JP6582658B2 - 地熱採取方法および地熱採取システム - Google Patents

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に、地熱資源から熱量を伝導するための地熱採取方法および地熱採取システムに関する。

従来より、地熱流体そのものを取出すことなく、熱交換装置を用いて水等の液体と地熱資源との間で熱交換を行い、発電に適した温度となった液体を利用し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。

例えば、引用文献１には、底部を閉塞した外管と、底部を開口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設置された熱交換装置が開示されている。そして、この熱交換装置の外管内に液体を供給すると、地熱資源との間で熱交換が行われて液体が熱水・蒸気となり、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。

特開２０１４−２２７９６２号公報

しかし、引用文献１のような熱交換装置より得られる熱水・蒸気は、その温度が、取出し作業開始直後は高温であるものの、数か月にわたって徐々に低下する、非定常状態の期間を経て、取り出し作業を連続しても大きな温度低下を生じることのない、定常状態となる。そして、このような温度が非定常状態の期間に取出された熱水・蒸気は、タービンにて安定した発電を行うには適さないことが知られている。このため、非定常状態の期間に取出された熱水・蒸気は、定常状態より温度が高温であるにも関わらず、地熱発電に有効に利用されていない。

また、地熱発電装置を建設する際には、事前に調査井や観測井とともに熱交換装置を建設し、熱水・蒸気の取出しを行って定常状態を推定できるまでモニタリングする。そして、このモニタリング結果と調査井や観測井の調査結果と
を併せて、熱交換装置より得られる熱水・蒸気の定常状態を推定し、これに基づいて地熱発電装置の定格出力を決定する。このため、地熱発電装置の定格出力は、地熱資源の能力に依存して決定せざるを得ない。

さらに、定常状態にあっても熱交換装置を長期間にわたって使用すると、熱交換装置に接触する地熱資源の温度が徐々に低下するのに伴って、液体に伝導される熱量も低下する。このため、熱交換後に得られる熱水・蒸気の温度が低下するだけでなく、これら熱水・蒸気を利用した地熱発電装置の出力も低下し、定格出力の見直しが必要となる。

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、地熱資源との熱交換により熱量を伝導された作動媒体のうち、温度が定常状態となるまでの非定常状態の期間に取出された作動媒体を、蒸気タービン式発電装置に備えたタービンにて発電可能な温度であって、かつ一定の温度域に保持できるよう調整し、地熱資源を無駄なく発電に利用することの可能な、地熱採取方法および地熱採取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、本発明の地熱採取方法は、蒸気タービン式発電装置に備えたタービンへ作動媒体を供給する作動媒体混合槽に、前記作動媒体と地熱資源との間で熱交換を行う複数の熱交換装置のうち、少なくとも２基の熱交換装置各々から、前記作動媒体の取出し作業の開始直後から温度が定常状態となるまでの過渡期である非定常状態の期間に取出した、温度が異なる前記作動媒体を供給しつつ混合して該作動媒体の温度を発電に適した温度に調整し、前記作動媒体混合槽内の作動媒体の温度が、あらかじめ設定した下限温度まで低下した場合、最も温度の低い作動媒体が取出された熱交換装置を休止させ、前記複数の熱交換装置のうち、休止中の熱交換装置のいずれか１つから、作動媒体の取出しを開始する工程を繰り返すことを特徴とする。

上記の地熱採取方法によれば、温度が異なる前記作動媒体を複数混合することで、混合した作動媒体を発電に適した温度に調整でき、また、温度が低下した場合には、最も温度の低い作動媒体の取出しを休止し、他の休止中の熱交換装置から新たに作動媒体の取出しを開始することで、混合した作動媒体を一定の温度域に調整できる。これにより、定常状態より高い温度を有する非定常状態の期間に取出した作動媒体を、地熱発電に有効利用することが可能となる。

また、少なくとも２基の熱交換装置各々から取出された作動媒体は、一旦作動媒体混合槽に供給され、作動媒体混合槽にて発電に適した温度であって、かつ一定の温度域に保持できるよう調整されるから、作動媒体混合槽を介して一定流量かつ一定の温度域の作動媒体をタービンに供給でき、長期にわたって安定した発電を行うことが可能となる。

さらに、作動媒体混合槽内の作動媒体の下限温度を適宜変更することで、タービンに供給する作動媒体の温度を自在に変更できるため、地熱資源の能力に依存することなく、地熱発電装置の定格出力を決定することが可能となる。

上記の地熱採取方法は、前記温度が異なる作動媒体は、前記熱交換装置ごとに時間差を設けて取出しを開始することにより前記作動媒体混合槽に供給され、前記休止中の熱交換装置のいずれか１つには、休止期間が最も長い熱交換装置が選択されることを特徴とする。

上記の地熱採取方法によれば、熱交換装置ごとで作動媒体の取出し開始時刻に時間差を設けることにより、休止期間の開始時刻も熱交換装置ごとで時間差を生じる。これにより、作動媒体の取出しを開始する際には、複数の熱交換装置のうち最も休止期間が長い熱交換装置を常に選択することで、熱交換装置各々から作動媒体を取出す工程を、半永久的に繰り返すことが可能となる。

したがって、一定流量かつ一定の温度域の作動媒体を、永続的にタービンに供給することができ、従来技術のような、経年使用により作動媒体の温度や流量に起因して、地熱発電装置の定格出力を下降修正する事態が生じることなく、長期にわたって安定した電力を供給することが可能となる。

本発明の地熱採取システムは、蒸気タービン式発電装置に備えたタービンに供給する作動媒体と地熱資源との間で熱交換を行う熱交換部を備える複数の熱交換装置と、該熱交換装置各々から取出した作動媒体を混合するとともに、該混合した作動媒体を前記タービンに供給するための作動媒体混合槽と、該作動媒体混合槽と前記熱交換装置各々とを連通する供給配管に備えられる複数の取出バルブと、前記タービンを回転させた後の作動媒体を、前記複数の熱交換装置に分配するための作動媒体分配槽と、前記複数の熱交換装置各々における前記作動媒体の取出口および前記作動媒体混合槽に設置される温度センサと、前記作動媒体混合槽内に設置した前記温度センサを常時モニタリングし、前記作動媒体混合槽内の作動媒体の温度が、あらかじめ設定した下限温度まで低下したことを検知すると、最も温度の低い作動媒体が取出された熱交換装置と連通する、前記供給配管に備えられる前記取出バルブを閉状態とするとともに、休止中の前記熱交換装置のいずれか１つと連通する、前記供給配管に備えられる前記取出バルブを開状態とする、作動媒体制御設備と、を備えることを特徴とする

上記の地熱採取システムによれば、簡略な装置にて、これまで利用できなかった、熱交換装置から温度が定常状態となるまでの非定常状態の期間に取出された作動媒体を、タービンに供給することの可能な作動媒体とすることが可能となる。

本発明によれば、温度が異なる前記作動媒体を複数混合することで、タービンによる発電に適した温度であって、かつ一定の温度域に保持できるよう調整できるため、熱交換装置から温度が定常状態となるまでの非定常状態の期間に取出された作動媒体を、無駄なく発電に有効利用することが可能となる。

地熱採取システムの概略を示す図である。 熱交換装置内を移動する作動媒体の温度変化を示す図である。 熱交換装置から連続して作動媒体を取出した場合の、作動媒体取出口における作動媒体の温度推移を示す図である。 地熱採取方法を実施した場合の、熱交換装置から取出される作動媒体の温度と作動媒体混合槽内の作動媒体の温度の推移を示す図である。 地熱資源の温度分布を示す図である。 熱交換装置から連続して作動媒体を取出した場合の、地熱資源の温度境界線の変化を示す図である。

以下に、本発明の地熱採取方法、およびこれに用いる地熱採取システムを、図１〜図６を用いて説明する。

地熱採取方法に用いる地熱採取システム１は、図１で示すように、蒸気タービン式発電装置２とともに地熱発電設備１００を構成するもので、地熱資源４との間で熱交換を行った作動媒体３を、蒸気タービン式地熱発電装置２に供給する。

なお、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。また、地熱発電設備１００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。

地熱採取システム１は、複数の熱交換装置５、作動媒体混合槽６、および作動媒体分配槽７を備えており、熱交換装置５は、外周面が地山と接するように鉛直状で地中に埋設される外管５１と、外管５１の内方で同心に配置される内管５２と、を備え、両者ともに耐高温腐食性の鋼管よりなる。

外管５１は、下端近傍が地熱資源４の高温度帯域に達するまで挿入され、底部が閉塞されるとともに、外周面には地表部から深度１００ｍ程度まで断熱部材５１１が設置される。また、外管５１の上端部には、作動媒体３を作動媒体分配槽７から流入させるための作動媒体入口８が設けられ、外管５１と内管５２との間には、作動媒体流入路８１が形成される。

一方、内管５２は、下端が外管５１の底部近傍まで達する長さを有し、底部５２１が開口され、その内周面には図示しない断熱構造を有する。また、内管５２の上端部には、作動媒体３を作動媒体混合槽６に供給するための作動媒体取出口９が設けられ、内管５２内には作動媒体供給路９１が形成される。

そして、外管５１と内管５２との間に位置する作動媒体流入路８１と、内管５２内に位置する作動媒体供給路９１は、内管５２における底部５２１の開口を介して連通される。

また、熱交換装置５各々の作動媒体入口８と作動媒体分配槽７とは、流入配管１０にて連通されており、流入配管１０には熱交換装置５各々と作動媒体分配槽７との間に、それぞれ流入バルブ１０１が設置されている。したがって、流入バルブ１０１の開閉を制御することにより、作動媒体分配槽７に貯留されている作動媒体３を、複数の熱交換装置５のうち１つもしくは複数に、適宜選択して流入させることが可能な構成となっている。なお、本実施の形態では、流入バルブ１０１に電磁バルブを採用しているが、いずれのバルブを用いてもよい。

同様に、熱交換装置５各々の作動媒体取出口９と作動媒体混合槽６とは、供給配管１１にて連通されており、供給配管１１には熱交換装置５各々と作動媒体混合槽６との間に、それぞれ取出バルブ１１１が設置されている。したがって、取出バルブ１１１の開閉を制御することにより、作動媒体混合槽６に対して作動媒体３を、複数の熱交換装置５のうち１つもしくは複数から適宜選択して取出し、供給することが可能な構成となっている。なお、本実施の形態では、取出バルブ１１１に電磁バルブを採用しているが、いずれのバルブを用いてもよい。

したがって、作動媒体分配槽７から熱交換装置５へ作動媒体入口８を介して作動媒体３が流入すると、作動媒体３は、外管５１を挟んで地熱資源４との間で熱交換を行いながら作動媒体流入路８１を流下し、外管５１の底部に到達する。この熱交換により、地熱資源４から熱量が伝導され、蒸気と熱水が混合した状態となった作動媒体３は、内管５２の底部５２１から作動媒体供給路９１を上昇し、作動媒体取出口９を介して作動媒体混合槽６に供給される。

以下に、地熱採取システム１にて地熱資源との間で熱交換された作動媒体３における温度変化の一例を、図２に示す。

なお、地熱採取システム１には、熱交換装置５における作動媒体取出口９の近傍と作動媒体混合槽６の内方に、図示しない温度センサが設置されており、各々の位置にて作動媒体３の温度を確認できる構成となっている。

また、熱交換装置５における外管５１の下端部は、図１で示すように、地熱資源４の高温度帯域の中でも２５０℃を超える深部に挿入されている。さらに、作動媒体分配槽７から作動媒体入口８を介して作動媒体流入路８１に流入する作動媒体３の温度は、約１００℃に設定されている。

作動媒体分配槽７から作動媒体入口８より流入した作動媒体３は、図２で示すように、外管５１に設置された断熱部材５１１によりその温度が保持されたまま、深度約１００ｍまで作動媒体流入路８１を流下する。そして、断熱部材５１１がなくなった以降から地熱資源４との熱交換を行い、外管５１の下端部近傍で約２００℃に達する。内管５２の内周面に図示しない断熱部材が設置されることから、作動媒体３は約２００℃を保持しつつ、作動媒体供給路９１を上昇して作動媒体取出口９に達する。

しかし、図３で示すように、取出し作業の開始直後に作動媒体取出口９の温度センサで検出される作動媒体３の温度は、約２００℃と高温であるものの、取出し作業を連続して行うにつれて徐々に低下する。そして、数か月後に温度低下が停滞し、作動媒体取出口９より取出される作動媒体３の温度は、約１５０℃で定常状態となる。地熱採取方法は、このような温度が定常状態となるまでの過渡期である非定常状態の期間中に取出された作動媒体３を、発電に適した温度であって、かつ一定の温度域に保持できるよう調整し、蒸気タービン式発電装置２に備えたタービン２２に供給可能な状態とする方法である。
以降、熱交換装置５より取出される作動媒体３はいずれも、温度が定常状態となるまでの過渡期である非定常状態の期間中に取出されたものである。

以下に、熱交換装置５から取出される作動媒体３の温度、および作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度、両者の推移を示した図４のグラフを参照しながら、地熱発電システム１を用いた地熱採取方法を、説明する。

<地熱採取方法：準備段階>
蒸気タービン式発電装置２の出力規模を計画し、定格出力を設定する。次に、定格出力に対応した発電量を得るべく蒸気タービン式発電装置２に備えたタービン２２を回転させるために必要な作動媒体３の目標温度Ｔを算定するとともに、目標温度を含む許容可能な温度域を算定し、作動媒体３の上限温度Ｔ１および下限温度Ｔ２を決定する。そして、作動媒体３の目標温度Ｔ、地熱資源４の温度、蒸気タービン式発電装置２に供給する作動媒体３の流量、熱交換装置５一基あたりにおける作動媒体３の取出し可能量等を考慮し、地熱採取システム１に備える熱交換装置５の数量を決定する。

本実施の形態では、一事例として、地熱採取システム１に備える熱交換装置５の数量を６基とし、作動媒体３の目標温度Ｔを１７０℃、許容可能な温度域として上限温度Ｔ１を１７５℃、下限温度Ｔ２を１６５℃に設定した。また、６基の熱交換装置は、いずれも熱交換による作動媒体３の温度変化が同様となるものを採用することとした。なお、地熱資源４は、作動媒体３との熱交換により放熱して熱交換装置５の周囲で温度が徐々に低下することから、この影響を隣接する熱交換装置５から受けない程度に間隔を設けて６基の熱交換装置５各々を配置している。

<地熱採取方法：前処理段階>
図１および図４で示すように、６基の熱交換装置５のうち、任意に選択した第１の熱交換装置５ａの取出バルブ１１１を開状態にして作動媒体３を取出し、作動媒体取出口９に設置した温度センサをモニタリングしつつ、作動媒体混合槽６に供給する。

作動媒体３が上限温度Ｔ１まで低下した時点Ｐ１で、残り５基の熱交換装置５のうち、任意に選択した第２の熱交換装置５ｂの取出バルブ１１１を開状態にして作動媒体３を取出し、作動媒体混合槽６に供給する。このとき、図４で示すように、第１の熱交換装置５ａと第２の熱交換装置５ｂの間で作動媒体３の取出し開始時刻に時間差が生じているため、同時刻において、第１の熱交換装置５ａと比較して第２の熱交換装置５ｂより取出す作動媒体３は、その温度が高い状態となっている。

そして、作動媒体取出口９に設置した温度センサおよび作動媒体混合槽６内の温度センサをモニタリングしつつ、第１の熱交換装置５ａおよび第２の熱交換装置５ｂ各々の作動媒体３を、作動媒体混合槽６内へ適宜流量調整を行いながら連続して供給し、両者を混合する。こうすると、作動媒体混合槽６内で作動媒体３の温度が調整され、図４で示すように、徐々に安定して第１の熱交換装置５ａと第２の熱交換装置５ｂ各々の作動媒体３の温度を平均した温度となり、その温度は徐々に低下する。

作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度が上限温度Ｔ１まで低下した時点Ｐ２で、作動媒体混合槽６内の作動媒体３は、蒸気タービン式発電装置２に備えたタービン２２に供給可能な温度域に入る。そこで、作動媒体混合槽６内の作動媒体３を、蒸気タービン式発電装置２へ供給する動作を開始する。このまま、熱交換装置５より取出した作動媒体３を作動媒体混合槽６に供給する工程と、作動媒体混合槽６内の作動媒体３を蒸気タービン式発電装置２への供給する動作を継続する。

作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度が下限温度Ｔ２まで低下した時点Ｐ３で、残り４基の熱交換装置５のうち、任意に選択した第３の熱交換装置５ｃの取出バルブ１１１を開状態にして作動媒体３を取出し、作動媒体混合槽６に供給する。このとき、第３の熱交換装置５ｃの作動媒体３は、約２００℃と高温なため、流量を急激に増やすと、作動媒体混合槽６内の温度が上限温度Ｔ１を超える恐れが生じる。したがって、作動媒体混合槽６内の温度をモニタリングし、上限温度Ｔ１を超えることがないよう第３の熱交換装置５ｃの作動媒体３の流量を調整しつつ、第１の熱交換装置５ａ、第２の熱交換装置５ｂ、第３の熱交換装置５ｃ各々の作動媒体３を作動媒体混合槽６内へ供給する。

<地熱採取方法：繰り返し段階>
作動媒体混合槽６内の作動媒体３は、温度が徐々に安定して第１の熱交換装置５ａ、第２の熱交換装置５ｂ、第３の熱交換装置５ｃの作動媒体３を平均した温度となる。その後、徐々に温度が低下し、下限温度Ｔ２まで低下した時点Ｐ４で、最も温度が低い作動媒体４が取出された第１の熱交換装置５ａの取出バルブ１１１を閉状態にして作動媒体４の取出しを停止し、第１の熱交換装置５ａを休止させる。なお、下限温度Ｔ２に達しない場合であっても、最も温度が低い作動媒体４の温度が定常状態の温度まで低下している際には、第１の熱交換装置５ａを休止させる。

すると、作動媒体混合槽６内への作動媒体３の供給は、第２の熱交換装置５ｂおよび第３の熱交換装置５ｃの２基によるものとなるが、共に休止直前の第１の熱交換装置５ａから取出した作動媒体４より温度が高いため、作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度が一時的に上昇し、その後徐々に下降を始める。温度が下限温度Ｔ２まで低下した時点Ｐ５で、残り３基の熱交換装置５のうち、任意に選択した第４の熱交換装置５ｄの取出バルブ１１１を開状態にして作動媒体３を取出し、作動媒体混合槽６に供給する。これにより、作動媒体混合槽６への作動媒体３の供給は、再び３基によるものとなる。

以降、作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度が下限温度Ｔ２まで低下した時点で、最も温度が低い作動媒体３の取出しを停止し、作動媒体３の取出しを停止した熱交換装置５を休止させる。そして、作動媒体３の取出しを行っていない熱交換装置５から、新たな作動媒体３の取出しを行う。このとき、作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度が上限温度Ｔ１を上回ることがないよう、作動媒体混合槽６内の温度センサをモニタリングしつつ新たな作動媒体３の流量を調整する。

以上の工程を繰り返すことで、少なくとも２基の熱交換装置５各々から取出された温度が異なる作動媒体３を、作動媒体混合槽６へ継続的に供給し、発電に適した温度であって、かつ一定の温度域内に常時収まるよう調整保持することが可能となる。

また、本実施の形態では、複数の熱交換装置５各々から時間差を設けて作動媒体３を取出すことで、温度の異なる作業媒体３を得ているため、熱交換装置５各々における休止期間の開始時刻も、同様の時間差を有している。

そして、地熱資源４は常時、図５で示すような同一の深度でほぼ均一の温度を示すが、外管５１の近傍では、連続的に作動媒体３への放熱を続けていることから次第に温度が低下して、温度境界線が図６で示すような外管５１に向かって徐々に下降する曲線を描くようになる。しかし、地熱資源４の温度境界線は、作動媒体３との熱交換が終了し地熱資源４の放熱が停止すると、放熱を行っていた時間とほぼ同じ時間の休止期間を経て、放熱前の図５の状態に回復することが知られている。

よって、作動媒体４の取出しを停止した熱交換装置５の休止期間に、少なくとも作動媒体３の取出しを開始してから停止に至るまでの時間と同じ期間を確保する。例えば、図４で示すように、作動媒体混合槽６内の作動媒体３が下限温度Ｔ２まで低下した時点Ｐ４のとき、第１の熱交換装置５ａは休止を開始しており、約１７００時間にわたり放熱していた。したがって、第１の熱交換装置５ａを、少なくとも約１７００時間程度休止させて、放熱前の状態に回復させる。

これにより、作動媒体３の取出しを開始する際には、複数の熱交換装置５のうち、少なくとも作動媒体３の取出しを開始してから停止に至るまでの時間と同じ期間の休止期間を経ているものであって、最も休止期間が長い熱交換装置５を選択することで、作動媒体３を取出す工程を、６基の熱交換装置５から順番にかつ半永久的に実施することができる。

地熱採取方法によれば、一定流量かつ一定の温度域が保持された作動媒体３が、作動媒体混合槽６から蒸気タービン式発電装置２へ連続的に供給されるため、長期にわたって安定した発電を行うことが可能となる。

また、温度が異なる作動媒体３を適宜組み合わせ、蒸気タービン式発電装置２に備えたタービン２２に供給する作動媒体３の温度を、所望の目標温度および温度域に自在に変更することができる。これにより、地熱資源の能力に依存することなく、蒸気タービン式地熱発電装置２の定格出力を決定することが可能となる。

さらに、組み合わせた温度が異なる作動媒体３のうち、最も作動媒体３の温度が低下している熱交換装置５を休止させ、他の熱交換装置５から高温の非定常上状態の作動媒体３を取出すことにより、混合した作動媒体３を所望の一定の温度域に調整保持することが可能となる。

また、一定流量かつ一定の温度域を保持した作動媒体３を、永続的に蒸気タービン式発電装置２に供給することができ、従来技術のような、経年使用により、作動媒体３の温度や流量に起因して、蒸気タービン式地熱発電装置２の定格出力を下降修正する事態が生じることなく、長期にわたって安定した電力を供給することが可能となる。

上述する地熱採取方法にて、作動媒体混合槽６に供給された作動媒体３は、図１で示すように蒸気タービン式発電装置２に供給されるが、蒸気タービン式発電装置２では、作動媒体３が気水分離器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分配槽７に供給される。

そして、流入配管１０における取出バルブ１１１が開状態となっている熱交換装置５との間に位置する流入バルブ１０１を開状態とし、作動媒体分配槽７に供給された作動媒体３を、作動媒体３の取出しが行われている熱交換装置５の外管５１に、作動媒体入口８を介して流入させる。こうして地熱発電設備１００は、熱交換装置１と蒸気タービン式地熱発電設備２との間で作動媒体３を循環させながら、発電する。

ところで、本実施の形態では、地熱発電設備１００に作動媒体制御設備１２を搭載し、上記の地熱交換方法を自動制御している。

作動媒体制御設備１２は、図１で示すように、情報処理装置１２１、入力装置１２２および出力装置１２３を少なくとも備えるいわゆるコンピュータであり、情報処理装置１２１は演算処理装置及び記憶装置等のハードウェアと、該ハードウェア上で動作するソフトウェアとで構成されている。そして、熱交換装置５、作動媒体混合槽６、作動媒体分配槽７、流入配管１０に備えた流入バルブ１０１、および供給配管１１に備えた取出バルブ１１１と通信接続されている。

また、作業媒体制御設備１２の情報処理装置１２１は、液温検知手段１２１１、液温監視手段１２１２、バルブ制御手段１２１３、休止時間計測手段１２１４および自動制御手段１２１５を備えている。

液温検知手段１２１１は、熱交換装置５各々の作動媒体取出口９に設置された温度センサにて検出される作動媒体３の実測温度を常にモニタリングし、リアルタイムで出力装置１２３に出力する。また、液温監視手段１２１２は、作動媒体混合槽６内に設置された温度センサにて、作動媒体混合槽６内における作動媒体３の温度を常にモニタリングし、リアルタイムで出力装置１２３に出力する。

バルブ制御手段１２１３は、後述する自動制御手段１２１５より出力される信号に基づいて、作動媒体分配槽７と熱交換装置５各々との間に設置された流入バルブ１０１、および熱交換装置５各々と作動媒体混合槽６との間に設置された取出バルブ１１１の開閉動作及び開度調整を行う。また、流入バルブ１０１および取出バルブ１１１の開閉状態および開度状態を、リアルタイムで出力装置１２３に出力する。

なお、流入バルブ１０１と取出バルブ１１１は、取出バルブ１１１が開状態の熱交換装置５と作動媒体分配槽７との間に位置する流入バルブ１０１が、この取出バルブ１１１と同じ開度を持って開状態となるよう、連動されている。これにより、作動媒体３の取出しが行われている熱交換装置５に、取出された量と同量の作動媒体３が流入される。

休止期間計測手段１２１４は、熱交換装置５各々に対応する取出バルブ１１１が、開状態となってから閉状態となるまでの作動媒体３の取出し時間と、閉状態となってからの経過時間を計測し、これらを出力装置１２３に出力する。

自動制御手段１２１５は、上述した地熱採取方法における流入バルブ１０１および取出バルブ１１１の動作を自動制御するべく、流入バルブ１０１および取出バルブ１１１の開閉動作および開度量に係る信号を出力装置１２３に出力する。また、自動制御手段１２１５には、定格出力に対応した、タービン２２に供給する作動媒体３の目標温度Ｔ、上限温度Ｔ１および下限温度Ｔ２に関するデータが格納されている。

なお、作動媒体制御設備１２は、地熱発電システム１０に設けてもよいし、蒸気タービン式地熱発電設備２の運転設備に併設してもよい。

したがって、地熱発電設備１００の管理者が、入力装置１２２にて作動媒体制御設備１２に所望の定格出力を入力すると、自動制御手段１２１５は、入力された定格出力に基づいて、蒸気タービン式地熱発電設備２に供給する作動媒体３の目標温度Ｔ、上限温度Ｔ１および下限温度Ｔ２を選択し、出力装置３に出力するとともに、供給配管１１に設置された取出バルブ１１１のうち、任意に選択した１つの取出バルブ１１１を開状態とし、運転を開始する。

そして、自動制御手段１２１５は、液温検知手段１２１１にて出力された熱交換装置５各々から取出された作動媒体３の温度、および液温監視手段１２１２にて出力された作動媒体混合槽６内における作動媒体３の温度に基づいて、作動媒体３を取出す熱交換装置５の選択、流入バルブ１０１及び取出バルブ１１１の開閉動作及び開度量を決定し、作動媒体混合槽６内における作動媒体３の温度が、上限温度Ｔ１および下限温度Ｔ２の間に収まるよう、自動制御する。

つまり、自動制御手段１２１５は、液温監視手段１２１２より出力装置１２３に出力された作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度が、下限温度Ｔ２まで低下したことを検知すると、液温検知手段１２１１より出力装置１２３に出力されている複数の熱交換装置５各々から取出されている作動媒体３の温度を比較する。そして、最も温度が低い作動媒体３が取出された熱交換装置５と連通する、供給配管１１および流入配管１０各々に備えた取出バルブ１１１および流入バルブ１０１を閉状態とする信号を、出力装置１２３に出力する。また、作動媒体３の取出しを行っていない熱交換装置５のうち、いずれか１つを選択し、これと連通する、供給配管１１および流入配管１０各々に備えた取出バルブ１１１および流入バルブ１０１を開状態とする信号を、出力装置１２３に出力する。

すると、バルブ制御手段１２１３がこの信号を検知して、最も温度が低い作動媒体３が取出された熱交換装置５と連通する、供給配管１１および流入配管１０各々に備えた取出バルブ１１１および流入バルブ１０１を閉状態にして、作動媒体３の取出しを停止した熱交換装置５を休止させる。また、作動媒体３の取出しを行っていないもののうち、選択された熱交換装置５と連通する、供給配管１１および流入配管１０各々に備えた取出バルブ１１１および流入バルブ１０１を開状態にして、作動媒体３の取出しを開始する。

このとき、自動制御手段１２１５は、液温監視手段１２１２より出力装置１２３に出力された作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度を常時モニタリングしている。そして、上限温度Ｔ１を上回ることがないよう、新たに作動媒体３の取出しを開始した熱交換装置５と連通する、供給配管１１および流入配管１０各々に備えた取出バルブ１１１および流入バルブ１０１の開度を調整する信号を、出力装置１２３に出力する。

すると、バルブ制御手段１２１３がこの信号を検知して、これら取出バルブ１１１および流入バルブ１０１の開度を制御するため、作動媒体混合槽６内の作動媒体３の温度は常に、上限温度Ｔ１と下限温度Ｔ２との間に維持される。

また、自動制御手段１２１５は、温度が低下した作動媒体３の取出しを停止して熱交換装置５を休止させた後、複数存在する休止中の熱交換装置５のうち、いずれか１つを選択する際には、休止期間計測手段１２１４より出力装置１２３に出力される熱交換装置５各々における作動媒体３の取出し時間と閉状態となってからの経過時間を比較する。そして、最低限必要な休止期間を超えているものであって、最も長い休止状態にある熱交換装置５を選択し、これと連通する、供給配管１１および流入配管１０各々に備えた取出バルブ１１１および流入バルブ１０１を開状態とするよう信号を出力装置１２３に出力する。

なお、流入バルブ１０１と取出バルブ１１１の開閉操作は、必ずしもバルブ制御手段１２１２にて行う必要はなく、例えば、地熱発電設備１００の管理者が作動媒体制御設備１２の入力装置１２２を介して、流入バルブ１０１と取出バルブ１１１を操作することも可能である。

上述する地熱採取システム１を用いた熱採取方法によれば、簡略な装置にて、これまで利用できなかった、熱交換装置５から温度が定常状態となるまでの非定常状態の期間に取出された作動媒体３を、蒸気タービン式地熱発電設備２に供給することの可能な作動媒体３とすることが可能となる。

本発明の地熱採取方法および地熱採取システム１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ことはいうまでもない。

本実施の形態では、蒸気タービン式発電装置２に供給する作動媒体３の上限温度Ｔ１および下限温度Ｔ２の差を１０℃としたが、上下限温度の温度差はこれに限定されるものではなく、蒸気タービン式発電装置２の性状等に応じて、適宜設定すればよい。また、作動媒体３を熱交換装置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。さらに、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、バイナリー式の発電装置を採用してもよい。

本実施の形態では、地熱採取システム１の作動媒体混合槽６に対して作動媒体３を並行して供給する熱交換装置５の数量を３基までとしたが、これに限定するものではなく、その数量はいずれに設定してもよい。また、作動媒体３の取出し開始時刻について、熱交換装置５各々で時間差を設けたが、例えば、６基の熱交換装置５について、２基を１グループとする３つのグループに分け、３つのグループごとで作動媒体３の取出し時刻に時間差を設けて、作動媒体混合槽６に供給する作動媒体３の供給量を調整してもよい。

本実施の形態では、地熱採取システム１に二重管式の熱交換装置５を採用したが、熱交換装置５は、これに限定されるものではなく、地熱資源との間で熱交換を行うことの可能な装置であれば、いずれの熱交換器を採用してもよい。

１ 地熱採取システム
２ 蒸気タービン式発電装置
２１ 気水分離機
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 熱交換装置
５１ 外管
５１１ 断熱部材
５２ 内管
５２１ 底部
６ 作動媒体混合槽
７ 作動媒体分配槽
８ 作動媒体入口
８１ 作動媒体流入路
９ 作動媒体取出口
９１ 作動媒体供給路
１０ 流入配管
１０１ 流入バルブ
１１ 供給配管
１１１ 取出バルブ
１２ 作動媒体制御設備
１２１ 情報処理装置
１２１１ 液温検知手段
１２１２ 液温監視手段
１２１３ バルブ制御手段
１２１４ 休止期間計測装置
１２１５ 自動制御手段
１２２ 入力装置
１２３ 出力装置
１００ 地熱発電設備

Claims (3)

1. 蒸気タービン式発電装置に備えたタービンへ作動媒体を供給する作動媒体混合槽に、前記作動媒体と地熱資源との間で熱交換を行う複数の熱交換装置のうち、少なくとも２基の熱交換装置各々から、前記作動媒体の取出し作業の開始直後から温度が定常状態となるまでの過渡期である非定常状態の期間に取出した、温度が異なる前記作動媒体を供給しつつ混合して該作動媒体の温度を発電に適した温度に調整し、
   前記作動媒体混合槽内の作動媒体の温度が、あらかじめ設定した下限温度まで低下した場合、最も温度の低い作動媒体が取出された熱交換装置を休止させ、前記複数の熱交換装置のうち、休止中の熱交換装置のいずれか１つから、作動媒体の取出しを開始する工程を繰り返すことを特徴とする地熱採取方法。
2. 請求項１に記載の地中熱採取方法において、
   前記温度が異なる作動媒体は、前記熱交換装置ごとに時間差を設けて取出しを開始することにより前記作動媒体混合槽に供給され、
   前記休止中の熱交換装置のいずれか1つには、休止期間が最も長い熱交換装置が選択されることを特徴とする地熱採取方法。
3. 蒸気タービン式発電装置に備えたタービンに供給する作動媒体と地熱資源との間で熱交換を行う熱交換部を備える複数の熱交換装置と、
   該熱交換装置各々から取出した作動媒体を混合するとともに、該混合した作動媒体を前記タービンに供給するための作動媒体混合槽と、
   該作動媒体混合槽と前記熱交換装置各々とを連通する供給配管に備えられる複数の取出バルブと、
   前記タービンを回転させた後の作動媒体を、前記複数の熱交換装置に分配するための作動媒体分配槽と、
   前記複数の熱交換装置各々における前記作動媒体の取出口および前記作動媒体混合槽に設置される温度センサと、
   前記作動媒体混合槽内に設置した前記温度センサを常時モニタリングし、前記作動媒体混合槽内の作動媒体の温度が、あらかじめ設定した下限温度まで低下したことを検知すると、
   最も温度の低い作動媒体が取出された熱交換装置と連通する、前記供給配管に備えられる前記取出バルブを閉状態とするとともに、
   休止中の前記熱交換装置のいずれか１つと連通する、前記供給配管に備えられる前記取出バルブを開状態とする、作動媒体制御設備と、
   を備えることを特徴とする地熱採取システム。