JPH0830614B2 - 地熱利用システムに供給する作動流体の温度調整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】地層あるいは岩体が高温であって
も、利用できる程の量の地熱流体が産出しない場合に、
高温の地層あるいは岩体が有する熱エネルギーのみを抽
出し、これを発電あるいは熱の直接利用に用いるため
に、単一坑井あるいは複数坑井による地熱抽出方法が提
案され、研究開発が行われている。本発明は、単一坑井
あるいは複数坑井による地熱抽出方法により地熱エネル
ギーを抽出し、利用する場合の地熱利用システムに供給
する作動流体の温度の調整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで、高温の地層あるいは岩体から
熱エネルギーのみを抽出する方法として坑井内同軸熱交
換器やヒートパイプ等の単一坑井による方法（盛田、199
0,地熱；白石、1987,地熱）や、複数の坑井を高温の地層
あるいは岩体内で人工亀裂により接続し、この人工亀裂
面を熱交換面として熱エネルギーを抽出する方法（米国
特許第 3,786,858号明細書）が提案されている。例とし
て、図１に坑井内同軸熱交換器により地熱エネルギーを
抽出する方法を示す。

【０００３】これらの地熱抽出方法において、これまで
考えられていた運転方法は、図１の例のように、地熱抽
出システムと熱利用システムを一つのループで構成する
もの（盛田他、1989;電力中央研究所、1986 ）である。こ
の場合には、地熱抽出システムと熱利用システムを流れ
る作動流体の流量は同じである。この地熱抽出システム
と熱利用システムで形成されるループ内において循環す
る作動流体の流量が時間によらず一定の場合について、
地熱抽出システムから得られる作動流体温度の経時変化
の例を図２に示す。単一坑井あるいは複数坑井による地
熱抽出システムにより熱抽出を行う場合には、この図の
例のように、熱抽出の初期には地層あるいは岩体が高温
なので、かなり高温の作動流体が得られ、熱出力も大き
なものになるが、熱抽出の進展に伴い地層あるいは岩体
が冷却するので、時間が経過するにつれて作動流体の温
度が低下し、また熱出力も低下する。地熱抽出システム
の運転は、作動流体の温度が一定値以下になった時点で
打ち切られる。

【０００４】一方、発電の場合を例にとると、発電設備
の容量は一定であり、これを経時的に変化させることは
困難である。すなわち、発電設備には、その設備容量に
即した一定流量の作動流体を一定温度で供給することが
必要である。これが不可能な場合でも、流量あるいは温
度の経時変化の変動幅はできるだけ小さくすることが望
ましい。これに対して、前述のように、単一坑井あるい
は複数坑井による地熱抽出方法においては、得られる作
動流体の温度が経時的に低下することが避けられない。
この場合には、発電プラントの設計温度をどの時点の作
動流体温度に基づいて決定するかが重要な問題となる。

【０００５】運転開始後比較的早い時期の作動流体温度
を設計温度とすると、発電設備の容量が大きくなるの
で、発電プラントの建設費が高くなり、償却費や維持・
管理費も高くなる。また、時間の経過につれて設計温度
と作動流体温度の差が大きくなるので、発電効率の低下
の度合いが大きくなり、発電量の低下は大きなものにな
る。その結果、発電プラントの全運転期間における合計
発電量はプラント規模の割りには小さなものになり、発
電コストは高いものになる。また、発電においては、発
電量をできるだけ一定に保つことが重要なので、この点
からも運転開始後比較的早い時期の作動流体温度を設計
温度とすることは現実的ではない。一方、発電プラント
の運転終了付近の作動流体温度を設計温度とすると、発
電設備の容量が小さなものになり、プラントの建設費や
維持・管理費も少なくてすむ。また、発電量を一定に保
持することが可能になる。しかしながら、大部分の運転
期間にわたって抽出された熱エネルギーの一部が利用さ
れずに棄てられることになる。また、借入金の金利負担
も大きなものになり、やはり発電コストが高いものにな
る。したがって、借入金の金利や投資の回収、また発電
量の経時変化を極力小さくすること等を総合的に勘案す
ると、発電プラントの設計温度は、運転開始時と運転終
了時の間の何れかの時点における作動流体温度になる。

【０００６】ここで、発電プラントの設計温度を運転開
始時と運転終了時の中間時点ｔ_m における作動流体温度
とした場合の発電量の経時変化の例を図３に示す。図３
において実線で示した発電量が実際に発電されるもので
ある。図３から明らかなように、この場合は、発電所の
運転開始時から時点ｔ_m までの期間においては、地熱抽
出システムから得られる熱エネルギーの一部、すなわち
図３において点線で示した部分に相当する熱エネルギー
が利用されずに棄てられることになる。また、時点ｔ_m
以後においては、作動流体温度の低下による発電量の低
下の度合いが大きいが、これは望ましいことではない。
この低下の度合いをできるだけ低減することが望まし
い。

【０００７】なお、ここでは、発電プラントの設計温度
を運転開始時と運転終了時の中間時点の作動流体温度と
したが、この時点をより早い時点、あるいはより遅い時
点にしても、同様な問題が生じる。また、ここでは発電
の場合を例にとり説明を行ったが、熱の直接利用におい
ても基本的に同様な問題が生じる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】 本発明が解決しようと
する技術的課題は、地熱利用システムにおける単一坑井
あるいは複数坑井による地熱抽出方法において、作動流
体温度と熱抽出量が経時的に減少するという問題に対処
し、かつ、地熱利用システムの運転早期から中期にかけ
ては、地熱利用システムの設備容量に即した熱エネルギ
ーのみを抽出可能にして無駄な熱エネルギーの抽出をな
くすことにある。

【０００９】上記課題を解決するための本発明の地熱利
用システムに供給する作動流体の温度調節方法は、高温
地層中に造成した熱交換システムの中に作動流体を注入
して、この作動流体と高温の地層との間で熱交換を行わ
せ、これにより高温になった作動流体を地上に取り出す
ことにより、地中から熱エネルギーのみを抽出する単一
坑井あるいは複数坑井による地熱抽出方法において、上
記高温の作動流体を用いる地熱利用システムから排出さ
れた低温の作動流体の一部を地熱抽出システムから得ら
れる高温の作動流体と混合することにより、地熱利用シ
ステムへ供給する作動流体の温度を一定の値に調節する
と同時に、地熱抽出システムに還流する低温の作動流体
の流量を調節することにより、地熱抽出システムから必
要に応じた量だけの熱エネルギーを抽出することを特徴
とするものである。

【００１０】

【作用】 上記方法によれば、熱利用システムに供給する
作動流体の温度、流量および熱エネルギー量が一定に保
持される。また、それによって、地熱利用システムの設
備容量に即した熱エネルギーのみを抽出することが可能
になる。さらに、運転早期から中期において無駄に地層
を冷却することがなくなるので、熱利用システムの全運
転期間における地層あるいは岩体の冷却速度を遅くし、
より長い期間にわたって地熱抽出システムを運転するこ
とが可能になる。加えて、地熱抽出システムに供給する
作動流体の流量を少なくすることができるので、ポンプ
動力の低減が可能になる。

【００１１】

【実施例】本発明の方法を次に図面により詳細に説明す
る。図４は本発明を実施するための配管系統の構成方法
の例を示すものである。作動流体として低沸点の媒体を
用いることも考えられるが、ここでは水を用いる場合を
例にとり説明を行う。図中、９は高温地層中に形成され
た地熱抽出システムであり、４は熱利用システムであ
る。熱利用システム４で熱が奪われて低温になった水す
なわち作動流体は、貯留槽５に一時的に貯蔵される。こ
の貯留槽には液面制御装置が付加されており、水位が一
定に保たれる。この貯留槽５の水は、循環ポンプ６によ
り、熱利用システムの設備容量に即した流量で、かつ所
定の圧力で送り出される。送り出された水は配管中の分
岐点Ａで分流し、一部は三方混合弁７へ流れ、残りは地
熱抽出システム９に流れる。地熱抽出システムに流れる
水は、その中で高温の地層あるいは岩体との間で熱交換
を行い、高温になって三方混合弁７へ向かう。なお、水
を地熱抽出システム内で循環し、かつ三方混合弁７にお
いて必要な圧力を発生させるために、図に示すように、
昇圧ポンプ８を設けることも考えられる。三方混合弁７
は、分岐点Ａより流入する低温水側の弁と、地熱抽出シ
ステムより流入する熱水側の弁の開度を同時に調節し、
低温水と熱水の混合比率を調節するためのものである。

【００１２】 このシステムでは、温度検出制御装置10に
より三方混合弁７を制御することにより、熱利用システ
ムに向かう熱水の温度が所定の温度に自動的に調節され
る。熱利用システムに流れる熱水の流量は一定であるの
で、本発明では、このように熱水の温度を調節すること
のみにより、熱利用システムに供給する熱エネルギー量
を一定に調節できる。また、このようにすることによ
り、地熱抽出システムに流入する低温の水の流量も、所
定の熱エネルギーを抽出するために必要なだけの流量に
調節できる。

【００１３】 すなわち、本発明では、高温の作動流体が
得られる地熱抽出システムの運転開始直後には、地熱抽
出システムに流れる流量を小さくすることにより抽出す
る熱エネルギー量を所定の値に調節する。また、時間が
経過するにつれて地熱抽出システムからの作動流体の温
度が低下するが、この場合には地熱抽出システムに流れ
る作動流体の流量を増大させることにより、抽出する熱
エネルギー量を所定の値に保持する。このようにして、
地熱抽出システムから得られる作動流体の温度が熱利用
システムへ送り出す作動流体の設定温度と等しくなる時
点まで、必要に応じた量だけの熱エネルギーが地熱抽出
システムから抽出されると同時に、熱利用システムに供
給する作動流体の温度、流量および熱エネルギー量が一
定に保持される。この時点から以後は、熱利用システム
からの低温の作動流体の全量が地熱抽出システムに還流
されるので、熱利用システムに供給する作動流体の温度
が経時的に低下することになるが、それまで無駄に地層
を冷却していないので、従来の方法の場合に比べて温度
低下の度合いは緩やかになる。本発明では、これらの制
御が自動的に、かつ適切に行われる。

【００１４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、地熱利用システムの運転早期から中期にかけては、
地熱利用システムの設備容量に即した熱エネルギーのみ
を抽出することが可能になり、無駄に熱エネルギーを抽
出することがない。また、地熱利用システムに供給する
作動流体の温度、流量ならびに熱エネルギー量を一定に
保持できる。さらに、地熱抽出システムに供給する低温
の作動流体の流量が従来の方法に比べて小さくなるの
で、作動流体を地熱抽出システム内で循環するために必
要なポンプ動力が小さくて済む。また、上記の結果、運
転早期から中期において無駄に地層を冷却することがな
くなるので、熱利用システムの全運転期間における地層
あるいは岩体の冷却速度を遅くすること、ひいては地熱
抽出システムから得られる作動流体の温度低下の度合い
を緩やかにすることが可能になる。このため、従来の運
転方法に比べて、より長い期間にわたって、地熱抽出シ
ステムを運転することが可能になる。また、発電の場合
には、地熱抽出システムから得られる作動流体の温度が
発電プラントの設計温度以下になった場合でも従来の方
法に比べて発電効率の低下の度合いが低減される。すな
わち、本発明によれば、高温の地層あるいは岩体が有す
る熱エネルギーを有効に利用することが可能になるにな
るばかりではなく、熱利用システムの安定的な運転が可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】単一坑井による地熱抽出法と熱利用システムの
組み合わせの例を示す説明図である。

【図２】地熱抽出システムと熱利用システムで形成され
るループ内において循環する作動流体の流量が一定の場
合について、地熱抽出システムから得られる作動流体温
度の経時変化の例を示したグラフである。

【図３】発電プラントの設計温度を運転開始時と運転終
了時の中間時点ｔ_m における作動流体温度とした場合の
発電量の経時変化の例を示すグラフである。

【図４】本発明を実施するための配管系統の構成の例を
示す説明図である。

【符号の説明】

１ 熱利用システム ２ 断熱内管 ３ 坑井 ４ 熱利用システム ５ 貯留槽 ６ 循環ポンプ ７ 三方混合弁 ８ 昇圧ポンプ ９ 地熱抽出システム １０ 温度検出制御装置 １１ 用水

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温地層中に造成した熱交換システムの中
   に作動流体を注入して、この作動流体と高温の地層との
   間で熱交換を行わせ、これにより高温になった作動流体
   を地上に取り出すことにより、地中から熱エネルギーの
   みを抽出する単一坑井あるいは複数坑井による地熱抽出
   方法において、 上記高温の作動流体を用いる地熱利用システムから排出
   された低温の作動流体の一部を地熱抽出システムから得
   られる高温の作動流体と混合することにより、地熱利用
   システムへ供給する作動流体の温度を一定の値に調節す
   ると同時に、 地熱抽出システムに還流する低温の作動流体の流量を調
   節することにより、地熱抽出システムから必要に応じた
   量だけの熱エネルギーを抽出することを特徴とする地熱
   利用システムに供給する作動流体の温度調節方法。