JP6838336B2 - 蒸気発生装置および地熱発電システム - 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、地熱資源を利用して受熱させた水やペンタン等の作動媒体により、タービンを回転させて発電する地熱発電装置が広く知られているとともに、作動媒体を受熱させる装置として、例えば、特許文献１に開示されているような、二重管を用いた熱交換器が知られている。

特許文献１に開示されている二重管を用いた熱交換器は、地盤中に埋設されて作動媒体である液体と地熱資源との熱交換を行う外管と、当該外管の内方に同軸となるように配置された内管とを有し、外管と内管との間の隙間に液体の下降流路が形成されている。これにより、下降流路を流下する液体は、地熱資源との間で熱交換が行われて昇温し、内管内を上昇する。上昇した液体は、地上部で発電機に接続された蒸気タービンを駆動したのちに低温低圧の蒸気となり、再度二重管外側流路に供給される。

このような、作動媒体である液体を循環利用する二重管を用いた熱交換器は、地熱資源を利用するのみで不純物を大量に含む地熱蒸気や熱水を直接利用するものではない。このため、効率よく発電することができるとともに、発電設備の早期劣化を抑制することができる。

特開２０１４−２２７９６２号公報

しかし、作動媒体として一般に用いられる、ペンタンやアンモニア水等の低温で沸騰する液体は危険物であるとともに、外管内における下端部近傍では圧力の高い状態となっている。したがって、外管内の下降流路を流下する作動媒体が、外管の連結継ぎ目等から地盤へ漏えいすることのないよう、十分な対策を講じる必要がある。

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、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の、蒸気発生装置からの漏液を抑止することが可能で、かつ効率よく発電に適した温度まで作動媒体を昇温さえることの可能な、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用いる蒸気発生装置であって、地盤中に設置され底板を有する筒体よりなり、少なくとも地熱資源と隣接する領域を含む中空部の底部から所定の高さに至る範囲に、水密区画が設けられた漏液保護管と、略Ｕ字状の単管よりなり、少なくとも折曲げ部が前記水密区画に配置されるよう前記漏液保護管の中空部に挿入され、作動媒体を、前記蒸気タービン式発電装置に供給する作動媒体出口および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を備える蒸気発生管と、を備え、前記漏液保護管の水密区画に、前記作動媒体の液漏れを検知する漏液検知装置を備えることを特徴とする。

上記の蒸気発生装置によれば、作動媒体が、地盤深くに位置し高圧となる蒸気発生管の折曲げ部近傍から漏液することがあった場合にも、漏液保護管の水密区画内に封止されるため、周辺地盤へ漏出することを抑止できる。これにより、危険物であるものの、発電効率の向上に寄与するペンタン等の低温で沸騰する液体を、作動媒体として安全に活用することが可能となる。

また、蒸気発生管の折曲げ部を配置した漏液保護管内の水密区画が、水を介して蒸気発生管内の作動媒体と地熱資源との間で熱交換を行う熱交換エリアとして機能する。このため、蒸気発生管の折曲げ部の形状を適宜変更し、水密区画に配置される蒸気発生管の長さが長く確保することにより、地熱資源が低温であっても効率よく水を介して作動媒体との熱交換を行って、作動媒体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、水密区画を構築する漏液保護管の高さ範囲は、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てもよいため、地熱資源の高温度帯域を深く掘り下げる必要がなく、施工性が向上するとともに漏液保護管および蒸気発生管に生じやすい高温腐食の進行を遅滞させることが可能となる。

さらに、漏液保護管内の水密区画に漏液検知装置を備えることから、蒸気発生管から作業媒体の液漏れが生じた場合にも、早期の段階で液漏れを検知して改修等の液漏れ対策を講じることができるため、安全でかつ長期にわたって蒸気発生装置を稼働させることが可能となる。

前記蒸気発生装置は、前記水密区画の上方に気密区画が形成され、該気密区画に、前記作動媒体の液漏れを検知する漏液検知装置を備えるとともに、前記蒸気発生管が前記漏液保護管と間に間隔を設けて配置されることを特徴とする。

上記の蒸気発生装置によれば、前記水密区画の上方に気密空間が形成される。これにより、不慮の事態により作動媒体が、蒸気発生管のいずれの位置から漏液した場合にも、早期の段階で液漏れを検知できるとともに、液漏れした作動媒体を漏液保護管の水密区画もしくは気密区画内に封止できる。したがって、液漏れした作動媒体の、周辺地盤へ漏出や気中への拡散を、確実に抑止することが可能となる。

また、気密区画において、蒸気発生管と漏液保護管との間に空気層が形成されるため、熱交換エリアとして機能する水密区画を通過した後の作業媒体が水密区画で得た熱量を、蒸気発生管内を上昇する途中で地山に奪われることがない。また、略Ｕ字状の蒸気発生管では、折曲げ部の両側からそれぞれ延在する一般部どうしも間隔を有して配置されるため、水密区画を通過した後の作業媒体が水密区画で得た熱量を、蒸気発生管内を上昇する途中で、水密区画に向かって流下する作業媒体に奪われることもない。

このように、水密区画を通過した後の作動媒体は、水密区画にて得た発電可能な程度にタービンを回転させるための熱量の一部を、蒸気発生管内を上昇する途中で無駄に消失することが回避される。これにより、発電に適した温度を確実に維持しつつ、蒸気タービン式発電装置に供給す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、漏液保護管を備えた蒸気発生装置を利用して、蒸気タービン式発電装置に作動媒体を供給し発電する。これにより、作業媒体の周辺地盤への漏出や気中への拡散を確実に抑止できるため、作動媒体として低温で沸騰する液体を採用し、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しつつ、安全に発電することが可能となる。

本発明によれば、漏液検知装置を備え、かつ熱交換エリアとして機能する水密区画を漏液保護管内に設け、当該漏液保護管内に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の循環路となる蒸気発生管を挿入配置することから、作業媒体が地中へ漏液することを抑止することが可能で、かつ効率よく発電に適した温度まで作業媒体を昇温することの可能となる。

本実施の形態の地熱発電システムの概略を示す図である。 本実施の形態の蒸気発生装置に備える漏液検知装置の詳細を示す図である。 本実施の形態の蒸気発生装置に備える蒸気発生管の折曲げ部の他の事例を示す図である。

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蒸気発生装置を備えた地熱発電システムを、図１〜図３を用いて説明する

まず、蒸気発生装置１とともに地熱発電システム１０を構成する蒸気タービン式発電装置２におよび作動媒体３について説明する。図１で示すように、蒸気タービン式発電装置２は、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、地熱発電に広く採用されているバイナリー式の発電装置と同様の設備である。

また、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いずれでもよいが、本実施の形態では、ペンタン・イソブタンといった有機物質、代替フロン、アンモニア・水混合液など危険物であるものの、低温で沸騰する物質を採用する。

上述する蒸気タービン式発電装置２との間で作動媒体３が循環される蒸気発生装置１は、蒸気タービン式発電装置２のタービン２２を回転させた後の作動媒体３が供給されると、供給された作動媒体３と地熱資源４との間で熱交換をさせたのち、発電に適した温度となった作動媒体３を再度、蒸気タービン式発電装置２に供給する装置である。

蒸気発生装置１は、作動媒体３の循環路を形成する蒸気発生管５と、蒸気発生管５を収納する筒状体よりなる漏液保護管６とを備えている。

蒸気発生管５は、従来の地熱井に用いられている耐高温腐食性の鋼管を、略Ｕ字状に折曲げて製造したものであり、折曲げ部５１と、折曲げ部５１の両側からそれぞれ、鉛直方向上向きに延在する一般部を有する。このような形状の蒸気発生管５は、一般部が間隔を設けて隣り合う態様で、その端部各々を地表面上に露出させた状態で、地盤中に配置されている。

そして、地上に露出する一方の端部には、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５５が形成され、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５２が形成されている。したがって、作動媒体入口５２と折曲げ部５１との間に位置する一般部は、作動媒体３の作動媒体入口路５３となり、折曲げ部５１と作動媒体出口５５の間に位置する一般部は、作動媒体出口路５４となる。

一方、蒸気発生管５を収納する漏液保護管６は、蒸気発生管５と同様に耐高温腐食性の鋼管よりなり、蒸気発生管５を収納するような態様で、地盤中に鉛直状に貫入されている。そして、その底部は底板６１によって閉塞されるとともに、上端部は蓋材６２により密閉され、さらに中空部の所定高さ位置には仕切り板６３が設置されている。

蓋材６２と仕切り板６３にはそれぞれ、蒸気発生管５の作動媒体入口路５３および作動媒体出口路５４が貫通可能な孔が２つ設けられている。つまり、漏液保護管６の中空部は仕切り板６３により上下に区画されており、この上下各々の空間に跨るようにして、作動媒体入口路５３および作動媒体出口路５４が配置される。

本実施の形態では、漏液保護管６に管径の異なる２種類の鋼管を採用し、小径鋼管の上方に大径鋼管を同軸上に配置することで、漏液保護管６を構成している。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、漏液保護管６を１つの鋼管で製造し、水密区画７と気密区画２４の断面積を同じ大きさに形成してもよい。また、蓋材６２と仕切り板６３はそれぞれ、漏液保護管６に対していずれの手段にて固定してもよいが、本実施の形態では、漏液保護管６に対して蓋材６２を溶接により気密に固定し、また、パッカー６４を介して漏液保護管６に仕切り板６３を液密に固定している。

このような構成の蒸気発生装置１は、漏液保護管６の仕切り板６３より下方の空間に、地熱資源４との間で効率よく熱交換を行うことの可能な水７１が充填されて水密区画７を形成している。これにより水密区画７は水７１を介して、蒸気発生管５内を循環路とする作動媒体３と地熱資源４との間で熱交換が行われる領域として機能する。一方、仕切り板６３より上方の空間には、熱の伝達量が小さい空気８１を充填し、気密区画８を形成している。これにより気密区画８は空気８１によって、蒸気発生管５内を循環路とする作動媒体３の熱が周辺地盤に放熱されることのない、断熱領域として機能する。

なお、気密区画８は空洞のままでもよいが、蒸気発生管５が安定して設置されるよう、空気８１を保持可能な多孔質材料を配置する構成としてもよい。また、気密区画８を充填する充填物は、必ずしも空気８１に限定されるものではない。熱を伝達しにくく、地盤や気中に漏出しても害を及ぼすことのない物質であれば、いずれの充填材を充填してもよい。さらに、水密区画７を充填する液体も、必ずしも水７１に限定されるものではない。地熱資源４との間で効率よく熱交換を行うことが可能で、かつ地盤に漏出しても害を及ぼすことのない物質であれば、いずれの液体を水密に充填してもよい。

ところで、これら水密区画７および気密区画８は、上述する機能だけにとどまらず、蒸気発生管５を循環路とする作動媒体３が、不慮の事態により蒸気発生管５から漏液することがあった場合に、作動媒体３を漏液保護管６内に封止して周辺地盤への漏出や気中への拡散を抑止する機能を有する。

そこで、本実施の形態では、水密区画７に液中漏液検知装置９１を設置するとともに、気密区画８に気中漏液検知装置９２を設置することにより、作動媒体３の漏液を監視し検知することの可能な構成としている。

図１および図２で示すように、水密区画７に設置する液中漏液検知装置９１は、漏液保護管６の蓋材６２および仕切り材６３を貫通し、下端が水密区画７に配置され上端が地上に配置された筒状の計量管９１１を備えるとともに、計量管の上端に少なくとも液圧計９１２、水温計９１３および液質センサ９１４が設置されている。これらを用いて、水密区画７内の液圧変動、温度変化、液質の変化を常時モニタリングすることにより、水密区画７内における作動媒体３の漏液を検知する。

一方、気密区画８に設置する気中漏液検知装置９２は、漏液保護管６の蓋材６２を貫通し、下端が気密区画８に配置され上端が地上に配置された筒状の計量管９２１を備えるとともに、計量管の上端に少なくとも図示しない気圧計、温度計およびガスセンサが設置されている。これらを用いて、気密区画８の気圧変動、温度変化、ガス質の変化を常時モニタリングすることにより、気密区画８内における作動媒体３の漏液を検知する。

上述する構成の蒸気発生装置１により、蒸気発生管５の作動媒体入口５２から供給された作動媒体３は、作動媒体入口路５３を流下することにより気密区画８を通過したのち、水密区画７において水７を介して地熱資源４との間で熱交換が行われる。このとき、水密区画７は地盤深くに位置するため、蒸気発生管５における折曲げ部５１近傍の作動媒体３が高圧状態となりやすく、蒸気発生管５からの漏液が生じやすい環境にある。

しかし、漏液することがあった場合にも作動媒体３は、液中漏液検知装置９１により早期の段階で検知さえるとともに、漏液保護管６の水密区画７内に封止されるため、周辺地盤へ漏出することを抑止できる。

熱交換により折曲げ部５１近傍で蒸気と高温の液体が混合した状態となった作動媒体３は、作動媒体出口５５に向かって作動媒体出口路５４を上昇し、気密区画８を通過する。地山は、地表に近づくにつれてその温度が低下するが、作動媒体出口路５４と漏液保護管６との間には、図１で示すように、空気層が存在する。このため、作動媒体出口路５４を上昇する作動媒体３は、水密区画７で得た熱量を地山に奪われることがない。また、作動媒体出口路５４と作動媒体入口路５３との間にも同じく空気層が存在するため、作動媒体出口路５４を上昇する作動媒体３が、作動媒体入口路５３を流下する作動媒体３に熱量を奪われることもない。

このように、水密区画８を通過した後の作動媒体３は、水密区画８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を、作動媒体出口路５４を上昇する途中で無駄に消失することが回避される。これにより、発電に適した温度を維持しつつ作動媒体出口５５から蒸気タービン式発電装置２へ、作動媒体３供給することが可能となる。

なお、気密区画８において不慮の事態により、作動媒体出口路５４または作動媒体入口路５３から作動媒体３が漏液した場合にも、気中漏液検知装置９２により早期の段階で検知されるとともに気密区画８に封止されるため、周辺地盤へ漏出や気中への拡散を確実に抑止することが可能となる。

こうして、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の水密区画７にて熱交換された作動媒体３が、作動媒体出口５５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高温の液体に分離された後、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、高温の液体は、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の高温の液体とともに、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５２を介して蒸気発生装置１に流入し、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、発電することとなる。

なお、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に供給される直前の作動媒体３の温度に、少なくとも１５０℃以上が要求される。このため、熱交換エリアとして機能する水密区画７の体積、水密区画７に配置される蒸気発生装置１の長さは、作動媒体３を発電に最適な所望の温度まで上昇させることが可能な大きさとなるよう設定する。

これら水密区画７の体積および水密区画７に配置される蒸気発生装置１の長さを設定するにあたっては、作動媒体入口５２に流入する際の作動媒体３の温度、水密区画７近傍における地熱資源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％）、水密区画７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するとよい。

また、一般に、地熱資源４と作動媒体３との間で熱交換を行う際に介在する水密区画７内の温度は、１５０℃を超え２００℃を超えない程度の範囲が好ましい。これは、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をなす漏液保護管６および蒸気発生管５の高温腐食が早期に進行しやすいことによる。

さらに、水密区画７に設置する液中漏液検知装置９１および気密区画８に設置する気中漏液検知装置９２に警報機能を付与して漏液をモニタリングしておき、水密区画７もしくは気密区画８にて漏液が検知された場合には、地熱発電システム１０の運転を停止させる等の制御を可能にしておくとよい。こうすると、蒸気発生管５から作業媒体３の漏液が生じた場合に、早期の段階で改修等の対策を講じることができるため、安全でかつ長期にわたって蒸気発生装置および地熱発電システム１０を稼働させ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、図１で示すように、蒸気発生管５の折曲げ部５１について、水平直線部を有する形状に形成したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、図３で示すような蛇腹状やコイル状等、水密区画７に位置する蒸気発生管５の長さを長く確保できる形状に製造し、蒸気発生管５と水７１との接触距離を長くとることのできる構造にするとよい。こうすると、地熱資源４が低温であっても、効率よく水７１を介して作業媒体３と地熱資源４との熱交換を行って、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。

また、本実施の形態では、作動媒体入口路５３、折曲げ部５１、作動媒体出口路５４の管径を一律としたが、折曲げ部５１に対して作動媒体出口路５４の管径を大きくしてもよい。こうすると、折曲げ部５１から作動媒体出口路５４に流入する作動媒体３は、より確実に減圧されて効率よく沸騰して蒸気となる。このため、作動媒体出口路５４を上昇する作動媒体３の上昇速度を速めることが可能となる。

さらに、作動媒体入口路５３および作動媒体出口路５４は、必ずしも鉛直に配置することに限定されるものではなく、傾斜状や曲線状に配置する構成としてもよく、また、気密空間８は必ずしも設けなくてもよい。

加えて、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。

１ 蒸気発生装置
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 蒸気発生管
５１ 折曲げ部
５２ 作動媒体入口
５３ 作動媒体入口路
５４ 作動媒体出口路
５５ 作動媒体出口
６ 漏液保護管
６１ 底板
６２ 蓋材
６３ 仕切り材
６４ パッカー
７ 水密区画
７１ 水
８ 気密区画
８１ 空気
９１ 液中漏液検知装置
９１１ 計量管
９１２ 液圧計
９１３ 水温計
９１４ 液質センサ
９２ 気中漏液検知装置
９２１ 計量管
１０ 地熱発電システム

Claims (3)

1. 蒸気タービン式発電装置に用いる蒸気発生装置であって、
   地盤中に設置され底板を有する筒体よりなり、少なくとも地熱資源と隣接する領域を含む中空部の底部から所定の高さに至る範囲に、水密区画が設けられた漏液保護管と、
   略Ｕ字状の単管よりなり、少なくとも折曲げ部が前記水密区画に配置されるよう前記漏液保護管の中空部に挿入され、作動媒体を、前記蒸気タービン式発電装置に供給する作動媒体出口および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を備える蒸気発生管と、を備え、
   前記漏液保護管の水密区画に、前記作動媒体の液漏れを検知する漏液検知装置を備えることを特徴とする蒸気発生装置。
2. 請求項１に記載の蒸気発生装置において、
   前記蒸気発生装置は、前記水密区画の上方に気密区画が形成され、
   該気密区画に、前記作動媒体の液漏れを検知する漏液検知装置を備えるとともに、前記蒸気発生管が前記漏液保護管と間に間隔を設けて配置されることを特徴とする蒸気発生装置。
3. 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。