WO2010038479A1

WO2010038479A1 - 蒸気性状自動測定装置及び地熱発電装置

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Publication number: WO2010038479A1
Application number: PCT/JP2009/005112
Authority: WO
Inventors: 明翫市郎; 菱靖之; 青木利明
Original assignee: 富士電機システムズ株式会社; 地熱エンジニアリング株式会社; 日機装株式会社
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2010-04-08
Also published as: JPWO2010038479A1; EP2918830A2; NZ611380A; EP2918830A3; EP2333331A4; US9234507B2; JP5487112B2; EP2333331B1; EP2333331A1; NZ591875A; EP2918830B1; US20110239649A1

Abstract

　地熱発電用として地中から取り出された蒸気の性状を、蒸気に多く含まれる硫化水素、炭酸ガス等の妨害成分の影響を受けずに自動測定することにより、理想的には経時的に蒸気の性状を自動測定することにより、発電タービンや復水器の状況を経時的に把握し、地熱発電設備の操業を円滑に行うことができるように支援する蒸気性状自動測定装置及び地熱発電装置を提供することを課題とするこの発明は、地中から取り出された蒸気を冷却して得られた凝結液に含まれるシリカの濃度を自動測定するシリカ濃度測定器と、前記凝結液の電気伝導率を自動測定する電気伝導率測定器と、前記凝結液のｐＨ値を自動測定するｐＨ計と、前記シリカ濃度測定器、電気伝導率測定器及びｐＨ計それぞれで測定されたデータを自動送信するデータ処理送信機とを備えて成ることを特徴とする蒸気性状自動測定装置及び之を備えた地熱発電装置である。

Description

蒸気性状自動測定装置及び地熱発電装置

　この発明は蒸気性状自動測定装置及び地熱発電装置に関し、更に詳しくは、地熱発電のために生産井から取り出される蒸気の性状を、地中から取り出した蒸気に多く含まれる硫化水素、炭酸ガス等の妨害成分の影響を受けずに自動測定することができ、自動測定された蒸気性状に関する測定値に基づいて地熱発電所の運転を支援することのできる蒸気性状自動測定装置、及び地熱発電を円滑に行うことのできる地熱発電装置に関する。

　発電装置には、火力発電装置、水力発電装置、原子力発電装置のほかに、地熱発電装置がある。

　非特許文献１に記載されているように、地熱発電の仕組みは次のようである。深さ数ｋｍの比較的に浅いところに１０００℃前後のマグマ溜まりがある。この熱が地中に浸透した天水等を加熱することにより地熱貯留層が地中に自然に形成されている。この地熱貯留層に一本又は複数本といった必要な数の生産井用パイプが打ち込まれ、この生産井用パイプには気液二相流体輸送管が結合される。これら生産井及び気液二相流体輸送管を通じて、気液二相流体が汽水分離器に導入される。その汽水分離器では、気液二相流体が蒸気と熱水とに分離される。分離された蒸気は、蒸気管を通じて発電タービンに導入される。発電タービンに導入された蒸気により発電タービンが回転し、この発電タービンの回転力により発電機における回転子が回転することにより、発電機から電力が取り出される。一方、汽水分離器における熱水は、還元熱水管を通じて還元井に送られ、還元井を通じて地中深くに戻される。

　通常、地熱発電所は地熱貯留層の形成される地域に建設される。そのような地域は国立公園や温泉地域と称されるところであるから、発電所を操業するに十分な人員を確保し、しかも発電所の操業に必要な施設及び設備を設けるのに適した地所を確保することが困難である。

　地熱発電所は電気出力が数万ＫＷと、火力発電所の数十万から百万ＫＷの電気出力に比べると小規模であるため、経済効率上、山間僻地に建設された地熱発電所は、限られた人員で運転されるのが常である。

　このように少ない人員により運転される地熱発電所では、蒸気の性状管理を地熱発電所内で時々刻々と行うことが困難である。現状における蒸気の性状管理は、例えば月に一回程度の頻度で行われる手分析に依存している。具体的には、生産井から取り出した蒸気を冷却することにより得られる凝結液からサンプルとして試料水を採取し、その試料水を地熱発電所から遠く離れた分析センターに送って、そこで手分析が行われている。手分析の結果が得られるのに時間を要するため、その手分析結果により蒸気性状の悪化を認識した時点では、既に発電タービン等の発電設備に障害が発生し、地熱発電所における操業に致命的な影響が及んでいたという場合がある。

　発電タービンに発生するトラブルとしては、発電タービンの翼にしばしば固形物が固着すること、又は塩素イオンによって発電タービンの翼表面が腐食割れを発生すること、この腐食割れにより発電タービンの回転異常が発生すること等が挙げられる。また、地熱発電所の操業におけるトラブルとしては、蒸気中の非凝縮性ガス量の予期せぬ変化により、発電タービンで仕事をした蒸気が送り込まれる復水器内の真空度が変化することが挙げられる。一般に復水器内に送り込まれた蒸気は冷却により急速に凝結液となるので復水器内は高度の減圧状態になる。復水器内における高度の減圧状態は発電タービン翼の回転数を増大させる。なお、復水器内を高度の減圧状態にすることを、地熱発電装置の技術分野においては、「高真空にする」と表現している。復水器内に導入される蒸気の中に非凝縮性ガスが含まれていると、復水器内が高真空状態にならず、発電タービンの回転数が低下することになる。したがって、復水器内に送り込まれる蒸気中に非凝縮性ガスが含まれていることは、発電タービンによる発電効率の低下をもたらす。

　発電タービンにおける翼の回転が不規則になること、発電タービンが回転不能になることなどの発電タービントラブルが発生した場合に、その翼表面をこの発明者らが観察したところ、翼表面に固形物が固着していることが観察された。また、翼表面における割れの有無を検査するために翼表面を観察したところ、塩素イオンに起因する応力腐食割れも観察された。

　地熱発電のために生産井から汲み上げられた気液二相流体から分離された蒸気には、様々な鉱物成分が含有されている。このような蒸気が発電タービンの翼に噴射されると固形物が翼表面に固着し、固着量が増加することによって、上記した故障が発生するものと考えられる。また、発電タービンで仕事をした蒸気が送り込まれる復水器において、蒸気中の非凝縮性ガス量の変化による復水器の真空度の低下は、発電タービンの発電効率低下を招き、発電効率に大きな影響を与える。

　したがって、少数の運転員により運転され、制御される地熱発電装置において、発電タービン及び復水器に送り込まれる蒸気の性状についての分析を継続的に自動で行うことができ、しかも地熱発電装置から遠く離れた場所にて蒸気の性状を認識することができるような、地熱発電用蒸気の性状を分析するための自動測定装置及びそのような成分測定装置を備えた地熱発電装置が要望されている。

「火力原子力発電」（社）火力原子力発電技術協会　２００４年１０月号、第７頁及び第１０～１４頁

　この発明者らの検討によると、地熱発電用として生産井から取り出された蒸気により発電タービンを回転させたときの、発電タービンの翼に固着する固形物（スケールとも称される）は、主にシリカから形成されていることを見出した。この発明は、この発明者らの知見に基づく。

　現在までに、スケールの原因物質であるシリカをモニタリングする分析装置としてシリカ計、タービンの回転翼表面を腐食させる塩素イオン濃度を測定する装置としてイオンクロマトグラフが知られている。しかし、地熱発電用に地中から取り出された蒸気には硫化水素が含まれている。したがって、従来の通常のシリカ計で、地中から取り出された蒸気中に含まれるシリカの量を、測定しようとすると、その測定値は硫化水素の量を含んでいるのでシリカの量を測定したことにはならない。

　測定対象溶液が塩素イオンとカウンターカチオンとだけが含まれている単純な溶液であれば、その測定対象溶液からカウンターカチオンを除去することにより、カチオン除去後の測定対象溶液の電気伝導率から、その測定対象溶液中に含まれる塩素イオンの濃度を求めることができる。この場合、電気伝導率と塩素イオンの濃度との検量線が、予め用意されている。
　ところが、地中から取り出された蒸気には、炭酸ガスが多く含まれている。したがって、地中から取り出された蒸気を凝結させて得られる凝結液の電気伝導率を測定すると、前記溶存している炭酸ガスに由来する炭酸イオンと塩素イオンとその他のアニオンとに基づく電気伝導率を測定していることになり、塩素イオンと電気伝導率との相関がなくなるので、電気伝導率から塩素イオン濃度を測定することができるとは言えない。

　この発明の課題は、地熱発電用として地中から取り出された蒸気の性状を経時的に自動測定することにより、発電タービンの状況及び／又は復水器の状況を経時的に把握し、地熱発電の操業を円滑に行うことができるように地熱発電操業を支援する蒸気性状自動測定装置を提供することにあり、また、この蒸気性状自動測定装置を備えることにより、地熱発電を適正かつ円滑に行うことのできる地熱発電装置を提供することにある。

　前記課題を解決するための手段は、
（１）　地中から取り出された蒸気を冷却して得られた凝結液に含まれるシリカの濃度を自動測定するシリカ濃度測定器と、前記凝結液の電気伝導率を自動測定する電気伝導率測定器と、前記凝結液のｐＨ値を自動測定するｐＨ計と、前記シリカ濃度測定器、電気伝導率測定器及びｐＨ計それぞれで測定されたデータを自動送信するデータ処理送信機とを備えて成ることを特徴とする蒸気性状自動測定装置であり、
（２）　前記蒸気の冷却により分離した非凝縮性ガス、及び前記凝結液から分離された非凝縮性ガスの合計流量を連続的に自動測定する非凝縮性ガス量自動計測器を有する前記（１）に記載の蒸気性状自動測定装置であり、
（３）　前記非凝縮性ガス量自動計測器は、前記蒸気を冷却することにより凝結した凝結液の流量と、前記蒸気の冷却により分離した非凝縮性ガス、及び前記凝結液から分離された非凝縮性ガスの合計流量とから、発電タービンに供給される前記蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの量を自動測定するように形成されて成る前記（１）に記載の蒸気性状自動測定装置であり、
（４）　前記データ処理送信機は、前記非凝縮性ガス量自動計測器で測定されたデータを自動送信する機能を備えて成る前記（２）又は（３）に記載の蒸気性状自動測定装置であり、
（５）　前記電気伝導率測定器に供される凝結液中に存在する妨害成分を除去する妨害成分除去装置を有する前記（１）～（４）のいずれか一項に記載の蒸気性状自動測定装置であり、
（６）　地中から取り出された蒸気の冷却により分離した非凝縮性ガス、及び前記蒸気を冷却して得られた凝結液から分離された非凝縮性ガスの合計流量を連続的に自動測定する非凝縮性ガス量自動計測器を有することを特徴とする蒸気性状自動測定装置であり、
（７）　前記非凝縮性ガス量自動計測器は、前記蒸気を冷却することにより凝結した凝結液の流量と、前記蒸気の冷却により分離した非凝縮性ガス、及び前記凝結液から分離された非凝縮性ガスの合計流量とから、発電タービンに供給される前記蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの量を連続的に自動測定するように形成されて成る（６）に記載の蒸気性状自動測定装置であり、
（８）　前記非凝縮性ガス量自動計測器で自動測定された非凝縮性ガス量に対応するデータを自動送信するデータ処理送信機を有する前記（６）又は（７）に記載の蒸気性状自動測定装置であり、
（９）　前記（１）～（８）のいずれか一項に記載の蒸気性状自動測定装置を備えて成る地熱発電装置である。

　発電タービンの円滑な回転を阻害する要因としては、シリカが発電タービンの翼に固着し、これによって発電タービンへの蒸気噴射口における内外の圧力差が大きくなること、発電タービンの翼の腐食、割れ等が発生することによる発電タービン回転の変化、及び非凝縮ガスによる復水器の真空度の低下等が挙げられる。

　発電タービンの翼に固着するスケールを形成する主成分は非晶質シリカ及び岩塩等の鉱物成分である。これらスケール原因物質が蒸気に含まれているときはイオン状態であるため、汽水分離器ではこれらの成分を分離・除去することができない。また、汽水分離器が正常に機能していないときや、正常に機能していても蒸気中に含まれる液滴の一部が液滴の状態のまま汽水分離器を通過してしまうことがあり、そうすると前記スケール原因物質を含有する蒸気が発電タービンに導入される。発電タービンの翼表面の腐食及び割れ等の原因には、同じく蒸気中にイオン状態で存在する強酸成分による化学的腐食と、応力腐食とがある。発電タービンの翼における化学的腐食は、蒸気中の強酸成分量を監視することにより防止乃至予防をすることができる。また、発電タービンの翼における応力腐食は、蒸気中に存在する陰イオン濃度、特に塩素イオン濃度とｐＨ値とに関係することが知られており、塩素イオン濃度とｐＨ値とを監視することにより、防止乃至予防をすることができる。

　したがって、蒸気を冷却して得られた凝結液の中に存在するシリカの濃度、陰イオンの濃度、ｐＨ値を測定することにより、発電タービンに噴射される蒸気の性状を知ることができ、これらの測定値に基づいて地熱発電の運転条件を調整することができる。

　つまり、前記凝結液の中に存在するシリカの濃度を測定することにより、発電タービンの翼に固着するスケールの量を予測することができる。また、イオン交換樹脂等により陽イオン及び炭酸を除去した後の前記凝結液の電気伝導率を測定することにより、蒸気中の陰イオン量を測定することができる。さらに、蒸気中には塩化ナトリウム等の無機塩が含まれているので、蒸気中の陰イオン量からは塩化ナトリウム等を初めとする無機塩の量を推定することができ、前記凝結液のｐＨ値を経時的に測定することにより、蒸気中に存在する強酸の量の変動を監視することができる。

　発電タービンの回転効率は、発電タービンに噴射される蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの量により左右される。

　発電タービンに噴射されて発電タービンを回転させた蒸気は復水器に送られて凝結液に凝結し、蒸気中に含まれていた非凝縮性ガスはそのまま気体となって復水器中に残留する。残留した非凝縮性ガスの量に応じて復水器の真空度が低下することで、発電タービンに向けられた蒸気噴射口における内外の差圧に影響を与え、結果的に発電タービンの回転動力が変化し、発電効率に影響を与える。

　したがって、蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの量を測定することは、発電効率の向上に資する。

　この発明によると、シリカ濃度測定器で発電タービンに供給される蒸気を凝結させて得られた凝結液に含まれるシリカの濃度を自動測定し、電気伝導率測定器で前記凝結液の電気伝導率を自動測定し、ｐＨ計で前記凝結液のｐＨ値を自動測定するので、蒸気の性状を経時的に把握することができ、これらシリカの濃度、電気伝導率及びｐＨ計により発電タービンへの蒸気による影響を推測することができ、その推測の下に地熱発電操業を支援することができる蒸気性状自動測定装置を提供することができる。

　また、この発明によると、蒸気中の非凝縮性ガスの量を経時的に自動測定することにより、復水器における設定条件の変更を行って発電効率を向上させることのできる蒸気性状自動測定装置を提供することができる。

　この発明に係る蒸気性状自動測定装置を地熱発電所に設置する一方、都市部あるいは工業地帯等の、人材の確保が容易で施設建設が容易な地域に、発電所管制センター、発電所制御室、発電所本部等の名称の下でデータを受信するとともにそのデータを解析、分析して発電所を制御する指令を出力するデータ受信施設を設けておくと、データ受信施設で、前記シリカの濃度、電気伝導率、及びｐＨ値、さらに非凝縮性ガスの量を自動受信することができる。このデータ受信施設を設けておくことにより、地熱発電所で前記データを収集する必要がなくなる。地熱発電所に出向くことなく経時的に前記データを収集することにより蒸気の性状を分析することができる。
　なお、電気伝導率測定器から出力されるデータに基づいて陰イオン濃度を算出する演算手段は、地熱発電所及び前記データ受信施設のいずれに設置されていてもよい。
　前記シリカの濃度、電気伝導率、及びｐＨ値、さらに非凝縮性ガスの量を経時的に自動測定することにより実現することのできる地熱発電操業の支援として、
　(1)汽水分離器（熱水セパレータ）への蒸気の供給量の制御、
　(2)汽水分離器に供給する水の量を変更することによる汽水分離効率の制御、
　(3)機器や配管内面にシリカが固着するのを防止するため、汽水分離した熱水へ添加する酸の量の制御、
　(4)復水器内の真空状態を発生させる復水器真空発生装置の運転状況の制御、
　(5)発電タービンのバイパス運転、
　(6)気液二相流体を取り出す生産井の数の変更、
　(7)生産井から取り出す気液二相流体の採取量の制御
等を挙げることができる。

　地熱発電所における操業条件を上記のように変更することにより、発電タービンの回転翼へのスケールの蓄積を防止し、発電タービンの回転翼の腐食及び割れを予防し、復水器における真空度を向上させて発電タービンの回転効率を向上させることができる。

図１はこの発明の一実施例を示す説明図である。図２はこの発明の一実施例を示す説明図である。

　先ず、地熱発電システムについて、一般的説明をする。

　地熱発電所は、生産井と、生産井から取り出された気液二相流体を熱水と蒸気とに分離する汽水分離器、この汽水分離器により分離された蒸気が噴射されることにより回転する発電タービン、この発電タービンの回転軸の回転により回転子を回転させ、回転子の回転により発電を行う発電機と、発電タービンの回転の仕事を最大とするために蒸気を水にすることでタービン出口をできるだけ高度の減圧状態、特にほぼ真空の状態にする復水器とを有する。

　生産井は、通常の場合、地表面から約数百メートル例えば３００ｍ～数千メートル例えば３０００ｍの深さに達する地熱貯留層から高温高圧の熱水又は蒸気を取り出す井戸である。この生産井からは地熱貯留層から熱水又は蒸気のいずれかだけが取り出される場合があり、また、蒸気と熱水の混合した流体である気液二相流体が取り出される場合もある。なお、気液二相流体が取り出される生産井は、蒸気井とも称されることがある。

　生産井から取り出された気液二相流体は、汽水分離器にて、蒸気と熱水とに分離される。また、地熱発電における異なる方式では、生産井から取り出されるものが熱水である場合には、生産井を通じて取り出される熱水を汽水分離器にて、例えば熱水の圧力を低下させることにより蒸気と熱水とに分離される。蒸気は発電タービンを回転させるために使用され、また、熱水は還元井を通じて地中に戻される。

　地熱発電所における地熱発電システムの中には、シングルフラッシュサイクルとダブルフラッシュサイクルとを含む熱水卓越型フラッシュサイクルと過熱蒸気型フラッシュサイクルとがある。

　シングルフラッシュサイクルを採用する地熱発電システムでは、汽水分離器で分離された蒸気を発電タービンの翼に噴射する。

　ダブルフラッシュサイクルを採用する地熱発電システムでは、汽水分離器が一次汽水分離器と二次汽水分離器とで形成される。この一次汽水分離器は高圧セパレータとも称され、二次汽水分離器は低圧セパレータとも称される。

　生産井から供給される高温高圧の熱水と蒸気とが、又は気液二相流体が一次汽水分離器に供給され、その一次汽水分離器で分離された高温高圧の蒸気（一次蒸気）は、スクラバーを通過して、又はスクラバーを通過せずに発電タービンの翼に向けて供給され、発電タービンの翼に噴射される。一次汽水分離器で分離された熱水は二次汽水分離器に送られる。

　一次汽水分離器から二次汽水分離器に配管を通じて送られる熱水には、必要に応じて酸、例えば硫酸が添加される。二次汽水分離器に移送される熱水に酸を添加する理由は、シリカの重合速度を遅くすることで還元井へ戻す以前に機器や配管内面にシリカが付着するのを防止することにある。二次汽水分離器では、圧力の低下によりさらに水と高温蒸気（二次蒸気）とに分離される。分離された水は、還元井に送り戻される。分離された二次蒸気は、必要に応じてデミスターを経由して発電タービンの翼に供給され、発電タービンの翼に噴射される。

　一次汽水分離器で分離された一次蒸気の発電タービンの翼に対する噴射位置は高圧タービンと呼ばれる部分であり、低圧タービンと呼ばれる二次汽水分離器で分離された二次蒸気の発電タービンの翼に対する噴射位置とは相違する。

　一次蒸気及び二次蒸気の噴射により発電タービンが回転することによって、発電機の回転子が固定子の中で回転することにより、電磁誘導が生じて発電が行われる。

　一方、発電タービンに供給されて発電タービンの回転という仕事をした蒸気は復水器に送られる。復水器では高温蒸気が冷却により凝結して水に戻される。復水器で高温蒸気が水に凝結すると復水器内が高度に減圧状態となり、タービン出口の圧力をタービンの入口の圧力よりも小さくする。復水器で生成した水は、例えば冷水塔に戻され、蒸気を冷却するのに再利用される。復水器内では、高温蒸気を水に戻すと蒸気中に含まれている非凝縮性ガスが気化する。復水器内で気化した非凝縮性ガスはエジェクターにより、復水器内から排出される。

　このエジェクターは、前記一次汽水分離器で分離された高温蒸気の一部をエジェクター内の隘路に導入し、その隘路から噴出する高速流体により前記復水器内の気体を前記復水器内から吸引する。

　前記エジェクターから排出される高温蒸気及び復水器内に存在した気体は、気液分離装置にて気液分離される。気液分離装置にて分離された水は前記復水器に戻され、あるいは冷水塔に戻される。気液分離装置にて分離されたガスは、例えば大気中に放出される。

　例えばこのような仕組みを有する地熱発電システムに、この発明の蒸気性状自動測定装置が組み込まれる。

　図１に、この発明の一例である蒸気性状自動測定装置を示してこの発明を説明する。

　図１に示されるように、この蒸気性状自動測定装置１が組み込まれる地熱発電装置２は発電機（図示せず。）と、この発電機の回転子の軸と結合された回転軸（図示せず。）及びこの回転軸に装着される複数の動翼及び静翼（図示せず。）を備えた発電タービン３と、１本又は複数本の生産井（図示せず。）から汲み出された気液二相流体を受け入れて熱水と高温蒸気とに分離する汽水分離器５と、発電タービン３の回転翼に噴射して仕事をした蒸気を水に変換する復水器４とを有する。

　前記生産井と汽水分離器５とは配管６で結合されており、配管６を通じて汽水分離器５に高温の気液二相流体が供給される。配管６における汽水分離器５の直前には、水スプレー装置７が介装される。この水スプレー装置７によって、配管６中に水を供給することにより、汽水分離器５における熱水と高温蒸気との分離効率が変更される。

　汽水分離器５と蒸気供給ノズル（図示せず。）とが、配管８とで結合されている。この配管８によって、汽水分離器５で分離された高温蒸気が、蒸気供給ノズルに供給され、蒸気供給ノズルから発電タービンの翼に噴射される。配管８の蒸気供給ノズルの直前に、第２スプレー装置９が配設される。この第２スプレー装置９を通じて蒸気供給ノズルから水を発電タービン３に供給することにより、発電タービンの翼に形成されるスケール等を除去することができ、また、蒸気に含まれる液滴粒子を成長させることでシリカを液滴に吸着し、前記翼に固着し難くさせることもできる。但し、水の供給は蒸気を冷却するので発電効率の低下を招くため、必要最小限に留めるのが好ましい。

　発電タービン３には、発電タービンの翼に蒸気が噴射されるように、蒸気供給ノズル（図示せず。）が配置されている。

　発電タービン３の回転軸と発電機の回転軸とは同軸に結合され、又は動力伝達手段を介して結合され、発電タービン３が回転すると発電機の回転子もまた回転し、回転子の回転により固定子におけるコイルに電流が発生するようになっている。

　前記汽水分離器５から前記蒸気ノズルに到る配管８は、第２スプレー装置９の上流側に分岐管１０を備える。この分岐管１０の途中には、開閉弁１１が設けられている。この分岐管１０は、冷却器１２に結合される。

　冷却器１２は、サンプルクーラとも称されている。冷却器１２は、分岐管１０を通じて導出された蒸気を冷却する。蒸気は冷却されて液化した凝結液と液化されずにガスとなっている非凝縮性ガスとの混合物となる。凝結液には気化しなかった非凝縮性ガスが一部溶存している。

　冷却器１２には、配管１３が結合される。この配管１３は、冷却器１２により冷却されることにより得られる凝結液及び非凝縮性ガスから成る混合物を、蒸気性状自動測定装置１に移送する。

　この地熱発電装置２に装備される蒸気性状自動測定装置１は、カチオン除去装置１４と、脱気処理装置１５と、シリカ濃度測定器１６と、冷却器１７と、脱気装置１８と、電気伝導率測定器１９と、ｐＨ計２０と、非凝縮性ガス量自動計測器２１とを備える。

　前記カチオン除去装置１４と、脱気処理装置１５と、シリカ濃度測定器１６と、冷却器１７と、脱気装置１８と、電気伝導率測定器１９と、ｐＨ計２０とを合わせて化学組成測定系統と称され、前記非凝縮性ガス量自動計測器２１を含む一連の測定系を非凝縮性ガス測定系統と称されることがある。

　図１に示される蒸気性状自動測定装置１においては、冷却器１２により冷却されて生成した混合物を移送する配管１３にバイパスとしてカチオン除去装置１４が取り付けられている。このカチオン除去装置１４は、通常、陰イオン交換樹脂を充填した充填塔又は充填筒である。このカチオン除去装置１４に試料水を通じると、混合物における凝結液中に溶存する陽イオンが除去されるため、カチオン除去装置１４で処理する以前の凝結液中に重炭酸化合物として存在した炭酸が重炭酸イオンへ変化し、さらに溶存炭酸ガスへと変化する。さらに、脱気処理装置１５において脱気処理を加え、さらに脱気装置１８で容易に液中の溶存炭酸ガスが除去され、結果的に凝結液の電気伝導率を測定するときに妨害成分となる炭酸が除去されることになる。したがって、このカチオン除去装置１４及び脱気処理装置１５は、この発明における妨害成分除去装置の一例である。

　脱気処理装置１５は、配管１３を通じて移送され、カチオン除去装置１４を通過し、又は場合によりカチオン除去装置１４を通過しないままに移送された混合物を受け入れ、その後、凝結液を所定温度に加熱し、窒素ガスを吹き込み、バブリングすることで凝結液中に溶存する炭酸ガス及び硫化水素ガスを除去する。
　したがって、この脱気処理装置１５は、試料水貯留槽３６と、この試料水貯留槽３６内に貯留されている凝結液を加熱する加熱ヒータ２２と、この試料水貯留槽３６内に貯留されている凝結液に窒素ガスを吹き込む窒素ガス導入管２３とを備えている。なお、この脱気処理装置１５はさらに、脱気ガスを排出するベント管２４と、試料水貯留槽３６内に貯留される凝結液が一定量以上になるとオーバーフローして脱気処理装置１５の外に排出する排出管２５と、脱気処理後の凝結液を移送する配管２６とを有する。

　配管２６は３系統の配管に分岐され、分岐した第1の配管は冷却器１７に接続され、冷却器１７はシリカ濃度測定器１６に接続される。

　シリカ濃度測定器１６は、凝結液中に溶解しているシリカの濃度を測定することができる限り、特に測定方法及び機種に制限がなく、例えば、モリブデン青吸光光度法によるシリカ計を挙げることができる。シリカ計としては、例えば日機装(株)から市販されている７１８０型シリカ計を挙げることができる。このシリカ計はＪＩＳ　Ｋ０１０１に基づくモリブデン青吸光光度法を採用した測定器であり、最短５分でシリカ濃度を測定することができる。

　図２に示されるように、シリカ濃度測定器１６で測定されたシリカ濃度は、電気信号として、データ処理送信機２８Ａに出力される。

　シリカ濃度測定器１６を通過した凝結液は、配管２７を通じてドレンに排出される。

　配管２６が３系統の配管に分岐された第２の配管は、脱気装置１８に接続され、脱気装置１８で脱気された凝結液は電気伝導率測定器１９に導入される。
　脱気装置１８は、例えば大きな表面積を有する中空糸膜を介して凝結液を、炭酸ガスを含まない気体に接触させ、炭酸ガスの濃度差により凝結液から溶存炭酸ガスを除去する装置である。

　電気伝導率測定器１９としては、凝結液の電気伝導率を測定することができる限り、特に測定方法や機種の制限がなく、市販の電気伝導率計を適宜に採用することができる。

　図２に示されるように、電気伝導率測定器１９で測定された電気伝導率は、電気信号として、データ処理送信機２８Ａに出力される。

　電気伝導率測定器１９を通過した凝結液は、配管２７を通じてドレンに排出される。

　配管２６が３系統の配管に分岐された第３の配管は、ｐＨ計２０に接続される。ｐＨ計２０は、凝結液のｐＨ値を測定することができる限り、特に測定方法や機種の制限がなく、市販のｐＨ計を適宜に採用することができる。

　図２に示されるように、データ処理送信機２８Ａは、電気伝導率測定器１９から出力されるデータを入力する。前記電気伝導率測定器１９で電気伝導率を測定する対象となる凝結液は、脱気処理装置１５及び脱気装置１８により脱気処理されているので炭酸ガス及び硫化水素が除去されており、カチオン除去装置１４でカチオン（陽イオン）が除去されている。したがって、炭酸ガス、硫化水素及びカチオンの除去された凝結液の電気伝導率を電気伝導率測定器１９で測定すると、凝結液に除去されずに残っている塩素イオン濃度に比例した電気伝導率が測定される。なお、生産井から採取される蒸気の中には硫酸が含まれているが、硫酸は不揮発性物質であるため、汽水分離器５で分離された高温蒸気を冷却して得られた凝結液の中には硫酸がほとんど含まれることはなく、硫酸の量は無視可能な程度に微量であると推定することができる。このため、測定された電気伝導率は高温蒸気中の陰イオンとして塩素イオンの量を反映していると結論することができる。

　前記データ処理送信機２８Ａは、演算処理装置２９を備える。この演算処理装置２９は、この発明における演算手段である。この演算処理装置２９は、例えば以下の換算式により、電気伝導率測定器１９で測定された電気伝導率に基づいて塩素イオン濃度を算出する。

　換算式(1)：
　陰イオン濃度（塩素イオン濃度）（ppb）＝電気伝導率（μS/ｃｍ）÷12.071×100　・・・(1)
　なお、上記換算式における「12.071」は一例であって、地熱発電所が立地する場所における蒸気の性状等の分析から適宜に決定される。

　データ処理送信機２８Ａは、シリカ濃度に対応するデータ、電気伝導率に対応するデータである陰イオン量のデータ、及びｐＨ値に対応するデータを、運転支援センターにおける受信機２８Ｂに、インターネット、電話専用回線等の通信伝達手段３０を通じて送信される。この運転支援センターは、地熱発電所が設けられた地域とは異なり、作業員及び操作員等の運転支援能力を有する人材を容易に確保することができ、そのような人材が容易に生活することのできる地域に設けることができる。このデータ処理送信機２８Ａは、この発明におけるデータ処理送信機に相当する。

　一方、非凝縮性ガス測定系統は、図１に示されるように、配管１３の途中から分岐した配管３１を通じて凝結液が移送される非凝縮性ガス量自動計測器２１を有する。

　この非凝縮性ガス量自動計測器２１は、蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの量を測定することができるのであれば、様々の装置構成を採用することができる。図１に示される例では、移送されてくる凝結液の温度を測定する温度計３７と、移送されてくる凝結液を貯留する貯留槽３２と、貯留槽３２内に装備される液面検出器３８と、この貯留槽３２内のガスを排出する排出管３３と、排出されるガスの流量を測定するガス流量計３９と、貯留槽３２内の液を排出する自動ドレン弁３４付きの排出管３５とを備えている。

　前記貯留槽３２は、蒸気を冷却することにより生成する混合物を受け入れて蒸気中に含まれる非凝縮性ガスを気体として分離することのできる気液分離機能を有するのであればよい。例えば、液滴を障害物に衝突させることにより気体から分離する慣性衝突法を利用した衝突板といった構造を有するドレンポットを採用することができる。

　この非凝縮性ガス量自動計測器２１は、前記温度計３７で凝結液の温度を測定し、その後、貯留槽３２内で混合物中の非凝縮性ガスを気液分離する。気液分離された非凝縮性ガスは排出管３３を通じて大気中に排出され、その非凝縮性ガスの排出量はガス流量計３９により測定される。図２に示されるように、ガス流量計３９により測定される非凝縮性ガスの排出流量に対応するデータが、演算処理装置２９に出力される。貯留槽３２内に貯留される凝結液は、液面検出器３８により所定量が貯留されたと判断されると自動ドレン弁３４が自動的に開いて排出管３５に排出される。このとき、液面検出器３８が液面の最低位置を検出したときに前記演算処理装置２９に最低位置検出信号を、検出した時間とともに出力し、また液面検出器３８が液面の最高位置を検出したときに前記演算処理装置２９に最高位置検出信号を、検出した時間とともに出力する。

　演算処理装置２９にあっては、液面検出器３８から出力されるデータ及びガス流量計３９から出力されるデータに基づいて、非凝縮性ガスの量を、例えば以下のようにして算出する。

　なお、蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの大部分は二酸化炭素と硫化水素であり、それら以外のガス成分は極めて微量なので無視できる。蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの組成を予め分析しておくならば、凝結液に含まれる飽和溶存ガス量の算出条件に利用することが、測定精度を高める上で好ましい。

　試料水の流量：Ａ
　貯留槽内の凝結液が最高位置にあるときの容積：Ｂ
　貯留槽内の凝結液が最低位置にあるときの容積：Ｃ
　凝結液の液面が最低位置にある時刻から最高位置に達するまでの時間：Ｄ
　凝結液の流量の演算式：
　　　　　　　　Ａ＝（Ｃ－Ｂ）／Ｄ　　・・・(2)
　非凝縮性ガスの流量：Ｅ
　ガス流量計の流量指示値：Ｆ
　凝結液中の飽和溶存ガス量：Ｇ　（大気圧下では温度に依存する値）
　非凝縮性ガスの流量：　Ｅ＝Ｆ＋Ｇ　・・・(3)
　凝結液の流量と非凝縮性ガスの流量との比率Ｈ：
　　　　　　　　Ｈ＝Ｅ／Ａ　　・・・(4)
　データ処理送信機２８Ａは、前記演算処理装置２９で算出された非凝縮性ガス量を、凝結液の流量と非凝縮性ガスの流量との比率Ｈとして、受信機２８Ｂに送信する。

　次に、以上構成の蒸気性状自動測定装置の作用について説明する。

　図１に示される蒸気性状自動測定装置１にあっては、凝結液のｐＨ値、凝結液に含まれるシリカの濃度、及び凝結液の電気伝導率を別々の時刻に測定をすることができる。なお、装置構成を変更すると、凝結液のｐＨ値、凝結液に含まれるシリカの濃度、及び凝結液の電気伝導率を同時に測定することもできる。同時測定のために必要な装置構成の変更についての説明は、以下の説明において適宜に触れる。

　シリカの濃度を測定する場合は、以下のような運転になる。

　分岐管１０を通じて導入された高温蒸気は、冷却器１２で冷却されて液化した凝結液と液化しない非凝縮性ガスとの混合物に変換され、この混合物が配管１３を通じて、かつカチオン除去装置１４を経由することなく、又は経由してから脱気処理装置１５に導入される。このとき弁４０は閉鎖されている。凝結液はそのまま一定時間脱気処理装置１５に供給され、オーバーフローする凝結液は排出管２５から排出される。一定時間が経過すると、弁４１を閉鎖して脱気処理装置１５への凝結液の供給を停止し、次いで弁４０を開放して配管１３及び配管３１を通じて移送される凝結液を非凝縮性ガス量自動計測器２１における貯留槽３２に供給する。これによって、脱気処理装置１５に凝結液が封じられることになる。次いで、脱気処理装置１５内の凝結液を、加熱ヒータ２２により所定温度に加熱しつつ、一定時間窒素ガス導入管２３から窒素ガスを凝結液に吹き込み、バブリングする。窒素ガスのバブリングにより脱気処理装置１５内の凝結液から硫化水素がガスとして分離する。硫化水素を凝結液から除去するのは、シリカ濃度測定器１６における試薬が硫化水素に反応することを防止するためである。脱気が終了すると、弁４２及び弁４６を開放して脱気処理装置１５内の脱気後の凝結液は配管２６を通じて、冷却器１７に送り込まれる。このとき弁４３及び弁４５は閉鎖されている。ここで、脱気後の凝結液を所定の温度に冷却し、シリカ濃度測定器１６に導入する。シリカ濃度測定器１６でシリカの量が測定され、測定データがデータ処理送信機２８Ａに送信される。

　データ処理送信機２８Ａに送られたシリカ濃度に対応するデータが、電気信号として、通信伝達手段３０、例えばインターネットを通じて、あるいは専用電話回線等を通じて受信機２８Ｂに送信される。

　ｐＨ値の測定をする場合は、例えば前記シリカ濃度の測定操作が終了してから、冷却器１２で冷却されることにより液化された凝結液と非凝縮性ガスとの混合物が、配管１３を通じて、かつカチオン除去装置１４を経由することなく、脱気処理装置１５に導入される。ｐＨ値を測定する場合には、脱気処理装置１５ではシリカ濃度測定器１６に導入する凝結液と同様の脱気処理は行わずに、配管１３を通じて移送されてきた混合物を凝結液とガスとに分離する気泡分離処理を行って硫化水素等の非凝縮性ガスを除去する。脱気処理装置１５での気泡分離処理が終了してから、弁４２及び弁４３が開放され、脱気処理装置１５内の気泡分離処理後の凝結液が、配管２６を通じてｐＨ計２０に導入される。

　ｐＨ計２０にて測定された凝結液のｐＨ値が、データ処理送信機２８Ａに送信される。

　データ処理送信機２８Ａに送られたｐＨ値に対応するデータは、通信伝達手段３０、例えばインターネットを通じて、あるいは専用電話回線等を通じて受信機２８Ｂに送信される。

　試料水の電気伝導率の測定においては、配管１３を通じて移送される凝結液及び非凝縮性ガスの混合物を直接に脱気処理装置１５に移送せずに、カチオン除去装置１４に一旦供給し、このカチオン除去装置１４で混合物における凝結液中のカチオンを除去する。
　このカチオン除去装置は、妨害成分除去装置の一例である。カチオン除去装置１４を通過した、カチオン除去後の凝結液及び非凝縮性ガスの混合物が、脱気処理装置１５に供給される。カチオンが除去された凝結液中の炭酸は重炭酸イオンへと変化し、さらに溶存炭酸ガスに変化する。溶存炭酸ガスを含む凝結液及び非凝縮性ガスの混合物を脱気処理装置１５に一定時間供給し続けて、オーバーフローする水を、排出管２５を通じて排出する。
　次いで、一定時間が経過してから、弁４１を閉鎖してカチオン除去装置１４及び脱気処理装置１５への混合物の供給を停止し、配管１３及び配管３１を通じて移送される混合物を非凝縮性ガス量自動計測器２１における貯留槽３２に供給する。これによって、脱気処理装置１５に凝結液が封じられることになる。
　次いで、脱気処理装置１５内の凝結液を、加熱ヒータ２２により所定温度に加熱しつつ、一定時間窒素ガス導入管２３から窒素ガスを凝結液に吹き込み、バブリングする。窒素ガスのバブリングにより脱気処理装置１５内の凝結液から炭酸ガス及び硫化水素ガスが除去される。この脱気処理装置もまた妨害成分除去装置の一例である。
　この脱気処理装置１５では、凝結液を窒素ガスでバブリングすることにより窒素ガスと凝結液中に含まれる炭酸ガスとの分圧の差により炭酸ガスが窒素ガスへ移行することを利用して脱気を行っている。このとき、窒素ガスの供給をバブリングノズル入口の自動弁４４に連動して窒素ガスの供給開始及びその停止を行うようにすると、使用する窒素ガスの量を節減することができる。一定時間かけての脱気が終了すると、弁４３及び弁４６を閉鎖した状態で弁４２及び弁４５を開放して脱気処理装置１５内の脱気後の凝結液を配管２６を通じて、脱気装置１８に送り込んでさらなる炭酸ガスの脱気を行い、炭酸ガスを脱気した凝結液を電気伝導率測定器１９に供給して凝結液の電気伝導率を測定する。電気伝導率測定器１９で測定された電気伝導率は電気信号データとしてデータ処理送信機２８Ａにおける演算処理装置２９に送信される。

　演算処理装置２９では、例えば前記換算式(1)に従って、塩素イオン濃度を算出する。算出された塩素イオン濃度のデータが、電気信号として、通信伝達手段３０、例えばインターネットを通じて、あるいは専用電話回線等を通じて受信機２８Ｂに送信される。

　以上のような手順にてシリカ濃度、電気伝導率、ｐＨ値が別個の時間帯にて測定されることになるが、これは脱気処理装置１５が１基しかないことによる。シリカ濃度、電気伝導率、ｐＨ値を同時に測定するのであれば、シリカ濃度測定器１６、電気伝導率測定器１９、及びｐＨ計２０それぞれに専用の脱気処理装置を設けるのがよい。

　一方、非凝縮性ガスの量は、配管１３及び配管３１を通じて混合物が非凝縮性ガス量自動計測器２１に送り込まれることにより測定される。

　この非凝縮性ガス量自動計測器２１は、前記温度計３７で混合物の温度を測定し、その後、貯留槽３２内で混合物から非凝縮性ガスを気液分離する。混合物中のガスとして分離している非凝縮性ガスと混合物中の液成分に溶存している非凝縮性ガスとがガスとして排出管３３を通じて大気中に排出され、その排出量は非凝縮性ガスの流量としてガス流量計３９により測定される。図２に示されるように、ガス流量計により測定される非凝縮性ガスの排出流量に対応するデータが、演算処理装置２９に出力される。貯留槽３２内に貯留される凝結液は、液面検出器３８により所定量が貯留されたと判断されると、自動ドレン弁３４が自動的に開いて排出管３５に排出される。このとき、液面検出器３８が液面の最低位置を検出したときに前記演算処理装置２９に最低位置検出信号を、検出した時間とともに出力し、また液面検出器３８が液面の最高位置を検出したときに前記演算処理装置２９に最高位置検出信号を、検出した時間とともに出力する。

　演算処理装置２９にあっては、液面検出器３８から出力されるデータ、ガス流量計から出力されるデータ及び温度計３７から出力されるデータに基づいて、非凝縮性ガスの量を、例えば前記式(２)～式(４)に従って算出する。

　データ処理送信機２８Ａは、前記演算処理装置２９で算出された非凝縮性ガス量を、試料水の流量と非凝縮性ガスの流量との比率Ｈとして、受信機２８Ｂに送信する。

　受信機２８Ｂ側では、送信されてきたシリカ濃度、ｐＨ値、電気伝導率に基づく陰イオン量、例えば塩素イオン量及び非凝縮性ガス量が、継続的に、又は一定時間ごとに表示装置等に表示される。

　これらのデータから、遠隔地にある地熱発電所における発電タービンの状態を推測することができ、高温蒸気中の非凝縮性ガス量等を知ることにより、復水器４内の真空状態も推測することができる。受信機２８Ｂ及び表示装置は、例えば、地熱発電所から離れた場所であり、かつ作業員、操作員、監視員、管制員等の人材が作業し易くて交通の便利な場所に設置された地熱発電管制センター、地熱発電支援センター等の地熱発電支援制御部署に設置される。

　この推測を基にして、例えば、
　(1)汽水分離器（熱水セパレータ）への蒸気の供給量の制御、
　(2)汽水分離器に供給する水の量を変更することによる汽水分離効率の制御、
　(3)機器や配管内面にシリカが固着するのを防止するため、汽水分離した熱水に添加する酸の量の制御、
　(4)復水器内の真空状態を発生させる復水器真空発生装置の運転状況の制御、
　(5)発電タービンのバイパス運転、
　(6)気液ニ相流体を取り出す生産井の数の変更、
　(7)生産井から取り出す気液ニ相流体の採取量の制御、
　(8)稼働している生産井の稼働本数の変更、
のいずれか一つ又は二つ以上を選択して、地熱発電の操業内容を変更することができ、これによって発電タービンの翼にスケールが固着するのを防止し、復水器内の真空度を維持することにより発電効率を高めることができる。

１　　　　　蒸気性状自動測定装置
２　　　　　地熱発電装置
３　　　　　発電タービン
４　　　　　復水器
５　　　　　汽水分離器
６　　　　　配管
７　　　　　水スプレー装置
８　　　　　配管
９　　　　　第２スプレー装置
１０　　　　分岐管
１１　　　　開閉弁
１２　　　　冷却器
１３　　　　配管
１４　　　　カチオン除去装置
１５　　　　脱気処理装置
１６　　　　シリカ濃度測定器
１７　　　　冷却器
１８　　　　脱気装置
１９　　　　電気伝導率測定器
２０　　　　ｐＨ計
２１　　　　非凝縮性ガス量自動計測器
２２　　　　加熱ヒータ
２３　　　　窒素ガス導入管
２４　　　　ベント管
２５　　　　排出管
２６　　　　配管
２７　　　　配管
２８Ａ　　　データ処理送信機
２８Ｂ　　　受信機
２９　　　　演算処理装置
３０　　　　通信伝達手段
３１　　　　配管
３２　　　　貯留槽
３３　　　　排出管
３４　　　　自動ドレン弁
３５　　　　排出管

Claims

　地中から取り出された蒸気を冷却して得られた凝結液に含まれるシリカの濃度を自動測定するシリカ濃度測定器と、前記凝結液の電気伝導率を自動測定する電気伝導率測定器と、前記凝結液のｐＨ値を自動測定するｐＨ計と、前記シリカ濃度測定器、電気伝導率測定器及びｐＨ計それぞれで測定されたデータを自動送信するデータ処理送信機とを備えて成ることを特徴とする蒸気性状自動測定装置。
　前記蒸気の冷却により分離した非凝縮性ガス、及び前記凝結液から分離された非凝縮性ガスの合計流量を自動測定する非凝縮性ガス量自動計測器を有する前記請求項１に記載の蒸気性状自動測定装置。
　前記非凝縮性ガス量自動計測器は、前記蒸気を冷却することにより凝結した凝結液の流量と、前記蒸気の冷却により分離した非凝縮性ガス、及び前記凝結液から分離された非凝縮性ガスの合計流量とから、発電タービンに供給される前記蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの量を自動測定するように形成されて成る前記請求項１に記載の蒸気性状自動測定装置。
　前記データ処理送信機は、前記非凝縮性ガス量自動計測器で測定されたデータを自動送信する機能を備えて成る前記請求項２又は３に記載の蒸気性状自動測定装置。
　前記電気伝導率測定器に供される凝結液中に存在する妨害成分を除去する妨害成分除去装置を有する前記請求項１～４のいずれか一項に記載の蒸気性状自動測定装置。
　地中から取り出された蒸気の冷却により分離した非凝縮性ガス、及び前記蒸気を冷却して得られた凝結液から分離された非凝縮性ガスの合計流量を連続的に自動測定する非凝縮性ガス量自動計測器を有することを特徴とする蒸気性状自動測定装置。
　前記非凝縮性ガス量自動計測器は、前記蒸気を冷却することにより凝結した凝結液の流量と、前記蒸気の冷却により分離した非凝縮性ガス、及び前記凝結液から分離された非凝縮性ガスの合計流量とから、発電タービンに供給される前記蒸気中に含まれる非凝縮性ガスの量を連続的に自動測定するように形成されて成る前記請求項６に記載の蒸気性状自動測定装置。
　前記非凝縮性ガス量自動計測器で自動測定された非凝縮性ガス量に対応するデータを自動送信するデータ処理送信機を有する前記請求項６又は７に記載の蒸気性状自動測定装置。
　前記請求項１～８のいずれか一項に記載の蒸気性状自動測定装置を備えて成る地熱発電装置。