JP5917352B2 - 蒸気発生システム、地熱発電システム、蒸気発生方法及び地熱発電方法 - Google Patents
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Description
本発明者はその後検討を行った結果、従来行われている地下の熱水を取出す方式、または地下熱交換器内で蒸気を発生させ、気液二相流として地上に取り出し、気水分離器を経て蒸気をタービンに導入する方式における問題点を解決し、より効率的にエネルギー取得が可能な地熱交換器と地熱発電装置の発明に至った。
さらに、加圧水注入管が熱水取出管の外周側に配置されているため、加圧水注入管は地熱帯からの熱を受け取りやすく、加圧水注入管に注入される水を効率良く高温状態にすることができる。
ここでの断面積とは、主流と垂直な方向について、熱水取出管および加圧水注入管を切断したときの断面積を意味する。
これにより、加圧水注入管から熱水取出管に移った熱水が熱水取出管内を上昇する際の流速を早くすることができる。そのため、熱損失を防いで、熱水取出管中の熱水を高温状態で取りだす効果が期待できる。
これにより、加圧水注入管を下降する水に対して地熱帯からの熱が効果的に伝導するとともに、熱水取出管中を上昇する熱水からの熱伝導は抑制されるため、熱水取出管中の熱水を高温状態で取りだすことができる。
これにより、最高温部と予想される最下部領域における流体の滞留時間を増やし、地熱帯からの熱の供給により高温となった加圧水注入管内の水が熱水取出管へスムーズに移ることができる。
中間層が熱水取出管の全長に亘って設けられているため、中間層による加圧水注入管と熱水取出管との断熱効果を高めることができる。
これにより、地下に存在する天然の熱水または蒸気が地上に上昇して、熱源が保有する熱エネルギーが失われることを防止できるとともに、天然の地熱水や蒸気が失われて自然環境が破壊されることを防止することができる。
伝熱面積増大手段が設けられていることにより、地熱帯の熱が加圧水注入管に伝達されやすくなり、加圧水注入管内を流れる加圧水を効率良く加熱することができる
加圧水注入管、熱水取出管からなる2重管構造体、あるいは加圧水注入管、熱水取出管、中間層からなる3重管構造体の荷重を支持台によって分散して受けることができ、吊り下げ方式のものよりも、地熱井に対して安定して設置することができる。
3重管構造の部分では、振動、特に横方向の振動が発生しやすいが、補強部を設けることにより、この部位での振動を防止することができる。
既存の設備に付帯する空の地熱井や休止中の地熱井に対して、熱水取出管と加圧水注入管とが組み合わされて構成される挿入管を挿入して用いることにより、新たにボーリングを行うことなく、熱水によるエネルギーを取出すことができる。
また、本発明の地熱発電方法は、上述した地熱交換器を使用し、複数の熱水取出管の出口を並列につなぎ、それぞれの地熱井を用いて得られる熱水を合計して採取し、その採取された熱水が蒸気発生器に送られて生成される蒸気によって発電をすることを特徴とする。
本発明の地熱交換器を用いて発電を行うことにより、自然環境に悪影響を与えることなくエネルギー効率の高い発電を行うことができる。
図1は、本発明の実施形態に係る地熱交換器の構成を示す図である。図1(a)は、地熱交換器の概観を示す図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A断面図であり、図1(c)は、図1(a)のB−B断面図である。
この方式によると、地下の地熱交換器・配管等で水を沸騰させることなく、高圧給水ポンプ17で圧力をかけて熱水のみを地上に取出し、蒸気発生器21内だけで減圧沸騰させ、高温・高圧の蒸気を取り出すことができる。
蒸気発生器21で生成された蒸気は蒸気過熱器22でさらに加熱されて、高温・高圧の蒸気としてタービン23に送られ、発電機24で発電がなされる。タービン23内の蒸気は復水器25に送られ、復水器25によって生成される復水は、高度処理水と合わせて、高圧給水ポンプへ送られ、再び地熱井へ送られる。
図3に示すように、中間層13が熱水取出管12の全長に亘ってその外側に設けられた3重管構造となっており、熱水取出管12の最下部に熱水取入口26が設けられている。加圧水注入管11を下降して加熱された熱水は、熱水取入口26から熱水取出管12に取り込まれる。この構造によると、中間層13が熱水取出管12の全長に亘って設けられているため、中間層13による加圧水注入管11と熱水取出管12との断熱効果を高めることができる。
図4に示すように、加圧水注入管11の深さ方向の中間位置において、加圧水注入管11の外周側に中間蓋部27が設けられている。中間蓋部27は、地熱井2を塞ぐように、加圧水注入管11の外周に亘って径方向に突出するように設けられたものであり、地熱井2は中間蓋部27によって上下方向に仕切られる構造となっている。
図5に示すように、加圧水注入管11の外周側には、伝熱面積を増大させて地熱帯からの伝熱を促進する伝熱面積増大手段として機能する側壁フィン29が複数設けられている。側壁フィン29は、加圧水注入管11の外周に亘って径方向に突出するように設けられた円盤状の形状とすることができる他、その形状と数は状況に合わせて適宜変更できる。
なお、上述した中間蓋部27、支持台28、側壁フィン29、底部フィン30は、図3に示す構造のものに対しても同様に取り付けることができる。また、図3に示すものに対して、図1に示すものと同様に、3重管構造の最下部に補強部16を設けることができる。
2 地熱井
3 地表
10 地熱帯
11 加圧水注入管
11a 加圧水注入管の上端
11b 加圧水注入管の下端
12 熱水取出管
12a 熱水取出管の上端
12b 熱水取出管の下端
13 中間層
14 中管
15 導入穴
16 補強部
17 高圧給水ポンプ
18 圧力調整部
19 蓋
20 発電機室
21 蒸気発生器
22 蒸気過熱器
23 タービン
24 発電機
25 復水器
26 熱水取入口
27 中間蓋部
28 支持台
29 側壁フィン
30 底部フィン
Claims (16)
- 加圧された処理水が供給される加圧水注入管と、前記加圧水注入管中を地熱帯まで下降する処理水に対して、地熱帯から熱が供給されて生成される熱水が蒸気を含まない状態で上昇する熱水取出管とを有する地熱交換器と、
前記熱水取出管から蒸気を含まない熱水のみの状態で取り出すのに必要な圧力を供給可能な高圧給水ポンプと、
前記熱水取出管から取水された熱水を減圧する蒸気発生器と、
を備え、
前記加圧水注入管が前記熱水取出管の外周側に配置されており、前記熱水は前記加圧水注入管の下部を通って前記熱水取出管に移る構造を有しているとともに、地下の前記地 熱交換器で処理水を沸騰させることなく、前記熱水取出管から取り出された前記熱水が蒸気発生器に送られて前記蒸気発生器内のみで蒸気として取り出してなることを特徴とする地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。 - 前記熱水取出管は、断熱性の高い材料で形成されていることを特徴とする請求項1記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 前記熱水取出管は、配管の有効熱伝導率が0.01W/mK〜0.1W/mKであることを特徴とする請求項1又は2に記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 前記高圧給水ポンプは、地熱交換器総経路間で相変化を起こさず、熱交換器出口において熱水として取り出すための入力圧力を調整していることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 地表側から地熱帯の途中に至るまでの区間では、前記加圧水注入管と前記熱水取出管との間に中間層が設けられることにより、地熱帯に近い側から順に、前記加圧水注入管と前記中間層と前記熱水取出管とからなる3重管構造となっており、前記中間層は、ガス層あるいは断熱材充填層であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 前記熱水取出管の断面積は、前記加圧水注入管の断面積より小さくなるように、前記熱水取出管と前記加圧水注入管とが形成されていることを特徴とする請求項1から5記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 前記熱水取出管の外側に直接、前記加圧水注入管が形成される2重管構造となっている区間では、前記熱水取出管の外周に導入穴が複数設けられており、この導入穴によって、前記加圧水注入管の下部付近に存在する熱水が前記熱水取出管に取りこまれることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 前記熱水取出管の全長に亘ってその外側に前記中間層が設けられた3重管構造となっており、前記熱水取出管の最下部から熱水が取りこまれることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 前記加圧水注入管の外周側に、地下に存在する天然の熱水または蒸気が地熱井を上昇することを防止する中間蓋部が設けられていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 前記加圧水注入管には、伝熱面積を増大させて地熱帯からの伝熱を促進する伝熱面積増大手段が設けられていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 前記3重管構造の部分の最深部と途中の任意の位置に、振動防止のための補強部が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 少なくとも1つの前記熱水取出管と1つの前記加圧水注入管とが組み合わされてなる挿入管が、1つまたは複数の地熱井に対して1つまたは複数挿入され、この挿入管と地上に配置される前記高圧給水ポンプと前記蒸気発生器とが組み合わされて構成されることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システム。
- 請求項1から12のいずれかに記載の地熱帯を熱源とする蒸気発生システムを用いて発電を行うことを特徴とする地熱発電装置。
- 加圧された処理水が供給される加圧水注入管と、前記加圧水注入管中を地熱帯まで下降する処理水に対して、地熱帯から熱が供給されて生成される熱水が蒸気を含まない状態で上昇する熱水取出管とを有する地熱交換器と、
前記熱水取出管から蒸気を含まない熱水のみの状態で取り出すのに必要な圧力を供給可能な高圧給水ポンプと、
前記熱水取出管から取水された熱水を減圧する蒸気発生器と、
を備え、
前記加圧水注入管が前記熱水取出管の外周側に配置されており、前記熱水は前記加圧水注入管の下部を通って前記熱水取出管に移る構造を有しているとともに、地下の前記地熱交換器で処理水を沸騰させることなく、前記熱水取出管から取り出された前記熱水が蒸気発生器に送られて前記蒸気発生器内のみで蒸気として取り出してなり、
前記蒸気発生器内のみで取り出された蒸気によって発電をすることを特徴とする地熱発電システム。 - 請求項1から12のいずれか1項に記載の蒸気発生システムを使用し、複数の熱水取出管の出口を並列につなぎ、それぞれの地熱井を用いて得られる熱水を合計して採取し、その採取された熱水が蒸気発生器に送られて生成される蒸気によって発電をすることを特徴とする地熱発電方法。
- 加圧された処理水が供給される加圧水注入管と、前記加圧水注入管中を地熱帯まで下降する処理水に対して、地熱帯から熱が供給されて生成される熱水が蒸気を含まない状態で上昇する熱水取出管とを有する地熱交換器と、
前記熱水取出管から蒸気を含まない熱水のみの状態で取り出すのに必要な圧力を供給可能な高圧給水ポンプと、
前記熱水取出管から取水された熱水を減圧する蒸気発生器と、
を備え、
前記加圧水注入管が前記熱水取出管の外周側に配置されており、前記熱水は前記加圧水注入管の下部を通って前記熱水取出管に移る構造を有しているとともに、地下の前記地熱交換器で処理水を沸騰させることなく、前記熱水取出管から取り出された前記熱水が蒸気発生器に送られて前記蒸気発生器内のみで蒸気として取り出してなることを特徴とする地熱帯を熱源とする蒸気発生方法。
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