JPH01232175A - 地熱利用動力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は地熱流体が保有する熱エネルギーを利用して動
力を得る装置に係り、さらに詳しくは還元井内にランキ
ンサイクルからなる動力変換装置を内蔵せしめて構成さ
れる地熱利用動力変換装置に関する。

（従来の技術） 一般に、ランキンサイクルによる動力変換装置は原動機
（たとえばタービンなど）、気化および凝縮用熱交換器
（たとえば蒸発器および凝縮器など）、熱輸送装置（た
とえばポンプ、配管）からなる。地熱流体を熱源として
利用する場合、特に地熱流体の温度が低い場合にこの種
の動力変換装置を適用することがあり、通常の地熱蒸気
タービンに代わり用いられる。その典型的なものは低沸
点媒体をタービンの作動媒体として利用する、いわゆる
バイナリ−サイクル方式によるものである。

しかしながら、このような方式により動力を得て、たと
えば電力を発生したとき、その電力の一部が上記した熱
輸送に用いられるポンプ等の動力、つまり所内動力とし
て消費されてしまうため、効率の面で必ずしも望ましい
姿になっていない。

そこで、このような損失を取り除く試みとじて動力変換
装置の全部あるいはそのうちの一部を地熱流体を生産す
るための井戸、つまり生産井内に内蔵させるものが提案
され、注目を集めている。

その代表的な例を第４図に示しており、以下、これにつ
いて説明を加える。

すなわち、この動力変換装置は地熱流体の生産井１内に
凝縮器２と結ばれた下降管３と、この下降管３の外側に
備えられる気化筒４とからなる気化用熱交換器５を内蔵
せしめ、気化用熱交換器５で気化した作動媒体をタービ
ン６に送って膨脹せしめ、さらに凝縮器２に回収してこ
れを冷却するランキンサイクルに、より構成されるもの
である。

なお、図中符号７は蒸気管、符号８は負荷をそれぞれ示
している。

ここで、熱交換過程を詳しく説明すると、凝縮器２から
重力によって下降管３内に下りた作動媒体は気化筒４内
の下部領域を満たし、気化筒４の外側を下から上に向か
って流れる地熱流体により加熱されて気化し、気化筒４
の上部から蒸気管７を介してタービン６に導かれる。こ
のようにサイクルの過程は気化用熱交換器５に対して作
動媒体を加圧して供給する必要がなく、タービン６の発
生動力は所内動力として消費されない利点を備えている
。　なお、上記した例は気化用熱交換器５だけが生産井
１内に内蔵されているものであるが、気化用熱交換器５
と共に、タービン、凝縮器を内蔵しているものも提案さ
れている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、従来の生産井１内に動力変換装置を内蔵せし
めるやり方には次のような問題がある。

すなわち、一般に、生産井１は高温にして安定な地熱流
体を生産する必要があり、坑口から坑底までの深さは１
０００Ｉ１１前後から場合によっては３０００ｍに達す
る。このため、生産井１の坑口から動力変換装置を挿入
して適切な温度の場所に置く作業が困難であり、特に、
深部に装着するときには据付工期が長引き、装着後の保
守、点検も容易でない。

また、生産井１の坑底から上昇する地熱流体と、気化用
熱交換器５内で気化する作動媒体とが同じ方向に流れる
（並行流となる）ために気化用熱交換器５での熱伝達の
効率が低下し、気化用熱交換器５が大形化するのが避け
られないという問題がある。

一方、他の地熱利用動力装置と並べて置くとき、空いて
いる生産井がない場合には新たに生産井１を掘削しなけ
れば気化用熱交換器５等を据付けることができず、生産
井１の掘削費用が動力変換装置の製作のための費用に上
乗せして発生し、経済性が損なわれてしまう。

さらに、生産井１の坑底から上昇する地熱流体は生産井
１と気化用熱交換器５との間の隙間を上昇するために大
きな圧力損失を生じるという問題がある。

したがって、本発明の目的は、地熱井の深部に長大な動
力変換装置または気化用熱交換器を配置する必要のない
地熱利用動力変換装置を提供することにある。

また、別の目的は動力変換装置の気化用熱交換器を小形
に構成し得るようにした地熱利用動力変換装置を提供す
ることにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために本発明は作動媒体が循環する
閉じた経路内にその作動媒体を地熱流体を用いて気化せ
しめる気化用熱交換器、その気化した作動媒体を膨脹さ
せて動力を得るタービン、その膨脹した作動媒体を冷媒
を用いて凝縮せしめる凝縮用熱交換器を順次設けてなる
地熱利用動力変換装置において、気化用熱交換器、ター
ビンおよび凝縮用熱交換器のうち、少なくとも気化用熱
交換器を地熱流体が地中に還元される還元井の内部に配
置したことを特徴とするものである。

（作用） 還元井の内部に動力変換装置を構成する熱交換器、ター
ビンおよび凝縮用熱交換器のうち、たとえば気化用熱交
換器を配置して構成する。この場合、還元井に戻される
地熱流体はこの気化用熱交換器の外側を上方から下方へ
、一方、動力変換装置内に封じられた作動媒体は気化用
熱交換器の内側を下方から上方へと互いに対向流となっ
て流れる。このとき、高温の地熱流体により作動流体が
加熱され、気化した作動媒体がタービンに送られて膨脹
を遂げ、タービンに直結された負荷が回されて動力が得
られる。　上記の動力変換装置においては必要以上に還
元井の深部に気化用熱交換器等の装置を挿入する必要が
なく、タービンの人口圧力を確保するのに充分な長さが
あればよく、挿入および装着のための作業が極めて容易
に行なえる。

また、気化用熱交換器内を上昇する作動媒体と還元井内
を流下する地熱流体とが対向流となるため、熱交換の全
過程を通じて双方の温度差が適切に保たれ、気化用熱交
換器を小形に構成することができ、これにより安価な動
力変換装置が提供される。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図を参照して説明する。第１図
において、図示しない生産井と還元井１１とが輸送管１
２を介して結ばれている。還元井１１の内部には凝縮器
１３のホットウェル部と結ばれた下降管１４と、この下
降管１４の外側に（Ｊｉえられる気化筒１５とから構成
される気化用熱交換器１６が装着され、輸送管１２によ
って導かれた地熱流体がこの気化用熱交換器１６の外側
を通って地中へ還元されるように構成されている。

また、気化用熱交換器１６の上部にはタービン１７が設
けられ、気化筒１５の上部と、このタービン１７の入口
部とが蒸気管１８により結ばれて気化用熱交換器１６、
タービン１７および凝縮器１３を作動媒体が循環するよ
うに構成されている。

なお、図中符号１９は負荷、符号２０は保護筒をそれぞ
れ示している。

次に、上記のように構成した地熱利用動力゛変換装置の
作用を説明する。作動媒体は下降管１４内に所定の液往
高さＨを形成し、蒸気管１８を介してタービン１７の人
口にある圧力を及ぼしている。

地熱流体は輸送管１２から気化筒１５の外側に導かれ、
保護筒２０との間を通って地中に流下する。

この気化筒１５の外側を通過する地熱流体と、気化筒１
５内を上昇する作動媒体との間で熱交換が行なわれ、気
化した作動媒体が蒸気管１８を通ってタービン１７に流
れ、そこで膨脹を遂げる。このときタービン１７は負荷
１９を駆動して動力が得られる。なお、負荷１９として
は発電機、ポンプ、ファン等が利用される。

タービン１７内で膨脹した作動媒体は凝縮器１３に排出
され、そこで冷却されて液相に戻され、再び下降管１４
を経て気化筒１５に至り、上記循環を繰り返す。

このように構成された動力変換装置は必要以上に還元井
１１の深部に気化用熱交換器１６を挿入する必要がなく
、タービンの人口圧力を確保するのに充分な長さがあれ
ばよい。したがって、気化用熱交換器１６の挿入および
装着作業が極めて容易に行なえると共に、保守、点検を
実施する場合の障害を少なくすることができる。

また、気化用熱交換器１６の気化筒１５内を上昇する作
動媒体と、還元井１１内を流下する地熱流体とが対向流
となることから、熱交換の全過程を通じて双方の温度差
が適切に保たれ、伝熱面積が大幅に減少することにより
気化用熱交換器１６を小形に構成することができ、これ
により安価な動力変換装置が提供される。

一方、還元井１１を用いる利点として、他の地熱利用動
力装置と並置されるときには新たに生産井を掘削せずと
も、他の地熱利用動力装置の還元井に気化用熱交換器１
６を内蔵させることで動力を１１；ることかでき、経済
性の而で極めて有利である。

なお、上記実施例において、タービン１７の圧力を確保
する小容量のポンプを図のＡ部に設けてもよいが、この
ようなポンプが必要となることは通當は少ない。

また、気化用熱交換器１６についてはヒートパイプ形、
プレート形が利用でき、勿論多管式熱交換器により構成
しても何ら効果は損なわれない。

次に、本発明の他の実施例を第２図を参照して説明する
。第２図に示される実施例では上記の実施例と異なり、
タービンおよび凝縮器を含むすべての動力変換装置か還
元井１１の内部に収められる。すなわち、還元井１１の
内部に凝縮器２１と、タービン２２と、気化用熱交換器
２３とからなる動力変換装置２４が設けられている。図
示しない配管によってこれらの気化用熱交換器２３、タ
ービン２２および凝縮器２１は結ばれており、作動媒体
が上記各機器を循環してそれぞれ気化、膨張および凝縮
させられる。そして、本実施例においても還元井内に気
化用熱交換器２３が内蔵されることから、上記の実施例
と同様の効果を得ることができる。

なお、上記各実施例における気化用熱交換器１６．２３
、タービン１７．２２および凝縮器１３．２１の配置の
仕方には様々な態様がある。たとえば、還元井１１の大
きさ、傾斜角度あるいは湾曲程度がこのような動力変換
装置２４の配置に影響を及ぼし、このときこれに付随す
る輸送管１２および蒸気管１８等の配置の仕方も当然変
わるが、これらは何れも本発明の効果を左右するところ
まで至らないことは明らかであり、応用例とみることが
できる。

また、第３図はさらに異なる実施例を示している。一般
に、地熱流体が蒸気と熱水との二相流“として生産され
る場合、そのままでは用途が限定されるためにこれを分
離することが行なわれる。第３図における気水分離器３
１およびフラッシャ−３２はこのような場合に使用され
る装置であって、地熱流体は初めに気水分離器３１によ
って蒸気と熱水とに分離され、次に分離された熱水がフ
ラッシャ−３２に導かれて減圧され、再度蒸気と熱水と
に分離される。こうして蒸気を分離された地熱流体は熱
水として戻り管３３を通って還元井３４に戻されるが、
この還元井３４の内部に動力変換装置３５を設けて熱水
の保有している熱エネルギーを動力に変換する。なお、
図中符号３６は生産井を示している。

ところで、還元井３４に動力変換装置３５を設置してい
ない従来の方法では、熱水は戻り管３３内を流れる間に
圧力損失によってさらに減圧されるため、戻り管３３内
で蒸気（ボイドあるいはバブルという）を発生して液相
と気相とが混在する、いわゆる二相流となって流動が不
安定となり、熱水が還元井３４に導かれても地中への還
元が円滑に行なわれない。そこで、従来は戻り管３３を
冷却したり、還元井３４の坑口近いＢ部にベントを設け
、バブルを大気中に放出するなどの対策が採られていた
。

第３図に示される実施例では還元井３４の内部に動力変
換装置３５が設置されており、熱水が動力変換装置３５
の気化用熱交換器の部分で冷却され、二相流となること
なく還元される。しかも、戻り管３３を通る流れはその
ままであれば熱回°収はできないが、この動力変換装置
３５によって排熱も回収することができる。

また、従来の生産井３１を地熱流体が上昇するときの圧
力損失については還元井３４を利用するときには問題と
ならない。すなわち、還元井３４の場合、還元能力で問
題となるのは地熱流体の流れの損失よりも還元井３４内
部での地層の破砕の状態（割目の多寡）であり、かかる
動力変換装置３５の設置がもたらす影響は生産井３６に
対するものとは比較にならない提手さい。

〔発明の効果］ 以上説明したように本発明は動力変換装置を構成する気
化用熱交換器、タービンおよび凝縮用熱交換器の全部あ
るいはそのうちの少なくとも気化用熱交換器を地熱流体
が地中に還元される還元井の内部に配置しているので、
地熱井の深部に長大な動力変換装置または気化用熱交換
器を配置する必要がなく、据付工期の短縮が図れると共
に、装着後の保守、点検も容品である。しかも、気化用
熱交換器を小形に構成することができ、安価な動力変換
装置が提供されるなど優れて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による地熱利用動力変換装置の一実施例
を示す構成図、第２図および第３図はそれぞれ異なる本
発明の他の実施例を示す構成図、第４図は従来の地熱利
用動力変換装置の一例を示す構成図である。 １１．３４・・・・・・・・・還元井 １３．２１・・・・・・・・・凝縮器 １４・・・・・・・・・下降管 １５・・・・・・・・・気化筒 １６．２３・・・・・・・・・気化用熱交換器１７．２
２・・・・・・・・・タービン２４．３５・・・・・・
・・・動力変換装置３１・・・・・・・・・気水分離器 ３２・・・・・・・・・フラッシャ− ３３・・・・・・・・・戻り管 出願人　日本重化学工業株式会社 ・・　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　須　山　佐　− 第１図　　　　　　　　　　第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 作動媒体が循環する閉じた経路内にその作動媒体を地熱
   流体を用いて気化せしめる気化用熱交換器、その気化し
   た作動媒体を膨脹させて動力を得るタービン、その膨脹
   した作動媒体を冷媒を用いて凝縮せしめる凝縮用熱交換
   器を順次設けてなる地熱利用動力変換装置において、前
   記気化用熱交換器、タービンおよび凝縮用熱交換器のう
   ち、少なくとも気化用熱交換器を地熱流体が地中に還元
   される還元井の内部に配置したことを特徴とする地熱利
   用動力変換装置。