JPS5844301B2 - 地熱流体生産装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は地中に埋設した生産井から地熱流体を強制的に
汲み上げて回収する地熱流体生産装置に関するものであ
る。

近年、原子力、石炭に続く石油代替エネルギとしての地
熱流体が、有数の地熱資源国である我が国においては貴
重な国産エネルギ源として重要な地位を占めつ＼ある。

そして、この地熱流体の生産装置は、地中に埋設された
地熱生産井と呼ばれる深井戸管を備えており、この生産
井から地熱流体を自らの圧力で噴出させてこれを飽和蒸
気と熱水とに分離したのち、このうちの蒸気を発電用等
に利用するのが最も一般的である。

ところが、この種の生産装置においては、生産井から自
噴する地熱流体が地表へ達するまでに水頭の減少により
熱水の一部が蒸発し、その結果潜熱が奪われて地熱流体
の温度が降下する。

そこで、生産井内での熱水の蒸発をできるだけ抑え、生
産する地熱流体の温度降下を減少させて生産井の生産量
を増加させるための方法が従来から種々提案されている
。

例えば、特開昭４８−５５３１６あるいは特開昭５４−
６７８３７においては、生産井深部の熱水卓越領域中に
深井戸ポンプを設けて熱水を加圧して強制的に汲み上げ
たり、あるいは熱水中にエアを吹き込みそのエアリフト
効果で地熱流体を加圧しながら強制的に汲み上げたりす
ることが提案されている。

しかしながら、深井戸ポンプを設けるものにおいては、
これをきわめて深い生産井の深部に設置しなげればなら
ないので、その設置作業がきわめて困難であり、地熱流
体の条件によっては事実上不可能となる場合も考えられ
る。

また、生産井内では比重量がきわめて軽いという点から
もポンプが使用できない場合が多い。

一方、ニアリフトノ場合には、回収する蒸気に大量の空
気が混入されこれを分離することができないので、この
蒸気で蒸気タービン発電を行なうに際しては復水が困難
になり、設備費が増大するばかりでなく、生産井の深部
に及ぶ長大なエア吹き込み管を振動のないように支持す
ることがきわめてむつかしいなどの欠点がある。

本発明は以上のような点に鑑みなされたもので。

地中に埋設した生産井を外管と内管との二重構造として
その内管から自噴する地熱流体より気液分離器で分離し
た蒸気あるいは熱水のエネルギを回収使用し、このうち
の蒸気の一部を圧縮機で加圧した上、生産井の外管上部
へ圧入して地熱流体と置換するとともに、外管内の圧入
蒸気層と内管内部との連通口を設けて加圧蒸気を内管内
へ吹き込むように構成することにより、蒸気による気泡
ポンプ作用で地熱流体の上昇速度の増速と低下しようと
する圧力の上昇とのいずれかあるいはこれらを同時に行
なわせ、エネルギを効率よく回収することを可能ならし
めた地熱流体生産装置を提供するものである。

以下、本発明の一実施例を図面に基いて詳細に説明する
。

第１図および第２図は本発明に係る地熱流体生産装置の
一実施例を示し、第１図はそのフローシート、第２図は
生産井の拡大断面図である。

図において、地熱流体貯留層を有する地中には、複数個
の生産井１と還元井２とが埋設されており、このうちの
生産井１は、外管３と内管４とで二重構造に形成されて
いる。

外管３は、通常１０００ｍを越えるような長尺の管状に
形成されており、その下端は地熱流体貯留層内へ開口さ
れているとともに、上端は蓋体５で閉塞されている。

また、内管４は、外管３よりも可成り小径で通常１００
ｍ程度の長さを有する管状に形成されており、外管３の
蓋体５を貫通して外管３内に垂下されているわまた内管
４は下端を開口されて外管３と連通されているとともに
、上端には坑口６が開口されている。

各生産井１の坑口６には、バルブ７を備えた配管８が接
続されており、これらの配管８は合流されて気液分離器
としてのセパレータタンク９の地熱流体取入れ口１０に
接続されている。

一方、前記還元井２とセパレータタンク９下端部の熱水
取出し口１１との間は、ポンプ１２とバルブ１３とを備
えた配管１４によって接続されている。

セパレータタンク９は、生産井１の坑口６から自噴して
配管８内を送給されてきた地熱流体を蒸気１５と熱水１
６とに分離する機能を有しており、分離された熱水１６
はポンプ１２により還元井２を経て地中へ還元されるよ
うに構成されている。

さらに、セパレータタンク９の蒸気取出し口１７は、配
管１７によって蒸気回収装置、本実施例においては発電
所の発電用蒸気タービン（図示せず）に接続されており
、セパレータタンク９で分離された蒸気１５０大部分が
蒸気タービンへ供給されるように構成されている。

また、セパレータタンク９に設けられた別の蒸気取出し
口１８には、バルブ１９を備えた蒸気圧入管２０が接続
されており、この蒸気圧入管２０は、下流側で分岐され
て各生産井１へ導かれ、蓋体５の蒸気吹き出し口２１に
接続されて外管の上部へ開口されている。

そして、セパレータタンク９内の蒸気の一部は、バルブ
１９を開くことによって生産井１へ送給されるとともに
、蒸気圧入管２０内には、送給蒸気を断熱圧縮する蒸気
加圧装置としてのコンプレッサ２２が設けられており、
蒸気吹き出し口２１から外管３内へ圧入される蒸気の圧
力を、この位置における地熱流体温度に対応する飽和蒸
気圧以上の圧力に加圧するように構成されている。

２３は、加圧蒸気の圧入量を各生産井１ごとに調節する
バルブである。

さらに、内管４の壁面には、外管３の内部と内管４の内
部とを連通ずる連通口２４が穿設されている。

そして、この連通口２４の位置は、外管３内へ圧入され
て地熱流体２５の水面を押し下げることによりこれと置
換された加圧蒸気２６０層に対応するような高さに設定
されており、加圧蒸気２６が内管４内へ吹き込まれるよ
うに構成されている。

以上のように構成された地熱流体生産装置の動作を説明
する。

各生産井１ごとのバルブ７を開くと、地中の貯留層に蓄
えられた地熱流体２５は、自らの保有する圧力によって
坑口５から自噴し、蒸気、熱水の二相状態で配管８内を
経てセパレータタンク９へ送給されて飽和蒸気１５と熱
水１６とに分離される。

分離された飽和蒸気１５０犬部分は、発電用の蒸気ター
ビンへ供給されて発電が行なわれるとともに、分離され
た熱水１６は、ポン１１２０回転とバルブ１３の開放に
より配管１４を経て還元井２へ送給され、その下端開口
部から地熱流体２５の貯留層へ還元される。

そして、セパレータタンク９の別の蒸気取出シロ１８に
は、蒸気圧入管２０が接続されているので、バルブ１９
．２３を開くと、蒸気１５の一部がコンプレッサ２２で
加圧されて生産井１へ送給され、蒸気吹き出し口２１か
らその位置での地熱流体２５の温度に対応する飽和圧力
以上の圧力で圧入される。

したがって地熱流体２５は加圧蒸気２６の圧力によって
押し下げられてその水面が下り、一部の地熱流体２５は
加圧蒸気２６と置換される。

さらに、連通口２４からは内管４内へ比重量の軽い過熱
蒸気が吹き込まれるので、内管４内の見掛は比重量が減
少し、気泡ポンプ効果によって地熱流体２５の坑口圧力
の上昇ないしは単位時間当りの流量が増大する。

この地熱流体圧力の上昇によって過熱蒸気吹き込み位置
以浅の水頭の減少による管内蒸発の抑制ないしは減少を
計ることができ、地熱流体２５を高温のまＸで汲み出す
ことができる。

そこで、生産される地熱流体の流量と仕事量および圧入
蒸気による昇圧量等の関係を、下記の仕様を有する生産
井を例にとり第３図に基いて説明する。

生産井の仕様 締切圧力２０ ａｔａ 、坑井深さ１０９０ｍ地熱流体
の流量 坑口圧力Ｂ ａｔａのとき 蒸気流量５５ ｔ／ｈ 、熱水流量１５６ ｔ／ｈ。

合計 ２１１ｔ／ｈ これから地熱流体のエンタルピを計算すると、１ ＝
２９８．５９ Ｋｃｉ／に４となり、また比重量は２０
ａｔａのときに５２ Ｋ４／ ｍ’と７．Ｃル。

ここで、坑口下１００ｍに連通口２４を設げて過熱蒸気
による気泡ポンプ作用で地熱流体２５を２０ ａｔａで
３００ ｔ／ｈ汲み上げることにする。

坑口下１００ｍでの圧力は２０．５ ａｔａであり、こ
れによって第３図に示すような計算モデルを想定するこ
とができる。

図中の記号は次の通りである。ｒｌ ＝ ９．３Ｋｇ
／ｒｒ！・・・−・−２１ａｔａ ２５０℃の過熱蒸気
の比重量 １２＝ ５２ Ｋｇ／ｒｒｒ−・・−２０ａｔａの地熱
流体の比重量 ｈ２＝１００ｍ・・・・・・連通口の深さ０００ ｈ１＝２０．５ ＸＩ ＯＸ ＝２２．０４３ｍ
９．３ ・・・・・・過熱蒸気の換算水頭 ０００ ｎ＝ｚｏｘｉｏｘ ＝３８４６ｍ２ ２０ａｔａの換算水頭 γ・・・・・・所要見掛は比重量 （Ｈ＋ｈ２ ）γ＝ｈ１ γ１ 効率を０．６５として上式からγを計算するとγ＝ｓ
４．０７Ｋｔｉ／ｒｒｌ これに対し、配管損失、凝縮を考慮して２１ ａｔａ２
５０℃の過熱蒸気を吹き込み、５２ Ｋ９／ｍ３の比重
量の地熱流体と９．３Ｋｇ／ｍ’の過熱蒸気とを混合し
て３３．２５ Ｋ９／ｍ３の見掛は比重量にするために
必要な過熱蒸気の量は次式を解くことによって得られる
。

３４．０７（ｘ＋ｙ）＝５２ｘ＋９．３ｙ。

ｘ 十ｙ ＝ １ これからＸ、ｙを求めると・ Ｘ二重、５８３ ｙ＝０．４１７ したがって重量比は 過熱蒸気 ０．４１７Ｘ９．３＝３．８８助地熱流体
０．５８３Ｘ５２＝３０．３２Ｋｇすなわち、２９．１
７に９の地熱流体を汲み上げるために４．０８Ｋｇの過
熱蒸気が必要であり、この結果、過熱蒸気の流量は次の
通りになる。

３００Ｘ１０°Ｘ３．８８＝３８．３９ＸＩＯ”３０、
３２ Ｋｒ／ｈ 計算上簡単に、過熱蒸気を２０．５ ａｔａ２５０’Ｃ
と２１ ａｔａ ２５０℃との間で循環させるとすれば
、定常運転に必要な圧縮仕事量は損失を含めて２ＫＪ／
に９である。

したがって地熱流体の汲み上げ後との仕事量を比較する
と次の通りになる。

汲み上げ前Ｑ。

＝２１１ ＸＩ ０３Ｘ２９８．５９＝６３００２．４
９０に一／ｈ 汲み上げ後Ｑ１＝３００ＸＩ ０３Ｘ２９８．５９−３
８．３９Ｘ１０ Ｘ２ ＝８９５００．２１９Ｋｄ／ｈ Ｑ・＝□、４゜ Ｑ。

すなわち、地熱流体を加圧しこれに気泡ポンプ作用を加
えて流量を増加させることにより、仕事量において４２
％の利得が得られ、コンプレッサ２２の動力は、この仕
事量増加分のわずかな部分であることが理解できる。

以上の説明により明らかなように、本発明によれば、地
中に埋設した生産井を外管と内管との二重構造としてそ
の内管かも自噴する地熱流体より気液分離器で分離した
熱エネルギを回収使用し、このうちの蒸気の一部を圧縮
機で加圧した上、生量弁の外管上部へ圧入して地熱流体
と置換し、外管内の圧入蒸気層と内管内部との連通口を
設けて加圧蒸気を内管内へ吹き込むように構成すること
により、蒸気による気泡ポンプ作用で地熱流体の上昇速
度が増速され地熱流体の生産量が増大するとともに、圧
力低下が防止されるので、地熱エネルギの回収を効率的
に行なうことができる。

また、本装置は、従来の生産井に対して蒸気圧縮機と蒸
気圧入管とを付設するのみであるから、深井戸ポンプを
設けるものなどと比較して構造がきわめて簡単で設置作
業が容易であるとともに、信頼性と保守性において優れ
ている。

さらに、地熱流体の生産量が増加することにより、生産
井の掘削数が少なくて済み、設備費を大幅に節減するこ
とができるとともに、これを地熱蒸気タービン発電に用
いる場合、より高温の蒸気を供給して蒸気タービンの入
口温度を高めることができるので、熱効率が著しく向上
する。

また、気相部分が多いため、機械的ポンプが使えない流
体に対してもポンプ作用を加えることができ、地熱流体
の生産量を増大させる効果を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明に係る地熱流体性産装置の
一実施例を示し、第１図はそのフローシート、第２図は
生産井の拡大断面図、第３図は生産井内における流体の
比重量、換算水頭等の説明図である。 １・・・・・・生産井、３・・・・・・外管、４・・・
・・・内管、５・・・・・・蓋Ｌ ６・・・・・・坑口
、９・・・・・−セパレータタンク、１４・・・・・・
蒸気圧入管、２１・・・・・・蒸気吹き出し口、２２・
・・・・・コンプレッサ、２４・・・・・・連通口、２
５・・・・・・地熱流体、２６・・・・・・加圧蒸気。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 地熱流体貯留層へ下端開口部を臨ませて地中に埋設
   された外管とこの外管の上端閉塞部を貫通して外管内へ
   垂下され上端部の坑口および下端部の外管連通口を備え
   た内管とで二重構造に形成された地熱生産井と、回収設
   備への熱エネルギ取出し口を備え前記坑口に接続された
   気液分離器と、この気液分離器と前記外管の上部とを接
   続する蒸気圧入管と、この蒸気圧入管途中に配置され地
   熱流体をその連通口での圧力を越えるまで加圧する蒸気
   加圧装置とを設けるとともに、前記蒸気圧入管で前記外
   管内へ圧入された加圧蒸気の層と前記内管内部との連通
   口を内管壁面に穿設したことを特徴とする地熱流体生産
   装置。