JP2019143517A - Geothermal exchange system and geothermal power generation system - Google Patents
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Abstract
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地熱交換システムと地熱発電システムに関する。 The present invention relates to a geothermal exchange system and a geothermal power generation system that can efficiently extract geothermal energy.
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。また、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日本のエネルギー政策は根本から見直すことを余儀なくされており、地熱エネルギーの活用への期待が高まっている。 Geothermal power generation using geothermal energy uses a high-temperature magma layer as a heat source and can be made into semi-permanent thermal energy and does not generate greenhouse gases in the process of power generation. In recent years, it has attracted attention as a fuel alternative. In addition, due to the accident at the nuclear power plant, Japan's energy policy, which relied heavily on nuclear power, has been reevaluated from the ground up, and expectations for the use of geothermal energy are increasing.
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。 Conventional geothermal power generation generates electricity by boring the geotropics and using natural pressure to extract natural steam and hot water that exist in the geotropics. Therefore, the extracted steam and hot water contain a large amount of sulfur and other impurities peculiar to the earth and tropics. This impurity becomes a scale and adheres to a heat well, piping, a turbine, or the like. If the scale adheres, the power generation output decreases over time, making long-term use difficult.
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、エネルギーを採取する方式を採用した地熱交換器が、特許文献1、特許文献2に記載されている。また、地熱エネルギー回収に関して、地熱帯の熱伝導の遅れを補修する方法を採用した地熱交換器が、特許文献3に記載されている。
In order to solve the problem due to the scale,
特許文献1に記載されたものは、地下に設置された地熱交換器で取出した高圧熱水単相流を気水分離器で蒸気として取出すものであるが、2重管内を循環する作動水の損失水頭が大きくなるため、加圧ポンプの容量アップ分総合効率が悪くなる。また、2重管を設置するためのボーリング工事の過程において、高深度で硬い岩盤層の場合に、2重管を直線状に施工することが難しく、このことがボーリング工事費の増大の原因となるという問題点がある。
In
また、特許文献2に記載されたものは、地下に設置された地熱交換器内で減圧沸騰させて、気液2相流を地上に取り出すものであるが、この場合においても、2重管を設置するためのボーリング工事の過程において、高深度で硬い岩盤層の場合に、2重管を直線状に施工することが難しく、ボーリング工事費の増大の原因となる。
Moreover, although what was described in
さらに、特許文献3に記載されたものは、地下に設置された地熱交換器底部に加熱器を施し、地熱帯からの熱伝導時の時間遅れによる温度低下を補償するものであるが、加熱器の電源は発電出力の一部を使うものであるため、全体の発電効率は低下するという欠点がある。
Furthermore, what is described in
このように、2重管を直線状に施工することが難しい場合には、斜め掘りや非直線状のボーリングを行うことが必要になる。さらに、日本国内の主要な地熱地帯は、多くの場合温泉地域であり、温泉枯渇を心配する地域の同意を得るためには、地熱流体を取出さないことに加えて、温泉生産にも適用可能な、高効率の地熱交換システムの開発が重要である。また、地熱開発においては、全国に圧倒的に多く存在する、約180℃以下の中低温地帯では、地熱帯の深度が浅いことに起因して地熱帯の温度が変化することが多い。このような中低温の地熱を対象として、高効率、地熱伝導の時間遅れに対応可能な小容量の地熱発電システムの開発が重要となる。 Thus, when it is difficult to construct a double pipe in a straight line, it is necessary to perform oblique digging or non-linear boring. In addition, the main geothermal areas in Japan are often hot spring areas, and in order to obtain the consent of the areas concerned about hot spring depletion, in addition to not taking out geothermal fluid, it can also be applied to hot spring production It is important to develop a highly efficient geothermal exchange system. In geothermal development, the temperature of the geotropy often changes due to the shallow depth of the geotropy in the medium and low temperature zone of about 180 ° C. or less, which is overwhelmingly present throughout the country. Development of a small-capacity geothermal power generation system that can cope with such time delays in geothermal conduction is important.
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、約180℃以下の中低温の地熱帯を用いても、効率良く熱交換を行うことが可能な地熱交換システムを提供し、効率良く発電を行うことが可能な地熱発電システム提供して、地熱開発の対象となる場所の数を増やして、地熱エネルギー採取量を増やすことを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and provides a geothermal exchange system capable of efficiently exchanging heat even when using a medium and low temperature geotropy of about 180 ° C. or less. The purpose of this project is to provide a geothermal power generation system that can generate electricity well, increase the number of geothermal development sites, and increase the amount of geothermal energy collected.
以上の課題を解決するために、本発明の地熱交換システムは、地中に設けられた管の下部領域が地熱帯に接触するように配置されて形成される地熱交換器と、地熱交換器の内部の圧力を監視して制御する圧力調整装置と、圧力調整装置に接続されて地熱交換器の上部に設置された圧力調整弁とを備え、運転準備段階において、地熱交換器内の圧力が地熱帯の温度によって決まる作動流体の飽和圧力となるまで、地熱交換器内が加圧され、地熱交換器内に作動流体が注入されて、地熱交換器内で作動流体が沸騰することなく高温高圧の作動流体が生成されて一定量貯留された後、地上に設置された熱交換器、またはタービンが必要とする蒸気圧力まで地熱交換器内部を減圧することによって、高温高圧の作動流体の一部を沸騰させて、蒸気を生産することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a geothermal heat exchange system according to the present invention includes a geothermal exchanger formed so that a lower region of a pipe provided in the ground is in contact with the geotropics, and a geothermal exchanger. It is equipped with a pressure regulator that monitors and controls the internal pressure, and a pressure regulator that is connected to the pressure regulator and installed at the top of the geothermal exchanger. The inside of the geothermal exchanger is pressurized until the working fluid saturation pressure determined by the tropical temperature is reached, the working fluid is injected into the geothermal exchanger, and the working fluid does not boil in the geothermal exchanger. After the working fluid is generated and stored in a certain amount, a part of the high-temperature and high-pressure working fluid is reduced by reducing the pressure inside the heat exchanger installed on the ground or the steam pressure required by the turbine. Boil and produce steam Characterized in that it.
運転準備段階において、地熱交換器内の圧力が地熱帯の温度によって決まる作動流体の飽和圧力となるまで、地熱交換器内を加圧することにより、地熱交換器内に注入された作動流体を気化させずに、圧力流体の状態で地熱交換器の底部に一定量貯留させることができ、大きな熱容量を持たせることができる。そのため、温度変化の大きい約180℃以下の中低温の地熱帯を対象としても、安定して地熱を回収することができる。これに対し、運転準備段階において、このような加圧を行わないと、地熱交換器内に注入された作動流体はすぐに気化してしまい、圧力流体の状態で地熱交換器の底部に一定量貯留することができず、約180℃以下の中低温の地熱帯対象として安定的に地熱を回収することができない。 In the operation preparation stage, the working fluid injected into the geothermal exchanger is vaporized by pressurizing the geothermal exchanger until the pressure in the geothermal exchanger reaches the saturation pressure of the working fluid determined by the temperature of the geotropics. In addition, a certain amount can be stored in the bottom of the geothermal exchanger in the state of pressure fluid, and a large heat capacity can be provided. Therefore, geothermal heat can be recovered stably even in the middle and low temperature geotropics of about 180 ° C. or less where the temperature change is large. On the other hand, if such pressurization is not performed in the operation preparation stage, the working fluid injected into the geothermal exchanger is immediately vaporized, and a certain amount is placed at the bottom of the geothermal exchanger in the state of the pressure fluid. It cannot be stored, and geothermal heat cannot be stably recovered as a medium to low temperature geotrophic target of about 180 ° C. or lower.
本発明の地熱交換システムにおいては、運転準備段階における地熱交換器内の加圧は、圧力調整弁を経由して、圧縮された空気を地熱交換器内に圧入することによりなされることとすることができる。 In the geothermal exchange system of the present invention, pressurization in the geothermal exchanger in the operation preparation stage is performed by press-fitting compressed air into the geothermal exchanger via a pressure regulating valve. Can do.
運転中において、地熱交換器最深部では、作動流体を水とした場合に、地熱帯から熱供給を受けた圧力水の飽和圧力と、圧力水の水圧および循環水の損失水頭の合計値から、坑井の深度に比例する水圧分を差し引いた分を加圧する。この場合、中低温地熱帯では、地熱帯の温度によって決まる飽和圧力が低いことが有利に働き、加圧ポンプの容量削減を図り、システムの効率をアップさせることができる。 During operation, in the deepest part of the geothermal exchanger, when the working fluid is water, from the total value of the saturation pressure of the pressure water that is supplied with heat from the geotropics, the pressure of the pressure water and the loss head of the circulating water, Pressurize by subtracting the water pressure proportional to the depth of the well. In this case, in the mid-low-temperature tropics, it is advantageous that the saturation pressure determined by the temperature of the tropics is low, so that the capacity of the pressure pump can be reduced and the efficiency of the system can be increased.
本発明の地熱交換システムにおいては、取り出された前記蒸気は、地上に設置された熱交換器、またはタービンに導入されて熱交換した後液化し、前記管内を下降して地熱交換器底部に貯留させて、地熱帯によって加熱されるようにして、作動流体を循環させ、地熱交換器の圧力を、熱交換器またはタービンが必要とする蒸気圧力に設定・制御することによって、生産される蒸気量を制御することができる。 In the geothermal exchange system of the present invention, the extracted steam is liquefied after being introduced into a heat exchanger installed on the ground or a turbine and exchanging heat, and descends in the pipe to be stored at the bottom of the geothermal exchanger. The amount of steam produced by circulating the working fluid and setting and controlling the pressure of the geothermal exchanger to the steam pressure required by the heat exchanger or turbine Can be controlled.
地熱交換器底部に貯留させる圧力水は、地熱交換器底部に十分な熱容量を持たせて貯留させることにより、坑井の温度の時間変化に対応できる熱容量を持たせることができるため、安定的に地熱を回収することができ、発電に適用した場合に、発電出力を安定化させることができる。 Since the pressure water stored at the bottom of the geothermal exchanger can be stored with sufficient heat capacity stored at the bottom of the geothermal exchanger, it can have a heat capacity that can respond to changes in well temperature over time. Geothermal energy can be recovered, and when applied to power generation, power generation output can be stabilized.
本発明の地熱交換システムにおいては、前記地熱交換器内部に作動流体を下降させる内管が、地熱交換器を構成する外管に挿入された構造であり、内管が外管に挿入されたときの断面において、内管は外管とは非同心円状である構成とすることができる。 In the geothermal exchange system of the present invention, when the inner pipe for lowering the working fluid into the geothermal exchanger is inserted into the outer pipe constituting the geothermal exchanger, the inner pipe is inserted into the outer pipe. In this cross section, the inner tube can be configured to be non-concentric with the outer tube.
内管は外管とは非同心円状であることにより、予め形成されている外管に対して、後付けで容易に内管を挿入して地熱交換器を構成することができる。 Since the inner tube is non-concentric with the outer tube, the inner tube can be easily inserted into the outer tube formed in advance to constitute a geothermal exchanger.
本発明の地熱交換システムにおいては、前記地熱交換器は、地熱帯から熱が供給される集熱・蓄熱ゾーンとして機能する下部領域と、下部領域で得られた熱が上方に移動するための熱移動ゾーンとなる中間領域と、地上に設置される熱交換器に接続される上部領域とによって構成され、前記中間領域は可とう管によって形成されている構成とすることができる。 In the geothermal exchange system of the present invention, the geothermal exchanger includes a lower region that functions as a heat collection / storage zone to which heat is supplied from the geotropics, and heat for moving the heat obtained in the lower region upward. It is comprised by the intermediate area | region used as a movement zone, and the upper area | region connected to the heat exchanger installed on the ground, The said intermediate | middle area | region can be set as the structure formed with the flexible pipe | tube.
可とう管を用いることによって、斜めボーリングの場合であっても、地熱交換器を地中に容易に形成することができるため、ボーリングの難易度を低減することができ、特に、既存の熱坑井に挿入する難易度が減少し、坑井のリサイクルに貢献することができる。 By using a flexible tube, even in the case of oblique boring, the geothermal exchanger can be easily formed in the ground, so the difficulty of boring can be reduced, The difficulty of inserting into a well is reduced, which can contribute to well recycling.
本発明の地熱交換システムにおいては、前記地熱交換器内への作動流体の注入は、加圧ポンプにより前記地熱交換器内に作動流体を圧入することによってなされることとすることができる。 In the geothermal exchange system of the present invention, the working fluid can be injected into the geothermal exchanger by press-fitting the working fluid into the geothermal exchanger with a pressurizing pump.
本発明の地熱交換システムにおいては、複数の地熱交換器の出力側が並列に接続されて構成され、それぞれの地熱交換器を用いて得られる蒸気が合計して採集される構成とすることができる。 In the geothermal exchange system of the present invention, the output sides of a plurality of geothermal exchangers are connected in parallel, and the steam obtained by using the respective geothermal exchangers can be collected in total.
地熱交換器で得られる蒸気を合計して採集することにより、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る。 By collecting the total steam obtained by the geothermal exchanger, the capacity of the turbine, condenser, generator, transformer, etc. can be designed to be large.
本発明の地熱発電システムは、本発明の地熱交換システムを用いて発電を行うことを特徴とする。 The geothermal power generation system of the present invention is characterized in that power generation is performed using the geothermal exchange system of the present invention.
全国的に圧倒的に数多く分布する中低温の地熱帯を利用して、蒸気を生産することができるため、利用対象となる地熱帯が増え、多数の地熱発電を実現することができる。 Steam can be produced using mid-low temperature geotropics, which are overwhelmingly distributed throughout the country, so the number of geotropics to be used increases and a large number of geothermal power generation can be realized.
本発明によると、全国的に圧倒的に数多く分布する約180℃以下の中低温の地熱帯を利用して、蒸気を安定的に生産することができるため、利用対象となる地熱帯を増やすことが可能となる。そのため、多数の地点において地熱発電を実現することができる。さらに、休止中の発電坑井の再生や、温泉坑井を使った温泉の再生を図ることができるとともに、斜めボーリング等の坑井にも適用できる。 According to the present invention, it is possible to stably produce steam by using mid-low temperature geotropics of about 180 ° C or less, which are overwhelmingly distributed nationwide, and therefore increase the number of geotropics to be used. Is possible. Therefore, geothermal power generation can be realized at many points. Furthermore, it is possible to regenerate power wells that are not in operation, and to regenerate hot springs that use hot spring wells, and can also be applied to wells such as oblique boring.
以下に、本発明の地熱交換システムおよび地熱発電システムについて、その実施形態に基づいて説明する。
図1に、本発明の実施形態に係る地熱交換システムの構成を示す。
地熱交換システム1は、地中に設けられたケーシング2内に設置された管3の下部領域が地熱帯4に接触するように配置されて形成される地熱交換器5を備えている。地熱交換器5には、地上において温度・圧力・流量計6が接続され、さらに、圧力調整弁7を介して圧力調整装置8が接続されている。圧力調整装置8は、地熱交換器5の内部の圧力を監視して制御する機能を有している。また、地熱交換器5には、蒸気弁9を介して熱交換器10が接続されている。熱交換器10には加圧ポンプ11が接続され、加圧ポンプ11には作動流体補給槽12が接続されている。
Below, the geothermal exchange system and geothermal power generation system of this invention are demonstrated based on the embodiment.
In FIG. 1, the structure of the geothermal exchange system which concerns on embodiment of this invention is shown.
The
運転準備段階においては、地熱交換器5内の圧力が地熱帯4の温度によって決まる作動流体の飽和圧力となるまで、地熱交換器5内が加圧される。この運転準備段階における地熱交換器5内の加圧は、圧力調整弁7を経由して、圧縮された空気を地熱交換器5内に圧入することによって実施することができる。具体的には、温度・圧力・流量計6を用いて、地熱帯4の温度によって決まる作動流体の飽和圧力となるまで、圧力調整弁7から圧縮された空気を地熱交換器5内に圧入する。
In the operation preparation stage, the inside of the
このように、地熱交換器5内を加圧して高圧の状態として、作動流体補給槽12から地熱交換器5内に作動流体が注入される。このとき、加圧ポンプ11を用いて作動流体補給槽12から地熱交換器5内に作動流体が圧入されるようにすることができる。また、運転準備段階における地熱交換器5内の加圧は、圧力調整弁7および蒸気弁9を閉にして地熱交換器5内を密閉し、作動流体補給槽12から地熱交換器5内に作動流体を注入することによっても達成することができる。
Thus, the working fluid is injected into the
熱交換器5内の圧力は、地熱帯4の温度によって決まる作動流体の飽和圧力となっているため、地熱交換器5内では、作動流体は沸騰することなく、高温高圧の作動流体が生成されて、地熱交換器5の下部領域に一定量滞留させる。
Since the pressure in the
この次の運転開始段階で、圧力調整弁7を閉じて、蒸気弁9を徐々に開くことによって、地熱交換器5内が徐々に減圧される。地熱交換器5内の圧力は、熱交換器10が必要とする蒸気圧力となるまで減圧されて、地熱帯4によって加熱された作動流体が蒸気となって上昇して熱交換器10に導入される。熱交換器10によって熱交換された蒸気は、冷却水によって液化され、加圧ポンプ11により地熱交換器5内へ注入されて下降し、管3の最深部で過熱されて、再び高温高圧の作動流体が生成される。このサイクルでは、熱供給される地熱の熱容量と、消費側の負荷側の熱量が同量になる蒸気量で平衡する。これを繰り返すことによって、連続して地熱エネルギーを取り出すことができる。
At the next operation start stage, the
運転中において地熱交換器5最深部に循環させる作動流体は、地熱帯4から熱供給を受けた圧力水の飽和圧力と、圧力水の水圧、および循環水の損失水頭の合計値から坑井の深度に比例する水圧を差し引いた分を加圧する。この場合中低温地熱帯では、地熱帯4の温度によって決まる飽和圧力が低いことも効果的に働いて、本発明における加圧ポンプ11の容量削減を図ることでシステムの効率をアップさせることができる。
The working fluid circulated to the deepest part of the
上述した運転中においては、圧力調整装置8によって、地熱交換器5内の圧力は、負荷である熱交換器10が必要とする蒸気圧力に常時監視されており、地熱交換システム1内に作動流体を循環させ、蒸気の温度、圧力、流量を監視し、必要なタイミングで蒸気弁9の開度を制御することで、その作動流体の飽和温度と比例関係にある、圧力を制御することで、生産できる蒸気量を安定的に制御し、地熱帯4からの熱伝導の時間遅れを補償するシステムを構築することができる。
During the above-described operation, the pressure in the
このように、運転開始段階で、圧力調整弁7によって徐々に減圧すると、地熱交換器5内部も減圧されていくので、加圧された高温の作動流体は気化し蒸気となって上昇し、地上の熱交換器10に導入される。熱交換された蒸気は、液化した後、加圧ポンプ11によって圧入され、地熱帯4によって再び熱せられ、連続して蒸気を生産することができる。
As described above, when the pressure is gradually reduced by the
作動流体として高度処理された純水を使うことにより、地熱交換システム1の内部はスケールが付着することなく、長期間の運転が可能となる。作動流体は、熱を供給する地熱地帯の温度と、取り出す蒸気温度に見合った、水又は水以外の最適な材料とすることを基本とする。
By using highly treated pure water as the working fluid, the inside of the
地熱交換器5の上部には、緊急放散弁13が取り付けられている。本システムにおいて、負荷の急変、坑井の温度の急変等によって、地熱交換器5内の圧力が急上昇することが起こり得るが、このような事態が生じた場合には、緊急放散弁13によって、地熱交換器5内の圧力の調整を行うことができる。
An
熱交換器10をタービンに置き換えると、発電システムとして機能することができる。さらに、熱交換器10内でバイナリー発電システムの作動流体と熱交換すれば、バイナリー発電として機能することができる。
When the
地熱交換器5の内部に、作動流体を下降させる内管14が、地熱交換器5を構成する外管15として機能する管3に挿入された構造とすることができ、内管14が外管15に挿入されたときの断面において、図2に示すように、内管14は外管15とは非同心円状であるようにすることができる。非同心円状であれば、既存の管3に対して後付けで内管14を設置する際に、設置の自由度が増して、設置を容易に行うことができる。なお、状況によっては、内管14は外管15とは、内管14が外管15に挿入されたときの断面において、同心円状の構造であってもよく、2重管とせずに単管構成としてもよい。なお、図2において、ケーシング2は省略している。
The
地熱交換器5は、地熱帯4から熱が供給される集熱・蓄熱ゾーンとして機能する下部領域16と、下部領域16で得られた熱が上方に移動するための熱移動ゾーンとなる中間領域17と、地上に設置される熱交換器10に接続される上部領域18とによって構成されており、中間領域17は可とう管によって形成されている。上部領域18にはセメンティング19が施されている。
The
図3に、斜めボーリングをした場合の地熱交換器の形状を示す。
図3において、地熱交換器5の中間領域17は可とう管によって形成されている。斜めボーリングでは、直管型の地熱交換器5を地中に挿入することができないが、可とう管を用いることによって、斜めボーリングの場合であっても、地熱交換器5を地中に容易に形成することができる。このようにして、ボーリングの難易度を低減することができ、特に、既存の熱坑井に挿入する難易度が減少し、坑井のリサイクルに貢献することができる。また、地熱交換器5の地震等の災害時における破断リスクを低減することができる。
FIG. 3 shows the shape of the geothermal exchanger when oblique boring is performed.
In FIG. 3, the
ボーリング時に設置したケーシング2の下部を閉鎖することによって、地熱交換器5の外管15とすることができ、これにより、ケーシングをそのまま地熱交換器5とすることができる。これにより、工事費の削減に大きく寄与する。
By closing the lower part of the
複数の地熱交換器5の出力側が並列に接続されて構成され、それぞれの地熱交換器5を用いて得られる蒸気が合計して採集される構成とすることができる。
It can be set as the structure by which the output side of the some
地熱交換器5で得られる蒸気を合計して採集することにより、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る。また、複数の地熱井の個別な温度変化等に起因する出力変化を平均化することにより、効率的なエネルギー採取が可能となる。
By collecting the steam obtained by the
本発明の地熱システム1では、加圧ポンプ11の容量を非常に小さく設計することができる。原理上、地熱交換システム1内を循環する作動流体は、負荷である、タービン20または熱交換器10が必要とする量だけを循環させればよく、損失水頭を小さく設計することができる。
In the
P=9.8QH/η(H=ポンプの全揚程、Q=循環水量、η=効率)で表されるポンプ容量は、作動流体の循環量に比例し、ポンプの全揚程の大部分を水圧で賄うことができるため、本システムのポンプ容量は劇的に小容量となり、システムの効率を高く設計することができる。 The pump capacity represented by P = 9.8QH / η (H = total pump head, Q = circulated water volume, η = efficiency) is proportional to the circulating amount of working fluid, and most of the pump head is Therefore, the pump capacity of the system can be drastically reduced, and the efficiency of the system can be designed high.
以上説明したように、地熱交換システム1は、地熱帯4の高温部に達する地熱交換器5内で、地熱供給源の温度に相当する高温加圧の作動流体を作って貯留させ、高温加圧の作動流体の一部を、高温高圧の作動流体と、熱交換器5またはタービン20が必要とする蒸気圧力との差で、沸騰させ蒸気として取り出すものであり、気化して蒸気になった作動流体は熱交換して液化させ、加圧ポンプ11で貯留槽に戻して循環させる。
As described above, the
一方、貯留している高温加圧の作動流体から気化させて蒸気として取り出した分に相当する熱量分は、地熱供給源から補給されるため、システム全体の熱バランスを平衡させる。約180℃以下の中低温地熱地帯では、坑井の温度変化が大きいため、システム全体の熱バランスは、高温加圧の作動流体の温度が高く、貯留量が多いほど高い温度で安定するため、運転開始前に高温の貯留流体を一定量作るシステムとしている。 On the other hand, the amount of heat corresponding to the amount vaporized from the hot-pressurized working fluid stored and taken out as steam is replenished from the geothermal supply source, so that the thermal balance of the entire system is balanced. Since the temperature change of the well is large in the medium and low temperature geothermal zone of about 180 ° C or less, the heat balance of the entire system is higher at the high temperature and pressure working fluid, and the higher the storage volume, the more stable the heat balance. It is a system that produces a certain amount of high-temperature stored fluid before the start of operation.
さらに、地熱交換器5の最深部の貯留流体内における熱移動のメカニズムは、地熱交換器5の上部での気化による熱損失を、貯留流体内における作動流体の「対流」で熱供給していくため、高温加圧の作動流体は、貯留槽にあたる地熱交換器5内の下部を大きくかき回していることが望ましい。そのため、作動流体を加圧ポンプ11で貯留槽に戻す位置は、坑井最深部とした。また、地熱供給源から熱供給を受ける外管15の下部領域16は、熱伝導に優れた材質とすることによって、熱供給の時間差をなくすことも重要である。
Furthermore, the mechanism of heat transfer in the stored fluid in the deepest part of the
また、地熱交換器5最深部においては、坑井の深度に比例する水圧は、地熱帯4から熱供給を受けた圧力水の飽和圧力と圧力水の水圧および循環水の損失水頭の合計値より大きい場合が多く、加圧ポンプ11の容量削減を図ることによって、システム全体の効率をアップさせることができる。また、地熱交換器5の底部に貯留する圧力水の量を大きくすることによって、地熱伝導の時間遅れを保証したシステムを構築することができる。
Moreover, in the deepest part of the
図4に、本発明の実施形態に係る地熱発電システムの構成を示す。
地熱交換器5の構成は、図1に示すものと同様であり、運転準備段階においては、地熱交換器5内の圧力が地熱帯4の温度によって決まる作動流体の飽和圧力となるまで、地熱交換器5内が加圧される。この運転準備段階における地熱交換器5内の加圧は、圧力調整弁7を経由して、圧縮された空気を地熱交換器5内に圧入することによって実施することができる。また、運転準備段階における地熱交換器5内の加圧は、圧力調整弁7および蒸気弁9を閉にして地熱交換器内を密閉し、次の工程の、作動流体補給槽12から地熱交換器5内に作動流体を注入することで実施することができる。
In FIG. 4, the structure of the geothermal power generation system which concerns on embodiment of this invention is shown.
The configuration of the
このように、地熱交換器5内を加圧して高圧の状態として、作動流体補給槽12から地熱交換器5内に作動流体が注入される。このとき、加圧ポンプ11を用いて作動流体補給槽12から地熱交換器5内に作動流体が圧入されるようにすることができる。
Thus, the working fluid is injected into the
熱交換器5内の圧力は、地熱帯4の温度によって決まる作動流体の飽和圧力となっているため、地熱交換器5内では、作動流体は沸騰することなく、高温高圧の作動流体が生成されて、地熱交換器5の下部領域に滞留する。
Since the pressure in the
この次の運転開始段階で、圧力調整弁7を閉じて、蒸気弁9を徐々に開くことによって、地熱交換器5内が徐々に減圧される。地熱交換器5内の圧力は、タービン20が必要とする蒸気圧力となるまで減圧されて、地熱帯4によって加熱された作動流体が蒸気となって上昇してタービン20に導入される。
At the next operation start stage, the
このように、高温高圧の作動流体の圧力と、タービン20が必要とする蒸気圧力で、熱供給と、タービン20の圧力とを平衡させて、連続して蒸気を生産する。蒸気はタービン20を動かした後、復水器21に導入され、復水器21によって液化された後、加圧ポンプ11によって地熱交換器5内に圧入され、地熱帯4によって再び熱せられ、連続して蒸気が生産される。
Thus, steam is continuously produced by balancing the heat supply and the pressure of the
表1に、作動流体を水とした場合における蒸気表を示す。 Table 1 shows a steam table when the working fluid is water.
この蒸気表が示す通り、地熱交換器5内の圧力が、大気圧(0.101Mpa)では、100℃、圧力が0.270MPaでは130℃の蒸気を取り出すことができる。水より質量が軽い作動流体とした場合は、さらに低温域まで蒸気として熱エネルギーを取り出すことができるため、この場合は、バイナリー発電、温泉生産等に利用することができる。
As shown in this steam table, when the pressure in the
地熱交換器5の内部の圧力は、タービン20が必要とする蒸気圧力に合わせて、圧力調整弁7に接続された圧力調整装置8によって常時監視、制御されており、原理的には、地熱帯4から熱の供給を受けて、高温の圧力水(例として温度約180℃、圧力1.002MPa)となっており、この圧力水の圧力より低い領域では、作動水は気化して蒸気になることを利用して、この高温圧力水より低い温度(例として、温度130℃に相当する飽和圧力0.27Mpa)をタービン20の圧力に設定される。
The pressure inside the
タービンを駆動できる蒸気の温度を130℃とした場合、その沸騰圧は0.27Mpaである。熱源である坑井最下部で180℃の熱水(1.002Mpa)が得られた場合、管3内の圧力を0.27Mpaに設定しておけば、封入された水(作動液)は、瞬時に気化して蒸気となる。気化して蒸気となった作動液は、管3内を急速に上昇し、上部に設けられた、熱交換器10で冷却されて水にもどり、管3内を下降して再び熱せられて、蒸気となる。
When the temperature of the steam capable of driving the turbine is 130 ° C., the boiling pressure is 0.27 Mpa. When hot water (1.002 Mpa) at 180 ° C. is obtained at the bottom of the well, which is a heat source, if the pressure in the
表2に、本発明と、特許第4927136号、特許第6176890号、特許第5839528号との比較を示す。 Table 2 shows a comparison between the present invention and Japanese Patent No. 4927136, Japanese Patent No. 6176890, and Japanese Patent No. 5839528.
図5と、表3に基づいて、加圧ポンプの揚程の削減の例について説明する。
表3は、本出願の共同出願人が所有する、大分県九重町くじゅう地区における温泉坑井のデータである。
Based on FIG. 5 and Table 3, an example of reducing the head of the pressurizing pump will be described.
Table 3 shows data on hot spring wells in Kuju district, Kuju-cho, Oita, owned by the joint applicant of this application.
図5に示す(1)〜(5)の地点における圧力は、以下のものである。
(1)加圧ポンプが必要とする圧力
(2)循環水圧入口における、坑井の深さに比例する水圧
(3)圧力水の飽和圧力
(4)圧力水圧入口における圧力水の水位による水圧
(5)循環水の損失水頭
The pressures at the points (1) to (5) shown in FIG. 5 are as follows.
(1) Pressure required by the pressure pump (2) Water pressure proportional to the depth of the well at the circulating water pressure inlet (3) Saturation pressure of the pressure water (4) Water pressure due to the water level of the pressure water at the pressure water pressure inlet ( 5) Head loss of circulating water
加圧ポンプが必要とする圧力Pは、
(1)=(3)+(4)+(5)-(2) (単位MPa)であり、
加圧ポンプの容量(kW)
=9.8×循環水量(t/s)×ポンプ揚程(m)×100÷効率
であるから、180℃の圧力水帯に圧入するポンプの必用揚程のうち、大半を水圧で賄うことができる。
The pressure P required by the pressure pump is
(1) = (3) + (4) + (5) − (2) (unit: MPa)
Capacity of pressure pump (kW)
= 9.8 × circulated water volume (t / s) × pump head (m) × 100 ÷ efficiency, so most of the required head of the pump that is press-fitted into the 180 ° C pressure water zone can be covered with water pressure .
坑井深度が深く、坑井温度が低い表4のような場合において、下記の計算が成り立つ場合には、加圧ポンプは不要とすることができる。
0>(3)+(4)+(5)-(2)=−6.1595
In cases where the well depth is deep and the well temperature is low as shown in Table 4, the pressurization pump can be dispensed with when the following calculation is satisfied.
0> (3) + (4) + (5)-(2) = − 6.1595
ここでの計算条件は、循環水の損失水頭は無視し、圧力水の最深部からの高さを200mとしている。一般的な坑井では、圧力水を得られる深度で得られる水圧は、飽和蒸気圧より1桁大きい数値となるため、加圧ポンプは不要となる場合が多い。 The calculation conditions here ignore the loss head of circulating water, and the height from the deepest part of the pressure water is 200 m. In general wells, the water pressure obtained at a depth where pressure water can be obtained is a numerical value that is an order of magnitude greater than the saturated vapor pressure, and therefore a pressurizing pump is often unnecessary.
なお、すでに実用化されている「ヒートパイプ」の技術と、本発明との比較について、以下に説明する。
ヒートパイプ方式として実用化されているものは、熱交換器内を大気圧の状態または減圧した後、作動流体を封入するものであり、作動流体の沸点を下げることによって、作動流体を気化させ蒸気として取り出す。熱交換した後、作動流体は液体に戻って管内を循環する。下降する作動流体と上昇する液体との作動流体間で熱交換するため、効率が悪くなる。
A comparison between the “heat pipe” technology already in practical use and the present invention will be described below.
What is put into practical use as a heat pipe system is a method in which the working fluid is sealed after reducing the boiling point of the working fluid after reducing the boiling point of the working fluid. Take out as. After the heat exchange, the working fluid returns to the liquid and circulates in the pipe. Since heat is exchanged between the working fluid of the descending working fluid and the rising liquid, the efficiency is deteriorated.
これに対し、本発明は、運転準備段階において、管内を加圧した後、作動流体を加圧ポンプで圧入、または、地熱交換器内を密閉することで、高温の作動流体を生成するものであり、この点においてヒートパイプ方式と大きく相違する。管の底部に高圧・高温の作動流体を滞留させ、運転初期に蒸気弁を開いて負荷をかけると、高圧・高温の作動流体は、地熱の容量と負荷の間で平衡する。圧入する作動流体の管路を作ってやることによって、上昇する蒸気と下降する液体状の作動流体間の熱交換を防止し、効率を向上させている。さらに、作動流体を管の最下部に圧入することで、作動流体を熱交換器内底部の貯留層内を対流させ、熱交換をスムーズに行わせる。平衡する温度と圧力は地熱帯の容量、負荷の圧力で決まるが、一定に保持すると長期間安定した蒸気の生産ができる。 On the other hand, the present invention generates a high-temperature working fluid by pressurizing the working fluid with a pressurizing pump or sealing the inside of the geothermal exchanger after pressurizing the inside of the pipe in the operation preparation stage. Yes, this point is very different from the heat pipe method. When a high-pressure / high-temperature working fluid stays at the bottom of the pipe and a load is applied by opening the steam valve in the initial stage of operation, the high-pressure / high-temperature working fluid is balanced between the geothermal capacity and the load. By making a pipe line of the working fluid to be pressed in, heat exchange between the rising steam and the descending liquid working fluid is prevented, and the efficiency is improved. Furthermore, by pressing the working fluid into the lowermost part of the pipe, the working fluid is convected in the reservoir at the bottom of the heat exchanger, and heat exchange is performed smoothly. Equilibrium temperature and pressure are determined by the geotropical capacity and load pressure, but if kept constant, steam can be produced stably for a long time.
本発明は、全国的に圧倒的に数多く分布する約180℃以下の中低温の地熱帯を利用して、蒸気を生産することができるため、利用対象となる地熱帯を増やすことができる地熱交換システムとして広く利用することができる。また、多数の地点において地熱発電を実現することができる。特に、発電出力50kW以下の低圧での発電が数多く適用できることにより、電力会社への連携接続申請、手続きが不要となり、地熱発電の開発に寄与することができる。また、送電線、配電線の通っていない地区へのコンパクトな地熱発電システムとして利用することができる。 Since the present invention can produce steam by using mid-low temperature geotropics of about 180 ° C. or less distributed overwhelmingly nationwide, geothermal exchange that can increase the geotropics to be used Can be widely used as a system. In addition, geothermal power generation can be realized at many points. In particular, since many power generations at a low pressure with a power generation output of 50 kW or less can be applied, it is not necessary to apply for a cooperative connection with an electric power company and to perform a procedure, thereby contributing to the development of geothermal power generation. In addition, it can be used as a compact geothermal power generation system for areas where transmission lines and distribution lines do not pass.
1 地熱交換システム
2 ケーシング
3 管
4 地熱帯
5 地熱交換器
6 温度・圧力・流量計
7 圧力調整弁
8 圧力調整装置
9 蒸気弁
10 熱交換器
11 加圧ポンプ
12 作動流体補給槽
13 緊急放散弁
14 内管
15 外管
16 下部領域
17 中間領域
18 上部領域
19 セメンティング
20 タービン
21 復水器
DESCRIPTION OF
Claims (8)
運転準備段階において、地熱交換器内の圧力が地熱帯の温度によって決まる作動流体の飽和圧力となるまで、地熱交換器内が加圧され、地熱交換器内に作動流体が注入されて、地熱交換器内で作動流体が沸騰することなく高温高圧の作動流体が生成されて一定量貯留された後、地上に設置された熱交換器、またはタービンが必要とする蒸気圧力まで地熱交換器内部を減圧することによって、高温高圧の作動流体の一部を沸騰させて、蒸気を生産することを特徴とする地熱交換システム。 A geothermal exchanger formed by placing a lower region of a pipe provided in the ground so as to contact the geotropics, a pressure regulator for monitoring and controlling the pressure inside the geothermal exchanger, and a pressure regulator And a pressure regulating valve installed at the top of the geothermal exchanger.
In the operation preparation stage, the geothermal exchanger is pressurized until the pressure in the geothermal exchanger reaches the saturation pressure of the working fluid determined by the temperature of the geotropics, and the working fluid is injected into the geothermal exchanger to exchange geothermal heat. After a high-temperature and high-pressure working fluid is generated and stored in a certain amount without boiling in the vessel, the inside of the geothermal exchanger is depressurized to the heat pressure installed on the ground or the steam pressure required by the turbine A geothermal exchange system characterized in that steam is produced by boiling a part of the high-temperature and high-pressure working fluid.
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