JPS595793B2 - 地熱エネルギ−変換システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、地熱源からのエネルギーを使用して電力又は
他の動力を発生するための有効な手段に関し、より詳細
には、地表面で使用する熱エネルギーの伝達のために深
い高温水井戸と共に使用する超加熱蒸気発生ポンプ装置
及び地衣に配置した動力発生装置を含む地熱エネルギー
変換システムに関する。

本出願人に係る米国特許第３８２４７９３号は、地熱源
から与えられるエネルギーを用いて乾燥した超加熱蒸気
を発生させることに基づく有効な電力発生装置と、地表
面まで高圧で極めて高温の井戸水をくみ出すための表面
下の装置とを設けている。

清浄水が第１の表面地点で深い井戸へ注入され、そこで
高温の溶質含有井戸水が清浄水から超加熱蒸気を発生す
るように第２の深井戸地点に於いて使用される。

生じた乾燥超加熱蒸気は高温の溶質含有井戸水を地面の
第１の地点までくみ上げるためのタービン駆動されるポ
ンプを作動するために井戸底に於いて使用される。

溶質含有井戸水は、フラッシュ蒸気の発生を防げる圧力
の系位置で常時くみ出される。

高エネルギーの水が二連流体系に於いて地面即ち第１位
置で使用され、その熱エネルギーは発電機を駆動するた
めの閉ループ地面配置熱交換タービン装置に伝達される
。

ポンプ駆動タービンからの排出蒸気はその残留エネルギ
ーをある方法に従って引出させるため及び電力発生装置
によって使用されるようにするために地面に戻される。

従って、冷却清浄水は蒸気タービンの連続動作のために
井戸内へ再注入させるべく地面の装置によって再生され
る。

不要の溶質は濃縮水の形で別の井戸によって地中に戻さ
れる。

本発明はこの米国特許第３８２４７９３号に記載した種
類の深井戸地熱装置の改良に関し１本発明によれば、地
熱源より引出したエネルギーを用いて地面で電力を発生
する効果的な手段が設けられる。

本発明による地熱エネルギー変換システムは、超加熱蒸
気を効果的に発生するための手段と。

地面に高温水を送るように作動される井戸底の蒸気駆動
されるポンプ装置とを含み、そのくみ上げられた高温水
のエネルギーは電力発生のために使用される。

高温水が地面に達すると、そのエネルギーは、最初に、
地面に設けた閉ループ（このループには井戸水は含まれ
ておらず、かつフランシュ分離器列と電力発生のために
働く多段蒸気タービンとを使用する。

）に流れる２次処理流体に伝えられる。

ポンプ駆動タービンからの排出蒸気の圧力はそれが空気
の漏れを防止するように地面に達する際に大気圧以上で
あるために、高温の井戸水の流れによって囲まれている
排出パイプを上向きに行く間に排出蒸気の熱とその蒸気
によって得られる超加熱エネルギーを地面で回復させる
利点がある。

これは１本発明に於いて地面配置のタービンの最終段の
１つと関連したフラッシュタンクへの排出蒸気エネルギ
ーの寄与によって達成せしめられる。

次に本発明の実施例について、添付図面を参照して説明
する。

図面は新規な電力発生装置と、地面４７よりはるか下の
地層内に伸びる深い井戸内に配置された新規な地熱エネ
ルギー取出し装置の部分５１とを示す。

部分５１は高圧の極めて高温の水の連続した供給が自然
に行なえるような地面４１下の深さに配置されており、
ポンプ構造体は地下高温水源に近接して公知の井戸壁パ
イプ４６内に配置されている。

地面４７には井戸ヘッド部分４４，４５゜４６が配置さ
れており、主井戸部分５１は井戸ヘッド部分から地面４
７のはるか下まで伸びる。

地下の高温高圧水源に於いて、主井戸部分は、上述した
米国特許の場合の如く、蒸気発生器入力部分と結合する
。

蒸気発生部分、蒸気タービン部分、電力発生装置（発電
機）回転軸受部分及び高温水ポンプ部分は増大する深さ
に於いて閉じた椋動関係（閉作動ループ）で続いている
。

地面４７での井戸ヘッド部分から下方へ向って伸びた井
戸壁パイプ４６は、後述する目的で井戸の底部に比較的
冷たくかつ比較的清浄な水の流れを供給するための最も
内側の鋼合金パイプ４４を好ましくは同軸関係で取囲む
。

同様の材質でかつパイプ４４を取囲む第２の比較的に大
きなパイプ即ち、導管４５は同様に井戸壁パイプ４６内
に設けられており、かつ井戸０底のエネルギー変換及び
ポンプ装置まで井戸ヘッド部分から伸び、タービン排出
蒸気が地面へ流れることができるようにする。

図から理解できるように、比較的に清浄で冷たい水が地
面の地点から分割点（そこで下向きに流れる水は２つの
分岐路間に分割される。

）まで内側パイプ４４を下向きに注入される。

第１の分岐路は深井戸装置軸受部分のタービン及びポン
プ軸受の装置を潤滑化するための清浄水を供給する。

第２の分岐路は圧力調整器装置及び分配パイプを介して
蒸気発生器に清浄水を供給する。

故に、高圧蒸気が発生されて、タービン部分内に配置さ
れた蒸気タービンに供給される。

軸受部分内に配置された軸受に支持されるようなタービ
ンの機能は、ポンプ部分に配置された高温水ポンプを駆
動することにある。

従って、高温の高圧水はポンプの回転ポンプベーンによ
って深井戸内で上方に押し出され、即ち高温水はパイプ
４５及び４６間の環状通路内を高速でくみ出されるので
、それが含む熱エネルギーを、後述するように地面で使
用することができるようになる。

更に重要なことは、高温水が蒸気にフランシュしない圧
力で地面４７までくみ上げられ、従ってフラッシュ点で
析出した塩が沈着しないようにすることである。

従って、極めて高温で高圧の井戸水がくみ上げられ、鋼
合金パイプ４５及び４６によって画定される環状領域内
を流れるということが理解される。

高温井戸水によって供給される熱エネルギーは深井戸蒸
気発生器へ流れる清浄水を高エネルギーの乾燥した超加
熱蒸気に変換する。

深井戸の底に達した清浄水はその静水頭のため及び通常
はまた後述の地面のポンプ２３ａによって加えられる圧
力のため非常に高圧であり、その清浄水は蒸気へはフラ
ッシュし得ない。

次いで、上述した圧力調整装置はこれを通って流れる清
浄水の圧力を制御してその清浄水を深井戸蒸気発生器で
気化されて超然されうるようにする。

高エネルギーの蒸気は蒸気タービンを駆動し、膨張後に
地面４７に向けて流されかつ鋼合金パイプ４４及び４５
間に形成された環状導管内に流れる比較的冷たい蒸気と
して排出される。

熱エネルギーは後述するように地面に於いて部分的に高
温高圧水から効率よく回復せしめられ、またタービン排
出蒸気から回収される。

以上に述べられた深井戸装置は上述した米国特許第３８
２５７９３号に記載されたものと実質的に同一である点
を理解するであろう。

このような装置は、また１本出願人に係る米国特許出願
第４６８１３０号「地熱エネルギー装置及び方法」にも
記載されている。

図に於いて、深井戸部分５１はパイプ即ち導管の設備に
よって地表配置のエネルギー回復及び電力発生装置に結
合される。

清浄水は系が平衡作動状態にある時に水戻しパイプ２１
から深井戸に連続的に供給される。

水戻しパイプ２１は井戸に深く伸びる鋼合金パイプ４４
の延長であってもよい。

井戸タービン排出蒸気戻しパイプ４５は、後述するよう
に蒸気をエネルギー変換装置に於いて使用させるための
パイプ２２に接続される。

蒸気戻しパイプ４５と井戸壁パイプ４６との間の容積内
を上方にくみ出される高温水又は海水パイプ４Ｂによっ
て地面配置の装置に供給され、そこでこの高温水は地熱
井戸から与えられるエネルギーの主部分を供給する。

後に述べる目的のために、パイプ４８は、液体含有熱交
換器即ちボイラー容器３９内の公知の形式のエネルギー
交換素子４１に結合される。

その熱エネルギーの主部分が熱交換器３９内で伝達され
た後に、井戸水け、地中深く伸びる井戸壁パイプ５０を
設けた再注入井戸５２にパイプ４９を介して戻される。

高温水が地中深く注入されるようにして陸地及び地熱井
戸装置に近接した水の汚染を防止するように補助ブース
ターポンプ４３を熱交換器３９と再注入井戸５２との間
に置くことが一般的に必要とされる。

再注入井戸５２は主井戸部分即ち地熱井戸５１から任意
の距離に配置されてもよく、あるいは数個のこのような
地熱井戸のための再注入井戸として使用されるようにし
てもよい。

このようにして、パイプ４８内の高温水溶液中の地面へ
くみ出された析出無機塩の主部分は地中へ安全に戻され
る。

井戸５２は、元の高温井戸水の源とは異なった地層へ又
は同一の共通地層へこれらの腐食性の液体を戻すことが
できる。

熱交換器３９内には、エネルギー交換素子４１とほぼ同
様なものであってもよい第２の熱交換素子４０が設けら
れている。

熱交換素子４０は処理流体としてトルエン又はイソブタ
ン等のような比較的に低い沸点の有機流体を使用しても
よい閉ループ循環装置内にある。

このような流体流は後述するようにパイプ４２に熱交換
素子４０に注入され、比較的高温でパイプ１を介して実
質的に完全に蒸発せしめられて熱交換器３９から出る。

この流体はパイプ１から一連のフラッシュタンク２゜１
４：１８及び２９の第１段に入る。

一般的に典型的なフラッシュタンク１．８ バ一層の特
徴を有しているが、各フラッシュタンクは共通のある素
子を有している。

特に高圧フラッシュタンク２を参照する。

入口導管即ちパイプ１は、流体を最も上のタンクに供給
し、かつそのタンクは蒸気出口バイブ６と底部の液体出
口バイブ７とを有している。

本発明に於いて好ましく使用されるこの形式のフラッシ
ュタンクは公知の装置であり、特性温度及び圧力の比較
的に高エネルギーの流体は公知のスロットル装置３の如
きものによって絞られる。

装置３はこれを通れる流体の圧力を落す目的のために調
節される公知のスロットル弁であってもよく、従って流
体はフラッシュタンク２に供給されると比較的に低温度
で容易にかつ部分的にフランシュする。

スロットルプロセスに関連した圧力の低下は、平衡状態
に於いて、フラッシュタンク内での液体及び蒸気が組合
さったものを与えることができる。

これは蒸気によって占められる領域４と液体によって占
められる領域５によってフラッシュタンク２内に表わさ
れる。

通常の平衡状態に於いて、領域４内の蒸気と領域５内の
液体は同一の飽和温度にあり、この温度は、フランシュ
タンク２内の圧力の特性である。

この態様で、フランシュタンク２は便宜的には液体・蒸
気分離装置として働き、従って、このタンクの領域４か
らの蒸気は蒸気出口バイブ６によって多段蒸気タービン
の第一段８に供給されることができる。

同一の目的のために、液体は液体出口バイブ１によって
領域５から供給される。

液体出口バイブ７は液体を下側の圧力フラッシュタンク
１４に供給し、そこでは同様な処理が低エネルギー及び
圧力レベルで生じる。

各フラッシュタンクの圧力とそこからの流速とは上流側
のスロットル入口での流体の圧力によって及び例えばフ
ランシュタンク２の場合にはスロットル装置３の流域に
よって支配される。

フラッシュタンク圧力と流速に影響する附加的なパラメ
ータは協動するタービン段のノズルのと部域と下流側の
液体スロットル流域とに関している。

この態様で、蒸気及び液体は特定の圧力とエネルギーレ
ベルでフランシュタンク２に於いて分離され、バイブロ
を通る蒸気とパイプＴを通る液体との流れはスロットル
装置３に接続されたパイプ１内の入力圧力とその装置３
のスロットル流域とに依る。

この状態は、また、タービン段８内のタービン素子のノ
ズルのと部域によって及び液体をフラッシュタンク１４
に供給するスロットル装置３ａのスロットル流域によっ
て部分的に決定される。

フラッシュタンク２，１４．１８及び２９はそれぞれが
徐々に低くなる圧力、及びエネルギーレベルで作動する
ように構成されている。

それぞれのフラッシュタンクは蒸気を多段タービンのそ
れの段に供給し、その段からの使用済蒸気は次のフラッ
シュタンクの頂部の近くに戻される。

この態様で、フラッシュタンク２は蒸気をバイブロを介
して第１のタービン段８に与え、それからの排出蒸気は
パイプ１５によって次のフラッシュタンク１４の頂部の
近くに供給される。

流体をパイプ１７を介して第３のフランシュタンク１８
に供給する間に、フランシュタンク１４は蒸気をパイプ
１６を介してタービンの第２の段９の入力に供給し、タ
ービン出力はパイプ１９によってフラッシュタンク１８
の頂部近くの蒸気域に供給される。

同様の態様で、フランシュタンク１８はパイプ２５を介
してフラッシュタンク２９に液体を供給する。

フランシュタンク１８はまたパイプ２０を介してタービ
ンの第３の段１０の入力に蒸気を供給する。

その第３の段の出力はパイプ２６によってフランシュタ
ンク２９の頂部の近くの蒸気域に結合される。

フランシュタンク２９は、蒸気ヲタービンの最終段１１
の出力に供給するためのその上方の蒸気域に結合したパ
イプ２７を有している。

タービン段１１の出力での排出流体はパイプ２８によっ
て熱交換器３２に送られる。

特に、パイプ２８はタービン最終段１１の排出流体を冷
却するための公知の熱交換素子３３に接続される。

冷却され、凝縮された排出流体は主に液体としてパイプ
３Ｂに現われ、供給ポンプ３８ａＫよってパイプ４２に
送られて、多重ループ地面配置エネルギー採収装置を完
全に閉じる。

熱交換器３２には。第２の公知の熱交換素子３４を通っ
て流れる冷たい水によって冷却される好ましい熱伝達液
体が供給される。

素子３４は１例えば冷却タワーから供給され、かつ゛入
力３６で受けられ、出力３５から冷却タワーに戻される
冷たい水によって冷却される。

必要な循環装置及び冷却タワー又は他の冷却装置の他の
要素は公知であり、従って図面に於いては図示されてい
ない。

上述したように、継続したパイプ１．７．１７゜２５及
び３０に流れる流体を特性づける圧力は除徐に減少した
圧力であり、これは１部分的には、タービンの関連した
段によって継続したフラッシュタンクからエネルギーを
採収するためである。

例えば、加熱井戸水が熱交換素子に約４９０°Ｆで入り
、それを１２０°Ｆで出るように設計した場合に於いて
、トルエンが処理有機流体として使用でき、これは熱交
換素子４０に約１０００Ｆで入り、約４７０°Ｆで出る
。

４つの継続したフラッシュタンク内での平衡作動給体圧
力及び温度はほぼ次の通りである。

２１１７ｐ、ｓ、ｉ、ａ、 ４００’Ｆ１４ ３０
ｐ、ｓ、ｉ、ａ、 ２８０下１８ １０ｐ、ｓ、
ｉ、ａ、 ２０８下２９ ３ｐ、ｓ、ｉ 、ａ
、 １４５下最終タ一ビン段１１の出力２８での圧
力レベルは約０．９８ｐ、ｓ、ｉ、ａ である。

上述の例は、単に例示するためのみで与えられたもので
あり１本発明は広範囲の他の特許特性の任意のものを使
用して効果的に働らかせることかできる。

上述したパイプ内で所望の圧力継続性が得られた平衡状
態にもたらすことを助けるために、フランシュタンク２
９からの液体出口バイブ３０はブースターポンプ３１に
結合される。

ブースターポンプ３１の出力は、パイプ３０の流体をパ
イプ４２内の流体と共に多段ループ系に戻すように、パ
イプ１に戻すためのパイプ３７に結合される。

この目的のために、パイプ３７及び４２は熱交換器３９
内の熱交換素子４０の途中の３７ａのよりなＴ接続部で
結合されてもよい。

これはパイプ３７及び４２内の流体が同一温度でＴ接続
部３７ａに達するように熱交換器３９内でなされてもよ
い３深井戸地熱装置５１とタービン駆動発電機１２との
間のエネルギー交換をより完全にするために深井戸蒸気
タービンによって排出され、かつパイプ２２に流れる蒸
気内に含まれるエネルギーは、通常フラッシュタンク１
８内に送られる。

そこで実際は単一のものであってもよい熱交換器の図示
された素子２３及び２４はフランシュタンクの熱伝達液
体含有下方部分内に設けられる。

装置のパラメータの適切に調節することによって及び一
連のフランシュタンクを通って継続的に流れる低沸点の
処理流体の適切な選択によって、タンク１８内の温度は
パイプ２２内を流れる蒸気が素子２３及び２４内で、丁
度全体的に凝縮されるようになる。

この態様で、素子２３及び２４で再生された冷たい清浄
水は深井戸装置内で連続的に使用されるようにパイプ２
１及び４４を介して再注入ポンプ２３ａによって送り戻
されることができる。

本発明の一般的な作動は上述の記載から明らかにされた
。

地熱エネルギー深井戸装置５１は、地中深くに配置した
超加熱蒸気発生部分と超加熱蒸気によって駆動されるタ
ービン部分と高温水くみ出し部分とからなり、これら全
ては比較的多量の溶解物質を含んでもよい多量の高温水
が存在する高温水源領域内に配置されている。

地面で清浄なタービン排出蒸気を凝縮することによって
生ぜしめられた清浄水は深井戸タービンを駆動するため
の蒸気発生部分に供給され、またタービン及びそのポン
プ部分の軸受にも供給される。

高温水ポンプ部分は、高温水がその飽和圧力以上で地面
に達するように高温水の圧力レベルを増大するように働
く。

高温水ポンプに入る井戸水の圧力は、ポンプへのキャビ
ティージョン損傷を防止してポンプのこれによる性能上
の損失を防止するに充分な大きさである。

一般的に、高温水の実際の圧力が広い安全限界を取って
、井戸内の高温水流し装置の全ての点でフラッシュ点以
上に維持されるように構成されている。

くみあげられる高温井戸水に含まれる熱エネルギーの効
果的な変換は、本発明に従って、地面配置の閉ループエ
ネルギー変換装置によって行なわれる。

地熱ポンプ装置５１は、高温井戸水によって地面に送ら
れた熱の変換を効果的に行ない、一方同時に通常は拒否
され失なわれるであろう他の熱エネルギーを有効に変換
する上で、特異なものである。

低沸点の流体をフランシュすることによる蒸気の生成は
、理想的には比較的に低温にまでも伸びる地熱井戸水温
度の範囲のそれぞれの温度で、それぞれ作動するための
装置内で使用されるようになり、更に、理想的には、公
知の中央電力プラントターンビンに類似した軸方向流れ
形の反動タービンのような公知の多段夕・−ビンの継続
した段に於いて効果的に使用されるため異なった圧力で
の多重蒸気源として予め定められた井戸水温度で働く。

新規な地面配置の電力変換装置は、排出蒸気のエネルギ
ーレベルに良く整合せしめられたフラッシュタンク列の
１つに損失してしまうかもしれない熱を少なくとも部分
的に直接挿入することによって多量のエネルギーを節約
し、かつ有効な電力に変換することができる点で附加的
な利益がある。

この排出蒸気は蒸気凝縮温度以下の処理流体温度を有す
るフラッシュタンク分離器の熱交換器へ導入される。

好ましくは、凝縮をなすことができる最も高い温度での
附加エネルギーを注入し、最も大きな電気容量の増大を
与える。

本発明によれば、従来の装置（米国特許第３８２５７９
３号）の有効性は改善され、効率は大きく増大せしめら
れる。

この清浄な深井戸タービン排出流体に含まれるかなりの
熱エネルギーは発電機１２によって端子１３に生ぜしめ
られるエネルギーを増大するための地面配置の装置に於
いて効果的に使用される。

排出蒸気の気化及び過熱の通常使用されない潜熱はこの
熱を相当な温度で作動するフラッシュタンクの予定の１
つに与えることによって実質的に完全に使用される。

これは。本発明に従って、比較的低エネルギーのフラッ
シュタンクの１つ内に排出蒸気凝縮器を配置することに
よって達成され、多段電力発生装置を通る処理流体の流
量を増大させた結果となる附加エネルギー人力を与える
。

【図面の簡単な説明】

図は１部分的に横断面で示された深井戸地熱ポンプ装置
に接続されて示される地面上の本発明による新規な電力
発生装置の概略図である。 図に於いて、第１の熱交換装置は４１．第１の導管装置
Ｖ′ｉ４６，４８，４３，４９、第２の熱交換装置は４
０、複数のフランシュタンク装置は２゜１４．１Ｂ、２
９、電力発生装置は１２．タービンモータ装置は８，９
．１０．１１．第２の導管装置ｄｌ、複数の蒸気導管装
置は６．１６，２０゜２７、枚数の液体導管装置は７．
１７．２５．複数のタービン排出導管は１５．１９．２
６、第３の導管装置は３０．３１．３７、凝縮装置は４
５゜２２．２３．２４．２３ａ、２１．４４で表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 処理流体を与えるための地熱エネルギー交換装置と
   、上記処理流体に応じ、上記地熱エネルギー交換装置に
   対してエネルギー交換関係で流れる常に液体状態の地熱
   流体を、遠隔位置までくみ上げるためのモータで駆動さ
   れるポンプ装置と、上記ポンプ装置を駆動した後に上記
   処理流体を上記遠隔位置まで送るための装置と、上記遠
   隔位置にあるエネルギー変換装置とを含む地熱エネルギ
   ー変換システムに於いて、上記エネルギー変換装置は、 （イ）上記地熱流体を第１の熱交換装置を通して送るた
   めの第１の導管装置と、 （ロ）上記第１の熱交換装置と熱エネルギー交換関係に
   なっており、上記地熱流体より低い沸点を有する有機流
   体を加熱して送るための第２の熱交換装置と、 （ハ）継続して減少する圧力レベルで作動し、それぞれ
   に於いて上記有機流体を有機蒸気部分と有機液体部分と
   に分離するための複数のフラッシュタンク装置と、 に）電力発生装置と駆動するための複数の段を有するタ
   ービンモータ装置と。 （ホ）上記第２の熱交換装置からの上記有機流体を上記
   複数のフラッシュタンク装置の第１のものに供給するた
   めの第２の導管装置と、 （へ）上記タービンモータ装置の対応した段を駆動する
   ために各上記それぞれのフラッシュタンク装置からの上
   記有機蒸気部分を結合するための複数の蒸気導管装置と
   、 （ト）上記複数のフラッシュタンク装置の最後のものを
   除き各それぞれのフラッシュタンク装置からの上記有機
   液体部分を次に続くフラッシュタンク装置に結合するた
   めの複数の液体導管装置と。 （イ）上記複数のタービン段からそれぞれ排出された蒸
   気を上記第１と最後のフラッシュタンク装置を除く全て
   のフラッシュタンク装置の対応する入力に与えるための
   複数のタービン排出導管と、 （す）上記最後のフラッシュタンク装置からの上記有機
   液体部分を上記第２の熱交換装置へ流れるように結合す
   るための第３の導管装置と、←）上記タービンモータ段
   の最後のものに結合され凝縮された有機液体を上記第２
   の熱交換装置に供給するための凝縮装置と。 でなることを特徴とする地熱エネルギー変換システム。