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海洋熱能轉換管連接.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380065701.7

申請日:

2013.10.15

公開號:

CN104956077A

公開日:

2015.09.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效 IPC(主分類):F03G 7/05申請日:20131015|||公開
IPC分類號: F03G7/05; F01K17/04; F01K21/00 主分類號: F03G7/05
申請人: 阿貝爾基金會
發明人: B·R·科爾; L·J·夏皮羅; J·M·羅斯
地址: 美國馬里蘭州
優先權: 61/714,528 2012.10.16 US
專利代理機構: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙)11277 代理人: 劉新宇; 張會華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380065701.7

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.02.16|||2015.11.04|||2015.09.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

提供一種將管組裝于水支撐的浮式平臺的方法。所述浮式平臺包括開口中央凹部和以圍繞所述凹部的至少一部分的方式配置于所述平臺的托臺。所述方法包括:在所述平臺上提供管引入組件和板條;將所述管引入組件轉移到所述凹部的內部空間;將各單個所述板條以錯開結構組裝于所述管引入組件;將所述管部降低到所述凹部內并且降低到水中,直到所述板條的上端位于上述托臺的下部;通過將另外的板條組裝到已組裝的所述板條的上端來增加所述管部的長度;以及重復增加所述管部的長度的步驟直到所述管具有期望的長度。

權利要求書

權利要求書
1.  一種將管組裝于水支撐的浮式平臺的方法,所述浮式平臺包括開口中央凹部和以圍繞所述凹部的至少一部分的方式配置于所述平臺的托臺,所述方法包括:
在所述平臺上提供管引入組件;
提供板條;
將所述管引入組件轉移到所述凹部的內部空間;
將各單個所述板條以錯開板條結構組裝于所述管引入組件,以形成具有鋸齒狀上端的環形管部;
將所述管部降低到所述凹部內并且降低到水中,直到所述板條的上端位于上述托臺的下部;
通過將另外的板條組裝到形成所述管部的所述板條的上端來增加所述管部的長度;以及
重復增加所述管部的長度的步驟直到所述管具有期望的長度。

2.  根據權利要求1所述的方法,其特征在于,將所述管引入組件轉移到所述凹部的內部空間包括:在所述平臺的側面上方降低所述管引入組件;在所述平臺的下方將所述管引入組件移動到所述凹部下方的位置;并且使所述管引入組件向上升高,通過所述凹部到達所述托臺內的期望位置。

3.  根據權利要求1所述的方法,其特征在于,將所述管引入組件轉移到所述凹部的內部空間包括:將所述管引入組件升高到所述平臺的表面的上方;移動所述平臺使得所述管引入組件到達所述凹部的上方;以及將所述管引入組件降低成至少部分進入所述凹部。

4.  根據權利要求1所述的方法,其特征在于,將各單個所述板條轉移到所述凹部并且將各單個所述板條組裝于所述管引入組件還包括:
以使所述環形管部的下端與所述管引入組件的上側齊平的方式組裝各單個所述板條;以及
將所述環形管部的下端接合到所述管引入組件以形成所述管部,其中,接合步驟包括:圍繞所述環形管部和所述管引入組件之間的接頭卷繞結合材料,所述結合材料沿周向延伸并且使所述環形管部的至少一部分與所述管引入組件重疊。

5.  根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述管引入組件包括管端和連接到所述管端的配重。

6.  根據權利要求1所述的方法,其特征在于,一旦所述管達到期望的長度,所述方法還包括以下步驟:
將管端連接到所述管的與所述管引入組件相反的端。

7.  一種將管組裝于水支撐的浮式平臺的方法,其包括:
提供平臺,所述平臺包括開口中央凹部、所述平臺上的托臺和空心芯軸,以圍繞所述凹部的至少一部分的方式配置所述托臺,所述空心芯軸由所述托臺支撐在所述凹部上方的位置處;
提供板條;
提供具有鐘形口和配重的鐘形口組件,所述鐘形口具有第一側和與所述第一側相反的第二側,其中,所述配重被連接到所述鐘形口的第二側;
以所述鐘形口的第一側位于上述平臺的上表面的上方并且與所述芯軸相鄰的方式將所述鐘形口組裝定位在所述凹部內;
將板條配置在所述芯軸中以形成所述板條的交錯環,其中,配置在所述交錯環中的各板條的第一端形成為抵靠所述鐘形口的第一側而齊平,各板條的第二端相對于相鄰的板條錯開;
將所述板條的交錯環接合到所述鐘形口組件以形成所述管的一部分,接合的步驟包括:圍繞所述交錯環和所述鐘形口之間的接頭卷繞結合材料,所述結合材料沿周向延伸,并且使所述交錯環的至少一部分和所述鐘形口重疊;
將所述管的所述部分降低到水中,直到所述交錯環的板條的第二端位于所述芯軸的下部;
增加所述管的所述部分的長度,其包括:
以使另外的板條抵靠所述芯軸并且所述另外的板條的第一端抵接所述交錯環的對應板條的第二端的方式將所述另外的板條定位在所述芯軸內,以及
以結合材料使所述另外的板條的至少一部分與冷水管的所述部分重疊的方式通過使用所述結合材料卷繞所述冷水管的所述部分將所述另外的板條接合到所述冷水管的所述部分;以及
重復增加所述管的所述部分的長度的步驟直到所述管具有期望的長度。

8.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法還包括以預定順序將所述板條配置于所述平臺,所述預定順序與各單個所述板條將被安裝的順序相對應。

9.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述板條被單獨地包裝到對應的板條排列夾具中。

10.  根據權利要求9所述的方法,其特征在于,各板條排列夾具包括吊耳和凸緣,所述吊耳與所述板條排列夾具的第一端相鄰地布置,所述凸緣與所述板條排列夾具的第二端相鄰地布置并且被構造為與設置在所述托臺的銷協作地接合。

11.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,將所述板條配置于上述芯軸以形成交錯環包括:
將板條抵靠所述芯軸定位;
將另一個板條抵靠所述芯軸和剛好在所述另一個板條之前定位的所述板條兩者地定位;
重復定位另一個板條的步驟直到形成板條環;
其中,所述另一個板條具有與剛好在所述另一個板條之前定位的所述板條不同的長度,以所述交錯環的各板條的第一端與用于形成所述交錯環的其他板條的第一端齊平的方式配置所述板條。

12.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,將所述板條配置于所述芯軸中以形成所述板條的交錯環還包括將用于形成所述交錯環的所述板條的第一端密封。

13.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,一旦所述管達到期望的長度,所述方法還包括以下步驟:
將管端連接到所述管的與所述鐘形口相反的端。

14.  根據權利要求13所述的方法,其特征在于,所述管端向內縮小并且被構造為被容納在設置于柱筒的下側的配件中。

15.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,將所述板條配置于所述芯軸中并且將另外的板條定位在所述芯軸中還包括使相鄰的板條彼此接合。

16.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法還包括在所述管中提供至少一個橫撐,其中,所述橫撐被構造為對所述管的內表面提供向外的力。

17.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述鐘形口組件包括鐘形口和連接到所述鐘形口的配重。

18.  一種將管組裝于水支撐的浮式平臺的方法,其包括:
提供平臺,所述平臺包括開口中央凹部和以圍繞所述凹部的方式配置在所述平臺上的引導環;
提供包括鐘形口和配重的鐘形口組件,所述鐘形口具有第一側和與所述第一側相反的第二側,其中,所述配重被連接到所述鐘形口的第二側;
以使所述鐘形口的第一側位于所述平臺的上表面的上方并且與所述引導環相鄰的方式將所述鐘形口組件定位在所述凹部內;
將板條配置于所述引導環以形成所述板條的交錯環,其中,配置在所述交錯環中的各板條的第一端形成為抵靠所述鐘形口的第一側而齊平,各板條的第二端相對于相鄰的板條錯開;
將所述板條的交錯環接合到所述鐘形口組件以形成所述管的一部分,接合的步驟包括:圍繞所述交錯環和所述鐘形口之間的接頭卷繞結合材料,所述結合材料沿周向延伸,并且使所述交錯環的至少一部分和所述鐘形口重疊;
將所述管的所述部分降低到水中,直到所述交錯環的板條的第二端位于芯軸的下部;
增加所述管的所述部分的長度,其包括:
以使另外的板條被定位成抵靠所述引導環并且所述另外的板條的第一端抵接所述交錯環的對應板條的第二端的方式將所述另外的板條定位在所述芯軸內,以及
以結合材料使所述另外的板條的至少一部分與冷水管的所述部分重疊的方式通過使用所述結合材料卷繞所述冷水管的所述部分將所述另外的板條接合到所述冷水管的所述部分;以及
重復增加所述管的所述部分的長度的步驟直到所述管具有期望的長度。

19.  根據權利要求18所述的方法,其特征在于,所述鐘形口的第一側包括排列片,將所述板條配置于所述引導環的步驟包括以使所述板條的下端與所述排列片對齊的方式相對于所述鐘形口組件定位所述板條。

20.  根據權利要求18所述的方法,其特征在于,在相鄰的板條彼此附接之前,沿著各附接表面將結合材料涂布到各板條。

21.  根據權利要求20所述的方法,其特征在于,各板條包括沿著抵接相鄰板條的邊緣的自保持匹配特征。

22.  根據權利要求18所述的方法,其特征在于,各板條包括沿著抵接相 鄰板條的邊緣的自保持匹配特征。

23.  一種將管在水下組裝到水支撐的浮式體的方法,所述浮式體包括在其浸沒的表面中形成的空間,所述方法包括:
提供固定到可導航的水船舶的所述管,使得所述管以所述管的縱軸取向為與豎直軸大致平行的方式至少部分地位于水中;
將保持纜繩固定到所述管的上端;
將所述管相對于所述船舶降低到水中,使得所述管的上端位于比所述浮式體的下側低的深度處;
將所述管的上端固定到從所述空間的內部延伸的支撐纜繩;
將所述保持纜繩從所述管的上端拆卸;
通過將所述支撐纜繩收回到所述空間中而將所述管的上端引入到所述空間內;以及
將所述管的上端固定到所述空間內。

24.  根據權利要求23所述的方法,其特征在于,所述方法還包括將所述可導航的水船舶移動到與所述浮式體相鄰的位置處。

25.  根據權利要求23所述的方法,其特征在于,所述方法還包括使所述可導航的水船舶設置有開口中央凹部以及可被操作以將對象物支撐在所述凹部內的不同高度處的下降纜繩,其中在提供所述管的步驟期間,使用所述下降纜繩將所述管固定到所述可導航的水船舶,并且在固定所述保持纜繩的步驟期間所述管保持被固定到所述下降纜繩。

說明書

說明書海洋熱能轉換管連接
技術領域
本公開涉及一種海洋熱能轉換電站,更具體地涉及一種浮式的、最小起伏平臺的、多級熱機的海洋熱能轉換電站。
背景技術
全球能源消耗和需求一直以指數增長。這方面的需求預計將持續上升,特別是在亞洲和拉丁美洲的發展中國家。同時,傳統的能源、即化石燃料正在加速減少并且開采化石燃料的成本持續上升。環境和監管方面的擔憂正在加劇這一問題。
與太陽相關的可再生能源是可以為不斷增長的能源需求提供一部分解決方案的一種可選的能源。由于與太陽相關的可再生能源與化石燃料、鈾、甚至熱力“綠色”能源不一樣,很少存在或者不存在與其使用相關聯的氣候風險,所以與太陽相關的可再生能源有很大吸引力。另外,與太陽相關的能源是免費的并且極為豐富。
海洋熱能轉換(“OTEC”)是使用在海洋的熱帶區域中作為熱量存儲的太陽能來產生可再生能源的一種方式。全世界的熱帶大洋和大海提供了獨特的可再生能源。在許多熱帶地區(在大約北緯20°與南緯20°之間),表面海水的溫度幾乎保持恒定。直到大約100英尺深度,海水的平均表面溫度隨著季節在75°F至85°F或者更高之間變化。在同一區域,深層海水(在2500英尺至4200英尺之間或者更深)保持在相當恒定的40°F。因此,熱帶海洋結構在表面提供了大的熱水儲藏并且在深層提供了大的冷水儲藏,并且熱水儲藏與冷水儲藏之間的溫差在35°F至45°F之間。該溫差在白天和夜晚保持得相當恒定,并且季節性的變化小。
OTEC過程使用表面熱帶海水與深層熱帶海水之間的溫差來驅動熱機以產生電能。OTEC發電在20世紀70年代后期被認同為對于能源生產而言具有低到零碳足跡的可能的可再生能源。然而,與多數傳統的高壓高溫發電站相比,OTEC電站具有低的熱力學效率。例如,使用80°F與85°F之間的平均海洋表面溫度以及40°F的恒定深水溫度,OTEC電站的最大理想卡諾效率為7.5%至8%。在實際操作中,OTEC電力系統的總電力效率經估計為卡諾極限的大約一半,或者大約3.5%至4.0%。另外,在1994年牛津大學出版社出版的由William Avery和Chih Wu發表的名稱為“來自海洋的可再生能源,OTEC指南”(通過引用合并于此)中所記載的、由20世紀70年代和20世紀80年代前沿研究人員所進行的分析表明:以ΔT為40°F進行操作的OTEC電站產生的總電力的四分之一至一半(或者更多)將被需要用于使水泵和工作流體泵運行并且為電站的其他輔助需要供電。基于此,OTEC電站的將存儲在表面海水中的熱能轉化成凈電能的低的整體凈效率一直未能成為商業上可行的能源生產方案。
造成整體熱力學效率進一步降低的另一因素是與用于渦輪機的精確頻率調節而提供必要的控制相關的損失。這引起了渦輪機循環中的壓力損失,該壓力損失限制了能夠從熱海水中提取的功。
這種比在高溫高壓下進行操作的熱機的典型效率低的OTEC凈效率導致能源規劃者廣泛持有如下假設:OTEC電站成本太高以至于無法與多數傳統的發電方法抗爭。
實際上,因為熱水和冷水之間的溫差相對小,所以寄生電力需要在OTEC電站中特別重要。為了實現熱海水與工作流體之間以及冷海水與工作流體之間的最大熱傳遞,需要大的熱交換表面積,以及高的流體速度。增加這些因素中的任何一個都可能使OTEC電站上的寄生載荷顯著地增大,從而降低凈效率。使海水與工作流體之間的有限的溫差中的能量傳遞最大化的高效熱傳 遞系統將增加OTEC電站的商業可行性。
除了由于看似固有的大的寄生載荷而效率相對低之外,OTEC電站的操作環境引起了也會降低這種操作的商業可行性的設計及操作方面的挑戰。如之前所提到的,在深度為100英尺或者更淺的海洋表面找到了OTEC熱機所需的熱水。在2700英尺至4200英尺之間的深度或者更深處找到了用于冷卻OTEC發動機的恒定冷水來源。在人口中心附近乃至大陸塊通常都找不到這樣的深度。離岸電站是必須的。
不管電站是浮式的還是固定于水下地貌,均需要2000英尺或更長的長冷水引入管(CWP)。此外,由于商業上可行的OTEC操作所需的水量很大,所以冷水引入管需要具有大直徑(通常在6英尺至35英尺之間或者更大)。將大直徑管懸掛在離岸結構上存在穩定性、連接以及構造方面的挑戰,之前這會驅使OTEC成本超出商業可行性。
另外,懸掛在動態的海洋環境中的、具有顯著的直徑長度比的管會沿著管的長度而遭受溫差以及變化的洋流。由沿著管的彎曲和漩渦脫落而引起的應力也引起了挑戰。歸因于在連接處管和浮式平臺之間的相對運動,諸如波浪作用等表面影響引起了關于管和浮式平臺之間的連接的進一步挑戰。具有期望的性能、連接以及構造考慮的冷水管引入系統能夠提高OTEC電站的商業可行性。
與OTEC電站相關聯的對環境的關注也已經成為OTEC操作的障礙。傳統的OTEC系統從海洋深處抽取大量的營養豐富的冷水并且在表面或者表面附近將這些水排放。這樣的排放可能以正面或負面的方式對OTEC電站附近的海洋環境產生影響,可能對處于OTEC排放下游的魚群和珊瑚礁系統帶來沖擊。
發明內容
本公開的一些方面針對使用海洋熱能轉換過程的發電站。
離岸OTEC電站具有由于降低了寄生載荷而提高了的整體效率、較好的穩定性、較低的構造和操作成本以及改善了的環境足跡。其他方面包括與浮式結構一體的大容量水管道。多級OTEC熱機的模塊化和區室化降低了構造和維護成本、限制了離網操作并且提高了操作性能。又進一步的方面提供了具有一體的熱交換區室的浮式平臺,并且提供了平臺的由于波浪作用而產生的最小運動。一體的浮式平臺也可以提供通過多級熱交換器的高效的熱水流或冷水流,提高了效率并且降低了寄生電力需要。所述的系統和方法的方面通過將熱水和冷水排放在適當的深度/溫度范圍內可以促進環境中性的熱足跡。以電力的形式提取出的能量降低了到達海洋的整體溫度。
所述的系統和方法又進一步的方面涉及用于與離岸OTEC設備一起使用的冷水管,該冷水管是錯開板條式的連續的管。
一個方面涉及包括具有外表面、頂端和底端的長形管狀結構的管。管狀結構包括多個第一和多個第二板條部,每個板條部均具有頂部和底部,其中第二板條部的頂部與第一板條部的頂部錯開。唯一例外的是在CWP的頂部和底部,其中,這些板條的端部形成適于與平臺和CWP的底段相互連接匹配的齊平表面(沒有錯開)。
進一步的方面涉及包括帶或箍的管,該帶或箍在管狀結構的外表面以傾斜的方式繞著管至少部分地卷繞。帶或箍可以繞著管的頂部、管的中間部或管的下部的外表面周向地卷繞。帶或箍可以繞著管的整個長度周向地卷繞。帶或箍可以以與管的外表面基本上平坦鋪設的方式安裝。帶或箍可以以從管的外表面向外突出的方式安裝。帶或箍可以由與管相同的或不同的材料制成。帶或箍可以用粘結的方式結合于管的外表面、用機械方式結合至管的外表面或者使用機械的和粘結組合的方式安裝于管的外表面。帶或箍可以具有孔或間隙,其允許水部分流過或者使得OTEC電站的管或纜繩或其他結構方 面通過,或者避免焊接冠。帶或箍可以包括單個連續的帶或箍,利用間隙分離的多個段或者平行的帶或箍。帶或箍相對于平臺垂向的傾斜角可以是恒定的(形成螺旋)或可以改變。
所述的系統和方法的進一步的方面涉及錯開板條式管,其中每個板條部進一步包括用于與相鄰的板條部配合接合的第一側上的接合舌和第二側上的凹槽。錯開板條式管可以包括形狀鎖定系統(positive locking system)以將一個板條的第一側機械地聯接至第二個板條的第二側。板條可以利用條接合(biscuit joinery)從一個板條的頂部在垂向上接合至相鄰的板條的底部。在可選的實施方式中,板條的頂部和板條的底部可以均包括接合空孔,使得當第一板條的頂部與第二板條的底部接合時,該接合空孔對準以形成連續的腔或虛擬管。柔性樹脂可以注射到對準的接合空孔的開口端內并且流入和填充整個空孔,因而提供板條之間的粘合。柔性樹脂可以用于填充任何接合表面中的空隙。在本公開的若干個方面中,柔性樹脂是甲基丙烯酸酯粘結劑。
所述現有系統和方法的單個板條可以是任何長度。在一些實施方式中,從板條底部到頂部測量的每個板條部均在20英尺至90英尺之間。板條部可以被制成能夠用標準聯運集裝箱(inter-modal container)航運的尺寸。單個板條部的寬度可以在10英寸至80英寸之間。每個板條部的厚度可以在1英寸至24英寸之間。
板條部可以被拉擠成型、擠出成型或模塑成型。板條部可以包括聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纖維增強塑料(FRP)、增強聚合物砂漿(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交聯高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);聚酯、纖維增強聚酯、乙烯基酯、增強乙烯基酯、混凝土、陶瓷或上述材料中的一種或多種的組合物。
在所述系統和方法的進一步的方面中,板條部可以包括至少一個內部空孔。至少一個空孔可以填充有水、聚碳酸酯泡沫或復合泡沫或其他裝置或材 料,這些材料在板條的內壁和外壁之間提供間隔,并且還能夠在縱向、橫向、周向或其他方向上為板條提供附加強度。
在所述系統和方法的一些方面中,管是OTEC電站用的冷水引入管。
所述系統和方法的又進一步的方面涉及離岸發電結構,該結構包括浸沒部,浸沒部進一步包括:熱交換部;發電部;和包括多個錯開的第一板條部和第二板條部的冷水管。
所述系統和方法的更進一步的方面涉及形成用于在OTEC電站中使用的冷水管的方法,該方法包括:形成多個第一板條部和多個第二板條部;以使得第二板條部與第一板條部錯開的方式使交替的第一板條部和第二板條部接合,以形成連續的長形管。
所述系統和方法的進一步的方面涉及浸沒垂向管連接結構,其包括:浮式結構,該浮式結構具有垂向管接收凹部,其中接收凹部具有第一直徑;用于插入到管接收凹部內的垂向管,該垂向管具有比管接收凹部的第一直徑小的第二直徑;部分球形或弧形的支承面;以及可與支承面一起操作的一個或多個活動爪、小齒輪或凸耳,其中,當爪與支承面接觸時,爪限定與第一直徑或第二直徑不同的直徑。
所述系統和方法的另外的方面涉及將浸沒垂向管連接至浮式平臺的方法,該方法包括:提供具有垂向管接收凹部的浮式結構,其中所述管接收凹部具有第一直徑;提供具有上端部的垂向管,上端部具有小于第一直徑的第二直徑;將垂向管的上端部插入到接收凹部內;提供用于支撐垂向管的支承面;將一個或多個爪展開使得一個或多個爪具有不同于第一直徑或第二直徑的直徑;使一個或多個爪與支承面接觸以使垂向管懸掛于浮式結構。
在所述系統和方法的若干個方面中,一個或多個爪可以與垂向管為一體。一個或多個爪可以與接收凹部為一體。一個或多個爪包括限定小于第一直徑的直徑的第一縮回位置。一個或多個爪包括限定大于第一直徑的直徑的 展開位置。支承面與管接收凹部為一體并且可與一個或多個爪一起操作。支承面可以包括球形支承面。一個或多個爪進一步包括構造成接觸支承面的配合面。一個或多個爪進一步包括構造成接觸球形支承面的配合面。球形支承面和配合面有利于垂向管與浮式結構之間的相對運動。
在又進一步的方面中,一個或多個爪包括限定大于第二直徑的直徑的第一縮回位置。一個或多個爪包括限定小于第二直徑的直徑的展開位置。支承面與垂向管為一體并且可與一個或多個爪一起操作。
若干個特征可以包括用于使爪展開或縮回的驅動器,該驅動器可以是液壓控制的驅動器、氣動控制的驅動器、機械控制的驅動器、電控制的驅動器或者機電控制的驅動器或以上任意組合。
進一步的方面可以包括:包括第一成角度的管配合面的管接收凹部;和包括第二成角度的管配合面的垂向管,其中,第一和第二成角度的管配合面構造成在將垂向管插入到管接收凹部內的過程中協作引導垂向管。
所述的系統和方法的另一方面涉及一種將管組裝于水支撐的浮式平臺的方法,所述浮式平臺包括開口中央凹部和以圍繞所述凹部的至少一部分的方式配置于所述平臺的托臺。所述方法包括:在所述平臺上提供管引入組件;在所述平臺上提供板條;將所述管引入組件轉移到所述凹部的內部空間;將各單個板條轉移到所述凹部并且將各單個所述板條以錯開板條結構組裝于所述管引入組件,以形成具有鋸齒狀上端的環形管部;將所述管部降低到所述凹部內并且降低到水中,直到所述板條的上端位于上述托臺的下部;通過將另外的板條組裝到形成所述管部的所述板條的上端來增加所述管部的長度;以及重復增加所述管部的長度的步驟直到所述管具有期望的長度。
所述方法可以具有一個或多個以下特征:將所述管引入組件轉移到所述凹部的內部空間包括:在所述平臺的側面上方降低所述管引入組件;在所述平臺的下方將所述管引入組件移動到所述凹部下方的位置;并且使所述管引 入組件向上升高,通過所述凹部到達所述托臺內的期望位置。將所述管引入組件轉移到所述凹部的內部空間包括:將所述管引入組件升高到所述平臺的表面的上方;移動所述平臺使得所述管引入組件到達所述凹部的上方;以及將所述管引入組件降低成至少部分進入所述凹部。將各單個所述板條轉移到所述凹部并且將各單個所述板條組裝于所述管引入組件還包括:以使所述環形管部的下端與所述管引入組件的上側齊平的方式組裝各單個所述板條;以及將所述環形管部的下端接合到所述管引入組件以形成所述管部,其中,接合步驟包括:圍繞所述環形管部和所述管引入組件之間的接頭卷繞結合材料,所述結合材料沿周向延伸并且使所述環形管部的至少一部分與所述管引入組件重疊。所述管引入組件包括管端和連接到所述管端的配重。一旦所述管達到期望的長度,所述方法還包括以下步驟:將管端連接到所述管的與所述管引入組件相反的端。
所述的系統和方法的另一方面涉及一種將管組裝于水支撐的浮式平臺的方法,其包括:提供平臺,所述平臺包括開口中央凹部、所述平臺上的托臺和空心芯軸,以圍繞所述凹部的至少一部分的方式配置所述托臺,所述空心芯軸由所述托臺支撐在所述凹部上方的位置處;在所述平臺上提供板條;提供具有鐘形口和配重的鐘形口組件,所述鐘形口具有第一側和與所述第一側相反的第二側,其中,所述配重被連接到所述鐘形口的第二側;以所述鐘形口的第一側位于上述平臺的上表面的上方并且與所述芯軸相鄰的方式將所述鐘形口組裝定位在所述凹部內;將板條配置在所述芯軸中以形成所述板條的交錯環,其中,配置在所述交錯環中的各板條的第一端形成為抵靠所述鐘形口的第一側而齊平,各板條的第二端相對于相鄰的板條錯開;將所述板條的交錯環接合到所述鐘形口組件以形成所述管的一部分,接合的步驟包括:圍繞所述交錯環和所述鐘形口之間的接頭卷繞結合材料,所述結合材料沿周向延伸,并且使所述交錯環的至少一部分和所述鐘形口重疊;將所述管 的所述部分降低到水中,直到所述交錯環的板條的第二端位于所述芯軸的下部;增加所述管的所述部分的長度,其包括:以使另外的板條抵靠所述芯軸并且所述另外的板條的第一端抵接所述交錯環的對應板條的第二端的方式將所述另外的板條定位在所述芯軸內,以及以結合材料使所述另外的板條的至少一部分與冷水管的所述部分重疊的方式通過使用所述結合材料卷繞所述冷水管的所述部分將所述另外的板條接合到所述冷水管的所述部分;以及重復增加所述管的所述部分的長度的步驟直到所述管具有期望的長度。
所述方法可以具有一個或多個以下特征:以預定順序將所述板條配置于所述平臺,所述預定順序與各單個所述板條將被安裝的順序相對應。所述板條被單獨地包裝到對應的板條排列夾具中。各板條排列夾具包括吊耳和凸緣,所述吊耳與所述板條排列夾具的第一端相鄰地布置,所述凸緣與所述板條排列夾具的第二端相鄰地布置并且被構造為與設置在所述托臺的銷協作地接合。將所述板條配置于上述芯軸以形成交錯環包括:將板條抵靠所述芯軸定位;將另一個板條抵靠所述芯軸和剛好在所述另一個板條之前定位的所述板條兩者地定位;重復定位另一個板條的步驟直到形成板條環;其中,所述另一個板條具有與剛好在所述另一個板條之前定位的所述板條不同的長度,以所述交錯環的各板條的第一端與用于形成所述交錯環的其他板條的第一端齊平的方式配置所述板條。將所述板條配置于所述芯軸中以形成所述板條的交錯環還包括將用于形成所述交錯環的所述板條的第一端密封。一旦所述管達到期望的長度,將管端連接到所述管的與所述鐘形口相反的端。所述管端向內縮小并且被構造為被容納在設置于柱筒的下側的配件中。將所述板條配置于所述芯軸中并且將另外的板條定位在所述芯軸中還包括使相鄰的板條彼此接合。所述方法還包括在所述管中提供至少一個橫撐,所述橫撐被構造為對所述管的內表面提供向外的力。所述鐘形口組件包括鐘形口和連接到所述鐘形口的配重。
所述的系統和方法的另一方面涉及一種將管組裝于水支撐的浮式平臺 的方法,其包括:提供平臺,所述平臺包括開口中央凹部和以圍繞所述凹部的方式配置在所述平臺上的引導環;提供包括鐘形口和配重的鐘形口組件,所述鐘形口具有第一側和與所述第一側相反的第二側,其中,所述配重被連接到所述鐘形口的第二側;以使所述鐘形口的第一側位于所述平臺的上表面的上方并且與所述引導環相鄰的方式將所述鐘形口組件定位在所述凹部內;將板條配置于所述引導環以形成所述板條的交錯環,其中,配置在所述交錯環中的各板條的第一端形成為抵靠所述鐘形口的第一側而齊平,各板條的第二端相對于相鄰的板條錯開;將所述板條的交錯環接合到所述鐘形口組件以形成所述管的一部分,接合的步驟包括:圍繞所述交錯環和所述鐘形口之間的接頭卷繞結合材料,所述結合材料沿周向延伸,并且使所述交錯環的至少一部分和所述鐘形口重疊;將所述管的所述部分降低到水中,直到所述交錯環的板條的第二端位于所述芯軸的下部;增加所述管的所述部分的長度,其包括:以使另外的板條被定位成抵靠所述引導環并且所述另外的板條的第一端抵接所述交錯環的對應板條的第二端的方式將所述另外的板條定位在所述芯軸內,以及以結合材料使所述另外的板條的至少一部分與冷水管的所述部分重疊的方式通過使用所述結合材料卷繞所述冷水管的所述部分將所述另外的板條接合到所述冷水管的所述部分;以及重復增加所述管的所述部分的長度的步驟直到所述管具有期望的長度。
所述方法可以具有一個或多個以下特征:所述鐘形口的第一側包括排列片,將所述板條配置于所述引導環的步驟包括以使所述板條的下端與所述排列片對齊的方式相對于所述鐘形口組件定位所述板條。在相鄰的板條彼此附接之前,沿著各附接表面將結合材料涂布到各板條。各板條包括沿著抵接相鄰板條的邊緣的自保持匹配特征。
所述的系統和方法的另一方面涉及一種將管在水下組裝到水支撐的浮式體的方法,所述浮式體包括在其浸沒的表面中形成的空間,所述方法包括:提供固定到可導航的水船舶的所述管,使得所述管以所述管的縱軸取向為與豎直軸大致平行的方式至少部分地位于水中;將保持纜繩固定到所述管的上 端;將所述管相對于所述船舶降低到水中,使得所述管的上端位于比所述浮式體的下側低的深度處;將所述管的上端固定到從所述空間的內部延伸的支撐纜繩;將所述保持纜繩從所述管的上端拆卸;通過將所述支撐纜繩收回到所述空間中而將所述管的上端引入到所述空間內;以及將所述管的上端固定到所述空間內。
所述方法可以具有一個或多個以下特征:所述方法還包括將所述可導航的水船舶移動到與所述浮式體相鄰的位置處。所述方法還包括使所述可導航的水船舶設置有開口中央凹部以及可被操作以將對象物支撐在所述凹部內的不同高度處的下降纜繩,其中在提供所述管的步驟期間,使用所述下降纜繩將所述管固定到所述可導航的水船舶,并且在固定所述保持纜繩的步驟期間所述管保持被固定到所述下降纜繩。
所述的系統和方法的方面可以具有一個或多個以下優點:連續的錯開板條式冷水管比分段式管構造輕;連續的錯開板條式冷水管具有比分段式管少的摩擦損失;單個板條可以將大小做成容易運輸至OTEC電站操作現場;板條可以構造成期望的浮力特征;OTEC發電需要少至沒有的用于能源生產的燃料成本;與高壓高溫發電站中使用的高成本的特殊的材料相比,OTEC熱機中涉及的低壓力和低溫度降低了組成元件成本并且需要普通材料;電站可靠性可以與商業制冷系統媲美,連續操作多年而不用重大的維修;與高壓高溫電站相比降低了構造時間;以及安全、對環境無害的操作和發電。另外的優點可以包括:與傳統OTEC系統相比增加了凈效率、降低了犧牲性電力載荷;降低了熱水和冷水通道中的壓力損失;模塊化組成部件;較低頻率的離網發電時間;針對波浪作用使起伏最小化并且減少了敏感性;冷卻水在表面水位下方排放,熱水的引入不與冷水排放發生干涉;以及在管的整個長度上可以定做管硬度,以匹配操作場所的海洋水流條件。
本文所述的冷水管組件以及冷水管制造和組裝的方法能夠用于制造堅 固的、相對輕量的冷水管,該冷水管通過制造能通過管轉移負載的復合冷水管而比某些傳統冷水管增加了柔性。通過使用本文所述方法形成板條部的冷水管,通過減小冷水管組成部件的整體尺寸,能夠更有效地并且以較低的成本組裝和輸送冷水管。
本文所述的冷水管系統和組裝方法能夠在將使用冷水管的浮式平臺被完全組裝后,使冷水管在將來被使用的位置被組裝。這種組裝方法典型地沒有妨礙其他OTEC系統安裝操作。此外,本文所述的組裝方法和系統跟一些其他傳統方法相比能夠使冷水管更快地被組裝(例如,少于一周),并且能夠需要更少的外延裝置(例如,不使用重物起重船或駁船)。冷水管安裝方法還能夠在被安裝之后且初始柱筒停止使用時從柱筒拆卸和收回冷水管(即從柱筒底部的接收部孔收回)以取回重新用在另一個類似構造的OTEC平臺。
冷水管組裝形成單個的、非常大直徑的管。冷水管的組裝和安裝方法能夠確保將板條接合和結合到冷水管底部處預制的鐘形口。冷水管底部的鐘形口處的流速有助于將冷水管入口處的入口流量保持在由一些管理機構或政府設定的標準內。例如,在一些實施方式中,入口流速為每秒0.5英尺或更小,其符合33U.S.C.§1251,1972聯邦水污染控制法案(清潔水法案)的316(a)部分。
在附圖以及以下的說明中闡述了一個以上的實施方式的細節。本公開的其他方面、特征和優點將從說明和附圖以及從權利要求書變得顯而易見。
附圖說明
圖1示出示例性OTEC熱機。
圖2示出示例性OTEC電站。
圖3示出OTEC結構。
圖4示出OTEC結構的錯開板條管。
圖5示出裝有萬向接頭的管連接部的示例。
圖6示出冷水管連接部。
圖7示出冷水管連接部。
圖8示出冷水管連接的方法。
圖9示出冷水管組裝平臺。
圖10示出圖9的組裝場所的組裝托臺。
圖11A和圖11B示出用于操作圖10的組裝托臺的纜繩系統。
圖12A至圖12D示出使用浮式起重機(barge crane)將冷水管鐘形口降低到水中并且將鐘形口轉移到組裝托臺的下降纜繩。
圖13是用于在組裝期間懸掛冷水管的纜繩的截面圖。
圖14A至圖14C示出將冷水管連接部安裝于圖10的冷水管。
圖15A至圖15C示出使用平臺式起重機(platform crane)將冷水管鐘形口降低到水中并且將鐘形口轉移到駁船。
圖16A至圖16C示出通過使用平臺式起重機組裝板條管段而形成冷水管。
圖17A至圖17C示出將冷水管連接部安裝于圖15A至圖15C的冷水管。
圖18A至圖18E示出從駁船拆卸冷水管并且將冷水管安裝到OTEC結構。
圖19A至圖19B示出示例性OTEC熱機。
具體實施方式
本公開涉及利用海洋熱能轉換(OTEC)技術發電。本公開的方面涉及浮式OTEC電站,與以前的OTEC電站相比,該OTEC電站具有改善了的整體效率、降低了的寄生載荷、較好的穩定性、較低的構造和操作成本以及改善了的環境足跡。其他方面包括與浮式結構一體的大容量水管道。多級OTEC熱機的模塊化和區室化降低了構造和維護成本,限制了離網操作并且提高了操作性能。又進一步的方面提供具有一體的熱交換區室的浮式平臺,并且提 供了平臺由于波浪作用而產生的最小運動。一體的浮式平臺還可以提供通過多級熱交換器的高效的熱水流或冷水流,提高了效率并且降低了寄生電力需求。所述的系統和方法的方面通過將熱水和冷水排放在適當的深度/溫度范圍內而促進了中性熱足跡。以電的形式提取出的能量降低了到達海洋的整體溫度。
OTEC是用儲存在地球海洋中的來自太陽的熱能來發電的過程。OTEC利用了較熱的上層海水與較冷的深層海水之間的溫差。該溫差典型地至少為36°F(20℃)。這些條件存在于熱帶地區,大致在南回歸線和北回歸線之間,甚至是在南北緯20°之間。OTEC過程利用溫差向蘭金循環(Rankine cycle)提供動力,其中熱的表面水用作熱源,冷的深層水用作冷源(heat sink)。蘭金循環的渦輪機驅動用于產生電力的發電機。
圖1示出典型的OTEC蘭金循環熱機10,該熱機10包括熱海水入口12、蒸發器14、熱海水出口15、渦輪機16、冷海水入口18、冷凝器20、冷海水出口21、工作流體管道22和工作流體泵24。
在操作中,熱機10可以使用多種工作流體中的任何一種,例如,諸如氨等商業制冷劑。其他工作流體可以包括丙烯、丁烷、R-22和R-134a。也可以使用其他商業制冷劑。大約75°F至85°F之間或者更高溫度的熱海水經由熱海水入口12被從海洋表面或比海洋表面稍低的位置抽取,進而對穿過蒸發器14的氨工作流體進行加熱。氨沸騰產生大約9.3標準大氣壓(atm)的蒸汽壓。蒸汽沿著工作流體管道22被輸送至渦輪機16。氨蒸汽在穿過渦輪機16時膨脹,產生了驅動發電機25的動力。然后氨蒸汽進入冷凝器20,在那里氨蒸汽被從大約3000英尺深的深層海洋抽取的冷海水冷卻為液體。冷海水以大約40°F的溫度進入冷凝器。在冷凝器20中的溫度為大約51°F的氨工作流體的蒸汽壓為6.1標準大氣壓。因此,顯著的壓力差可用于驅動渦輪機16并產生電力。當氨工作流體冷凝時,液態工作流體經由工作流體管道22被工作流體泵24泵 回至蒸發器14內。
圖1的熱機10與大多數蒸汽渦輪機的蘭金循環實質上相同,除了OTEC由于利用不同的工作流體和較低的溫度及壓力而不同之外。圖1的熱機10也與商業制冷設備相似,除了OTEC循環沿相反的方向運行使得熱源(例如,熱海水)和冷的冷源(例如,深層海水)被用于產生電力之外。
圖2示出浮式OTEC設備200的典型組成部件,這些組成部件包括:船舶(vessel)或平臺210、熱海水入口212、熱水泵213、蒸發器214、熱海水出口215、渦輪發電機216、冷水管217、冷海水入口218、冷水泵219、冷凝器220、冷海水出口221、工作流體管道222、工作流體泵224和管連接部230。OTEC設備200還可以包括發電、轉換和傳輸系統、諸如推進器、推動器等位置控制系統或者錨泊系統(mooring system)以及各種輔助和支持系統(例如,人員住宿、應急電源、飲用水、污水和廢水、消防、損害控制、儲備浮力以及其他常見的船上或海事系統)。
利用圖1和圖2中的基本的熱機和系統實現的OTEC電站具有3%或更小的相對低的整體效率。由于該低的熱效率,所以產生每千瓦電力的OTEC操作都需要大量的水流過電力系統。這進而在蒸發器和冷凝器中需要具有大的熱交換表面積的大的熱交換器。
這樣的大量的水和大表面積需要熱水泵213和冷水泵219具有相當大的泵取能力,降低了可用于配送至岸基設備或船上工業目的的凈電力。此外,多數水面船舶的有限空間不容易促使大量的水被導入并流過蒸發器或冷凝器。實際上,大量的水需要大直徑管和管道。將這樣的結構放在有限的空間內需要多個彎道來容納其他機械。典型的水面船舶或結構的有限空間不太可能容易地實現OTEC電站的最大效率所需的大的熱交換表面積。因此,OTEC系統以及船舶或平臺歷來較大并且昂貴。這導致如下工業結論:與利用較高溫度和壓力的其他能源生產方案相比,OTEC操作是一種高成本、低產出的 發電方案。
所述的系統和方法的方面解決了技術挑戰,以提高OTEC操作的效率并且降低構造和操作成本。
船舶或平臺210需要低運動,以使冷水管217與船舶或平臺210之間的動態力最小化,并且為平臺或船舶中的OTEC設施提供良性的操作環境。船舶或平臺210還應該支持冷海水入口218和熱海水入口212的體積流量,使得從適當的高度引入足夠的冷水和熱水,以提供OTEC過程的效率。船舶或平臺210還應該使得冷水和熱水能夠經由冷水出口221和熱水出口215排放到船舶或平臺210的水線下方的適當位置,以避免熱回流進入到海洋表面層。另外,船舶或平臺210應該經受得住惡劣天氣而不會干擾發電操作。
OTEC熱機10應該采用用于最大效率和最大發電的高效熱循環。沸騰和冷凝過程中的熱傳遞以及熱交換器材料和設計均限制了從每磅熱海水能夠提取出的能源的量。蒸發器214和冷凝器220中使用的熱交換器需要高的熱水和冷水流量以及低的水頭損失(head loss)以使寄生載荷最小化。熱交換器也需要高的熱傳遞系數以提高效率。熱交換器可以包含能夠被調節成適應(tailor)熱水入口溫度和冷水入口溫度的材料和設計,以提高效率。熱交換器設計應該使用材料用量最少化的簡單的構造方法,以降低成本和體積。
渦輪發電機216應該具有內部損失最小化的高效率,并且可以被調節成適應工作流體以提高效率。
圖3示出提高以前的OTEC電站的效率并且克服與其相關聯的多個技術挑戰的實施。該實施包括船舶或平臺用柱筒(spar),柱筒上一體設置有熱交換器和相關聯的熱水管路和冷水管路。
OTEC柱筒310容納有用于與OTEC發電站一起使用的一體化多級熱交換系統。柱筒310包括在水線305下方的浸沒部311。浸沒部311包括熱水引入部340、蒸發器部344、熱水排放部346、冷凝器部348、冷水引入部350、冷水 管217、冷水排放部352、機械甲板部354。柱筒310還包括在浸沒部上方的甲板室360。
在操作中,75°F至85°F之間的熱海水通過熱水引入部340而被引入并且通過未示出的結構一體化的熱水管道在柱筒中向下流動。由于OTEC熱機所需的水流量大,所以熱水管道將水流以500,000gpm至6,000,000gpm之間的流量引導至蒸發器部344。這樣的熱水管道具有6英尺至35英尺之間或更大的直徑。由于該尺寸,所以熱水管道是柱筒310的垂向結構構件(vertical structural member)。熱水管道可以是強度足夠垂向支撐柱筒310的大直徑管。可選地,熱水管道可以是與柱筒310的構造為一體的通道。
熱水然后流過蒸發器部344,該蒸發器部344容納有用于將工作流體加熱至蒸汽的一個或多個堆疊式多級熱交換器。熱海水然后經由熱水排放部346從柱筒310排放。熱水排放可以位于或靠近溫度與熱水排出溫度大致相同的海洋熱層處,或者經由熱水排放管被引導至溫度與熱水排放溫度大致相同的海洋熱層的深度處或附近,以使環境沖擊最小化。熱水排放可以被引導至足夠的深度處以減小與熱水引入或冷水引入產生熱回流的可能。
冷海水經由冷水管217被從2500英尺至4200英尺之間或更深的深度抽取,溫度大約為40°F。冷海水經由冷水引入部350進入柱筒310。由于OTEC熱機需要大的水流量,所以冷海水管道將水流以500,000gpm至6,000,000gpm之間的流量引導至冷凝器部348。這樣的冷海水管道具有6英尺至35英尺之間或者更大的直徑。由于該尺寸,所以冷海水管道是柱筒310的垂向結構構件。冷水管道可以是強度足夠垂向支撐柱筒310的大直徑管。可選地,冷水管道可以是與柱筒310的構造為一體的通道。
冷海水然后向上流到堆疊式多級冷凝器部348,在那里冷海水將工作流體冷卻成液體。冷海水然后經由冷海水排放部352從柱筒310排放。冷海水排放可以位于或靠近溫度與冷海水排放溫度大致相同的海洋熱層處,或者經由 冷海水排放管被引導至溫度與冷海水排放溫度大致相同的海洋熱層的深度處或附近。冷水排放可以被引導至足夠的深度處以減小與熱水引入或冷水引入產生熱回流的可能。
機械甲板部354可以被定位成在垂向上位于蒸發器部344和冷凝器部348之間。將機械甲板部354定位在蒸發器部344的下方允許幾乎直線狀的熱水從引入部流動經過多級蒸發器并且排放。將機械甲板部354定位在冷凝器部348的上方允許幾乎直線狀的冷水從引入部流動經過多級冷凝器并且排放。機械甲板部354包括渦輪發電機356。在操作中,來自蒸發器部344的被加熱成蒸汽的熱工作流體流到一個或多個的渦輪發電機356。工作流體在渦輪發電機356中膨脹從而驅動用于發電的渦輪機。工作流體然后流到冷凝器部348,在那里工作流體被冷卻成液體并且被泵送至蒸發器部344。
熱交換器的性能受到流體之間可用的溫差以及熱交換器的表面處的熱傳遞系數的影響。熱傳遞系數一般隨著經過熱傳遞表面的流體的速度而變化。流體速度越高需要的泵取功率越高,由此降低了電站的凈效率。混合級聯的多級熱交換系統有利于較低的流體速度和較大的電站效率。堆疊式混合級聯熱交換設計也有利于通過熱交換器的較低的壓降。垂向的電站設計有利于整個系統的較低的壓降。在2010年1月21日提交的名稱為“海洋熱能轉換電站”的美國專利公開US 2011/0173979 A1協同本申請描述了混合級聯的多級熱交換系統,該申請的全部內容通過引用合并于此并以附件A的方式附于本申請。
如上所述,OTEC操作需要具有恒定溫度的冷水源。冷卻水的變化可能大大影響了OTEC電站的整體效率。因此,從2700英尺至4200英尺之間或更深的深度抽取大約40℉的水。需要長引入管以將該冷水抽送至表面以便被OTEC電站使用。這種冷水管由于在構造適合性能和耐久性的管時的成本而已經妨礙了商業上可行的OTEC操作。
冷水管(“CWP”)用于從2700英尺至4200英尺之間或更深的海洋深度處的冷水儲藏中抽取水。冷水用于對從電站渦輪機出來的蒸汽狀的工作流體進行冷卻和冷凝。冷水管及其與船舶或平臺的連接被構造成承受由管重量、遭受波浪時管和平臺的相對運動及高達百年一遇的強度(severity)的海流負載以及由水泵泵取引起的潰縮負載施加的靜態及動態負載。冷水管的尺寸制造成以低的阻力損失(drag loss)操作所需的水流量,并且冷水管由在海水中具有耐久性和耐腐蝕性的材料制成。
冷水管的長度根據從溫度大約40°F的深度抽取水的需要而限定。冷水管的長度可以在2000英尺至4000英尺之間或者更長。在所述的本系統和方法的方面中,冷水管的長度可以是大約3000英尺。
冷水管的直徑由電站的大小和需要的水流量來確定。通過管的水流量由期望的電力輸出和OTEC電站效率來確定。冷水管可以以500,000gpm至3,500,000gpm之間或更高的流量將冷水輸送至船舶或平臺的冷水管道。冷水管的直徑可以在6英尺至35英尺之間或者更大。在本公開的方面中,冷水管的直徑大約為31英尺。
以前的針對OTEC操作的冷水管設計包括段式構造。長度在10英尺至80英尺之間的筒形管段以串聯的方式螺栓連接或接合到一起直到獲得足夠的長度。采用多個筒形管段,能夠在電站設備附近組裝冷水管并且能夠將完全構造好的管豎立并安裝。這種方式具有包括在管段之間的連接點處的應力和疲勞在內的顯著的缺點。此外,連接器件增加了管的整體重量,進一步使管段連接部處以及完全組裝好的冷水管與OTEC平臺或船舶之間的連接部處的應力和疲勞考慮復雜化。
參照圖4,示出了連續的錯開板條式冷水管。冷水管217沒有存在于以前的冷水管設計的段接頭,而是利用了錯開板條式構造。冷水管217包括用于連接至浮式OTEC平臺411的浸沒部的頂端部452。與頂端部452相反的是底端 部454,該底端部454可以包括壓艙物系統、錨泊系統和/或引入口攔網。
冷水管217包括被組裝成形成筒體的多個錯開板條。在一些實施方式中,多個錯開板條包括交替的多個第一板條465和多個第二板條467。每個第一板條均包括頂邊緣471和底邊緣472。每個第二板條均包括頂邊緣473和底邊緣474。在一些實施方式中,第二板條467與相鄰的第一板條部465在垂向上錯開使得(第二板條部467的)頂邊緣473從(第一板條部465的)頂邊緣471在垂向上位移3%至97%之間。相鄰的板條之間的錯位可以為大約5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%或者更大。
冷水管217的單個板條可以由如下材料制成:聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纖維增強塑料(FRP)、增強聚合物砂漿(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交聯高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);聚亞安酯、聚酯、纖維增強聚酯、乙烯基酯、增強乙烯基酯、混凝土、陶瓷,或它們中的一個或多個的組合物。單個板條可以利用標準制造技術模塑成型、擠出成型或者拉擠成型(pulltruded)。在一些實施方式中,單個板條被拉擠成型為期望的形狀和形式,并且包括纖維或尼龍增強乙烯基酯。乙烯基酯可以從肯塔基州卡溫頓的阿施蘭德化學公司(Ashland Chemical)得到。
在一些實施方式中,板條可以利用適合的粘合劑粘合至相鄰的板條。例如,包括了增強乙烯基酯的板條利用乙烯基酯樹脂被粘合至相鄰的板條。
板條式設計負責應對分段式管構造慣常經歷的不利的航運和裝卸載荷。例如,對傳統構造的分段式冷水管的拖拽和豎立會在管上施加有危險的載荷。
板條式構造允許在設備外制造多個40英尺至50英尺長的板條。各板條大約52英寸寬且1英寸至6英寸厚。可以以堆疊的方式或用集裝箱將板條航運至離岸平臺,然后可以在平臺上由多個板條構造成冷水管。這消除了用于組裝 管段的單獨的設備的需要。
在2010年1月21日提交的題為“海洋熱能轉換電站冷水管”的美國專利公開US 2011/0173978 A1中描述了冷水管的結構和性能的進一步細節,該申請的全部內容通過引用合并于此并以附件B的方式附于本申請。
冷水管217與柱筒浸沒部311之間的連接引起了構造、維護和操作方面的挑戰。例如,冷水管是懸在動態海洋環境中的2000英尺至4000英尺的垂向柱。冷水管所連接至的平臺或船舶也浮在動態海洋環境中。此外,管理想地被連接在水線的下方,并且,在一些實施方式中,遠低于水線并且靠近船舶的底部。將完全組裝的管調運到適當的位置并且將管固定于船舶或平臺是一項艱巨的任務。
冷水管連接支撐著從平臺上懸下來的管的靜態重量,并且負責應對平臺和懸著的管之間的由于波浪作用、管振動和管運動所產生的動態力。
在1994年牛津大學出版社出版的William Avery和Chih Wu發表的題為“來自海洋的可再生能源,OTEC指南”第4.5節中公開了多種OTEC冷水管連接部,包括萬向節、球窩和通用連接部,這些通過引用合并于此。只對萬向節連接部進行了操作性試驗,該萬向節連接部包括允許30°轉動的兩軸萬向節。如Avery和Wu所述,在萬向節的平面中,球形殼形成了管的頂部。具有由尼龍和聚四氟乙烯(Teflon)制成的扁平環的筒形帽在管中的冷水和周圍平臺結構之間提供了滑動密封。圖5中示出了萬向節式管連接部。
以前的冷水管連接部被設計用于傳統的船型和平臺,這種傳統的船型和平臺由于起伏以及波浪作用所以展現出比柱筒平臺更大的垂向移位。用柱筒浮筒作為平臺的顯著的優點之一是,即使在非常嚴重的百年一遇的風暴條件下這樣做也能使得在柱筒自身和冷水管之間產生相對小的轉動。另外,柱筒和冷水管之間的垂向和橫向力使得球形球與其底座之間的向下的力將支承面保持為總是接觸。在一些實施方式中,冷水管與連接支承面之間的向下的 力在0.4g至1.0g之間。由于還可以用作水密封的這種支承不會從與其配合的球形底座脫離接觸,減少或不再有安裝用于將冷水管在豎向上保持在合適位置的機構的需要。這有助于簡化球形支承設計,并且還使得否則將由任何附加的冷水管約束結構或器件引起的壓力損失最小化。通過球形支承傳遞的橫向力也足夠低,使得該橫向力能夠被充分地容納而無需冷水管的豎向約束。
所述的本系統和方法的方面允許冷水管向上垂向插過平臺的底部。這通過將完全組裝的冷水管從平臺下方提升到適當位置來完成。這便于同時地構造平臺和管以及提供了維護時容易地安裝和移走冷水管的優點。
參照圖3,冷水管217在冷水管連接部375處連接至柱筒平臺310的浸沒部311。冷水管利用動態支承與圖3的OTEC柱筒的底部連接。
在一些實施方式中,冷水管連接部設置成包括管凸緣,該管凸緣經由球形面落座于活動爪(movable detent)。活動爪聯接至柱筒平臺的基部。包含活動爪允許冷水管垂向地插入冷水管接收凹部(bay)以及從冷水管接收凹部垂向地移走。
圖6示出冷水管連接部375包括管接收凹部776的示例性系統,其中管接收凹部776包括凹部壁777和爪殼體778。接收凹部776進一步包括接收直徑780,該接收直徑780由凹部壁777之間的直徑的長度限定。在一些實施方式中,接收直徑大于冷水管217的外凸緣直徑781。
冷水管連接部375和柱筒311的下部可以包括結構加強件和支撐件,以承受由懸掛的冷水管217施加在以及傳遞到柱筒311的重量和動態力。
參照圖7,冷水管連接部375包括爪殼體778和活動爪840,活動爪840機械地聯接至爪殼體778以允許爪840從第一位置移動至第二位置。在第一位置中,活動爪840容納在爪殼體778內使得爪840不朝向管接收凹部776的中央向內突出,并且保持在接收直徑780的外側。在第一位置中,冷水管217的頂端部385可以在不受活動爪840的干擾的情況下插入管接收凹部776中。在一些 實施方式中,活動爪840可以以如下方式被容納在第一位置:使得活動爪840的任何方面都沒有朝向接收凹部776的中央向內突出超過外凸緣直徑781。在一些實施方式中,第一位置中的活動爪840不與冷水管217的通過接收凹部776的垂向運動發生干涉。
在第二位置中,活動爪840延伸超出爪殼體778并且朝向接收凹部776的中央向內突出。在第二位置中,活動爪840向內延伸超過外凸緣直徑781。可以利用液壓致動器、氣動致動器、機械致動器、電致動器、機電致動器或上述的組合將活動爪840從第一位置調整或移動至第二位置。
活動爪840包括部分球形或弧形的支承面842。弧形支承面842被構造成在活動爪840位于第二位置時為冷水管支承凸緣848提供動態支承。
冷水管支承凸緣842包括凸緣支承面849。弧形支承面842和凸緣支承面849可以協作落座以便提供動態支承,以支撐冷水管217的懸掛重量。另外,弧形支承面842和凸緣支承面849協作落座以負責應對冷水管217與平臺310之間的相對運動而不使冷水管217離座。弧形支承面842和凸緣支承面849協作地落座以提供動態密封使得,一旦冷水管217經由冷水管連接部375被連接到平臺310,相對熱的水就不會進入管接收凹部776而最終不會進入冷水引入部350。一旦懸掛上冷水管217,冷水經由一個或多個冷水泵通過冷水管被抽取并且經由一個或多個冷水通道或管道流入多級OTEC電站的冷凝器部。
弧形支承面842和凸緣支承面849可以用諸如聚四氟乙烯涂層等涂層進行處理,以防止兩表面之間產生原電池反應(galvanic interaction)。
可以理解的是,動態支承面和活動爪或小齒輪(pinion)的用于將冷水管連接至浮式平臺的任何組合都在權利要求書以及此處公開的考慮范圍內。例如,弧形支承面可以被定位在活動爪的上方、弧形支承面可以被定位于活動爪的側面甚至是被定位在活動爪的下方。活動爪可以與如上所述的浮式平臺的底部為一體。活動爪可以與冷水管為一體。
圖8示出制作和組裝冷水管的示例性方法。該方法包括制作冷水管組成部件和安裝裝置,以及準備在組裝場所的集結區域(例如,浮式駁船)中組裝用的組成部件。一旦冷水管組成部件適當地集結在浮式駁船上,則能夠使用浮式駁船和/或浮式平臺上的裝置組裝冷水管。
實施例1:冷水管組裝
組成部件和組裝裝置制作
在將冷水管組裝和連接到柱筒平臺之前,獲得和/或制造各種組成部件。
獲得諸如駁船(例如,罐駁船)900的浮式船舶,用作冷水管217用組裝平臺。如圖9所示,典型地使用具有開口中央艙(open central bay)(月池)902的駁船900,使得材料能夠從起重機或位于駁船中央的下降裝置被載入駁船下方的水中,提供保護防止來自其他元件的損害并且使駁船和被降下的冷水管之間的相對運動最小化。在一些情況下,罐駁船被改型為具有月池902。通過利用月池902,與將裝置載入在駁船的一側的水中的駁船相比,駁船900在冷水管組裝期間更平衡。駁船900還支撐其甲板上的其他組裝裝置或設備,例如,存儲區域904、發電站906、辦公室908、直升機甲板910和在組裝之前保持管板條的板條放置架912。駁船900可以是如圖所示的具有月池902的單個浮式船舶,或者是兩個或更多個船舶,這些船舶以其間有間隙的方式結構性地結合,以用于降下冷水管217。例如,克勞利455系列駁船已被用于設計改進,其大約400英尺長、大約105英尺寬、大約25英尺深,具有3,450長噸的空船排水量,并且每浸沒一英寸具有大約100長噸的附加排水量。
根據在組裝期間的實用性、費用、期望的環境條件和最大容許運動,為組裝過程所選的駁船可以是不同的尺寸。根據使用的駁船的類型,應當確定縱向強度,為了能夠保持在支撐組裝裝置所需要的容許的縱向和橫向強度的限度內,可能需要壓艙材料。
如圖9至圖11B所示,駁船900包括冷水管組裝托臺914,組裝托臺914圍繞月池902建于駁船900的甲板上,以支撐用于組裝冷水管217的各種裝置。 示例性組裝托臺914包括或支撐浮式起重機916、沿著組裝托臺914的上表面的板條排列銷918、板條組裝芯軸920、兩個或更多個工作甲板922、一個或多個冷水管增強涂布機924、下降纜繩926A和相關的絞盤926B以及釋放纜繩928A和相關的絞盤928B。為了防止各種纜繩粘著或纏結,絞盤926B、928B典型地安裝于駁船甲板,并且使用滑輪930沿著組裝托臺914配置纜繩926A、928A。
組裝過程的進一步的細節在圖12A至圖12D以及圖13中示出。在組裝過程期間,駁船900用做用于形成冷水管217的各種組成部件用的集結區域。如已說明地,冷水管組成部件例如包括箍、箍翼(strake fin)、鐘形口932、配重塊(clump weight)934和多個管板條936。組成部件被包裝(例如,在板條箱中或集裝箱中)并且船運到集結場所(例如,駁船)。
管的板條936典型地為35英尺至48英尺長,以便其能夠裝于標準ISO 40英尺的集裝箱或加長的ISO 54英尺集裝箱中。各板條936由復合外殼構成,例如,玻璃纖維增強聚合體(FRP),并且具有泡沫填充的內部。板條936被設計為沿著它們各自的縱向邊緣接合。縱向邊緣具有互鎖的接口,例如舌槽式接頭連接部,以便板條936能夠通過沿著其相鄰的板條縱向滑動一個板條而被接合。各板條936的縱向邊緣可以包括涂布(例如,注射)樹脂粘合劑所通過的通道,使得以永久的方式粘合所有相鄰的邊緣。各板條936的端緣也被設計為彼此接合。為了接合板條的端部,各板條的一端可以具有翼片特征而另一端可以具有容納翼片的槽。在一些實施方式中,兩端包括槽,插入物(例如,接合物)被插入兩個相鄰的槽,類似于“餅干式接頭(biscuit-style joint)”。箍翼典型地在板條制造期間被固定(例如,粘接)到板條936的外表面。
準備的管板條936按相繼次序被包裝并組織到集裝箱中,使得在冷水管集結和組裝期間管板條936能夠按照被安裝的順序被移出。當板條936將形成圍繞冷水管217的特定圖案(例如,形成螺旋狀)時,或者可替換地,當安裝不同長度的板條936時,包裝順序以及由此的組裝順序很重要。板條936從 集裝箱被一個個地裝到板條排列夾具948內并且組織到板條放置架912。各板條排列夾具948典型地為輕型箱,在一些情況下,安裝有箍的單個板條936被包裝,用于將板條從岸邊輸送到海中的組裝場所(例如,組裝駁船900)的板條放置架912。各排列夾具948的頂部具有吊耳(偏置于重心上方,以便夾具在被起重機提起時是垂向的)并且各夾具948的底部具有突出配置的凸緣和沿著組裝托臺914的頂部配置的鎖定銷(lock-down pin)918。組裝托臺914包括多套銷918,銷918的數量對應于繞著冷水管217的外周配置的管板條936的數量。在安裝期間,銷918將各排列夾具948的基部鎖定在適當的位置以提供合適的定位。在管板條936在安裝前典型地保持在其排列夾具中的情況下,其他組成部件(例如,配重塊934和鐘形口932)可以從其各自的板條箱被移出并且沿著駁船900的放置區域布置,以準備組裝。
對于從板條箱中取出并且沿著放置區域布置的配重塊934和鐘形口932,可以使用多個纜繩連接這些配重塊934和鐘形口932,以形成鐘形口和配重塊組件938。纜繩被制成使得配重塊934和鐘形口932在垂向懸掛時彼此分開大約12英尺至36英尺的尺寸。在組裝期間應當注意和小心的是增加了纜繩在被放置和連接時沒有交叉或纏結的可能性,使得配重塊934在上升時將離開鐘形口932適當地懸掛。
平臺集結
在冷水管組成部件在駁船900上并且組裝裝置(例如,組裝托臺914的部分)安裝于駁船900的情況下,駁船900可以被拖到平臺210以開始組裝。一旦在平臺210附近的適當位置,可以開始集結,各種裝置的件被測試和/或準備用于組裝。例如,駁船900上的下降纜繩絞盤926B和釋放纜繩絞盤928B經歷耗盡測試(run out test)以檢查纜繩926A、928A具有充分的行進長度以在組裝期間支撐冷水管217的長度,沒有損壞并且在各個方面均適于安全和可靠的安裝。還對一個或多個浮式起重機916進行耗盡測試。耗盡測試確認起重機916在隨后的過程中將適于執行任務。
一旦所有測試執行完,開始組裝。首先,上升并且可膨脹的排列束(truss) 組件被插入鐘形口932,所以鐘形口和配重塊組件938能夠被上升。如圖12A所示,浮式起重機916的鉤通過可膨脹排列束組件的中央下降并且附接到鐘形口快速釋放連接設備(或“支架(spider)”)940的吊板耳的中央。當支架釋放纜繩928A收緊時,支架940向外跨并且夾持管的內壁,支架釋放纜繩這時還被附接以便向下到管的中央。支架釋放纜繩是來自駁船的最后待斷開的的纜繩。實際上,其僅在來自柱筒的收回纜繩附接到CWP的頂部的升降耳(lifting lug)之后才松弛。支架釋放纜繩928A用作CWP到駁船的冗余附件以防止CWP的損失并且還有助于保持CWP在組裝和下降期間垂向定向。組裝托臺914的下降纜繩926A也通過駁船900的月池902被降下,被拉到駁船900的側面并且被升到駁船900的側面的上方。一旦從水中移出,下降纜繩926A連接到可膨脹排列束組件,使得鐘形口和配重塊組件938能夠由浮式起重機916和下降纜繩926A二者支撐。如圖12B所示,鐘形口和配重塊組件938接著被浮式起重機916小心地升高并且慢慢地下降到駁船900附近的水中。一旦在水中,浮式起重機916連續地使鐘形口和配重塊組件938緩慢下降直到充分的深度,使得通過拉起下降纜繩926A呈現張力,并且鐘形口和配重塊組件938呈現在組裝托臺914和月池902下方的位置,如圖12C所示。在鐘形口和配重塊組件938位于適當位置并且由下降纜繩926A支撐之后,附接到浮式起重機916的纜繩從鐘形口和配重塊組件938被釋放(例如,利用潛水員或遠程操作釋放)并且被收回到駁船900的側面上方。如圖12D所示,在僅通過下降纜繩926A支撐鐘形口和配重塊組件938的情況下,鐘形口和配重塊組件938通過下降纜繩絞盤926B被升高,使得在組裝托臺914內鐘形口932的頂部在駁船900的甲板上方大約24英寸至48英寸。檢查和清理鐘形口932為冷水管的組裝的下個步驟做準備。
在一些實施方式中,在被置于水中之前,當鐘形口932位于駁船甲板上時,冷水管217的一部分安裝于鐘形口932。為了安裝冷水管217的一部分,一系列的管板條936被固定(例如,使用緊固件和粘合劑)到鐘形口932。
冷水管組裝
一旦組裝托臺914完全組裝和固定到甲板,能夠使用浮式起重機916組裝冷水管217。使用如圖10所示的駁船916,如圖13所示,裝載有板條936的第一板條排列夾具948a從放置架912被升高。起重機將排列夾具的基部定位在組裝托臺914的多套銷918中的一個。一旦定位后,銷918被鎖定并且第一板條排列夾具948a固定到組裝托臺914。在第一板條排列夾具948a固定到組裝托臺914的情況下,浮式起重機916釋放第一板條排列夾具948a并且在第一板條排列夾具948a中附接到板條936。一旦板條936附接到浮式起重機916,第一板條排列夾具948a釋放板條936,并且使用浮式起重機916降低板條936,使得板條936沿著第一板條排列夾具948a的側面移動并且向下移動到組裝托臺914。當板條936離開第一板條排列夾具948a時,組裝托臺914的工作甲板922上的人員定位板條936并且通過使用浮式起重機916在上下方向上加墊、下拉、緩沖桿鉸鏈連接或通過諸如在各緩沖桿處的本地機構的其他部件使板條936抵靠芯軸920保持在適當的位置。
當第一板條936固定在適當位置的情況下,第一板條排列夾具948a返回板條放置架912,第二板條排列夾具948b被升高并且定位在與第一板條排列夾具948a所定位的那套銷相鄰的第二套銷918。當第二板條排列夾具948b在銷918的適當位置時,第二板條排列夾具948b被固定到組裝托臺914。一旦第二板條排列夾具948b被固定到組裝托臺914,第二板條936下降到組裝托臺914中。工作甲板922上的人員與第一板條936相鄰地定位第二板條936,并且通過使用浮式起重機916在上下方向上加墊、下拉、緩沖桿鉸鏈連接的方式,使第二板條抵靠第一板條并且抵靠芯軸920保持在適當的位置。
接著,另外的板條排列夾具948被升高并且使用銷918被固定到組裝托臺914,使得能夠以與第一和第二板條相同的方式安裝板條936。在各種情況下,已清空板條的板條排列夾具948返回板條放置架912。形成冷水管217的第一環形段的板條936典型地具有兩種不同尺寸(例如,35英尺至40英尺長的全長板條和20英尺、22英尺、24英尺、25英尺、26英尺、30英尺或34英尺長的縮短板條)。以交替的順序組裝不同長度的板條936,以產生板條936的交錯 環。這導致這些板條的底端與鐘形口932的頂部齊平并且這些板條的頂端交錯。
當完成冷水管的環形部所需的所有板條936(例如,用于22英尺直徑冷水管的18個板條或用于31英尺直徑冷水管的25個板條)位于適當位置并且形成第一板條段時,周向扎帶(tie wrap)繞著冷水管固定并且被略微拉伸。為了使組裝得到的板條段的板條936的端部密封和結合,泡沫(例如,復合泡沫)和樹脂被注射到板條936的頂部的入口中并且向下流入通道內并且沿著縱向邊緣流動,直到過多的樹脂從板條936的基部處的小直徑排出口流出。一旦樹脂開始從排出口流動,注射停止并且板條排出口被堵住。當樹脂被注射時,扎帶收緊,能夠移除過多的樹脂,根據所使用的樹脂類型,允許剩余樹脂被固化一段時間。例如,能夠使用通過UV和/或微波射線固化的樹脂。這種樹脂典型地在大約90秒至210秒內被固化。在另一實施方式中,粘接結合樹脂用在制作過程中;粘接結合樹脂的一側結合到板條的縱向邊緣,而其待裝配的邊緣覆蓋有剝離紙帶。在即將使該卡合(snap)接頭裝配之前,將該紙剝離以起用粘接樹脂。
一旦樹脂固化,移除扎帶并且降低冷水管217,使得板條936的端部(例如,板條936遇到鐘形口932處)與在組裝托臺214的下部的增強涂布機924垂向對齊。增強涂布機924被構造為圍繞冷水管217轉動,并且圍繞接頭(例如,鐘形口和第一板條段之間的接頭處或可選的板條之間的接頭處)卷繞諸如復合織物的結合材料(例如,樹脂注入了的尼龍織物或預浸織物),以增加另外的支撐和強度,并且進一步密封板條的端部的對接接合處。圍繞第一板條段以允許適當結合和結構支撐的距離卷繞織物以覆蓋板條936的底端。典型地,材料覆蓋板條936的底端至少6英寸到大約兩英尺。
使鐘形口932和第一板條段之間卷繞結合的接頭在被降低并且浸沒在水中之前在空氣中固化適當的時間(例如,1.5分鐘至8分鐘),以增加適當結合的可能性。典型地,鐘形口932和第一板條段被預組裝為子組件,其能夠被運輸到冷水管組裝場所。
一旦結合的接頭充分固化,鐘形口和配重塊組件938和結合的部分冷水管217組件下降到水中,直到冷水管217的標稱上端(板條的上端的平均高度)在適當的位置與組裝托臺914的工作甲板922對齊,以接收另外的板條936。
另外的板條936被組裝以形成后續的冷水管段。組裝另外的板條段到當前板條端段的過程與上述將板條段組裝在鐘形口的過程大致相同。因為當前板條段的頂部是板條交替縮進的鋸齒狀,所以相對于不同長度的板條被用于產生初始鋸齒的初始板條段組裝,這里所使用的板條可以長度都相同。板條936被連續組裝于冷水管217,冷水管217漸進地降低并且根據上述過程用結合材料圍繞板條936的端部進行卷繞,直到冷水管217被組裝到期望的最終長度。當達到最終管長時,以與鐘形口的附接類似的方式附接頂段(例如,預制的頂段)。
在示出的實施方式中,頂段是冷水管連接部942,其包括用纖維和樹脂復合物封裝的圓形金屬籠,以形成錐形圓筒。封裝在纖維和樹脂復合物管段中的金屬用作小齒輪(pinion)用的支持結構和冷水管用的結構增強件并被收縮和捕獲在平臺柱筒的底部的凹腔內。冷水管的錐形上段因為插入平臺柱筒的底部的錐形接收部內大約4英尺至12英尺的距離而已知為冷水管連接部,其能夠預制為單片組件,接著被切割為兩個或三個段,各段具有一個或多個通過樹脂和纖維封裝的、水平和垂向的金屬加強件。典型地,該組件作為已完成的子組件在岸上預制,以便能夠最終被加工成緊密配合在平臺柱筒的基部的陰接收部的鋼凹部中。為了降低冷水管連接和接收部之間的未對準或其他不良配合的可能性,錐形接收部的最終尺寸典型地被測量、記錄和發送到冷水管制作工廠,以便能夠制出復合冷水管連接部以緊貼地匹配和配合到鋼接收部中。冷水管連接部被分割,以便能夠圍繞向下延伸到冷水管中央的下降纜繩安裝。兩個接頭(即,當冷水管連接部被劃分為兩段時)或三個接頭(即,當冷水管被劃分為三段時)典型地在船運之前在制作工廠(例如,通過施加附加材料)將切割邊緣重建,以恢復切割過程中移除的材料。在該重建中,可以制作用于強度和密封的接合件(例如,與舌槽接頭類似的搭接 接頭)。可選地,能夠沿著段的側面形成餅干槽(biscuit slot),在最后的組裝期間金屬或復合餅干能夠插入餅干槽中。
為了給冷水管217增加拉伸強度,板條936的端部被緊固(例如,螺接)在一起。例如,板可以用于使板條彼此螺接。在一些實施方式中,板用于以如下方式將連接兩個管板條936的端部接頭夾在中間:冷水管217的外表面的板螺接到冷水管217的內表面的板。在一些實施方式中,用于連接板條(例如,餅干)的翼片(而不是使用另外的板)被螺接到相鄰的板條。在一些實施方式中,螺栓用于替代外部卷繞。在一些實施方式中,螺栓用于與外部卷繞相結合。
由于冷水管217在組裝期間從其下端被支撐,存在彎曲或斷裂的風險,特別是在冷水管217變得很長時。如圖13所示,能夠沿著冷水管217的內壁定位橫撐(spreader)940,以防止冷水管217斷裂。橫撐940附接到釋放纜繩928A(圖11A和圖13中示出)并且提供沿著冷水管217的內表面向外的力。如圖13所示,橫撐940沿著冷水管217以(例如,50英尺的)距離間隔開,以引導下降纜繩926A。這些橫撐與鐘形口和配重塊以及可膨脹排列束組件928B不同。然而,兩者都依賴釋放纜繩928A。橫撐940減小下降纜繩926A大致水平移動的可能性并且增加沿著下降纜繩926A的力保持在垂向方向上的可能性,以避免冷水管217的長柱彎曲。橫撐的接觸冷水管217的內壁的部分被構造為配合內壁并且典型地包括比冷水管壁軟的材料(例如,自然橡膠、氯丁橡膠或丁基橡膠)的墊,以防止對冷水管217的磨損或其他損害。
一旦冷水管217到達期望的長度(例如,2650英尺或當鐘形口在海洋表面下大約3000英尺時),冷水管連接部942能夠安裝到冷水管217的頂部,使得冷水管217能夠隨后附接到OTEC設備200的下側。典型地,冷水管將為大約2650英尺長。使用浮式起重機或起重機916,冷水管連接部942通過使用位于冷水管連接部942頂部的一個或多個板耳被升高。典型地,將有安裝在駁船的多個絞盤或起重機,包括用于提升和將板條936定位在固定件中的至少兩個簡單的吊桿起重機和用于纜繩928A的至少一個重吊桿升降起重機。
如圖14A至圖14C所示,在一些實施方式中,冷水管連接部942為多(例如,二、三、四、五或更多)片942a、942b、942c…的形式,使得這些片在冷水管217被在管217內側向下行進的纜繩926A、928A支撐的情況下被組裝在冷水管217的頂部。以多片形式實施冷水管連接部942能夠使用浮式起重機916沿著冷水管217的頂緣安裝片942a、942b、942c…。使用浮式起重機916升高冷水管連接部942的單個片942a、942b、942c…,樹脂結合材料(例如,聚亞安酯、乙烯基酯、聚酯)被涂布到冷水管217和連接部942的連接表面,接著連接部942被置于冷水管217的頂部處的位置。冷水管連接部942剩余的片以相同的方式被升高并且安裝,直到全部冷水管連接部942都組裝到冷水管217頂部。冷水管連接部942的單個片942a、942b、942c…能被緊固(螺接)在一起以提供額外的強度。將預見的是,可以使用宜家類(Ikea-like)的緊固方法,使得通過扭轉緊固件實現強大的機械緊固接合,非常類似20世紀初的許多磚和石頭建筑所見的,使桿從外側壁完全穿過相對的外側壁。
在一些實施方式,冷水管連接部942的各片942a、942b、942c…在下一片就位前使用粘合劑固定到冷水管217。如圖14B所示,在一些實施方式中,各片942a、942b、942c…被(例如,使用固定件)臨時固定,使得全部冷水管連接部942在使用粘合劑被固定到冷水管217之前能夠(例如,使用緊固件)被完全組裝。將預見的是,可以使用宜家類的緊固方法,使得通過扭轉緊固件實現強大的機械緊固接合,非常類似20世紀初的許多磚和石頭建筑所見的,使桿從外側壁完全穿過相對的外側壁。
當冷水管連接部942在被固定到冷水管217之前被組裝時,冷水管217的頂表面和外側表面以及組裝的冷水管連接部942的內側表面在將冷水管連接部942降低到冷水管217的頂部之前覆蓋有樹脂結合材料(例如,聚氨酯、聚亞安酯、乙烯基酯、聚酯、環氧樹脂)。如圖14A和圖14B所示,冷水管連接部942降低到冷水管217的頂部的位置,冷水管217的頂部插入冷水管連接部942的底部。
如圖14C所示,一旦冷水管連接部942的多個片被安裝和結合到冷水管 217的頂部,為了增強接合處,接著在接合處卷繞樹脂注入了的纖維織物944。施加纖維織物944以與接合處重疊并且使增強部變為錐形,以便形成冷水管217和冷水管連接部942兩者的羽毛狀邊緣。
使得結合的接頭在水上的空氣中固化大約24小時。一旦固化了,全部冷水管組件217浸沒在水下并且使用下降纜繩926A下降到駁船900的底部下方,以隨后附接到浮式平臺210。
實施例2:冷水管組裝
平臺集結
在一些實施方式中,沿著浮式平臺210定位的裝置能夠用于組裝冷水管217。在這種實施方式中,一旦冷水管組成部件(例如,管板條936、鐘形口932和配重塊934)和組裝裝置(例如,下降絞盤926B)在駁船900上并且準備組裝,駁船900能夠被驅動到用于冷水管組裝的平臺210。一旦到達平臺210附近適合的地方,可以開始集結,各種裝置的件被測試和/或準備用于組裝。例如,駁船900上的下降纜繩絞盤926B經歷耗盡測試以檢查下降纜繩926A具有充分的行進長度以在組裝期間支撐冷水管217的長度。
還對位于浮式平臺210的平臺式起重機946進行耗盡測試。耗盡測試確認平臺式起重機946在隨后的過程中將適于執行任務。一旦測試執行完,開始組裝,上升并且可膨脹的排列束組件被插入鐘形口932,所以鐘形口和配重塊組件938能夠被上升。平臺式起重機946的鉤通過可膨脹排列束組件的中央下降并且附接到鐘形口和配重塊組件938的吊板耳的中央。
在鐘形口和配重塊組件938附接到平臺式起重機946的情況下,鐘形口和配重塊組件938被小心地升高到配重塊934的底部與駁船900的甲板具有大約3英尺間隙的高度。如圖15A所示,一旦鐘形口和配重塊組件938從甲板升高,移動駁船900,使得駁船900的退出中心(drop out center)902位于懸掛的鐘形口和配重塊組件938的下方。在一些實施方式中,平臺式起重機可以附加到柱筒,在其他實施方式中,平臺式起重機可以附接到組裝駁船。在前者中,起重機被附圖標記為946。在后者中,起重機被附圖標記為916(見前述)。
一旦駁船900適當地位于鐘形口和配重塊組件938下方,如圖15B所示,平臺式起重機946通過放置駁船900的退出中心902降低鐘形口和配重塊組件938,直到安裝在鐘形口932的凸緣的吊板耳位于駁船的甲板上的工作人員的腰部高度附近的高度處(例如,距離甲板24英寸至36英寸)。當鐘形口932位于適當高度時,下降纜繩926A的端部附接到鐘形口凸緣的四個吊板耳。
在鐘形口932連接到下降纜繩926A時,鐘形口和配重塊組件938的重量從平臺式起重機946傳遞到下降纜繩926A,使得能夠組裝冷水管217。為了傳遞重量,如圖15C所示,平臺式起重機946緩慢地降低平臺式起重機鉤,以增加下降纜繩926A的張力,直到鐘形口和配重塊組件938的重量被附接到吊板耳的下降纜繩926A大致完全支撐。
依然參見圖15C,使用下降纜繩926A,鐘形口和配重塊組件938被降低到配重塊934的頂部在放置駁船900的底部下方大約20英尺處。部署的一個或多個潛水員接著將平臺式起重機鉤從鐘形口932上的板耳拆卸,使得平臺式起重機鉤能夠被升高到鐘形口和配重塊組件938的上方。當鐘形口和配重塊組件938現在僅由下降纜繩926A支撐的情況下,鐘形口和配重塊組件938被降低,使得鐘形口932的頂部在駁船900的甲板上方大約24英寸至36英寸處。
冷水管組裝和安裝
當鐘形口932在相對于駁船甲板的適當位置并且平臺式起重機946從鐘形口932被拆卸的情況下,冷水管組裝引導環能夠安裝在甲板。使用平臺式起重機946,冷水管組裝引導環的第一段被升高并且在退出中心902的邊緣處配置于駁船甲板,接著被緊固(例如,螺接)到甲板支撐結構。
使用平臺式起重機946,冷水管組裝引導環的第二段被升高并且配置在抵接冷水管組裝引導環的第一段的位置,第一和第二段被緊固(例如,螺接)在一起并且緊固到甲板支撐結構。
冷水管組裝引導環的剩余段被升高并且配置于適當位置,接著緊固(例如,螺接)在一起并且緊固到甲板支撐結構,直到全部環被組裝和固定到駁船甲板。
一旦冷水管組裝引導環全部組裝和固定到甲板,平臺式起重機鉤被板條升降夾持安裝件替代,使得能夠通過平臺式起重機946升高和控制板條936。
使用平臺式起重機946,如圖16A所示,第一板條通過其頂端被升高并且移動到冷水管組裝引導環中的位置。為了安裝第一板條936,第一板條936的底端與鐘形口和配重塊組件938的頂部的排列片對齊,并且使板條936下降以便底端與排列片對齊。一旦下降到適當的位置,第一板條被保持在適當的位置并且被夾到冷水管組裝引導環。
使用平臺式起重機946,第二板條通過其頂端被升高并且移動到冷水管組裝引導環中的位置。在第一和第二板條彼此附接之前,沿著與第一板條相鄰的第二板條的縱向邊緣涂布諸如粘合劑(例如,環氧樹脂)的結合材料。
當粘合劑被涂布到第二板條的情況下,使用各板條的自保持匹配特征使第一和第二板條彼此附接。自保持特征可以包括“卡合”機構,一旦板條已連接,該“卡合”機構將這些板條保持在一起。
如圖16B所示,另外的板條936通過平臺式起重機946被升高并且被降低到適當的位置以沿著板條的縱向邊緣接收粘合劑并且“咬合”以結合相鄰板條936。安裝和組裝另外的板條936直到形成管的堅固環段(第一板條段),如圖16C所示。如所示的,板條936以交錯的方式被組裝,以允許沿著冷水管217分布張力。
一旦形成第一板條段,諸如復合織物(例如,樹脂注入了的尼龍織物或預浸織物)的結合材料944圍繞鐘形口932和第一板條段之間的接頭卷繞,以增加附加支撐和強度。復合織物944繞著第一板條段卷繞從而以允許適當結合和結構支撐的距離與板條936的底端重疊。典型地,材料以至少大約兩英尺的距離與板條936的底端重疊。
使鐘形口932和第一板條段之間卷繞結合的接頭在空氣中固化適當的時間(例如,4分鐘至40分鐘),以增加被下降纜繩926A降低并浸沒在水中之前鐘形口932和第一板條段之間適當結合的可能。
一旦結合的接頭被充分固化,鐘形口和配重塊組件938和部分冷水管組 件217被降低到水中,直到管的標稱上端(例如,板條的上端的平均高度)離駁船甲板大約齊腰高(例如,24英寸至36英寸)。
當第一板條段完成并且朝水下降時,板條936能夠被升高以開始組裝冷水管217剩下的長度。首先,平臺式起重機946通過板條936的頂端將其升高,引導板條936到第一板條段的板條936頂部的位置,該位置在第一板條段的所有板條的最低高度處。與第一段的板條類似,將粘合劑涂布到隨后的板條的縱向邊緣。
另外的板條936依次被升高并且配置于下板條的頂部,各板條936與之前安裝的板條936相鄰的配置。在多個(例如,三個)板條936彼此相鄰地配置后,柔性復合桿通過板條936的截面上的輕量孔(lighting hole)以將板條936周向地固定在一起。復合桿通過下板條(例如,第一板條段的板條)的頂部,通過第二板條(例如,位于第一板條段的板條頂部的板條)的底部,并且延伸到至少另一個相鄰的板條內,由此將它們鎖定在一起。通過將一個板條的底端附接到另一板條的頂端固定相鄰的板條936有助于增加冷水管217的抗張強度。
為了密封和結合冷水管217的組裝的部分的板條的端部,泡沫(例如,復合泡沫)和樹脂被注射到較低定位的板條的端部的口內,直到從較高定位的板條的端部的口流出。
在結合材料被涂布在板條之間并且使泡沫和樹脂固化適當的時間之后,冷水管217被較深地降低到水中,連續進行如下過程直到冷水管217到達期望的長度:以周向順序將板條936升高和定位在彼此的頂部,當板條配置在適當位置時沿著各板條936的縱向邊緣涂布粘合劑,使各板條與相鄰的板條咬合,使用柔性復合桿將相鄰的板條固定在一起,在板條中注射泡沫,接著降低冷水管217。如上所述,采用諸如復合織物944(例如,樹脂注入了的尼龍織物或預浸織物)的結合材料定期卷繞冷水管217,以提供另外的支撐和徑向強度。在冷水管217被較深地降低到水中之前使各卷繞的部分固化。典型地,沿著冷水管217每3英尺至7英尺(例如,每5英尺)施加復合織物944。 當使用箍和箍翼時,在一些實施方式中,使用粘合劑將箍施加到冷水管217的外表面,使該粘合劑在被浸沒在水中之前被固化。在一些情況下,在板條936被組裝形成冷水管217之前將箍施加到板條936。
一旦冷水管217到達期望的長度(例如,2650英尺長或配重塊的底部在海洋表面下方3000英尺),冷水管連接部942能夠安裝在冷水管217的頂部。使用平臺式起重機946,通過使纜繩吊索展開附接到配置于冷水管連接部942的頂部的吊板耳而升高冷水管連接部942。
在冷水管連接部942被降低到冷水管217的頂部之前,冷水管217的頂表面和外側表面以及冷水管連接部942的內側表面覆蓋有樹脂結合材料(例如,聚氨酯、聚亞安酯、乙烯基酯、聚酯、環氧樹脂)。如圖17A和圖17B所示,冷水管連接部942接著降低到冷水管217的頂部的位置,使得冷水管217的頂部插入冷水管連接部942的底部。
如圖17C所示,一旦冷水管217被插入冷水管連接部942,為了增強接頭,接著在接頭卷繞樹脂注入了的纖維織物944。施加纖維織物944以與接頭重疊,使增強部錐形化以便形成冷水管217和冷水管連接部942兩者的羽毛狀邊緣。
使得結合的接頭在水上的空氣中固化大約24小時。一旦固化了,全部冷水管217浸沒在水下并且使用下降纜繩926A下降,以便隨后附接到浮式平臺210。
將組裝的冷水管轉移到浮式平臺
參見圖18A至圖18C,一旦在水下并且被完全組裝,冷水管217可以從駁船900拆卸、轉移到浮式OTEC柱筒310。現在將參考關于圖12A至圖12D說明的組裝平臺說明從駁船900將冷水管217轉移和連接到柱筒310。然而,將理解的是,轉移和連接過程不限于使用任何特定組裝平臺。
首先,水下多用途車輛(ROV)975被投入水中并且用于功能檢查,接著被保持在工作區域以外的駁船900的附近的水下。
在組裝的冷水管217依然附接到駁船900的情況下,在冷水管217的頂部 處,固定保持纜繩(fixed keeper cable)950從托臺914內搭起(rig)到冷水管217的頂部處的冷水管連接部942的頂部(圖18A)。保持纜繩950的尺寸為能使冷水管217的頂部在水位下延伸大約600英尺,即冷水管217的頂部在柱筒310的底部下方幾百英尺。
絞盤926B和928B使冷水管217下降到冷水管217的重量由固定保持纜繩950承載。接著放松從絞盤926B和928B延伸的下降纜繩926A和釋放纜繩928A。
一旦冷水管217被固定保持纜繩950支撐,ROV移動到冷水管217的頂部,從冷水管連接部942的頂部釋放下降纜繩926A(圖18B)。
在通過保持纜繩950支撐冷水管217的情況下,使組裝駁船900盡可能實際和安全地靠近柱筒310側面。通過絞動釋放纜繩928A使橫撐支撐固定件和橫撐940從冷水管217的內部收回。在收回期間,各橫撐臂940向下轉動并且從冷水管217的內壁離開。拆卸的橫撐940接著被向上絞動,然而到達托臺914被堆置。
當橫撐支撐固定件和橫撐940被堆置后,冷水管永久支撐纜繩952從柱筒310的冷水泵空間內側伸出,以懸掛在柱筒310的下方(圖18C)。ROV975將松弛的冷水管永久支撐纜繩952附接到冷水管連接部942的頂部。
在松弛的冷水管永久支撐纜繩952附接到冷水管連接部942的頂部后,柱筒冷水泵空間內部的絞盤拉回冷水管永久支撐纜繩952直到這些纜繩952承受冷水管217全部負載。這時,ROV975從冷水管連接部942的頂部拆卸保持纜繩950,并且保持纜繩950被收回到組裝駁船900中(圖18D)。
使用冷水管永久支撐纜繩952,冷水管217接著被升到柱筒的浸沒部311內并且位于冷水管連接部375中(圖18E)。
如上所述,活動爪840將冷水管217鎖定在管接收凹部776內的適當位置,冷水管217準備運行。
可以理解的是,導索、充氣線、壓艙物線等應該在冷水管217的移動過 程中保持不會相互妨礙。此外,冷水管217的移動不應該與柱筒310的錨泊系統發生干涉。
示例3:使用的方法
一體的多級OTEC電站能夠利用熱帶和亞熱帶區域中的表面水和深層海水之間的溫差發電。這些方面通過用離岸船舶或平臺的結構作為管道或流動通道消除了用于海水的傳統的管路線路。可選地,熱海水管路線路和冷海水管路線路可以使用為船舶或平臺提供垂向或其他結構支撐的足夠的尺寸和強度的管道或管。這些一體化的海水管道段或通道用作船舶的結構構件,從而降低了另外增加鋼材的需要。作為一體化的海水通道的一部分,多級柜式熱交換器提供了多級的工作流體蒸發而無需外部的水噴嘴或管路連接。一體的多級OTEC電站允許熱海水和冷海水沿著其自然的方向流動。熱海水在被排放到海洋的較冷的區域之前隨著被冷卻而向下流過船舶。采用相似的方式,來自海洋深處的冷海水在被排放到海洋的較熱的區域之前隨著被加熱而向上流過船舶。這樣的配置避免了改變海水流動方向的需要并且避免了相關聯的壓力損失。該配置也降低了需要的泵取能量。
多級柜式熱交換器允許使用混合級聯OTEC循環。這些熱交換器堆疊體包括多個熱交換器級或者熱交換器段,海水連續地通過該多個熱交換器級或熱交換器段以使工作流體適當地沸騰或冷凝。在蒸發器段中,熱海水通過第一級,在該第一級處隨著海水被冷卻熱海水使一些工作流體沸騰。然后熱海水沿著堆疊體向下流到下一個熱交換器級并且使另外的工作流體以稍低的壓力和溫度沸騰。該過程沿著整個堆疊體順次地發生。在柜式熱交換器的每一級或每一段都將工作流體蒸汽提供給產生電力的專用渦輪機。每個蒸發器級均在渦輪機的排出口處具有對應的冷凝器級。冷海水沿著與蒸發器相反的順序通過冷凝器堆疊體。
參照圖19A和圖19B,提供采用混合級聯熱交換循環的示例性多級OTEC熱機710。熱海水經由熱水泵712被從熱海水引入口(未示出)泵入,以大約 1,360,000gpm的流量和大約79°F的溫度從泵排出。從熱水引入口到熱水泵以及從熱水泵到堆疊的熱交換器柜的所有或部分熱水管道都可以形成船舶的一體的結構構件。
來自熱水泵712的熱海水然后進入第一級蒸發器714,在那里使第一工作流體沸騰。熱水以大約76.8°F的溫度離開第一級蒸發器714并向下流到第二級蒸發器715。
熱水以大約76.8°F進入第二級蒸發器715,在那里使第二工作流體沸騰并以大約74.5°F的溫度離開第二級蒸發器715。
熱水從第二級蒸發器715向下流動以大約74.5°F的溫度進入到第三級蒸發器716,在那里使第三工作流體沸騰。熱水以大約72.3°F的溫度離開第三級蒸發器716。
然后熱水從第三級蒸發器716向下流動以大約72.3°F的溫度進入到第四級蒸發器717,在那里使第四工作流體沸騰。熱水以大約70.1°F的溫度離開第四級蒸發器717然后從船舶排放。雖然未示出,但是排放可以被引導至溫度與熱海水的排放溫度相同或近似相同的海洋深度處的熱層。可選地,電站的容納有多級蒸發器的部分可以位于結構的使得熱水排放到適當的海洋熱層的深度處。在一些方面中,從第四級蒸發器到船舶的熱水排放的熱水管道可以包括船舶的結構構件。
類似地,冷海水通過冷海水泵722被從冷海水引入口(未示出)泵入,以大約855,003gpm的流量和大約40.0°F的溫度從泵排出。從大約2700英尺和4200英尺之間或更深的海洋深處抽取冷海水。從船舶的冷水引入口到冷水泵以及從冷水泵到第一級冷凝器的用于輸送冷海水的冷水管道的全部或部分可以包括船舶的結構構件。
來自冷海水泵722的冷海水進入第一級冷凝器724,在那里使來自第四級蒸發器717的第四工作流體冷凝。冷海水以大約43.5°F的溫度離開第一級冷凝器并且向上流入第二級冷凝器725。
冷海水以大約43.5°F的溫度進入第二級冷凝器725,在那里使來自第三 級蒸發器716的第三工作流體冷凝。冷海水以大約46.9°F的溫度離開第二級冷凝器725并向上流入第三級冷凝器。
冷海水以大約46.9°F的溫度進入第三級冷凝器726,在那里使來自第二級蒸發器715的第二工作流體冷凝。冷海水以大約50.4°F的溫度離開第三級冷凝器726。
然后冷海水從第三級冷凝器726向上以大約50.4°F的溫度流入到第四級冷凝器727。在第四級冷凝器中,冷海水使來自第一級蒸發器714的第一工作流體冷凝。然后冷海水以大約54.0°F的溫度離開第四級冷凝器并且最終從船舶排放。冷海水排放可以被引導至溫度與冷海水的排放溫度相同或近似的海洋深度處的熱層。可選地,電站的容納有多級冷凝器的部分可以位于使得冷海水排放到適當的海洋熱層的結構所在的范圍內的深度處。
第一工作流體以56.7°F的溫度進入第一級蒸發器714,在那里被加熱至溫度為74.7°F的蒸汽。然后第一工作流體流到第一渦輪機731并且接著流到第四級冷凝器727,在該第四冷凝器727中第一工作流體被冷凝為溫度大約56.5°F的液體。然后液態的第一工作流體通過第一工作流體泵741被泵回到第一級蒸發器714。
第二工作流體以大約53.0°F的溫度進入第二級蒸發器715,在那里被加熱為蒸汽。第二工作流體以大約72.4°F的溫度離開第二級蒸發器715。然后第二工作流體流到第二渦輪機732并接著流到第三級冷凝器726。第二工作流體以大約53.0°F的溫度離開第三級冷凝器并流到工作流體泵742,該工作流體泵742進而將第二工作流體泵回到第二級蒸發器715。
第三工作流體以大約49.5°F的溫度進入第三級蒸發器716,將在那里被加熱為蒸汽,并且以大約70.2°F的溫度離開第三級蒸發器716。然后第三工作流體流到第三渦輪機733并接著流到第二級冷凝器725,在該第二級冷凝器725中被冷凝為溫度大約49.5°F的流體。第三工作流體離開第二級冷凝器725并且通過第三工作流體泵743被泵回到第三級蒸發器716。
第四工作流體以大約46.0°F的溫度進入第四級蒸發器717,將在那里被 加熱為蒸汽。第四工作流體以大約68.0°F的溫度離開第四級蒸發器717,并流到第四渦輪機734。第四工作流體離開第四渦輪機734并流到第一級蒸發器724,在該第一級蒸發器724中被冷凝為溫度大約46.0°F的流體。第四工作流體離開第一級冷凝器724并且通過第四工作流體泵744被泵回到第四級蒸發器717。
第一渦輪機731和第四渦輪機734協作驅動第一發電機751并且形成第一渦輪發電機對761。第一渦輪發電機對將產生大約25MW的電力。
第二渦輪機732和第三渦輪機733協作驅動第二發電機752并且形成第二渦輪發電機對762。第二渦輪發電機對762將產生大約25MW的電力。
四級混合級聯熱交換循環允許從熱海水和冷海水之間的相對低的溫差提取出最大量的能量。此外,所有熱交換器都可以直接支持利用相同組成渦輪機和發電機來發電的渦輪發電機對。
可以理解的是,多個多級混合級聯熱交換器和渦輪發電機對可以包含到船舶或平臺設計中。
電力模塊和熱循環
離岸OTEC柱筒平臺包括四個獨立的電力模塊(power module),每個電力模塊在額定設計條件下產生約25MW凈電力。每個電力模塊均包括四個獨立的電力循環或級聯熱力學級,這四個獨立的電力循環或級聯熱力學級在不同壓力和溫度水平下運行并且在四個不同級中從海水中提取熱量。四個不同的級串聯運行。在額定設計條件(全負載-夏季條件)下四個級的大致的壓力和溫度水平如下:


工作流體通過從熱海水(WSW)中提取熱量而在多個蒸發器中被加熱沸騰。飽和的蒸汽在蒸汽分離器中被分離并且通過標準表(STD schedule)、無縫碳鋼管被導入氨渦輪機。在冷凝器中冷凝的液體通過兩個100%的電機驅動勻速供給泵被泵回到蒸發器。循環1和循環4的渦輪機驅動一個共用發電機。類似地,循環2和循環3的渦輪機驅動另一共用發電機。在一個方面中,在每個電站模塊中有兩個發電機并且在100MW電力的電站中總共有8個發電機。蒸發器的供給由供給控制閥控制以維持蒸汽分離器中的水平。冷凝器的水平由循環流體控制閥控制。供給泵的最小流量由再循環線路提供,該再循環線路通過由供給線路上的流量表調節的控制閥導入冷凝器。
在操作中,模塊的四(4)個電力循環獨立地運行。循環中的任何一個均可以根據需要、例如在故障或維護的情況下關閉而不會妨礙其他循環的運行。但是這樣會降低作為整體模塊的電力模塊的凈發電量。
本系統和方法的若干個方面需要大量的海水。將具有用于控制冷熱海水的獨立的系統,每個系統均具有自己的泵送裝置、水管、管路、閥、熱交換器,等等。海水比淡水的腐蝕性強,可能與海水接觸的所有材料都需要考慮這一點仔細選擇。用于構造海水系統的主要組成部件的材料將是:
大口徑管路:玻璃纖維增強塑料(FRP)
大的海水管和室:環氧樹脂涂覆的碳鋼
大口徑閥:橡膠里襯蝴蝶型
泵的葉輪:合適的青銅合金
如果不用合適的方式控制,海水系統內部的生物生長可能會引起電站性能的顯著的損失,并且可能會引起熱傳遞表面的積垢,導致電站的低輸出。這種內部的生長還可能會增加水流的阻力導致需要更大的泵送電力,使系統流量降低等,甚至在更嚴重的情況中可能會使流路完全阻塞。
利用從深海抽取的水的冷海水(“CSW”)系統應該具有非常小的或者沒有生物積垢問題。在這樣的深度中的水沒有接收到太多的陽光并且缺氧,所以里面具有很少的活生物體。然而一些類型的厭氧細菌可能能夠在一些條件下生長。沖擊加氯法(shock chlorination)將用于對付生物積垢。
處理來自表面附近的熱海水的熱海水(“WSW”)系統將不得不防止受到生物積垢的損害。已經發現:在適于OTEC操作的熱帶公海水域中的積垢速度比沿海水域中的積垢速度低得多。結果,可以使用符合環保標準的劑量非常小的化學制劑來控制OTEC系統中的生物積垢。投放少量的氯被證明在對付海水中的生物積垢方面是非常有效的。以每天一小時約70ppb的速度投放的氯的劑量在防止海洋生物的生長方面是非常有效的。該劑量速度僅為EPA規定的環境安全水平的二十分之一。可以在低劑量處理的方式之間不時地使用其他類型的處理(熱沖擊、沖擊加氯法、其他生物殺滅劑等),以去除耐氯生物。
投放入海水流所必須的氯在電站船上通過電解海水產生。該類型的電解-加氯設備可以從市場上得到并且已經被成功地用于生產投放用的次氯酸鹽溶液。電解-加氯設備可以連續地操作以充滿儲藏罐,并且這些罐里的容納物用于周期性的上述投放。
所有海水管道都避免任何死角,在死角處可能沉淀沉淀物或者生物可能會駐留下來開始繁殖。從水管的低點設置沖刷配置以沖掉可能聚集在那里的沉淀。水管和水室的高點處通氣以允許被困住的氣體排出。
冷海水(CSW)系統包括用于電站船的通用深水引入口、以及水泵取/分配系統、具有相關聯的水管路的冷凝器和用于使水返回至大海的排放管。冷水引入管向下延伸至超過2700英尺(例如在2700英尺至4200英尺之間)的深度,在該深度處海水溫度大約為恒定的40°F。通向管的入口用攔網保護以阻止大的生物被吸入入口。進入管之后,冷水朝向海水表面向上流并且被傳 送至位于船舶或柱筒底部附近的冷井室。
CSW供給泵、分配管、冷凝器等位于電站的最低高度。泵從橫管抽吸并且將冷水送至分配管系統。為每個模塊設置四個25%的CSW供給泵。每個泵均獨立地與入口閥構成回路使得泵能夠隔離并且當需要時可以被打開用于檢查、維護等。泵由高效電機驅動。
冷海水流過串聯的循環的冷凝器,然后CSW流出物被排放回大海。CSW沿著期望的順序流過串聯的四個電站循環的冷凝器熱交換器。冷凝器安組裝置成允許其被隔離并且當需要時被打開用于清潔和維護。
WSW系統包括位于大海表面下方的水下引入口格柵、用于將進入的水輸送至泵的入口腔室(intake plenum)、水泵、控制熱傳遞表面的積垢的生物滅殺劑定量投放系統、防止被懸浮物質阻塞的水過濾系統、具有相關聯的水管路的蒸發器以及用于使水返回至大海的排放管。
引入口格柵設置在電站模塊的外壁中以從大海表面附近吸入熱水。引入口格柵處的迎面速度保持為小于0.5英尺/秒以使海洋生物的夾帶最小化。這些格柵也防止大的懸浮碎片的進入,并且其凈開口基于能夠安全地通過泵和熱交換器的固體的最大尺寸。通過這些格柵之后,水進入位于格柵后方的入口腔室并且沿著管路進入WSW供給泵的抽吸口。
WSW泵位于泵地板的相反側上的兩個組中。每側上有一半的泵,并且每個組具有來自入口腔室的分開的抽吸連接部。該配置將通過入口腔室的任何部分的最大流量限制為總流量的大約十六分之一,并且因此降低了引入系統中的摩擦損失。每個泵均在入口側設置有閥使得泵能夠被隔離并且在需要時能夠打開用于檢查、維護等。泵由高效電機驅動,采用變頻驅動以使泵輸出與負載匹配。
需要控制WSW系統的生物積垢,特別是在系統的熱傳遞表面上需要控制生物積垢,并且為此將在泵的抽吸口處劑量投放適合的生物滅殺劑。
熱水流可能需要過濾以去除可能阻塞熱交換器中的狹窄通道的較大的懸浮顆粒。如果需要,可以為此使用大型自動過濾器或“碎片過濾器”。懸浮物質可能被保留在攔網上然后通過反沖洗來去除。攜帶懸浮固體的反沖洗流出物將沿著管路到達電站的排放流以便返回至海洋。用于此目的的確切的要求將在收集更多與海水質量有關的數據之后對設計進行的進一步發展過程中決定。
過濾后的熱海水(WSW)被分配至蒸發器熱交換器。WSW沿著期望的順序流過串聯的四個電站循環的蒸發器。從最后一個循環出來的WSW流出物在大海表面下方的大約175英尺或更深的深度處被排放。然后慢慢地下沉至海水的溫度與流出物的溫度(因此密度)匹配的深度處。
雖然本文中的實施方式描述了浮式離岸船舶或平臺中的多級熱交換器通過連續的錯開板條式冷水管抽取冷水,但是可以理解的是其他實施方式也在本公開的范疇內。例如,冷水管可以聯接至岸上設備。連續的錯開板條式管可以用于長度與直徑比顯著的其他引入或排放管。錯開板條式結構可以包含在傳統分段式管構造中使用的管段中。多級熱交換器和一體化的流體通道可以包含在包括了岸基OTEC設備的岸基設備中。此外,熱水可以是熱的淡水、地熱加熱水或者工業排放水(例如,來自核電站或其他工業設備的排放的冷卻水)。冷水可以是冷的淡水。本文中描述的OTEC系統和組成部件可以用于電能生產或者用于其他使用領域,包括:鹽水脫鹽;水提純;深層水再生利用;水產業;生物質或生物燃料的生產;還有一些其他行業。
本文中提及到的所有引用文獻的全部內容通過引用合并于此。
其他實施方式在隨附的權利要求書的范圍內。

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