JP6098241B2 - 非凝縮ガス滞留防止方法及び装置 - Google Patents

Description

地熱発電所において使用される還元井に滞留する非凝縮ガスの滞留防止方法及び装置に関するものである。

地熱発電所では、地下深部にある高温の地熱流体貯留層（以下、単に「貯留層」という）に対して地上から生産井を掘削し、蓄積されている地熱流体をこの生産井を通じて地上に取り出し、該地熱流体が保有している熱エネルギーでタービンを回転させることによって発電している。
また、熱水や蒸気が凝縮した復水は、還元井を介して地下に還元される。

この地熱発電所において、停止中の還元井内に地熱流体非凝縮ガス成分（二酸化炭素や硫化水素）が高濃度で滞留し、特に硫化水素は有毒ガスであるため、再稼動の際にこれら非凝縮ガスをどのように処理するかが問題となっている。

ところで、地熱流体中の非凝縮ガスの処理技術としては、例えば特許文献１には、「蒸気採取用生産井より自噴する地熱流体を、気水分離器を介して蒸気と熱水とに分離し、その後、大気に開放することなく、蒸気は蒸気タービンに導入して発電に供する一方で、熱水については還元井を通じて地下に還元する方法において、前記蒸気タービンの下流側に設けた復水器にて発生する非凝縮ガスを、熱水還元用還元井内に注入することにより、該還元熱水と共に地下還元することを特徴とする地熱発電設備において発生する非凝縮ガスの処分方法。」が開示されている。

また、特許文献２においては、還元井の地上部分に非凝縮ガスを供給し、排水に同伴させることにより地下へ還元する技術が開示されている。

特開Ｈ９−１７７５０７号公報 特開Ｈ２−１０１３５１号公報

従来の非凝縮ガスの処理方法は、いずれも発電設備が稼動して還元井に還元水が流れていることを前提としており、発電設備が停止中の還元井において滞留する非凝縮ガスの濃縮滞留問題に対処する技術に言及したものは見当たらない。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、発電設備が停止中の還元井において滞留する非凝縮ガスの滞留防止に関する技術を提供するものである。

（１）本発明に係る非凝縮ガス滞留防止方法は、発電設備が停止中の還元井に非凝縮ガスが滞留するのを防止する非凝縮ガス滞留防止方法であって、
還元井の上端部に設けたガス注入管から空気又は不活性ガスを運転停止直後の前記還元井に注入して、前記還元井内の気相の圧力を前記還元井内の熱水がフラッシュしない所定圧力に保持することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記所定圧力は、発電設備が停止している時の還元井の停止時上昇圧力であることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記所定圧力は、空気又は不活性ガスを注入し続けたときに圧力が変化しなくなる圧力であることを特徴とするものである。

（４）本発明に係る非凝縮ガス滞留防止装置は、発電設備が停止中の還元井に非凝縮ガスが滞留するのを防止する非凝縮ガス滞留防止装置であって、還元井の上端部に設けたガス注入管と、該ガス注入管に接続されて圧縮空気または圧縮された不活性ガスを前記ガス注入管を介して運転停止直後の前記還元井に供給するガス供給装置と、前記還元井内のガス圧力が前記還元井内の熱水がフラッシュしない所定圧力になるように前記ガス供給装置のガス供給圧力を調整する供給ガス圧力調整部とを備えてなることを特徴とするものである。

（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、前記所定圧力は、発電設備が停止している時の還元井の停止時上昇圧力であることを特徴とするものである。

（６）また、上記（４）に記載のものにおいて、前記所定圧力は、空気又は不活性ガスを注入し続けたときに圧力が変化しなくなる圧力であることを特徴とするものである。

本発明においては、還元井の上端部に設けたガス注入管から空気又は不活性ガスを注入して、前記還元井内の気相の圧力を所定圧力に保持するようにしたので、還元井を再稼動した際にも有毒なガスが大気に放散されることがない。

還元井に非凝縮ガスが滞留するメカニズムを説明する説明図である。 本発明の一実施の形態に係る非凝縮ガス滞留防止装置の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る非凝縮ガス滞留防止装置の他の態様の説明図である。 図２に示した非凝縮ガス滞留防止装置の動作説明図である。

本発明の一実施の形態に係る非凝縮ガス滞留防止方法は、発電設備が停止中の還元井に非凝縮ガスが滞留するのを防止する非凝縮ガス滞留防止方法であって、還元井の上端部に設けたガス注入管から、空気又は不活性ガスを注入して、還元井内の気相の圧力を所定圧力に保持することを特徴とするものである。
所定圧力としては、例えば「発電設備が停止している時の還元井の停止時上昇圧力」とすればよく、この理由を地熱発電設備の停止中に還元井１内で非凝縮ガスが滞留するメカニズムと共に図１に基づいて説明する。

非凝縮ガスは貯留層３から供給され、以下のメカニズムにより滞留するものと推定される。
なお、還元井頂部圧力P1は圧力バランス（図１参照）から、
「還元井頂部圧力P1」＝「貯留層圧力Po」−「水柱ヘッドρ×ｇ×ｈ」
（ρ：還元水密度、g：重力加速度、h：還元井内水位）
となる。このため、硫化水素等の非凝縮ガスの滞留とともに水柱ヘッド分が減少し、還元井頂部圧力P1は増大していくことになる。

(i)還元井運転中および停止直後（図１（ａ））
還元井運転中および停止直後は還元井１が満水もしくは高水位と考えられ、十分に水柱ヘッドが効いた状態で還元井頂部圧力P1も低い。

(ii)停止中（圧力上昇期）（図１（ｂ））
停止中の還元井１の底部には周囲の貯留層３から熱水が混入してくる。混入した熱水は、還元井１内の対流によって還元井１内を上昇し、圧力が解放されるに従ってフラッシュして気泡が発生する。発生した気泡は還元井１内の頂部に達し、徐々に気泡内のガスによる上部空間４が形成され、還元井１内の水面が下がる。
時間の経過とともに上部空間４が大きくなり水位が徐々に下がっていく（ｈが小さくなっていく）と、水柱ヘッド分が小さくなり還元井頂部圧力P1は高まっていく。
一方、上部空間４を形成するフラッシュ気泡には水蒸気の他、非凝縮ガスが含まれるが、水蒸気成分は冷えて再び凝縮するため、上部空間４には非凝縮ガス成分が濃縮されていく。

(iii)停止中（圧力安定期）（図１（ｃ））
水位がある程度まで低下して還元井頂部圧力P1が高まってくると、混入した熱水が還元井１内対流によって（低下した）水面近傍まで達しても、上部空間圧力（＝還元井頂部圧力P1）が十分に効くようになり、フラッシュしなくなる。
その結果、水位低下、圧力上昇も収まっていき、水位、圧力が一定のバランスした状態となる。
圧力検出計５によって求められるこのときの圧力P1を、「還元井の停止時上昇圧力」とする。
還元井の運転停止直後に空気又は不活性ガスを還元井に注入して、気相の圧力を上記「還元井の停止時上昇圧力」にすれば、上記の圧力安定期と同様の状態となり、還元井内での熱水のフラッシュが生ぜず、非凝縮ガス成分が濃縮されることもない。

また、空気又は不活性ガスを注入する所定圧力としては、空気又は不活性ガスを注入し続けたときに圧力が変化しなくなる圧力としてもよい。
還元井１の運転停止後に還元井１に空気又は不活性ガスを注入し続けると、還元井１の頂部に気相空間が増大してゆくと共に還元井１内の水位が下がっていく。ある程度水位が下がると、注入する空気又は不活性ガスが還元井１の下端部等から貯留層側に抜けだし、それ以上、ガス圧力が上昇しない（変化しない）状態になる。
このような状態を保持することで、還元井１内の気相を空気又は不活性ガスによって満たしておき、非凝縮ガス成分の濃縮を防止できる。
「ガス圧力が変化しない状態」になったとの判定は、例えば１時間当たりの圧力変化量がガス圧力の５％以下になった状態をもって判定すればよい。

なお、還元井１への空気又は不活性ガスの注入は、還元井１の上端部にガス注入管を設け、例えば窒素ボンベや空気圧縮機（コンプレッサ）などで行うようにすればよい。

次に、上記方法を実現する非凝縮ガス滞留防止装置の一例について、図２に基づいて説明する。
本実施の形態の非凝縮ガス滞留防止装置７は、還元井１の上端部に設けたガス注入管９と、ガス注入管９に接続され圧縮空気または圧縮された不活性ガスをガス注入管９に供給するガス供給装置１１と、還元井１内のガス圧力を検出する圧力検出計５と、該圧力検出計５の検出値に基づいて還元井１内のガス圧力が所定圧力になるように前記ガス供給装置１１を制御する制御装置１３とを備えてなるものである。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜ガス注入管＞
ガス注入管９は、還元井１の上端側に連通しており、還元井１内にガスを注入できるようになっている。

＜ガス供給装置＞
ガス供給装置１１は、ガス注入管９に接続され圧縮空気または圧縮された不活性ガスをガス注入管９に供給する。
ガス供給装置１１としては、空気を供給する場合には、空気圧縮機（コンプレッサ）や空気ボンベを用いることができる。また、窒素等の不活性ガスを供給する場合には、圧縮不活性ガス製造装置や不活性ガスボンベなどを用いることができる。
図２に示す例では、ガス供給装置１１として圧縮窒素製造装置を示し、窒素ガスを還元井１に供給する例を示している。

＜圧力検出計＞
圧力検出計５は、還元井１内の上部空間４の圧力を検出する。
＜制御装置＞
制御装置１３は、圧力検出計５の検出値に基づいて還元井１内のガス圧力が所定圧力になるようにガス供給装置１１を制御する。ガス供給装置１１が空気圧縮機の場合には、制御装置１３は、空気圧縮機の起動停止の制御を行う。また、ガス供給装置１１が不活性ガスボンベの場合には、開閉弁の開閉制御を行う。
所定圧力としては、上述した還元井１の停止時上昇圧力でもよいし、あるいは空気又は不活性ガスを注入し続けたときに圧力が変化しなくなる圧力でもよい。
圧力検出計５と制御装置１３は、本発明の供給ガス圧力調整部に相当する。
なお、ガス供給装置１１が、図３に示すように、不活性ガスボンベ１５の場合には、圧力検出計と制御装置１３に代えて、圧力調整弁１７を用いることができ、この場合には圧力調整弁１７が本願発明の供給ガス圧力調整部に相当する。

次に、上記の非凝縮ガス滞留防止装置の動作について、図４に基づいて説明する。
地熱発電設備が停止された直後は、還元井１も稼動が停止され、図４（ａ）に示すように、還元井１が満水もしくは高水位状態になっている。
この状態で、ガス供給装置１１を稼動して例えば窒素ガスを、ガス注入管９から注入する。窒素ガスが注入されることで上部空間４の圧力が上昇し、この圧力が圧力検出計５によって検知される（図４（ｂ）参照）。圧力検出計５の検出値は制御装置１３に入力され、上部空間４の圧力が所定圧力になると、制御装置１３は、ガス供給装置１１を停止する（図４（ｃ）参照）。その後は、上部空間４の圧力が設定圧より低下すればガス供給装置１１を稼動して、上部空間４の圧力が設定圧以上に保持されるようにする。

上部空間４の圧力が設定圧以上に保持されることにより、還元井１内の熱水がフラッシュしないので、上部空間４には無害な窒素ガスが貯留された状態となる。
したがって、還元井１を再稼動する際にも上部空間４に有害ガスが滞留しておらず、還元井１の再稼働を支障なく行うことができる。

１ 還元井
３ 貯留層
４ 上部空間
５ 圧力検出計
７ 非凝縮ガス滞留防止装置
９ ガス注入管
１１ ガス供給装置
１３ 制御装置
１５ 不活性ガスボンベ
１７ 圧力調整弁

Claims (6)

1. 発電設備が停止中の還元井に非凝縮ガスが滞留するのを防止する非凝縮ガス滞留防止方法であって、
   還元井の上端部に設けたガス注入管から空気又は不活性ガスを運転停止直後の前記還元井に注入して、前記還元井内の気相の圧力を前記還元井内の熱水がフラッシュしない所定圧力に保持することを特徴とする非凝縮ガス滞留防止方法。
2. 前記所定圧力は、発電設備が停止している時の還元井の停止時上昇圧力であることを特徴とする請求項１記載の非凝縮ガス滞留防止方法。
3. 前記所定圧力は、空気又は不活性ガスを注入し続けたときに圧力が変化しなくなる圧力であることを特徴とする請求項１記載の非凝縮ガス滞留防止方法。
4. 発電設備が停止中の還元井に非凝縮ガスが滞留するのを防止する非凝縮ガス滞留防止装置であって、還元井の上端部に設けたガス注入管と、該ガス注入管に接続されて圧縮空気または圧縮された不活性ガスを前記ガス注入管を介して運転停止直後の前記還元井に供給するガス供給装置と、前記還元井内のガス圧力が前記還元井内の熱水がフラッシュしない所定圧力になるように前記ガス供給装置のガス供給圧力を調整する供給ガス圧力調整部とを備えてなることを特徴とする非凝縮ガス滞留防止装置。
5. 前記所定圧力は、発電設備が停止している時の還元井の停止時上昇圧力であることを特徴とする請求項４記載の非凝縮ガス滞留防止装置。
6. 前記所定圧力は、空気又は不活性ガスを注入し続けたときに圧力が変化しなくなる圧力であることを特徴とする請求項４記載の非凝縮ガス滞留防止装置。