特許 6695561 地熱交換器および地熱発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6695561

(24)【登録日】2020年4月24日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】地熱交換器および地熱発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03G 4/00 20060101AFI20200511BHJP

   F01K 27/02 20060101ALI20200511BHJP

【ＦＩ】

   F03G4/00 501

   F01K27/02 Z

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2020-19771(P2020-19771)

(22)【出願日】2020年2月7日

【審査請求日】2020年2月7日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】515126592

【氏名又は名称】株式会社エスト

(74)【代理人】

【識別番号】100116296

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 幹生

(72)【発明者】

【氏名】田原 千年生

【審査官】 高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】 特許第６１７６８９０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２０１６−２０５３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２１１５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１６４３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−００５１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２２７１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４１８９９２３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｂ ４３／００

Ｆ０１Ｋ ２７／０２

Ｆ０３Ｇ ４／００

Ｆ２８Ｄ １／００−１３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地中に設けられ地上から水が供給される外管と、前記外管の内側に配置された内管とを備えた２重管構造であり、内管はその底部に設けられた仕切弁を備え、外管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて、沸騰せずに高圧熱水が生成される高圧エリアが形成され、仕切弁が開いたときに高圧エリアの高圧熱水が内管内に流入し、内管内の減圧エリアの上部はタービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換され、この気液２相流が地上に取出される地熱交換器であって、
減圧エリアでのフラッシュ率を向上させる第一のフラッシュ率向上手段を有し、第一のフラッシュ率向上手段は、仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力と内管内の減圧エリアとの圧力差が設定基準値を超えたときに仕切弁が開いて、減圧エリアにおける圧力が、タービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換されることによるものであり、外管に注入される水を加圧ポンプにより加圧する圧力を設定することによって、仕切弁が開くようになっており、
地上でのフラッシュ率を向上させる第二のフラッシュ率向上手段を有し、第二のフラッシュ率向上手段は、地上に配置されたフラッシャーと、フラッシャーに接続された蒸気加熱器と、蒸気加熱器の出口側に設けられた増圧ファンとによって構成され、フラッシャーで気水分離されて単相流となった蒸気を、蒸気加熱器で加熱して過熱蒸気とし、この過熱蒸気を増圧ファンによって蒸気加熱器出口において増圧するものであることを特徴とする地熱交換器。

【請求項2】

前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにしたことを特徴とする請求項１記載の地熱交換器。

【請求項3】

前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、水の臨界圧力付近として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにしたことを特徴とする請求項１記載の地熱交換器。

【請求項4】

前記蒸気加熱器による加熱は、高温の燃焼排気の排熱を用いてなされることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の地熱交換器。

【請求項5】

前記蒸気加熱器と前記増圧ファンは、一体型の装置として製造され、現地工事前に、工場製作時に予め機能が確認されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の地熱交換器。

【請求項6】

前記蒸気加熱器と前記増圧ファンとの組み合わせが、直列に複数配列されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の地熱交換器。

【請求項7】

請求項１から６のいずれかに記載の地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする地熱発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地熱エネルギーを効率よく取り出すことができる地熱交換器および地熱発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地熱エネルギーを利用して発電する地熱発電は、高温のマグマ層を熱源とするものであり、半永久的な熱エネルギーとすることができるとともに、発電の過程において温室効果ガスを発生しないことから、化石燃料の代替手段として近年注目されている。また、原子力発電所の事故により、原子力に多くを依存していた日本のエネルギー政策は根本から見直すことを余儀なくされており、地熱エネルギーの活用への期待が高まっている。

【0003】

従来の地熱発電は、地熱帯をボーリングし、地熱帯に存在する自然の蒸気や熱水を自然の圧力を利用して取り出し発電を行っている。そのため、取り出された蒸気と熱水には、地熱帯特有の硫黄その他の不純物が多量に含まれている。この不純物はスケールとなって、熱井戸や配管類、あるいはタービン等に付着する。スケールが付着すると、経年的に発電出力が減少し長期間の使用が困難となる。

【0004】

このスケールによる問題を解決するために、地上から水を送り、エネルギーを採取する方式を採用した地熱交換器が、特許文献１、特許文献２に記載されている。また、地熱エネルギーを有効に取り出すことを目的として、地下においてフラッシュ率を向上させる手段を備えた地熱交換器に関する発明が、特許文献３に記載されている。

【0005】

【特許文献1】特許第４９２７１３６号公報

【特許文献2】特許第５７３１０５１号公報

【特許文献3】特許第６１７６８９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献３に記載されたものは、地下に設置された地熱交換器で取出した高温熱水と蒸気の気液２相流を取出すものであるが、高温の地熱地帯をピンポイントで探すことが難しく、このことがボーリング費用を押し上げる大きな原因となっている。一般的に地熱開発では、投資金額に見合う坑井の開発は非常に難易度が高く、また、メンテナンスにおいても非常に高額なるという欠点がある。

【0007】

また、特許文献３に記載されたものは、地下で発生させた気液２相流の圧力水を地上に設置されたフラッシャー内で分離させて蒸気を発生させるものであるが、この場合において、蒸気を発生させるメカニズムは、蒸気温度を圧力水より低い温度で減圧沸騰させることが基本であるため、蒸気温度を高くするためには、高温の地熱帯を探さなければならない。

【0008】

さらに、特許文献３では、取り出す圧力水の温度を上げるために、地中深くボーリングをしなければ、十分な地熱が得られないことが欠点となっている。このことがボーリング工事費用を押し上げ、ボーリング地点が少なくなるという逆循環になっている。

【0009】

国が推し進める超臨界地熱発電においては、３７４℃、２２ＭＰa以上の領域までボーリングしなければならない。この場合において、２重管を直線状に施工することが難しい場合には、斜め掘りや水平掘り、非直線状のボーリングを行うことが必要になる。さらに、日本国内の主要な地熱地帯は、多くの場合温泉地域であり、温泉枯渇を心配する地域の同意を得るために、地熱流体を取出さない高効率の地熱交換システムの開発が重要である。また、地熱開発においては、全国に圧倒的に多く存在する、約１８０℃以下の中低温地帯を対象とした地熱発電システムの開発が重要である。

【0010】

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、約１８０℃以下の中低温の地熱帯を用いても、効率良く熱交換を行うことができ、地熱開発の対象となる場所の数を増やして、地熱エネルギー採取量を増やすことを可能とする地熱交換器と、この地熱交換器を用いて効率良く大容量の発電を行うことが可能な地熱発電装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

以上の課題を解決するために、本発明の地熱交換器は、地中に設けられ地上から水が供給される外管と、前記外管の内側に配置された内管とを備えた２重管構造であり、内管はその底部に設けられた仕切弁を備え、外管内の水に対して地熱帯から熱が供給されて、沸騰せずに高圧熱水が生成される高圧エリアが形成され、仕切弁が開いたときに高圧エリアの高圧熱水が内管内に流入し、内管内の減圧エリアの上部はタービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換され、この気液２相流が地上に取出される地熱交換器であって、減圧エリアでのフラッシュ率を向上させる第一のフラッシュ率向上手段を有し、第一のフラッシュ率向上手段は、仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力と内管内の減圧エリアとの圧力差が設定基準値を超えたときに仕切弁が開いて、減圧エリアにおける圧力が、タービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換されることによるものであり、外管に注入される水を加圧ポンプにより加圧する圧力を設定することによって、仕切弁が開くようになっており、地上でのフラッシュ率を向上させる第二のフラッシュ率向上手段を有し、第二のフラッシュ率向上手段は、地上に配置されたフラッシャーと、フラッシャーに接続された蒸気加熱器と、蒸気加熱器の出口側に設けられた増圧ファンとによって構成され、フラッシャーで気水分離されて単相流となった蒸気を、蒸気加熱器で加熱して過熱蒸気とし、この過熱蒸気を増圧ファンによって蒸気加熱器出口において増圧するものであることを特徴とする。

【0012】

高圧エリアでは、外管に注入される水を加圧ポンプにより加圧する圧力を設定することによって、高圧の状態を作ることができ、これによって、高圧エリアに存在する、蒸気を含まない液相の高圧熱水は、熱量を多く含む状態となる。内管の底部には仕切弁が設けられており、この仕切弁は、仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力と内管内の減圧エリアとの圧力差が設定基準値を超えたときに開いて、減圧エリアで減圧されて気液２相流に変換されるため、熱量を多く含む熱水から気液２相流が生成されることになり、減圧エリアでのフラッシュ率を向上することができる。

【0013】

また、地下に設置された仕切弁を介して、熱水から気液２相流が生成されるため、熱水を地上に上げてから気液２相流を生成する方式と比較すると、外管に注入される水を加圧するための加圧ポンプの負担が小さくて済み、エネルギー採取のための総合効率を高めることができる。

【0014】

さらに、地上において、フラッシャーで気水分離されて単相流となった蒸気を、蒸気加熱器で加熱して過熱蒸気とし、この過熱蒸気を増圧ファンによって蒸気加熱器出口において増圧することによって、フラッシャー出口では減圧されるため、フラッシュ率が大きくなり、蒸気発生量を増やすことができる。そのため、約１８０℃以下の中低温の地熱帯を用いても、効率良く熱交換を行うことができ、地熱開発の対象となる場所の数を増やして、地熱エネルギー採取量を増やすことが可能となる。

【0015】

本発明の地熱交換器においては、前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにした構成とすることができる。

【0016】

また、本発明の地熱交換器においては、前記仕切弁が設置された位置における高圧エリア内の高圧熱水の圧力を、水の臨界圧力付近として、前記圧力差の設定基準値を超えて前記仕切弁が開くようにした構成とすることができる。

【0017】

本発明の地熱交換器においては、前記蒸気加熱器による加熱は、高温の燃焼排気の排熱を用いてなされることとすることができる。

【0018】

高温の燃焼排気の排熱を用いることにより、発電によるもの以外のエネルギーを用いることができる。その一例として、バイオマス燃料等を用いることができる。

【0019】

本発明の地熱交換器においては、前記蒸気加熱器と前記増圧ファンは、一体型の装置として製造され、現地工事前に、工場製作時に予め機能が確認されていることとすることができる。

【0020】

蒸気加熱器と増圧ファンまでを工場にて製作して組み立てた上で設置することにより、現地での工事を簡易にし、工期の短縮を図ることができる。

【0021】

本発明の地熱交換器においては、前記蒸気加熱器と前記増圧ファンとの組み合わせが、直列に複数配列されていることとすることができる。

【0022】

蒸気加熱器と増圧ファンとの組み合わせが、直列に複数配列されていることにより、より高温の過熱蒸気を生産することができる。

【0023】

本発明の地熱発電装置は、本発明の地熱交換器を用いて発電を行うことを特徴とする。
本発明の地熱交換器は、フラッシュ率を向上することができるため、大容量の発電が可能となる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によると、約１８０℃以下の中低温の地熱帯を用いても、効率良く熱交換を行うことができ、地熱開発の対象となる場所の数を増やして、地熱エネルギー採取量を増やすことを可能とする地熱交換器と、この地熱交換器を用いて効率良く大容量の発電を行うことが可能な地熱発電装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置の構成を示す図である。

【図2】特許文献３におけるシステムフローを示す図である。

【図3】本発明におけるシステムフローを示す図である。

【図4】本発明におけるシステムフローを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下に、本発明の地熱交換器と地熱発電装置を、その実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る地熱交換器と地熱発電装置の構成を示す。
地熱交換器１は、地中に設けられ地上から水が供給される外管２と、外管２の内側に配置された内管３とを備えた２重管構造であり、内管３は、その底部４に設けられた仕切弁６を備えている。

【0027】

外管２内に注入された水に対して、地熱帯から熱が供給されて沸騰せずに高圧熱水が生成され、高圧エリア５が形成される。この高圧熱水は沸騰せずに、仕切弁６が開いたときに内管３内に流入する。高圧エリア５では、蒸気を含まない液相の高圧熱水として存在する。

【0028】

内管３内の減圧エリア８では、タービンが必要とする圧力近くに減圧されており、この減圧エリア８において、高圧熱水は気液２相流に変換され、この気液２相流が地上に取出される。

【0029】

地熱交換器１は、地下において、減圧エリア８でのフラッシュ率を向上させる第一のフラッシュ率向上手段を有している。この第一のフラッシュ率向上手段は、仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５内の高圧熱水の圧力と内管３内の減圧エリア８との圧力差が設定基準値を超えたときに仕切弁６が開いて、減圧エリア８における圧力が、タービンが必要とする圧力近くに減圧されて気液２相流に変換されることによるものであり、外管２に注入される水を加圧ポンプ９によって加圧する圧力を設定することによって、仕切弁６が開くようにするものである。仕切弁６が設置された位置における高圧エリア５内の高圧熱水の圧力を、地熱帯の温度条件から定められる水の飽和温度における飽和圧力とすることができ、また、水の臨界圧力付近とすることもできる。

【0030】

生産された気液２相流は上昇して地上に取出され、フラッシャー１０内で、蒸気と圧力水に分離される。地上では、フラッシャー１０に接続された蒸気加熱器１５と、蒸気加熱器１５の出口側に設けられた増圧ファン１６とを備えている、分離によって生じた蒸気単相流は、蒸気加熱器１５によって加熱されて過熱蒸気となり、この過熱蒸気は増圧ファン１６によって、蒸気加熱器１５の出口において増圧される。

【0031】

蒸気加熱器１５によって、蒸気を飽和蒸気から過熱蒸気に変えることができ、これにより、タービン１２の効率を向上させることができる。さらに、蒸気加熱器１５の出口に蒸気を移送する増圧ファン１６が設置されていることにより、フラッシャー１０の出口の圧力を減圧ことができる。そのため、フラッシュ率が高くなり、蒸気発生量が大きくなって、大容量の地熱発電が可能となる。

【0032】

このように、地上において、フラッシュ率を向上させる第二のフラッシュ率向上手段を有しており、この第二のフラッシュ率向上手段は、地上に配置されたフラッシャー１０と、フラッシャー１０に接続された蒸気加熱器１５と、蒸気加熱器５の出口側に設けられた増圧ファン１６とによって構成され、フラッシャー１０で気水分離されて単相流となった蒸気を、蒸気加熱器１５で加熱して過熱蒸気とし、この過熱蒸気を増圧ファン１６によって、蒸気加熱器１５の出口において増圧するものである。

【0033】

フラッシャー１０は容量を十分に大きくして、地熱の時間変動、負荷の時間変動に余裕をもって対応できるように設計されている。フラッシュ率が大きくなるように設計することによって、循環水量を減らす効果も得られるため、地熱交換器の熱効率を向上することができる。

【0034】

フラッシャー１０内に貯留する圧力水は、フラッシャー１０に十分な容量を持たせて貯留させることにより、坑井の温度の時間変化に対応できる熱容量を持たせることができ、発電に適用した場合に、発電出力を安定化させることができる。坑井は水平状の掘削とすることができる（自在掘削）点で、適用できる坑井の範囲を大幅に増やすことができる。

【0035】

過熱蒸気は、蒸気槽１１と蒸気弁２１を経てタービン１２に導入されて、タービン１２を駆動させ、発電機１４によって発電がなされる。蒸気槽１１には、放散弁１３が接続されている。

【0036】

蒸気加熱器１５の熱源として、発電出力の一部を使うこともできるが、高温の燃焼排気の排熱を用いることもできる。その一例として、バイオマス発電等の燃焼排気を利用することができる。この場合には、蒸気温度を大きく上げることができる点で、さらに有効である。

【0037】

蒸気加熱器１５と増圧ファン１６は、一体型の装置として製造され、現地工事前に、工場製作時に予め機能が確認されているようにすることができる。また、蒸気加熱器１５と増圧ファン１６との組み合わせが、直列に複数配列されているようにすることができる。状況に応じて、蒸気加熱器１５と増圧ファン１６の配列の順序を入れ替えて、蒸気の増圧・過熱の順序を入れ替えることもできる。

【0038】

地上に取出された気液２相流から蒸気を分離された後の圧力水は、高温状態を維持して循環水槽２３に供給され、復水器１８から補給水槽１９に送られる循環水を加熱する構成となっている。補給水槽１９には、補給水ポンプ２２と水処理装置１７が接続されている。蒸気を分離された残りの圧力水は、まだ十分に圧力、温度とも高い状態であるため、この圧力水で循環水を加熱することにより、システムの安全性を高めることができる。

【0039】

以下に、特許文献３に記載されたものと比較しつつ、本発明の具体的な実施例を示す。
図２に、特許文献３におけるシステムフローを示す。
図２においては、特許文献３に記載の地熱交換器を用いて、１６０℃の熱水から１４５℃の飽和蒸気を発生させるフローを示している。この場合、
フラッシュ率（％）＝(高温側熱水の潜熱-低温側の熱水の潜熱)/低温側の蒸発潜熱
＝（６７５．５５−６１０．６３）÷２１２９．６０＝３．０５％
である。
この計算において、表１に示す飽和蒸気表の数値を用いている。

【0040】

【表1】

【0041】

このフラッシュ率の値が大きいほど、高効率のシステムを構築することができるが、全国各地に点在する地熱地帯（特に１８０℃以下の地熱帯）において、１６０℃の熱水から１４５℃の飽和蒸気を生産させるモデルでは、フラッシュ率は３．０５％であり、その場合においては、蒸気量の約３２．８倍（１／０．０３０５）の循環水を循環させることが必要となる。大部分の地熱帯の温度が１８０℃以下であることから、蒸気温度を高くすることができず、効率を高くすることができないことも併せて、大容量の発電を計画することは難しい。

【0042】

このような問題点を解決するために、本発明においては、図３に示すフローを用いている。図３では、１６０℃の熱水を減圧沸騰させて、１００℃の飽和蒸気を発生させ、地上に配置された蒸気加熱器１５を用いて、１３５℃の過熱蒸気を生産している。

【0043】

図４は、１６０℃の熱水を減圧沸騰させて、１００℃の飽和蒸気を発生させる点は、図３に示すものと同様であるが、蒸気加熱器１５と増圧ファン１６を一体として工場で製造し、現地に設置したものを示している。

【0044】

蒸気加熱器１５と増圧ファン１６の一体型装置の入力側では、蒸気は１００℃、０．１０１４ＭＰａであり、出力側では、１３５℃、０．４１５ＭＰａとなっている。この数値の詳細については、後に詳述する。

【0045】

本発明における課題は、フラッシュ率をアップすることによって蒸気生産効率をアップすること、蒸気温度を高くすること、高温の地熱帯をボーリングすることなく効率良く地熱エネルギーを取り出すことにある。
このような課題設定のもとに、以下のような設計を行った。
表２に、過熱蒸気表を示す。

【0046】

【表2】

【0047】

設計の基準数値の設定のために参考とした、蒸気温度、蒸気圧力、蒸気量の平均的な数値を、表３に示す。

【0048】

【表3】

【0049】

本発明における基本方針は、
１．特許文献３の手法によって、１６０℃の熱水から１００℃の飽和蒸気を生成する
２．１で生産した飽和蒸気を、加熱し、過熱蒸気とする
３．フラッシャー出口の圧力を下げることによって、圧力差を大きくし、フラッシュ率をアップさせる（地下の仕切弁の、入口と出口の圧力差を大きくする）
ことにある。
表４に、１６０℃の熱水を減圧沸騰させて、１００℃の飽和蒸気を発生させる数値データを示す。

【0050】

【表4】

【0051】

(高温側熱水の潜熱-低温側の熱水の潜熱)/低温側の蒸気の潜熱
＝（６７５．５５−４１９．０４）÷２２５７．０＝１１．３７％
となり、１６０℃の熱水を１００℃まで減圧沸騰することによって、循環水の１１．３７％の飽和蒸気を生成することができる。

【0052】

本発明においては、生産した飽和蒸気を増圧ファン１６で増圧する前に、飽和蒸気が熱水に戻らないように、蒸気加熱器１５によって１３５℃の過熱蒸気にする。タービン１２へ入力する蒸気が、飽和蒸気から過熱蒸気になることにより、蒸気のエネルギーが増え、低温度の地熱井からでも、熱水の抽出が可能となる。
表５に、潜熱の数値を示す。

【0053】

【表5】

【0054】

蒸気加熱器の必要容量Ｃは、表１（飽和蒸気表）、表２（過熱蒸気表）、表３（蒸気流量）に示す数値を用いて、
Ｃ＝蒸気流量×(高温側潜熱 - 低温側潜熱)
＝０．３０５６ × (２７４６．６−２６７６．１)
＝２１．５ｋＷ
従って、１００℃の飽和蒸気を１３５℃の過熱蒸気とするために必要な電力は、２１．５ｋＷとなる。この加熱のための熱源は、電力以外のものを用いることができる。
表６、表７に、増圧ファンの必要出力と、関連数値を示す。

【0055】

【表6】

【0056】

【表7】

【0057】

増圧ファン１６がない場合、タービン１２の入力蒸気圧が蒸気発生器での蒸気圧と等しくなるため、そのフラッシュ率は、表８のようになる。表８において、タービン入力蒸気圧（０．４１ＭＰａ）での飽和蒸気温度は約１４５℃であることを用いている。

【0058】

【表8】

【0059】

このように、飽和蒸気を蒸気加熱器１５により加熱した後、増圧ファン１６により増圧することにより、フラッシュ率は、１１．３７-３．０５＝８．３２ポイント改善する。
表９、表１０に、蒸気加熱器１５と増圧ファン１６を用いた場合と、これらを用いない場合との比較を示す。

【0060】

表９は、蒸気加熱器・増圧ファンがない場合（１４５℃の飽和蒸気−エンタルピー２７４０．３ｋＪ／kg）であり、表１０は、蒸気加熱器・増圧ファンをつけた場合（１３５℃の過熱蒸気−エンタルピー２７４６．６ｋＪ／kg）である。

【0061】

【表9】

【0062】

【表10】

【0063】

本発明においては、蒸気加熱器１５と増圧ファン１６を設置した結果、循環水量が少なくて済むため、加圧ポンプの容量が少なくて済む。加圧ポンプの能力によって、発電出力が左右されるため、以下に、加圧ポンプの容量計算の詳細を示す。

【0064】

ポンプ揚程のうち、ヘッド（高さ）は入りと出が相殺するため、損失水頭とフラッシャーの出口圧力とする。数式はダルシー・ワイスバッハの式を採用した。
損失水頭 Ｈｌ＝ｆ×Ｌ×Ｖ^２／２Ｇ×Ｄ
摩擦損失係数 ｆ＝０．０２＋０．０００５／Ｄ
表１１に、計算に用いるＬ、Ｄ、Ｖを示し、表１２に、配管用炭素鋼管（ＳＧＰ）からなる２重管の径の数値を示す。外管は３５０ｍｍの配管用炭素鋼鋼管（ＳＧＰ）であり、内管は２５０ｍｍのＳＧＰ鋼管である。重力加速度Ｇを９．８としている。

【0065】

【表11】

【0066】

【表12】

【0067】

表１３、表１４に、外管と内管について、特許文献３に記載のものと、本発明との対比を示す。表１３において、内管は地上分の設備分の損失水頭分として１００ｍを加えた数値とした。

【0068】

【表13】

【0069】

【表14】

【0070】

表１５に、特許文献３の場合と、本発明の場合について、加圧ポンプの比較を示す。

【0071】

【表15】

【0072】

表１５に示す数値については、条件を同じにするため、以下のようにシステム全体の数値を統一している。
１ ポンプ容量＝９．８×Ｑ×Ｈ／η（Ｑ：流量、Ｈ：高さ、η：効率）
２ 小水量、高揚程循環ポンプとする。
３ 加圧する圧力は、飽和圧力（沸騰圧）とする。
４ 両システムとも、圧力弁に水圧分が作用する。（水圧分全揚程が減少する）
５ 循環水量＝タービン必要流量／フラッシュ率（％）とする。

【0073】

損失水頭の計算では、特許文献３による方式では、発電に占めるポンプ容量は４３％に達する。そのため、この方式では、もっと高温帯をボーリングして、フラッシュ率を上げることが必要となる。

【0074】

このように、本発明において、蒸気加熱器１５と増圧ファン１６を設置したことにより、発電出力を同じ条件とした場合、蒸気温度は１０℃低くてよいため、低温度の地熱帯に適用できる。また、循環水量は２６．８％で済むため、加圧ポンプの容量削減ができる。さらに、フラッシュ率は３．７倍となる。
表１６に、特許文献３に記載のものと、本発明との性能比較を示す。表１６において、合計欄は、発電数値−（加熱器＋増圧ファン＋ポンプ容量）で計算した。また、差は、（本発明方式−特許6176890）で計算した。

【0075】

【表16】

【0076】

表１６に示すように、発電出力を同じとした場合、本発明方式の方が、総合出力は２９．６ｋＷ増加する。

【0077】

以上説明したように、１６０℃の熱水から、１００℃の蒸気を生産した後、蒸気加熱器１５で加熱して１３５℃の過熱蒸気を作り、フラッシャー１０の出口で負圧を与えるために、蒸気加熱器１５の出口を増圧ファン１６で増圧することにより、システム全体のフラッシュ率を大きくすることができ、循環水の量を減らすことができる。飽和蒸気は、飽和蒸気ラインにあるため、仕事をするとすぐに水に戻るが、動力用蒸気はすべて過熱蒸気の領域とすることにより、タービンの効率がアップする。

【産業上の利用可能性】

【0078】

本発明は、約１８０℃以下の中低温の地熱帯を用いても、効率良く熱交換を行うことができ、地熱開発の対象となる場所の数を増やして、地熱エネルギー採取量を増やすことを可能とする地熱交換器と、この地熱交換器を用いて効率良く大容量の発電を行うことが可能な地熱発電装置として、地熱発電の分野において広く利用することができる。

【符号の説明】

【0079】

１ 地熱交換器
２ 外管
３ 内管
４ 底部
５ 高圧エリア
６ 仕切弁
８ 減圧エリア
９ 加圧ポンプ
１０ フラッシャー
１１ 蒸気槽
１２ タービン
１３ 放散弁
１４ 発電機
１５ 蒸気加熱器
１６ 増圧ファン
１７ 水処理装置
１８ 復水器
１９ 補給水槽
２０ 断熱部
２１ 蒸気弁
２２ 補給水ポンプ
２３ 循環水槽

【要約】

【課題】約１８０℃以下の中低温の地熱帯を用いても、効率良く熱交換を行うことができ、地熱開発の対象となる場所の数を増やして、地熱エネルギー採取量を増やすことを可能とする地熱交換器と、この地熱交換器を用いて効率良く大容量の発電を行うことが可能な地熱発電装置を提供する。
【解決手段】生産された気液２相流は上昇して地上に取出され、フラッシャー１０内で、蒸気と圧力水に分離される。地上では、フラッシャー１０に接続された蒸気加熱器１５と、蒸気加熱器１５の出口側に設けられた増圧ファン１６とを備えている、分離によって生じた蒸気単相流は、蒸気加熱器１５によって加熱されて過熱蒸気となり、この過熱蒸気は増圧ファン１６によって蒸気加熱器１５の出口において増圧される。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】