JP6242704B2

JP6242704B2 - 熱源供給装置

Info

Publication number: JP6242704B2
Application number: JP2014020359A
Authority: JP
Inventors: 直史鞍懸; 絵美子磯崎; 潔倉山; 和親白峰
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: JP2015148161A

Description

本発明は、地熱等の熱源から供給される熱水をバイナリ発電装置に供給するための熱源供給装置に関し、詳しくは熱水の使用量を抑制しながら、バイナリ発電装置による発電効率を向上することができる熱源供給装置に関するものである。

地熱を利用して発電を行う装置としてバイナリ発電装置が利用されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１で提案されている発電システムでは、地熱井等の熱源から供給される熱水をバイナリ発電装置の蒸発器に送り、この熱水の熱エネルギにより作動媒体を蒸発させて、作動媒体の蒸気を蒸気タービンに送り発電する。その一方で、熱源から供給される蒸気を別途設置された蒸気タービンに送り発電する。

この発電システムでは、バイナリ発電装置の発電量に応じて必要とされる量の熱水が汲み上げられて一定の熱エネルギを奪われた後に還元井等に捨てられてしまうので、熱水のエネルギが十分に活用されているとは言えず無駄が生じる。例えば温泉地の源泉を熱源とした場合、バイナリ発電装置の運転により温泉の湯のエネルギが無駄に捨てられるとともに、温泉の湯量が減少したり源泉が枯渇したりする恐れがあるので、温泉地の温泉宿等はバイナリ発電装置の設置に消極的である。

また熱源から供給される蒸気と直接接触する蒸気タービンは、腐食しやすく頻繁なメンテナンスが必要となる。そのためバイナリ発電装置の維持管理のための費用が多大となり、発電により得られる利益に対する費用割合が高いので発電効率のより一層の向上が望まれている。

特開２０１３−７９５８７号公報

本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は熱源から供給される熱水の使用量を抑制しながら、バイナリ発電装置の発電効率を向上することができる熱源供給装置を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の熱源供給装置は、熱水および蒸気からなる加熱用熱媒をバイナリ発電装置に供給する熱源と前記バイナリ発電装置との間に配置される熱源供給装置であって、前記熱源から供給される前記加熱用熱媒を前記熱水と前記蒸気とに分離する汽水分離器と、この汽水分離器と前記バイナリ発電装置の上流側との間に連結されて前記汽水分離器で分離された前記熱水を前記バイナリ発電装置に供給する熱水ラインと、前記バイナリ発電装置の下流側に連結されていて前記バイナリ発電装置に供給される前記熱水が熱を奪われて温度が低下して成る温水を前記バイナリ発電装置から排出する温水ラインと、この温水ラインに連結されて前記温水ラインを流れる前記温水に前記蒸気の熱エネルギを供給する熱交換器と、この熱交換器と前記熱水ラインとの間に連結されて前記熱交換器で前記熱エネルギにより加熱された前記温水を前記熱水ラインに供給する循環ラインとを備えていて、前記汽水分離器と前記熱水ラインと前記温水ラインと前記熱交換器と前記循環ラインとを流れる流体が、前記熱源から供給される前記熱水および前記蒸気に由来するもののみであることを特徴とする。

本発明によれば、熱源から供給された熱水がバイナリ発電装置により熱を奪われて排出された温水を、熱源から供給される蒸気で加熱して再利用できる。即ち熱水は温水になっ
た後も、バイナリ発電装置と熱交換器との間を循環して繰り返し有効活用でき、これに伴い熱源から汲み上げられる熱水の使用量を抑制することができる。熱源が温泉地の源泉である場合、発電のために大量の熱水が汲み上げられて源泉が枯渇するという問題を回避できる。つまり熱源を温泉として活用することと発電のためのエネルギ源として活用することの両立を図ることが可能となるので、温泉地におけるバイナリ発電装置の普及を進め易くなる。

またバイナリ発電装置により熱を奪われた温水であっても一定の熱エネルギを有していて、この熱エネルギを無駄にすることなく蒸気の熱エネルギを加えて発電に使用できるので、熱効率の改善による発電効率の向上を実現できる。

ここで例えば、温水ラインを温水需要先に向かって延設された温水需要ラインに分岐させる分配器が設置され、この分配器により温水ラインを流れる温水が温水需要ラインに所定割合で供給される構成にすることもできる。この構成によれば、バイナリ発電装置により熱エネルギを奪われて排出された温水を温水需要ラインに供給できる。したがってバイナリ発電装置に供給される熱水の流量の調整やバイナリ発電装置内において熱水から奪う熱の量の調整により、温水需要ラインに供給する温水の温度を調整できる。温水需要先が温泉地の浴槽であれば、発電を行いながら温度の調整された温水を浴槽に供給することができる。このとき外部エネルギを利用した加熱や冷却のための加水を行わずに、温水の温度を調整することができる。

循環ラインと熱水ラインの合流部分に設置される混合器を備え、この混合器により熱水と温水とが混合される構成にすることもできる。この構成によれば、蒸気で加熱され循環ラインから供給される温水と熱水ラインから供給される熱水に温度差があったとしても、温水と熱水は混合器で積極的に混合され、温度ムラのない流体としてバイナリ発電装置に供給される。即ち混合器により、バイナリ発電装置には均一な温度状態の流体が供給されるので、安定した発電を行うことができる。

温水ラインに、この温水ラインを流れる温水を所定量貯留する温水槽を備えることもできる。温水槽に温水を一旦貯留できるので、温水ラインを流れる温水の流量に関わらず所望の量の温水を熱交換器に送ることができる。これにより、安定した発電を行うには有利になる。

蒸気が熱交換器で熱を奪われて生成した蒸気凝縮水を、温水に合流させる蒸気凝縮水ラインを備えることもできる。これにより、熱源の熱エネルギをより一層無駄にすることなく活用できる。

本発明の熱源供給装置の概要を例示する説明図である。熱源供給装置の別の実施形態の概要を例示する説明図である。

以下、本発明の熱源供給装置を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１に例示するように本発明の熱源供給装置１は、熱源２とバイナリ発電装置３との間に配置されており、熱源２から供給される熱水ｗ１をバイナリ発電装置３に送るための装置である。この熱源供給装置１は、熱源２から供給される加熱用熱媒ｍを熱水ｗ１と蒸気ｓに分離する汽水分離器４と、この汽水分離器４で分離された熱水ｗ１をバイナリ発電装置３に供給する熱水ライン５とを備えている。また熱源供給装置１は、熱水ｗ１がバイナリ発電装置３により熱を奪われ温度が低下して成る温水ｗ２をバイナリ発電装置３から排
出する温水ライン７と、この温水ライン７を流れる温水ｗ２に蒸気ｓの熱エネルギを供給する熱交換器９と、この熱交換器９で蒸気ｓの熱エネルギにより加熱された温水（以下、加熱水ｗ３という）を熱水ライン５に供給する循環ライン１１とを備えている。

この実施形態では更に、循環ライン１１と熱水ライン５の合流部分に設置される混合器１２を備えている。温水ライン７は、温水ライン７を流れる温水ｗ２を所定量貯留する温水槽８を備えている。また蒸気ｓが熱交換器９で熱を奪われて生成した蒸気凝縮水ｗ４を、温水ｗ２に合流させる蒸気凝縮ライン１９を備えている。

この実施形態の構成を詳述すると、地熱井等の熱源２と汽水分離器４を連結するラインにはバルブ１４が設置されている。このバルブ１４は開弁程度を変化させることにより、汽水分離器４に供給される加熱用熱媒ｍの流量を調整することができる。この汽水分離器４とバイナリ発電装置３の蒸発器６とは熱水ライン５により連結されており、この熱水ライン５の途中には混合器１２が設置されている。バイナリ発電装置３の蒸発器６と熱交換器９とは温水ライン７により連結されており、この温水ライン７の途中には温水槽８が設置され、温水槽８よりも下流側にはポンプ１３が設置されている。このポンプ１３により温水槽８から熱交換器９に供給される温水ｗ２の流量を調整することができる。熱交換器９と混合器１２とは循環ライン１１により連結され、熱交換器９を介して温水ライン７と循環ライン１１とが連続する構成になっている。

温水槽８には温水需要ライン１７が接続されていて、この温水需要ライン１７は温水需要先１６まで延設されている。即ち、温水ライン７は中途の位置で温水槽８を介して温水需要ライン１７を分岐させていて、温水需要ライン１７にはバルブ１８が設置されている。このバルブ１８の開弁程度を変化させることにより、温水槽８から温水需要先１６に供給される温水ｗ２の流量を調整することができる。

汽水分離器４と熱交換器９とは蒸気供給ライン１０により連結されていて、蒸気供給ライン１０の途中にはバルブ１５が設置されている。熱交換器９からは蒸気凝縮水ライン１９が延設されていて、温水需要ライン１７に連結している。バルブ１５は開弁程度を変化させることにより、汽水分離器４から熱交換器９に供給される蒸気ｓの流量を調整することができる。

この実施形態では、汽水分離器４で分離された熱水ｗ１は、熱水ライン５を通じてバイナリ発電装置３の蒸発器６に送られる。この熱水ｗ１の温度は例えば９０℃〜１００℃である。いわゆる熱交換器で構成された蒸発器６に送られた熱水ｗ１は、バイナリ発電装置３内を循環する作動用熱媒に熱を奪われて温度が低下し、例えば５５℃〜７５℃の温水ｗ２になる。この温水ｗ２は温水ライン７を通じて温水槽８に送られ、一旦貯留される。温水槽８の許容貯留量は例えば２０〜５０ｍ^３である。温水槽８に貯留された温水ｗ２は、ポンプ１３により温水ライン７を通じて熱交換器９に送られる。

一方、汽水分離器４で分離された蒸気ｓは蒸気供給ライン１０を通じて熱交換器９に供給される。ここで、温水ライン７を通じて熱交換器９に送られた温水ｗ２は、蒸気供給ライン１０を通じて汽水分離器４から供給される例えば１００℃の蒸気ｓとの熱交換により、例えば８０℃〜１００℃の加熱された温水（加熱水ｗ３）となる。この加熱水ｗ３は、循環ライン１１を通じて熱水ライン５の途中に設置された混合器１２を経由して、熱水ライン５を流れる熱水ｗ１に合流する。つまり、少なくとも一部の熱水ｗ１は、温水ｗ２や加熱水ｗ３に変化しながら熱源供給装置１内を循環する。

また熱交換器９に送られて熱を奪われた蒸気ｓは例えば５５℃〜７５℃の蒸気凝縮水ｗ４となり、この蒸気凝縮水ｗ４は蒸気凝縮水ライン１９を通じて、温水需要ライン１７を
流れる温水ｗ２に合流する。

バイナリ発電装置３で熱を奪われて排出された温水ｗ２は、蒸気ｓにより加熱されて加熱水ｗ３として再びバイナリ発電装置３に送られ循環するので、熱源２から汲み上げられる熱水ｗ１の使用量を抑制しながらも、バイナリ発電装置３で発電を行うことができる。熱源２が温泉地の源泉である場合、本発明の熱源供給装置１を利用すれば源泉から汲み上げられる熱水ｗ１の使用量を抑制できるので、発電に伴う熱水ｗ１の汲み上げにより源泉が枯渇するという問題を回避できる。温水ライン７や循環ライン１１での温水ｗ２や加熱水ｗ３の流量は例えば３〜６ｔｏｎ／ｈである。

また、従来は還元井等に捨てられていたが一定の熱エネルギを有する温水ｗ２を、蒸気ｓで加熱して再利用するので、熱効率の改善により発電効率を向上することができる。この発電効率の向上により、熱水ｗ１の使用量をさらに抑制することも可能となる。

この実施形態では、例えばバイナリ発電装置３に供給される熱水ｗ１の流量が不足する場合は、ポンプ１３により温水槽８から熱交換器９に供給する温水ｗ２の流量を増加させ、かつバルブ１５の開弁程度を大きくして熱交換器９に供給する蒸気ｓの流量を増加させることにより、高い熱エネルギを有し且つ流量の多い加熱水ｗ３を熱水ｗ１に合流させることができる。これによりバイナリ発電装置３に十分な熱エネルギを供給することができるので、発電量を安定させることができる。

またバイナリ発電装置３から排出される温水ｗ２の流量が少ない場合であっても、ポンプ１３により温水槽８から熱交換器９に送る温水ｗ２の流量を増加させると、その結果として加熱水ｗ３の流量が増加することになり、より多くの量の加熱水ｗ３をバイナリ発電装置３に供給することができる。これによりバイナリ発電装置３に供給する熱エネルギの量の変動を抑制することができるので、安定した発電を行うには有利になる。

熱源２が温泉地の源泉であり温水需要先１６が温泉地の浴槽である場合、発電を行いながら温水ｗ２を浴槽に供給することができる。バイナリ発電装置３に供給する熱水ｗ１と加熱水ｗ３の割合の調整や、蒸気ｓにより加熱水ｗ３を加熱する際の温度の調整等により、温水ｗ２の温度を調整することができるので所望の温度の温水ｗ２を温水需要先１６である浴槽に供給することができる。温水槽８における温水ｗ２の貯留時間の調整により放熱させて、所望の温度まで低下させた温水ｗ２を浴槽に供給することもできる。

また浴槽に供給する温水ｗ２の温度を上昇させたい場合は、熱交換器９に送る蒸気ｓの流量を増加させて、これにより得られる蒸気凝縮水ｗ４の温度を上昇させ、この蒸気凝縮水ｗ４を温水ｗ２に合流させる。なお、蒸気凝縮水ｗ４は一部に蒸気ｓを含んでいる場合もある。

この構成によれば、外部エネルギを利用した加熱や冷却のための加水を行わずにこの温水ｗ２の温度を調整できるので、浴槽に供給される温水ｗ２は源泉１００％となり温泉の価値を下げることがない。つまり浴槽に供給される温水ｗ２の泉質が保障されるので、温泉を提供する温泉宿等にとって有利となる。近年、加水や加熱をしない源泉かけ流しの温泉は需要者に非常に高く評価されているので、温泉地にとっては極めて大きなメリットがある。

従来、温泉地において源泉から供給される温水の温度が高い場合は、パイプ等で形成した流路に温水を循環させて、放熱により温度を下げてから浴槽に供給していた。即ち、従来は温水の熱エネルギを放熱により大気中に無駄に放出していたが、本発明によりこの熱エネルギを無駄にすることなく利用して発電を行うことができる。

また、従来、温泉地の温泉宿等にとってバイナリ発電装置の設置は、熱源である源泉の枯渇や湯量の減少等のリスクに対して発電により得られるメリットが十分ではなかった。しかし、本発明により源泉の枯渇や湯量の減少というリスクを大幅に軽減させ、且つバイナリ発電装置の発電効率を向上させることができるので、温泉宿等へのバイナリ発電装置の普及を進め易くなる。

蒸気凝縮水ライン１９は、熱交換器９から温水ライン７または温水槽８に連結することもできる。この場合は、熱源供給装置１内で循環する温水ｗ２に蒸気凝縮水ｗ４を合流させることにより、温水ｗ２の量を増加させ、熱水の使用量をさらに抑制することができる。

この実施形態のように、熱水ライン５と循環ライン１１の合流部分に混合器１２を設置して、この混合器１２により熱水ｗ１と加熱水ｗ３を積極的に混合する構成とすることが望ましい。この混合器１２は、例えば熱水ｗ１と加熱水ｗ３が流れる流路に設置された回転翼を有し、この回転翼の回転により熱水ｗ１と加熱水ｗ３を混合する構成とすることができる。混合器１２は熱水ｗ１と加熱水ｗ３を混合する構成を有していれば、回転翼を有する構成に限られない。

混合器１２の設置により熱水ｗ１と加熱水ｗ３に温度差がある場合であっても、温度ムラのない均質な流体としてバイナリ発電装置３に熱水ｗ１と加熱水ｗ３の混合物を供給することができる。温度ムラのない熱水ｗ１等の供給により、蒸発器６で生成される作動用熱媒の蒸気量の変動を抑制できるので、バイナリ発電装置３はより安定的に発電を行うことができる。

図２に例示する実施形態のように、温水ライン７を温水需要ライン１７に分岐させる分配器２０が設置される構成にすることもできる。この分配器２０は、温水ライン７を流れる温水ｗ２を所定の割合で温水需要ライン１７に供給する機能を有する。即ち、分配器２０は分岐弁として機能し、温水需要ライン１７に供給する温水ｗ２の量を任意に調整することができる。それ故、温水需要先１６で需要がない場合は、温水需要先１６への温水ｗ２の供給を任意の期間、停止させることができる。図１に示した実施形態では、この分配器２０の機能を温水槽８が兼ねている。なお、この実施形態では、蒸気凝縮水ライン１９は熱交換器９から延びて、熱交換器９と分配器２０との間の位置で温水ライン７に連結されている。その他の構成は先の実施形態と同様である。

汽水分離器４から供給される熱水ｗ１と熱交換器９で加熱された加熱水ｗ３の温度差が小さく、加熱水ｗ３が合流した熱水ｗ１における温度ムラがほとんど生じない場合は、この実施形態のように熱水ライン５に混合器１２を設置せずに省略した構成にすることもできる。

１熱源供給装置
２熱源
３バイナリ発電装置
４汽水分離器
５熱水ライン
７温水ライン
８温水槽
９熱交換器
１１循環ライン
１２混合器
１６温水需要先
１７温水需要ライン
１９蒸気凝縮水ライン
２０分配器
ｍ加熱用熱媒
ｗ１熱水
ｗ２温水
ｗ３加熱水
ｗ４蒸気凝縮水
ｓ蒸気

Claims

熱水および蒸気からなる加熱用熱媒をバイナリ発電装置に供給する熱源と前記バイナリ発電装置との間に配置される熱源供給装置であって、
前記熱源から供給される前記加熱用熱媒を前記熱水と前記蒸気とに分離する汽水分離器と、この汽水分離器と前記バイナリ発電装置の上流側との間に連結されて前記汽水分離器で分離された前記熱水を前記バイナリ発電装置に供給する熱水ラインと、前記バイナリ発電装置の下流側に連結されていて前記バイナリ発電装置に供給される前記熱水が熱を奪われて温度が低下して成る温水を前記バイナリ発電装置から排出する温水ラインと、この温水ラインに連結されて前記温水ラインを流れる前記温水に前記蒸気の熱エネルギを供給する熱交換器と、この熱交換器と前記熱水ラインとの間に連結されて前記熱交換器で前記熱エネルギにより加熱された前記温水を前記熱水ラインに供給する循環ラインとを備えていて、
前記汽水分離器と前記熱水ラインと前記温水ラインと前記熱交換器と前記循環ラインとを流れる流体が、前記熱源から供給される前記熱水および前記蒸気に由来するもののみであることを特徴とする熱源供給装置。
前記バイナリ発電装置の下流側と前記熱交換器とを連結する前記温水ラインの途中部分に配置される分配器と、この分配器に連結されて温水需要先に延設される温水需要ラインとを備えていて、前記温水ラインを通過する前記温水のうち所定割合を前記温水需要ラインに供給する構成を前記分配器が有する請求項１に記載の熱源供給装置。
前記循環ラインと前記熱水ラインとの合流部分に設置される混合器を備えていて、この混合器が前記熱交換器で加熱された前記温水と前記汽水分離器で分離された前記熱水とを混合して前記バイナリ発電装置に供給する構成を有する請求項１または２に記載の熱源供給装置。
前記バイナリ発電装置の下流側と前記熱交換器とを連結する前記温水ラインの途中部分に配置される温水槽を備えていて、この温水槽が前記バイナリ発電装置から排出される前記温水を所定量貯留する構成を有する請求項１〜３のいずれかに記載の熱源供給装置。
前記バイナリ発電装置の下流側となる前記温水ラインと前記熱交換器との間に連結され
る蒸気凝縮水ラインを備えていて、前記蒸気が前記熱交換器で熱を奪われて成る蒸気凝縮水を前記温水ラインの前記温水に合流させる構成を前記凝縮水ラインが備える請求項１〜４のいずれかに記載の熱源供給装置。