JP2603948B2 - クローズドシステムによる熱併給地熱発電設備 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、クローズドシステムによる熱併給地熱発
電設備に関し、とくに地熱流体すなわち地球の内部に貯
えられている高温の蒸気や熱水のエネルギーを有効に利
用しようとするものである。

（従来の技術） 最近、水力、火力および原子力に次ぐ第４のエネルギ
ー源として地熱発電が注目を浴びている。

この地熱発電は、地下に形成されている蒸気や熱水の
溜り場である地熱貯溜層にボーリングを行ってこれらの
蒸気や熱水を地表に導き出し、かかる地熱流体とくに高
温の蒸気によってタービンを駆動し、電化を起こすもの
で、 ｉ）非枯渇資源、 ii）安価でしかもクリーン、 iii）熱水の利用により、熱水発電、地域冷暖房、温室
栽培、魚介類の養殖、畜舎の冷暖房、かんがい用水の昇
温、融雪および温泉栽培が可能、など種々の利点をそな
えている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、かかる地熱発電用の設備を建設するには長
期間を要し、建設着手から実際に発電設備を稼動させる
までには相当の日数を必要とするが、従来は、完全に設
備を完成させるまでは地熱流体のエネルギーを十分には
利用できず、投下資金の懐妊期間が長いという問題があ
った。

すなわち、地熱流体とくに高温蒸気によって発電用タ
ービンを駆動するためには、該タービンの定格出力に見
合う所定量の蒸気量が必要とされるが、一般に１基の地
熱井で得られる蒸気の量は前記出力に見合うだけ得られ
ない。従って、実際に発電用タービンを駆動させるため
には複数の地熱井が必要なわけであるが、１基の地熱井
を掘削するには数か月程度を要し、それゆえ必要とされ
る複数の生産井を掘削し終えるまでは、既設の設備はそ
の本来の目的に使用できず、無用の放置を余儀無くされ
ていた。

また、発電設備が完成した後であっても、排出蒸気の
処理が充分とは言えず、環境汚染の面でも問題を残して
いた。

すなわち高温蒸気を利用する従来の地熱発電には、第
２図および第３図に示したような背圧式蒸気発電と復水
式蒸気発電とがあるが、背圧式蒸気発電ではタービンを
出た排出蒸気をそのまま大気中へ放出してしまうため、
かかる排ガス中に含まれる有害成分、主に硫化水素ガス
によって大気が汚染されてしまい、一方、復水式蒸気発
電では排出蒸気をそのまま大気中に放出することはな
く、冷却水で冷却して凝縮水とガスとに分離してから排
出するとはいうものの、排出蒸気量のぶんだけ地下水位
が低下し、その結果蒸気生産量が低下したり、近接する
温泉の湧出量が低下する懸念があった。また、かかる排
水や排ガス中には依然として上記したような有害成分が
含まれているので、やはり水質汚染、蒸気の凝縮による
樹木の氷結などの環境汚染は免れ得なかった。

この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、た
とえ発電設備の建設途次であっても、既に掘削済みの地
熱井については、開発地域に速やかに熱水を供給するこ
とができ、また発電設備完成後には地下水位の低下およ
び環境汚染のおそれなしに発電を実施できる発電設備、
換言すれば地熱流体のもつエネルギーを熱として回収す
るだけでなく発電に利用するいわゆる熱併給型の発電設
備における諸問題を有利に解決したクローズドシステム
による熱併給地熱発電設備を提案することを目的とす
る。

（問題点を解決するための手段） すなわちこの発明は、地熱井から噴出する実質的に蒸
気と熱水からなる地熱流体のエネルギーを利用する熱併
給地熱発電設備であって、 該地熱井より噴出する地熱流体を蒸気と熱水とに分離
する気水分離器と、熱水の処理ラインおよび蒸気の処理
ラインから成り、 熱水の処理ラインには、熱水の保有する熱エネルギー
を回収する熱水用の熱交換器と、この熱交換器を出た熱
水を地下に還元する還元井と、該熱交換器に熱交換用の
冷水を供給する手段および熱交換後の温水の処理手段を
そなえ、 一方、蒸気の処理ラインは、その保有熱エネルギーを
直接回収する熱回収系統と、発電に利用する蒸気発電系
統とを有し、 熱回収系統には、蒸気用の熱交換器と、この熱交換器
で凝縮液化された排水を地下に還元する還元井と、同じ
くこの熱交換器から排出される非凝縮ガスを無害化処理
するための無害化処理装置、ならびに該熱交換器と上記
冷水供給手段および温水処理手段とを連結する配管をそ
なえ、 蒸気発電系統には、蒸気溜と、発電用タービンと、こ
のタービンからの排出蒸気を、閉鎖回路内を循環流動す
る冷却水によって冷却する凝縮器と、該凝縮器で凝縮液
化された凝縮水を地下に還元する還元井と、同じく該凝
縮器から排出された非凝縮ガスを無害化処理したのち乾
式冷却塔を経由して大気中に放散するための無害化処理
装置と、凝縮器を通過して温度が上昇した閉鎖流路内の
冷却水を無害化処理後の上記非凝縮ガスを導入してファ
ンを介して冷却するための乾式冷却塔、とをそなえたこ
とを特徴とする、クローズドシステムによる熱併給地熱
発電設備である。

この発明において、クローズドシステムどは、地熱井
から導出した貯溜槽中の液体分、すなわち熱水は勿論の
こと、蒸気中に含まれる水分も凝縮水として、全て還元
井から地下へ還元するシステムのことである。

（作 用） この発明では、熱水用の他、蒸気用の熱交換器もそな
えるので、蒸気のもつエネルギーがタービンを駆動させ
るには足りない場合であっても、また余剰の蒸気が生じ
た場合であっても、かかる蒸気を熱交換器に送給するこ
とによって蒸気のもつ熱エネルギーを有効に回収するこ
とができる。すなわち、開発地域への熱水供給を速やか
に行うことができるので、積極的な地域開発に寄与す
る。

ところで、地熱発電用タービンの駆動に利用する地熱
流体としては、熱水を随伴して噴出する、いわゆる熱水
随伴型地熱流体、熱水が卓越して噴出する、熱水卓越型
地熱流体、および蒸気のみを噴出する、いわゆる蒸気卓
越型地熱流体とがある。

この発明において発電系統に利用する蒸気は、前記蒸
気卓越型地熱流体はそのまま使えるが、前記熱水随伴型
地熱流体および熱水卓越型地熱流体は、一旦熱水を気水
分離したものを、その後地熱発電用タービンに導入し
て、該タービンを駆動させる。その結果として該タービ
ンから排出蒸気が排出される。この排出蒸気は相当の水
分を含有している。

本発明の蒸気発電系統のもつ特徴の１つは、前記排出
蒸気を凝縮器に送給して凝縮水とし、この凝縮水を地下
に還元し、地下水位の低下を防止することによって、蒸
気生産量の低下および近接する温泉の湧出量の低下など
の懸念を無くすことにある。なお、そのために使用する
凝縮器としては、排出蒸気を大気に放散させないように
するために、サーフェイス・コンデンサーのような冷却
水が内部を循環する層状に重ねた板状ジャケットを組合
わせたタイプの装置が好ましい。このような装置によれ
ば、排出蒸気がサーフェイス・コンデンサー内を通過す
るうちに、ほぼ完全に凝縮水となり、該凝縮水を地下へ
還元することが可能となる。

このような処理を経た排出蒸気は、非凝縮ガスのみが
残ることになるが、この非凝縮ガスは炭酸ガスの他、硫
化水素などを含んでいる。そこで本発明の蒸気発電系統
のもつ第２の特徴は、前記非凝縮ガスを無害化処理する
ことにある。

本発明にかかる無害化処理のための装置としては、排
出ガス成分および処理量によってガス抽出器や脱硫装置
などを適宜に選択して組合わせるものとする。

次に、このようにして処理された非凝縮ガスは、その
まま大気に放出してもよいが、かかるガスをCO₂ガス精
製装置に導入して精製し、それを施設園芸に利用する
他、液化炭酸ガス，ドライアイスなどの製造工程にまわ
して利用してもよい。

なお、本発明において乾式冷却塔を採用した理由は、
上記非凝縮ガスを、例えば従来のように復水式冷却塔に
導入すると、蒸気が大気中に放散し、特に冬期は樹木が
氷結することがあり、不都合を生ずるからである。

要するに、この乾式冷却塔を使うのが本発明の蒸気発
電系統のもつ第３の特徴である。

以上説明したようにこの発明の蒸気発電系統では、凝
縮器の冷却水を閉鎖流路内を循環流動させつつ、かかる
冷却水の冷却を、乾式冷却塔によって行い、さらに上記
凝縮器で凝縮された凝縮水は還元井を介して地下に還元
するので、地下水位の低下をきたすことがないので蒸気
量の低下もなく、また近接する温泉の湧出量の低下もな
い。さらに、有害成分を含む蒸気や排水が地上に放出さ
れることはなく、従って環境が汚染されるおそれはな
い。

なおこの点については、蒸気の処理ラインにおける熱
回収系統についても同じで、非凝縮ガスは有害成分除去
後に大気中に放散され、一方凝縮熱水はやはり還元井か
ら地下に還元されるので地下水位の低下もなく、また公
害発生のおそれは全くない。

（実施例） 第１図に、この発明に従うクローズドシステムによる
熱併給地熱発電設備の好適例のフローチャートを示す。

図中番号１は地熱井、２は気水分離器、そして鎖線Ａ
で囲まれた部分が熱水の処理ライン、一方、鎖線Ｂで囲
まれた部分が蒸気の処理ラインである。

Ａ内において番号３は熱水用熱交換器、４は熱交換用
の冷水を温度調整したのち熱交換器３に送給する調整
槽、５は熱交換後の温水の貯槽、そして６が熱交換後の
熱水の還元井である。

Ｂ内において７は蒸気用の熱交換器、8,9はそれぞれ
調整槽４および貯槽５への配管、10は蒸気用熱交換器７
の出口側に設置されたガス抽出器、11は脱硫装置、12は
CO₂精製装置、そして13が熱交換後凝縮液化された排水
の還元井であり、これらで蒸気の熱回収系統を構成す
る。

またＢ内の中、14は蒸気溜、15はタービン、16はサー
フェイス・コンデンサー、17はサーフェイス・コンデン
サー16内に冷却水を循環流動させる閉鎖流路、18は凝縮
水の輸送管、19は凝縮水の還元井、20は非凝縮水のガス
抽出器、21は脱硫装置、22はCO₂精製装置、そして23が
乾式冷却塔であり、これらが蒸気発電系統である。

さて、生産坑井１から噴出した実質的に蒸気と熱水か
らなる地熱流体は、気水分離器２において蒸気と熱水と
に分離される。

このうち分離された熱水は、熱水処理ラインＡへ送ら
れ、熱水用熱交換器３にて抜熱されたのち、熱水の還元
井６を経て地下に還元される。またこの熱交換器３に
は、調整槽４から適切な水温に調整された熱交換用の冷
水が供給されていて、熱交換器３を経たのち約85℃程度
の温水となり、一旦貯槽５に貯えられてから、所定の温
水利用地点へ送給されるしくみになっている。

一方、分離された蒸気は、目的に応じて熱回収系統か
蒸気発電系統に送給される。

熱回収系統に送給される場合は、蒸気を熱交換器７へ
送って、その保有熱エネルギーを回収したのち、凝縮液
化した凝縮水は排水として還元井13から地下へ還元され
る。またこの熱交換器７を出た有害成分を含む非凝縮ガ
スは、ガス抽出器10を経たのち、脱硫装置11において硫
化水素を除去し、ついでCO₂精製装置12においてCO₂分を
抽出してから大気中へ放出される。かくして得られたCO
₂は、施設園芸に利用される他、液化炭酸ガスやドライ
アイスなどの冷熱源としても利用される。

なお、上記の熱交換器７にも熱交換用の冷水が調整槽
４から配管８を介して供給されていて、かかる熱交換器
７を通過して約85℃程度まで上昇した温水は、配管９を
通って一旦貯槽５に貯えられたのち、所定の温水地点へ
送給されるのは、前述した熱水処理の場合と同じであ
る。

つぎに、蒸気発電系統では、分離された高温の蒸気
は、一旦蒸気溜14に貯えられたのちタービン15に導かれ
て発電に供される。

その後タービン15から排出された蒸気はサーフェイス
・コンデンサー16におくられ、ここで冷却されて凝縮水
と非凝縮ガスとに分けられるわけであるが、かかるサー
フェイス・コンデンサー16における排出蒸気の冷却は、
閉鎖流路17内を循環流動する冷却水によって行われるの
で、従来、湿式冷却の際に懸念された水質汚染、大気汚
染が発生するおそれはない。

つぎにサーフェイス・コンデンサー16から排出される
凝縮水と非凝縮ガスのうち、凝縮水は輸送管18を通って
還元井19から地下へ還元される。一方、非凝縮ガスはガ
ス抽出器20および脱硫装置21を経て清浄化と共に冷却さ
れたのち乾式冷却塔23を介して大気中に放出される。こ
こに乾式冷却は湿式冷却とは違って、冷却の際、蒸気や
排水が生じることがないので、環境が汚染される心配は
全くない。

なお、かかる非凝縮ガスをCO₂精製装置に送ってCO₂を
抽出し、有効利用できるのは熱回収系統の場合と同じで
ある。

（発明の効果） この発明の効果は次の通りに要約される。

（１） 地熱流体は、熱交換後、非凝縮ガスを除きすべ
て全量が地下へ還元され、しかも非凝縮ガス中の有害成
分も有効に除去できるので、環境上の問題は皆無とな
り、文字通りのクリーンエネルギーが得られる。また地
下水位の確保も万全で、蒸気生産量の低下もなく、かつ
近接する温泉の湧出量の低下もない。

（２） 熱エネルギーの直接利用を発電に先行して行う
ことができるから、地域開発に貢献でき、併せて発電も
行うことができ、いわゆる利用効率の向上が達成でき
る。

（３） 地熱発電設備の建設資金の懐妊期間の短縮が実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に従うクローズドシステムによる熱
併給地熱発電設備のフローチャート、 第２図および第３図はそれぞれ、従来の背圧力式蒸気発
電設備および復水式蒸気発電設備のフローチャートであ
る。 １……地熱井、２……気水分離器、３……熱水用熱交換
器、４……調整槽、５……貯槽、6,13,19……還元井、
７……蒸気用熱交換器、8,9……配管、10,20……ガス抽
出器、11,21……脱硫装置、12,22……CO₂精製装置、14
……蒸気槽、15……タービン、16……サーフェイス・コ
ンデンサー、17……冷却水の閉鎖流路、18……輸送管、
23……乾式冷却塔。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地熱井から噴出する実質的に蒸気と熱水か
   らなる地熱流体のエネルギーを利用する熱併給地熱発電
   設備であって、 該地熱井より噴出する地熱流体を蒸気と熱水とに分離す
   る気水分離器と、熱水の処理ラインおよび蒸気の処理ラ
   インからなり、 熱水の処理ラインには、熱水の保有する熱エネルギーを
   回収する熱水用の熱交換器と、この熱交換器を出た熱水
   を地下に還元する還元井と、該熱交換器に熱交換用の冷
   水を供給する手段および熱交換後の温水の処理手段をそ
   なえ、 一方、蒸気の処理ラインは、その保有熱エネルギーを直
   接回収する熱回収系統と、発電に利用する蒸気発電系統
   とを有し、 熱回収系統には蒸気用の熱交換器と、この熱交換器で凝
   縮液化された排水を地下に還元する還元井と、同じくこ
   の熱交換器から排出される非凝縮ガスを無害化処理する
   ための無害化処理装置、ならびに該熱交換器と上記冷水
   供給手段および温水処理手段とを連結する配管をそな
   え、蒸気発電系統には、発電用タービンと、このタービ
   ンからの排出蒸気を閉鎖流路内を循環流動する冷却水に
   よって冷却する凝縮器と、該凝縮器で凝縮液化された凝
   縮水を地下に還元する還元井と、同じく該凝縮器から排
   出された非凝縮ガスを無害化処理したのち乾式冷却塔を
   経由して大気中に放散するための無害化処理装置と、凝
   縮器を通過して温度が上昇した閉鎖流路内の冷却水を無
   害化処理後の上記非凝縮ガスを導入してファンを介して
   冷却するための乾式冷却塔、とをそなえたことを特徴と
   する、クローズドシステムによる熱併給地熱発電設備。