成果報告書詳細
管理番号20150000000668
タイトル平成25年度-平成26年度成果報告書 地熱発電技術研究開発 環境配慮型高機能地熱発電システムの機器開発 地熱複合サイクル発電システムの開発
公開日2015/9/2
報告書年度2013 - 2014
委託先名株式会社東芝
プロジェクト番号P13009
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成25年度-平成26年度成果報告書 地熱発電技術研究開発事業 環境配慮型高機能地熱発電システムの機器開発 「地熱複合サイクル発電システムの開発」

(1)低沸点媒体の選定
複合サイクルのシステム性能を向上させる低沸点媒体の要求性能と新旧媒体の比較から、有望となる低沸点媒体を絞り込んだ。絞り込んだ媒体について、ランキンサイクルによる熱サイクル効率のポテンシャルを比較し、複合サイクルに適する低沸点媒体を総合的に判断し、選定した。また、選定した低沸点媒体の物性の改善状況とシステム・機器設計への影響を確認した。
(2)複合サイクル最適化の検討
気水分離器から生成される蒸気および熱水の両方を熱源とし、背圧タービンを用いたフラッシュサイクルと、環境配慮型新媒体を作動媒体とする超臨界圧バイナリサイクルから構成される複合サイクルの熱効率を検討する。また、当該複合サイクルと他の発電方式の比較を行い、各々の方式が優位となる条件を明らかにした。
(3)バイナリタービンの開発・設計
複合サイクルシステムの高効率化にはそのシステムに最適化したバイナリタービンの開発・設計が必要である。大容積流量向きで内部効率に優れる軸流型、作動媒体が中央より流入し左右に排気される複流方式のコンセプトでヒートバランスに基づきバイナリタービンを設計した。通路部性能の設計において段落数を主なパラメータとしてタービン性能を検討し、3次元翼型の性能向上についても検討を行った。また、低沸点媒体の漏洩を最小化するための軸シールシステムの検討・設計を行った。以上の検討成果を元にバイナリタービン計画図を作成した。
(4)選定された低沸点媒体に対する各種熱交換器の開発・設計
気水分離器からの熱水により媒体を蒸発させてバイナリタービンに供給する蒸発器、バイナリタービンからの媒体を冷却水で凝縮させてサイクルを構成する凝縮器、熱効率向上のため凝縮器からの媒体を蒸気タービンの排気蒸気で加熱する予熱器を計画した。
(5)地熱熱水によるスケール抑制技術の開発
地熱水質の文献調査
文献を用いて地熱熱水の水質を調査した。調査結果の中から、炭酸カルシウムを主としたスケールを発生すると考えられる水質データと、シリカを主としたスケールを発生すると考えられる水質データを抽出した。
スケール抑制のための添加薬剤検討
バイナリシステムにおいて、特に問題となると考えられる蒸発器へのシリカスケール生成を抑制する2種類の方策を検討した。第1の方策として、地熱熱水に含まれるスケール原因物質の濃度を、蒸発器上流で低減する為に、シリカなどスケールの主成分を凝集して除去する薬剤を検討した。第2の方策として、スケール生成の化学反応を制御する為に、地熱熱水に含まれる成分と結合したり分散させたりする薬剤を検討した。
(6)複合サイクル発電の実証試験に資する実証試験場所の検討
複合サイクル発電の実証試験に適した井戸条件および探索条件に従い、井戸所有者と粘り強く交渉を続けたが、使用許諾を得ることはできなかった。主な原因としては、フル活用により貸出困難であること、系統接続および冷却水確保等に課題があり、これ以上探索を続けても、これら原因を解決できる井戸を確保するのは極めて困難であり、かつ見込みがなかった。一方、人口蒸気が供給可能な代替実証試験場所を検討したが、実施するには解決すべき困難な課題があることが分かった。
英文要約Title: Development of a geothermal combined cycle power generation system (FY2013-FY2014) Final Report

(1)Selection of a low-boiling work fluid
The characteristics of the new and existing work fluid were compared considering the requirement to improve the performance of the combined cycle system and the candidates of low-boiling work fluid were selected. Finally the potential thermal efficiency of Rankine cycle with the work fluid candidates was evaluated and the low-boiling work fluid suitable for geothermal combined cycle was selected. Moreover the investigation was carried out on the development status of the selected low-boiling work fluid and its effects to the design of the system and equipments.
(2) Optimization of a combined cycle
The thermal efficiency of a combined cycle, which consists of a steam/water separator, a steam turbine driven by flash steam and a super critical binary cycle powered by hot water with environment-conscious work fluid, was evaluated. The characteristics of this combined cycle and existing one were compared to clarify the condition on which each cycle has the advantage.
(3) Development and design of a turbine for binary cycle
It is essential to develop a turbine optimized for combined cycle system to improve its cycle efficiency. The axial and counter flow turbine, which has high internal efficiency for large volume flow, was designed based on the heat balance. The flow path design includes the optimization of the number of the stages and the study of the performance improvement by 3D design blade. The study and design of the sealing system to minimize the leakage of the low-boiling work fluid were also carried out. The schematic drawing of the binary turbine reflecting the study above was created.
(4)Development and design of heat exchangers corresponding to the selected low-boiling work fluid
The conceptual design of the following heat exchangers was completed.
-The evaporator which supply the evaporated work fluid to the binary turbine by the heat of hot water from the steam/water separator
-The condenser where the work fluid from the binary turbine is condensed by the cooling water
-The recuperator which preheats the condensed work fluid by the binary turbine exhaust and contributes to increase the thermal efficiency.
(5)Development of technologies to control the formation and growth of scales from geothermal water
The geothermal water qualities were investigated by literature. The water quality data which were supposed to generate the scales mostly composed of calcium carbonate or silica were extracted. Two kinds of reagent addition to control the formation of the silica scale at the evaporator, which is supposed to be a problem in the binary turbine system, were studied. The first one is adding the flocculant to reduce the concentration of the main components of the scale such as silica. The second reagent binds to or disperses the minor components in the geothermal water to inactivate the chemical reaction which causes the scale deposition
(6)Study of the site to contribute the verification test
In spite of the continuous and patient negotiation with the owners of the wells which are suitable to the verification test of the combined cycle power generation, no agreement was established because the wells were already fully used or there were problems with grid connection or getting the cooling water. We concluded that it was extremely difficult and unfeasible to secure the well that meets the condition with further search and negotiation. On the other hand, the alternate test site which can supply the steam was also investigated, however, some unresolvable problems were found.
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