JP6445494B2

JP6445494B2 - 地熱発電設備

Info

Publication number: JP6445494B2
Application number: JP2016147803A
Authority: JP
Inventors: 吉伸中尾; 麦倉　良啓; 良啓麦倉; 寛緒方; 紀人香月
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: JP2018017173A

Description

本発明は、生産井から得られる二相流体を用いて発電する地熱発電設備に関する。

従来、地熱発電設備においては、生産井から得られる二相流体から汽水分離器により蒸気を取り出し、タービンにより発電している。しかしながら、蒸気量は、経年的に減衰することがあり、地熱発電設備の出力が低下するという問題がある。

このような問題を解決する手段の一つとして、新たな生産井を掘削し、減衰した蒸気量を回復させることが挙げられる。この場合、新たな生産井を掘削するために膨大な費用を要し、また、必ずしも十分な蒸気量を確保できる保証はない。

また、バイオマスを燃料とするボイラを併用した地熱発電設備も提案されている。この地熱発電設備によれば、蒸気量の減衰により低下する出力をバイオマスによる過熱（蒸気条件の向上）により補償することになるので、地熱発電設備としては出力の回復を図ることができる。しかし、タービンに供給される蒸気の蒸気条件が大きく変わるため、当初に見込んだ蒸気量および蒸気条件で設計されたタービンを改造する必要が生じる。

他に、タービンの復水をボイラで加熱して蒸気を発生させ、当該蒸気をタービンに供給する地熱発電設備が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この地熱発電設備では、定格出力に必要な蒸気量の不足分を、タービンの復水から得られた蒸気を用いることで補っている。しかしながら、復水を加熱して蒸気を発生させるためのボイラや、当該蒸気を昇圧するためのポンプなど新たな機器が必要となり、構成が複雑化する。さらに、復水は通常３０℃程度であり、これから蒸気にまで加熱するので相当の熱を要してしまう。

実開昭６３−９００７８号公報

本発明は、このような事情に鑑み、蒸気量の減衰による出力の低下を回復することができる地熱発電設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１の態様は、蒸気及び熱水からなる二相流体を蒸気と熱水に分離し、熱水を還元井に戻す汽水分離器と、前記汽水分離器から蒸気が供給されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機と、前記汽水分離器より前に配置され、前記二相流体の乾き度を上昇させる加熱器と、を備えることを特徴とする地熱発電設備にある。

第１の態様では、蒸気量が減衰しても、二相流体の加熱により蒸気量を回復させるので、当初に想定した蒸気量（若しくはこれに近い蒸気量）でタービンを定格運転させることができ、出力の低下を改善することができる。また、新たな生産井の掘削を要しないので、これに掛かる費用を抑えることができる。さらに、タービンは、当初に想定した蒸気量、若しくはこれに近い蒸気量が供給され、且つ当初と同等の蒸気条件で供給されるので、生産井の蒸気量が減衰しても、タービンを改造する必要はない。地熱発電設備の構成としては、従来技術のように、加熱した蒸気をタービンに適合した圧力にまで昇圧するためのポンプ等の装置が不要である。また、従来技術においては、タービンの復水を蒸気にするため、相当な熱量を要したが、本発明の地熱発電設備は、熱水を蒸気にするので、従来技術よりも少ない熱量ですむうえ、排熱を還元井の維持管理等に利用することも考えられる。したがって、本発明の地熱発電設備は、従来技術よりも高効率である。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する地熱発電設備において、前記加熱器は、風力エネルギーにより得られた熱、太陽エネルギーにより得られた熱、バイオマスを燃焼して得られた熱、燃料電池の排熱、及び水素燃焼ガスタービンの排熱のうちの少なくとも一つにより二相流体を加熱することで乾き度を上昇させることを特徴とする地熱発電設備にある。

第２の態様では、風力エネルギー等により得られた熱などを有効利用することができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する地熱発電設備において、風力エネルギーにより得られた熱又は太陽エネルギーにより得られた熱の変動分は、バイオマスを燃焼して得られた熱又は燃料電池の出力及び排熱回収量又は水素燃焼ガスタービンの排熱回収量で調整されることを特徴とする地熱発電設備にある。

第３の態様では、太陽熱又は風力により得られた熱を蒸気の加圧・加熱のために用いる。太陽熱又は風力により得られた熱の変動分は、バイオマスの燃焼により得られる熱又は燃料電池の排熱又は水素燃焼ガスタービンの排熱によって調整を行うため、気象条件による影響を受けにくく、出力変動を抑制することができる。

本発明によれば、蒸気量の減衰による出力の低下を回復することができる地熱発電設備が提供される。

実施形態１に係る地熱発電設備の概略図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の内容に限定されない。

〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係る地熱発電設備の概略図である。地熱発電設備１は、加熱器２、汽水分離器３、タービン４、発電機５、凝縮器６及び冷却塔７を備えている。

蒸気井からは、蒸気及び熱水からなる二相流体が生産される。この二相流体は、汽水分離器３で蒸気と熱水とに分離されることなく加熱器２に供給されるようになっている。

加熱器２は、自然エネルギーを利用して得られた熱により、二相流体を加熱する装置である。本実施形態の加熱器２は、自然エネルギーの一例としてバイオマスを燃料とする蒸気ボイラである。加熱器２は、蒸気井から供給された二相流体を熱交換器配管内に流通させ、炉内でバイオマスを燃焼した際の熱により熱交換器配管内の二相流体を加熱する。

なお、バイオマスの種別は、燃焼可能なものであれば特に限定されない。また、燃焼の態様も、バイオマスを直接燃焼してもよいし、ガス化してから燃焼してもよい。

汽水分離器３は、加熱器２で加熱された二相流体を蒸気と熱水とに分離する装置である。汽水分離器３は、蒸気をタービン４に供給し、熱水を還元井に戻す構成となっている。

タービン４は、汽水分離器３から供給される蒸気で駆動する飽和蒸気タービンであり、タービン４に接続された発電機５を駆動する。

タービン４で仕事をした蒸気は凝縮器６に送られる。凝縮器６では、蒸気が冷却水により冷却されて凝縮水となり、凝縮水は冷却塔７に送られて空冷される。冷却された凝縮水の一部は還元井に排出され、一部は凝縮器６に供給される冷却水として用いられる。

上述した構成の地熱発電設備１においては、蒸気井から産出された二相流体は、加熱器２により加熱され、汽水分離器３により蒸気のみがタービン４に供給される。

このように、二相流体は、蒸気及び水分に分離されずに加熱器２により加熱される。すなわち、二相流体の乾き度が上昇することで、二相流体からより多くの蒸気を取り出すことができる。乾き度とは、二相流体に占める蒸気の割合である。

このような加熱器２による二相流体の加熱により、還元井に戻されていた熱水の一部を蒸気としてタービン４に供給することができる。したがって、生産井から得られる蒸気量が減衰した場合、乾き度が上昇するように加熱器２により二相流体を加熱する。これにより、減衰した蒸気量を、熱水を蒸気に変えることで補うことができる。

例えば、経時的に生産井から得られる蒸気量の乾き度が０．２５であり、当初に想定していた蒸気量よりも２０％程度減衰したとする。この場合、乾き度が０．２５の二相流体を加熱により０．３まで上昇させることで、タービン４に供給される蒸気の量は、加熱前に比べて約２０％増加することになる。すなわち、減衰した蒸気量を、加熱により得られた蒸気で回復することができる。

以上に説明した地熱発電設備１によれば、蒸気量が減衰しても、二相流体の加熱により蒸気量を回復させるので、当初に想定した蒸気量（若しくはこれに近い蒸気量）でタービン４を定格運転させることができ、出力の低下を改善することができる。

また、新たな生産井の掘削を要しないので、これに掛かる費用を抑えることができる。さらに、タービン４は、当初に想定した蒸気量、若しくはこれに近い蒸気量が供給されるので、生産井の蒸気量が減衰してもタービン４を改造する必要はない。

地熱発電設備１の構成としては、汽水分離器３の前に加熱器２を設置する構成であるので、従来技術のように、加熱した蒸気をタービン４に適合した圧力にまで昇圧するためのポンプ等の装置が不要である。また、従来技術においては、タービンの復水を蒸気にするため、相当な熱量を要したが、本発明の地熱発電設備１は、熱水を蒸気にするので、従来技術よりも少ない熱量ですむ。したがって、本発明の地熱発電設備１は、従来技術よりも高効率である。

〈他の実施形態〉
実施形態１では、加熱器２は、バイオマスを用いた熱（バイオマス由来熱）を用いて二相流体の加熱を行ったが、このような構成に限定されない。加熱器２は、環境負荷の小さい、新エネルギーとしての燃料電池の排熱（燃料電池排熱）を用いてもよい。他に、水素燃焼ガスタービンから得られる熱、太陽熱又は風力により得られる熱（風力熱）を用いてもよい。これらのバイオマス由来熱、燃料電池排熱、水素燃焼ガスタービン排熱、太陽熱、風力熱は個別に用いてもよいし、複数を併用してもよい。

さらに、気象現象の変化によって、太陽熱及び風力熱は変動するが、これらの熱の変動分をバイオマス由来熱、燃料電池排熱や水素燃焼ガスタービン排熱によって補ってもよい。例えば、特に図示しないが、太陽光を集光する太陽炉を備え、太陽炉で得られた太陽熱により加熱するように加熱器２を構成する。水素燃焼ガスタービン排熱を用いる場合は、水素燃焼ガスタービンから得られた排熱で加熱するように加熱器２を構成する。風力熱を用いる場合は、風力による風車の回転力を発熱機によって風力熱に変換し、その風力熱で加熱するように加熱器２を構成する。

加熱器２においては、太陽熱又は風力熱の変動を測定しておき、その変動を抑えるようにバイオマスの燃焼又は燃料電池の出力あるいは排熱回収量を調整する。例えば、二相流体を加熱するのに必要な所定の熱量を太陽熱又は風力熱が上回るのであれば、バイオマスの燃焼又は燃料電池の運転あるいは排熱回収又は水素燃焼ガスタービンの排熱回収を行わなくてもよい。逆に、その所定の熱量を太陽熱又は風力熱が下回るのであれば、バイオマスの燃焼又は燃料電池の運転あるいは排熱回収又は水素燃焼ガスタービンの排熱回収を行うように加熱器２を運転する。

このような構成の地熱発電設備は、太陽熱や風力熱を有効利用して、且つ安定した発電を行うことができる。また、地熱発電設備では、地熱発電を主とし、太陽熱やバイオマス由来熱など様々な熱を二相流体の加熱のために用いる。太陽熱や風力熱は、天候など気象条件により変動が大きいが、この変動を調整するようにバイオマス由来熱又は燃料電池排熱又は水素燃焼ガスタービン排熱を利用するので、二相流体を加熱するために必要な熱を安定して得ることができる。これにより、地熱発電設備は、気象条件の変動による影響を受けにくく、出力変動を抑制することができる。

また、加熱器２は、上述したバイオマス由来熱等の他にも、タービンの排ガスの熱など、任意の熱を用いてもよい。

１…地熱発電設備、２…加熱器、３…汽水分離器、４…タービン、５…発電機、６…凝縮器、７…冷却塔、８…ボイラ

Claims

蒸気及び熱水からなる二相流体を蒸気と熱水に分離し、熱水を還元井に戻す汽水分離器と、
前記汽水分離器から蒸気が供給されるタービンと、
前記タービンにより駆動される発電機と、
前記汽水分離器より前に配置され、前記二相流体の乾き度を上昇させる加熱器と、を備える
ことを特徴とする地熱発電設備。
請求項１に記載する地熱発電設備において、
前記加熱器は、風力エネルギーにより得られた熱、太陽エネルギーにより得られた熱、
バイオマスを燃焼して得られた熱、燃料電池の排熱、及び水素燃焼ガスタービンの排熱の
うちの少なくとも一つにより前記二相流体を加熱することで乾き度を上昇させる
ことを特徴とする地熱発電設備。
請求項２に記載する地熱発電設備において、
風力エネルギーにより得られた熱又は太陽エネルギーにより得られた熱の変動分は、バ
イオマスを燃焼して得られた熱又は燃料電池の出力及び排熱回収量又は水素燃焼ガスター
ビンの排熱回収量で調整される
ことを特徴とする地熱発電設備。