JP5839528B1 - Temperature drop compensation type geothermal exchanger and temperature drop compensation type geothermal power generator - Google Patents
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Abstract
【課題】減圧により沸騰させて蒸気を得る際の蒸気温度の低下を防止し、蒸気が液化することによる弊害を除去し、浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な温度低下補償型地熱交換器および温度低下補償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が設けられている。水注入管2と蒸気取出管3との境界下部領域であって、噴出口5が設けられた領域には、第一の加熱器31が取付けられている。水注入管2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、噴出口5を介して蒸気取出管3内で蒸気単相流に変換され、第一の加熱器31によって減圧沸騰時の温度低下が補償されて地上に取出される。【選択図】図1[PROBLEMS] To prevent a drop in steam temperature when boiling by decompression to obtain steam, eliminate the adverse effects of liquefaction of steam, and compensate for temperature drop that enables high-power generation at shallow depths and relatively low temperatures. A geothermal heat exchanger and a temperature decrease compensation type geothermal power generator are provided. A geothermal exchanger 1 includes a water injection pipe 2 provided in the ground and supplied with water from the ground, and a steam extraction pipe 3 provided in the ground so as to be in contact with the water injection pipe 2. ing. The steam extraction pipe 3 is provided with a plurality of jet outlets 5 in the lower region. A first heater 31 is attached to a region below the boundary between the water injection pipe 2 and the steam extraction pipe 3 and provided with the jet port 5. The high-pressure hot water generated by supplying heat from the earth to the water in the water injection pipe 2 is converted into a steam single-phase flow in the steam extraction pipe 3 through the jet outlet 5, and the first heating is performed. The temperature drop at the time of boiling under reduced pressure is compensated by the vessel 31 and taken out to the ground. [Selection] Figure 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温度低下補償型地熱交換器および温度低下補償型地熱発電装置に関する。 The present invention relates to a temperature decrease compensation type geothermal exchanger and a temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus capable of efficiently extracting 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。 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.
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、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。
In order to solve the problem due to this scale,
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。
The technique described in
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。 The following problems can be considered regarding geothermal exchange. First, because of the pressure loss in the piping of the water that is sent underground and hot water that is extracted with the supply of geothermal heat, the power of the high-pressure pump must be increased. In order to raise, there is a problem that it is necessary to increase the diameter of the geothermal exchanger.
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。
Second, one of the advantages of
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。その他、地熱発電に関する技術が、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献7、特許文献8に記載されている。
In
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。
According to the technology described in
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。 However, since the high-temperature steam is extracted through near the water to be fed and the low temperature underground, it is possible to suppress the heat exchange between the high temperature steam and the water to be fed and the low temperature underground as much as possible. It has been demanded.
地熱発電を行うにあたって、地下の地熱帯の構成物が岩石であるか圧力水を含む土砂であるかは、地上からの探査では容易に判定することができず、ピンポイントに地熱資源を探し当てることは、高度な探査技術を必要とする。
また、特許文献2に記載されたもののように、減圧により沸騰させて蒸気を得る場合には、気化熱分、蒸気温度が低下する。この気化の際の潜熱は、地熱帯から供給されることが前提となっているが、蒸気を発生させる管と地熱帯岩石等との熱伝導率の差に起因して、地熱帯からの熱供給に遅れが生じる場合がある。熱供給に遅れが生じると、この時間差によって蒸気温度が低下する。
When performing geothermal power generation, it is not easy to determine whether the underground geotrophic structure is rock or earth and sand containing pressure water, and searching for geothermal resources at pinpoints is not possible. Requires advanced exploration technology.
Moreover, like the thing described in
また、地熱発電を広く普及させるためには、圧倒的に多く分布する、浅い深度で比較的低温域でも発電が可能な発電方式が必要であるが、一般的な地熱発電では、蒸気圧・温度が低いため、タービンが大型になってしまう。 In addition, in order to widely disseminate geothermal power generation, a power generation system that is overwhelmingly distributed and capable of generating power even at relatively low temperatures at shallow depths is necessary. Is low, the turbine becomes large.
通常の地熱発電で生産される蒸気は、対象となる温度における飽和曲線上の数値から少し低めの圧力を有しており、蒸気は飽和蒸気に近い。生産される蒸気が飽和蒸気に近いと、仕事をしたのちの蒸気は簡単に液化する。そのため、タービンや熱交換器を駆動する際に蒸気が結露しやすく、結露が発生すると、タービンの効率が低下し、耐久性にも影響する。 Steam produced by ordinary geothermal power generation has a pressure slightly lower than the value on the saturation curve at the target temperature, and the steam is close to saturated steam. If the steam produced is close to saturated steam, the steam after work will easily liquefy. For this reason, steam is likely to condense when driving the turbine or heat exchanger, and if dew condensation occurs, the efficiency of the turbine is reduced and the durability is also affected.
過熱蒸気の生成に関して、特許文献8には、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置を用いて、受熱した太陽熱との熱交換により、地中から採取した水蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成することが記載されている。この手法によると、過熱蒸気を生成することは可能であるが、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置を、地熱交換器の他に別途用意する必要があり、設備を簡略化することができない。
Regarding the generation of superheated steam,
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、減圧により沸騰させて蒸気を得る際の蒸気温度の低下を防止し、蒸気が液化することによる弊害を除去し、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抑制することができ、浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な温度低下補償型地熱交換器および温度低下補償型地熱発電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and prevents a drop in steam temperature when boiling to obtain steam by reducing pressure, and removes harmful effects caused by liquefaction of steam. This is a temperature drop compensation type geothermal exchanger and temperature drop compensation that can suppress the heat exchange between the high-temperature steam and the water being fed in and the low-temperature underground area, and can generate high power at a shallow depth and at relatively low temperatures. It aims at providing a type geothermal power generation device.
以上の課題を解決するために、本発明の温度低下補償型地熱交換器は、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て複数の噴出口を有する蒸気取出管と、前記水注入管と前記蒸気取出管との境界下部領域であって前記噴出口が設けられた領域に取付けられた第一の加熱器とを備え、前記蒸気取出管内の圧力は、タービンが必要とする圧力以下に減圧されており、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蒸気取出管内で蒸気単相流に変換され、前記第一の加熱器によって減圧沸騰時の温度低下が補償されて地上に取出されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a temperature decrease compensation type geothermal exchanger according to the present invention is provided in the ground so as to be in contact with the water injection pipe provided in the ground and supplied with water from the ground. A steam take-out pipe having a plurality of spouts, and a first heater attached to a region below the boundary between the water injection pipe and the steam take-out pipe and provided with the spout. The pressure in the steam extraction pipe is reduced below the pressure required by the turbine, and high-pressure hot water generated by supplying heat from the earth to the water in the water injection pipe passes through the jet outlet. The steam is converted into a steam single-phase flow in the steam take-out pipe, and the first heater is used to compensate for the temperature drop during boiling under reduced pressure, and is taken out to the ground.
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以下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。 The water supplied to the water injection pipe becomes high-temperature pressure water substantially proportional to the depth from the ground at the lower part of the water injection pipe. Since the pressure in the steam extraction pipe is reduced to a pressure lower than that required by the turbine, the high-temperature pressure water is jetted to the steam extraction pipe through the outlet provided in the steam extraction pipe by the water pressure, and the pressure is reduced. It is converted into a steam single-phase flow in the steam extraction pipe, and this steam single-phase flow is taken out to the ground.
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。 The steam in the steam take-out pipe moves to a turbine having a pressure gradient, and then expands in the turbine to become power for turning the turbine. The steam that exits the turbine returns to water in the condenser and is fed back into the water injection pipe. Since the amount of circulating water is equal to the amount of steam required by the turbine, the amount of circulating water can be very small. By repeating this process, geothermal heat can be extracted efficiently and continuously. By performing geothermal exchange in this way, heat loss that occurs when passing through a low temperature zone is small, pipe loss due to friction when passing through the pipe surface is small, and heat that can reduce the amount of water to be circulated Exchange is possible.
水注入管と蒸気取出管との境界下部領域であって噴出口が設けられた領域に、第一の加熱器が取付けられており、この第一の加熱器によって、減圧沸騰時の温度低下が補償される。気化の際の潜熱は、地熱帯に十分の熱容量があって地熱帯から供給されることが前提となっているが、蒸気を発生させる管と地熱帯岩石等との熱伝導率の差に起因して、地熱帯からの熱供給に遅れが生じると、この時間差によって蒸気温度が低下する。そのため、第一の加熱器によって減圧沸騰時の温度低下を補償することにより、蒸気温度の低下を防止することができ、出力の向上に寄与する。このように、第一の加熱器は、減圧沸騰時の蒸気温度低下を補償する機能を有しており、発電出力の一部を使って加熱することができる。地熱帯によって加熱されて生産される蒸気は飽和蒸気に近いことから、仕事をした後の蒸気は簡単に液化しやすいが、第一の加熱器を用いることにより、液化を防止することができる。 A first heater is attached to a region below the boundary between the water injection pipe and the steam take-out pipe and provided with a jet port, and this first heater reduces the temperature drop at the time of boiling under reduced pressure. Compensated. The latent heat during vaporization is based on the assumption that the geotropics have sufficient heat capacity and are supplied from the geotropics, but this is due to the difference in thermal conductivity between the pipes that generate steam and geotropical rocks, etc. If there is a delay in the heat supply from the earth and the tropics, the steam temperature decreases due to this time difference. Therefore, by compensating for the temperature drop at the time of boiling under reduced pressure by the first heater, it is possible to prevent the steam temperature from being lowered and contribute to the improvement of the output. As described above, the first heater has a function of compensating for a drop in steam temperature at the time of boiling under reduced pressure, and can be heated using a part of the power generation output. Since the steam produced by heating in the tropics is close to saturated steam, the steam after work is easily liquefied, but liquefaction can be prevented by using the first heater.
また、生産した蒸気の温度を上げることにより、蒸気を飽和蒸気領域から過熱蒸気領域に転換させることができる。一般的な地熱発電では、蒸気圧・温度が低いため、タービンが大型になってしまうが、高温・高圧の過熱蒸気を使うことにより、タービンの小型化、高効率化を図ることができる。 Further, by raising the temperature of the produced steam, the steam can be converted from the saturated steam region to the superheated steam region. In general geothermal power generation, since the steam pressure and temperature are low, the turbine becomes large, but by using high-temperature and high-pressure superheated steam, the turbine can be made smaller and more efficient.
本発明の温度低下補償型地熱交換器においては、前記蒸気取出管の出口側、または蒸気発生部からタービンに至る蒸気系統内にブロワーが取り付けられており、前記蒸気取出管から取り出される蒸気はブロワーによってブーストされることとすることができる。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention, a blower is attached to the outlet side of the steam extraction pipe or in a steam system from the steam generation section to the turbine, and the steam taken out from the steam extraction pipe is blower Can be boosted by.
減圧沸騰させて蒸気を生産すると、減圧沸騰させる圧力は、タービンが要求する圧力に近くなる。この蒸気をブロワーでブーストすると、ブロワーの吸込み側の圧力は、タービン圧力からブロワー圧力を差引いた数値となり、蒸気取出管底部の蒸気噴出し部の圧力は、飽和蒸気の圧力よりブロワー圧力分低下する。そのため、蒸気が飽和蒸気から過熱蒸気領域へ移動する効果と、蒸気の気化をアシストする相乗効果が生まれる。また、ブロワー圧力を大きくすることによって、タービンへ供給する圧力を高く設定できるため、より大きな効果を得ることができる。ブーストするための電源は発電出力の一部を使うことができる。 When steam is produced by boiling under reduced pressure, the pressure for boiling under reduced pressure is close to the pressure required by the turbine. When this steam is boosted by the blower, the pressure on the suction side of the blower becomes a value obtained by subtracting the blower pressure from the turbine pressure, and the pressure at the steam discharge section at the bottom of the steam extraction pipe is lower than the saturated steam pressure by the blower pressure. . As a result, an effect of moving the steam from the saturated steam to the superheated steam region and a synergistic effect of assisting the vaporization of the steam are produced. Moreover, since the pressure supplied to the turbine can be set high by increasing the blower pressure, a greater effect can be obtained. The power supply for boosting can use a part of the power generation output.
本発明の温度低下補償型地熱交換器においては、前記ブロワーの回転数を制御することにより、発電出力を制御することができる。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention, the power generation output can be controlled by controlling the rotational speed of the blower.
蒸気の流量は、ブロワーの回転数に比例するため、ブロワーの回転数を制御することによって、タービンの出力を制御することが可能となる。時間遅れがあるため、急激な負荷変動に対応することはできないが、あらかじめ発電量を時間的に制御したい場合には、発電量をプログラムしておくプログラム発電が可能である。 Since the flow rate of steam is proportional to the rotational speed of the blower, the output of the turbine can be controlled by controlling the rotational speed of the blower. Although there is a time delay, it is impossible to cope with sudden load fluctuations. However, when it is desired to control the power generation amount in time, programmed power generation in which the power generation amount is programmed is possible.
本発明の温度低下補償型地熱交換器においては、前記蒸気取出管の出口側、または蒸気発生部からタービンに至る蒸気系統内に第二の加熱器が取り付けられており、前記蒸気取出管から取り出される蒸気は第二の加熱器によって加熱されることとすることができる。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention, a second heater is attached to the outlet side of the steam extraction pipe or in the steam system from the steam generation section to the turbine, and is taken out from the steam extraction pipe. The steam to be heated can be heated by a second heater.
第二の加熱器によって蒸気を加熱することにより、高温・高圧の過熱蒸気とすることができる。そのため、タービンの入り口温度を高く設定でき、タービンの出力・効率を向上することができる。また、タービン内で蒸気が水に戻ることを防止できるため、タービンまたは熱交換器を駆動する蒸気が結露しにくい状態を保つことができる。加熱するための電源は発電出力の一部を使うことができる。 By heating the steam with the second heater, high-temperature and high-pressure superheated steam can be obtained. Therefore, the inlet temperature of the turbine can be set high, and the output and efficiency of the turbine can be improved. Moreover, since it is possible to prevent the steam from returning to water in the turbine, it is possible to maintain a state in which the steam driving the turbine or the heat exchanger is difficult to condense. The power source for heating can use a part of the power generation output.
本発明の温度低下補償型地熱交換器においては、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構造とすることができる。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention, the steam extraction pipe is disposed inside the water injection pipe, and the diameter of the steam extraction pipe is reduced from the lower side of the geotropical side toward the upper side of the ground surface. The steam extraction pipe may be formed in the structure.
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。 As the steam extraction pipe is formed so that the diameter of the steam extraction pipe decreases from the lower part of the earth and the tropics toward the upper part of the surface of the earth, the single-phase steam flows in the steam extraction pipe as it approaches the low temperature region near the surface. As the speed increases, the passage time is shortened. The flow rate when the steam rises increases in inverse proportion to the square of the diameter of the steam extraction pipe, and the transit time required for the rise of the steam decreases in proportion to the square of the diameter of the steam extraction pipe. Furthermore, since the contact area with the water injection pipe that is the outer pipe decreases in proportion to the diameter of the steam extraction pipe, the amount of heat exchanged with the water injection pipe that is the outer pipe is the inner pipe. Since it decreases in proportion to the cube of the diameter of a certain steam extraction pipe, it is possible to reduce heat loss when the steam single-phase flow passes through the low temperature region.
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。 In addition, after installing the water injection pipe, which is the outer pipe, when installing the steam extraction pipe, which is the inner pipe, the diameter of the steam extraction pipe should be smaller from the lower side of the tropical zone to the upper side of the surface. Thus, the weight of the steam extraction pipe can be reduced as compared with the case where the steam extraction pipe is formed with the same diameter as that of the lower part of the geotropical side, and convenience during construction can be improved.
本発明の温度低下補償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。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger according to the present invention, the diameter of the steam extraction pipe may be reduced stepwise from the geotropical side lower side toward the ground surface upper side.
また、本発明の温度低下補償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。 Moreover, in the temperature fall compensation type geothermal exchanger of this invention, the diameter of the said steam extraction pipe | tube can be set as the structure which becomes small continuously from the geotropical side lower part toward the surface upper part.
本発明の温度低下補償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。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger according to the present invention, a heat insulating portion formed by forming an air layer above the water injection pipe by lowering a water level of the water supplied to the water injection pipe is It can be set as the structure provided with respect to the area | region which touches the low temperature zone near the surface.
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。 Depending on the target geothermal layer, the water pressure supplied to the geothermal exchanger installed in the ground may be too high, and if this water pressure needs to be lowered, the water level in the water injection pipe can be lowered to reduce the pressure inside the geothermal exchanger. The pressure can be adjusted. As a result, an air layer is formed in the upper part of the water injection tube, and a heat insulating effect can be obtained by the air layer having high heat insulating properties. In particular, when the depth of the high temperature zone of the well is large, an air layer can be formed in the water injection pipe in contact with the low temperature zone close to the ground surface by lowering the level of water supplied to the water injection pipe.
本発明の温度低下補償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。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention, a pressurizing pump for pressurizing the water supplied to the water injection pipe can be arranged on the ground.
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温度低下補償型地熱交換器を広く適用することができる。 When large-capacity power generation is performed, the loss head of the outer pipe increases due to an increase in the amount of circulating water, but a pressure pump for pressurizing the water supplied to the water injection pipe is installed on the ground. By adopting such a configuration, it is possible to make up for the head loss and to obtain a larger pressure than in the case of natural water pressure, so that it is possible to realize a large-capacity power generation. Moreover, since the steam pressure can be increased by adopting a configuration in which a pressurizing pump for pressurizing the water supplied to the water injection pipe is disposed on the ground, it is possible to increase the temperature of unused high-temperature land throughout the country. The temperature drop compensation type geothermal exchanger of the present invention can be widely applied to the tropics.
本発明の温度低下補償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。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention, an insertion pipe formed by combining at least one water injection pipe and at least one steam extraction pipe is inserted into a plurality of geothermal wells. The outlets of the steam extraction pipes are connected in parallel, and the steam obtained by using the respective geothermal wells is collected in total, and the steam header for uniformizing the pressure of the collected steam is provided. be able to.
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。 Since the temperature and pressure are different depending on the place where the drilling is performed, the power generation output for one geothermal well differs when used for power generation. Therefore, by connecting the outlets of the steam extraction pipes of the insertion pipes in parallel to multiple geothermal wells and collecting the steam obtained using each geothermal well in total, the turbine, condenser, generator -The capacity of the transformer etc. can be designed large, and there is an advantage that the efficiency of the whole power plant is improved. Further, by arranging the steam header, the pressure of the collected steam can be made uniform.
本発明の温度低下補償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。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention, the geothermal well can be attached to an existing facility.
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。 Boring is newly performed by inserting and using an insertion pipe composed of a water injection pipe and a steam extraction pipe for an empty geothermal well or an inactive geothermal well attached to an existing facility. It is possible to take out the energy from hot water. In particular, since the diameter of the insertion tube can be reduced by taking it out from the ground as a vapor single-phase flow, the degree of freedom of the geothermal well that can be used increases.
本発明の温度低下補償型地熱発電装置は、本発明の温度低下補償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、本発明の温度低下補償型地熱発電装置は、前記発電をバイナリー方式によって行うことができる。
The temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus of the present invention is characterized in that power generation is performed using the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention.
Moreover, the temperature fall compensation type geothermal power generation apparatus of this invention can perform the said electric power generation by a binary system.
本発明の温度低下補償型地熱交換器は、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。 The temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention suppresses the occurrence of pressure loss and heat loss in the piping, makes it possible to reduce the diameter of the pipe embedded in the ground, and reduces the amount of water to be circulated. Because it can excel and has excellent heat exchange efficiency, by using this geothermal exchanger, it is possible to efficiently use geothermal wells attached to existing facilities and perform efficient geothermal power generation. Therefore, a highly convenient geothermal power generator can be realized.
本発明によると、減圧により沸騰させて蒸気を得る際の蒸気温度の低下を防止し、蒸気が液化することによる弊害を除去し、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抑制することができ、浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な温度低下補償型地熱交換器および温度低下補償型地熱発電装置を実現することができる。 According to the present invention, the steam temperature is prevented from lowering when boiling by decompression to obtain steam, the harmful effects caused by the liquefaction of steam are removed, and the high temperature steam to be taken out, the water to be fed and the underground low temperature zone, Therefore, it is possible to realize a temperature decrease compensation type geothermal exchanger and a temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus capable of suppressing high-temperature heat exchange and capable of generating high output power even at a relatively shallow temperature at a shallow depth.
以下に、本発明の温度低下補償型地熱交換器および温度低下補償型地熱発電装置を、その実施形態に基づいて説明する。
本発明の第一実施形態に係る温度低下補償型地熱交換器と温度低下補償型地熱発電装置を図1に示す。
Below, the temperature fall compensation type geothermal exchanger and temperature fall compensation type geothermal power generator of the present invention are explained based on the embodiment.
FIG. 1 shows a temperature decrease compensation type geothermal exchanger and a temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus according to the first embodiment of the present invention.
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が、その逆に、蒸気取出管3を外管とし、水注入管2を内管としてもよい。
In FIG. 1, the
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が必要とする圧力以下に減圧されている。
The
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。
The water supplied to the
水注入管2と蒸気取出管3との境界下部領域であって、噴出口5が設けられた領域に、第一の加熱器31が取付けられており、この第一の加熱器31によって、減圧沸騰時の蒸気温度低下が補償される。これにより、蒸気を発生させる管と地熱帯岩石等との熱伝導率の差に起因する、地熱帯からの熱供給の遅れが生じても、蒸気温度が低下することを防止でき、出力が向上する。
A
蒸気取出管3の出口側には、ブロワー32が取り付けられており、蒸気取出管3から取り出される蒸気は、ブロワー32によってブーストされる。
蒸気をブロワー32でブーストすると、ブロワー32の吸込み側の圧力は、タービン圧力からブロワー圧力を差引いた数値となり、蒸気取出管3底部の蒸気噴出し部の圧力は、飽和蒸気の圧力よりブロワー圧力分低下する。そのため、蒸気が飽和蒸気から過熱蒸気領域へ移動する効果と、蒸気の気化をアシストする相乗効果が生まれる。また、ブロワー圧力を大きくすることによって、タービンへ供給する圧力を高く設定できるため、より大きな効果を得ることができる。また、ブロワー32の回転数を制御することにより、発電出力を制御することができる。
なお、ブロワー32を取り付ける位置は、蒸気取出管3の出口側に限らず、蒸気発生部からタービンに至る蒸気系統内とすることができる。
A
When the steam is boosted by the
In addition, the position where the
蒸気取出管3の出口側には、第二の加熱器33が取り付けられており、蒸気取出管3から取り出される蒸気は、第二の加熱器33によって加熱される。
第二の加熱器33によって蒸気を加熱することにより、高温・高圧の過熱蒸気とすることができる。そのため、タービン6の入り口温度を高く設定でき、タービン6の出力・効率を向上することができる。また、タービン6内で蒸気が水に戻ることを防止できるため、タービン6または熱交換器を駆動する蒸気が結露しにくい状態を保つことができる。
なお、第二の加熱器33を取り付ける位置は、蒸気取出管3の出口側に限らず、蒸気発生部からタービン6に至る蒸気系統内とすることができる。
上述した第一の加熱器31、ブロワー32、第二の加熱器33の電源は、発電出力の一部を使うことができる。これにより、発電効率は少しダウンするが、高温、高圧の過熱蒸気を生産することができるため、全体としての出力を大きく向上させることができる。
A
By heating the steam with the
In addition, the position where the
A part of the power generation output can be used as the power source of the
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。
Thereafter, the steam exiting the
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。
The
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。
When the depth of the high temperature zone of the well is large, an
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。
When a major equipment accident such as the
図2に、第一の加熱器31の詳細を示す。
図2(a)に、第一の加熱器31の設置位置と、その構造を示す。図2(b)は、図2(a)のA―A断面図である。
第一の加熱器31は、水注入管2と蒸気取出管3とからなる2重管の底部に位置する加圧水過熱ゾーンにおいて、加熱ヒーターに電流を流すことによって熱を供給する。内管の外側を耐熱電線管に入れて、耐熱電線管をステンレスバンドで内管に取り付けて形成することができる。配線は耐熱ケーブルを使い、施工面の恒久安全性を確保する。
FIG. 2 shows details of the
FIG. 2A shows the installation position of the
The
電線管同士の接続は水分が入らないように処理する。圧力水は高度処理された純水を使うため、水中への漏れ電流は非常に少ないが、経年で不純物が増加して漏れ電流が増えるリスクを回避するため、加熱ヒーターは充電部を露出しない構造とする。外管は接地抵抗がほぼゼロの接地状態にあるため、配線は1本のみとし、残る1本は外管に接続する。このように、送電端の1本を大地に接続し、加熱ヒーター側では、ヒーターの一端を外管に接続する方法を選定することができる。加圧水過熱ゾーンは、外管の下部を、内管の荷重に耐えるよう補強し、外管に溶着して固定する。 The connection between conduits is treated so that moisture does not enter. Since the pressure water uses highly-treated pure water, the leakage current into the water is very low, but the heater does not expose the live parts to avoid the risk of increased leakage current due to impurities. And Since the outer tube is in a ground state in which the ground resistance is almost zero, only one wiring is connected, and the remaining one is connected to the outer tube. In this way, a method of connecting one end of the power transmission to the ground and connecting one end of the heater to the outer tube can be selected on the heater side. In the pressurized water overheating zone, the lower part of the outer pipe is reinforced to withstand the load of the inner pipe, and is welded and fixed to the outer pipe.
図2(c)に、加熱ヒーターを単相で設計した場合を示し、図2(d)に、加熱ヒーターを三相で設計した場合を示す。
単相の場合には、加熱ヒーターの一端(T相)を外管に接続できるため、R相のみ配線すればよい。一例として、単相200V配線にすると、加熱ヒーターの容量が10kWの場合、電流値は50.0Aとなる。ケーブルの許容電流を、約30%余裕をみた数値とし設定すると、許容電流は75Aとなる。これに対し、三相200V配線にすると、加熱ヒーターの容量が10kWの場合、電流値は28.9Aとなる。ケーブルの許容電流を同様に、約30%余裕をみた数値とし設定すると、許容電流は53Aとなる。
FIG. 2C shows the case where the heater is designed with a single phase, and FIG. 2D shows the case where the heater is designed with three phases.
In the case of a single phase, since one end (T phase) of the heater can be connected to the outer tube, only the R phase needs to be wired. As an example, when the single-phase 200V wiring is used, when the capacity of the heater is 10 kW, the current value is 50.0A. If the allowable current of the cable is set to a value with a margin of about 30%, the allowable current is 75A. On the other hand, when the three-phase 200V wiring is used, the current value is 28.9 A when the capacity of the heater is 10 kW. Similarly, if the allowable current of the cable is set to a value with a margin of about 30%, the allowable current is 53A.
このように、単相では、電流値が大きくなるため電線の太さは少し大きくなるが、単相分の1本のみ配線すればよい点にメリットがある。三相の場合には、電流値は単相の場合の57.7%になり、ケーブルを小さくすることができるが、3相分のケーブルを配線しなければならない。そのため、加熱ヒーターは、単相で設計したほうが施工上簡便であり、建設費も格安である。 Thus, in the single phase, since the current value increases, the thickness of the electric wire slightly increases, but there is a merit in that only one wire for the single phase needs to be wired. In the case of three phases, the current value is 57.7% of that in the case of a single phase, and the cable can be made small. However, a cable for three phases must be wired. For this reason, designing a heater with a single phase is simpler in construction and cheaper in construction cost.
図3、図4に、本発明の第二実施形態に係る温度低下補償型地熱交換器と温度低下補償型地熱発電装置を示す。
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3、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。
3 and 4 show a temperature decrease compensation type geothermal exchanger and a temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus according to the second embodiment of the present invention.
The steam take-out
図3においては、高温域24である地熱帯4領域の部分の径に対して、中温域25の部分と、低温域26の部分の径を小さくしている。地表面に近い低温地帯に接する水注入管2には空気層19を形成して断熱効果を向上させている。高温域24、中温域25、低温域26は、それぞれの状況に応じて設定できるが、一例として、低温域26を地表から深さ300mまで、中温域25を深さ300mから500m、高温域24を深さ500mから700mとすることができる。
In FIG. 3, the diameters of the
図3に示す各位置での圧力と温度の一例を、表1に示す。本発明においては、ブロワーと加熱器を用いているが、比較対象として、ブロワーと加熱器を用いていないものとの対比を行っている。表1における外管は水注入管を意味し、内管は蒸気取出管を意味する。 Table 1 shows an example of pressure and temperature at each position shown in FIG. In the present invention, a blower and a heater are used, but as a comparison object, a comparison is made with a blower and a heater that does not use a heater. The outer pipe in Table 1 means a water injection pipe, and the inner pipe means a steam extraction pipe.
飽和蒸気の場合には、各点の圧力は蒸気温度によって決まるが、過熱蒸気の場合には、圧力、温度とも任意に設定できる。表1において、ブロワーと加熱器を用いていないものにおける内管底部の温度は、減圧沸騰時の温度低下を予測した数値である。また、本発明における内管底部の温度は、内管底部を加熱することによって、温度補正した数値である。2重管底部の圧力水ゾーンでは、圧力水の温度が設計値より下がった場合には、加熱器で設計値まで補正する。また、本発明におけるブロワー出口の圧力は、ブロワーでブーストすることによって、得られる数値である。 In the case of saturated steam, the pressure at each point is determined by the steam temperature, but in the case of superheated steam, both pressure and temperature can be set arbitrarily. In Table 1, the temperature of the inner tube bottom in the case where the blower and the heater are not used is a numerical value that predicts a temperature drop during boiling under reduced pressure. Further, the temperature of the inner tube bottom in the present invention is a numerical value obtained by correcting the temperature by heating the inner tube bottom. In the pressure water zone at the bottom of the double pipe, when the temperature of the pressure water falls below the design value, the design value is corrected with a heater. Further, the pressure at the blower outlet in the present invention is a numerical value obtained by boosting with the blower.
表2に、使用する坑井の一例を示す。抗井の深さ700mにおいて抗井温度は186℃である点を考慮して、外管部底部温度を180℃とした。抗井の深さ700mにおける、外管部底部の圧力5.46MPaは、加圧ポンプで1.6MPaを加圧した圧力である。ブロワーと加熱器を用いていない場合における、抗井の深さと温度は、下記の実測値を採用した。 Table 2 shows an example of wells to be used. Considering the fact that the well temperature is 186 ° C. at a well depth of 700 m, the outer tube bottom temperature was 180 ° C. The pressure of 5.46 MPa at the bottom of the outer tube at a well depth of 700 m is a pressure obtained by pressurizing 1.6 MPa with a pressure pump. The following measured values were adopted for the depth and temperature of the well when no blower and heater were used.
図4においては、高温域24である地熱帯4領域の部分の径に対して、中温域25の部分の径を小さくし、低温域26の部分の径をさらに小さくしている。この場合においても、地表面に近い低温地帯に接する水注入管2には空気層19を形成して断熱効果を向上させている。なお、図3、図4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。
In FIG. 4, the diameter of the
図5に、本発明の第三実施形態に係る温度低下補償型地熱交換器と温度低下補償型地熱発電装置を示す。
図5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連続的に小さくなっている構造のものを示している。図5では、高温域24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。
FIG. 5 shows a temperature decrease compensation type geothermal exchanger and a temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 5, the thing of the structure where the diameter of the steam extraction pipe |
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。
By forming the
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。
In addition, after installing the
図3、図4、図5に示す実施形態においても、水注入管2と蒸気取出管3との境界下部領域であって、噴出口5が設けられた領域に、第一の加熱器31が取付けられており、この第一の加熱器31によって、減圧沸騰時の蒸気温度低下が補償される。これにより、蒸気を発生させる管と地熱帯岩石等との熱伝導率の差に起因する、地熱帯からの熱供給の遅れが生じても、蒸気温度が低下することを防止でき、出力が向上する。
Also in the embodiment shown in FIGS. 3, 4, and 5, the
蒸気取出管3の出口側には、ブロワー32が取り付けられており、蒸気取出管3から取り出される蒸気は、ブロワー32によってブーストされる。蒸気をブロワー32でブーストすると、ブロワー32の吸込み側の圧力は、タービン圧力からブロワー圧力を差引いた数値となり、蒸気取出管底部の蒸気噴出し部の圧力は、飽和蒸気の圧力よりブロワー圧力分低下する。そのため、蒸気が飽和蒸気から過熱蒸気領域へ移動する効果と、蒸気の気化をアシストする相乗効果が生まれる。また、ブロワー圧力を大きくすることによって、タービンへ供給する圧力を高く設定できるため、より大きな効果を得ることができる。また、ブロワー32の回転数を制御することにより、発電出力を制御することができる。
なお、ブロワー32を取り付ける位置は、蒸気取出管3の出口側に限らず、蒸気発生部からタービンに至る蒸気系統内とすることができる。
A
In addition, the position where the
蒸気取出管3の出口側には、第二の加熱器33が取り付けられており、蒸気取出管3から取り出される蒸気は、第二の加熱器33によって加熱される。第二の加熱器33によって蒸気を加熱することにより、高温・高圧の過熱蒸気とすることができる。そのため、タービン6の入り口温度を高く設定でき、タービン6の出力・効率を向上することができる。また、タービン6内で蒸気が水に戻ることを防止できるため、タービン6または熱交換器を駆動する蒸気が結露しにくい状態を保つことができる。
なお、第二の加熱器33を取り付ける位置は、蒸気取出管3の出口側に限らず、蒸気発生部からタービンに至る蒸気系統内とすることができる。
上述した第一の加熱器31、ブロワー32、第二の加熱器33の電源は、発電出力の一部を使うことができる。これにより、発電効率は少しダウンするが、高温、高圧の過熱蒸気を生産することができるため、全体としての出力を大きく向上させることができる。
A
In addition, the position where the
A part of the power generation output can be used as the power source of the
上述した本発明の第一実施形態から第三実施形態に係る温度低下補償型地熱交換器では、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。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。
In the temperature drop compensation type geothermal exchanger according to the first to third embodiments of the present invention described above, the water supplied to the
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。
In the present invention, the pressure gradient is formed by sending the highly treated water to the lowermost part of the
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。
The plurality of
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。
The
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。
Although it is possible to use one insertion tube inserted into one geothermal well, since the temperature and pressure differ depending on the location where it is drilled, power generation for one geothermal well is used when it is used for power generation. Each output will be different. Therefore, by connecting the outlets of the
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。 For example, when three geothermal wells are used, the thermal output of each geothermal well is converted into a generator output, and when the first well is 500 kW, the second well is 400 kW, and the third well is 600 kW, three units are independent. Rather than constructing a power generation system, if these are combined and designed as one unit of well No. 1 + well 2 + well 3 = 1500 kW, the overall output will be the same, but the turbine, condenser, generator, transformer The capacity of the power plant can be designed to be large, and the efficiency of the electrical equipment is increased by the capacity. Therefore, when used for power generation, the efficiency of the entire power plant is increased. In addition, construction costs such as construction costs can be significantly reduced.
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。
The
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。 Thus, by replacing existing wells including closed wells, the time required for environmental assessment can be greatly reduced, and development costs can be greatly reduced. In addition, the supplementary pit required for conventional geothermal power generation is unnecessary. In addition, since no geothermal fluid is used, scale corrosion is at the same level as ordinary water piping and equipment, and there is the convenience that maintenance frequency of general industrial equipment is sufficient, and concerns about the exhaustion of hot springs are eliminated. , Environmental problems are dramatically alleviated.
本発明の温度低下補償型地熱交換器は、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。 In the temperature decrease compensation type geothermal exchanger of the present invention, steam is generated underground, so that a steam generator which is a pressure vessel usually installed on the ground is unnecessary. Therefore, the construction cost of the steam generator is unnecessary, and the control of the entire system can be made a simpler design. Moreover, since it is not necessary to install a steam generator, a pressure vessel handling engineer is unnecessary, and the operation cost can be reduced by reducing maintenance personnel.
また、本発明の温度低下補償型地熱交換器は、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。 Moreover, since the pressurization pump for pumping groundwater becomes unnecessary by the temperature fall compensation type geothermal exchanger of this invention, the expense required for installation of a pressurization pump can be reduced. Furthermore, the control of the entire system can be made simpler. Furthermore, since a steam generator is unnecessary and a pressurizing pump is not essential, the site for installing ground facilities can be reduced. There are many geotropics in national parks, and it is possible to reduce the environmental burden when constructing power generation facilities.
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。 In the present invention, regardless of whether it is for existing power generation or hot spring use, water is supplied from the ground to the deepest part of the well on the condition that there is constant heat in the deepest part of the well. Playback can be performed. In this case, a normal pipe is sufficient as the pipe for supplying water.
図6に、本発明の第一実施形態に係る温度低下補償型地熱交換器をバイナリー方式の発電に適用した温度低下補償型地熱発電装置の構成を示す。
図6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。
FIG. 6 shows a configuration of a temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus in which the temperature decrease compensation type geothermal exchanger according to the first embodiment of the present invention is applied to binary power generation.
In FIG. 6, the function of the
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、ポンプ34によって蒸発器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。
The low-boiling-point medium vapor that has exited the
図7に、本発明の第二実施形態に係る温度低下補償型地熱交換器をバイナリー方式の発電に適用した温度低下補償型地熱発電装置の構成を示す。
図7において、地熱交換器1の機能は図4に基づいて説明したものと同様である。
なお、図7においては、図4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3に示すもの、または図5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。
FIG. 7 shows a configuration of a temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus in which the temperature decrease compensation type geothermal exchanger according to the second embodiment of the present invention is applied to binary power generation.
In FIG. 7, the function of the
FIG. 7 shows the one using the
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8に、この実施形態に係る温度低下補償型地熱交換器と温度低下補償型地熱発電装置を示す。
Below, embodiment which pressurizes on the ground with respect to the water supplied to a water injection pipe is described.
FIG. 8 shows a temperature decrease compensation type geothermal exchanger and a temperature decrease compensation type geothermal power generation apparatus according to this embodiment.
図8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8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が、その逆に、蒸気取出管3を外管とし、水注入管2を内管としてもよい。
In FIG. 8, the
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が必要とする圧力以下に減圧されている。
The
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27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27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。
A pressurizing
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。
Heat is supplied from the
この実施形態においても、第一の加熱器31、ブロワー32、第二の加熱器33を取り付けることができる。また、図3、図4、図5に示すように、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が形成されているものについて、加圧ポンプ27を設置することもできる。
Also in this embodiment, the
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11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、蒸気調節弁15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。
Thereafter, the steam exiting the
上述したように、本発明においては、水注入管と蒸気取出管との境界下部領域であって噴出口が設けられた領域に取付けられた第一の加熱器によって、高圧熱水が噴出口を介して蒸気単相流に変換される際に、減圧沸騰時の温度低下を補償する点に大きな特徴がある。これにより、蒸気圧・温度を高くして過熱蒸気を使うことにより、タービンの小型化、高効率化を図ることができるとともに、圧倒的に多く分布する、浅い深度で比較的低温域でも地熱発電が可能となることに大きな利点があり、地熱発電の普及に大きく寄与する。 As described above, in the present invention, the high-pressure hot water causes the jet outlet to be discharged by the first heater attached to the lower boundary region between the water injection pipe and the steam discharge pipe and provided with the jet outlet. When converted to a vapor single-phase flow, the main feature is that it compensates for the temperature drop during boiling under reduced pressure. This makes it possible to reduce the size and increase the efficiency of turbines by increasing the steam pressure and temperature and using superheated steam. In addition, geothermal power generation is possible even in relatively low temperatures at shallow depths, which are predominantly distributed. This has a great advantage, and greatly contributes to the spread of geothermal power generation.
本発明は、減圧により沸騰させて蒸気を得る際の蒸気温度の低下を防止し、蒸気が液化することによる弊害を除去し、浅い深度で比較的低温域でも高出力の発電が可能な温度低下補償型地熱交換器および温度低下補償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、圧倒的に多く分布する、浅い深度で比較的低温域でも地熱発電が可能となるため、将来のベース発電としての役割を担うことができ、産業上の利用に大きく寄与するものである。 The present invention prevents a drop in steam temperature when boiling by decompression to obtain steam, eliminates the adverse effects of steam liquefaction, and lowers the temperature at which high power generation is possible even at a relatively low temperature range at a shallow depth. It can be widely used as a compensation type geothermal exchanger and a temperature decrease compensation type geothermal power generation device. In particular, it has a significant advantage in that it can effectively use existing wells and reduce the environmental burden when constructing power generation facilities. Japan has relied heavily on nuclear power due to accidents at nuclear power plants. Considering the current situation where the energy policy has to be reviewed from the ground up, geothermal power generation is possible in a relatively low temperature range at a shallow depth, which is overwhelmingly distributed, so it will play a role as a future base power generation Can greatly contribute to industrial use.
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
24 高温域
25 中温域
26 低温域
27 加圧ポンプ
31 第一の加熱器
32 ブロワー
33 第二の加熱器
34 ポンプ
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