工业海洋热能转换工艺 |
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| 申请号 | CN201180044348.5 | 申请日 | 2011-07-14 | 公开(公告)号 | CN103154511A | 公开(公告)日 | 2013-06-12 |
| 申请人 | 阿贝尔基金会; | 发明人 | L·J·夏皮罗; B·R·科尔; J·M·罗斯; R·克鲁尔; | ||||
| 摘要 | 一种组合的OTEC和 蒸汽 系统，其具有OTEC发电系统和包括蒸汽 冷凝器 的蒸汽系统，OTEC发电系统包括与冷 水 系统 流体 连通的多级冷凝系统，其中，蒸汽冷凝器与冷水系统流体连通。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种组合的OTEC和蒸汽系统，其包括： |
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| 说明书全文 | 工业海洋热能转换工艺[0001] 相关申请 [0002] 本申请要求2010年7月14日提交的美国临时申请序列号61/364,159的优先权，该申请的全部内容合并于此。 技术领域背景技术[0004] 全球能源消耗和需求一直以指数速度增长。这方面的需求预计将持续上升，特别是在亚洲和拉丁美洲的发展中国家。同时，传统的能源资源、即化石燃料正在加速减少并且开采化石燃料的成本持续上升。环境和监管方面的担忧正在加剧这一问题。 [0005] 与太阳相关的可再生能源是可以为不断增长的能源需求提供一部分解决方案的一种可选的能源资源。由于与太阳相关的可再生能源与化石燃料、铀、甚至热力“绿色”能源不一样，很少存在或者不存在与其使用相关联的气候风险，所以与太阳相关的可再生能源有很大吸引力。另外，与太阳相关的能源是免费的并且极为丰富。 [0006] 海洋热能转换（“OTEC”）是利用在海洋的热带区域中作为热量存储的太阳能来产生可再生能源的一种方式。全世界的热带大洋和大海提供了独特的可再生能源资源。在许多热带地区（在大约北纬20°与南纬20°之间），表面海水的温度几乎保持恒定。直到大约100英尺深度，海水的平均表面温度随着季节在75°F和85°F或者更高之间变化。在同一区域，深层海水（在2500英尺和4200英尺之间或者更深）保持在相当恒定的40°F。因此，热带海洋结构在表面提供了大的热水储藏并且在深层提供了大的冷水储藏，并且热水储藏与冷水储藏之间的温差在35°F至45°F之间。该温差（ΔT）在白天和夜晚保持得相当恒定，并且季节性的变化小。 [0007] OTEC工艺利用表面热带海水与深层热带海水之间的温差来驱动热机以产生电能。OTEC发电在20世纪70年代后期被认同为对于能源生产而言是具有低到零碳足迹（carbon footprint）的可能的可再生能源资源。然而，与多数传统的高压高温发电站相比，OTEC电站具有低的热力学效率。例如，利用80°F和85°F之间的平均海洋表面温度以及40°F的恒定深水温度，OTEC电站的最大理想卡诺效率（Carnot efficiency）为7.5%至8%。在实际操作中，OTEC电力系统的总电力效率经估计为卡诺极限的大约一半，或者大约3.5%至 4.0%。另外，在1994年牛津大学出版社出版的由William Avery和Chih Wu发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”（“Renewable Energy from the Ocean,a Guide to OTEC”）（通过引用合并于此）中所记载的、由20世纪70年代和20世纪80年代前沿研究人员所进行的分析表明：通过以ΔT为40°F进行操作的OTEC电站产生的总电力的四分之一至一半（或者更多）将被需要用于使水泵和工作流体泵运行并且为电站的其他辅助需要供电。基于此，OTEC电站的将存储在表面海水中的热能转化成净电能的低的整体净效率一直未能成为商业上可行的能源生产方案。 [0008] 造成整体热力学效率进一步降低的另一因素是与用于涡轮机的精确频率调节而提供必要的控制相关联的损失。这引起了涡轮机循环中的压力损失，该压力损失限制了能够从热海水中提取的功。于是最终的净电站效率将在1.5%和2.0%之间。 [0009] 这种比在高温高压下进行操作的热机的典型效率低的OTEC净效率导致能源规划者广泛持有如下假设：OTEC电站成本太高以至于无法与多数传统的发电方法抗争。 [0010] 实际上，因为热水和冷水之间的温差相对小，所以寄生电力需要在OTEC电站中特别重要。为了实现热海水与工作流体之间以及冷海水与工作流体之间的最大热传递，需要大的热交换表面积，以及高的流体速度。增加这些因素中的任何一个都可能使OTEC电站上的寄生载荷增大，从而降低净效率。使海水与工作流体之间的有限的温差中的能量传递最大化的高效热传递系统将增加OTEC电站的商业可行性。 [0011] 除了由于看似固有的大的寄生载荷而效率相对低之外，OTEC电站的操作环境引起了也会降低这种操作的商业可行性的设计及操作方面的挑战。如之前所提到的，在深度为100英尺或者更浅的海洋表面找到了OTEC热机所需的热水。在2700英尺和4200英尺之间的深度或者更深处找到了用于冷却OTEC发动机的恒定冷水来源。在人口中心附近乃至大陆块通常都找不到这样的深度。离岸电站是必须的。 [0012] 不管电站是浮式的还是固定于水下地貌，均需要2000英尺或更长的长冷水引入管。此外，由于商业上可行的OTEC操作所需的水量很大，所以冷水引入管需要具有大直径（通常在6英尺和35英尺之间或者更大）。将大直径管悬挂在离岸结构上存在稳定性、连接以及构造方面的挑战，这会预先驱使OTEC成本超出商业可行性。 [0013] 另外，悬挂在动态的海洋环境中的、具有显著的长度直径比的管会沿着管的长度而遭受温差以及变化的洋流。由沿着管的弯曲和漩涡脱落（vortex shedding）而引起的应力也引起了挑战。并且，诸如波浪作用等表面影响引起了与管和浮式平台之间的连接有关的进一步挑战。具有期望的性能、连接以及构造考虑的冷水管引入系统能够提高OTEC电站的商业可行性。 [0014] 与OTEC电站相关联的对环境的关注也已经成为OTEC操作的障碍。传统的OTEC系统从海洋深处抽取大量的营养丰富的冷水并且在表面或者表面附近将这些水排放。这样的排放可能以正面或负面的方式对OTEC电站附近的海洋环境产生影响，可能对处于OTEC排放下游的鱼群和珊瑚礁系统带来冲击。 发明内容[0015] 本发明的若干个方面指向于利用海洋热能转换工艺的发电站。 [0016] 发明的进一步的方面涉及离岸OTEC电站，该OTEC电站具有由于降低了寄生载荷而提高了的整体效率、较好的稳定性、较低的构造和操作成本以及改善了的环境足迹（environmental footprint）。其他方面包括与浮式结构一体的大容量水管道。多级OTEC热机的模块化和区室化降低了构造和维护成本、限制了离网操作并且提高了操作性能。又进一步的方面提供了具有在结构上一体的热交换区室的浮式平台，并且提供了平台的由于波浪作用而产生的最小运动。一体的浮式平台也可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提高了效率并且降低了寄生电力需要。本发明的若干个方面通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内可以促进环境中性的热足迹。以电力的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度。 [0017] 发明的进一步的方面涉及具有优化了的多级热交换系统的浮式的最小起伏的OTEC电站，其中热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器柜在结构上与电站的浮式平台或结构一体化。 [0018] 又进一步的方面包括浮式海洋热能转换电站。诸如柱筒的最小起伏结构或者改进型半潜式离岸结构可以包括第一甲板部，该第一甲板部具有结构一体化的热海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第一甲板部提供工作流体的蒸发。第二甲板部也设置有结构一体化的冷海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第二甲板部提供用于使工作流体从蒸汽冷凝成液体的冷凝系统。第一和第二甲板工作流体通道与第三甲板部连通，该第三甲板部包括由一个或多个蒸汽涡轮机驱动的发电机，以用于发电。 [0019] 在一个方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部。浸没部进一步包括：第一甲板部，该第一甲板部包括一体化的多级蒸发器系统；第二甲板部，该第二甲板部包括一体化的多级冷凝系统；第三甲板部，该第三甲板部容纳有电力产生和转换装置；冷水管和冷水管连接部。 [0020] 在进一步的方面中，第一甲板部进一步包括形成高容量热水管道的第一级热水结构通道。第一甲板部还包括与第一级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第一级工作流体通道。第一甲板部还包括直接联接至第二级热水结构通道的第一级热水排放部。第二级热水结构通道形成高容量热水通道并且包括联接至第一级热水排放部的第二级热水引入部。第一级热水排放部到第二级热水引入部的配置提供第一级与第二级之间的热水流中的最小压力损失。第一甲板部还包括与第二级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第二级工作流体通道。第一甲板部还包括第二级热水排放部。 [0021] 在进一步的方面中，浸没部进一步包括第二甲板部，该第二甲板部包括用于形成高容量冷水管道的第一级冷水结构通道。第一级冷水通道进一步包括第一级冷水引入部。第二甲板部还包括与第一甲板部的第一级工作流体通道连通的第一级工作流体通道。第二甲板部的第一级工作流体通道与第一级冷水结构通道协作以将工作流体冷却成液体。第二甲板部还包括第一级冷水排放部，该第一级冷水排放部直接联接至形成高容量冷水管道的第二级冷水结构通道。第二级冷水结构通道包括第二级冷水引入部。第一级冷水排放部和第二级冷水引入部配置成提供从第一级冷水排放部到第二级冷水引入部的冷水流中的最小压力损失。第二甲板部还包括与第一甲板部的第二级工作流体通道连通的第二级工作流体通道。第二级工作流体通道与第二级冷水结构通道协作将第二级工作流体通道中的工作流体冷却成液体。第二甲板部还包括第二级冷水排放部。 [0022] 在进一步的方面中，第三甲板部可以包括第一蒸汽涡轮机和第二蒸汽涡轮机，其中第一甲板部的第一级工作流体通道与第一涡轮机连通，并且第一甲板部的第二级工作流体通道与第二涡轮机连通。第一和第二涡轮机能够联接至一个或多个发电机。 [0024] 在一个方面中，四级蒸发器部包括热水管道，该热水管道包括：第一级热交换表面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。热水管道包括浸没部的垂向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个处被加热成蒸汽。 [0025] 在一个方面中，四级冷凝器部包括冷水管道，该冷水管道包括：第一级热交换表面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。冷水管道包括浸没部的垂向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个处被加热为蒸汽，并且在各依次级处ΔT越来越低。 [0026] 在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中，蒸发器部第一级工作流体管道与第一蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第四级工作流体管道。 [0027] 在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第二级工作流体管道与第二蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第三级工作流体管道。 [0028] 在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第三级工作流体管道与第三蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第二级工作流体管道。 [0029] 在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第四级工作流体管道与第四蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第一级工作流体管道。 [0030] 在又进一步的方面中，第一发电机由第一涡轮机或第四涡轮机驱动，或者由第一和第四涡轮机的组合驱动。 [0031] 在又进一步的方面中，第二发电机由第二涡轮机或第三涡轮机驱动，或者由第二和第三涡轮机两者的组合驱动。 [0032] 发明的另外的方面可以包含一个或多个以下特征：第一和第四涡轮机或第二和第三涡轮机产生9MW和60MW之间的电力；第一和第二涡轮机产生大约55MW的电力；第一和第二涡轮机形成海洋热能转换电站中的多个涡轮发电机组中的一个；第一级热水引入部不与第二级冷水排放部发生干涉；第一级冷水引入部不与第二级热水排放部发生干涉；第一或第二级工作流体通道内的工作流体包括商业制冷剂。工作流体包括氨、丙烯、丁烷、R-134或R-22；第一和第二级工作流体通道内的工作流体温度增加12°F至24°F；第一工作流体流过第一级工作流体通道，并且第二工作流体流过第二级工作流体通道，其中，第二工作流体以低于第一工作流体进入第一蒸汽涡轮机的温度进入第二蒸汽涡轮机；第一和第二级工作流体通道中的工作流体温度降低12°F至24°F；第一工作流体流过第一级工作流体通道，并且第二工作流体流过第二级工作流体通道，其中，第二工作流体以低于第一工作流体进入第二甲板部的温度进入第二甲板部。 [0033] 发明的进一步的方面也可以包含一个或多个以下特征：在第一或第二级热水结构通道内流动的热水包括：热海水、地热加热水、太阳能加热储藏水；变热了的工业冷却水，或这些水的组合；热水以在500,000gpm（加仑/分钟）和6,000,000gpm之间的流量流动；热水以5,440,000gpm的流量流动；热水以在300,000,000lb/hr和1,000,000,000lb/hr之间的流量流动；热水以2,720,000lb/hr的流量流动；在第一或第二级冷水结构通道内流动的冷水包括：冷海水，冷淡水、冷地下水或者这些的组合；冷水以在250,000gpm和3,000,000gpm之间的流量流动；冷水以3,420,000gpm的流量流动；冷水以在125,000,000lb/hr和1,750,000,000lb/hr之间的流量流动；冷水以1,710,000lb/hr的流量流动。 [0034] 发明的若干个方面还可以包含一个或多个以下特征：离岸结构是最小起伏结构；离岸结构是浮式柱筒（spar）结构；离岸结构是半潜式结构。 [0035] 发明的又进一步的方面可以包括用于在海洋热能转换电站中使用的高容量低速度热交换系统，该系统包括：第一级柜，该第一级柜进一步包括用于与工作流体热交换的第一水流动通道；第一工作流体通道；联接至第一级柜的第二级柜，该第二级柜进一步包括用于与工作流体热交换的第二水流动通道，第二水流动通道以使从第一水流动通道流至第二水流动通道的水的压降最小化的方式联接至第一水流动通道；和第二工作流体通道。第一和第二级柜包括电站的结构构件。 [0036] 在一个方面中，水从第一级柜流至第二级柜，并且第二级柜在蒸发器中位于第一级柜的下方。在另一方面中，水从第一级柜流至第二级柜，并且第二级柜在冷凝器中位于第一级柜的上方且在蒸发器中的第一级柜的下方。 [0037] 在又进一步的方面中，冷水管为OTEC的冷水引入部提供来自海洋深处的冷水。冷水引入部可以在OTEC电站的浸没部的第二甲板部内。冷水管可以是分段式构造。冷水管可以是连续的管。冷水管可以包括：长形管状结构，该管状结构具有外表面、顶端和底端。管状结构可以进一步包括多个第一板条部和多个第二板条部，每个板条部均具有顶部和底部，其中第二板条部的顶部与第一板条部的顶部错开。冷水管可以包括至少部分地螺旋卷绕外表面的箍或带。第一和第二板条以及/或者箍可以包括聚氯乙烯（PVC）、氯化聚氯乙烯（CPVC）、纤维增强塑料（FRP）、增强聚合物砂浆（RPMP）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、交联高密度聚乙烯（PEX）、聚丁烯（PB）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）；聚酯、纤维增强聚酯、尼龙增强聚酯、乙烯基酯、纤维增强乙烯基酯、尼龙增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷或上述材料中的一种或多种的组合物。 [0038] 本发明的进一步的方面包括OTEC电站的浸没部与冷水管之间的动态连接。当冷水管被悬挂于OTEC平台时，动态连接可以支撑冷水管的重量和动态力。动态管连接可以允许OTEC平台与冷水管之间的相对移动。相对移动可以是相对于垂向的0.5°至30°。在一个方面中，相对移动可以是相对于垂向的0.5°至5°。动态管连接可以包括球形或弧形支承面。 [0039] 在一个方面中，浸没的垂向管连接包括浮式结构，该浮式结构具有垂向管接收凹部，其中接收凹部具有第一直径；用于插入到管接收凹部内的垂向管，该垂向管具有比管接收凹部的第一直径小的第二直径；支承面；和能与支承面操作的一个或多个爪，其中，当爪与支承面接触时，爪限定与第一直径或第二直径不同的直径。 [0040] 本发明的方面可以具有一个或多个以下优点：OTEC发电需要少至没有的用于能源生产的燃料成本；与高压高温发电站中使用的高成本的特殊的材料相比，OTEC热机中涉及的低压力和低温度降低了组成元件成本并且需要普通材料；电站可靠性可以与商业制冷系统媲美，连续操作多年而不用重大的维修；与高压高温电站相比降低了构造时间；以及安全、对环境无害的操作和发电。另外的优点可以包括：与传统OTEC系统相比增加了净效率、降低了牺牲性电力载荷；降低了热水和冷水通道中的压力损失；模块化组成部件；较低频率的离网发电时间；针对波浪作用使起伏最小化并且减少了敏感性；冷水管连接部不离座；冷却水在表面水位下方排放，热水的引入不与冷水排放发生干涉。 [0041] 在其他实施方式中，本发明的方面包括本文中描述的OTEC发电系统与其他工业处理、例如其他发电系统的组合。在一个方面中，商业核电站被合并到本发明的浮式结构内。在一个方面中，从蒸汽涡轮机排放出的用过的蒸汽被OTEC电站的冷水系统冷凝，从而将核动力发电系统的效率增加5%至25%。 [0042] 具有组合的核和OTEC发电系统的浮式结构的优点包括：改善了热动力效率；增强了安全性；与陆基电站相比降低了成本；消除了用于发电站的地震设计需要；消除了用于发电站的海啸设计需要；并且具有当一个系统、OTEC系统或者核系统为了维修或填充燃料而离线时能够为配电网或船舶持续提供电力的能力。 [0043] 在进一步方面中，由OTEC电站的冷水系统使蒸汽涡轮机系统中的用过的蒸汽冷凝不限于浮式核电设备，而是可以合并到任何蒸汽涡轮机系统内以改善蒸汽循环的效率。例如，岸基或陆基OTEC系统可以与岸基传统核、煤或燃气电站合并以改善这些岸基设备的蒸汽循环效率。 [0044] 在进一步方面中，OTEC电站的冷水系统能够降低其它发电系统或工业处理的冷却水温度以使得这些其他系统的冷却水排放更接近环镜条件。例如，来自OTEC系统的冷却水由于其相对大的量和低温度，能够与来自核电站的相对热的冷却水排放组合，以使得组合的水温在环境水存储的25华氏度内。这避免了水存储中热羽流的形成。OTEC冷水系统与其他设备的热水排放的组合不限于核设备，而是也可以与具有大于环境条件的水排放的任何工业操作一起使用，例如与煤和燃气燃烧蒸汽电站、化学和石油处理设备、蒸汽发生设备等一起使用。 [0045] 在进一步方面中，岸基发电设备或工业处理站的热水排放可以被收集在热水保持池内。该热水保持池用作用于OTEC发电设备的热水供给。例如，一个或多个煤或燃气燃烧蒸汽发电设备可以将冷却水排放到位于中间位置的保持池内。该热水池形成了用于岸基OTEC发电设备的热水供给。在进一步方面中，热水排放可以直接供给OTEC发电设备的热水系统。 [0046] 在又进一步的方面中，OTEC操作中使用的营养丰富的深海水可以与岸基或离岸基藻类生产设备一起使用。 附图说明[0048] 图1示出示例性现有技术的OTEC热机。 [0049] 图2示出示例性现有技术的OTEC电站。 [0050] 图3示出本发明的OTEC结构。 [0051] 图4示出本发明的热交换器甲板的甲板平面图。 [0052] 图5示出本发明的柜式热交换器。 [0053] 图6A示出传统的热交换循环。 [0054] 图6B示出级联的多级热交换循环。 [0055] 图6C示出混合级联的多级热交换循环。 [0056] 图6D示出蒸发器压降和关联的发电。 [0057] 图7示出示例性OTEC热机的热平衡图表。 [0058] 图8示出本发明的组合的OTEC和核发电站； [0059] 图9示出并入OTEC冷水系统的冷水排放的蒸汽循环的热平衡图表。 [0060] 各图中相似的附图标记表示相似的元件。 具体实施方式[0061] 本发明涉及利用海洋热能转换（OTEC）技术发电。本发明的方面涉及浮式OTEC电站，该OTEC电站具有优于现有的OTEC电站的改善了的整体效率、降低了的寄生载荷、较好的稳定性、较低的构造和操作成本。其他方面包括与浮式结构一体的大容量水管道。多级OTEC热机的模块化和区室化降低了构造和维护成本、限制了离网操作并且提高了操作性能和生存性。又进一步的方面提供了具有一体的热交换区室的浮式平台，并且提供了平台由于波浪作用而产生的最小运动。一体的浮式平台也可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提高了效率并且降低了寄生电力需要。本发明的方面通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内而促进了中性热足迹。以电的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度（bulk temperature）。 [0062] OTEC是用储存在地球海洋中的来自太阳的热能来发电的工艺。OTEC利用了较热的上层海水与较冷的深层海水之间的温差。该温差典型地至少为36°F（20℃）。这些条件存在于热带地区，大致在南回归线和北回归线之间，甚至是在南北纬20°之间。OTEC工艺利用温差向兰金循环（Rankine cycle）提供动力，其中热的表面水用作热源，冷的深层水用作冷源（heat sink）。兰金循环的涡轮机驱动用于产生电力的发电机。 [0063] 图1示出典型的OTEC兰金循环热机10，该热机10包括热海水入口12、蒸发器14、热海水出口15、涡轮机16、冷海水入口18、冷凝器20、冷海水出口21、工作流体管道22和工作流体泵24。 [0064] 在操作中，热机10可以使用多种工作流体中的任何一种，例如，诸如氨等商业制冷剂。其他工作流体可以包括丙烯、丁烷、R-22和R-134a。也可以使用其他商业制冷剂。大约75°F和85°F之间或者更高温度的热海水经由热海水入口12被从海洋表面或比海洋表面稍低的位置抽取，进而对穿过蒸发器14的氨工作流体进行加热。氨沸腾产生大约9.3标准大气压（atm）的蒸汽压。蒸汽沿着工作流体管道22被输送至涡轮机16。氨蒸汽在穿过涡轮机16时膨胀，产生了驱动发电机25的动力。然后氨蒸汽进入冷凝器20，在那里氨蒸汽被从大约3000英尺深的深层海洋抽取的冷海水冷却为液体。冷海水以大约40°F的温度进入冷凝器。在冷凝器20中的温度为大约51°F的氨工作流体的蒸汽压为6.1标准大气压。因此，显著的压力差可用于驱动涡轮机16并产生电力。当氨工作流体冷凝时，液态工作流体经由工作流体管道22被工作流体泵24泵回至蒸发器14内。 [0065] 图1的热机10与大多数蒸汽涡轮机的兰金循环实质上相同，除了OTEC由于利用不同的工作流体和较低的温度及压力而不同。图1的热机10也与商业制冷设备相似，除了OTEC循环沿相反的方向运行使得热源（例如，热海水）和冷的冷源（例如，深层海水）被用于产生电力。 [0066] 图2示出浮式OTEC电站200的典型组成部件，这些组成部件包括：船舶（vessel）或平台210、热海水入口212、热水泵213、蒸发器214、热海水出口215、涡轮发电机216、冷水管217、冷水入口218、冷水泵219、冷凝器220、冷水出口221、工作流体管道222、工作流体泵224和管连接部230。OTEC电站200还可以包括发电、转换和传输系统、诸如推进器、推动器等位置控制系统或者锚泊系统（mooring system）以及各种辅助和支持系统（例如，人员住宿、应急电源、饮用水、污水和废水、消防、损害控制、储备浮力以及其他常见的船上或海事系统）。 [0067] 利用图1和图2中的基本的热机和系统实现的OTEC电站具有3%或更小的相对低的整体效率。由于该低的热效率，所以产生每千瓦电力的OTEC操作都需要大量的水流过电力系统。这进而需要具有大的热交换表面积的大的热交换器。 [0068] 这样的大量的水和大表面积需要热水泵213和冷水泵219具有相当大的泵取能力，降低了可用于配送至岸基设备或船上工业目的的净电力。此外，多数水面船舶的有限空间也不太可能便于大量的水导入并流过蒸发器或冷凝器。实际上，大量的水需要大直径管和管道。将这样的结构放在有限的空间内需要多个弯道来容纳其他机械。典型的水面船舶或结构的有限空间不太可能便于OTEC电站的最大效率所需的大的热交换表面积。因此，OTEC系统以及船舶或平台历来较大并且昂贵。这导致如下工业结论：与利用较高温度和压力的其他能源生产方案相比，OTEC操作是一种高成本、低产出的发电方案。 [0069] 本发明的方面解决了技术挑战，以提高OTEC操作的效率并且降低构造和操作成本。 [0070] 船舶或平台210需要低运动，以使冷水管217与船舶或平台210之间的动态力最小化，并且为平台或船舶中的OTEC设施提供良性的操作环境。船舶或平台210还应该支持冷水入口和热水入口（218和212）的体积流量使得以适当的程度引入足够的冷水和热水，以确保OTEC工艺的效率。船舶或平台210还应该使得冷水和热水能够经由船舶或平台210的水线下方的适当位置的冷水出口和热水出口（221和215）排放，以避免热回流进入到海洋表面层。另外，船舶或平台210应该经受得住恶劣天气而不会干扰发电操作。 [0071] OTEC热机10应该采用用于最大效率和最大发电的高效热循环。沸腾和冷凝过程中的热传递以及热交换器材料和设计均限制了从每磅热海水能够提取出的能源的量。蒸发器214和冷凝器220中使用的热交换器需要高的热水和冷水流量以及低的水头损失（head loss）以使寄生载荷最小化。热交换器也需要高的热传递系数以提高效率。热交换器可以包含能够被调节成适应（tailor）热水入口温度和冷水入口温度的材料和设计，以提高效率。热交换器设计应该使用材料用量最少化的简单的构造方法，以降低成本和体积。 [0072] 涡轮发电机216应该具有内部损失最小化的高效率，并且可以被调节成适应工作流体以提高效率。 [0073] 图3示出提高以前的OTEC电站的效率并且克服与其相关联的多个技术挑战的本发明的实施。该实施包括船舶或平台用柱筒（spar），柱筒上一体设置有热交换器和相关联的热水管路和冷水管路。 [0074] OTEC柱筒310容纳有用于与OTEC发电站一起使用的一体化多级热交换系统。柱筒310包括在水线305下方的浸没部311。浸没部311包括热水引入部340、蒸发器部344、热水排放部346、冷凝器部348、冷水引入部350、冷水管351、冷水排放部352、机械甲板部（machinery deck portion）354和甲板室360。 [0075] 在操作中，75°F和85°F之间的热海水通过热水引入部340而被引入并且通过未示出的结构一体化的热水管道在柱筒中向下流动。由于OTEC热机所需的水流量大，所以热水管道将水流以500,000gpm和6,000,000gpm之间的流量引导至蒸发器部344。这样的热水管道具有6英尺和35英尺之间或更大的直径。由于该尺寸，所以热水管是柱筒310的垂向结构构件（vertical structural member）。热水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，热水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。 [0076] 热水然后流过蒸发器部344，该蒸发器部344容纳有用于将工作流体加热至蒸汽的一个或多个堆叠式多级热交换器。热海水然后经由热水排放部346从柱筒310排放。热水排放可以位于或靠近温度与热水排出温度大致相同的海洋热层处，或者经由热水排放管被引导至或被引导靠近温度与热水排放温度大致相同的海洋热层的深度，以使环境冲击最小化。热水排放可以被引导至能够确保与热水引入或冷水引入均没有热回流的足够的深度处。 [0077] 冷海水经由冷水管351被从2500英尺和4200英尺之间或更深的深度抽取，温度大约为40°F。冷海水经由冷水引入部350进入柱筒310。由于OTEC热机需要大的水流量，所以冷海水管道将水流以500,000gpm和3,500,000gpm之间的流量引导至冷凝器部348。这样的冷海水管道具有6英尺和35英尺之间或者更大的直径。由于该尺寸，所以冷海水管道是柱筒310的垂向结构构件。冷水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。 可选地，冷水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。 [0078] 冷海水然后向上流到堆叠式多级冷凝器部348，在那里冷海水将工作流体冷却成液体。冷海水然后经由冷海水排放部352从柱筒310排放。冷水排放可以位于或靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层处，或者经由冷海水排放管被引导至或被引导靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层的深度。冷水排放可以被引导至能够确保与热水引入或冷水引入均没有热回流的足够的深度处。 [0079] 机械甲板部354可以被定位成在垂向上位于蒸发器部344和冷凝器部348之间。将机械甲板部354定位在蒸发器部344的下方允许几乎直线状的热水从引入部流动经过多级蒸发器并且排放。将机械甲板部354定位在冷凝器部348的上方允许几乎直线状的冷水从引入部流动经过多级冷凝器并且排放。机械甲板部354包括涡轮发电机356。在操作中，来自蒸发器部344的被加热成蒸汽的热工作流体流到一个或多个涡轮发电机356。工作流体在涡轮发电机356中膨胀从而驱动用于发电的涡轮机。工作流体然后流到冷凝器部348，在那里工作流体被冷却成液体并且被泵送至蒸发器部344。 [0080] 图4示出了本发明的实施，其中，围绕OTEC柱筒410的周围配置了多个多级热交换器420。热交换器420可以是OTEC热机中使用的蒸发器或冷凝器。热交换的周围布局可以与OTEC柱筒平台的蒸发器部344或冷凝器部348一起使用。周围配置可以支撑任何数量的热交换器（例如，1个热交换器，在2个和8个之间的热交换器，8个至16个热交换器，16个至32个热交换器，或者32个或更多的热交换器）。一个或多个热交换器可以沿周向配置在OTEC柱筒410的一个甲板或多个甲板（例如，2个、3个、4个、5个、或6个或更多的甲板）上。一个或多个热交换器可以在两个或多个甲板之间沿周向错开地设置使得没有两个热交换器在垂向上上下对准。一个或多个热交换器可以沿周向配置成使得一个甲板中的热交换器在垂向上与相邻的另一个甲板上的热交换器对准。 [0081] 单个热交换器420可以包括多级热交换系统（例如，1个、2个、3个、4个、5个、或6个或更多热交换系统）。在一个实施方式中，单个热交换器420可以是被构造成为流过热交换器的热海水流、冷海水流和工作流体提供最小压力损失的柜式热交换器（cabinet heat exchanger）。 [0082] 参照图5，柜式热交换器520的实施方式包括多个热交换级521、522、523和524。在一个实施中，堆叠的热交换器容纳从第一蒸发器级521向第二蒸发器级522、第三蒸发器级523、第四蒸发器级524地向下流过柜的热海水。在堆叠的热交换柜的另一实施方式中，冷海水从第一冷凝器级531向第二冷凝器级532、第三冷凝器级533、第四冷凝器级534地向上流过柜。工作流体流过工作流体供给管道538和工作流体排放管道539。在一个实施方式中，工作流体管道538和539与热海水或冷海水的垂向流动相比横向地进入和离开各热交换器级。柜式热交换器520的垂向多级热交换设计有利于一体化的船舶（例如，柱筒）和热交换器设计、去除了热交换器级之间的相互连接管路的需要并且确保了几乎所有热交换器系统压降发生在整个热传递表面上。 [0083] 在一个方面中，可以利用表面的形状、处理以及间距使热传递表面优化。诸如铝合金等的材料选择提供了超过传统的钛基设计的优异的经济性能。热传递表面可以包括3000系列或5000系列的铝合金。热传递表面可以包括钛和钛合金。 [0084] 已经发现：多级热交换器柜使得能够在OTEC热机的相对低的可用的温差范围内从海水中传递最大能量给工作流体。任何OTEC电站的热力学效率都是工作流体的温度如何接近海水的温度的函数。热传递的物理现象决定了传递能量所需的面积随着工作流体温度接近海水温度而增加。为了消除表面积的增加，增加海水的速度可以增大热传递系数。但是，这大大增加了泵取所需的电力，从而增加了OTEC电站上的寄生电载荷。 [0085] 参照图6A，是利用热表面海水在热交换器中使工作流体沸腾的传统的OTEC循环。该传统的兰金循环中的流体特性受到了将离开的工作流体限制在离开的热海水温度的大约3°F以下的沸腾过程的制约。采用相似的方式，循环的冷凝侧被限制为比离开的冷海水温度高不小于2°F。对于工作流体而言总的可用的温度下降为大约12°F（在68°F和 56°F之间）。 [0086] 已经发现：级联的多级OTEC循环允许工作流体温度更加紧密地匹配海水的温度。该温差上的增大增加了与OTEC热机相关联的涡轮机所能够完成的功。 [0087] 参照图6B，级联的多级OTEC循环的一个方面采用了多个沸腾和冷凝步骤以扩大可用的工作流体温度下降。各步骤需要独立的热交换器，或者图5的柜式热交换器520中的专用热交换器级。图6b的级联的多级OTEC循环允许涡轮机的输出与用于海水和工作流体的期望的泵取负载相匹配。该高度优化的设计将需要专用和定制的涡轮机。 [0088] 参照图6C，示出了混合的仍然优化的级联OTEC循环，该循环在保持图6B的纯正级联配置的热力学效率或优化的同时便于使用同样的设备（例如，涡轮机，发电机，泵）。在图6C的混合级联循环中，用于工作流体的可用的温差的范围从约18°F至约22°F。该缩窄的范围允许热机中的涡轮机具有同样的性能规格，从而降低了构造和操作成本。 [0089] 利用混合级联循环大大地增加了OTEC电站的系统性能和电力输出。表A将图6A的传统循环的性能与图6C的混合级联循环的性能进行了比较。 [0090] 表A [0091] [0092] 采用四级混合级联热交换循环降低了流体之间的传递所需的能量的总量。这进而用于减小所需的热交换表面的总量。 [0093] 热交换器的性能受流体之间可用的温差以及热交换器表面的热传递系数的影响。热传递系数基本上随着通过热传递表面的流体的速度而变化。流体速度越高需要的泵取功率越大，从而降低了电站的净效率。混合级联的多级热交换系统有利于较低的流体速度和较高的电站效率。堆叠的混合级联热交换设计也有利于较低的通过热交换器的压降。并且垂向电站设计有利于较低的穿过整体系统的压降。 [0094] 图6D示出传输100MW电力给电网时热交换器压降对OTEC电站总体产出的影响。使通过热交换器的压降最小化大大地提高了OTEC电站的性能。通过设置一体化的船舶或平台-热交换器系统降低了压降，在所述系统中，海水管道形成了船舶的结构构件并且允许海水从一个热交换器级流到串联的另一个热交换器级。以在从引入部进入船舶的方向变化最小的方式流过泵、热交换器柜进而流过串联的各热交换器级并从电站最终排放的近似直线状的海水流允许最小的压降。 [0095] 实施例 [0096] 本发明的若干个方面提供了利用热带和亚热带区域中的表面水和深层海水之间的温差发电的一体的多级OTEC电站。该若干个方面通过用离岸船舶或平台的结构作为管道或流动通道消除了用于海水的传统的管路线路。可选地，热海水管路线路和冷海水管路线路可以使用为船舶或平台提供垂向或其他结构支撑的足够的尺寸和强度的管道或管。这些一体化的海水管道段或通道用作船舶的结构构件，从而降低了另外增加钢材的需要。作为一体化的海水通道的一部分，多级柜式热交换器提供了多级的工作流体蒸发而无需外部的水喷嘴或管路连接。一体的多级OTEC电站允许热海水和冷海水沿着其自然的方向流动。热海水在被排放到海洋的较冷的区域之前被冷却时向下流过船舶。采用相似的方式，来自海洋深处的冷海水在被排放到海洋的较热的区域之前被加热时向上流过船舶。这样的配置避免了改变海水流动方向的需要并且避免了相关联的压力损失。该配置也降低了需要的泵取能量。 [0097] 多级柜式热交换器允许使用混合级联OTEC循环。这些热交换器堆叠体包括多个热交换器级或者热交换器段，海水连续地通过该多个热交换器级或热交换器段以使工作流体适当地沸腾或冷凝。在蒸发器段中，热海水通过第一级，在该第一级处随着海水被冷却热海水使一些工作流体沸腾。然后热海水沿着堆叠体向下流到下一个热交换器级并且使另外的工作流体以稍低的压力和温度沸腾。该过程沿着整个堆叠体顺次地发生。在柜式热交换器的每一级或每一段都将工作流体蒸汽提供给产生电力的专用涡轮机。每个蒸发器级均在涡轮机的排出口处具有对应的冷凝器级。冷海水沿着与蒸发器相反的顺序通过冷凝器堆叠体。 [0098] 参照图7，提供了采用混合级联热交换循环的示例性多级OTEC热机710。热海水通过热水泵712被从热海水引入口（未示出）泵入，以大约1,360,000gpm的流量和大约79°F的温度从泵排出。从热水引入口到热水泵以及从热水泵到堆叠的热交换器柜的所有或部分热水管道都可以形成船舶的一体的结构构件。 [0099] 来自热水泵712的热海水然后进入第一级蒸发器714，在那里使第一工作流体沸腾。热水以大约76.8°F的温度离开第一级蒸发器714并向下流到第二级蒸发器715。 [0100] 热水以大约76.8°F进入第二级蒸发器715，在那里使第二工作流体沸腾并以大约74.5°F的温度离开第二级蒸发器715。 [0101] 热水从第二级蒸发器715向下流动以大约74.5°F的温度进入到第三级蒸发器716，在那里使第三工作流体沸腾。热水以大约72.3°F的温度离开第三级蒸发器716。 [0102] 然后热水从第三级蒸发器716向下流动以大约72.3°F的温度进入到第四级蒸发器717，在那里使第四工作流体沸腾。热水以大约70.1°F的温度离开第四级蒸发器717然后从船舶排放。虽然未示出，但是排放可以被引导至温度与热海水的排放温度相同或近似的海洋深度处的热层。可选地，电站的容纳有多级蒸发器的部分可以位于结构的使得热水排放到适当的海洋热层的深度处。在若干个方面中，从第四级蒸发器到船舶的热水排放的热水管道可以包括船舶的结构构件。 [0103] 类似地，冷海水通过冷海水泵722被从冷海水引入口（未示出）泵入，以大约855,003gpm的流量和大约40.0°F的温度从泵排出。从大约2700英尺和4200英尺之间或更深的海洋深处抽取冷海水。从船舶的冷水引入口到冷水泵以及从冷水泵到第一级冷凝器的用于输送冷海水的冷水管道可以全部包括或部分包括船舶的结构构件。 [0105] 冷海水以大约43.5°F的温度进入第二级冷凝器725，在那里使来自第三级蒸发器716的第三工作流体冷凝。冷海水以大约46.9°F的温度离开第二级冷凝器725并向上流入第三级冷凝器。 [0106] 冷海水以大约46.9°F的温度进入第三级冷凝器726，在那里使来自第二级蒸发器715的第二工作流体冷凝。冷海水以大约50.4°F的温度离开第三级冷凝器726。 [0107] 然后冷海水从第三级冷凝器726向上以大约50.4°F的温度流入到第四级冷凝器727。在第四级冷凝器中，冷海水使来自第一级蒸发器714的第一工作流体冷凝。然后冷海水以大约54.0°F的温度离开第四级冷凝器并且最终从船舶排放。冷海水排放可以被引导至温度与冷海水的排放温度相同或近似的海洋深度处的热层。可选地，电站的容纳有多级冷凝器的部分可以位于使得冷海水排放到适当的海洋热层的结构所在的范围内的深度处。 [0108] 第一工作流体以56.7°F的温度进入第一级蒸发器714，在那里被加热至温度为74.7°F的蒸汽。然后第一工作流体流到第一涡轮机731并且接着流到第四级冷凝器727，在该第四冷凝器727中第一工作流体被冷凝为温度大约56.5°F的液体。然后液态的第一工作流体通过第一工作流体泵741被泵回到第一级蒸发器714。 [0109] 第二工作流体以大约53.0°F的温度进入第二级蒸发器715，在那里被加热为蒸汽。第二工作流体以大约72.4°F的温度离开第二级蒸发器715。然后第二工作流体流到第二涡轮机732并接着流到第三级冷凝器726。第二工作流体以大约53.0°F的温度离开第三级冷凝器并流到工作流体泵742，该工作流体泵742进而将第二流体泵回到第二级蒸发器715。 [0110] 第三工作流体以大约49.5°F的温度进入第三级蒸发器716，将在那里被加热为蒸汽，并且以70.2°F的温度离开第三级蒸发器716。然后第三工作流体流到第三涡轮机733并接着流到第二级冷凝器725，在该第二级冷凝器725中被冷凝为温度大约49.5°F的流体。第三工作流体离开第二级冷凝器725并且通过第三工作流体泵743被泵回到第三级蒸发器716。 [0111] 第四工作流体以大约46.0°F的温度进入第四级蒸发器717，将在那里被加热为蒸汽。第四工作流体以大约68.0°F的温度离开第四级蒸发器717，并流到第四涡轮机734。第四工作流体离开第四涡轮机734并流到第一级蒸发器724，在该第一级蒸发器724中被冷凝为温度大约46.0°F的流体。第四工作流体离开第一级冷凝器724并且通过第四工作流体泵744被泵回到第四级蒸发器717。 [0112] 第一涡轮机731和第四涡轮机734协作驱动第一发电机751并且形成第一涡轮发电机对761。第一涡轮发电机对将产生大约25MW的电力。 [0113] 第二涡轮机732和第三涡轮机733协作驱动第二发电机752并且形成第二涡轮发电机对762。第二涡轮发电机对762将产生大约25MW的电力。 [0114] 图7的四级混合级联热交换循环允许从热海水和冷海水之间的相对低的温差提取出最大量的能量。此外，所有热交换器都可以直接支持利用相同组成涡轮机和发电机来发电的涡轮发电机对。 [0115] 可以理解的是，多个多级混合级联热交换器和涡轮发电机对可以包含到船舶或平台设计中。 [0116] 实施例2 [0117] 离岸OTEC柱筒平台包括四个独立的电力模块（power module），每个电力模块在额定设计条件下产生约25MW净电力。每个电力模块均包括四个独立的电力循环或级联热力学级，这四个独立的电力循环或级联热力学级在不同压力和温度水平下运行并且在四个不同级中从海水中提取热量。四个不同的级串联运行。在额定设计条件（全负载-夏季条件）下四个级的大致的压力和温度水平如下： [0118] [0119] 工作流体通过从热海水（WSW）中提取热量而在多个蒸发器中被加热沸腾。饱和的蒸汽在蒸汽分离器中被分离并且通过标准重量管表（STD schedule）无缝碳钢管被导入氨涡轮机。在冷凝器中冷凝的液体通过两个100%的电机驱动匀速供给泵被泵回到蒸发器。循环1和循环4的涡轮机驱动一个共用发电机。类似地，循环2和循环3的涡轮机驱动另一共用发电机。在一个方面中，在每个电站模块中有两个发电机并且在100MW电力的电站中总共有8个发电机。蒸发器的供给由供给控制阀控制以维持蒸汽分离器中的水平。冷凝器的水平由循环流体控制阀控制。供给泵的最小流量由再循环线路确保，该再循环线路通过由供给线路上的流量表调节的控制阀导入冷凝器。 [0120] 在操作中，模块的四（4）个电力循环独立地运行。循环中的任何一个均可以根据需要、例如在故障或维护的情况下关闭而不会妨碍其他循环的运行。但是这样会降低作为整体模块的电力模块的净发电量。 [0121] 本发明的若干个方面需要大量的海水。将具有用于控制冷热海水的独立的系统，每个系统均具有自己的泵送装置、水管、管路、阀、热交换器，等等。海水比淡水的腐蚀性强，可能与海水接触的所有材料都需要考虑这一点仔细选择。用于构造海水系统的主要组成部件的材料将是： [0122] 大口径管路： 玻璃纤维增强塑料（FRP） [0124] 大口径阀： 橡胶里衬蝴蝶型 [0126] 如果不用合适的方式控制，海水系统内部的生物生长可能会引起电站性能的显著的损失，并且可能会引起热传递表面的积垢，导致电站的低输出。这种内部的生长还可能会增加水流的阻力导致需要更大的泵送电力，使系统流量降低等，甚至在更严重的情况中可能会使流路完全阻塞。 [0127] 利用从深海抽取的水的冷海水（“CSW”）系统应该具有非常小的或者没有生物积垢问题。在这样的深度中的水没有接收到太多的阳光并且缺氧，所以里面具有很少的活生物体。然而一些类型的厌氧细菌可能能够在一些条件下生长。冲击加氯法（shock chlorination）将用于对付生物积垢。 [0128] 热海水（“WSW”）系统处理来自表面附近的热海水时将不得不防止受到生物积垢的损害。已经发现：在适于OTEC操作的热带公海水域中的积垢速度比沿海水域中的积垢速度低得多。结果，可以使用符合环保标准的剂量非常小的化学制剂来控制OTEC系统中的生物积垢。投放少量的氯被证明在对付海水中的生物积垢方面是非常有效的。以每天一小时约70ppb的速度投放的氯的剂量在防止海洋生物的生长方面是非常有效的。该剂量速度仅为EPA规定的环境安全水平的二十分之一。可以在低剂量处理的方式之间不时地使用其他类型的处理（热冲击、冲击加氯法、其他生物杀灭剂等），以去除耐氯生物。 [0129] 投放入海水流所必须的氯在电站船的船上通过电解海水产生。该类型的电解-加氯设备可以从市场上得到并且已经被成功地用于生产投放用的次氯酸盐溶液。电解-加氯设备可以连续地操作以充满储藏罐，并且这些罐里的容纳物用于周期性的上述投放。 [0130] 所有海水管道都避免任何死角，在死角处可能沉淀沉淀物或者生物可能会驻留下来开始繁殖。从水管的低点设置冲刷配置以冲掉可能聚集在那里的沉淀。水管和水室的高点处开口以允许被困住的气体排出。 [0131] 冷海水（CSW）系统将由用于电站船的通用深水引入口、以及水泵取/分配系统、具有相关联的水管路的冷凝器和用于使水返回至大海的排放管构成。冷水引入管向下延伸至超过2700英尺（例如在2700英尺至4200英尺之间）的深度，在该深度处海水温度大约为恒定的40°F。通向管的入口用拦网保护以阻止大的生物被吸入入口。进入管之后，冷水朝向海水表面向上流并且被传送至位于船舶或柱筒底部附近的冷井室。 [0132] CSW供给泵、分配管、冷凝器等位于电站的最低高度。泵从横管抽吸并且将冷水送至分配管系统。为每个模块设置四个25%的CSW供给泵。每个泵均独立地与入口阀构成回路使得泵能够隔离并且当需要时可以被打开用于检查、维护等。泵由高效电机驱动。 [0133] 冷海水流过串联的循环的冷凝器，然后CSW流出物被排放回大海。CSW沿着期望的顺序流过串联的四个电站循环的冷凝器热交换器。冷凝器安装配置成允许其被隔离并且当需要时被打开用于清洁和维护。 [0134] WSW系统包括位于大海表面下方的水下引入口格栅、用于将进入的水输送至泵的入口腔室（intake plenum）、水泵、控制热传递表面的积垢的生物灭杀剂定量投放系统、防止被悬浮物质阻塞的水过滤系统、具有相关联的水管路的蒸发器以及用于使水返回至大海的排放管。 [0135] 引入口格栅设置在电站模块的外壁中以从大海表面附近吸入热水。引入口格栅处的迎面速度保持为小于0.5英尺/秒以使海洋生物的夹带最小化。这些格栅也防止大的悬浮碎片的进入，并且这些格栅的净开口基于能够安全地通过泵和热交换器的固体的最大尺寸。通过这些格栅之后，水进入位于格栅后方的入口腔室并且沿着管路进入WSW供给泵的抽吸口。 [0136] WSW泵位于泵地板的相反侧上的两个组中。每侧上有一半的泵，并且针对每个组具有来自入口腔室的分开的抽吸连接部。该配置将通过入口腔室的任何部分的最大流量限制为总流量的大约十六分之一，并且因此降低了引入系统中的摩擦损失。每个泵均在入口侧设置有阀使得泵能够被隔离并且在需要时能够打开用于检查、维护等。泵由高效电机驱动，采用变频驱动以使泵输出与负载匹配。 [0137] 需要控制WSW系统的生物积垢，特别是在系统的热传递表面上需要控制生物积垢，并且为此将在泵的抽吸口处剂量投放适合的生物灭杀剂。 [0138] 热水流可能需要过滤以去除可能阻塞热交换器中的狭窄通道的较大的悬浮颗粒。如果需要，可以为此使用大型自动过滤器或“碎片过滤器”。悬浮物质可能被保留在拦网上然后通过反冲洗来去除。携带悬浮固体的反冲洗流出物将沿着管路到达电站的排放流以便返回至海洋。用于此目的的确切的要求将在收集更多与海水质量有关的数据之后对设计进行的进一步发展过程中决定。 [0139] 过滤后的热海水（WSW）被分配至蒸发器热交换器。WSW沿着要求的顺序流过串联的四个电站循环的蒸发器。从最后一个循环出来的WSW流出物在大海表面下方的大约175英尺或更深的深度处被排放。然后慢慢地下沉至海水的温度与流出物的温度（因此密度）匹配的深度处。 [0140] 其他方面： [0141] 基线冷水引入管是板条的、分段式的拉挤成型的纤维增强乙烯基酯管。在2010年1月21日提交的题为“海洋热能转换冷水管”的美国专利申请No.12/691,663（律师签号： 25667-0004001）中描述了板条式冷水管构造，该申请的全部内容通过引用合并于此。在示例性实施方式中，各板条部可以是40英尺至60英尺长。可以用交错板条将板条部接合以造出互锁接头。管板条可以以达120英尺宽且至少40英尺长的板被挤出成型，并且可以包含具有聚氨酯、聚酯或乙烯基酯树脂的e玻璃或s玻璃。在一些方面中，板条部可以是混凝土的。板条可以是实心构造。板条可以是带芯的或者蜂窝形构造。板条将被设计成彼此互锁的并且在板条的端部将是交错的由此消除冷水管的段之间的凸缘的使用。在一个方面中，板条可以是40英尺长并且在管部接合所在的位置以5英尺和10英尺交错。可以例如利用聚氨酯或聚酯粘合剂将板条和管段结合到一起。3M和其他公司制造合适的粘合剂。如果采用三明治构造，则聚碳酸酯泡沫或复合泡沫可以用作芯材。蜘蛛龟裂被避免并且聚氨酯的使用有助于提供可靠的设计。 [0142] 在一个方面中，设想的CWP是连续的，即，段之间不具有凸缘。 [0143] CWP将经由球形支承接头被连接至柱筒。在1994年牛津大学出版社出版的Avery和Wu发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC指南”第4.5节中描述了OTEC应用中的冷水管连接，其全部内容通过引用合并于此。用柱筒浮标作为平台的显著的优点之一是，即使在最严重的百年一遇的风暴条件下这样做也能使得在柱筒自身和CWP之间相对小地转动。另外，柱筒和CWP之间的垂向和横向力使得球形球与其底座之间的向下的力将支承面保持为总是接触。由于也用作水密封的该支承不会从与其配合的球形底座脱离接触，所以无需安装用于将CWP在垂向上保持在合适位置的机构。这有助于简化球形支承设计，并且还使得在不同方面中由任何附加的CWP管约束结构或器件引起的压力损失最小化。通过球形支承传递的横向力也足够低，使得该横向力能够被充分地容纳而无需CWP的垂向约束。 [0144] 虽然本文中的实施方式描述了浮式离岸船舶或平台中的多级热交换器，但是可以理解的是其他实施方式也在发明的范畴内。例如，多级热交换器和一体化的流体通道可以包含在包括了岸基OTEC设备的岸基设备中。此外，热水可以是热的淡水、地热加热水或者工业排放水（例如，来自核电站或其他工业设备的排放的冷却水）。冷水可以是冷的淡水。本文中描述的OTEC系统和组成部件可以用于电能生产或者用于其他使用领域，包括：盐水脱盐；水提纯；深层水再生利用；水产业；生物质或生物燃料的生产；还有一些其他产业。 [0145] 图8示出将核发电设备与上述浮式柱筒结构和一体的OTEC设备组合的本发明的实施。该实施包括：船舶或平台用柱筒，柱筒上一体设置有热交换器和相关联的热水管路和冷水管路；和包含在结构的水上部内的核电站与蒸汽循环发电系统。 [0146] 如上面所讨论的，OTEC柱筒810容纳有用于与OTEC发电站一起使用的一体化的多级热交换系统。柱筒810包括在水线805下方的浸没部811和水线805上方的水上部812。浸没部811包括热水引入部840、蒸发器部844、热水排放部846、冷凝器部848、冷水引入部 850、冷水管851、冷水排放部852、机械甲板部854和甲板室860。可以在甲板室860内或者水上结构812的任何部分中包括核发电站865。在若干实施方式中，核发电站865可以部分地或全部地被包含在浸没部811内，例如作为机械甲板854的一部分。 [0147] 如上所述，在OTEC系统的操作过程中，75°F和85°F之间的热海水通过热水引入部340而被抽取并且通过未示出的结构一体化的热水管道在柱筒中向下流动。由于OTEC热机所需的水流量大，所以热水管道将水流以500,000gpm和6,000,000gpm之间的流量引导至蒸发器部344。这样的热水管道具有6英尺和35英尺之间或更大的直径。由于该尺寸，所以热水管道是柱筒810的垂向结构构件。热水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒810的大直径管。可选地，热水管道可以是与柱筒810的构造为一体的通道。 [0148] 热水然后流过蒸发器部844，该蒸发器部844容纳有用于将工作流体加热至蒸汽的一个或多个堆叠式多级热交换器。多级热交换器可以是上述混合级联系统。热海水然后经由热水排放部846从柱筒810排放。热水排放可以位于或靠近温度与热水排放温度大致相同的海洋热层处，或者经由热水排放管被引导至或被引导为靠近温度与热水排放温度大致相同的海洋热层的深度，以使环境冲击最小化。热水排放可以被引导至能够确保与热水引入或冷水引入均没有热回流的足够的深度处。 [0149] 冷海水经由冷水管851被从2500英尺和4200英尺之间或更深的深度抽取，温度大约为40°F。冷海水经由冷水引入部850进入柱筒810。由于OTEC热机需要大的水流量，所以冷海水管道将水流以500,000gpm和3,500,000gpm之间的流量引导至冷凝器部848。这样的冷海水管道具有6英尺和35英尺之间或者更大的直径。由于该尺寸，所以冷海水管道是柱筒810的垂向结构构件。冷水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒810的大直径管。 可选地，冷水管道可以是与柱筒810的构造为一体的通道。 [0150] 冷海水然后向上流到堆叠式多级冷凝器部848，在那里冷海水将工作流体冷却成液体。冷海水然后经由冷海水排放部852从柱筒810排放。冷水排放可以位于或靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层处，或者经由冷海水排放管被引导至或被引导为靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层的深度。冷水排放可以被引导至能够确保与热水引入或冷水引入均没有热回流的足够的深度处。 [0151] 机械甲板部854可以被定位成在垂向上位于蒸发器部844和冷凝器部848之间。将机械甲板部854定位在蒸发器部844的下方允许几乎直线状的热水从引入部流动经过多级蒸发器并且排放。将机械甲板部854定位在冷凝器部848的上方允许几乎直线状的冷水从引入部流动经过多级冷凝器并且排放。机械甲板部854包括涡轮发电机856。在操作中，来自蒸发器部844的被加热成蒸汽的热工作流体流到一个或多个涡轮发电机856。工作流体在涡轮发电机856中膨胀从而驱动用于发电的涡轮机。工作流体然后流到冷凝器部848，在那里工作流体被冷却成液体并且被泵送至蒸发器部844。 [0152] 在若干实施方式中，在已经使OTEC热机的工作流体冷凝之后，在852处的冷水排放可以在45华氏度和60华氏度之间。在示例性实施方式中，在852处的冷水排放可以是大约50华氏度。该50度的水可以被用在热交换器内或一系列热交换器内，以使从与核发电站865相关联的蒸汽涡轮机出来的用过的蒸汽冷凝。 [0153] 在本发明的一个方面中，用过的蒸汽被引导离开核发电站865，经由低压蒸汽线870到达冷凝器872。冷凝器872可以是常规蒸汽冷凝器-热交换器，如壳式、管式或柜式热交换器。可以使用一个或多个冷凝器872。留在OTEC冷凝器部848的冷海水在经由冷水排放部852被从柱筒结构排放之前通过蒸汽循环冷凝器872被全部地或部分地转向。一旦用过的蒸汽被冷凝以形成用于蒸汽循环的补给水，补给水就能够被从蒸汽冷凝器872泵取，返回至核发电站865用于进一步在蒸汽循环中使用。 [0154] 参见图7，提供了采用混合级联热交换循环的示例性多级OTEC热机710。热海水通过热水泵712被从热海水引入口（未示出）泵入，以大约1,360,000gpm的流量和大约79°F的温度从泵排出。从热水引入口到热水泵以及从热水泵到堆叠的热交换器柜的所有或部分热水管道都可以形成船舶的一体的结构构件。 [0155] 冷海水通过冷海水泵722被从冷海水引入口（未示出）泵入，以大约855,003gpm的流量和大约40.0°F的温度从泵排出。从大约2700英尺和4200英尺之间或更深的海洋深度抽取冷海水。从船舶的冷水引入口到冷水泵以及从冷水泵到第一级冷凝器的用于输送冷海水的冷水管道可以全部包括或部分包括船舶的结构构件。 [0156] 来自冷海水泵722的冷海水进入第一级冷凝器724，在那里使来自第四级锅炉717的第四工作流体冷凝。冷海水以大约43.5°F的温度离开第一级冷凝器并且向上流入第二级冷凝器725。 [0157] 冷海水以大约43.5°F的温度进入第二级冷凝器725，在那里使来自第三级蒸发器716的第三工作流体冷凝。冷海水以大约46.9°F的温度离开第二级冷凝器725并向上流入第三级冷凝器。 [0158] 冷海水以大约46.9°F的温度进入第三级冷凝器726，在那里使来自第二级蒸发器715的第二工作流体冷凝。冷海水以大约50.4°F的温度离开第三级冷凝器726。 [0159] 然后冷海水从第三级冷凝器726向上以大约50.4°F的温度流入到第四级冷凝器727。在第四级冷凝器中，冷海水使来自第一级蒸发器714的第一工作流体冷凝。然后冷海水以大约54.0°F的温度离开第四级冷凝器并且最终经由冷水排放776从船舶排出。冷海水排放可以被引导至温度与冷海水的排放温度相同或近似的海洋深度处的热层。可选地，电站的容纳有多级冷凝器的部分可以位于结构的使得冷海水排放到适当的海洋热层的深度处。冷水排放776可以全部或部分地转向至与蒸汽发电系统的蒸汽循环连通的蒸汽冷凝器。 [0160] 应该理解的是，可选实施方式也是可以的，例如来自OTEC循环的冷水排放可以全部或部分地被引导至图8的核发电站的蒸汽冷凝器，使得蒸汽冷凝器位于柱筒810的水上部812内。这可以通过缩短低压蒸汽管路并保持蒸汽循环的集中定位有助于核发电设备860的构造和操作。 [0161] 图9示出示例性蒸汽发电系统905的热平衡图表。在该示例中，蒸汽发生器915使用核动力热源。应该理解的是，可以使用包括煤、燃气和柴油燃烧锅炉等其他传统方式为蒸汽发生器/锅炉915提供热。在图9中示出的示例中，经由补给水供给910为蒸汽发生器/锅炉915供给补给水。供给水被闪蒸（flash）成高压蒸汽并且经由高压蒸汽线917被输送至高压蒸汽涡轮机919。蒸汽经由蒸汽线920离开高压蒸汽涡轮机919并且进入低压蒸汽涡轮机922。蒸汽涡轮机919和922驱动发电机925。用过的低压蒸汽经由低压蒸汽线924离开低压蒸汽涡轮机922并流到蒸汽冷凝器972，在那里蒸汽被冷凝回液体水并且流过补给水加热器930并经由补给水供给线910回到蒸汽发生器/锅炉915。 [0162] 冷凝器972与图7中的冷水排放970连通。来自OTEC热机的冷水被用作蒸汽冷凝器972中的冷却流体。在一个实施中，以0.339磅/平方英寸、68华氏度和240.5磅/秒进入冷凝器的低压蒸汽可以在传统热交换器中冷凝为液体，该传统热交换器具有以11,844磅/秒流动且50.0华氏度温度的冷却水供给。冷却水以65华氏度的温度经由水排放部976从蒸汽冷凝器972排放。 [0163] 应该理解的是，从图7中的OTEC系统取得的冷水排放可以从OTEC热交换循环的任一级取得。虽然本文中讨论了浮式结构，但是应该进一步理解为可以在包括岸基OTEC电站、岸基核、煤、燃气、油或其他石油燃烧发电站在内的任何岸基设备中实现将OTEC系统与蒸汽循环组合的多个方面。 [0164] 本文中已经描述了来自OTEC系统的一部分冷水被转向用于在单独的发电系统中使用（诸如在蒸汽冷凝器中使用）的若干实施方式。来自OTEC系统的冷水也可以被转向成冷却来自其他发电系统或工业处理系统的各种热水排放。许多岸基发电和工业处理设备都在热的各种冷却水系统可以如何排放到环境方面面临法规约束。例如，从核电站或煤燃烧电站排放的冷却水不能以超过自然环境条件的大于25华氏度的温度重新进入水库、河流、湖泊或海洋。这避免了热羽流或其他热污染的形成。在本发明的若干方面中，大量的OTEC冷却水可以全部或部分地被转向成与发电设备或其他工业处理设备的热水排放组合，以使该热水排放降低至法规规定之内。在本发明的若干方面中，来自OTEC循环的冷水排放与其他热水排放的组合能够产生与环境温度靠近的组合水排放，从而消除了热羽流的形成并且大大降低了热污染。 [0165] 在本发明的进一步方面中，来自发电站或工业处理站的热水排放可以被用作供给至OTEC系统的热水供给。例如，从诸如核、煤、燃气、油或其他石油燃烧电站等的一个以上的发电站排放的热水可以被收集在中间热水池内。热水池可以用作用于OTEC系统的热水供给，以代替如上所述从海洋取得的热水。这能够具有可以在海洋表面水温太低而不允许OTEC操作的地区内使用OTEC系统的优点。在本发明的若干方面中，并且根据体积和温度，来自发电站或工业处理站的热水排放可以被直接供给至OTEC电站的热水系统，而无需中间热水收集池。 [0166] 本文中涉及到的所有引用文献的全部内容通过引用合并于此。 [0167] 其他实施方式在随附的权利要求书的范围内。 |
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