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成果報告書詳細
管理番号20160000000875
タイトル平成25年度―平成27年度成果報告書 地熱発電技術研究開発 発電所の環境保全対策技術開発 地熱発電所に係る環境アセスメントのための硫化水素拡散予測数値モデルの開発
公開日2017/4/13
報告書年度2013 - 2015
委託先名一般財団法人電力中央研究所
プロジェクト番号P13009
部署名新エネルギー部
和文要約本研究では、地熱発電所に係る環境アセスメントにおける排ガス拡散予測評価に必要な期間の短縮および費用削減を目的とし、風洞実験の代替として用いることができる二種類の硫化水素拡散予測数値モデル(簡易予測数値モデル、詳細予測数値モデル)を開発した。また、地熱発電所の冷却塔からの排気拡散を模擬した風洞実験を実施し、風洞実験結果との比較を通じて開発した数値モデルの予測精度を検証した。
開発した数値モデルのうち、簡易予測数値モデルは、正規分布型プルーム式に基づき濃度予測を行うモデルであり、冷却塔の排気拡散に及ぼす建屋影響および排煙上昇過程の算出には、(一財)電力中央研究所が開発した白煙予測モデルと同等の予測手法を組み込んだ。簡易予測数値モデルは、Windows PC上で動作し、大気拡散式と地理情報システム(GIS)を結合することにより、排出諸元の設定や標高データの入力、風向・風速などの各種計算条件の設定などをグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)により簡便に行うことができる。一方、詳細予測数値モデルは、数値流体力学(Computational Fluid Dynamics、CFD)を用いて3次元の流体計算を行うことにより硫化水素の着地濃度を予測するモデルである。ベースモデルには、ラージ・エディ・シミュレーション(LES)を用いており、発電所周辺の地形および発電所構内の地形・建屋に関する情報から3次元空間上の計算格子に変換するためのプリルーチンおよびCFDによる気流・拡散計算を行うためのメインルーチンから構成されている。
開発した数値モデルの予測精度を検証するため、発電所周辺の地形的特徴が異なる2地点を選定し、発電所構内の主要建屋および周辺地形を模擬した風洞実験を実施した。実験対象として選定した地点は、発電所周辺に孤立峰が存在する地形や、風向に直交する方向に複数の尾根が連なる地形などの複雑な地形的特徴を有する。風洞実験では、複数の風向・風速・気温条件に対し、冷却塔模型から放出したトレーサガスの着地濃度や空間濃度を計測した。簡易予測数値モデルを用いて風洞実験の再現計算を行った結果、排気諸元や建屋・地形、浮力条件を適切に設定することにより、風洞実験で得られた最大着地濃度を概ね良く再現することが可能であり、環境アセスメントの事前検討や配慮書作成等に活用できることが分かった。一方、詳細予測数値モデルを用いて再現計算を行った結果、周辺地形や発電所建屋を精緻に再現することにより、硫化水素の着地濃度および空間濃度を高精度で予測可能であり、風洞実験の代替として環境アセスメントに適用することができることが明らかとなった。
本研究では、開発した数値モデルを実際の地熱発電所に係る環境アセスメントで使用することが可能となるよう、有識者により構成される委員会を設立し、計6回の委員会開催を通じて、研究開発に対する助言と評価および審議を得た。
英文要約In this project, we have developed two types of numerical models for predicting the surface concentrations of hydrogen sulfide emitted from geothermal power plants. The accuracy of the models was validated using the results of wind-tunnel experiments. These models can be used as alternatives to wind-tunnel experiments, which are currently mandatory in the process of Environmental Impact Assessment (EIA) of geothermal power plants in Japan. The models are expected to halve the cost and time required for this process.
The first model, hereafter called the “Simple model”, is based on the Gaussian plume model. It adopts the same algorithms for taking into account building effects and plume-rise processes as the “Visible plume model” developed by Central Research Institute of Electric Power Industry. The model is combined with a geographic information system, and is run on Windows OS. The model input data, such as the dimensions of cooling towers, terrain height, wind speed, and wind direction can be easily specified via a graphical user interface.
The second model, hereafter called the “CFD model”, is based on Computational Fluid Dynamics. As a turbulence model, we adopted a large-eddy simulation model that has a high potential to accurately predict the concentration field over complex terrains. The model consists of two routines: the pre-routine is for setting the computational grids based on the given information on cooling towers, adjacent buildings, and the terrain height. The main-routine involves the computation of flow field and concentration field.
In order to validate the accuracy of the models, wind-tunnel experiments were carried out that simulated the gas dispersion from the cooling towers at two different types of sites. Both sites were mountainous sites, where an isolated hill or multiple ridges were located near the power plants. In the experiments, multiple wind directions, wind speeds, and seasons were considered.
Based on the comparison with the wind-tunnel experiments, the Simple model is verified to have satisfactory accuracy for reproducing the maximum surface concentrations of hydrogen sulfide as long as the users are using our recommended model settings. This model is expected to be utilized in the preliminary survey of EIA.
The CFD model exhibits higher accuracy than the Simple model. Its predicted concentrations of hydrogen sulfide are within a factor of two of the experimental results at most areas around the power plants.
This project was supported and scrutinized by a committee of experts with a view to practical implementation of the models in the EIA of geothermal power plants.
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