專利名稱：海洋熱能轉換系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種改進的海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)。
背景技術：
常規(guī)的海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)通常分為三類1.

圖1中所示的用于發(fā)電的閉合循環(huán)OTEC系統(tǒng)；2.圖2中所示的首先用于發(fā)電其次用于生產淡水的開式循環(huán)OTEC系統(tǒng)200；3.圖3中所示的首先用于發(fā)電其次用于生產脫鹽水的混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)300。下面詳細討論這三種常規(guī)的OTEC系統(tǒng)。
如圖1中所示，液泵102將閉合循環(huán)中所含的工作流體泵入蒸發(fā)器104，在該處將吸入溫水的熱量從溫水轉移到工作流體中以產生工作流體蒸汽。流出蒸發(fā)器104的溫水排入海中。工作流體蒸汽進入汽輪發(fā)電機106以便通過常規(guī)技術發(fā)電。工作流體蒸汽流出汽輪發(fā)電機106并冷凝在冷凝器108中，用冷海水作為吸熱物質。然后將冷凝的工作流體反饋到進給泵中，以完成閉合循環(huán)。
圖2中所示的開式OTEC系統(tǒng)200包括一個用于吸入溫海水和輸出水汽的閃蒸器202。其次，泵204泵抽從閃蒸器202排出的溫海水。從閃蒸器202輸出的水汽輸入汽輪機206，后者連接發(fā)電機208以通過常規(guī)技術發(fā)電。水汽流出汽輪機而進入冷凝器210。常規(guī)的開式循環(huán)OTEC系統(tǒng)200使用表面冷凝器和直接接觸冷凝器。表面冷凝器使兩種流體(海水和純水)分離而直接接觸冷凝器并不分離。在常規(guī)的開式循環(huán)OTEC系統(tǒng)200中流出汽輪機206的水汽大部分進入一個直接接觸冷凝器以便發(fā)電。常規(guī)的開式循環(huán)OTEC系統(tǒng)200使用一表面冷凝器，以冷凝由汽輪機206產生的水汽中的小部分成為淡水，用冷海水作為吸熱物質。冷海水排出物用泵212從冷凝器210泵出。不凝物排出系統(tǒng)212除去不凝氣體和一部分從汽輪機206輸出的水汽。在上述開式OTEC系統(tǒng)200中，利用汽輪機206和發(fā)電機208發(fā)電是主要產品而從冷凝器210輸出脫鹽淡水是次要產品。
圖3中所示的混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)300包括一個蒸發(fā)系統(tǒng)302，溫海水輸入該系統(tǒng)中，其中小部分蒸發(fā)入真空閃蒸器304。蒸汽冷凝在氨蒸發(fā)器306上，后者含有從泵308來的氨液。從閃蒸系統(tǒng)302來的蒸汽冷凝在氨蒸發(fā)器306上，產生脫鹽水。氨蒸汽輸入氨汽輪機/發(fā)電機310，以便用常規(guī)技術發(fā)電。然后將氨蒸汽冷凝在氨冷凝器312中。再冷凝的氨再循環(huán)到泵308中，以完成混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)300中的閉合部分。
上述閉合循環(huán)和開式循環(huán)OTEC系統(tǒng)均使用獨立的蒸發(fā)器和冷凝器。其次上述混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)使用常規(guī)的蒸發(fā)系統(tǒng)302。本申請的改進的OTEC系統(tǒng)與上述三個系統(tǒng)相比，包括一種新穎的組合式蒸發(fā)器/冷凝器。該組合式蒸發(fā)器/冷凝器還包括多個蒸發(fā)器噴口和一個消霧器。本中請的OTEC系統(tǒng)還在每個蒸發(fā)噴口上方維持一恒定的低壓。本申請的OTEC系統(tǒng)同時產生淡水作為主要產品。本申請的OTEC系統(tǒng)只發(fā)出足夠的電作為次要產品，來操作OTEC系統(tǒng)本身。
發(fā)明概要本發(fā)明的一個目的是提供一種改進的海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種混合式海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)，該系統(tǒng)接受溫海水，在接受的溫海水的自然深度處蒸發(fā)工作流體以產生工作蒸汽，從工作蒸汽產生能量，將冷海水向上推到接受的溫海水的自然深度，并利用該冷海水冷凝工作蒸汽。
本發(fā)明的又一目的是提供一種混合式OTEC系統(tǒng)，該系統(tǒng)接受溫海水，用接受的溫海水蒸發(fā)工作流體以產生工作蒸汽，從工作蒸汽產生能量，使水源分解為氫氣和氧氣，接受氫氣而用于發(fā)電，并接受氧氣而使煤氣化以產生甲烷。
本發(fā)明的這些目的是通過提供一種包括能量產生裝置和泵抽裝置的混合式海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)來完成的，該能量產生裝置用于接受溫海水，在接受的溫海水的自然深度處蒸發(fā)工作流體以產生工作蒸汽，并以工作蒸汽產生能量；而該泵抽裝置用于將冷海水向上推到接受的溫海水的天然深度，并用該冷海水冷凝工作蒸汽。
本發(fā)明的這些目的是進一步通過提供一種包括能量產生裝置、水的分解裝置、氫燃燒裝置和煤氣化裝置的混合式海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)來完成的，該能量產生裝置用于接受溫海水，利用接受的溫海水來蒸發(fā)工作流體以產生工作蒸汽并從該工作蒸汽產生能量；該水的分解裝置用所述能量產生裝置產生的能量驅動，用于分解水源成為氫氣和氧氣；該氫燃燒裝置用于接受氫氣并用于發(fā)電；而該煤氣化裝置用于接受氧氣并用于使煤氣化以產生甲烷。
從后面給出的詳細描述更容易明白本發(fā)明的這些和其它目的。但是，應當理解，雖然指明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，這些詳細描述和特定例子卻只作為舉例說明，因為對于該技術的熟練人員來說，顯然在本發(fā)明的精神和范圍內可從這些描述作出許多變化和修改。
附圖簡述從下面給出的詳細描述和附圖可以更充分地理解本發(fā)明，這些描述和附圖僅用于舉例說明，因而并不限制本發(fā)明，附圖中圖1例示一種常規(guī)的閉合循環(huán)OTEC系統(tǒng)；圖2例示一種常規(guī)的開式循環(huán)OTEC系統(tǒng)；圖3例示一種常規(guī)的混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)；圖4(a)和4(b)例示本發(fā)明的改進的OTEC系統(tǒng)的優(yōu)選實施例；圖5(a)例示支承圖4(a)和4(b)中例示的改進的OTEC系統(tǒng)的平臺；圖5(b)從透視的蒸發(fā)器例示平臺和蒸發(fā)器/冷凝器；圖5(c)從透視的冷凝器例示平臺和蒸發(fā)器/冷凝器；圖6(a)例示圖4(a)和4(b)中例示的OTEC系統(tǒng)用的新穎組合式蒸發(fā)器/冷凝器的一個實施例；圖6(b)至6(d)例示三個收集用于放出不凝氣體的籽氣泡的替代方案；圖7例示圖4(a)和4(b)中例示的OTEC系統(tǒng)用的新穎組合式蒸發(fā)器/冷凝器的另一個實施例；圖8例示圖4(a)和4(b)中例示的OTEC系統(tǒng)中使用的水池系統(tǒng)；圖9例示本發(fā)明的一個實施例中的圖4(a)的消霧器；圖10例示圖4(b)中例示的能量產生系統(tǒng)的另一實施例；圖11例示氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)的蒸發(fā)器模板；圖12和13例示圖11的蒸發(fā)器模板的單個蒸發(fā)部件；圖14和15例示圖10中例示的能量產生系統(tǒng)的發(fā)電子系統(tǒng)；圖16例示一種抗變形增強件；圖17例示一種氨冷凝器子系統(tǒng)的冷凝器模板；
圖18和19例示圖16的冷凝器模板的單個冷凝部件；圖20例示本發(fā)明的改進的OTEC系統(tǒng)的另一實施例；圖21(a)和21(b)更詳細地例示圖20的實施例；圖22例示圖20的氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器；圖23例示圖20的5個子系統(tǒng)；圖24更詳細地例示圖23的氨蒸發(fā)子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)和混合子系統(tǒng)；圖25例示本發(fā)明的改進的OTEC系統(tǒng)的另一實施例；圖26例示與圖25中例示的實施例組合使用的水分解系統(tǒng)、氫氣燃燒系統(tǒng)和煤氣化系統(tǒng)；圖27例示圖4(a)和4(b)中例示的OTEC系統(tǒng)用的新穎組合式蒸發(fā)器/冷凝器的第二實施例；圖28是圖27中例示的蒸發(fā)器/冷凝器的另一視圖；圖29以另一優(yōu)選實施例例示本發(fā)明的改進的OTEC系統(tǒng)；圖30例示一種撓性纖維管的軸向圖；圖31和32例示圖10中例示的撓性纖維管優(yōu)選實施例中使用的鋼索網格；圖33以本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例例示圖30中例示的組裝和部署撓性纖維管用的技術；圖34例示樹脂密封件和連接環(huán)，它們連接圖10中例示的撓性纖維管的區(qū)段。
優(yōu)選實施例詳述圖4(a)和4(b)以優(yōu)選實施例形式例示本發(fā)明的改進的海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)400。該OTEC系統(tǒng)400產生每天300萬加侖的水和2.0兆瓦的總電力。這2.0兆瓦的電力用作圖4(a)和4(b)中例示的OTEC系統(tǒng)400的動力，因此，本申請的OTEC系統(tǒng)400產生的凈電力為零兆瓦。本申請的OTEC系統(tǒng)的各種部件做成這樣的尺寸，使得淡水的加侖數盡可能大而產生的電量足以作為OTEC系統(tǒng)400的動力。
如圖4(a)和4(b)中所示，本申請的OTEC系統(tǒng)400包括用于每分鐘泵抽2,500,000磅溫海水的溫海水泵抽系統(tǒng)402。溫海水泵抽系統(tǒng)402由6根內徑4.83英寸的管子供水，每根管子長300英尺。從溫海水泵抽系統(tǒng)402流出的80 °F溫海水被分流，每分鐘1,780,000磅流向閃蒸器406，而每分鐘720,000磅流向氨蒸發(fā)器412。溫海水在保持壓力0.325psi的閃蒸器406處進入蒸發(fā)器/冷凝器404。溫海水通過若干閃蒸器噴口408受到閃蒸。溫度為69.6°F的溫水排出物和壓力小于或等于0.325psi的水汽流出閃蒸器406。水汽以每分鐘17,500磅的速率輸入消霧器410，而流出消霧器410的水汽以大于或等于0.275psia的壓力流出。該蒸汽輸入表面積為500,000平方英寸的淡水冷凝器412。
溫度為42.9°F的冷海水以每分鐘1,260,000磅的速率進入淡水冷凝器412的管子。這股冷海水由冷海水泵抽系統(tǒng)414提供，后者通過6根內徑為4.83英尺的管子每分鐘抽入1,920,000磅冷海水，每根管子長7000英尺。淡水冷凝器412以每分鐘17,500磅的速率產生溫度為61°F的脫鹽淡水，同時產生溫度為58.6°F的冷海水排出水流。流出淡水冷凝器412的淡水是本申請的改進的OTEC系統(tǒng)400的主要產品。
如上所述，圖4(a)例示從本申請的OTEC系統(tǒng)400產生脫鹽淡水所需的每個部件。相反，本申請的圖4(b)例示產生足夠電力作為OTEC系統(tǒng)400的動力的所需部件。
溫海水泵抽系統(tǒng)每分鐘抽入2,500,000磅溫海水而每分鐘輸出1,780,000磅溫海水到閃蒸器406中。余下的每分鐘720,000磅溫海水在80°F的溫度下輸入到氨蒸發(fā)器418中。
同樣，冷海水泵抽系統(tǒng)414以每分鐘1,920,000磅的速率接受冷海水而每分鐘輸出1,260,000磅冷海水到淡水冷凝器412中。
余下的660,000磅冷海水在42.9°F的溫度下輸入氨冷凝器416。從溫海水泵抽系統(tǒng)402來的溫海水輸入到氨蒸發(fā)器418中，后者具有170,000平方英尺的表面積。
溫海水加熱在壓力129.5psia下通過氨泵420泵抽的液態(tài)氨，以產生氨蒸汽和74.1℃溫度下的溫水排出物。氨蒸汽在每分鐘7,160磅氨蒸汽的速率下輸入汽輪機422，以便產生2.0兆瓦的總電力。流出汽輪機422的氨蒸汽輸入到氨冷凝器416中，后者也具有170,000平方英尺的表面積。
從冷海水泵抽系統(tǒng)414來的冷海水也輸入氨冷凝器416，后者輸出溫度為48.7。F的冷水排出物和壓力為94psia的液態(tài)氨。該液態(tài)氨再循環(huán)返回氨泵420中，以便完成閉合循環(huán)的氨通路。
圖4(a)和4(b)中描述的OTEC系統(tǒng)由圖5(a)中的平臺500支承。平臺500包括兩個甲板502和504，還包括一個護套506，后者包括所有在甲板504下方的結構。護套506延伸在水表面上方約30英尺。護套506有六個支腿，其中兩個支腿508和510示于圖5(a)。這些支腿可以罩住4.83英尺內經的管子，后者從2700英尺的深度向冷海水泵抽系統(tǒng)414提供冷海水。圖5(a)還例示四個蒸發(fā)器/冷凝器400，雖然該數目可以隨淡水所需量而變化。吸入溫海水的管子512向下延伸不到100英尺并給四個蒸發(fā)器/冷凝器404供水。
圖5(b)例示平臺500、溫海水泵抽系統(tǒng)402、蒸發(fā)器/冷凝器404(從透視的蒸發(fā)器)、溫海水排出系統(tǒng)514和不凝物除去系統(tǒng)516。如圖5(b)中所示，每個閃蒸器406包括十五個閃蒸器噴口408。
圖5(b)還例示一個籽氣泡發(fā)生系統(tǒng)518。圖5(b)還例示兩個替換的能量回收渦輪520和522，每個渦輪包括一個渦輪葉片系統(tǒng)524，用于從排出的溫海水提取動力。在能量回收渦輪520中，溫水排出物轉動渦輪軸526而軸526轉動直角齒輪箱528，后者連接在溫海水泵抽系統(tǒng)402的泵上，由此向泵提供輔助動力。在能量回收渦輪522中，溫水排出物轉動渦輪軸530，后者連接在發(fā)電機532上。由發(fā)電機532產生的電用于OTEC系統(tǒng)400中任何需要的地方，以減少能量消耗。
圖5(c)從冷凝器觀點例示蒸發(fā)器/冷凝器404和冷海水泵抽系統(tǒng)414。冷海水進入冷海水泵抽系統(tǒng)414的泵531。然后將冷海水泵入入口歧管533，后者通過淡水冷凝器412的多個冷凝管538分配冷海水。冷海水通過出口歧管534和冷海水排出管流出淡水冷凝器412。能量回收渦輪522安置在冷海水排出管中，其作用與圖5(b)中能量回收渦輪522相同。水汽冷凝在多個冷凝管538的外表面上。冷凝的水汽進入漏斗形收集口536，然后泵上海岸。不凝氣體和一部分未凝水汽輸入真空系統(tǒng)540，后者壓縮混合物而冷凝原先未冷凝的水汽并將不凝氣體排入大氣或排入溫海水排出物或冷海水排出物。一部分冷海水通過管子542輸入真空系統(tǒng)，以幫助冷卻該過程。
如圖6(a)中所示，下面更詳細地描述圖4(a)中例示的蒸發(fā)器/冷凝器404。閃蒸器406、消霧器410、淡水冷凝器412和預脫氣室602被罩在蒸發(fā)器/冷凝器殼體600內。從溫海水泵抽系統(tǒng)402來的溫海水輸入預脫氣室602中。在預脫氣室602中，從溫海水中除去不凝氣體，然后通過真空系統(tǒng)540將不凝氣體或是返回溫海水排出管622中或是返回海洋或大氣中。
溫海水從預脫氣室602經過閃蒸器噴口408通到閃蒸器406，由此在閃蒸器406內產生水蒸汽和霧。流量控制閥71。控制流入閃蒸器406的溫海水流量。消霧器410在形體上連接蒸發(fā)器/冷凝器外殼600和間隔壁606，并分開閃蒸器406和淡水冷凝器412。
消霧器410將霧截留在閃蒸器側面只允許水蒸汽通過，使得水蒸汽可以冷凝在淡水冷凝器412中。淡水冷凝器412包括多個冷凝管538，而冷凝的水蒸汽以每分鐘17,500磅的速率收集，如上面相對于圖4(a)討論的。
為了努力減少通過真空系統(tǒng)540排出的不凝氣體的量，使用一個預脫氣室602。籽氣泡形成在預脫氣室602中進一步發(fā)生不凝氣體用的催化劑。這些籽氣泡可以從溫海水吸入物、溫海水排出物或從大氣中收集。這三種替代方案示于圖6(a)中。
為了從溫海水吸入物中收集籽氣泡，溫海水通過節(jié)流區(qū)段612然后進入預脫氣室602。在節(jié)流區(qū)段612中，由于直徑限制而壓力降低，產生不凝氣體的籽氣泡。除了產生籽氣泡以外，由于在溫海水吸入流中產生一個低壓點，節(jié)流區(qū)段612發(fā)生更多的不凝物。
籽氣泡也可以通過對大氣提供一個帶止回閥642的管子來供給。
籽氣泡也可以利用圖6(b)-(d)中所示的三種技術而從溫海水排出物供給。在圖6(b)中，溫海水出口流管610的直徑從D0減為D1，以便在D1緊下游產生停滯區(qū)，從而從溫水排出物中分離不凝氣體的籽氣泡。籽氣泡由籽氣泡管614和籽氣泡噴射系統(tǒng)618載帶進入預脫氣室602。
在圖6(c)中例示的另一優(yōu)選實施例中，在溫海水入口流管610中安置一個擋板702，由于該區(qū)域中管子的擴大的直徑和擋板702的阻擋，產生一個停滯區(qū)。分離的不凝氣體籽氣泡經過籽氣泡管614和籽氣泡注射系統(tǒng)618輸入預脫氣室602。
在圖6(d)所示的另一優(yōu)選實施例中，水平管區(qū)段704產生一零豎直速度區(qū)702，其中不凝氣體的天然浮力使其能夠從溫海水排出物分離，產生籽氣泡，后者被收集在區(qū)706中。然后籽氣泡經過籽氣泡管614和籽氣泡噴射系統(tǒng)618輸入預脫氣室602。
預脫氣室602的作用是在溫海水被引入閃蒸器406之前從溫海水中除去盡可能多的不凝氣體。從溫海水中除去的不凝氣體的百分率是三個參數的函數預脫氣室602中的壓力，溫海水在預脫氣室602中經過的時間長度，及預脫氣室602的截面積。
圖6(a)中例示的預脫氣室602還包括擋板616，后者以間接方式將溫海水引向閃蒸器噴口408。這延長了溫海水處于預脫氣室602中的時間。結果，溫海水在預脫氣室602中有更多的停留時間并引發(fā)更多的氣泡，這以觸發(fā)更大比例的不凝氣體發(fā)生并將其載帶到預脫氣室602的頂部。
聚集在預脫氣室602頂部的不凝氣體然后通過不凝氣體除去管620除去。然后使用溫海水排出物壓縮不凝氣體，以便可以將其在大氣壓力下排出，或再吸收到放回海洋或大氣中的溫海水排出物內。
從預脫氣室602除去不凝氣體的不凝氣體管620用可以豎直移動的延長部624使溫水排出管622向下延伸到這樣一個深度，使溫水排出管622中的壓力逐漸增加到小于預脫氣室602中的所要壓力。以此種方式，除去的可凝氣體將從預脫氣室602流入溫水排出管622。該延長部624可以上下豎直移動，因此可以調整該壓力。在溫海水中上升的豎直氣泡的速度小于下管622中溫海水排出物的速度，使得氣泡將與排出物流一起向下受力而當水中壓力增大時變成受壓縮。
圖7例示圖6(a)的蒸發(fā)器/冷凝器404的替代實施例。圖7和圖6(a)包括許多共同的部件，它們具有相同的標號，其描述在此處省略。預脫氣室602位于殼體600的外部和蒸發(fā)器噴口408的上方。該構型除去更多的不凝氣體，因為溫海水在預脫氣室602中停留時間更多。預脫氣室602體積更大而其高度位于蒸發(fā)器噴口408的上方，這提供了對閃蒸器406內部壓力的額外控制。
為了將本申請的OTEC系統(tǒng)用于從淡水冷凝器412中連續(xù)生淡水，將閃蒸器406中的壓力控制在接受0.3psia是重要的。因為閃蒸器406包括多個閃蒸器噴口408，所以同時需要在每個閃蒸器噴口408處保持恒定壓力。如果閃蒸器406中的壓力遠大于0.3psia，那么產生的水汽不足。如果壓力遠小于0.3，那么水汽不能到達最后一個冷凝器412，而水汽開始累積，使不凝氣體的排除被中止。本申請的OTEC系統(tǒng)通常在0.3psia±0.05的壓力范圍內工作。
本申請的蒸發(fā)器/冷凝器404要求相當穩(wěn)定的流速和壓力。為了對閃蒸器406中的壓力和通過每個閃蒸器噴口408的壓力保持控制，使用一種如圖8中例示的構型。溫海水入口管610將溫海水引入泵402。如果泵402直接連接每個閃蒸器404，那么泵402中的壓力變化將直接或相反地影響閃蒸器406中產生的水蒸汽量。這些變化可以使閃蒸器406中的壓力變成遠離0.3psia，這將如上所述地產生太多或太少的蒸汽。
因此，在本發(fā)明的一個實施例中，從每個泵402來的溫海水的輸出一起送入管子1004，后者送入每個閃蒸器406。靜止水池1006和壓縮氣源1008精細調節(jié)閃蒸器406中的壓力。
在圖9所示的一個優(yōu)選實施例中，消霧器410是一種三轉式人字形消霧器，其中每個壁構件802長9.68英寸而隔開1.5英寸。從閃蒸器406來的水汽和霧輸入消霧器410的閃蒸器側。當混合的水汽和霧流通過消霧器410的人字形壁構件802時，較大的霧滴接觸消霧器410的壁構件802并落入閃蒸器406的底部，在該處它們變成溫水排出物的一部分。消霧器410使水氣能夠通過，以致水汽可以冷凝在淡水冷凝器412中。
圖10例示一種能量產生系統(tǒng)，該系統(tǒng)是圖4(b)的能量產生系統(tǒng)的替代實施例。圖10中例示的能量產生系統(tǒng)可以與圖4(a)中的脫鹽系統(tǒng)結合使用，其中不需要溫海水泵抽系統(tǒng)402和冷海水泵抽系統(tǒng)414，這將在下面討論。
如圖10中所示，氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418安置在海面以下約75英尺的深度處。該深度的選擇取決于天然深度和作為溫海水熱源的溫海水的溫度。溫海水進入氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418并加熱由氨輸送子系統(tǒng)420的氨液輸送機構4201傳送的氨液，以產生氨蒸汽和溫水排出物。氨蒸汽輸入發(fā)電子系統(tǒng)422，以便發(fā)電。發(fā)電子系統(tǒng)422安置在海面上方。流出發(fā)電子系統(tǒng)422的氨蒸汽經過氨輸送子系統(tǒng)420的氨蒸汽輸送機構4202輸到氨冷凝器子系統(tǒng)416，氨蒸汽輸送機構4202安置在所需冷海水散熱物質的天然深度處。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，氨冷凝器子系統(tǒng)416安置在海面下2700英尺的深度處。
在2700英尺深度處的冷海水作為冷海水散熱物質輸到氨冷凝器子系統(tǒng)416，而氨冷凝器子系統(tǒng)416輸出冷海水排出物和氨液。氨液經氨輸送子系統(tǒng)420的氨液輸送機構4201再循環(huán)返回氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418，以便完成閉合循環(huán)氨通路。
將氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418安置在可用于吸入所需溫海水的天然深度處，以免去部署許多大海水管的需要并減少將溫海水泵入氨蒸汽子系統(tǒng)418所需的能源費用。與從不同深度泵抽水不同，合適深度處的溫水僅僅通過氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418泵抽。通過在所需的冷海水吸入容易實現的自然深度處安置氨冷凝器子系統(tǒng)416，可以同時降低管道和能量的費用。在圖10例示的實施例中，僅僅將氨泵至不同深度，而不是溫海水和冷海水。因為氨蒸汽/液體的質量流動速率大大小于溫海水或冷海水的質量流動速率，所以僅僅將氨蒸汽/液體泵抽至不同深度可以節(jié)省大量能量。
如圖10中所示，氨冷凝器子系統(tǒng)416被安置在深水中。氨冷凝器子系統(tǒng)416必須合適地錨定，以承受在這樣一個深度處的壓力。
如圖10中所示，氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418安置在海洋表面附件的淺溫水中，而發(fā)電子系統(tǒng)422安置在海洋表面上方。因為發(fā)電子系統(tǒng)422發(fā)電，它必須經過電力線連接到海岸的電力分配中心。
如圖11中所示，氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418從氨輸送子系統(tǒng)420的氨液輸送機構4201接受氨液，在多個蒸發(fā)器模板1100中分配氨液。在一個實施例中，氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418包括四個蒸發(fā)器模板1100。其次，如圖11中，每個蒸發(fā)器模板1100包括六個單獨的蒸發(fā)部件1102，其中分配入氨液。一個單獨的蒸發(fā)部件1102示于圖12中。每個單獨的蒸發(fā)部件1102氯化進入的溫海水，以阻止管子1202內部的生物污染。氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418收集蒸發(fā)的氨并將其傳遞給發(fā)電子系統(tǒng)422。發(fā)電子系統(tǒng)418從氨輸送子系統(tǒng)420的氨液輸送機構4201接受102,000lbs/min的氨液，并在24個單獨的蒸發(fā)部件1102中分配氨液。
單個的蒸發(fā)部件1102為殼體和管子形，使氨在殼體一側而自然存在的溫海水在管子一側。每個單獨的蒸發(fā)部件1102以這樣的方式豎直對準，使溫海水沿重力方向流動。這有兩個目的，第一是溫海水入口更接近海洋表面，即處在更淺的水中，這使得海水溫度稍大于水平傾斜裝置的情況；第二是溫海水排出物將比環(huán)境海水稍冷，結果，將具有更高密度和因此下沉的傾向。因為最好使排出物這樣運動，使其不會用溫度冷凝來進一步影響輸入的海水，所以迫使較冷的水隨其自然物理運動而下沉是有利的。豎直的準直保證這一點實現。
24個單獨蒸發(fā)部件1102中的每一個具有內徑為0.715英寸而外徑為0.75英寸的管子1202，圓筒中包括19,000個管子1202，間距約1.25而管子長度為18英尺。其次，殼體1204長18英尺，內徑11.2英尺，壁厚大于1英寸，外徑約11.4英尺。
海水經過一個位于每個單獨蒸發(fā)部件1102上的入口錐形體1206進入管子。入口錐形件1206的直徑為60英寸，以30度角向下均勻地伸展，到達殼體1204的134.4英寸直徑。如上所述，沒有海水出口錐形體或歧管，海水排出物簡單地向下流入周圍環(huán)境。
為了便于通過保證充分的水側對流熱傳遞系數來獲得足夠的熱傳遞速率，使用海水泵1208。依靠自然對流或不規(guī)則的海水流來使海水連續(xù)地運動或移動，使熱傳遞系數不可預測或顯著低于圖12中的強制對流設計。因為總熱傳遞系數與蒸發(fā)器表面積成反比，所以海水泵1208對于將管子1202的數目保持在一個合理水平是關鍵的。
每個單獨的蒸發(fā)器部件1102要求815,000lbs/min的溫海水流動速率。水在約80°F的溫度進入而在低3.6 °F或約77.4°F的溫度流出1208。海水泵具有大直徑，為軸向，具有低水頭和高流速，并直接位于入口錐形體1206的前面。每個海水泵1208包括一個電動機，通過適當的電纜連接在發(fā)電子系統(tǒng)422上。
進入的溫海水可以以兩種方法之一氯化。第一種包括一個位于海面或蒸發(fā)深度處的分子氯水池1210，它供給沿圓周安置在海水入口錐形體1206周圍的氯噴射管1212。以這種方式，流過管子1202進入的溫海水具有足夠的氯化速率以抑制生物有機體的生長。氯的噴射可以以中等速率如100ppb斷續(xù)地(如每天1小時)進行，或以較低速率如35至50ppb連續(xù)地進行。這些噴射速率取決于管子材料類型、地點位置和年限時間。
氯化進入的溫海水的第二方法示于圖13并包括一個電解系統(tǒng)1302，該系統(tǒng)使用鍍鉑的鈦陽極1304和鈦陰極1306，以電解海水中溶鹽的一定百分率，從而形成次氯酸鈉，后者在阻止生物污染方面像分子氯一樣有效。這樣一種電解系統(tǒng)1302也可以如上所述地連續(xù)使用或斷續(xù)使用。
蒸汽化的氯流出每個單獨的蒸發(fā)部件1102并通過一個鋼管網架1004載帶到四個五英尺內徑的鋼管1106之一中。這些管子1106將海面上方的氨蒸汽輸送到發(fā)電子系統(tǒng)422中。
圖14和15中例示的發(fā)電子系統(tǒng)422包括七個氨蒸汽汽輪膨脹器1402、七個相應的發(fā)電機1404、一個入口歧管系統(tǒng)1406、一個出口歧管系統(tǒng)1408、一個控制中心1410和電力變壓器(示未出)。汽輪膨脹器1402從氨蒸汽取得熱動能并將其轉變?yōu)闄C械能。氨蒸汽作為高壓、高焓、完全蒸汽化但飽和的蒸汽進入每個汽輪膨脹器1402，并以較低壓力、較低溫度和較低焓流出。提取的能量轉變成一根引向相應發(fā)電機1404之一的軸的轉動力。每臺發(fā)電機1404以常規(guī)方式將該機械能轉變?yōu)殡娏Αｋ娏ψ兓鲗a生的電變成一個可以供應給當地電網和需要電的部分OTEC系統(tǒng)即海水泵1208和氨液泵1704(以后敘述)的電壓和頻率。從七個氨蒸汽汽輪膨脹器1402來的飽和輸出蒸汽進入出口歧管系統(tǒng)1408，該系統(tǒng)將飽和的流出蒸汽分配給氨輸送子系統(tǒng)420的氨蒸汽輸送機構4202。如上面相對于圖10所述，氨輸送子系統(tǒng)420包括兩組管道，即氨蒸汽輸送機構4202和氨液輸送機構4201。
氨蒸汽輸送機構4202將氨蒸汽從發(fā)電機系統(tǒng)422帶到氨冷凝器子系統(tǒng)416。氨蒸汽輸送機構4202包括四個獨立的管道，每個輸送氨蒸汽流102,000lbs/min的同等的四分之一。每根管道的內徑為5英尺，管道用碳鋼制成。
管道內部壓力保持近似恒定，約為95psia。因為氨蒸汽輸送管道延伸到近3,000英尺深度，所以凈外部壓力非常大。為了防止變形，管壁厚度必須做成當管子延伸愈深而外部靜水壓變得愈大時管壁逐漸變厚。這些管道的壁厚和區(qū)段長度的范圍從海面處的1英寸和40英尺變到氨冷凝器子系統(tǒng)416深度處的2.25英寸和10英尺。此外，如圖16中所示，在每個碳鋼管區(qū)段1602上包括一個抗變形增強件1600。
氨液輸送機構包括一個單獨的管道4201，從冷海水區(qū)中的氨冷凝器子系統(tǒng)416延伸到溫海水區(qū)中的氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418。單個管道4201具有2.5英尺的恒定內徑，也是用碳鋼制成的。與氨蒸汽輸送機構4202的管道一樣，單一的氨液輸送機構4201的管道壁厚和區(qū)段長度作為深度的函數而變化，在這種情況下，從氨冷凝器子系統(tǒng)處的1.00英寸和15英尺變到氨蒸汽器子系統(tǒng)418深度處的0.25英寸和40英尺。
氨冷凝器子系統(tǒng)416從氨輸送子系統(tǒng)420的氨蒸汽輸送機構4202接受氨蒸汽，在圖17中所示的多個冷凝器模板1700中分配氨蒸汽。在一個優(yōu)選實施例中，氨冷凝器子系統(tǒng)416包括四個冷凝器模板1700。其次，如圖17中所示，每個冷凝器模板1700包括五個單獨的冷凝部件1702，氨蒸汽分配到這些部件中。圖18中例示一個單獨的冷凝部件1702。每個單獨的冷凝部件1702氯化進入的冷海水，以阻止單個冷凝部件1702的管子1802內的生物污染。氨冷凝器子系統(tǒng)416收集氨液并將其經氨輸送系統(tǒng)420返回到氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418中。
氨冷凝器子系統(tǒng)416從氨輸送子系統(tǒng)420的氨蒸汽輸送機構4202接受102,000lbs/min的氨蒸汽并沿二十個單獨的冷凝部件1702分配氨蒸汽。這些單個的冷凝部件1702為殼體和管子形成，氨在殼體一側而自然存在的冷海水在管子一側。每個單獨的冷凝部件1702以這樣一種方式豎直地對準，使得冷海水對著重力方向流動。這有兩個目的，如上面對單個蒸發(fā)部件1102所述。第一是海水入口離海面較遠，也即在較深的水中。這使得入口冷海水溫度稍低于水平傾斜裝置。第二，海水排出物溫度稍高于周圍海水，因此將具有較小密度并有上升的趨勢。因為最好除去冷海水排出物并保證其不會進一步影響入口海水的溫度，所以按照冷海水排出物的自然物理運動而強制使其上升是有利的。豎直的準直能保證這一點實現。
20個單獨冷凝部件1702中的每一個有一根內徑為0.695英寸而外徑為0.75英寸的管子1802，圓筒中18,000根管子1802具有約1.25的間距和18.0英尺的管子長度。殼線1804也是18英尺長，內徑為10.8英尺而外徑約11.8英尺。
冷海水經過一個位于每個單獨冷凝部件1702下端的入口錐形件1806進入管子1802。入口錐形體1806的直徑為60英寸，以30°角均勻延伸，達到殼體1804的直徑130.8英寸。如上所述，不存在海水出口錐形體或歧管，冷海水排出物簡單地向上流入周圍環(huán)境。
為了便于通過保證充分的海水側對流熱傳遞系數來獲得足夠的熱傳遞速率，使用海水泵1808。依靠自然對流或不規(guī)則的海水流使海水連續(xù)地運動或移動，使熱傳遞系數不可預測或顯著低于圖18中的強制對流設計。因為總熱傳遞系數與冷凝器表面積成反比，所以海水泵1808對于將管子1802的數目保持在一個合理水平是關鍵的。
每個單獨的冷凝器部件1702要求742,700lbs/min的冷海水流動速率。水在約43.9°F的溫度進入而壓高3.9 °F或47.8°F的溫度流出。海水泵1808具有大直徑，為軸向，具有低水頭、高流速，為潛水泵，并直接位于入口錐形件1806的前面。每個海水泵1808包括一個獨立的電動機，通過適當的電纜連接在發(fā)電子系統(tǒng)422上。
氨冷凝器子系統(tǒng)416并不像氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418那樣會遭受同樣速率的生物污染。這是由于深度較深處海水溫度較低而其化學含量不同。但是，生物污染控制仍然需要，以保證始終一致的熱傳遞速率。
如上述氨蒸發(fā)器子系統(tǒng)418一樣，進入的冷海水的氯化存在兩種選擇。第一種選擇包括一個位于海面或氨冷凝器子系統(tǒng)416深度處的分子氯水池1810，它供給沿圓周安置在通海水入口錐形件1806的入口周圍的氯噴射管1812。以這種方式，流過管子1802的冷海水具有足夠的氯化速率以抑制生物有機體的生長。如上所述，氨的噴射可以以中等速率(100ppb)斷續(xù)地(如每個1小時)或以較低速率(35-50ppb)連續(xù)地進行。這些數值取決于管子材料、地點位置和年限時間的選擇。
同樣如上所述，第二種方法包括一個示于圖19中的電解系統(tǒng)1902，該系統(tǒng)具有鍍鉤的鈦陽極1904和鈦陰極1906，它們通過電解冷海水中溶鹽的一定百分比以形成次氯酸鈉來阻止生物污染，次氯酸鈉在阻止生物污染方面像分子氯一樣有效。該系統(tǒng)也可以連續(xù)地或斷續(xù)地使用。
氨液流出每個單獨冷凝器部件1702并通過一個鋼管網架載帶到一個供每個冷凝器模板1700用的氨液泵1704中。氨液泵1704包括許多個平行或串聯作用的離心泵。外殼保護離心泵電動機，后者位于氨冷凝器子系統(tǒng)416深度處并通過水下電纜連接到發(fā)電子系統(tǒng)422上。氨液泵1704將氨液泵入氨輸送子系統(tǒng)420的氨液輸送機構4201而完成閉合循環(huán)。
如圖10中所示和如上所述，通過將氨蒸發(fā)器418安置在可以吸入所需溫海水的自然深度處和將氨冷凝器416安置在可以使用所需冷海水的自然深度處可以不需要泵抽大量的溫海水和冷海水。因為只泵抽氨蒸汽/氨液，所以節(jié)省了大量能量。
圖20以又一種優(yōu)選實施例的形式例示本發(fā)明的改進的OTEC系統(tǒng)。圖20例示一種混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)2000?；旌涎h(huán)OTEC系統(tǒng)2000包括安置在海面下方約2700英尺處的氨冷凝子系統(tǒng)2002，該系統(tǒng)冷凝氨液并將氨液泵抽到安置在海面下方約50英尺處的氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004和安置在海面上方一平臺上的氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006上。氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004利用在50英尺深處的溫海水流蒸發(fā)氨液，以產生氨蒸汽。輸入氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006的氨液的一部分由水蒸汽蒸發(fā)，這將在下面討論。從氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006來的氨蒸汽輸出和從氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004輸出的氨蒸汽兩者輸入到分開的汽輪機發(fā)電機2008和2010，它們進行發(fā)電。從汽輪機/發(fā)電機2008和汽輪機/發(fā)電機2010來的氨蒸汽輸出合并輸入到氨冷凝子系統(tǒng)2002，以完成閉合循環(huán)氨環(huán)路。
溫海水泵2012將溫海水泵入閃蒸器2014，其中一部分溫海水受到蒸發(fā)。其余的溫海水作為溫海水排出物返回海洋。從閃蒸器2014來的水蒸汽輸出輸入到氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006，并與含有從氨冷凝子系統(tǒng)2002來的氨液的管子外側進行熱接觸，以產生淡水和氨蒸汽。
在一個優(yōu)選實施例中，氨冷凝子系統(tǒng)2002和氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004每個包括一個殼體和管子式熱交換器。海水在管子的內側(管子側)流動而氨在管子的外側(殼體側)流動，如圖12、13、18和19中所示。
圖21(a)和21(b)中更詳細地例示圖20的改進的OTEC系統(tǒng)。圖21(a)和圖21(b)的混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)實施例產生25.07兆瓦的凈電力和每日1.36兆加侖的淡水。氨冷凝子系統(tǒng)2002在93.1psia的壓力下通過8根內徑3.5英尺而長6,400英尺的碳鋼管接受108,700lbs/min的氨蒸汽。氨冷凝子系統(tǒng)2002同時從冷海水泵(未示出)接受溫度為43.9 °F的1.77×107lbs/min的冷海水。氨冷凝子系統(tǒng)2002具有1,527,000平方英尺的表面積而Utot＝430BTU/小時·平方英尺·°F。冷海水在溫度47.5°F流出氨冷凝子系統(tǒng)2002而氨液壓溫度50°F和91.6psia流出。
氨液由需要8.06兆瓦電力的氨泵2003泵抽到氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004中。處于50°F和825psia的氨液用一根內徑3.0英尺而長6,400英尺的碳鋼管輸送。
92,200lbs/min的氨液和1.95×107lbs/min的溫海水進入氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004。溫海水進入時為80°F而流出時為77.6°F。氨液流出時為77°F和136.7psia，具有632.4BTU/1b的焓。氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004具有1,343,000平方英尺的表面積和360BTU/小時·平方英尺·°F的Utot。通過氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004泵抽溫海水需要0.85兆瓦電力。16,500lbs/min的氨液流出氨泵而輸入氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006。該氨液將在后面討論。
從氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004輸出的氨蒸汽輸入到汽輪機/發(fā)電機2010，以產生31.0兆瓦的總電力。氨蒸汽流出汽輪機/發(fā)電機2010時為50.53°F和90.3psia，同時具有613.3BTU/lb的焓，并返回氨冷凝子系統(tǒng)2002，以完成閉合循環(huán)環(huán)路。
在圖21(b)中，熱海水泵2012將溫度為80°F的1.96×102lbs/min的溫海水泵抽到閃蒸器2014中。溫海水泵2012使用0.23兆瓦的電力并由2根8.0英尺內徑的高密度聚乙烯管供水。處于0.43psia壓力的閃蒸器產生處于73°F和0.43psia的7.848lbs/min的淡水水汽，同時產生處于75.8°F的溫水排出物。淡水水汽輸入氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006。其次，從氨泵來的16,500lbs/min的氨液也在69.8°F和126.6psia下輸入氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006。氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006具有254,000平方英尺的表面積而Utot＝610BTU/(小時·平方英尺·°F)，并包括不凝氣體除去系統(tǒng)2007，后者使用0.11兆瓦的電力。氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006產生處于69.8℃和126.6psia而具有629.6BUT/lb的焓的16,500lbs/min的氨蒸汽，以及7,848lbs/min的淡水(1.36mgd)。從氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006輸出的氨蒸汽輸入到汽輪機/發(fā)電機2008以產生9.0兆瓦的電力。汽輪機/發(fā)電機2008輸出處于50.5°F和90.3psia的16,500lbs/min的氨液，后者具有614.1BTU/lb的焓。該氨液與從汽輪機/發(fā)電機2010來的氨液合并而一起輸入氨冷凝子系統(tǒng)2002。
在優(yōu)選實施例中，溫海水泵2012、泵抽溫海水通過氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004的溫海水泵(未示出)和泵抽冷海水通過氨冷凝子系統(tǒng)2002的冷海水泵(未示出)都是高流動速率、低水頭、軸流型旋流泵。同時，在一個優(yōu)選實施例中，氨泵2003是一種多級的離心泵。
在另一個優(yōu)選實施例中，不凝氣體排除系統(tǒng)2007是一個低壓機械蒸汽泵或低壓水汽噴射器。
氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006進一步示于圖22。氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006類似于圖6(a)中所示的蒸發(fā)器/冷凝器404。蒸發(fā)器/冷凝器殼體2200罩住一個閃蒸室2202、一個消霧器2204和一個淡水冷凝室2206。
在一個優(yōu)選實施例中，使用10個氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006。其次，每個圓筒2006有一個6.0英尺的內徑，其中大半(圖22中占360°中的200°)分配給閃蒸室2202而小半(圖22中占360°中的160°)分配給淡水冷凝室2206。淡水冷凝室2206包括多個水平對準的管子2208。每個水平對準的管子2208的尺寸和蒸發(fā)器/冷凝器殼體2200的尺寸設定如下尺寸管子數目 ＝2,050管子外徑 ＝0.50″管壁厚度 ＝0.025″管子內徑 ＝0.45″三角管間距 ＝2.00管子材料 ＝SS316管子/殼體長度＝12.5″殼體內徑 ＝6.00″殼體壁厚 ＝1.8″殼體外徑 ＝6.30″10個氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006中的每一個在閃蒸室2202的底部一半上有5個入口管2210，每個管的內徑為1.25英尺。
每個閃蒸室2202同時需要5個同一直徑的排放管2212，安置在向上到圓筒側面的路徑的約1/4。淡水冷凝室2206在其兩端有兩個1.0英尺內徑的淡水排放管2214而在其側面有一個2.5英尺內徑的孔，用于通過不凝氣體排除系統(tǒng)2007來排除不凝氣體。也可以使用供冷凝管流體用的入口和出口歧管，類似于圖5(c)中例示的入口歧管533和出口歧管534。
混合循環(huán)的OTEC系統(tǒng)將開式循環(huán)和閉合循環(huán)的OTEC系統(tǒng)的作用結合起來，使OTEC系統(tǒng)產生淡水和電力?；旌显O計將淡水和電力系統(tǒng)聯為整體，由此可以減少組成部件和提高效率。
在混合的OTEC系統(tǒng)中，在閉合循環(huán)回路中使用一種工作流體如氨。氨蒸汽被冷凝而液化氨的壓力被升高到約25psia。氨液進入一熱交換器，在該熱交換器的一側氨被蒸發(fā)，而在另一側，淡水受到冷凝。冷凝的淡水被泵抽而用作飲用水，氨蒸汽則被強制通過一汽輪機而發(fā)電。然后氨被再冷凝而返回閉合循環(huán)環(huán)路。
混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)有若干優(yōu)點。首先，氨蒸發(fā)器和淡水水汽冷凝器是同一部件，從而所需的熱交換數目減少了一次。其次，熱交換器同時擁有其流體的相位在熱交換器的兩側不變化的優(yōu)點。這保證流體的溫度不會彼此交換而降低效率，如常規(guī)的熱交換器中那樣。再次，氨起水汽的散熱物質的作用，結果，不需要冷水管或泵。閉合循環(huán)氨環(huán)路的性質是，熱量從表面取出并在相關的深度處淀積在冷水中。
圖20中例示的混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)進一步例示在圖23中。在圖23例示的實施例中，混合循環(huán)OTEC系統(tǒng)包括5個獨立的子系統(tǒng)氨冷凝子系統(tǒng)2002，氨輸送子系統(tǒng)2016，氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004，發(fā)電子系統(tǒng)2018和混合子系統(tǒng)2020。發(fā)電子系統(tǒng)2018包括汽輪機/發(fā)電機2008和2010，而混合子系統(tǒng)2020包括氨蒸發(fā)器/系統(tǒng)冷凝器2006。
圖24更詳細地例示氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004、發(fā)電子系統(tǒng)2018和混合子系統(tǒng)2020。氨輸送子系統(tǒng)2016輸送從氨冷凝子系統(tǒng)2002來的氨液。分叉管道2403引導一定比例的氨液進入氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004和一定比例的氨液進入氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006。汽輪機/發(fā)電機2010包括膨脹器-汽輪機2404，后者將氨蒸汽減少到壓力、溫度和焓較低的狀態(tài)，并將提取的動力傳遞給發(fā)電機2406，發(fā)電機2406將提取的動力轉變?yōu)橛杏玫碾娏敵觥ｋ娏涍^一水下電力線2408送至具有當地用途的岸上交互連通點。
旁路通過氨蒸發(fā)子系統(tǒng)2004的氨液進入混合子系統(tǒng)2020，后者包括海面溫海水入口管2410和溫海水泵2012，用于將表面溫海水引入閃蒸室2202。一定百分率的海水受到閃蒸而其余部分落到閃蒸室2202的底面，從該處排回海洋中。蒸發(fā)的海水通過氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006中的消霧器2204，以除去夾帶的海水霧滴。蒸汽然后進入淡水冷凝室2206，在該處通過冷凝管2208的組合。蒸汽由于接觸這些管子而液化，落到淡水冷凝室2206的底面，經過淡水管道2418而被送到岸上用途的交互連通地點。
進入混合子系統(tǒng)2020的氨液通過冷凝管2208內部，在那里蒸發(fā)。蒸發(fā)的氨從氨蒸發(fā)器/水汽冷凝器2006通到汽輪機/發(fā)電機2008，后者包括膨脹器-汽輪機2420和發(fā)電機2422。以上述相對于膨脹器-汽輪機2404和發(fā)電機2406的同樣方式，膨脹器-汽輪機2420和發(fā)電機2422用于發(fā)電。汽輪機/發(fā)電機2008和2010是平行的，不存在氨蒸汽的混合物，直到最后通到膨脹器-汽輪機和直接引至氨輸送子系統(tǒng)2016之前。
如圖21(a)中所述，氨冷凝器2002和氨泵2003安置在海面下方2700英尺處。
在圖25所示的另一個優(yōu)選實施例中，氨冷凝器2002和氨蒸發(fā)器2004安置在海面的波浪運動下方處。在一個優(yōu)選實施例中，該深度為海面下方50至100英尺。在另一個實施例中，該深度為100英尺。
使氨冷凝器2002運動需要包括冷海水管道，以便將冷海水從其自然存在的2,700英尺深度引至氨冷凝器2002的新深度即約100英尺。在該實施例中，不需要氨輸送子系統(tǒng)2016，因為氨液和氨蒸汽不再被引至更深的深度。
該實施例的一個重要方面是安置冷海水泵2502。常規(guī)的OTEC設計將這些冷海水泵安置在管道的表面端部處，在那里它們將冷海水“拉”至海面。該技術在管道上產生一個凈外部壓力，也使管道易于變形。為了抵抗這種變形，在常規(guī)的OTEC設計中，使用一根管壁厚度大的管道，這增大了管道的費用。
相反，在圖25所示的實施例中，冷海水被“推”入管子2504中，以便產生一個凈內部壓力。結果，管子材料只需抵抗圓周應力，這在典型的OTEC條件下需要一種薄得多的管子。因此管子2504用撓性材料制造，最好是增強纖維。
例如，考慮在OTEC應用中使用高密度聚乙烯(HDPE)。對于10英尺直徑的管子，5psi的外部壓力需要4.77英寸的壁厚，而5psi的內部壓力只需要0.47英寸的壁厚。不管管子2504所用材料，上述例子都如此。
當冷海水被“推”入管子2504時，可以使用薄得多的費用較低的撓性管子2504。費用較低的管子2504使其可以經濟地用于將冷海水從約2700英尺的深度泵抽至表面，并用于多種用途中。這些用途包括空氣調節(jié)和制冰，其中冷水被泵至表面，用于冷凍一種工作流體如氟里昂，然后用于冷凝空調系統(tǒng)中的強制空氣，或將水冷凍成冰?；蛘呤?，冷海水可以直接通過圍繞建筑物房間的管子行走，以便提供空氣調節(jié)。
在另一種用途中，泵至海面的冷海水可以供應到土壤下，用于生長水果和蔬菜，以便給水果蔬菜提供各種營養(yǎng)物質，從而促使其生長。
在另一用途中，從約2700英尺泵抽的冷海水傾倒在一個罐中，在那里冷海水與陽光作用，以生產海藻。海藻然后可以用于飼養(yǎng)魚類作為海產養(yǎng)殖。其次，可以利用上述“空調”原理將冷海水用于冷卻養(yǎng)魚的罐。
圖25中例示的氨蒸發(fā)器2506和氨冷凝器2508在設計上類似于上面公開的圖20的殼體和管子式熱交換器，其中氨位于殼體側面上而海水位于管子側面上。在一優(yōu)選實施例中，氨蒸汽器2506和氨冷凝器2508具有下述參數氨冷凝器單元數目 800管子數目/單元 4,500管子外徑 0.75″管子壁厚 0.050″管子內徑 0.65″管子材料 鋁合金管子長度 18.0′管子間距 1.25殼體內徑 5.82′殼體壁厚 1.0″殼體外徑 6.0″殼體圓筒材料 碳鋼管子板材 鋁合金圓錐體材料 鋁合金熱交換器重量 15噸(近似)氨蒸發(fā)器單元數目 625管子數目/單元 4,500管子外徑 0.75″管子壁厚 0.050″管子內徑 0.65″管子材料 鋁合金管子長度 18.0′
管子間距 1.25殼體內徑 5.82′殼體壁厚 1.0″殼體外徑 6.0′殼體圓筒材料 碳鋼管子板材 鋁合金圓錐體材料 鋁合金熱交換器重量 15噸(近似)在該實施例中要求的氨液泵2510可以安置在波浪運動下方，在氨冷凝器2508或氨蒸發(fā)器的同一深度處，或在海面上方的平臺上。在該實施例中，只有用于泵抽冷海水的冷海水泵2502安置在2700英尺的較深深度，而通過冷海水泵2502泵抽的冷海水由圖25所示的薄壁管2504輸送到氨冷凝器2508。
一個典型群體的電力需求并不是恒定不變的，相反，電力需求在一天期間是波動的。電力需求的最低水平(通常出現在深液或黎明前的清晨時刻)被稱作基本負載電力需求，而其余時間的增大的電力需求(工作日的開始時間或晚飯時)被稱作峰值負載電力需求。
獨立的電力生產者(IPPs)建造、投資和運行發(fā)電廠并將其電力銷售給當地用戶以便分配。由于簡單的供需原理，獨立的電力生產者在峰值負載時間比基本負載時間獲得更多的單位電力(kwh)的效益。從經濟觀點看，最好在峰值負載期間出售盡可能多的電力。但是，如果電廠主要重視生產大量電力來滿足峰值負載，那么在需求減少的其它非峰值時間電廠多半必須大大降低容量，而用戶不可能買下所有生產的電力。
以峰值負載還是以基本負載電力需求為目標(或者更現實地以兩者的組合為目標)，是能源計劃者的關鍵性決策。因為OTEC是一種可再生的能源，所以與石油或煤發(fā)電廠相比，燃料是不受限制的，所有費用是超前的投資費用。這意味著電廠不管運行與否其費用是一樣的。建造一座開工不足的OTEC電廠或一座在基本負載時間減少容量的OTEC電廠其費用遠大于一座礦石燃料電廠。
避免此種經濟損失的一個辦法是“儲存”在基本負載時間內生產的未售出的電力而在峰值負載時間以較高費率出售。但是，“儲存”電力是極端困難的。海水電解是OTEC應用中一種最吸引人的電力儲存方法。
如圖25中所示，氨蒸發(fā)器2506產生氨蒸汽，輸入到汽輪機2512和發(fā)電機2514中以發(fā)電，電力供給當地的電網或水電解系統(tǒng)2602(示于圖26)。水電解系統(tǒng)2602接受水(或者是OTEC產生的淡水，當地淡水，或海水)，并將電流加在水上，以斷開氫分子和氧分子之間的化學鍵，從而產生H2氣和O2氣。將H2氣儲存在H2儲存容器2604中并用于H2燃燒/電力產生系統(tǒng)2606以發(fā)電，供給當地電網。O2氣輸入煤氣化系統(tǒng)2608，該系統(tǒng)同時接受煤，以便用常規(guī)技術產生甲烷氣體。
氫是一種優(yōu)良燃料；它可以以許多種形態(tài)非常容易地燃燒以發(fā)電。燃料的氫(如OTEC應用產生的氫)除了水蒸汽外不產生其它排出物。但是，純氫很難輸送，將氫燃燒設備安置在OTEC系統(tǒng)現場可以避免該問題。
例如，假如圖25的OTEC系統(tǒng)可以出售每天12小時的100兆瓦電力(峰值負載)和每天12小時的50兆瓦電力(基本負載)，如果圖25的OTEC系統(tǒng)這樣設計，使得總容量為75兆瓦電力，那么圖25的OTEC系統(tǒng)可以以該容量恒定地運行，但在基本負載期間，僅有50兆瓦售于用戶而多余的25兆瓦將用于水的電解。在峰值負載期間，從OTEC電廠來的所有75兆瓦將售于用戶，除此之外還將從氫燃燒得來的25兆瓦售于用戶，從而在峰值負載期間給用戶提供總共100兆瓦電力。
水電解的另一副產品(即氧)也有許多用途。某些工業(yè)過程需要供給大量的氧。一個這樣的例子是煤的氣化，在該過程中對煤進行處理以產生干凈的甲烷氣。通過使用可靠的費用不貴的純氧源，這顯著地減輕了燃燒煤產生的環(huán)境污染效果。
通過在OTEC電廠中利用水的電解，可以使該電廠始終以滿容量運行，并可以“儲存”大量電力，以便在峰值負載期間應用。
圖27例示圖6(a)中所示蒸發(fā)器/冷凝器404的另一實施例。在蒸發(fā)器/冷凝器2700中，從溫海水泵抽系統(tǒng)如圖6(a)中例示的溫海水泵抽系統(tǒng)402來的溫海水輸入一個預脫氣室如圖6(a)中例示的預脫氣室602中。在該預脫氣室中，從溫海水中分離不凝氣體，而該不凝氣體或者是通過溫海水排放管(如溫海水排放管622)返回溫海水，或者是通過一個真空系統(tǒng)(如真空系統(tǒng)540)返回海洋或大氣。
溫海水從預脫氣室通過閃蒸器噴口2704通到閃蒸器2702，由此在閃蒸器2702中產生水蒸汽和霧?？梢允褂靡粋€流量控制閥(如流量控制閥710)來控制流入閃蒸器2702的溫海水流。
水蒸汽在閃蒸器2702中上升并通過許多根冷凝管2706冷凝。該許多根冷凝管2706包括10排總數750根扭曲鋁管，具有0.75英寸的直徑和0.1英寸的厚度。扭曲鋁管提供更好的熱傳遞和更少的管子，它們可以更加間隔開，它們使水汽更容易通過這許多根冷凝管2706。由這許多根冷凝管2706冷凝的水積累在多個滴水盤2708中，滴水盤安置在這許多根冷凝管2706的下方。滴水盤以這樣一種方式排列，使得水被積累而流出蒸發(fā)器/冷凝器2700。在一個優(yōu)選實施例中，蒸發(fā)器/冷凝器2700長30英尺，包括20個閃蒸器噴口2704，后者每個長2英尺，直徑9英寸，厚0.25英寸。此外，這20個閃蒸器噴口2704沿蒸發(fā)器/冷凝器2700的長度間隔3英尺安置。
圖28中也例示蒸發(fā)器/冷凝器2700。圖28例示冷海水泵抽系統(tǒng)2802，用于向許多根冷凝管2706提供冷海水。圖28同時例示溫海水泵抽系統(tǒng)2804，用于向蒸發(fā)器/冷凝器2700的蒸發(fā)室提供溫海水。在一個優(yōu)選的實施例中，蒸發(fā)器/冷凝器2700內的溫海水的水平面L受到控制，達到海平面上方33英尺的高度，由此在蒸發(fā)器/冷凝器2700內形成0.14psia的壓力。在此高度，溫海水泵和冷海水泵只需克服溫、冷海水泵中的摩擦損失和壓縮損失及冷海水管中的浮力差。結果，將蒸發(fā)器/冷凝器2700內的溫海水高度安置在海平面上方大約33英尺處，會減少溫海水泵抽系統(tǒng)和冷海水泵抽系統(tǒng)中泵抽系統(tǒng)所需的能量。淡水通過淡水管通2804移去，而不凝氣體在14.7psia壓力下通過真空泵2806除去。不凝氣體真空泵將大體積的低壓(0.14psia)空氣壓縮到1個大氣壓(14.7psia)。
圖29例示本發(fā)明的一個實施例中一種完全的海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)2900。OTEC系統(tǒng)2900包括一個蒸發(fā)器區(qū)2902、一個冷凝器區(qū)2904和一個發(fā)電機平臺2906，后者包括多個汽輪機2908。OTEC系統(tǒng)2900也包括冷海水吸入泵抽系統(tǒng)2910和溫海水排放管通系統(tǒng)2912。冷海水吸入管道系統(tǒng)2910包括多個安置在海底的冷海水吸入裝置2914。每個冷海水吸入裝置2914連接在多個撓性纖維管2916之一上。每個撓性纖維管2916連接一根標準剛性管2919，后者又連接到冷凝器區(qū)2904。每根撓性纖維管2916包括多個浮動套環(huán)2918和由于多個撓性纖維管2916的正浮力而停泊在海底的多個錨定重物2920。在一個優(yōu)選實施例中，每個浮動套環(huán)2918具有25英尺的總直徑和3英尺的截面直徑。
在一個優(yōu)選實施例中，蒸發(fā)器區(qū)2902包括160個蒸發(fā)器，分為16組。每個蒸發(fā)器包括4,500根鋁管3003，鋁管的外徑為0.75英寸，內徑為0.65英寸，長30英尺。每個蒸發(fā)器有一個直徑為5.75英尺的殼體，由此提供4.24百萬平方英尺的表面積(每個蒸發(fā)器26,500平方英尺×160個蒸發(fā)器)。在一個優(yōu)選實施例中，冷凝器區(qū)2904也包括160個冷凝器，排列成16組。每個冷凝器有4500根鋁管3003，鋁管的外徑為0.75英寸，內徑為0.65英寸，長30英尺。每個冷凝器有一個直徑為5.75英尺的殼體。160個冷凝器也提供4.24百萬平方英尺的表面積(每個冷凝器26,507平方英尺×160個冷凝器)。
在一個優(yōu)選實施例中，多個汽輪機2908有17個徑向流入的汽輪膨脹器，它們以3600rpm操作，產生5.3兆瓦(總功率)和4.61l兆瓦(凈功率)。
圖30是圖29中例示的多個撓性纖維管2916之一的軸向視圖。每個撓性纖維管2916包括兩個橡膠襯墊3002和兩個鋼索網3004。兩個橡膠襯墊3002每一個與一個疊合的活片3006連接，兩個鋼索網3004每一個與連接環(huán)連接。一個鋼索網3004示于圖31和32。在一個優(yōu)選實施例中，網3004沿第一維方向的間隔距離3102為1.3英寸而沿第二維方向的間隔距離3104為6.3英寸。其次，鋼索網3004沿方向3106為500英尺而沿方向3108為31.4英尺。其次，鋼索網3004用0.25英寸直徑的不銹鋼絲制成，如上所述，織成1.3英寸乘6.3英寸的網格(其中軸向位于6.3英寸的中心上)。其次，橡膠襯套3002為0.06英寸的尿烷涂層的尼龍。
每根撓性纖維管2916由24個區(qū)段組成，每個區(qū)段長500英尺。兩個鋼索網3004在點3006處與連接環(huán)連接而形成一個長500英尺的鋼絲網圓筒形區(qū)段。以相同方式形成另外11個區(qū)段，每個長500英尺。然后，12個長500英尺的區(qū)段中的每一個也與連接環(huán)連接，以便形成一個長6,000英尺的撓性纖維管。
撓性管2916在每個軸向結合部上同時包括12個浮動套環(huán)2918，間隔500英尺。每個浮動套環(huán)2918提供63,800磅的浮力。此外，每個浮動套2918連接在兩個錨定重物2920上，在一個優(yōu)選實施例中，重物為7英尺×7英尺×7英尺的混凝土塊。
圖33例示一種用于裝配和部署一個撓性纖維管子2916的技術。在駁船3306上安置第一絞盤3302和第二絞盤3304，各包括一個橡膠襯墊3002和一個鋼索網格3004。第一絞盤3302沿反時針轉動，使得橡膠襯墊3002從第一絞盤3302送出并在鋼索網格3004頂上通過滾柱3008。相反，從第二絞盤3304上，鋼索網絡3004沿反時針方向離開第二絞盤3004而在橡膠襯墊3002上方送料并通過滾柱3310。兩個橡膠襯墊3002和兩個鋼索網格3004兩者被送入裝配站3312，在該處將兩個橡膠襯墊3002密封在一起。兩個橡膠襯墊3002可以用環(huán)氧樹脂以加熱法或超聲波法焊接在一起，以便形成圖10中例示的橡膠襯墊3002。同樣，在裝配臺3312上，比兩個橡膠襯墊3002略寬的兩個鋼索網格3004與連接環(huán)3402連接，以便形成圍繞橡膠襯墊3002的圓形鋼索網格。
圖34例示兩個橡膠襯墊3002的環(huán)氧密封件3404以及連接環(huán)3402和附加連接環(huán)3406的位置，連接環(huán)3402連接兩個鋼索網格3004而附加連接環(huán)3406被用于連續(xù)撓性纖維管2916的500英尺長的區(qū)段。
以上描述了本發(fā)明，顯然，本發(fā)明可以以許多方式變化。這些變化并不偏離本發(fā)明的精神和范圍，而所有對該技術的普通熟練人員明顯的修改均預定被包括在下述權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)，包括a)脫鹽子系統(tǒng)，包括一個閃蒸器和一個第一冷凝器，該閃蒸器適合于將溫海水蒸發(fā)成水汽，而該第一冷凝器適合于利用冷海水將水汽冷凝成淡水；b)能量產生子系統(tǒng)，適合于為所述脫鹽子系統(tǒng)提供動力；c)所述能量產生子系統(tǒng)包括一個適合于利用溫海水將一種工作流體蒸發(fā)成工作蒸汽的工作流體蒸發(fā)器、一個用該工作蒸汽作為動力的汽輪機-發(fā)電機和一個第二冷凝器，后者適合于利用冷海水將工作蒸汽冷凝為液體。
2.如權利要求1所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述工作流體蒸發(fā)器安置在溫海水的自然深度處。
3.如權利要求1所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述第二冷凝器安置在溫海水的自然深度處。
4.如權利要求1所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述閃蒸器包括一個外罩，保持在大氣內部壓力以下，以便于溫海水的閃蒸。
5.如權利要求1所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述閃蒸器包括蒸發(fā)噴口。
6.如權利要求1所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)適合于控制所述蒸發(fā)噴口處壓力的豎直靜水頭壓力調節(jié)器。
7.如權利要求4所述的OTEC系統(tǒng)，其中a)所述閃蒸器安置在海面上方；b)所述外罩包括一個供溫海水用的入口和出口；c)泵，適合于將溫海水泵入所述入口和出口，以便在所述外罩內保持一個水平面，使得能促進虹吸效果，由此將所述泵的動力消耗減至最小。
8.如權利要求1所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)適合于將冷海水輸送到所述第一和第二冷凝器的管子。
9.如權利要求8所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)安置在冷海水的自然深度處并可以操作地連接在所述管子上的泵。
10.如權利要求8所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述管子是可折疊的。
11.權利要求10所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述可折疊的管子包括一個內部橡膠襯墊和一個外部鋼索網格。
12.如權利要求11所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)沿所述管子的長度間隔安置的浮動套管。
13.如權利要求10所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)連接在每個浮動套管上的錨定重物。
14.如權利要求10所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述可折疊式管子包括一個內部橡膠襯墊和一個鋼索網格。
15.如權利要求10所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述管子存放在一個絞盤中并從一艘駁船上展開到冷海水的自然深度。
16.如權利要求1所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)適合于從溫海水中除去不凝氣體的預脫氣室。
17.如權利要求16所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)籽氣泡噴射器，適合于將籽氣泡噴射到所述預脫氣室，以便于放出不凝氣體。
18.如權利要求1所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述第一冷凝器包括扭曲的金屬管，適合于冷凝水汽；b)安置在所述管子下方的滴水盤，適合于收集冷凝的水汽。
19.一個產生能量用的海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)，包括a)一個工作流體蒸發(fā)器，適合于利用溫海水將一種工作流體蒸發(fā)成工作蒸汽，所述蒸發(fā)器安置在溫海水的自然深度處；b)一個用工作蒸汽作為動力的汽輪機一發(fā)電機；c)一個冷凝器，適合于利用冷海水將工作蒸汽冷凝為液體，所述冷凝器安置在溫海水的自然深度處。
20.如權利要求19所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)可折疊的管子，適合于將冷海水輸送給所述冷凝器。
21.如權利要求19所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)安置在冷海水的自然深度處并可以操作地連接在所述管子上的泵，所述泵用于推動冷海水通過所述管子。
22.一個產生淡水用的海洋熱能轉換(OTEC)系統(tǒng)，包括a)一個閃蒸器，適合于將溫海水蒸發(fā)成水汽；b)一個冷凝器，適合于利用冷海水將水汽冷凝成淡水；c)一根可折疊的管子，適合于將冷海水輸送給所述冷凝器；d)一個安置在冷海水的自然深度處并可以操作地連接在所述管子上的泵。
23.如權利要求22所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述閃蒸器包括一個外罩，保持在大氣壓力以下，以便于閃蒸溫海水。
24.如權利要求23所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述外罩包括一個溫海水用的入口和出口；b)泵，適合于將溫海水泵入所述入口，以便在所述外罩內保持水平面，使得能促進虹吸效果，由此將所述泵的動力消耗減至最小。
25.如權利要求22所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述冷凝器包括扭曲的金屬管子，適合于冷凝水汽；b)安置在所述管子下方的滴水盤，適合于收集冷凝的水汽。
26.如權利要求22所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述閃蒸器包括蒸發(fā)噴口。
27.如權利要求22所述的OTEC系統(tǒng)，其特征在于a)所述可折疊的管子包括一個內部橡膠襯墊和一個外部鋼索網格。
28.如權利要求22所述的OTEC系統(tǒng)，還包括a)豎直的靜水頭壓力調節(jié)器，適合于控制所述蒸發(fā)噴口處的壓力。
全文摘要
一種海洋熱能轉換系統(tǒng)(400),包括脫鹽子系統(tǒng)和為其提供動力的發(fā)電子系統(tǒng),脫鹽子系統(tǒng)包括將溫海水蒸發(fā)成水汽的閃蒸器(406)和利用冷海水將水汽冷凝成淡水的第一冷凝器(412)。發(fā)電子系統(tǒng)包括利用溫海水將工作流體蒸發(fā)成工作蒸汽的工作流體蒸發(fā)器(418)、用工作蒸汽作為動力的汽輪機—發(fā)電機(422),以及利用冷海水將工作蒸汽冷凝成液體的第二冷凝器(416)。
文檔編號F01K21/00GK1192260SQ96195939
公開日1998年9月2日 申請日期1996年6月7日 優(yōu)先權日1995年6月7日
發(fā)明者R·J·弗林, G·J·奇切蒂, J·德庫尼, L·A·布什, J·A·羅斯三世 申請人:奧特克發(fā)展公司