JP6176890B1 - 地熱交換器および地熱発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の地熱交換器は、フラッシュ率を向上することができるため、高性能の発電が可能となる。
図1に、本発明の第一実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置の構成を示す。
地熱交換器1は、地中に設けられ地上から水が供給される外管2と、外管2の内側に配置された内管3とを備えた2重管構造であり、内管3は、その底部4に設けられた仕切弁6を備えている。
(高圧側の飽和水のエンタルピー − 低圧側の飽和水のエンタルピー)÷低圧側の潜熱
であるため、絞り構造によって減圧することにより、圧力差が大きくなれば、連動して温度差も大きくなる。そのため、フラッシュ率は大きくなる。絞り機構は、口径を変えることにより圧力差を調整することができる。
図2は、図1におけるA―A断面図であり、外管2を下降する水の流れの方向に対して垂直な外管断面2aの断面積は、内管3を上昇する気液2相流の流れの方向に対して垂直な内管断面3aの断面積に対して大きく設定されている。
外管断面2aの断面積を大きくしていることによって、外管2を下降する水の速度が遅くなるため、水が地熱帯から熱を吸収する熱吸収時間を長くとることができる。また、体積膨張した気液2相流と圧力水とでは時間当たりの質量に差はないが、内管3の減圧エリア上部では低温域を通過することになり、上昇する気液2相流の通過速度が速くなるため、減圧エリアにおける熱損失を減少させることができる。
表1に、坑井の坑井深度と蒸気温度、飽和圧力の一例を示す。
表1における各項目の算出の根拠等を、表2に示す。
(L×1,000×9.8)÷1,000,000
であり、計算式2は、
P0=PF−P1+P2+P3
である。
1.高圧エリア底部(仕切弁一次)において、沸騰させないために必要な圧力を決定する。
2.坑井温度から高圧エリア底部で生成される圧力水温度を想定し、蒸気温度、蒸気圧力を決定する。
3.タービン入口圧は蒸気温度、蒸気圧から決定する。
4.タービンの条件は、大分県九重町のホテル(出力1000kW)の仕様を参考値とした。
5.仕切弁の取り付け位置は、坑井の最深部として計算した。
本発明においては、仕切弁6が開く条件となる、仕切弁6が設置された位置における高圧エリア5内の高圧熱水の圧力を、一例として、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力としている。これは、図3において、飽和曲線上の圧力を、仕切弁6が設置された位置における高圧エリア5の高圧熱水の圧力とすることを意味する。また、仕切弁6が開く条件となる、仕切弁6が設置された位置における高圧エリア5内の高圧熱水の圧力を、水の臨界圧力付近とすることもできる。水の臨界圧力は、22.12MPaであり、臨界温度は374.2℃である。圧力と温度が臨界点を超えると、超臨界水が生成される。
(高圧側の飽和水のエンタルピー − 低圧側の飽和水のエンタルピー)÷低圧側の潜熱
により、
(h’(350℃)−h’(150℃))÷(h”-h’)(150℃)%
=69.4%
となる。
地熱交換器1は、地中に設けられ地上から水が供給される外管2と、外管2の内側に配置された内管3とを備えた2重管構造であり、内管3は、その底部4に設けられた仕切弁6を備えている。
表4に、実施例1と実施例2のフラッシュ率の比較を示す。
表6に、加圧ポンプ9の必要容量の比較を示す。
2 外管
2a 外管断面
3 内管
3a 内管断面
4 底部
5 高圧エリア
6 仕切弁
8 減圧エリア
9 加圧ポンプ
10 高圧フラッシャー
11 高圧蒸気槽
12 タービン
13 放散弁
14 減圧弁
15 中圧フラシャー
16 中圧蒸気槽
17 中圧蒸気弁
18 復水器
19 補給水槽
20 断熱部
21 蒸気弁
Claims (9)
- 地中に設けられ地上から水が供給される外管と、前記外管の内側に配置された内管とを備えた2重管構造であり、内管はその底部に設けられた仕切弁を備え、外管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて、沸騰せずに高圧熱水が生成される高圧エリアが形成され、仕切弁が開いたときに高圧エリアの高圧熱水が内管内に流入し、内管内の減圧エリアの上部はタービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液2相流に変換され、この気液2相流が地上に取出される地熱交換器であって、
減圧エリアでのフラッシュ率を向上させるフラッシュ率向上手段を有し、フラッシュ率向上手段は、仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力と内管内の減圧エリアとの圧力差が設定基準値を超えたときに仕切弁が開いて、減圧エリアにおける圧力が、タービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液2相流に変換されることによるものであり、外管に注入される水を加圧ポンプにより加圧する圧力を設定することによって、仕切弁が開くようにしたことを特徴とする地熱交換器。 - 前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにしたことを特徴とする請求項1記載の地熱交換器。
- 前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、水の臨界圧力付近として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにしたことを特徴とする請求項1記載の地熱交換器。
- 前記外管を下降する水の流れの方向に対して垂直な外管断面の断面積は、前記内管を上昇する気液2相流の流れの方向に対して垂直な内管断面の断面積に対して大きく設定されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の地熱交換器。
- 前記仕切弁は絞り機能を有する構造となっていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の地熱交換器。
- 地上に取出された気液2相流は、高圧フラッシャーによって蒸気と圧力水とに分離され、蒸気を分離された残りの圧力水はさらに減圧されて、中圧フラシャーによって蒸気に変換されることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の地熱交換器。
- 地上に取出された気液2相流から蒸気を分離された残りの圧力水は、高温状態を維持して補給水槽に供給され、復水器から補給水槽に送られる循環水を加熱することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の地熱交換器。
- 少なくとも1つの前記外管と少なくとも1つの前記内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、前記内管の出口が並列に接続されて構成され、前記内管の減圧エリアが監視されており、減圧エリアの蒸気温度が規定値を下回った地熱井を外して、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ることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の地熱交換器。
- 請求項1から8のいずれかに記載の地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする地熱発電装置。
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