WO2011101964A1 - 地熱発電装置及び地熱発電における超高圧熱水の利用方法 - Google Patents

地熱発電装置及び地熱発電における超高圧熱水の利用方法 Download PDF

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hot water
pressure
power generation
power
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清高 藤井
好行 横浜
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三菱重工業株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether

Definitions

  • the present invention relates to a geothermal power generation apparatus, and more particularly to a suitable geothermal power generation apparatus using high-pressure geothermal hot water exceeding 7 MPa.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a conventional geothermal power generation apparatus.
  • the gas-liquid mixed water ejected from the hot water layer 102 existing in the ground by the production well 4 is sent to the separator 13.
  • the separator 13 separates the gas-liquid mixed water sent from the production well 4 into steam and water, the steam is sent to the turbine generator 14, and the water is sent to the pit 19.
  • the turbine generator 14 includes a steam turbine 41 and a generator 42, and a rotor (not shown) of the steam turbine 41 is rotated by the steam, and the rotor is connected to the rotor via a speed reducer by the rotation of the rotor.
  • the machine 42 operates.
  • the steam which has become a low temperature and a low pressure by rotating the rotor of the steam turbine 41, is cooled by being led to the condenser 16 to be cooled.
  • the water is sent to the pit 19 by the pump 18.
  • the water sent from the separator 13 or the pump 18 and stored in the pit 19 is pressurized to a higher pressure than that in the hot water layer 102 by the reduction pump 24 and is reduced to the hot water layer 102 through the reduction well 6.
  • the pressure of ground water in the hot water layer 102 used in the general geothermal power generation apparatus 1 as shown in FIG. 7 is usually around 1 MPa.
  • Such a groundwater source of groundwater having a general pressure of about 1 MPa passes through a magma-derived heat source from a direction in which the groundwater is present and flows in a direction in which the pressure is low.
  • hot water erupts on the ground, which is a so-called natural hot spring source.
  • boring is conducted from the ground toward the underground hot water source, and the hot water is guided to the ground and used as power generation energy.
  • a normal underground hot water source can be regarded as a system that is open at any place.
  • the water source may be a completely sealed independent water source.
  • the temperature of the rock 56 in the vicinity of the aquifer is much higher than the temperature of the rock near the ground.
  • the groundwater existing in the aquifer 55 is heated by a high-temperature rock body 56 in a sealed state, and is confined in the ground at a higher temperature and pressure than groundwater used for general geothermal power generation.
  • the groundwater confined underground in such a high temperature and high pressure state is also referred to as fossil seawater.
  • the pressure of the fossil seawater varies depending on the location, but the pressure reaches 35 MPa and the temperature reaches about 250 ° C.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 a part of the liquid discharged from a pump is recovered, and the recovery is performed by a power recovery turbine provided in a flow path of the recovered liquid.
  • a technique for recovering the power of the liquid and using the recovered power as part of the energy for driving the pump is disclosed.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 both recover the power of the recovered liquid.
  • the recovered liquid that is, used for power generation, is reduced to the underground. Since the water to be generated must be increased to a pressure equal to or higher than groundwater, there is no room for power recovery, and it is difficult to apply the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 as they are to the geothermal power generation apparatus.
  • the present invention can use ultra-high pressure groundwater like fossil seawater, and is a general-purpose pump as a reduction pump for returning the water after being used for power generation to the underground It is an object of the present invention to provide a geothermal power generation apparatus that uses ultrahigh-pressure hot water that can be used, and a method for using ultrahigh-pressure hot water in geothermal power generation.
  • a production well that extracts geothermal hot water from the ground, and a power generation facility that drives the turbine using the thermal energy of the geothermal hot water and recovers it as electric energy
  • the geothermal power generation apparatus having a reduction pump for boosting the geothermal hot water from which the thermal energy has been extracted and a reduction well for returning the geothermal hot water boosted by the reduction pump to the ground, the geothermal hot water is about 7 MPa.
  • a high-pressure geothermal hot water exceeding the production well is provided on the geothermal hot water flow path from the production well to the power generation facility, and a power recovery turbine for recovering and depressurizing the energy of the geothermal hot water is provided, and the power recovery turbine
  • the geothermal hot water is depressurized to about 7 MPa or less, and the energy recovered by the power recovery turbine is used as part of the driving power of the reduction pump. It is characterized in.
  • the geothermal hot water has a high pressure of about 35 MPa, such as fossil seawater
  • a part of the energy of the geothermal hot water is recovered by the power recovery turbine to reduce the pressure to about 7 MPa. Is done. Therefore, the flow path from the power recovery turbine ⁇ the power generation facility ⁇ the reduction pump can be designed with a withstand pressure equal to or lower than the reduced pressure, and the material of the facility can be suppressed at a low cost.
  • the inlet pressure of the reduction pump can be kept low, and the design of the inlet pressure of the reduction pump can be kept low. Can do. Since most of the general-purpose pumps generally used have an inlet pressure of 7 MPa or less, the general-purpose pump can be used as a reduction pump by reducing the geothermal hot water to 7 MPa or less with a power recovery turbine. .
  • the energy recovered by the power recovery turbine is used as part of the driving power of the reduction pump, the energy of the geothermal hot water can be used without waste.
  • a motor driven by electric energy mechanically connecting the rotating shaft of the motor and the rotating shaft of the reduction pump, and mechanically connecting the rotating shaft of the motor and the rotating shaft of the power recovery turbine; It is better to connect them.
  • the energy recovered by the power recovery turbine can be used as a part of the driving power of the reduction pump with a simple configuration.
  • the mechanical loss and the pressure loss of the geothermal hot water only the energy recovered by the power recovery turbine is insufficient as driving power for the reduction pump, so electric energy is externally applied to drive the motor. Make up for the shortfall.
  • a pressure gauge is provided on the discharge side of the reduction pump, and a detected value of the pressure gauge is taken into an electric motor control unit that controls driving of the electric motor, and the detected value of the pressure gauge is
  • the drive of the electric motor may be controlled so as to be higher than a predetermined pressure set higher than the pressure of geothermal hot water taken out from the ground.
  • a pressure gauge is provided on the discharge side of the power recovery turbine, and a detected value of the pressure gauge is taken into a generator control means for controlling the driving of the generator, and the generator control means is connected to the pressure gauge.
  • the drive of the generator may be controlled so that the detected value is higher than a predetermined pressure set in advance.
  • geothermal hot water in the ground is taken out from the production well, and the turbine is driven using the thermal energy possessed by the geothermal hot water to be recovered as electric energy, and the thermal energy
  • the geothermal hot water is decompressed to about 7 MPa or less by a power recovery turbine provided on the geothermal hot water flow path taken out from the well, and the energy of the decompressed geothermal hot water is used for driving the turbine, and the power The energy recovered by the recovery turbine is used as a part of the power for boosting.
  • ultra-high pressure groundwater such as fossil seawater
  • a general-purpose pump as a reduction pump for returning water after being used for power generation to the underground. It is possible to provide a geothermal power generation apparatus that uses high-pressure hot water and a method for using ultrahigh-pressure hot water in geothermal power generation.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the geothermal power generator which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. 1 In the geothermal power generation apparatus according to Embodiment 1, it is a block diagram showing the vicinity of a reduction pump when a spare machine is provided in the reduction pump. It is a block diagram which shows the geothermal power generation apparatus which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a block diagram which shows the geothermal power generation apparatus which concerns on the comparative example 1.
  • FIG. It is a block diagram which shows the geothermal power generation apparatus which concerns on the comparative example 2.
  • FIG. It is the schematic of the stratum which fossil seawater is made. It is a block diagram which shows the conventional geothermal power generator.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a geothermal power generation apparatus according to the first embodiment.
  • reference numeral 2 denotes an ultra-high pressure high temperature aquifer, which is an aquifer of fossil seawater whose water pressure exceeds 7 MPa and is about 35 MPa.
  • FIG. 1 Two wells are provided from the ground to the ultra high pressure high temperature aquifer 2.
  • One of the wells is a production well 4, and the production well 4 is a well provided for taking out groundwater (fossil seawater) in the ultrahigh-pressure and high-temperature aquifer 2.
  • the other well is a reduction well 6, which is provided to return fossil seawater heat-exchanged by a heat exchanger 10 constituting a power generation facility 8 to be described later to the ultra-high pressure / high temperature aquifer 2.
  • the production well 4 and the reduction well 6 are connected to the heat exchanger 10 via the flow path 5 and the flow path 7, respectively.
  • a power recovery turbine 22 is provided on the flow path 5 from the production well 4 to the heat exchanger 10.
  • the power recovery turbine 22 is driven by fossil seawater guided from the production well 4 to the heat exchanger 10. It tries to recover energy.
  • the fossil seawater In order to return the fossil seawater heat-exchanged by the heat exchanger 10 to the ultrahigh-pressure high-temperature aquifer 2 on the flow path 7 extending from the heat exchanger 10 to the reduction well 6, the fossil seawater is supplied to the ultrahigh-pressure high-temperature aquifer
  • a reduction pump 24 is provided for increasing the pressure to a pressure higher than the water pressure in the layer 2.
  • the rotation shaft of the reduction pump 24 and the rotation shaft of the electric motor 26 that can drive the reduction pump 24 are mechanically connected on the same axis. Further, the rotating shaft of the electric motor 26 and the shaft of the power recovery turbine 22 are mechanically coupled on the same axis. That is, the rotating shaft of the reduction pump 24 and the rotating shaft of the power recovery turbine 22 are mechanically connected via the rotating shaft of the electric motor 26.
  • a pressure gauge 28 is provided on the flow path from the heat exchanger 10 to the reduction well 6 and downstream of the reduction pump 24, and a detected value by the pressure gauge 28 is a controller that controls driving of the electric motor 26. 29 is taken in.
  • the turbine generator 14 is a power generation facility, which is called a binary system. This is to drive the turbine generator 14 using a heat medium exchanging heat in the high-temperature and high-pressure groundwater guided from the flow path 5 and the heat exchanger 10, and is a secondary side of the heat exchanger (described above) Because the groundwater (fossil seawater) does not flow into the heat medium side), it can be operated in a clean state, and there is no phase change process on the primary side of the heat exchanger (the groundwater (fossil seawater) side). It can be used without waste.
  • a binary system This is to drive the turbine generator 14 using a heat medium exchanging heat in the high-temperature and high-pressure groundwater guided from the flow path 5 and the heat exchanger 10, and is a secondary side of the heat exchanger (described above) Because the groundwater (fossil seawater) does not flow into the heat medium side), it can be operated in a clean state, and there is no phase change process on the primary side of the heat exchange
  • the power generation facility 8 includes a heat exchanger 10, a flasher 12 that generates steam by rapidly lowering the pressure of the heat medium heated by heat exchange in the heat exchanger 10 to a saturation pressure or less, and steam generated by the flasher.
  • a turbine generator 14 including a turbine 41 and a generator 42; a condenser 16 that cools the heat medium used in the turbine generator 14 back to a liquid; a condenser 16 and a flasher 12 are provided with pumps 18 and 20 for feeding the liquid heat medium generated at 12 to the heat exchanger, respectively.
  • FIG. 1 fossil seawater of about 35 MPa, 250 ° C., high-temperature and high-pressure gas-liquid mixture ejected from the ultrahigh-pressure and high-temperature aquifer 2 existing deep in the ground by the production well 4 is guided to the power recovery turbine 22.
  • the fossil seawater is recovered by the power recovery turbine 22 and depressurized to about 7 MPa.
  • the fossil seawater recovered by the power recovery turbine 22 and depressurized to about 7 MPa is guided to the heat exchanger 10 constituting the power generation facility 8 through the flow path 5 and cooled by exchanging heat with a heat medium to be described later.
  • the fossil seawater is cooled to a temperature at which the hardness in the fossil seawater does not precipitate by heat exchange in the heat exchanger 10, and becomes about 140 to 150 ° C. It should be noted that the safe temperature at which the hardness component does not precipitate must be finally determined by analyzing the components of each well.
  • the fossil seawater that has exited the heat exchanger 10 is pressurized to a higher pressure than that in the ultrahigh-pressure and high-temperature aquifer 2 by the reduction pump 24 and returned to the ultrahigh-pressure and high-temperature aquifer 2.
  • the power recovered by the power recovery turbine 22 is transmitted to the reduction pump 24, and the mechanical loss between the power recovery turbine 22 and the reduction pump 24 and the fossil seawater are converted into the power recovery turbine 22 ⁇ heat exchanger.
  • the pressure loss from 10 to the reduction pump 24 is driven by being supplemented by the electric motor 26 to boost the fossil seawater to a higher pressure than in the ultrahigh-pressure high-temperature aquifer 2.
  • the output of the electric motor 26 is adjusted by the controller 29 so that the pressure of the pressure gauge 28 provided on the outlet side of the reduction pump 24 becomes a reference pressure higher than that in the preset ultrahigh pressure / high temperature aquifer 2. Control.
  • the heat medium heated by exchanging heat with the fossil seawater in the heat exchanger 10 is rapidly reduced in pressure by the flasher 12 to a saturation pressure or less to generate steam.
  • the steam generated by the flasher drives the turbine 41 by the turbine generator 14, and the generator 42 generates power by driving the turbine 41.
  • the heat medium used in the turbine generator 14 is cooled by the condenser 16 and returned to the liquid, and the liquid heat medium generated in the condenser 16 and the flasher 12 is again returned to the heat exchanger 10 by the pumps 18 and 20, respectively. Sent to.
  • the ultra-high pressure fossil seawater of about 35 MPa ejected from the production well 4 is decompressed to about 7 MPa by being recovered by the power recovery turbine 22. Therefore, the flow paths 5 and 7 extending from the power recovery turbine 22 to the heat exchanger 10 to the reduction pump 24 can be designed with a pressure much lower than the outlet of the production well 4, and the equipment materials and the like can be kept low. be able to.
  • the ultrahigh pressure fossil seawater of about 35 MPa is decompressed by being recovered by the power recovery turbine 22.
  • power recovery is performed in the power recovery turbine 22 so that the pressure of the fossil seawater is reduced to about 7 MPa.
  • the power recovery turbine 22 is not limited thereto.
  • the inlet pressure of the reduction pump 24 can be kept low, and the design of the inlet pressure of the reduction pump 24 can be kept low. Since most of the general-purpose pumps have an inlet pressure of 7 MPa or less, the power recovery turbine 22 performs power recovery so that the fossil seawater is depressurized to 7 MPa or less, and the reduction pump 24 uses a general-purpose pump. It is possible to reduce the cost related to the reduction pump 24.
  • the power recovered by the power recovery turbine 22 is used as driving power for the reduction pump 24, the energy of the fossil seawater can be used without waste.
  • the power recovery turbine 22, the electric motor 26, and the reduction pump 24 are connected on the same axis.
  • the rotational speed and the speed between the power recovery turbine 22 and the electric motor 26 and between the reduction pump 24 and the electric motor 26 are different.
  • an increase / decrease device and a clutch can be interposed.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the periphery of the reduction pump 24 when a spare machine is provided in the reduction pump 24 in the geothermal power generation apparatus according to the first embodiment.
  • a power recovery turbine 22b having the same capability as that of the power recovery turbine 22 is provided in parallel with the power recovery turbine 22, and a reduction pump 24b having a capability of the same level as that of the reduction pump 24 is provided in parallel with the reduction pump 24.
  • the reduction pump 24b and the reduction pump 24b are mechanically connected via an electric motor 26b. In this way, it is possible to provide a spare machine with the power recovery turbine and the reduction pump as a set.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a geothermal power generation apparatus according to the second embodiment. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same actions and effects, and the description thereof is omitted.
  • a power generator 27 is mechanically connected to the power recovery turbine 22 directly or via a clutch or an increase / decrease gear, and the power recovery turbine 22 generates energy by depressurizing fossil seawater. It is recovered as energy. The energy recovered by the generator is used as electric power for driving the reduction pump 24.
  • a pressure gauge 30 is provided at the outlet of the power recovery turbine, and the electric energy recovered by the generator 27 is controlled by the controller 32 so that the detected value of the pressure gauge 30 becomes constant.
  • the pressure on the outlet side of the power recovery turbine 22 is kept constant, and the inlet pressure of the reduction pump 24 can be kept constant accordingly. If the reduction pump 24 is driven at a constant speed, the outlet of the reduction pump 24 is maintained. The pressure can also be kept constant.
  • the reduction pump 24 is supplied with the electrical energy recovered by the generator 27, and the mechanical loss between the power recovery turbine 22 and the reduction pump 24 and the fossil seawater are converted into the power recovery turbine 22 ⁇ the heat exchanger 10.
  • the pressure loss between the reduction pump 24 is supplemented and driven by power supply means 36 such as an electric motor provided separately, and the fossil seawater is boosted to a higher pressure than in the ultrahigh-pressure high-temperature aquifer 2.
  • the controller 38 controls the power supply means 36 so that the pressure of the pressure gauge 40 provided on the outlet side of the reduction pump 24 becomes higher than the preset reference pressure in the ultrahigh-pressure high-temperature aquifer 2. Control the output.
  • the control by the controller 32 or the control by the controller 38 can be used as shown in FIG. 3, but either one or both can be omitted.
  • the inlet pressure of the reduction pump 24 can be kept low, and the design of the inlet pressure of the reduction pump 24 can be kept low. Further, since the power recovered by the power recovery turbine 22 is used as driving power for the reduction pump 24, the energy of the fossil seawater can be used without waste.
  • the power recovery turbine 22 and the reduction pump 24 are mechanically independent systems, there are no restrictions on arrangement. Furthermore, since a part of the energy of the fossil seawater is recovered as electric energy by the power recovery turbine, it is possible to add a spare unit 25 with only a reduction pump, and the stability of the entire geothermal power generator 1 can be easily achieved at low cost. Operation becomes possible.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a geothermal power generation apparatus according to Comparative Example 1. 4, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 7 indicate the same actions and effects, and the description thereof is omitted.
  • a pressure reducing valve 34 is provided on the flow path from the production well 4 to the separator 13, and fossil seawater in the ultrahigh pressure / high temperature aquifer 2 is used.
  • a separator having a pressure resistance design similar to the conventional one can be used.
  • the energy of fossil seawater cannot fully be utilized by pressure reduction.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a geothermal power generation apparatus according to Comparative Example 2. 5, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 3 indicate the same actions and effects, and the description thereof is omitted.
  • the binary power generation device 8 is applied.
  • very high pressure fossil seawater which is obtained by reducing the pressure loss in the piping and heat exchanger from about 35 MPa ejected from the production well, flows into the reduction pump 24.
  • the inlet of the reduction pump 24 exceeds 7 MPa, which is the limit of the inlet pressure of a general-purpose pump that is generally used, and the general-purpose pump cannot be used as the reduction pump 24.
  • ultra-high pressure groundwater like fossil seawater
  • ultra-high pressure hot water that can use a general-purpose pump as a reduction pump to return the water after power generation to the underground It can be used as a geothermal power generation apparatus and a method for using ultra-high pressure hot water in geothermal power generation.

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Abstract

【課題】化石海水のように超高圧の地下水を使用することが可能であり、しかも発電に用いた後の水を地下に戻すための還元ポンプとして汎用ポンプを使用することができる超高圧熱水を利用する地熱発電装置及び地熱発電における超高圧熱水の利用方法を提供する。 【解決手段】地中から地熱熱水を取り出す生産井と、該地熱熱水の持つ熱エネルギーを用いてタービンを駆動して電気エネルギーとして回収する発電設備と、前記熱エネルギーを取り出された地熱熱水を昇圧する還元ポンプと、該還元ポンプによって昇圧された地熱熱水を地中に戻す還元井とを有する地熱発電装置において、前記地熱熱水が７ＭＰａを超える高圧の地熱熱水であって、前記生産井から前記発電設備に至る地熱熱水の流路上に、地熱熱水のエネルギーを回収して減圧させる動力回収タービンを設け、前記動力回収タービンによって前記地熱熱水を７ＭＰａ以下に減圧するとともに、前記動力回収タービンによって回収したエネルギーを前記還元ポンプの駆動動力の一部として使用する。

Description

地熱発電装置及び地熱発電における超高圧熱水の利用方法
　本発明は、地熱発電装置に関するものであり、特に、７ＭＰａを超える高圧の地熱熱水を利用して好適な地熱発電装置に関するものである。
　近年、枯渇性エネルギーの有限性への対策、地球温暖化の緩和対策などとして、再生可能エネルギーの有効性が指摘され、その利用が増加している。
　再生可能エネルギーの利用形態の１つとして、地熱を用いて発電を行う地熱発電が知られている。
　従来の一般的な地熱発電装置であって、生産井から取り出した熱水を直接利用する形態の地熱発電装置について、図７を用いて説明する。
　図７は、従来の地熱発電装置を示すブロック図である。
　図７に示した地熱発電装置１において、生産井４により地中に存在する熱水層１０２から噴出させた気液混合水をセパレータ１３に送り込む。セパレータ１３は、生産井４から送り込まれた前記気液混合水を蒸気と水とに分離し、前記蒸気はタービン発電機１４に送られ、前記水はピット１９に送られる。
　タービン発電機１４は蒸気タービン４１と発電機４２を有し、前記蒸気によって蒸気タービン４１のロータ（不図示）が回転し、該ロータの回転により該ロータと減速機などを介して接続される発電機４２が稼動する。
　蒸気タービン４１のロータを回転させることで低温低圧となった前記蒸気は、復水器１６に導かれて冷却されることによって、冷却されて水となる。該水は、ポンプ１８によってピット１９に送られる。
　セパレータ１３又はポンプ１８から送られてピット１９に貯留された水は、還元ポンプ２４によって熱水層１０２内よりも高圧に昇圧されて、還元井６を通して熱水層１０２に還元される。
　図７に示したような一般的な地熱発電装置１に利用される熱水層１０２の地下水の圧力は、通常１ＭＰａ前後である。
　このような１ＭＰａ前後の一般的な圧力の地下水の地下熱水源は、地下水がある方向からマグマ由来の熱源を通過し圧力の低い方向に流れていく。その過程において地盤の軟弱な箇所があると熱水が地上に噴出し、これがいわゆる天然温泉源となっている。図７に示したような地熱発電装置による地熱発電では、地上より前記地下熱水源を目指してボーリングし、熱水を地上に導き発電用エネルギーとして利用している。つまり、通常の地下熱水源は大きく捉えると何れかの場所において開放されている系と捉えることができる。
　しかし近年、図６に示したように、広大な堆積層５４によって形成される盆地５３では、深度約４～５ｋｍの地下深部まで帯水層５５が発達している地域があることが確認されている。また、このような帯水層５５では水源が完全に密閉された独立水源となることがあることも確認されている。このような地下深部で完全に密閉された独立水源となった帯水層５５では、その付近の地下に存在する岩体５６の温度は地上近くにある岩体の温度よりも遥かに高温であり、帯水層５５に存在する地下水は密閉状態で高温の岩体５６によって加熱され、一般的な地熱発電に使用される地下水よりも高温高圧の状態で地下に封じ込められている。このような高温高圧の状態で地下に封じ込められた地下水は化石海水とも称され、該化石海水の圧力は、場所によって異なるが圧力３５ＭＰａ、温度は２５０℃程度に達する。
　前記化石海水のエネルギーを、地熱発電に使用することは、地熱発電の効率の面で望ましいものである。
　しかしながら、図７に示した従来の地熱発電装置においては、還元ポンプ２４によってピット１９に貯留された水を熱水層１０２の圧力よりも高い圧力まで昇圧する必要がある。図７に示した従来の地熱発電装置について前記化石海水を使用する場合には、還元ポンプ２４によって３５ＭＰａ程度にも達する化石海水の圧力よりも高い圧力までピット１９に貯留された水を昇圧しなければならない。そのため、還元ポンプ２４の能力を非常に大きなものとする必要があり、還元ポンプ２４の製作コスト、設置場所等を勘案すると現実的ではない。
　そこで、前記化石海水を用いて地熱発電を行うに際して、化石海水が有するエネルギーを回収してしまうことが考えられる。エネルギーの回収に係る技術として、例えば特許文献１、特許文献２には、ポンプより吐出された液の一部を回収して、回収された液の流路に設けた動力回収タービンによって前記回収された液の動力を回収し、該回収した動力を前記ポンプの駆動のエネルギーの一部として使用する技術が開示されている。
特開５－４９８３３号公報 特開２００４－２５７３４０号公報
　しかしながら、特許文献１、特許文献２に開示された技術は、何れも回収された液の動力を回収するものであって、地熱発電においては回収された液、即ち発電で利用されて地下に還元される水は地下水以上の圧力まで昇圧しなければならないため、動力の回収の余地はなく、特許文献１、特許文献２に開示された技術をそのまま地熱発電装置に適用することは難しい。
　従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、化石海水のように超高圧の地下水を使用することが可能であり、しかも発電に用いた後の水を地下に戻すための還元ポンプとして汎用ポンプを使用することができる超高圧熱水を利用する地熱発電装置及び地熱発電における超高圧熱水の利用方法を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明においては、地中から地熱熱水を取り出す生産井と、該地熱熱水の持つ熱エネルギーを用いてタービンを駆動して電気エネルギーとして回収する発電設備と、前記熱エネルギーを取り出された地熱熱水を昇圧する還元ポンプと、該還元ポンプによって昇圧された地熱熱水を地中に戻す還元井とを有する地熱発電装置において、前記地熱熱水が略７ＭＰａを超える高圧の地熱熱水であって、前記生産井から前記発電設備に至る地熱熱水の流路上に、地熱熱水のエネルギーを回収して減圧させる動力回収タービンを設け、前記動力回収タービンによって前記地熱熱水を略７ＭＰａ以下に減圧するとともに、前記動力回収タービンによって回収したエネルギーを前記還元ポンプの駆動動力の一部として使用することを特徴とする。
　これにより、前記地熱熱水が例えば化石海水のように約３５ＭＰａ程度の高圧の場合であっても、地熱熱水の持つエネルギーの一部が前記動力回収タービンで回収されることにより略７ＭＰａまで減圧される。そのため、動力回収タービン→発電設備→還元ポンプに至る流路を、減圧された圧力以下の耐圧で設計が可能であり、設備の材料等を安価に抑えることができる。
　また、前記動力回収タービンで前記地熱熱水の持つエネルギーの一部を回収して減圧することで、前記還元ポンプの入口圧力を低く抑えることができ、還元ポンプの入口圧力の設計を低く抑えることができる。一般的に用いられる汎用ポンプは入口圧力が７ＭＰａ以下であるものがほとんどであるため、動力回収タービンで前記地熱熱水を７ＭＰａ以下まで減圧することで、還元ポンプとして汎用ポンプを使用することができる。
　さらに、前記動力回収タービンで回収したエネルギーを、還元ポンプの駆動動力の一部として使用しているため、前記地熱熱水が持つエネルギーを無駄なく使用することができる。
　また、電気エネルギーによって駆動する電動機を有し、該電動機の回転軸と、前記還元ポンプの回転軸を機械的に連結するとともに、前記電動機の回転軸と、前記動力回収タービンの回転軸とを機械的に連結するとよい。
　これにより、簡単な構成で、前記動力回収タービンで回収したエネルギーを還元ポンプの駆動動力の一部として使用することができる。なお、機械ロス、前記地熱熱水の圧損分を考慮すると、前記動力回収タービンで回収したエネルギーのみでは、還元ポンプの駆動動力として不足するため、外部から電気エネルギーを与えて前記電動機を駆動させて不足分を補う。
　また、前記還元ポンプの吐出側に圧力計を設け、該圧力計の検出値は、前記電動機の駆動を制御する電動機制御手段に取り込まれ、前記電動機制御手段は、前記圧力計の検出値が、地中から取り出される地熱熱水の圧力よりも高圧に設定された所定圧力よりも高圧となるように、前記電動機の駆動を制御するとよい。
　これにより、還元ポンプの吐出側を、前記地熱熱水の圧力よりも高圧の状態を確実に保つことができる。
　また、前記動力回収タービンによって回収されたエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機を有し、該発電機によって回収された電気エネルギーを前記還元ポンプの駆動動力の一部として使用するとよい。
　これにより、動力回収タービンと還元ポンプは機械的に夫々独立した系であるため、配置上の制約が無くなる。さらに、動力回収タービンで前記地熱熱水の持つエネルギーの一部を電気エネルギーとして回収するため、還元ポンプのみの予備機増設も可能であり、低コストでしかも容易に、地熱発電装置全体の安定操業が可能となる。
　また、前記動力回収タービンの吐出側に圧力計を設け、該圧力計の検出値は、前記発電機の駆動を制御する発電機制御手段に取り込まれ、前記発電機制御手段は、前記圧力計の検出値が、予め設定した所定圧力よりも高圧となるように、前記発電機の駆動を制御するとよい。
　これにより、動力回収タービンの吐出側を所定圧力以上に確実に制御することができ、それに伴い還元ポンプの吐出側を、前記地熱熱水の圧力よりも高圧の状態を確実に保つことができる。
　また、課題を解決するための方法の発明として、生産井から地中の地熱熱水を取り出し、該地熱熱水の持つ熱エネルギーを用いてタービンを駆動して電気エネルギーとして回収し、前記熱エネルギーを取り出された地熱熱水を昇圧して還元井から地中に戻す地熱発電における熱水の利用方法であって、前記地熱熱水が略７ＭＰａを超える高圧の地熱熱水であって、前記生産井から取り出した地熱熱水の流路上に設けた動力回収タービンによって前記地熱熱水を略７ＭＰａ以下に減圧し、該減圧した地熱熱水の持つエネルギーを前記タービンの駆動に使用するとともに、前記動力回収タービンによって回収したエネルギーを前記昇圧の動力の一部として使用することを特徴とする。
　本発明によれば、化石海水のように超高圧の地下水を使用することが可能であり、しかも発電に用いた後の水を地下に戻すための還元ポンプとして汎用ポンプを使用することができる超高圧熱水を利用する地熱発電装置及び地熱発電における超高圧熱水の利用方法を提供することができる。
実施形態１に係る地熱発電装置を示すブロック図である。 実施形態１に係る地熱発電装置において、還元ポンプに予備機を設けた場合における還元ポンプ周辺を示すブロック図である。 実施形態２に係る地熱発電装置を示すブロック図である。 比較例１に係る地熱発電装置を示すブロック図である。 比較例２に係る地熱発電装置を示すブロック図である。 化石海水ができる地層の概略図である。 従来の地熱発電装置を示すブロック図である。
　以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置、地熱熱水の温度、圧力等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。本発明は超高圧熱水を合理的に利用することが目的であるから、熱交換器二次側において実施する発電形態を限定しているものではなく、ここでは前記同様に説明例として記載している。
（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係る地熱発電装置を示すブロック図である。
　図１において、２は超高圧高温帯水層であり、その水圧が７ＭＰａを超え、約３５ＭＰａである化石海水の帯水層である。
　まず、図１を用いて実施形態１における地熱発電装置１の構成について説明する。
　地上から、超高圧高温帯水層２に至る井戸が２本設けられている。前記井戸のうち１本は生産井４であって、生産井４は超高圧高温帯水層２中の地下水（化石海水）を取り出すために設けられた井戸である。前記井戸のもう１本は還元井６であって、還元井６は後述する発電設備８を構成する熱交換器１０で熱交換された化石海水を超高圧高温帯水層２に戻すために設けられた井戸である。生産井４及び還元井６は、それぞれ流路５及び流路７を介して熱交換器１０と接続されている。
　生産井４から熱交換器１０に至る流路５上には、動力回収タービン２２が設けられており、生産井４から熱交換器１０に導かれる化石海水によって動力回収タービン２２を駆動してそのエネルギーを回収するようにしている。
　熱交換器１０から還元井６に至る流路７上には、熱交換器１０で熱交換された化石海水を超高圧高温帯水層２に戻すために、該化石海水を超高圧高温帯水層２内の水圧よりも高い圧力まで昇圧する還元ポンプ２４が設けられている。
　また、還元ポンプ２４の回転軸と、還元ポンプ２４を駆動させることができる電動機２６の回転軸とは、同軸上で機械的に連結されている。また、電動機２６の回転軸と、動力回収タービン２２の軸とは、同軸上で機械的に連結されている。つまり、還元ポンプ２４の回転軸と動力回収タービン２２の回転軸とは、電動機２６の回転軸を介して機械的に連結されている。
　また、熱交換器１０から還元井６に至る流路上であって、還元ポンプ２４の下流側には圧力計２８が設けられており、圧力計２８による検出値は電動機２６の駆動を制御するコントローラ２９に取り込まれるようになっている。
　８は発電設備であり、バイナリ方式と言われる発電設備である。これは、流路５から導かれた高温高圧の地下水と熱交換器１０で熱交換した熱媒体を用いて、タービン発電機１４を駆動させるものであって、熱交換器の二次側（前記熱媒体側）は地下水（化石海水）が流入しないためクリーンな状態で運用が可能であること、熱交換器の一次側（前記地下水（化石海水）側）で相変化工程がないため、エネルギーを無駄なく利用できるものである。発電設備８は、熱交換器１０と、熱交換器１０での熱交換によって加温された熱媒体の圧力を急激に飽和圧力以下に下げて蒸気を発生させるフラッシャ１２と、フラッシャによって発生した蒸気によって駆動するものであってタービン４１及び発電機４２を備えるタービン発電機１４と、タービン発電機１４で使用された熱媒体を冷却して液体に戻す復水器１６と、復水器１６及びフラッシャ１２で発生した液体の熱媒体をそれぞれ熱交換器に送液するポンプ１８及び２０とを備えて成るものである。
　次に、以上の構成の実施形態１における地熱発電装置１の動作について説明する。
　図１において、生産井４により地中深くに存在する超高圧高温帯水層２から噴出された約３５ＭＰａ、２５０℃の高温高圧の気液混合の化石海水は、動力回収タービン２２に導かれる。
　該化石海水は、動力回収タービン２２でその動力を回収され、約７ＭＰａまで減圧される。
　動力回収タービン２２で動力回収されて約７ＭＰａまで減圧された化石海水は、流路５を通って発電設備８を構成する熱交換器１０に導かれ、後述する熱媒体と熱交換して冷却される。熱交換器１０での熱交換により化石海水は、化石海水中の硬度分が析出しない温度まで冷却され、約１４０～１５０℃となる。なお、硬度分が析出しない安全な温度は井戸ごと成分を分析して最終的に決定されなければならない。
　熱交換器１０を出た化石海水は、還元ポンプ２４によって超高圧高温帯水層２内よりも高圧まで昇圧されて、超高圧高温帯水層２に戻される。
　このとき、還元ポンプ２４は、動力回収タービン２２で回収した動力が伝達されるとともに、動力回収タービン２２から還元ポンプ２４の間の機械ロス分と及び前記化石海水が動力回収タービン２２→熱交換器１０→還元ポンプ２４に至る間の圧損分は電動機２６によって補われて駆動し、前記化石海水を超高圧高温帯水層２内よりも高圧まで昇圧する。具体的には、還元ポンプ２４の出口側に設けた圧力計２８の圧力が予め設定した超高圧高温帯水層２内よりも高い基準圧力以上となるように、コントローラ２９によって電動機２６の出力を制御する。
　一方、熱交換器１０で前記化石海水と熱交換して加温された熱媒体は、フラッシャ１２で圧力を急激に飽和圧力以下に下げられて蒸気を発生する。フラッシャによって発生した蒸気は、タービン発電機１４でタービン４１を駆動し、タービン４１の駆動により発電機４２で発電がなされる。タービン発電機１４で使用された熱媒体は、復水器１６で冷却されて液体に戻り、復水器１６及びフラッシャ１２で発生した液体の熱媒体はそれぞれポンプ１８及び２０によって再度熱交換器１０に送られる。
　なお、前記熱媒体としては、水を使用することが好ましい。入手が容易であり、該熱媒体と熱交換する前記化石海水は２５０℃程度の高温であるため、常圧における沸点が１００℃である水でも充分に気化するためである。
　以上の構成及び動作によれば、生産井４より噴出された約３５ＭＰａの超高圧の化石海水は、動力回収タービン２２で動力回収されることにより約７ＭＰａまで減圧される。そのため、動力回収タービン２２→熱交換器１０→還元ポンプ２４に至る流路５、７は、生産井４の出口よりも遥かに低い圧力で設計が可能であり、設備の材料等を安価に抑えることができる。
　また、約３５ＭＰａの超高圧の化石海水は、動力回収タービン２２で動力回収されることにより減圧される。なお、本実施例においては、動力回収タービン２２において、化石海水の圧力が約７ＭＰａまで減圧されるように動力回収を実施しているが、７ＭＰａ以下であればそれに限られるものではない。動力回収タービン２２で動力回収して化石海水を減圧することで、還元ポンプ２４の入口圧力を低く抑えることができ、還元ポンプ２４の入口圧力の設計を低く抑えることができる。汎用ポンプは入口圧力が７ＭＰａ以下であるものがほとんどであるため、動力回収タービン２２では化石海水が７ＭＰａ以下まで減圧されるように動力回収を実施し、還元ポンプ２４として汎用ポンプを使用することで、還元ポンプ２４に係る費用を抑えることが可能となる。
　さらに、動力回収タービン２２で回収した動力を、還元ポンプ２４の駆動動力として使用しているため、化石海水が持つエネルギーを無駄なく使用することができる。
　なお、本実施形態１においては、動力回収タービン２２、電動機２６及び還元ポンプ２４を同軸上で連接したが、動力回収タービン２２と電動機２６の間や還元ポンプ２４と電動機２６の間に回転数や回転方向を整合させるために増・減速装置、クラッチを介在させることもできる。
　また、地熱発電設備１全体の安定操業のため、還元ポンプ２４の予備機を設けることもできる。図２は、実施形態１に係る地熱発電装置において、還元ポンプ２４に予備機を設けた場合における還元ポンプ２４周辺を示すブロック図である。
　動力回収タービン２２と並列に動力回収タービン２２と同程度の能力を有する動力回収タービン２２ｂを設けるとともに、還元ポンプ２４と並列に還元ポンプ２４と同程度の能力を有する還元ポンプ２４ｂを設け、タービン２２ｂと還元ポンプ２４ｂとをタービン２２と還元ポンプ２４と同様に、電動機２６ｂを介して機械的に連結している。
　このようにして、動力回収タービンと還元ポンプを一組として、予備機を設けることが可能である。
（実施形態２）
　図３は、実施形態２に係る地熱発電装置を示すブロック図である。
　図３において、図１と同一の符号は同一の作用・効果を示すものであり、その説明を省略する。
　実施形態２においては、動力回収タービン２２に直接又はクラッチ若しくは増・減速機などを介して発電機２７が機械的に連結されており、動力回収タービン２２で化石海水を減圧することによるエネルギーを電気エネルギーとして回収している。
　そして、発電機で回収したエネルギーは還元ポンプ２４の駆動用の電力として使用する。
　この際、動力回収タービンの出口に圧力計３０を設け、圧力計３０の検出値が一定となるようにコントローラ３２で発電機２７によって回収する電気エネルギーを制御する。これにより、動力回収タービン２２の出口側の圧力が一定に保たれ、それに従い還元ポンプ２４の入口圧力を一定に保つことができ、還元ポンプ２４を一定速度で駆動させれば還元ポンプ２４の出口圧力も一定に保つことができる。
　また、還元ポンプ２４は、発電機２７で回収した電気エネルギーが供給されるとともに、動力回収タービン２２から還元ポンプ２４の間の機械ロス分と及び前記化石海水が動力回収タービン２２→熱交換器１０→還元ポンプ２４に至る間の圧損分は、別途設けた電動機などの動力供給手段３６によって補われて駆動し、前記化石海水を超高圧高温帯水層２内よりも高圧まで昇圧する。具体的には、還元ポンプ２４の出口側に設けた圧力計４０の圧力が予め設定した超高圧高温帯水層２内よりも高い基準圧力以上となるように、コントローラ３８によって動力供給手段３６の出力を制御する。
　なお、コントローラ３２による制御又はコントローラ３８による制御は、図３に示したように両方使用することもできるが、何れか一方、若しくは両方を省略することもできる。
　実施形態２によれば、実施形態１と同様に、還元ポンプ２４の入口圧力を低く抑えることができ、還元ポンプ２４の入口圧力の設計を低く抑えることができる。また、動力回収タービン２２で回収した動力を、還元ポンプ２４の駆動動力として使用しているため、化石海水が持つエネルギーを無駄なく使用することができる。
　さらに、実施形態２固有の効果として、動力回収タービン２２と還元ポンプ２４は機械的に夫々独立した系であるため、配置上の制約が無くなる。さらに、動力回収タービンで、化石海水の持つエネルギーの一部を電気エネルギーとして回収するため、還元ポンプのみの予備機２５増設も可能であり、低コストでしかも容易に、地熱発電装置１全体の安定操業が可能となる。
（比較例１）
　図４は、比較例１に係る地熱発電装置を示すブロック図である。
　図４において、図１及び図７と同一符号は同一の作用・効果を示すものであり、その説明を省略する。
　比較例１においては、図７に示した従来の地熱発電装置に加えて、生産井４からセパレータ１３に至る流路上に減圧弁３４を設け、超高圧高温帯水層２の化石海水を利用して地熱発電を行うものである。
　これにより、超高圧の化石海水が減圧されてからセパレータ１３に導入されるため、セパレータは従来同様の耐圧設計のものを使用することができる。しかし、そのためには化石海水を大気圧近くまで減圧弁３４で減圧する必要があり、化石海水中に溶け込んでいる鉱物分が減圧弁３４からセパレータ１３に至る配管中で析出する可能性がある。また、減圧により化石海水のエネルギーを充分に利用できない。また、還元ポンプ２４によって大気圧近くから超高圧高温帯水層２内よりも高い圧力まで昇圧する必要があり、還元ポンプ２４に非常に高い能力が必要であり現実的ではない。
（比較例２）
　図５は、比較例２に係る地熱発電装置を示すブロック図である。
　図５において、図１及び図３と同一符号は同一の作用・効果を示すものであり、その説明を省略する。
　比較例２においては、バイナリ方式の発電装置８を適用したものである。
　この場合、還元ポンプ２４には、生産井から噴出した約３５ＭＰａから配管、熱交換器での圧損分を減じただけの非常に高圧の化石海水が流入する。
　そのため、還元ポンプ２４の入口では、一般的に用いられる汎用ポンプの入口圧力の限界である７ＭＰａを超え、還元ポンプ２４として汎用ポンプを使用することができない。
　化石海水のように超高圧の地下水を使用することが可能であり、しかも発電に用いた後の水を地下に戻すための還元ポンプとして汎用ポンプを使用することができる超高圧熱水を利用する地熱発電装置及び地熱発電における超高圧熱水の利用方法として利用することができる。

Claims (6)

  1. 　地中から地熱熱水を取り出す生産井と、該地熱熱水の持つ熱エネルギーを用いてタービンを駆動して電気エネルギーとして回収する発電設備と、前記熱エネルギーを取り出された地熱熱水を昇圧する還元ポンプと、該還元ポンプによって昇圧された地熱熱水を地中に戻す還元井とを有する地熱発電装置において、
    　前記地熱熱水が略７ＭＰａを超える高圧の地熱熱水であって、
    　前記生産井から前記発電設備に至る地熱熱水の流路上に、地熱熱水のエネルギーを回収して減圧させる動力回収タービンを設け、
    　前記動力回収タービンによって前記地熱熱水を略７ＭＰａ以下に減圧するとともに、
    　前記動力回収タービンによって回収したエネルギーを前記還元ポンプの駆動動力の一部として使用することを特徴とする地熱発電装置。
  2. 　電気エネルギーによって駆動する電動機を有し、
    　該電動機の回転軸と、前記還元ポンプの回転軸を機械的に連結するとともに、
    　前記電動機の回転軸と、前記動力回収タービンの回転軸とを機械的に連結したことを特徴とする請求項１記載の地熱発電装置。
  3. 　前記還元ポンプの吐出側に圧力計を設け、
    　該圧力計の検出値は、前記電動機の駆動を制御する電動機制御手段に取り込まれ、
    　前記電動機制御手段は、前記圧力計の検出値が、地中から取り出される地熱熱水の圧力よりも高圧に設定された所定圧力以上となるように、前記電動機の駆動を制御することを特徴とする請求項２記載の地熱発電装置。
  4. 　前記動力回収タービンによって回収されたエネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機を有し、該発電機によって回収された電気エネルギーを前記還元ポンプの駆動動力の一部として使用することを特徴とする請求項１記載の地熱発電装置。
  5. 　前記動力回収タービンの吐出側に圧力計を設け、
    　該圧力計の検出値は、前記発電機の駆動を制御する発電機制御手段に取り込まれ、
    　前記発電機制御手段は、前記圧力計の検出値が、予め設定した所定圧力よりも高圧となるように、前記発電機の駆動を制御することを特徴とする請求項４記載の地熱発電装置。
  6. 　生産井から地中の地熱熱水を取り出し、該地熱熱水の持つ熱エネルギーを用いてタービンを駆動して電気エネルギーとして回収し、前記熱エネルギーを取り出された地熱熱水を昇圧して還元井から地中に戻す地熱発電における熱水の利用方法であって、
    　前記地熱熱水が略７ＭＰａを超える高圧の地熱熱水であって、
    　前記生産井から取り出した地熱熱水の流路上に設けた動力回収タービンによって前記地熱熱水を略７ＭＰａ以下に減圧し、該減圧した地熱熱水の持つエネルギーを前記タービンの駆動に使用するとともに、
    　前記動力回収タービンによって回収したエネルギーを前記昇圧の動力の一部として使用することを特徴とする地熱発電における超高圧熱水の利用方法。
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