CN107110403A - 用于海洋热能转换的冷水管组件 - Google Patents

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Abstract

提供冷水管组件，和用于生成冷水管组件的机构。多个系泊缆绳，被固定到管端部件上。多个管段的一个管段，在管段的管壁上的多个位置处相对于系泊缆绳可滑动地联接。通过将下一管段联接到先前的管段以延伸管道组件，并且通过延伸系泊缆绳来降低管端部件和管道组件，多个管段被反复地延伸，以形成一期望长度的管道组件。至少一些下些管段在至少一些下些管段的相应管壁上的多个位置处相对于系泊缆绳可滑动地联接。

Description

用于海洋热能转换的冷水管组件
相关领域
本申请要求于2014年12月19日提交的，申请号为14/577,237，标题为“COLD WATERPIPE ASSEMBLY FOR OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION”的美国专利的优先权，其公开内容通过以下方式并入本文。
技术领域
本实施例一般涉及深水环境中的冷水管的生成。
背景技术
作为电力可再生能源的海洋热能转换(OTEC)越来越受到关注。OTEC使用海洋的自然热梯度来发电。在具有温暖表层水和冷深层水的地理区域，可以利用温差来驱动蒸汽循环，其中蒸汽循环转动涡轮并产生动力。温暖的表面海水通过热交换器，蒸发低沸点工作流体以驱动涡轮发电机，从而产生电力。不幸的是，OTEC的一个挑战是需要一个冷水管(CWP)，该冷水管必须能够从海洋深处吸取大量的水直达表面。
在OTEC中使用的CWP通常是大直径管，其直径为4米(m)，或具有更大的直径，并且其长度超过1000米。CWP通常在原地构建，其通过将较小的管段联接在一起，以形成所需长度的CWP。CWP必须能够承受不同的环境压力，包括波浪诱导运动(WIM)循环应变，WIM轴向屈曲，涡激振动(VIV)循环应变，平台旋转，配重块轴向力等。此外，由于深水环境中永远存在不可预测和极端气候的威胁，CWP被设计为使其能够承受在CWP的制造，组装和部署过程中由强烈风暴引起的外力。通常，在将CWP安装到海洋中之后，在CWP上的这些诱导力较小。CWP通常由玻璃纤维和/或碳纤维复合材料制成，以满足在安装和/或运行期间它们将要或者可能遇到的各种外力。这样的CWP是昂贵的，并且它们构建和安装是耗时的。例如，构建和安装这样的CWP可能需要90天或更长的时间。由于极端气候事件已被证明在CWP结构制造过程中导致更大的外力，所以这些长时间的部署增加了CWP将会遇到并且必须经受极端气候事件的可能性。
发明内容
在其他特征中，本实施例涉及一种冷水管(CWP)组件，包括一些管段，管段包含聚乙烯热塑性塑料。管段彼此连接，并且在管段的管壁上的多个位置处可滑动地联接到多个系泊缆绳。这些实施例有助于以比常规CWP更少的时间，以大大降低的成本和风险来生成CWP。
在一个实施例中，提供了一种生成管道组件的方法。多个系泊缆绳固定到管端部件上。多个管段的一个管段在管段的管壁上的多个位置处相对于多个系泊缆绳可滑动地联接。通过将下一管段连接到先前的管段而延伸管道组件，并且通过延伸多个系泊缆绳降低管端部件和管道组件，多个管段被重复地延伸，以形成期望长度的管道组件。至少一些管段，在至少一些管段的相应管壁上的多个位置处，相对于多个系泊缆绳可滑动地联接。
在一个实施例中，管端部件包括一管段。在一个实施例中，管端部件联接到一物体，其被配置为向管端部件施加向下的力，物体为例如一配重块。在一个实施例中，管端部件包括多个突起，多个突起围绕管端部件径向隔开。多个系泊缆绳的每个系泊缆绳固定到相应的突起。
在一个实施例中，下一个管段通过电熔联接到先前的管段。在另一个实施例中，下一个管段通过对接熔合联接到先前的管段。
在一个实施例中，每个系泊缆绳由多个绞盘的一个相应的绞盘控制。通过与相应的多个绞盘同步以延伸多个系泊缆绳，管端部件和管道组件被降低。
在一个实施例中，管道组件包括聚乙烯热塑性塑料。在一个实施例中，每个系泊缆绳包括一绳索，绳索包含高模量聚乙烯。
在另一个实施例中，提供了一深水结构。深水结构包括一形成初级开口的平台。一管段融合机构，被配置为使管段彼此融合。管段被设置成可滑动地联接到多个系泊缆绳。多个绞盘相对于平台联接，并且被配置为卷出多个系泊缆绳的一个相应的系泊缆绳。深水结构包括管道组件，其包括多个融合的管段，融合的管段可滑动地联接到系泊缆绳，并且管道组件在平台下方延伸一段距离。
在一个实施例中，绞盘围绕初级开口的周边彼此基本等距定位。
在另一个实施例中，提供管道组件。管道组件包括固定到多个系泊缆绳的管端部件和多个接合的管段。至少一些管段在管段的相应管壁上的多个位置处相对于系泊缆绳可滑动地联接。
本领域技术人员将结合附图阅读以下对优选实施例的详细描述，将理解本公开的范围以及其实现的附加方面。
附图说明
并入并形成本说明书的一部分的附图说明了本公开的若干方面，并且与描述一起用于解释本公开的原理。
在这些附图中：
图1是根据一个实施例的一个深水结构和组装的冷水管(CWP)组件的透视图；
图2是根据一个实施例的一个管道组件的组装图；
图3是一个深水结构的系泊固定站的示意图；
图4是根据一个实施例示出的管段和管端部件的示意图；
图5A-5C是不同的系泊机构的示意图，其中依靠系泊机构，深水结构可以相对于海底停泊；
图6是根据一个实施例的一个水锤阻尼结构58的示意图；
图7是根据另一实施例的一个深水结构的透视图；以及
图8是根据一个实施例的一个用于产生管道组件的方法的流程图。
具体实施方式
以下阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实施实施例并说明实施实施例的最佳方式的必要信息。在参考附图阅读以下描述后，本领域技术人员将理解本公开的概念，并且将认识到这些概念的应用在本文中未具体阐述。应当理解，这些概念和应用在本公开和所附权利要求的范围内。
为了说明的目的，本文讨论的任何流程图必须以某些顺序进行讨论，但是除非另有明确指出，否则实施例不限于任何特定的步骤顺序。与元素结合使用的序号仅用于区分否则可以是相似或相同的标签，例如“第一管段”和“下一管段”，并且其不意味着优先权，类型，重要性，或其他属性，除非另有说明。本文中使用的术语“约”与数值相结合是指在数值的百分之十以下或以上的范围内的值。
在其他特征中，实施例涉及包括一冷水管(CWP)组件，组件包含管段，管段包含聚乙烯热塑性塑料。管段彼此连接，并且在管段的管壁上的多个位置可滑动地联接到多个系泊缆绳，使得管段可相对于系泊缆绳滑动。这些实施例有助于以比常规CWP以更少的时间，并以相当低的成本生成CWP。
根据一个实施例，图1是一个深水结构10和组装的冷水管组件12的透视图。深水结构10包括平台14，该平台14由若干个，例如四个，浮选柱16-1至16-4支撑。
深水结构10可以包括一翼梁结构18，翼梁结构在生产和运行期间都包围管道组件12的顶部部分，以保护管道组件12的顶部部分不受海洋力的影响，其中海洋力在海洋的表面比在海洋深处相对更大。翼梁结构18可以延伸到海洋中一期望的距离。在一些实施例中，翼梁结构18延伸到约100米的深度。翼梁结构18可以被设计成反应并吸收来自管道组件12的载荷。在一个实施例中，这可以使用弹性材料来完成，例如通过将凝胶袋设置在翼梁结构18和管道组件12之间来完成。在一些实施例中，翼梁结构18可以包括复合材料。在一些实施例中，翼梁结构18可以由匹配管道组件12的刚度的材料制成。
管道组件12由多个管段20形成，其中管段由聚乙烯热塑性塑料制成，例如，作为非限制性实施例的高密度聚乙烯(HDPE)制成。例如，每个管段20可以通过将聚乙烯(PE)100树脂螺旋缠绕在可折叠钢心轴周围而制成。在一些实施例中，管段20基本上由聚乙烯热塑性组成，并且几乎不包括其他化合物，例如玻璃纤维。在其他实施例中，管段20包括玻璃纤维以增加刚度。在一个实施例中，管段20包括约20％的玻璃纤维。
管道组件12包括多个系泊缆绳22，其在一端联接到管道组件12的管端部件24，并且在另一端联接到相对于平台14定位的相应绞盘26。在一个实施例中，绞盘26围绕在平台14中形成的初级开口28，彼此基本上等距离地定位。
在一个实施例中，系泊管线22优选的包括高模量聚乙烯(HMPE)绳索，例如通过非限制性实例，可以从Koninklijke DSM N.V，一家在荷兰Het Overloon 16411TE Heerlen成立的公司，获得的SK78，SK75或DM20。这些实施例利用系泊管线22从管段20接收并消除大部分力，否则这些力将会由管段20承受，这允许了管段20包括一个材料，例如HDPE，使之不需要能够另外承受CWP通常遇到的各种力量。以这种方式，管段20仅需要足以承受在从深海通过管道组件12抽水时产生的吸力。使用几乎完全由HDPE制成的管段20可使得管道组件12，使用诸如电融合和/或对接融合的接合技术，获得一个相对快速的施工。系泊缆绳22可以具有足以提供必要强度的适当直径。在一个实施例中，系泊缆绳22的直径可以为约4英寸。
管道组件12联接到一物体，例如配重块30，其在管道组件12上产生拉力并减小管道组件12顶部的弯矩。配重块30可包括任何合适的重量，以足够产生所需的拉力。在一个实施例中，配重块30重约500吨。管道组件12可具有超过1000米的长度。
在运行中，相对寒冷的水在管端部件24处被吸入管道组件12中，并通过管道组件12向平台14向上泵送。可以使用诸如歧管32的管道或通道，以作为OTEC处理的一部分，将水从管道组件12引导到一个或多个期望的目的地。为了防止模糊图1中所示的某些特征，未示出歧管32与这样的一个或多个所需目的地的连接。
根据一个实施例，图2是一个管道组件12的组装的示意图。翼梁结构18以剖视图示出，以显示在翼梁结构18内的管道组件12的部分。在一个实施例中，多个管段20-A可以彼此连接以形成一个管段20-B。多个管段20-A可以通过任何期望的方式彼此连接。在一个实施例中，管段20-A使用电融合工艺连接在一起。在另一个实施例中，管段20-A使用对接融合工艺连接在一起。管段20-B可以形成在与平台14相邻的表面上，例如在船上(未示出)，也可以形成在地面上并浮动到平台14上，或者可以形成在平台14上。在管道组件12的组装之前，可以形成必要数量的管段20-B，这大大减少了在管道组件12的组装期间必须形成的接合点的数量，并且大大减少了构建管道组件12所需的时间。
管段20-B可以面向相对于管道组件12的方向，通过例如起重机(未示出)被提升，并且被连接到管道组件12，以通过管段20-B的长度将管道组件12延伸。如本文将更详细地讨论的，管段20-B在管段20-B的管壁上的多个位置处相对于系泊缆绳22可滑动地联接，使得管段20-B可以相对于系泊缆绳22滑动。绞盘26同步地卷出系泊缆绳22，以使管端部件24和管道组件12更深地进入海洋并且保持系泊缆绳22上的张力，以限制由于洋流导致的偏转。在一些实施例中，深沉补偿装置可以与绞盘26一起使用以补偿由于波浪和海洋运动引起的移动。配重块30提供足够的重量，以在系泊缆线22卷出时将管端部件24和管道组件12拉向海底。然后可以将下一个管段20-B添加到管道组件12的顶部。该过程可以反复地重复，直到管道组件12达到期望的长度。
在组装和展开之后，系泊缆绳22可以与绞盘26分离并连接到平台14上的连接点。在一些实施例中，可能希望将绞盘26保持在平台14上，以用于随后维护或更换管道组件12的部分，如果需要的话。
在一个示例中，每个管段20-A的内径约为4米，长约18英尺。六个管段20-A在平台或地面上连接在一起，以形成108英尺长的管段20-B。这被重复31次，以形成31个管段20-B。然后，31个管段20-B被浮动，或以其它方式运送到靠近平台14的位置。第一管段20-B被起重机提升并定向在初级开口28上方。第一管段20-B是在平台14(未示出)上的融合站处连接到管端部件24。在一个实施例中，每个管段20包括环形加厚壁部分，其中管段20与另一个管段20连接，以向管道组件12提供额外的环刚度，以抵抗弯曲塌陷。
融合站有利于管段20-B与管道组件12的对准，并为相应的融合过程提供足够的力，并提供电源。
在一些实施例中，管端部件24可以是管段20-A，其具有围绕管端部件24的外表面径向隔开的多个突起，用于联接到系泊缆绳22。在其他实施例中，管端部件24可以由结构刚性材料制成，例如不锈钢或铝。
在该示例中，通过卷出系泊缆绳22，管端部件24和管段20-B降低通过翼梁结构18。当管端部件24和管段20-B下降时，管端部件24和管段20-B可以不时地停止，以允许系泊缆绳22可滑动地联接到管段20-B。在管端部件24和管段20-B延伸穿过翼梁结构18之后，配重块30可以经由钟形组件34联接到管端部件24，以向管道组件12提供期望的拉力。
在该示例中，将管段20-B提升到平台14所需的起重机时间为1小时，将两个管段20-B连接在一起的融合准备时间为1小时，将两个管段20-B融合在一起是30分钟，并且需要一个小时来降低管段20-B并将管段20-B联接到系泊缆绳22上。这导致需要3.5小时以对于每个管段20-B完全延伸管道组件12。假设所需的深度为1000米，并且使用31个管段20-B，则需要大约108.5小时(约4.5天)来完全组装管道组件12。这与当前可能需要90天组装一个1000米的CWP的CWP组装技术形成对照。
图3是一个深水结构10的系泊固定站36的示意图。再一次，以剖视图示出了翼梁结构18，以显示在翼梁结构18内的管道组件12的部分。当管段20-B下降通过翼梁结构18时，绞盘26周期性地停止系泊缆绳22的卷出，使得管段20-B的管壁的特定区域38可进入系泊固定站36。管段20-B因此相对于系泊缆绳22可滑动地联接，并且管段20-B可进一步降低，直到下一个区域38呈现在系泊固定站36处，在此重复该过程。
根据一个实施例，图4是一部分管段20-B和管端部件24的示意图。管段20-B在多个位置40处可滑动地联接到系泊缆绳22。在该实施例中，区域38包括多个凹口42，凹口在管段20-B上以相对等间隔隔开，并且其接收相应的系泊缆绳22。一条带44，使系泊缆绳22保持在相应的凹口42内，并且因此相对于系泊缆绳22可滑动地固定管段20-B。条带44可以包括一材料，其具有足够强度以保持系泊缆绳22在相应的凹口42内，但是在管道组件12的操作期间其不会磨损或降解系泊缆绳22。虽然条带44是用于相对于系泊缆绳22可滑动地固定管段20-B的一个机构，但是本实施例不限于条带的使用，并且可以利用其他机构，例如作为非限制性示例，钩环或类似物。
管端部件24包括多个径向间隔的突起46，系泊缆绳22可固定到该突起46上。突起46仅仅是将系泊缆绳22相对于管端部件24附接的一个示例性机构，并且实施例不限于任何特定的连接机构。在一些实施例中，系泊缆绳22的端部部分可以一材料制成，其中此材料由不同于大多数系泊缆绳22，例如金属缆线或链条，其足以抵抗磨损，水温或与管道组件12的端部有关的因素。因此，系泊缆绳22可以主要包括HMPE绳索，其在端部处接合到钢缆。
图5A-5C是不同的系泊机构的示意图，其中深水结构10可以通过该系泊机构系泊到海底48。图5A示出了多个系泊缆绳50，其联接在浮选柱16和海底48之间，以限制深水结构10的横向运动。图5B示出了联接在浮选柱16和海底48之间的多个系泊缆绳50，以及联接在海底48和配重块30之间的系泊缆绳52，以甚至进一步减少管道组件12的横向移动。图5C示出了一个实施例，其中系泊缆绳52与压载箱54相连。压载箱54是通过引导件56相对于海底48锚定的浮选装置，并因此设置成施加一个拉力至管道组件12，其中拉力可以通过改变压载箱54的浮选而改变。
根据一个实施例，图6是水锤阻尼结构58的示意图。翼梁结构18再次以剖视图示出，以显示在翼梁结构18内的管道组件12的部分，并且显示水锤阻尼结构58的方位。水锤阻尼结构58通向大气60，并且允许压缩气体从管道组件12排出。在一个实施例中，阻尼/弹性材料62可以固定在区域38和翼梁结构18的内表面之间，以将载荷从管道组件12传导到翼梁结构18。
根据另一实施例，图7是的深水结构10-1的透视图。为了说明的目的，歧管32在图7中未示出。在该实施例中，会产生更大量的电力，例如100兆瓦，因此运行需要较大量的冷水。代替具有非常大直径，例如10米直径，的单个CWP的是，通过平台14生成和安装了四个管道组件12-1至12-4。每个管道组件12可以包括管段20-B，其直径大约为5米，以代替直径10米的单个管道，由于与10米直径管道相关联的规模和物流，这可能会使生产，组装和维护大大复杂化。
根据一个实施例，图8是的用于生产管道组件12的方法的流程图。图8将结合图1和图2进行讨论。最初，假设多个管段20-B已经从地面或其他地方的管段20-A形成，并且靠近平台14。系泊缆绳22固定在管端部件24上(框100)。第一管段20-B被提升并定向在初级开口28的上方。第一管段20-B联接到管端部件24，并且在管段20-B的管壁的多个位置上相对于系泊缆绳22可滑动地联接(框102)。下一个管段20-B，被联接到先前的管段20-B上，以延伸管道组件12(框104)。当管段20-B被反复地联接在一起时，至少一些管段20-B在至少一些管段的相应管壁上的多个位置处相对于系泊缆绳可滑动地联接(框106)。在一些实施例中，每个管段20-B在相应管壁上的多个位置处相对于系泊缆绳22可滑动地联接。管端部件24和管道组件12通过延伸系泊缆绳22而降低(框108)。如果管道组件12达到期望的长度，则管道组件12的生产完成(框110,112)。否则，该过程重复，以添加另一个管段20-B(框110,104)。
虽然仅为了说明的目的，已经在翼型式离岸平台的上下文中讨论了本实施例，但是本实施例不限于任何特定的海上平台类型，并且具有对任何合适的海上平台适用性，包括作为非限制性示例的，半潜式式海上平台和张力支柱式海上平台。
本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有这些改进和修改都在本文公开的概念和所附权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种生成管道组件的方法，包括：
将多个系泊缆绳固定到一管端部件；
在管段的管壁上的多个位置处相对于多个系泊缆绳可滑动地联接多个管段的一个管段；
反复地延伸多个管段以形成一期望长度的管道组件，通过：
将下一管段连接到一先前的管段以延伸管道组件；和
通过延伸多个系泊缆绳来降低管端部件和管道组件；以及
在至少一些管段的一个相应管壁上的多个位置处相对于多个系泊缆绳可滑动地联接至少一些管段。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管端部件包括一个管段。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述管端部件联接到一物体，所述物体被配置为在所述管端部件上施加向下的力。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管端部件包括围绕所述管端部件径向间隔的多个突起，并且其中多个系泊缆绳的每个系泊缆绳被固定到相应的突起。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将下一管段连接到先前管段包括通过电熔合将下一管段熔合到先前管段。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将下一管段连接到先前管段包括通过对接熔合将下一管段熔合到先前管段。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个系泊缆绳由多个绞盘的一个相应的绞盘控制，并且其中通过延伸多个系泊缆绳降低所述管端部件和所述管道组件包括，通过相应的多个绞盘同步地延伸多个系泊缆绳，降低所述管端部件和所述管道组件。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过相应的多个绞盘同步地延伸多个系泊缆绳，降低所述管端部件和所述管道组件包括，通过相应的多个绞盘同步地延伸多个系泊缆绳，降低所述管端部件和所述管道组件通过形成在一平台中的开口。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道组件包括聚乙烯热塑性塑料。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道组件基本上由聚乙烯热塑性材料组成。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个系泊缆绳包括一绳索，绳索包含高模量聚乙烯。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道组件具有大于约9英尺的直径。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括在每个相应管段的管壁上的多个位置处相对于所述多个系泊缆绳可滑动地联接每个管段。
14.一深水结构，包括：
一平台，形成一初级开口；
一管段融合机构，被配置为使管段彼此融合，所述管段被设置成可滑动地联接到多个系泊缆绳；
多个绞盘，其相对于所述平台联接，并且被设置成卷出所述多个系泊缆绳的一相应的系泊缆绳；以及
一管道组件，其包括多个融合的管段，融合的管段可滑动地联接到所述系泊缆绳，并且管道组件在平台下方延伸一段距离。
15.根据权利要求14所述的深水结构，其特征在于，所述绞盘围绕所述初级开口的周边彼此基本等距定位。
16.根据权利要求14所述的深水结构，其特征在于，所述管段包括聚乙烯热塑性塑料。
17.根据权利要求14所述的深水结构，其特征在于，所述管段基本上由聚乙烯热塑性材料组成。
18.根据权利要求14所述的深水结构，其特征在于，相应的系泊缆绳包括一绳索，所述绳索包含高模量聚乙烯。
19.根据权利要求14所述的深水结构，其特征在于，所述管段具有大于约9英尺的直径。
20.一种管道组件，包括：
一管端部件，固定在多个系泊缆绳上；和
多个联接的管段，至少一些管段在管段的相应管壁上的多个位置处相对于系泊缆绳可滑动地联接。
21.根据权利要求20所述的管道组件，其特征在于，所述管段基本上由聚乙烯热塑性材料组成。
22.根据权利要求20所述的管道组件，其特征在于，每个系泊缆绳包括一绳索，绳索包含高模量聚乙烯。
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