の比較的小さな穴が互いに均等間隔に円周状に並ぶように形成、配置されている。これらの計８個の各穴には、それぞれ前記各細管２１の上端部２１ａ及びその近傍部分が挿入されている。前記各細管２１の上端部２１ａは、その上方の前記隙間１５（図１（ａ）参照）からの水を自らの内部に流入させるべく開口されている。また図２Ａ（ｂ）に示すように、前記各細管２１の前記外管１１側の側面（外壁面）２１ｃは、前記外管１１の内壁面に近接するように配置されている。なお、この図２Ａでは上側保持部２２を図示して説明したが、下側保持部２３（図１（ａ）参照）についてもほぼ同様の構成となっている。

また本実施形態では、前記外管１１と前記８本の各細管２１との間の隙間には、外管１１に伝導・保持されている地熱を前記８本の各細管２１及びその中の水に伝導し易いように、熱伝導性の良い物質、例えば水などが充填されている。

次に本実施形態の動作を説明する。本実施形態では、図１（ａ）に示すように、循環ポンプ１９から圧入された水は、当初は前記外管１１と内管１２との間の隙間１５内を下降する（図１（ａ）の符号Ａ参照）が、途中からは、前記上側保持部２２に保持された計８本の各細管２１の各上端部２１ａ（開口部）内から各細管２１内に入り、その中を下降する（図１（ａ）の符号Ｂ参照）。前記各細管２１内を下降した水は、前記循環ポンプ１９の力により、前記各細管２１の下端部２１ｂの開口部から勢い良く噴出され、前記外管１１の底部１１ａ及びその周辺を流動した後に反転して（図１（ａ）の符号Ｃ参照）、前記内管１２内に入り、その中を上昇する（図１（ａ）の符号Ｄ参照）。

前記水は、前述のように計８本の各細管２１内を下降するとき（図１の矢印Ｂ参照）、前記外管１１に保持された地熱と熱交換される。また、前記水は、前述のように計８本の各細管２１の下端部２１ｂから噴出された後、前記外管１１の底部１１ａ及びその近傍領域１４内を流動するとき（図１の矢印Ｃ参照）、前記外管１１の底部１１ａ及びそのその近傍領域１４に保持された地熱と熱交換されて熱水となる。

前記のようにして熱交換された熱水は、前記循環ポンプ１９の力により前記内管１２内を上昇した後、前記内管１２の上端部（開口部）１２ｂから蒸発器１６に供給される。前記蒸発器１６に供給された熱水は、そこで蒸気に変換されて発電用タービン１７を回転させ発電機１７ａを駆動させた後、復水器１８から前記貯水槽１９ａを経て循環ポンプ１９へと流通する。この熱水は、前記循環ポンプ１９により、さらに前記外管１１と内管１２の間の隙間１５内に加圧注水され、以後は前記の閉流路中を前記と同様に循環する。なお、本実施形態では、前記のように熱水を連続的に循環させる場合、循環される熱水の温度は概ね５０〜６０℃となる。

以上のように、本実施形態によれば、従来例（図３に示す例）のように地熱貯留層１３中の熱水又は蒸気を直接に地上に汲み上げることがないので、従来のように近くの温泉を枯渇させるなど地熱貯留層近傍の地下水系に悪影響を与えてしまうという不都合を避けることができる。また本実施形態によれば、従来例（図３に示す例）のように地熱貯留層１３中の熱水又は蒸気を直接に地上に汲み上げることがないので、従来のように地熱発電の過程で地熱貯留層からの熱水又は蒸気中に含まれている硫黄等の成分が地熱発電などに使用する装置にスケールとして固着・堆積して配管等が劣化したり前記スケールを取り除くために多額のメンテナンス費用が発生してしまうという不都合を避けることができる。

また本実施形態では、地下において地熱が伝導される外管１１の内部に計８本の各細管２１が配置され、前記８本の各細管２１内を水が流通しながら、外管１１に伝導された地熱と熱交換される。この場合、前記８本の各細管２１内を水が流通する場合は、単に外管１１と内管１２との間の隙間１５を水が流通する場合（図１（ａ）において前記上部保持部２２より上方の隙間１５内を水が下降する場合）と比較して、水の流通方向と直交する断面積が計８個の小さな断面積に分割されるため、水全体としては外管１１から地熱を受ける面積が大きく増大する。よって、本実施形態によれば、例えば単に外管１１と内管１２との間の隙間１５を水が流通する場合と比較して、前記８本の各細管２１内を流通する水と地熱との熱交換効率を、大幅に向上させることができる。

また、本実施形態では、前記８本の各細管２１を、それぞれ、その前記外管１１側の外壁面２１ｃが前記外管１１の内壁面に近接するように配置したので、前記外管１１に伝導・保持された地熱を前記８本の各細管２１及びその内部の水に効率的に伝導することができ、前記外管１１内での前記水（前記各８本の細管２１内を流通する水）の地熱との熱交換効率をより高めることができる。

また、本実施形態では、前記８本の各細管２１を、前記外管１１中の地下地熱貯留層１３と対向する部分又はその周辺部分だけに対向又は当接するように配置したので、前記８本の各細管２１の各長さを地下地熱貯留層からの地熱との熱交換のために必要かつ有効な最小限度だけに抑えることができ、前記８本の各細管２１を含む地熱回収装置の製造コストを最小限に抑制することができる。

さらに本実施形態では、前記外管１１と前記８本の各細管２１との間の隙間に熱伝導性の良い材料、例えば水を充填するようにしたので、前記外管１１に伝導・保持された地熱を、前記隙間内に充填された水（熱伝導性の良い物質）を介して、前記８本の各細管２１及びその内部の水に、より効率的に伝導できるようになる。

次に図２Ｂは本発明の他の実施形態を示す図で、計１０本の細管２５を備えた地熱回収装置において外管１１内で計１０本の細管２５を保持する上側保持部２２を説明するための断面図である。図２Ｂに示すように、この他の実施形態では、前記上側保持部２２により計１０本の細管２５を外管１１（外径は例えば約１５０〜２５０ｍｍ）と内管１２（外径は例えば約５０〜１５０ｍｍ）との間の隙間１５内に平面略円周状に並ぶように配置している。そして、この図２Ｂに示す他の実施形態では、前記各細管２５が計１０本存在しているので、各細管２５中の互いに隣り合うもの同士の距離は、極めて短い距離（ゼロに近い距離）となっている。また、前記各細管２５と前記外管１１の内壁面との間の距離も、極めて短い距離（ゼロに近い距離）となっている（これに対し、前記の図２Ａに示す実施形態では、計８本の各細管２１は、互いに所定の間隔（距離）を介して隣り合っており、外管１１の内壁面との間の距離も少し存在していた）。

よって、この図２Ｂに示す他の実施形態によれば、前記外管１１と内管１２との間の平面略ドーナツ状（略リング状）の隙間１５中にできるだけ多数の細管２５を配置することができると共に前記各細管２５と外管１１の内壁面との間の距離をできるだけ小さくすることができるので、前記隙間１５のスペースを有効活用することができ、前記外管１１に伝導・保持された地下地熱貯留層からの地熱を、極めて効率的に、前記各細管２５及びその内部で流通する水に伝導し熱交換することができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、前記実施形態では、水などの流体を流通させながら外管１１に伝導・保持されている地熱と熱交換させるための各細管２１を８本としたが、本発明ではこれに限られることなく、例えば１０本、１２本、１４本、１６本などの任意の複数の本数とすることができる。

また、例えば、前記実施形態では、地中に対して直接に外管１１を埋設した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、地中の例えば５００ｍ以上の深さまで埋設された温泉井用管であって過去には温泉井用に使用されていたが現在は温泉井用として使用されていない温泉井用管（その下方部分には、外部の地熱貯留層１３中の熱水及び蒸気を自ら（温泉井用管）の内部に導入するための多数のスリット又は穴を有するストレーナが形成されている）の内部に、前記外管１１などを配置するようにしてもよい。

また、前記図１に示す例（前記実施形態が図４に示すような循環型地熱発電システムに適用された例）では、前記８本の各細管２１内を流通する過程で地熱（地熱貯留層から外管１１に伝導され保持された地熱）と熱交換された熱水を地上に上昇させて前記蒸発器１６で蒸気化し、この蒸気により発電用タービン１７を駆動する方式を採用した例を示したが、本発明が適用可能な地熱発電システムはこれに限定されるものではなく、例えば、前記地熱と熱交換された熱水を地上に上昇させた後は、この熱水を低沸点の熱媒体を蒸気化する蒸発器の１次側に供給し、前記蒸発器の２次側から低沸点の熱媒体の蒸気を取り出し、この低沸点の熱媒体の蒸気により発電用タービンを駆動するバイナリー発電方式を採用することも可能である（この場合、前記８本の各細管２１の内部で地熱と熱交換された熱水は、例えば前記８本の各細管２１内を地上まで上昇した後、蒸発器（熱交換器）に送られて熱媒体を蒸気化するために使用され、その後、循環ポンプにより例えば前記８本の各細管２１内に圧入されるので、前記地熱と熱交換された後の熱水は、前記のような８本の各細管２１、蒸発器及び循環ポンプなどが設けられた閉流路中を循環するだけで、発電用タービンの駆動には直接には利用されない。このようにした場合は、前記外管１１の外側の地熱貯留層１３中に存在する地熱エネルギーが弱いため前記熱水に含まれる地熱エネルギーが比較的小さなものに止まるような場合でも、蒸発器により低沸点の熱媒体を蒸気化させることにより発電用タービンを駆動して発電することが容易に可能になる）。

また、前記実施形態においては、前記循環ポンプ１９により圧入されて各細管２１内で地熱と熱交換される流体を水としたが、本発明では他の様々な種類の流体（熱媒体を含む）を使用することができる。また、前記実施形態では、外管１１が地中の５０〜１５００ｍ、例えば５００ｍ程度まで埋設されている場合について説明したが、本発明においてはこのような場合に限られるものではなく、例えば外管１１が１００〜４００ｍ程度の深さに埋設される場合や６００〜１０００ｍの深さに埋設される場合でもよい。また、本発明による地熱回収装置は、典型的には図４に示すような循環型地熱発電システムに適用されることを予定しているが、これに限られるものではなく他の用途、例えば住宅の暖房システムなどにも適用できることは勿論である。

１１ 外管
１１ａ 外管の底部
１１ｂ 隙間１５の上方の開口部
１２ 内管
１２ａ 内管の底部
１２ｂ 内管の上端部（開口部）
１６ 蒸発器
１７ 発電用タービン
１７ａ 発電機
１８ 復水器
１９ 循環ポンプ
１９ａ 貯水槽
２１，２５ 細管
２１ａ 細管の上端部
２１ｂ 細管の下端部
２１ｃ，２５ｃ 細管の外壁面
２２ 上側保持部
２３ 下側保持部

Claims (4)

1. 地下において地熱が伝導される外管であって少なくとも底部を含む下方部分が閉塞されている外管と、前記外管内の略中央に配置され上部及び底部又はそれらの近傍部分が開口部となっている内管と、前記外管と内管の間の隙間に配置される８本以上の細管とを備えており、前記８本以上の各細管は、それぞれ、流体が自らの内部で地熱と熱交換されながら自らの内部と前記外管の底部又はその近傍と前記内管の内部と地上の負荷機器との間を循環的に流通するように構成されている、８本以上の細管を備えた地熱回収装置。
2. 前記８本以上の各細管は、それぞれ、その前記外管側の各側面が前記外管の内壁面に近接又は当接するように配置されている、請求項１に記載の８本以上の細管を備えた地熱回収装置。
3. 前記８本以上の各細管は、前記外管中の地下地熱貯留層と対向する部分又はその周辺部分だけに対向又は当接するように配置されている、請求項１又は２に記載の８本以上の細管を備えた地熱回収装置。
4. 前記外管と前記８本以上の各細管との間の隙間には、熱伝導性の良い材料が充填されている、請求項１，２又は３に記載の８本以上の細管を備えた地熱回収装置。
   

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