JPS5847960A - 地熱流体生産方法およびその装置 - 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】 本発明は地中に堀設した生産井から地熱流体を生産する
地熱流体生産方法およびその装置に関するものである。

近年、原子力９石炭に続く石油代替エネルギとしての地
熱流体が、有数の地熱資源国である我が国においては貴
重な国産エネルギ源として重要な地位を占めり＼ある。

この地熱流体の生産方法は、地熱流体の存在する地すに
地熱生産井と呼ばれる深井戸管を埋設し、地熱流体を自
らの圧力で噴出させてこれを飽和蒸気と熱水とに分離し
たのち、このうちの蒸気を発電用等に利用するのが最も
一般的である。

ところが、この種の生産方法においては、生産井から自
噴する地熱流体が地懺へ達するまでに水−頭の減少によ
り熱水の一部が蒸発していき、この結果潜熱が奪わｔて
地熱流体の温度が低下する。

そこで、熱水の蒸発をできるだけ抑え、生産する地熱流
体の温度降下を低減避せるための方法が従来から種々提
案されている。

例えば、特開昭４８−５５３１６あるいは特開昭５４−
６７８３７においては、生産井深部の熱水卓越領域中に
深井戸ポンプを設け、熱水を加圧して強制的に汲み上げ
たり、あるいは、熱水中にエフを吹き込みそのエアリフ
ト効果で生産井内を加圧して汲み上げたりすることが提
案さｎている。

しかしながら、深井戸ポンプを設けるものにおいては、
と汎をきわめて深い生産井の深部に設置しなければなら
ｉいことが多く、その設置作業がきわめて困難である。

さらに、地熱江体の条件によってれ事実上不可能となる
場合も考えられる。

また、生産井内では比ＩＬｊ＋１がきわめて軽いという
点からもポンプが使用できない場合が多い。一方、エア
リフトの場合には、回収する蒸気に大量の空気が混入式
１これを分離することができないので、この蒸気で蒸気
タービン発電を行なうに際しては復水が困難になるとい
う欠点がある。

本発明は以上のような点に鑑みなされたもので、生産井
から自噴する地熱流体より気液分離器で分離した蒸気を
発電などに使用するとともに、この蒸気の一部を圧縮し
て生産井の中間部へ吹き込むように構成することにより
、蒸気による気泡ポンプ作用で熱水や上昇速度を速めて
地熱流体の生産揄を増大名せかつ加圧により蒸発を抑制
し温度降下を低減させて効率的な地熱エネルギの回収を
可能ならしめるとともに、生産井を二重管構造とし蒸気
の吹き込みで内・外管相互の間に比重差を発生させるこ
とにより、前記昇圧、流量増効果をさらに確実ならしめ
るように構成した地熱流体生産方法およびその装置を提
供するものである。

以Ｆ、本発明の実施例を図面に基いて許細に説明する。

第１図および第２図は本発明に係る地熱流体生産方法お
よびその装置の一実施例を示（７ｇ１図はそのフローシ
ート、第２図は生産井の拡大断面図である。図において
地熱流体貯留層を有する地中には、複数−の生産井１と
還元井２とが埋設されており、このうちの生産井１は、
下端開口部を地熱流体温度層に臨ませ一部を地上Ｋｍ呈
させて埋設されている。この生産井１は、通常１０００
ｍを越える長尺管状の外管３とこれよりも小径で、外管
よりも短い内管４とで二重に形成されていて、その上端
開口部は両管３，４に共通の蓋体で閉塵さｎてお９、こ
の蓋体には、坑口５が内管４Ｎに開口さｎている。また
、内管４は外管３の内部へ垂下されてその下端は外管３
と連通するように開口部れている。各生産井１の坑口５
には、パルプ・を備えた配管７が接続されており、これ
らの配管Ｔは合流石れて気液分離器としてのセパレータ
タンク−の地熱流体取入れｏ＠ＩｔＣ＊続さｎている。

一方、前記還元井２と７フッシャタンク８下端部の熱水
取出し口１０との間は、ポンプ１１とＩ（ルブ１２とを
備えた配管１３によって接続響れている。セパレータタ
ンク８は、生産井１の坑口ｓ＋ら自噴して配管Ｔ内を送
給されてき表地熱流体を蒸気１４と熱水１５とに分離す
る機能を有しており、分離された熱水ｔＳａ、ポンプ１
１により還元井２を経て地中へ還元されるように構成嘔
れている。

さらに、セパレータタンク８の蒸気取出し口１６は、配
管ＩＴによって蒸気回収装置、本ｌ！織例において紘発
電所の発電用蒸気タービン（図示せず）に接続されてお
り、セパレータタンク８で分離された蒸気１４０大部分
が蒸気タービンへ供給式れるように構成す扛ている。配
管１７７５＆らは、パルプ１８を備えた蒸気圧入管１９
が分岐されており、この蒸気圧入管１９は、下流側でさ
らに分岐されて各生産井１へ導かれ、熱水卓越領域であ
る内管４の下端開口部まで延設されている。そして、配
′管１７内を送給式れる蒸気１４の一部れ、パルプ１８
を開くことによって生産井１へ送給さｎるとともに、蒸
気圧入管１９の途中には、送給蒸気を断熱圧縮する蒸気
加圧装置としてのコンプレッサ２０が設けられており、
蒸気圧入管１９の蒸気吹き出し口２１から吹き出さｎる
蒸気の圧力を、この位置における地熱流体温度に対応す
る飽和蒸気圧以上の圧力に加圧するように構成されてい
る。

２２は、加圧蒸気の吹き出し量を各生産井１ごとに１１
１１節するパルプである。

以上のように構成された地熱流体生産装置による地熱流
体生産方法について説明する。各生産井１ごとのパルプ
６を開くと、地中の貯留層に蓄えられた地熱流体は、自
らの保有する圧力によって坑口５から自噴し、蒸気、熱
水の二相状態で配管１内を経てセパレータタンク８へ送
給でｎ飽和蒸気１４と熱水１５とに分離ざｎる。分Ｍぜ
れた蒸気１４０大部分は発電用の＃気タービンへ供給δ
れて発電が竹なわｎるとともに、分離された熱水１５は
、ポン１１１０回転とパルプ１２の開放により配管１３
を経て還元井２−＼送給さｆＬ、その下端開口部から地
中へ還元される。そして、蒸気タービンへ向う配管１１
からは蒸気圧入Ｖ１９が分岐ざｎているので、パルプ１
８．２２’ｔ−ｎくと、蒸気１４の一部ｔくコンブレラ
−ｖ２０で加圧されて生産井１へ送給延し、この加圧蒸
気祉、内管４＃ｉ部のＦ部熱水域へ、その位置での地熱
流体温度に対応する飽４０蒸気圧カ以上の圧力で拭き込
まれる。

これにより生友井１の外管３と内ｔ４との関ｖｃ見掛け
の比ｎｋが兄生し、熱水が内′ｅ３内を上昇して汲み上
けらする。この場合、蒸気吹き込み前の熱水卓越域の上
昇速度はきわめて遅いが、蒸気吹き込みにより見掛は比
重の減少がるり、とｎによって上昇速度が増速されるの
で、単位時間当りの地熱流体の流量を吹き込み蒸気の流
量以上に増すことができる。また、蒸気吹き込みにより
地熱流体に気泡ポンプ作用が加えられて外圧されるので
、蒸発が抑えらｎ１温度の高い状態で生産■れる。

そこで、生童場れる地熱流体の流量と仕事量および吹き
込み蒸気による昇−正量等の関係を、下記の仕様を有す
る生産井を例にと９第３図に着いて説明する。

生産井の仕様 締切圧力２０ａｔａ 地熱流体の流量 坑口圧力８ａｔａのとき 蒸気流量ｓｓｊ／ｈ、熱水流量１５５電／ｂ　。

合計２１０ｔ／ｈ こｆから地熱流体のエンタルピを計算すると、１　、２
９８．５９Ｋ”ｔ／ｋｌ　トナり、ｔ　＊比ｘ量ハ２０
ａｔｍのときに５２’／ｍ”、２５ａｔｍのときに７４
　’Ｑ／ｒａ　”、３０　ａｔｅのときに９６”ＩＦ／
ａｒ”となる。

（１）坑口下１３５０ｍに蒸気吹き出し口を設は蒸気の
吹き出しにより同じ流量の地熱流体を５　ａｔｍ昇圧し
て２５１１で取出す場合。

坑口下１３５０ｍでの圧力は３０ａｔａであり、こｎに
よって第３図に示すような計算モデルを想定することが
できる。第３図において図（ａ）／Ｉｉ件圧前、図（ｂ
）け昇圧後を示し、図中の記号は次の通りである、 ｒｌ　＝　　５２ｋＣ９／ｍ８・・・・２０ａｔｍ　の
比重量１ｍ　＝　””’　＝　７４に４／ｍ”１Ｍ＝　
　７４’ｌ／ｒｍ　　・・・・・・　２５ａｔｍの比重
量ｒｂ−μ土視−８５時、♂ 換算水― 換算水験 ｔｌｍ　＝　１３５０ｍ・・・・・・　蒸気吹き出し口
の深嘔ｒ・・・・・・所書見掛は比重量 （Ｈ＋ｈｘ）ｒ＝　（ｂｔ　＋ｈｍ）ｒｔ効率を０．６
５として上式からｒを計算するとｒ　ｘ　４５．９’＃
／ｍ婁　となる。

ζｒｒｔｃ対し、配管損失、凝縮を考慮して３１ａＩａ
、２５０℃の過熱蒸気を吹き込むと、その比容積マ＝　
００６９４６　”　／時、比重量は１４．３９６に９／
ｍ”であるからｒｈ＝８５ｋｆ／ｍ”　　の地熱流体と
１４．３９６　ｋＶａｍ”の過熱蒸気との混合体を４１
９−４−の見掛は比重にするには、過熱蒸気０．５５４
、地熱流体０．４４６の容積比が必要であり、　したが
って重量比祉次の通りである。

前記条件においては、地熱流体の流量は２１０ｔ／ｋ　
であるから、送給過熱蒸気の流量は、２１０ＸＯ，Ｌ！
１　ｔ／ｈ−４４，２Ｘ１０”＃／ｈ　と＊、６゜簡単
のため効率１００％のトータルツー−タービンにより動
力を堆り出丁場合２０ａｔａｂ　　２５ａｎからそれぞ
れ０．１ａｔａ［で等二ントロビ変化させるとして仕事
量を比較すると次の通りである。

２０ａｔａの飽和蒸気のエンタルピ差４１！）４．１＝
　　６２．７４　Ｋｅａ勺（計算省略）２５１１の飽和
蒸気のエンタルピ差Δ１８．や。、１＝　６１４８Ｋｃ
ａｖζ（計算省略） 過熱蒸気は循環して使用できると考えると、２５ａｔａ
を３１ａｔａに昇圧するのに必要なエンタルピ社、圧縮
機損失を考慮してΔ１ｃ＝１０Ｋｅａｔ／Ｉ＃である。

したがって仕事量は ２０ａｔａから仕事場せる場合 Ａ＝　２１１Ｘ１０”Ｘ６２．７４＝１３．２３８．１
４０Ｋｃａｔ４３０ａｔａから仕事させる場合 Ｂ＝２１１Ｘ１ｏＦＸ６５．４８−４４．２Ｘ１０＝　
１３．３７４．２８０　Ｋｅａｊ／ｈ脣＝　１．０１ すなわち、５　ａｌｔ外圧することによって１９１の利
得となり、補給蒸気の圧縮動力は問題とならない。実際
は外圧による生産地熱流体の温度上昇（２０ａｔｍ／　
２１０℃−’　３０ｍ１ｍ／　２ａａ℃）による熱効率
の上昇が有効である。

（２）杭０下Ｚｏｏｍに蒸気吹込み口を設け、熱水を昇
圧せずに流ｉを３００’／ｋに増大する場合。

坑口下１００ｍでの圧力は２０．５ａｔａであり’　　
　　ｒ１’Ｉ　ｒｔ＝　５２脅／ｍｓ・・・・・・２０
１ａの比重量Ｈ−３８６θｍとなり、所要見掛は比重ｎ
ｕ効率を０．６５として計算すると、３４，１呻／ｍ″
　となる０こｎに２１ａｔｍ、２５０℃の過熱蒸気を吹
ｔｋ　込ｔｒ　ト、’Ｃノ比容１ａ　ｍ”　ｖ＝　ｏ、
ｉ　１４ｎ１”ｋｌ、比重Ｊｉ８．７８＆ｃｆ／ｍ”　
であることにより、　５ｆｉ／ｒａ８の比重量を有する
地熱流体と、８．７７９６ｋＶｍ８の比重量を有する過
熱蒸気との二相体を３４１に柘−の見糾は比重量にする
ために必要な過熱蒸気の量は次式を解くことによって得
らｎる。

３４、Ｉ　Ｑ　（ｘ＋１　）＝５２ｘ＋　ｆＬ７８ｙ、
　　ｘ＋ｙ＝１コｎ２）ｌうｘ　、　ｙ　ｉｒ求１６ル
ト、１Ｋ＝０．５８５８　。

７＝０．４１４２　となる。したがって重量比は、過熱
蒸気　０．４１４２Ｘ８．７８＝　３．６−地熱流体　
０．５８５８Ｘ５２　＝　３０．５ｋｆすなわち、３０
．５ｋｆの地熱流体を汲み上げるためには、３．６に４
の過熱蒸気が必要となり、この結果、過熱蒸気の所要流
量は次の通りになる。

前記同様に、圧縮に必要な仕事量を２　Ｋａａ物とする
と、３９ａｔａから仕事させる場合の仕事量は前ｌｌ１
ｌと商計算により次の通りである。

Ｂｓ　＝　３００Ｘ１０”　Ｘ　６２．７４−３５４　
Ｑ　１０’ｘ２＝１８．７５１．２００　Ｋｃ　ａｖｉ
ｌしたがって！！　＝　１．４２となり４２％の利得が
得られる。

上記（１）　、　（２）珈を比較丁ｎば明ら〃為なよう
に、本発明を実権する際にはできる限り流ｋを増大させ
ることが設備費等の点から、より有利であると言える。

ｔた、コンプレッサ２０の動力が、地熱流体の流量増加
による仕事量増加分のわずかな部分であることが理解で
きる。

第４図は本発明の他の実施例を第１図に対応して示すフ
ローシートであって、本実噛例において杜、セパレータ
タンク８の熱水取出し口１０から還元井２へ向う配管１
３内に熱交換器２３が設けられており、この熱交換器２
３には低沸点作動媒体ランキンサイクル発電設備２４が
接続石れている。こうすることにより、坑井内での熱水
の蒸発を抑制し、発電はセパレータタンク葛から取り出
てれた高温高圧の熱水によって行なわれる。なお、汲み
上げＥｌする以上の過剰蒸気は配管２５により熱交換器
２３に導かれ、熱エネルギをランキンサイクル＠電設備
２４へ熱交換する。

また、前記各実施例においては、生産井１を外ｖ３と内
％’４との二重構造とした例を示したが、必らすしも二
重４１１造とする必要れない。丁なわち、第５図は、生
産井ＩＡを外管のみの一重構造とした例を示し、生産井
ＩＡの坑口がフラッシャタンク８と接続さむ、セパレー
タタンク８の蒸気取出し口１６と生産井１Ａ　との間が
、コンプレッサ２０を備えた蒸気圧入管１９によつ゛Ｃ
接続されていることは前記名実雄側と同じである。また
、セパレータタンク８が配管１７．１３によって蒸気回
収装置と還元井とｋそｒｔ−ｔ’ｒｔ接続ざｎているこ
とも前記各実施例と同じである。これ祉、図に矢印ムで
示す地下水＆罠の水頭圧が地熱流体貯留１１２６の圧力
に大きく寄与している場合に適用し得るものであ゛つて
、生産井１人内へ蒸気を吹き込むだけである程度の昇圧
効果が得ら扛る。しかし、このような場合にも生産井を
前Ｉｌｅ実廁例のように夕（管。

内管の二重構造と丁ｎば、昇圧、流量増の効果をより確
実にすることができる。

以上の説明により明らかなように、本発明によれば、生
産井に気液分離器と蒸気圧入管とを付設して生産井から
自噴する地熱波体から気液分離器で分離した熱エネルギ
を回収使用し、このうちの蒸気の一部を圧縮して生産井
へ吹き込むように構成することにより、蒸気による気泡
ポング作用で熱水の上昇速度が速められ、地熱流体の生
産蓋が増大するとともに、加圧作用で熱水の蒸発が抑え
られるので、温度降下が低減でれて地熱エネルギをきわ
めて効率的に回収することができる。また、生産井を外
管と内管との二重構造として内、外管相互の間に比重差
を発生きせるように構成することにより、地熱流体の昇
圧、流量増効果をさらに確実にすることができる。また
、従来の生産井に対して蒸気圧縮機と蒸気圧入管とを付
設するのみでおるから、深井戸ポンプを設けるものなど
と比較して構造がきわめて簡給で設置作業が容易である
とともに、優頼性と保守性において優れている。

さらに、地熱流体の生産瀘が増加することにより、生産
井の掘削数が少なくて済み、設備費を大幅に節減するこ
とができる。また、トータルフロータ−ビン、バイナリ
方式等による地熱発電においては、より高温の地熱流体
が得られるので、熱効率が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

ｌｌ５１図ないし第５図は本発明に係る地熱流体生首方
法およびその装置を示し、第１図はその）ａ−シート、
第２図社生産井の拡大断面図、第３図は昇圧前と昇圧後
の生産井内における流体の比重量換算水頭等の説明図、
第４図および第５図はそれぞｎ本発明の硯の実施例のフ
ローシートである。 １・・・・生産井、３・・・・外管、４・・・・内管、
５・・・・坑口、８・・・・気液分離器、１０・・・・
熱水取出し口、１４・・・・蒸気、１ｓＬ−、・熱水、
１６・・・・蒸気取出し口、１９・・・・蒸気圧入管、
２０・・・・コンプレッサ、２１・・・・蒸気吹き出し
口、２６・・・・地熱流体貯留１−０− 付奸出願人　三井造船株式会社 代理人　山川政樹（ほか１名）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）生産井の坑口から生産てれる地熱流体よりその一
   部を蒸気として分離し、これを圧縮して吹き込み位置に
   おける地熱流体圧力圧以上の圧力で前記生産井へ吹き込
   むことにより、生産井内の地熱流体の昇圧ないしは地熱
   流体生産量の増加を朽なうことを特徴とする地熱流体生
   産方法。
2. （２）地熱流体貯留層へ下端開口部を臨ませて地中に埋
   設逼れた生産井と、この生産井に接続される気液分離器
   と、この気液分離器と前記生産井とを接続し蒸気の一部
   を生産井内へ吹き込む蒸気圧入管と、この蒸気圧入管途
   中に配設嘔れた蒸気加圧装置とを備えたことを％黴とす
   る地熱流体生産装置。
3. （３）生産井を外管と内管との二重構造とし、蒸気圧入
   管の吹き込み口を前記内管内に臨ませて開口したことを
   特徴とする特許ｔ＃求の範囲第２項紀載の地熱流体生産
   装置。