工業海洋熱能轉換工藝的製作方法

2023-05-01 00:32:56 5

專利名稱：工業海洋熱能轉換工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及海洋熱能轉換(「0TEC」)工藝，包括浮式的、最小起伏平臺的、多級熱機的海洋熱能轉換電站，並且還涉及與諸如其他發電裝置或工業處理設備等的其他工業操作組合的OTEC電站。
背景技術：
全球能源消耗和需求一直以指數速度增長。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，傳統的能源資源、即化石燃料正在加速減少並且開採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資源。由於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並且極為豐富。海洋熱能轉換(「0TEC」)是利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資源。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恆定。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和85° F或者更高之間變化。在同一區域，深層海水(在2500英尺和4200英尺之間或者更深)保持在相當恆定的40° F。因此，熱帶海洋結構在表面提供了大的熱水儲藏並且在深層提供了大的冷水儲藏，並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(AT)在白天和夜晚保持得相當恆定，並且季節性的變化小。OTEC工藝利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年代後期被認同為對於能源生產而言是具有低到零碳足跡(carbonfootprint)的可能的可再生能源資源。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，利用80° F和85° F之間的平均海洋表面溫度以及40° F的恆定深水溫度，OTEC電站的最大理想卡諾效率(Carnot efficiency)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發表的題為「來自海洋的可再生能源，OTEC 指南」 (「Renewable Energy from the Ocean, a Guide to0TEC」)(通過引用合併於此衝所記載的、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:通過以AT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)將被需要用於使水泵和工作流體泵運行並且為電站的其他輔助需要供電。基於此，OTEC電站的將存儲在表面海水中的熱能轉化成淨電能的低的整體淨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於渦輪機的精確頻率調節而提供必要的控制相關聯的損失。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。於是最終的淨電站效率將在1.5%和2.0%之間。這種比在高溫高壓下進行操作的熱機的典型效率低的OTEC淨效率導致能源規劃者廣泛持有如下假設:0TEC電站成本太高以至於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電站上的寄生載荷增大，從而降低淨效率。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。除了由於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英尺和4200英尺之間的深度或者更深處找到了用於冷卻OTEC發動機的恆定冷水來源。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於水下地貌，均需要2000英尺或更長的長冷水引入管。此外，由於商業上可行的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英尺和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，這會預先驅使OTEC成本超出商業可行性。另外，懸掛在動態的海洋環境中的、具有顯著的長度直徑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(vortex shedding)而引起的應力也引起了挑戰。並且，諸如波浪作用等表面影響引起了與管和浮式平臺之間的連接有關的進一步挑戰。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並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，可能對處於OTEC排放下遊的魚群和珊瑚礁系統帶來衝擊。

發明內容
本發明的若干個方面指向於利用海洋熱能轉換工藝的發電站。發明的進一步的方面涉及離岸OTEC電站，該OTEC電站具有由於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(environmental footprint)。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、限制了離網操作並且提高了操作性能。又進一步的方面提供了具有在結構上一體的熱交換區室的浮式平臺，並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，提高了效率並且降低了寄生電力需要。本發明的若干個方面通過將熱水和冷水排放在適當的深度/溫度範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。發明的進一步的方面涉及具有優化了的多級熱交換系統的浮式的最小起伏的OTEC電站，其中熱水供給管道和冷水供給管道以及熱交換器櫃在結構上與電站的浮式平臺或結構一體化。又進一步的方面包括浮式海洋熱能轉換電站。諸如柱筒的最小起伏結構或者改進型半潛式離岸結構可以包括第一甲板部，該第一甲板部具有結構一體化的熱海水通道、多級熱交換表面和工作流體通道，其中，第一甲板部提供工作流體的蒸發。第二甲板部也設置有結構一體化的冷海水通道、多級熱交換表面和工作流體通道，其中，第二甲板部提供用於使工作流體從蒸汽冷凝成液體的冷凝系統。第一和第二甲板工作流體通道與第三甲板部連通，該第三甲板部包括由一個或多個蒸汽渦輪機驅動的發電機，以用於發電。在一個方面中，提供一種離岸發電結構，其包括浸沒部。浸沒部進一步包括:第一甲板部，該第一甲板部包括一體化的多級蒸發器系統；第二甲板部，該第二甲板部包括一體化的多級冷凝系統；第三甲板部，該第三甲板部容納有電力產生和轉換裝置；冷水管和冷水管連接部。在進一步的方面中，第一甲板部進一步包括形成高容量熱水管道的第一級熱水結構通道。第一甲板部還包括與第一級熱水結構通道協作配置以將工作流體加熱成蒸汽的第一級工作流體通道。第一甲板部還包括直接聯接至第二級熱水結構通道的第一級熱水排放部。第二級熱水結構通道形成高容量熱水通道並且包括聯接至第一級熱水排放部的第二級熱水引入部。第一級熱水排放部到第二級熱水引入部的配置提供第一級與第二級之間的熱水流中的最小壓力損失。第一甲板部還包括與第二級熱水結構通道協作配置以將工作流體加熱成蒸汽的第二級工作流體通道。第一甲板部還包括第二級熱水排放部。在進一步的方面中，浸沒部進一步包括第二甲板部，該第二甲板部包括用於形成高容量冷水管道的第一級冷水結構通道。第一級冷水通道進一步包括第一級冷水引入部。第二甲板部還包括與第一甲板部的第一級工作流體通道連通的第一級工作流體通道。第二甲板部的第一級工作流體通道與第一級冷水結構通道協作以將工作流體冷卻成液體。第二甲板部還包括第一級冷水排放部，該第一級冷水排放部直接聯接至形成高容量冷水管道的第二級冷水結構通道。第二級冷水結構通道包括第二級冷水引入部。第一級冷水排放部和第二級冷水引入部配置成提供從第一級冷水排放部到第二級冷水引入部的冷水流中的最小壓力損失。第二甲板部還包括與第一甲板部的第二級工作流體通道連通的第二級工作流體通道。第二級工作流體通道與第二級冷水結構通道協作將第二級工作流體通道中的工作流體冷卻成液體。第二甲板部還包括第二級冷水排放部。在進一步的方面中，第三甲板部可以包括第一蒸汽渦輪機和第二蒸汽渦輪機，其中第一甲板部的第一級工作流體通道與第一渦輪機連通，並且第一甲板部的第二級工作流體通道與第二渦輪機連通。第一和第二渦輪機能夠聯接至一個或多個發電機。在又進一步的方面中，提供一種離岸發電結構，其包括浸沒部，該浸沒部進一步包括:四級蒸發器部、四級冷凝器部、四級發電部、冷水管連接部和冷水管。在一個方面中，四級蒸發器部包括熱水管道，該熱水管道包括:第一級熱交換表面、第二級熱交換表面、第三級熱交換表面和第四級熱交換表面。熱水管道包括浸沒部的垂向結構構件。第一、第二、第三和第四熱交換表面與工作流體管道的第一、第二、第三和第四級部協作，其中，流過工作流體管道的工作流體在第一、第二、第三和第四級部中的每一個處被加熱成蒸汽。在一個方面中，四級冷凝器部包括冷水管道，該冷水管道包括:第一級熱交換表面、第二級熱交換表面、第三級熱交換表面和第四級熱交換表面。冷水管道包括浸沒部的垂向結構構件。第一、第二、第三和第四熱交換表面與工作流體管道的第一、第二、第三和第四級部協作，其中，流過工作流體管道的工作流體在第一、第二、第三和第四級部中的每一個處被加熱為蒸汽，並且在各依次級處△ T越來越低。在再一方面中，蒸發器部的第一、第二、第三和第四級工作流體管道與第一、第二、第三和第四蒸汽渦輪機連通，其中，蒸發器部第一級工作流體管道與第一蒸汽渦輪機連通並且排出至冷凝器部的第四級工作流體管道。在再一方面中，蒸發器部的第一、第二、第三和第四級工作流體管道與第一、第二、第三和第四蒸汽渦輪機連通，其中蒸發器部第二級工作流體管道與第二蒸汽渦輪機連通並且排出至冷凝器部的第三級工作流體管道。在再一方面中，蒸發器部的第一、第二、第三和第四級工作流體管道與第一、第二、第三和第四蒸汽渦輪機連通，其中蒸發器部第三級工作流體管道與第三蒸汽渦輪機連通並且排出至冷凝器部的第二級工作流體管道。在再一方面中，蒸發器部的第一、第二、第三和第四級工作流體管道與第一、第二、第三和第四蒸汽渦輪機連通，其中蒸發器部第四級工作流體管道與第四蒸汽渦輪機連通並且排出至冷凝器部的第一級工作流體管道。在又進一步的方面中，第一發電機由第一渦輪機或第四渦輪機驅動，或者由第一和第四渦輪機的組合驅動。在又進一步的方面中，第二發電機由第二渦輪機或第三渦輪機驅動，或者由第二和第三渦輪機兩者的組合驅動。發明的另外的方面可以包含一個或多個以下特徵:第一和第四渦輪機或第二和第三渦輪機產生9麗和60麗之間的電力；第一和第二渦輪機產生大約55麗的電力；第一和第二渦輪機形成海洋熱能轉換電站中的多個渦輪發電機組中的一個；第一級熱水引入部不與第二級冷水排放部發生幹涉；第一級冷水引入部不與第二級熱水排放部發生幹涉；第一或第二級工作流體通道內的工作流體包括商業製冷劑。工作流體包括氨、丙烯、丁烷、R-134或R-22 ;第一和第二級工作流體通道內的工作流體溫度增加12° F至24° F ;第一工作流體流過第一級工作流體通道，並且第二工作流體流過第二級工作流體通道，其中，第二工作流體以低於第一工作流體進入第一蒸汽渦輪機的溫度進入第二蒸汽渦輪機；第一和第二級工作流體通道中的工作流體溫度降低12° F至24° F ;第一工作流體流過第一級工作流體通道，並且第二工作流體流過第二級工作流體通道，其中，第二工作流體以低於第一工作流體進入第二甲板部的溫度進入第二甲板部。發明的進一步的方面也可以包含一個或多個以下特徵:在第一或第二級熱水結構通道內流動的熱水包括:熱海水、地熱加熱水、太陽能加熱儲藏水；變熱了的工業冷卻水，或這些水的組合； 熱水以在500，OOOgpm (加侖/分鐘)和6，000, OOOgpm之間的流量流動；熱水以 5，440，OOOgpm 的流量流動；熱水以在 300，000，0001b/hr 和 I, 000，000，OOOlb/hr之間的流量流動；熱水以2，720, 0001b/hr的流量流動；在第一或第二級冷水結構通道內流動的冷水包括:冷海水，冷淡水、冷地下水或者這些的組合；冷水以在250，OOOgpm和3，000, OOOgpm之間的流量流動；冷水以3，420，OOOgpm的流量流動；冷水以在125，000，0001b/hr 和 I, 750，000，0001b/hr 之間的流量流動；冷水以 I, 710，0001b/hr 的流量流動。發明的若干個方面還可以包含一個或多個以下特徵:離岸結構是最小起伏結構；離岸結構是浮式柱筒(spar)結構；離岸結構是半潛式結構。發明的又進一步的方面可以包括用於在海洋熱能轉換電站中使用的高容量低速度熱交換系統，該系統包括:第一級櫃，該第一級櫃進一步包括用於與工作流體熱交換的第一水流動通道；第一工作流體通道；聯接至第一級櫃的第二級櫃，該第二級櫃進一步包括用於與工作流體熱交換的第二水流動通道，第二水流動通道以使從第一水流動通道流至第二水流動通道的水的壓降最小化的方式聯接至第一水流動通道；和第二工作流體通道。第一和第二級櫃包括電站的結構構件。在一個方面中，水從第一級櫃流至第二級櫃，並且第二級櫃在蒸發器中位於第一級櫃的下方。在另一方面中，水從第一級櫃流至第二級櫃，並且第二級櫃在冷凝器中位於第一級櫃的上方且在蒸發器中的第一級櫃的下方。在又進一步的方面中，冷水管為OTEC的冷水引入部提供來自海洋深處的冷水。冷水引入部可以在OTEC電站的浸沒部的第二甲板部內。冷水管可以是分段式構造。冷水管可以是連續的管。冷水管可以包括:長形管狀結構，該管狀結構具有外表面、頂端和底端。管狀結構可以進一步包括多個第一板條部和多個第二板條部，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。冷水管可以包括至少部分地螺旋卷繞外表面的箍或帶。第一和第二板條以及/或者箍可以包括聚氯乙烯(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、尼龍增強聚酯、乙烯基酯、纖維增強乙烯基酯、尼龍增強乙烯基酯、混凝土、陶瓷或上述材料中的一種或多種的組合物。本發明的進一步的方面包括OTEC電站的浸沒部與冷水管之間的動態連接。當冷水管被懸掛於OTEC平臺時，動態連接可以支撐冷水管的重量和動態力。動態管連接可以允許OTEC平臺與冷水管之間的相對移動。相對移動可以是相對於垂向的0.5°至30°。在一個方面中，相對移動可以是相對於垂向的0.5°至5°。動態管連接可以包括球形或弧形支承面。在一個方面中，浸沒的垂向管連接包括浮式結構，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；用於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；支承面；和能與支承面操作的一個或多個爪，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。本發明的方面可以具有一個或多個以下優點:0TEC發電需要少至沒有的用於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並且需要普通材料；電站可靠性可以與商業製冷系統媲美，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系統相比增加了淨效率、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並且減少了敏感性；冷水管連接部不離座；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幹涉。在其他實施方式中，本發明的方面包括本文中描述的OTEC發電系統與其他工業處理、例如其他發電系統的組合。在一個方面中，商業核電站被合併到本發明的浮式結構內。在一個方面中，從蒸汽渦輪機排放出的用過的蒸汽被OTEC電站的冷水系統冷凝，從而將核動力發電系統的效率增加5%至25%。具有組合的核和OTEC發電系統的浮式結構的優點包括:改善了熱動力效率；增強了安全性；與陸基電站相比降低了成本；消除了用於發電站的地震設計需要；消除了用於發電站的海嘯設計需要；並且具有當一個系統、OTEC系統或者核系統為了維修或填充燃料而離線時能夠為配電網或船舶持續提供電力的能力。在進一步方面中，由OTEC電站的冷水系統使蒸汽渦輪機系統中的用過的蒸汽冷凝不限於浮式核電設備，而是可以合併到任何蒸汽渦輪機系統內以改善蒸汽循環的效率。例如，岸基或陸基OTEC系統可以與岸基傳統核、煤或燃氣電站合併以改善這些岸基設備的蒸汽循環效率。在進一步方面中，OTEC電站的冷水系統能夠降低其它發電系統或工業處理的冷卻水溫度以使得這些其他系統的冷卻水排放更接近環鏡條件。例如，來自OTEC系統的冷卻水由於其相對大的量和低溫度，能夠與來自核電站的相對熱的冷卻水排放組合，以使得組合的水溫在環境水存儲的25華氏度內。這避免了水存儲中熱羽流的形成。OTEC冷水系統與其他設備的熱水排放的組合不限於核設備，而是也可以與具有大於環境條件的水排放的任何工業操作一起使用，例如與煤和燃氣燃燒蒸汽電站、化學和石油處理設備、蒸汽發生設備等一起使用。在進一步方面中，岸基發電設備或工業處理站的熱水排放可以被收集在熱水保持池內。該熱水保持池用作用於OTEC發電設備的熱水供給。例如，一個或多個煤或燃氣燃燒蒸汽發電設備可以將冷卻水排放到位於中間位置的保持池內。該熱水池形成了用於岸基OTEC發電設備的熱水供給。在進一步方面中，熱水排放可以直接供給OTEC發電設備的熱水系統。在又進一步的方面中，OTEC操作中使用的營養豐富的深海水可以與岸基或離岸基藻類生產設備一起使用。在附圖以及以下的說明中闡述了發明的一個以上的實施方式的細節。發明的其他特徵、目的和優點將從說明和附圖以及從權利要求書變得明顯。


圖1示出示例性現有技術的OTEC熱機。圖2示出示例性現有技術的OTEC電站。圖3示出本發明的OTEC結構。圖4示出本發明的熱交換器甲板的甲板平面圖。
圖5示出本發明的櫃式熱交換器。圖6A示出傳統的熱交換循環。圖6B示出級聯的多級熱交換循環。圖6C示出混合級聯的多級熱交換循環。圖6D示出蒸發器壓降和關聯的發電。圖7示出示例性OTEC熱機的熱平衡圖表。圖8示出本發明的組合的OTEC和核發電站；圖9示出併入OTEC冷水系統的冷水排放的蒸汽循環的熱平衡圖表。各圖中相似的附圖標記表示相似的元件。
具體實施例方式本發明涉及利用海洋熱能轉換(OTEC)技術發電。本發明的方面涉及浮式OTEC電站，該OTEC電站具有優於現有的OTEC電站的改善了的整體效率、降低了的寄生載荷、較好的穩定性、較低的構造和操作成本。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、限制了離網操作並且提高了操作性能和生存性。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，並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，提高了效率並且降低了寄生電力需要。本發明的方面通過將熱水和冷水排放在適當的深度/溫度範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(bulk temperature)。OTEC是用儲存在地球海洋中的來自太陽的熱能來發電的工藝。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°C)。這些條件存在於熱帶地區，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工藝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於產生電力的發電機。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，諸如氨等商業製冷劑。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製冷劑。大約75° F和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。然後氨蒸汽進入冷凝器20，在那裡氨蒸汽被從大約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，顯著的壓力差可用於驅動渦輪機16並產生電力。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由於利用不同的工作流體和較低的溫度及壓力而不同。圖1的熱機10也與商業製冷設備相似，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)被用於產生電力。圖2示出浮式OTEC電站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、冷水入口 218、冷水泵219、冷凝器220、冷水出口 221、工作流體管道222、工作流體泵224和管連接部230。OTEC電站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、汙水和廢水、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。由於該低的熱效率，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，降低了可用於配送至岸基設備或船上工業目的的淨電力。此外，多數水面船舶的有限空間也不太可能便於大量的水導入並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便於OTEC電站的最大效率所需的大的熱交換表面積。因此，OTEC系統以及船舶或平檯曆來較大並且昂貴。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。本發明的方面解決了技術挑戰，以提高OTEC操作的效率並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，並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還應該支持冷水入口和熱水入口(218和212)的體積流量使得以適當的程度引入足夠的冷水和熱水，以確保OTEC工藝的效率。船舶或平臺210還應該使得冷水和熱水能夠經由船舶或平臺210的水線下方的適當位置的冷水出口和熱水出口(221和215)排放，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應該採用用於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(headloss)以使寄生載荷最小化。熱交換器也需要高的熱傳遞係數以提高效率。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，並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電站的效率並且克服與其相關聯的多個技術挑戰的本發明的實施。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容納有用於與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351、冷水排放部352、機械甲板部(machinery deck portion) 354 和甲板室 360。在操作中，75° F和85° F之間的熱海水通過熱水引入部340而被引入並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。由於OTEC熱機所需的水流量大，所以熱水管道將水流以500，OOOgpm和6，000, OOOgpm之間的流量引導至蒸發器部344。這樣的熱水管道具有6英尺和35英尺之間或更大的直徑。由於該尺寸，所以熱水管是柱筒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。熱水然後流過蒸發器部344，該蒸發器部344容納有用於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。熱海水然後經由熱水排放部346從柱筒310排放。熱水排放可以位於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或被引導靠近溫度與熱水排放溫度大致相同的海洋熱層的深度，以使環境衝擊最小化。熱水排放可以被引導至能夠確保與熱水引入或冷水引入均沒有熱回流的足夠的深度處。冷海水經由冷水管351被從2500英尺和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。由於OTEC熱機需要大的水流量，所以冷海水管道將水流以500，OOOgpm和3，500, OOOgpm之間的流量引導至冷凝器部348。這樣的冷海水管道具有6英尺和35英尺之間或者更大的直徑。由於該尺寸，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。冷海水然後向上流到堆疊式多級冷凝器部348，在那裡冷海水將工作流體冷卻成液體。冷海水然後經由冷海水排放部352從柱筒310排放。冷水排放可以位於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弓I導至或被引導靠近溫度與冷海水排放溫度大致相同的海洋熱層的深度。冷水排放可以被引導至能夠確保與熱水引入或冷水引入均沒有熱回流的足夠的深度處。機械甲板部354可以被定位成在垂向上位於蒸發器部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並且排放。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並且排放。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中膨脹從而驅動用於發電的渦輪機。工作流體然後流到冷凝器部348，在那裡工作流體被冷卻成液體並且被泵送至蒸發器部344。圖4示出了本發明的實施，其中，圍繞OTEC柱筒410的周圍配置了多個多級熱交換器420。熱交換器420可以是OTEC熱機中使用的蒸發器或冷凝器。熱交換的周圍布局可以與OTEC柱筒平臺的蒸發器部344或冷凝器部348 —起使用。周圍配置可以支撐任何數量的熱交換器(例如，I個熱交換器，在2個和8個之間的熱交換器，8個至16個熱交換器，16個至32個熱交換器，或者32個或更多的熱交換器)。一個或多個熱交換器可以沿周向配置在OTEC柱筒410的一個甲板或多個甲板(例如，2個、3個、4個、5個、或6個或更多的甲板)上。一個或多個熱交換器可以在兩個或多個甲板之間沿周向錯開地設置使得沒有兩個熱交換器在垂向上上下對準。一個或多個熱交換器可以沿周向配置成使得一個甲板中的熱交換器在垂向上與相鄰的另一個甲板上的熱交換器對準。單個熱交換器420可以包括多級熱交換系統(例如，I個、2個、3個、4個、5個、或6個或更多熱交換系統)。在一個實施方式中，單個熱交換器420可以是被構造成為流過熱交換器的熱海水流、冷海水流和工作流體提供最小壓力損失的櫃式熱交換器(cabinet heatexchanger)。參照圖5，櫃式熱交換器520的實施方式包括多個熱交換級521、522、523和524。在一個實施中，堆疊的熱交換器容納從第一蒸發器級521向第二蒸發器級522、第三蒸發器級523、第四蒸發器級524地向下流過櫃的熱海水。在堆疊的熱交換櫃的另一實施方式中，冷海水從第一冷凝器級531向第二冷凝器級532、第三冷凝器級533、第四冷凝器級534地向上流過櫃。工作流體流過工作流體供給管道538和工作流體排放管道539。在一個實施方式中，工作流體管道538和539與熱海水或冷海水的垂向流動相比橫向地進入和離開各熱交換器級。櫃式熱交換器520的垂向多級熱交換設計有利於一體化的船舶(例如，柱筒)和熱交換器設計、去除了熱交換器級之間的相互連接管路的需要並且確保了幾乎所有熱交換器系統壓降發生在整個熱傳遞表面上。在一個方面中，可以利用表面的形狀、處理以及間距使熱傳遞表面優化。諸如鋁合金等的材料選擇提供了超過傳統的鈦基設計的優異的經濟性能。熱傳遞表面可以包括3000系列或5000系列的招合金。熱傳遞表面可以包括鈦和鈦合金。已經發現:多級熱交換器櫃使得能夠在OTEC熱機的相對低的可用的溫差範圍內從海水中傳遞最大能量給工作流體。任何OTEC電站的熱力學效率都是工作流體的溫度如何接近海水的溫度的函數。熱傳遞的物理現象決定了傳遞能量所需的面積隨著工作流體溫度接近海水溫度而增加。為了消除表面積的增加，增加海水的速度可以增大熱傳遞係數。但是，這大大增加了泵取所需的電力，從而增加了 OTEC電站上的寄生電載荷。參照圖6A，是利用熱表面海水在熱交換器中使工作流體沸騰的傳統的OTEC循環。該傳統的蘭金循環中的流體特性受到了將離開的工作流體限制在離開的熱海水溫度的大約3° F以下的沸騰過程的制約。採用相似的方式，循環的冷凝側被限制為比離開的冷海水溫度高不小於2° F。對於工作流體而言總的可用的溫度下降為大約12° F (在68° F和56° F之間)。已經發現:級聯的多級OTEC循環允許工作流體溫度更加緊密地匹配海水的溫度。該溫差上的增大增加了與OTEC熱機相關聯的渦輪機所能夠完成的功。參照圖6B，級聯的多級OTEC循環的一個方面採用了多個沸騰和冷凝步驟以擴大可用的工作流體溫度下降。各步驟需要獨立的熱交換器，或者圖5的櫃式熱交換器520中的專用熱交換器級。圖6b的級聯的多級OTEC循環允許渦輪機的輸出與用於海水和工作流體的期望的泵取負載相匹配。該高度優化的設計將需要專用和定製的渦輪機。參照圖6C，示出了混合的仍然優化的級聯OTEC循環，該循環在保持圖6B的純正級聯配置的熱力學效率或優化的同時便於使用同樣的設備(例如，渦輪機，發電機，泵)。在圖6C的混合級聯循環中，用於工作流體的可用的溫差的範圍從約18° F至約22° F。該縮窄的範圍允許熱機中的渦輪機具有同樣的性能規格，從而降低了構造和操作成本。利用混合級聯循環大大地增加了 OTEC電站的系統性能和電力輸出。表A將圖6A的傳統循環的性能與圖6C的混合級聯循環的性能進行了比較。表A
權利要求
1.一種組合的OTEC和蒸汽系統,其包括: OTEC發電系統，該OTEC發電系統包括與冷水系統流體連通的多級冷凝系統； 蒸汽系統，該蒸汽系統包括蒸汽冷凝器，其中，所述蒸汽冷凝器與所述冷水系統流體連通。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述多級冷凝系統包括四級混合級聯熱交換循環。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述四級混合級聯熱交換循環進一步包括溫度在45° F和60° F之間的冷水排放。
4.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述四級混合級聯熱交換循環進一步包括溫度為大約50° F的冷水排放，來自所述冷水系統的冷水以大約50° F進入所述蒸汽冷凝器並且以大約65° F從所述蒸汽冷凝器排放。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述蒸汽系統是蒸汽循環發電站的一部分。
6.根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述冷水系統中的冷水首先使OTEC熱機中的工作流體冷凝，然後使蒸汽系統中的蒸汽冷凝。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述蒸汽系統包括與所述冷水系統流體連通的多個蒸汽冷凝器。
8.一種離岸發電結構，該結構包括:` 浸沒部，該浸沒部包括: 第一甲板部，該第一甲板部包括一體化的多級蒸發器系統； 第二甲板部，該第二甲板部包括一體化的多級冷凝系統，該一體化的多級冷凝系統具有用於使工作流體冷凝的冷水系統； 第三甲板部，該第三甲板部容納有與所述工作流體流體連通的一個或多個渦輪發電機；和 蒸汽系統，該蒸汽系統包括與所述冷水流體流體連通的一個或多個蒸汽冷凝器。
9.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述一體化的多級蒸發器系統包括四級混合級聯熱交換循環。
10.根據權利要求9所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述四級混合級聯熱交換循環的多個級是串聯的，使得熱水由於連接管路的消除而以最小壓力損失在多個級之間流動。
11.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述一體化的多級冷凝系統包括四級混合級聯熱交換循環。
12.根據權利要求11所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述四級混合級聯熱交換循環的多個級是串聯的，使得冷水由於連接管路的消除而以最小壓力損失在多個級之間流動。
13.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述第一甲板部包括形成所述浸沒部的結構構件的熱水管道。
14.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述第二甲板部包括形成所述浸沒部的結構構件的冷水管道。
15.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，熱水沿著與冷卻熱水的自然對流相同的方向流過所述第一甲板部和所述多級蒸發器系統。
16.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，冷水沿著與加熱冷水的自然對流相同的方向流過所述第二甲板部和所述多級冷凝系統。
17.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述第一甲板部在所述第三甲板部的上方，所述第三甲板部在所述第二甲板部的上方。
18.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，熱水以500，OOOgpm和6，000, OOOgpm之間的流量流動。
19.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述結構包括浮式柱筒。
20.根據權利要求8所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述結構包括OTEC發電系統和蒸汽循環發電系統。
21.—種離岸發電結構，該結構包括: 浸沒部，該浸沒部進一步包括: 第一甲板部，該第一甲板部包括一體化的多級蒸發器系統，該一體化的多級蒸發器系統包括: 第一熱水結構通道，該第一熱水結構通道形成高容量熱水管道； 第一級工作流體通道，該第一級工作流體通道與所述第一級熱水結構通道協作配置以將工作流體加熱成蒸汽； 第一級熱水排放部，該第一級熱水排放部直接聯接至第二級熱水結構通道，其中所述第二級熱水結構通道形成高容量熱水管道並且包括； 通道形成高容量熱水管道並且包括: 第二級熱水引入部，該第二級熱水引入部聯接至所述第一級熱水排放部； 第二級工作流體通道，該第二級工作流體通道與所述第二級熱水結構通道協作配置以將第二工作流體加熱成蒸汽； 第二級熱水排放部； 第二甲板部，該第二甲板部包括一體化的多級冷凝系統，該一體化的多級冷凝系統包括: 第一級冷水結構通道，該第一級冷水結構通道形成高容量冷水管道，所述第一級冷水結構通道進一步包括: 第一級冷水引入部； 第一級工作流體通道，該第一級工作流體通道與所述第一甲板部的所述第一級工作流體通道連通，其中所述第二甲板部的所述第一級工作流體通道與所述第一級冷水結構通道協作將工作流體冷卻成液體； 第一級冷水排放部，該第一級冷水排放部直接聯接至第二級冷水結構通道，所述第二級冷水結構通道形成高容量冷水管道並且包括: 第二級冷水引入部，其中所述第一級冷水排放部和所述第二級冷水引入部配置成給從所述第一級冷水排放部流到所述第二級冷水引入部的冷水提供最小壓力損失； 第二級工作流體通道，該第二級工作流體通道與所述第一甲板部的所述第二級工作流體通道連通，其中所述第二級工作流體通道與所述第二級冷水結構通道協作將所述第二級工作流體通道中的工作流體冷卻成液體； 第二級冷水排放部； 第三甲板部，該第三甲板部容納發電設備並且包括: 第一蒸汽渦輪機和第二蒸汽渦輪機，其中所述第一甲板部的所述第一級工作流體通道與所述第一蒸汽渦輪機連通，並且所述第一甲板部的所述第二級工作流體通道與所述第二蒸汽渦輪機連通；和 蒸汽循環發電系統，該蒸汽循環發電系統包括蒸汽循環，所述蒸汽循環具有與通過了第一級冷水管道或第二級冷水管道的冷水流體連通的一個或多個蒸汽冷凝器。
22.根據權利要求21所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述結構是柱筒。
23.根據權利要求21所述的離岸發電結構，其特徵在於，所述結構包括OTEC發電系統和蒸汽循環發電系統。
24.一種離岸發電結構，該結構包括: 浸沒部，該浸沒部包括: 第一甲板部，該第一甲板部包括一體化的多級蒸發器系統； 第二甲板部，該第二甲板部包括一體化的多級冷凝系統，該一體化的多級冷凝系統包括冷水系統； 第三甲板部，該第三甲板部容納有機械和電氣設備； 冷水管；和 冷水管連接部； 水上部，該水上部包括: 具有蒸汽循環的核電站； 蒸汽冷凝器，該蒸汽冷凝器與所述蒸汽循環和所述冷水系統連通。
全文摘要
一種組合的OTEC和蒸汽系統，其具有OTEC發電系統和包括蒸汽冷凝器的蒸汽系統，OTEC發電系統包括與冷水系統流體連通的多級冷凝系統，其中，蒸汽冷凝器與冷水系統流體連通。
文檔編號F03G7/05GK103154511SQ201180044348
公開日2013年6月12日 申請日期2011年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者L·J·夏皮羅, B·R·科爾, J·M·羅斯, R·克魯爾 申請人:阿貝爾基金會