JP6565342B2

JP6565342B2 - 蒸気発生装置および地熱発電システム

Info

Publication number: JP6565342B2
Application number: JP2015111368A
Authority: JP
Inventors: 賢一安藤; 田中　達也; 達也田中; 千明長井; 彩子川村
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2019-08-28
Anticipated expiration: 2035-06-01
Also published as: JP2016223377A

Description

本発明は、蒸気タービン式発電装置に備えたタービンを回転させて発電する際に用いる作動媒体を供給するための蒸気発生装置、および蒸気発生装置を備えた地熱発電システムに関する。

従来より、地中から地熱流体を取り出し、該地熱流体にてタービンを回転させて発電する地熱発電装置が知られている。地熱流体は、地中に形成された地熱貯留槽に貯留した貯留物であることから不純物を大量に含んでいるため、これら不純物がスケールとなって地熱発電装置を構成する発電設備に付着しやすく、発電出力の減少や発電設備の早期劣化を招きやすい。

そこで、引用文献１では、地熱流体を用いずに水等の液体にてタービンを回転させて発電するべく、地熱資源を利用して液体を受熱させることの可能な蒸気発生装置が開示されている。

引用文献１の蒸気発生装置は、底部を閉塞した外管と、底部にオリフィスを設置した内管とよりなる二重管よりなり、該二重管の底部が地熱資源の高温度帯域中に達するよう地中に鉛直状に設置されている。そして、外管と内管との間の空間に前記液体を供給すると、外管の底部にて地熱資源と液体との間で熱交換が行われて前記液体は熱水となり、この熱水が内管に流入してオリフィスを通過することで蒸気となる。この蒸気がそのまま内管を上昇して地熱発電装置に供給され、タービンを回転して発電することとなる。

特開２０１４−２２７９６２号公報

このように、引用文献１の蒸気発生装置は、外管の底部近傍にて一点集中的に液体を受熱させるシステムである。そして、地熱発電に広く用いられているフラッシュ式の地熱発電装置は、１５０℃以上の蒸気でタービンを回転させるものである。

このため、引用文献１の蒸気発生装置では、地熱資源と液体との熱交換効率や液体が地熱発電装置に供給されるまでの間に生じる放熱を考慮し、地熱資源の高温度帯域の中でも特に２５０℃を超えるような高温となる深部まで二重管の底部を到達させている。しかし、このような構成では外管が高温に晒されることとなり、高温腐食が早期に生じやすく、また、二重管の全長が長大となるため、施工に要する費用が増大するとともに、内管の下部を外管に対して同軸に配置する作業も煩雑となる。

加えて、内管と外管との間を流下する液体が、タービンを回転させた後に復水器にて冷却された状態となっていることから、内管内を上昇する蒸気は、上昇する過程でこの冷却された液体に熱を奪われやすい。このように地熱発電装置に供給される蒸気に温度低下が生じると、発熱効率が低減することから、内管に断熱処理を施す必要があり、内管を外管に設置する際の手間が煩雑となりやすい。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、蒸気タービン式発電装置に備えたタービンを回転させる作動媒体に対して、簡略な構成で、かつ地熱資源の高温度帯域の中でも比較的低温である浅部から、発電可能な程度に前記タービンを回転させるための所定の熱量を伝導させ、作動媒体を発電に適した温度とすることの可能な、蒸気発生装置および蒸気発生装置を備えた発電システムを提供することである。

かかる目的を達成するため、本発明の蒸気発生装置は、蒸気タービン式発電装置に備えたタービンを回転させた後の作動媒体が液体状態で供給され、供給された該作動媒体に地熱資源から熱量を伝導した後、該作動媒体を前記蒸気タービン式発電装置に供給する蒸気発生装置であって、前記蒸気発生装置が、地中に埋設された単管よりなり、一方の端部に前記作動媒体を前記蒸気タービン式発電装置に供給するための作動媒体出口と、他方の端部に前記作動媒体を前記蒸気タービン式発電装置から流入させる作動媒体入口と、中間部に前記地熱資源と前記作動媒体との間で熱交換するための熱交換部と、前記作動媒体入口と前記熱交換部との間に形成される作動媒体入口路と、前記作動媒体出口と前記熱交換部との間に形成される作動媒体出口路と、を備え、該熱交換部が、横臥状態に配置され、前記作動媒体出口路と地山との間に、断熱空間が設けられ、前記作動媒体出口路の管径が、前記熱交換部より大きいことを特徴とする。また、上記の蒸気発生装置は、前記断熱空間に、自硬性断熱材を充填することを特徴とする。

上記の蒸気発生装置によれば、蒸気発生装置が単管よりなることから、その構造がシンプルになるとともに、従来技術のような蒸気発生装置を二重管とする場合に必要としていた、内管の断熱処理や内管と外管とを同軸に配置するための作業等を不要にできるため、施工性が良いだけでなく施工費用を大幅に削減することが可能となる。

また、前記蒸気発生装置の熱交換部が横臥状態に配置されることから、横方向の広がりをもって地中に存在する地熱資源に対して接触距離を長く確保できる。これにより、両者の間で熱交換時間を長く確保することができるため、熱交換部と接触する地熱資源が少なくとも１５０℃を超える温度を有するものであれば、２５０℃を超えるような高温を有していなくても、作動媒体に対して発電可能な程度に前記タービンを回転させるための所定の熱量を伝導し、発電に適した温度とすることが可能となる。

このように、蒸気発生装置の熱交換部は、地熱資源の高温度帯域の中でも比較的低温である浅部に接触させればよいことから、地熱資源の高温度帯域を深く掘り下げる必要がないため、施工性が向上するだけでなく、蒸気発生装置をなす鋼管に対して、高温腐食の進行を遅滞させることも可能となる。

上記の蒸気発生装置によれば、作動媒体入口路と作動媒体出口路が熱交換部を挟んだ両側に離間して配置されることから、作動媒体出口路を上昇する作動媒体は、作動媒体入口路を流下する液体状の作動媒体に熱を奪われることがない。また、作動媒体出口路と地山との間に断熱空間を設けることから、地表に近づくにしたがって温度が低下する地山にも作動媒体出口路を上昇する作動媒体は熱を奪われることがない。このため、発電可能な程度に前記タービンを回転させるための所定の熱量が伝導され、発電に適した温度となった状態の作動媒体を、無駄な放熱を回避しつつ、蒸気タービン式発電装置に供給することができ、蒸気タービン式発電装置における発電効率を大幅に向上させることが可能となる。

上記の蒸気発生装置によれば、熱交換部にて発電可能な程度に前記タービンを回転させるための所定の熱量が伝導された作動媒体は、作動媒体出口路に入ると確実に減圧されることから効率よく沸騰して蒸気となるため、出口路を上昇する作動媒体の上昇速度を速めることが可能となる。

上記の蒸気発生装置を備えた地熱発電システムは、前記蒸気発生装置より供給された前記作動媒体にて、前記蒸気タービン式発電装置に備えたタービンを回転させて発電することを特徴とする。

上記の地熱発電システムによれば、作動媒体を蒸気発生装置から蒸気タービン式発電装置に供給し発電することができるため、地熱流体を用いる場合と比較して蒸気タービン式発電装置に劣化が生じにくい、また、蒸気発生装置が地熱資源の高温度帯域の中でも比較的低温である浅部に接触するため、高温腐食による劣化を抑制できる。これにより、地熱発電システム全体のメンテナンスが容易になるとともに、地熱発電システムを長期にわたり稼働させることが可能となる。

本発明によれば、単管よりなる蒸気発生装置を地中に埋設し、中間部に備えた熱交換部を横臥状態で地熱資源の高温度帯域に接触させるのみの簡略な構成で、地熱資源の高温度帯域の中でも比較的低温である浅部にて、作動媒体に対して発電可能な程度に前記タービンを回転させるための所定の熱量を伝導させ、作動媒体を発電に適した温度とすることが可能となる。

本実施の形態における地熱発電システムの概略を示す図である。本実施の形態における蒸気発生装置の構築方法を示す図である（その１）本実施の形態における蒸気発生装置の構築方法を示す図である（その２）本実施の形態における蒸気発生装置を示す図である。

本発明の蒸気発生装置は、蒸気タービン式発電装置に備えたタービンを回転させて発電する際に用いる作動媒体を供給するための装置であり、蒸気タービン式発電装置とともに地熱発電システムを構成するものである。以下に、本発明の蒸気発生装置および地熱発電システムを、図１〜図４を用いて説明する。

なお、地熱発電システム１０に用いる作動媒体３は、蒸気となってタービン２２を回転することができる流体であれば、水、アンモニア水、ペンタン等いずれを採用してもよい。

蒸気発生装置１は、蒸気タービン式発電装置２が備えるタービン２２を回転させた後の作動媒体３が流入するものであり、この流入した作動媒体３と地熱との間で熱交換をさせた後、発電に適した温度となった作動媒体３を蒸気にして再度蒸気タービン式発電装置２に供給するための装置である。そして、一方の端部には作動媒体３を蒸気タービン式発電装置２に供給するための作動媒体出口１５が、他方の端部には作動媒体３を蒸気タービン式発電装置２から流入させるための作動媒体入口１１がそれぞれ備えられ、中間部には作動媒体３と地熱資源４との間で熱交換を行う熱交換部１３が備えられている。

これら作動媒体出口１５と作動媒体入口１１はともに地表近傍に、熱交換部１３は地熱貯留槽等の地熱資源４に接するようにそれぞれ配置されており、また、熱交換部１３と作動媒体入口１１との間に作動媒体入口路１２、熱交換部１３と作動媒体出口１５との間には作動媒体出口路１４が形成されている。つまり、蒸気発生装置１全体は、地盤中に埋設された単管より構成されており、本実施の形態では耐高温腐食性の鋼管を採用している。なお、管径は、従来の地熱井に用いられる鋼管と同様の約７〜８インチとしている。

また、蒸気発生装置１との間で作動媒体３が循環される蒸気タービン式発電装置２は、少なくとも気水分離器２１、タービン２２、発電機２３、復水器２４、循環水タンク２５及びポンプを備えており、地熱流体にて発電する際に広く採用されているフラッシュ式の発電装置と同様の設備である。

上述する構成の蒸気発生装置１と蒸気タービン式発電装置２によりなる地熱発電システム１０では、蒸気発生装置１の熱交換部１３にて地熱資源４との間で熱交換された作動媒体３が、作動媒体出口路１４に流入すると蒸気と熱水が混合した状態となる。これら作動媒体３は作動媒体出口路１４を上昇し、作動媒体出口１５を介して蒸気タービン式発電装置２に供給され、気水分離器２１を通過することにより蒸気と熱水に分離された後、蒸気のみがタービン２２に送られて発電機２３を回して発電する。なお、熱水は、復水器２４に供給される。

一方、タービン２２を回した作動媒体３は復水器２４に供給され、気水分離器２１にて分離された作動媒体３の熱水とともに、冷却水により凝縮されて液体となり、循環水タンク２５に送られた後、ポンプ圧送により作動媒体入口１１を介して蒸気発生装置１に流入する。流入した作動媒体３は、作動媒体入口路１２を流下して再度熱交換部１３に供給され、上記と同様の処理を繰り返す。こうして地熱発電システム１０は、蒸気発生装置１と地熱発電設備２との間で作動媒体３を循環させながら、発電するものである。

ところで、作動媒体３にてタービン２２を回転し発電するためには、蒸気タービン式発電装置２に供給された際の作動媒体３が少なくとも１５０℃以上に達している必要がある。

そこで、蒸気発生装置１の熱交換部１３を、水平に配置して地熱資源４における横方向の広がりに沿って延在させることとし、熱交換部１３と地熱資源４との接触距離を長く確保した。こうすると、熱交換部１３を一点に集約させる場合と比較して、地熱資源４が低温であっても効率よく作動媒体３との熱交換を行うことができ、作動媒体３を発電に最適な所望の温度とすることが可能となる。

これにより、作動媒体３が熱交換部１３を通過する際に、発電可能な程度にタービン２２を回転させるための熱量を地熱資源４から得るべく、熱交換部１３が接する地熱資源４を、高温度帯域の中でも２５０℃を超えるような高温となる深部とする必要がない。よって、本実施の形態では、熱交換部１３が接する地熱資源４を、図１で示すように、高温度帯域の中でも約１５０〜２００℃の比較的低温である浅部とした。そして、熱交換部１３を通過後の作動媒体３が、発電に適した温度として約２００℃となるように、熱交換部１３と地熱資源４との接触距離を設定した。

なお、熱交換部１３と接触する地熱資源４の温度が、１５０℃より低い場合、作動媒体３に対して発電可能な程度に前記タービン２２を回転させるための熱量を伝導することが困難であり、２００℃を大きく超えると、蒸気発生装置１をなす鋼管の高温腐食が早期に進行しやすい。

また、熱交換部１３と地熱資源４との接触距離は、作動媒体入口１１から流入する際の作動媒体３の温度、熱交換部１３が接している地熱資源４の温度、蒸気タービン式発電装置２が発電するべき発電量（一般には約２０００Ｋｗ）、作動媒体３を気水分離器２１に供給した際に得られる蒸気量（一般には作動媒体３全体に対して約２０％）、熱交換部１３を通過する作動媒体３の流速、作動媒体３として採用する液体の種類等を考慮し、適宜設定すれよい。

上述したように、蒸気発生装置１の熱交換部１３が横臥状態で地中に埋設されるので、熱交換部１３を地熱資源４の高温度帯域の中でも比較的低温である浅部に対して、必要な接触距離をもって接触させることができる。このため、地熱資源の高温度帯域を深く掘り下げる必要がないことから、施工性が向上するだけでなく、蒸気発生装置１をなす鋼管に対して、高温腐食の進行を遅滞させることも可能となる。

そして、蒸気発生装置１は、作動媒体出口１５と作動媒体入口１１とを地表近傍に離間して配置しており、熱交換部１３を挟んで作動媒体入口路１２と作動媒体出口路１４がそれぞれ位置している。このように、作動媒体入口路１２と作動媒体出口路１４が接触しないため、熱交換部１３を通過した後の作動媒体出口路１４を上昇する作動媒体３は、熱交換部１３を通過する前の作動媒体入口路１２を流下する液体状の作動媒体３に、熱を奪われることがない。これにより、作動媒体３は、熱交換部１３にて得た発電可能な程度にタービン２２を回転させるための熱量の一部が無駄に消失することを回避し、発電に適した温度を維持しつつ、作動媒体出口１５より蒸気タービン式発電装置２に供給されることとなる。

なお、本実施の形態では、熱交換部１３を水平に形成したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、地熱資源４における横方向の広がり形状に応じて傾斜部を有するように配置する、もしくは曲線状に配置するものでもよく、横臥状態とは、鉛直方向に対して角度をもって延在するすべての状態を含むものである。

同じく、作動媒体入口路１２および作動媒体出口路１４についても、必ずしも傾斜して配置することに限定されるものではなく、鉛直や曲線状に配置する構成としてもよい。

次に、上述する構成の蒸気発生装置１の構築方法の一例を以下に示す。蒸気発生装置１は、いずれの方法にて構築してもよいが、本実施の形態では、方向・傾斜を自在にコントロールして計画方向に地盤を掘削する方法として知られている、コントロールボーリングにて構築する。

なお、コントロールボーリングとしては、高温下でも動作可能な地熱井掘削時坑底情報検知システム（ＭＷＤ）を搭載したダウンホールモーター（ＤＨＭ）を使用して方位・傾斜を調整し掘削する方法や、屈曲させたい位置にスタビライザーを組み込み、このスタビライザーにて傾斜を調整して掘削する方法等、従来より地熱井を掘削する際に採用されているいずれの方法を採用してもよいことは言うまでもない。

<パイロット孔の構築>
まず、図２で示すように、地表面上であって作動媒体出口１５となる位置を発進側、作動媒体入口１１となる位置を到達側として設定し、作動媒体出口１５となる位置から、ドリルヘッド５１を先端に装着したドリルロッド５を斜め下方に発進させ、ドリルヘッド５１の掘削方向を制御しながら地熱資源４の目標深さまで掘削する。この後、地熱資源４の中を作動媒体入口１１側に向かって横方向に掘削した後、作動媒体入口１１となる位置に向かって斜め上方に掘削して地表に到達させる。

<埋設管引込工>
次に、作動媒体入口１１となる位置付近において、ドリルロッド５の先端からドリルヘッド５１を取り外し、ドリルロッド５の先端に蒸気発生装置１をなす鋼管より僅かに大径の孔を掘削することの可能なバックリーマー５３を接続し、このバックリーマー５３にスイベル５４を介して蒸気発生装置１をなす鋼管を接続・連結する。

そして、図３で示すように、作動媒体出口１５となる位置近傍にてドリルロッド５を張引することにより、バックリーマー５３にてパイロット孔５２を拡径しながら、その後に蒸気発生装置１をなす鋼管を、作動媒体入口１１、熱交換部１３、および作動媒体出口１５を通過するように敷設する。

ところで、地山は地表に近づくにつれてその温度が低下する。そこで、本実施の形態では、バックリーマー５３に拡縮可能な拡径ビットを設置しておき、熱交換部１３と作動媒体出口１５との間に位置する作動媒体出口路１４の削孔径を蒸気発生装置１をなす鋼管よりも大きく形成する。こうすると、作動媒体出口路１４と蒸気発生装置１をなす鋼管との間には、図３で示すように、断熱空間１６が形成され、作動媒体出口路１４を上昇する作動媒体３は、熱交換部１３にて得た熱量を地山に奪われることがない。

なお、断熱空間１６は空洞のままでもよいが、蒸気発生装置１をなす鋼管が安定して設置されるよう、本実施の形態では図４で示すように、断熱空間１６に自硬性断熱材１７を充填している。なお、自硬性断熱材１７としては、ポーラスコンクリートや断熱性モルタル等、断熱性を有する自硬性材料であればいずれを採用してもよい。

上述するように、蒸気発生装置１が単管よりなり、その構造がシンプルなことから、煩雑な手間を要することなく従来工法を採用して施工を行うことができるため、施工性が良いだけでなく、施工費用を大幅に削減することが可能となる。

本発明の蒸気発生装置１および地熱発電システム１０は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、作動媒体入口１１、作動媒体入口路１２、熱交換部１３、作動媒体出口路１４および作動媒体出口１５の管径を一律としたが、必ずしもこれに限定するものではない。例えば、熱交換部１３より作動媒体出口路１４および作動媒体出口１５の管径を大きくすると、熱交換部１３より流入する作動媒体３はより確実に減圧され、効率よく沸騰して蒸気となるため、作動媒体出口路１４を上昇する作動媒体３の上昇速度をより速めることが可能となる。

また、本実施の形態では、作動媒体出口路１４と地山の間にのみ断熱空間１６を設けたが、作動媒体入口路１２と地山との間にも断熱空間１６を設置し、蒸気発生装置１に流入する作動媒体３の温度を保温するようにしてもよい。このとき、蒸気発生装置１に流入する作動媒体３の温度を、約５０℃〜１００℃にしておくと、熱交換部１３を通過する際に、発電可能な程度にタービン２２を回転させるための熱量を、地熱資源１４から効率よく得ることが可能となる。

さらに、本実施の形態では、蒸気タービン式発電装置２にフラッシュ式の発電装置を採用したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、バイナリー式の発電装置を採用してもよい。

また、本実施の形態では、作動媒体３を蒸気発生装置１と蒸気タービン式発電装置２との間で循環させたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、循環水タンク２５において、使用後の作動媒体３と新たな作動媒体３の入れ替えを行ってもよい。

本発明によれば、蒸気発生装置１が、単管を地中に埋設したものであって、中間部に備えた熱交換部１３を、横臥状態で地熱資源の高温度帯域の中でも比較的低温である浅部に、所定の接触距離をもって接触させるのみの簡略な構成にて、作動媒体３に対して、発電可能な程度にタービン２２を回転させるための所定の熱量を伝導させ、作動媒体３を発電に適した温度とすることが可能となる。

また、蒸気発生装置１の高温腐食による劣化を抑制できるため、地熱発電システム１０全体のメンテナンスが容易になるとともに、地熱発電システム１０を長期にわたり稼働させることが可能となる。

１蒸気発生装置
１１作動媒体入口
１２作動媒体入口路
１３熱交換部
１４作動媒体出口路
１５作動媒体出口
１６断熱空間
１７自硬性断熱材
２蒸気タービン式発電装置
２１気水分離器
２２タービン
２３発電機
２４復水器
２５循環水タンク
３作動媒体
４地熱資源
５ドリルロッド
５１ドリルヘッド
５２パイロット孔
５３バックリーマー
５４スイベル

Claims

蒸気タービン式発電装置に備えたタービンを回転させた後の作動媒体が液体状態で供給され、供給された該作動媒体に地熱資源から熱量を伝導した後、該作動媒体を前記蒸気タービン式発電装置に供給する蒸気発生装置であって、
前記蒸気発生装置が、地中に埋設された単管よりなり、一方の端部に前記作動媒体を前記蒸気タービン式発電装置に供給するための作動媒体出口と、
他方の端部に前記作動媒体を前記蒸気タービン式発電装置から流入させる作動媒体入口と、
中間部に前記地熱資源と前記作動媒体との間で熱交換するための熱交換部と、
前記作動媒体入口と前記熱交換部との間に形成される作動媒体入口路と、
前記作動媒体出口と前記熱交換部との間に形成される作動媒体出口路と、を備え、
該熱交換部が、横臥状態に配置され、
前記作動媒体出口路と地山との間に、断熱空間が設けられ、
前記作動媒体出口路の管径が、前記熱交換部より大きいことを特徴とする蒸気発生装置。
請求項１に記載の蒸気発生装置において、
前記断熱空間に、自硬性断熱材を充填することを特徴とする蒸気発生装置。
請求項１または２に記載の蒸気発生装置を備えた地熱発電システムであって、
前記蒸気発生装置より供給された前記作動媒体にて、前記蒸気タービン式発電装置に備えたタービンを回転させて発電することを特徴とする地熱発電システム。