KR102170586B1 - 해양 열에너지 변환 파이프 연결부 - Google Patents

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Abstract

물-지지식 부유 플랫폼 상에 파이프를 조립하는 방법이 제공된다. 플랫폼은 개방형 중앙 베이를 포함하고, 플랫폼 상의 받침대가 베이의 적어도 일부를 둘러싸도록 배열된다. 방법은 플랫폼 상에 파이프 취수 조립체 및 스테이브를 제공하는 단계; 베이의 내부 공간에 파이프 취수 조립체를 이송하는 단계; 오프셋 구성으로 파이프 취수 조립체 상에 개별 스테이브를 조립하는 단계; 스테이브의 상단부가 받침대의 하부 부분 내에 존재할 때까지 베이 내에 그리고 수중에 파이프부를 하강하는 단계; 조립된 스테이브의 상단부에 부가의 스테이브를 조립함으로써 파이프부의 길이를 증가시키는 단계; 및 파이프가 원하는 길이를 가질 때까지 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계를 반복하는 단계를 포함한다.

Description

해양 열에너지 변환 파이프 연결부{OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION PIPE CONNECTION}
본 발명은 해양 열에너지 변환 발전소(ocean thermal energy conversion power plant)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 부유식, 최소 히브 플랫폼(heave platform), 다단 열 엔진, 해양 열에너지 변환 발전소에 관한 것이다.
전 세계에 걸친 에너지 소비 및 수요는 기하급수적으로 증가하고 있다. 이 수요는 특히 아시아 및 라틴아메리카의 개발도상국들에서 계속 상승하는 것으로 예상된다. 동시에, 에너지의 전통적인 소스, 즉 화석 연료는 빠른 속도로 고갈되고 있고, 화석 연료 개발 비용이 계속 상승하고 있다. 환경 및 규제 문제가 이러한 문제점을 악화시키고 있다.
태양열-관련 재생 가능 에너지는 에너지에 대한 증가하는 수요에 대한 해결책의 부분을 제공할 수도 있는 일 대안적인 에너지 소스이다. 태양열-관련 재생 가능 에너지는, 화석 연료, 우라늄 또는 심지어 열적 "그린(green)" 에너지와는 달리, 그 사용과 연계된 기후적 위험(climatic risk)이 거의 없거나 전혀 없기 때문에, 매력적이다. 게다가, 태양열 관련 에너지는 무료이고 광대하게 풍부하다.
해양 열에너지 변환(Ocean Thermal Energy Conversion: "OTEC")은 해양의 열대 지역에서 열로서 저장된 태양열 에너지를 사용하여 재생 가능 에너지를 생산하는 방식이다. 전 세계에 걸친 열대 해양 및 바다는 고유의 재생 가능 에너지 소스를 제공한다. 다수의 열대 영역(대략 북위 20°와 남위 20° 사이)에서, 해수면의 온도는 거의 일정하게 유지된다. 대략 100 ft의 깊이까지, 해수의 평균 수면 온도는 75℉ 내지 85℉ 이상으로 계절에 따라 변화한다. 동일 지역에서, 심해 해수(2500 ft 내지 4200 ft 이상)는 거의 일정한 40℉를 유지한다. 따라서, 열대 해양 구조물은 35℉ 내지 45℉의 온수 및 냉수 저장조 사이의 온도차를 갖고, 수면에서 대형 온수 저장조 및 해저에서 대형 냉수 저장조를 제공한다. 이 온도차는 작은 계절적 변화를 갖고, 주간 및 야간 전체에 걸쳐 상당히 일정하게 유지된다.
OTEC 프로세스는 열 엔진을 구동하여 전기 에너지를 생산하기 위해 수면과 심해 열대 해수 사이의 온도차를 사용한다. OTEC 발전은 생산된 에너지에 대해 저 내지 제로 탄소 발자국(carbon footprint)을 갖는 가능한 재생 가능 에너지 소스로서 1970년대 후반에 식별되었다. 그러나, OTEC 발전소는 더 전통적인 고압, 고온 발전소에 비교하여 낮은 열역학적 효율을 갖는다. 예를 들어, 80℉ 내지 85℉의 평균 해수면 온도 및 40℉의 일정한 심해수 온도를 사용하여, OTEC 발전소의 최대 이상적인 카르놋 효율(Carnot efficiency)은 7.5 내지 8%일 것이다. 실제 동작시에, OTEC 발전 시스템의 총 전력 효율은 카르놋 한계의 대략 절반, 또는 대략 3.5 내지 4.0%인 것으로 예상되어 왔다. 부가적으로, 1970년대 및 1980년대에 선임 연구원들에 의해 수행되어, 문헌 "해양으로부터 재생 가능 에너지, OTEC로의 가이드(Renewable Energy from the Ocean, a Guide to OTEC)" 윌리엄 에이브리(William Avery) 및 치 우(Chih Wu), 옥스퍼드 대학교 출판사(Oxford University Press), 1994년에 문서화된 분석은, 40℉의 ΔT로 작동하는 OTEC 발전소에 의해 발전된 총 전력의 1/4 내지 절반(또는 그 이상)이 물 펌프 및 작동 유체 펌프를 운전하고 발전소의 다른 보조 필요부에 전력을 공급하도록 요구될 것이라는 것을 지시하고 있다. 이를 기초하여, 해수면에 저장된 열에너지를 순 전기 에너지(net electric energy)로 변환하는 OTEC 발전소의 낮은 전체 순 효율은 상업적으로 실현 가능한 에너지 생산 옵션은 아니었다.
전체 열역학적 효율의 부가의 감소를 야기하는 부가의 인자는 정밀한 주파수 조정(frequency regulation)을 위한 터빈에 대한 필요한 제어를 제공하는 것과 연계된 손실이다. 이는 따뜻한 해수로부터 추출될 수 있는 일(work)을 제한하는 압력 손실을 터빈 사이클 내에 도입한다.
고온 및 고압에서 작동하는 열 엔진에 전형적인 효율과 비교할 때 이 낮은 OTEC 순 효율은 OTEC 전력이 더 전통적인 전력 생산의 방법과 경쟁하기에는 너무 고비용이라는 에너지 계획자에 의한 널리 인정받는 가정을 유도하였다.
실제로, 기생(parasitic) 전력 요구는 온수와 냉수 사이의 비교적 작은 온도차에 기인하여 OTEC 발전소에서 특히 중요하다. 따뜻한 해수와 작동 유체 사이, 그리고 차가운 해수와 작동 유체 사이에 최대 열전달을 성취하기 위해, 높은 유체 속도와 함께, 큰 열교환 표면적이 요구된다. 이들 인자들 중 임의의 하나를 증가시키는 것은 OTEC 발전소 상의 기생 부하를 상당히 증가시켜, 이에 의해 순 효율을 감소시킬 수 있다. 해수와 작동 유체 사이의 제한된 온도차에서의 에너지 전달을 최대화하는 효율적인 열전달 시스템은 OTEC 발전소의 상업적 실현 가능성을 증가시킬 것이다.
외관상으로 고유의 큰 기생 부하를 갖는 비교적 낮은 효율에 추가하여, OTEC 발전소의 작동 환경은 이러한 작동의 상업적인 실현 가능성을 또한 감소시키는 설계 및 작동 과제를 제시한다. 전술된 바와 같이, OTEC 열 엔진을 위해 요구되는 온수는 해양의 수면에서, 100 ft 이하의 깊이까지에서 발견된다. OTEC 엔진을 냉각하기 위한 냉수의 일정한 소스는 2700 ft 내지 4200 ft 이상의 깊이에서 발견된다. 이러한 깊이들은 통상적으로 인구 밀집 지역 또는 심지어 대륙 근처에서는 발견되지 않는다. 해상 발전소가 요구된다.
발전소가 부유식이건 또는 수중 특징부에 고정되건간에, 2000 ft 이상의 기다란 냉수 취수 파이프(intake pipe)가 요구된다. 더욱이, 상업적으로 실현 가능한 OTEC 작동에서 요구되는 큰 체적의 물에 기인하여, 냉수 취수 파이프는 대직경(통상적으로, 6 내지 35 피트 이상)을 요구한다. 해상 구조물로부터 대직경 파이프를 현수하는 것은 안정성, 연결 및 구성 과제를 제시하는 데, 이들 과제는 이전에 OTEC 비용을 상업적 실현 가능성을 초월하게 한 것이었다.
부가적으로, 동적 해양 환경에서 현수되는 상당한 직경 대 길이비를 갖는 파이프는 파이프의 길이를 따른 온도차 및 변화하는 해류를 받게될 수 있다. 파이프를 따른 굽힘 및 와류 흘림(vortex shedding)으로부터의 응력이 또한 과제를 제시한다. 파도 작용과 같은 표면 영향은 연결부에서 부유 플랫폼과 파이프 사이의 상대 운동에 기인하여 부유 플랫폼과 파이프 사이의 연결부에 대해 추가의 과제를 제시한다. 바람직한 성능, 연결 및 구성 고려 사항을 갖는 냉수 파이프 취수 시스템은 OTEC 발전소의 상업적 실현 가능성을 증가시킬 것이다.
OTEC 발전소와 연계된 환경적 문제들은 또한 OTEC 작동에 장애가 되어 왔다. 전통적인 OTEC 시스템은 해양 깊이로부터 영양소가 풍부한 큰 체적의 냉수를 흡인하고 이 물을 수면에서 또는 수면 부근에서 배출한다. 이러한 배출은 OTEC 발전소 부근의 해양 환경에 긍정적인 또는 부정적인 방식으로 영향을 미칠 수 있어, OTEC 배출로부터 하향 조류(down current)일 수도 있는 어군 및 암초계에 영향을 미친다.
본 발명의 양태들은 해양 열에너지 변환 프로세스를 이용하는 발전소에 관한 것이다.
해양 OTEC 발전소는 감소된 기생 부하를 갖는 향상된 전체 효율, 더 높은 안정성, 더 낮은 구성 및 작동 비용, 및 향상된 환경 발자국을 갖는다. 다른 양태들은 부유 구조물과 일체형인 큰 체적 물 도관을 포함한다. 다단 OTEC 열 엔진의 모듈화(modularity) 및 구획화(compartmentation)는 구성 및 유지보수 비용을 저감하고, 오프-그리드(off-grid) 작동을 제한하고, 작동 성능을 향상시킨다. 또 다른 양태들은 일체형 열 교환 구획(compartment)을 갖는 부유 플랫폼을 제공하고, 파도 작용에 기인하는 플랫폼의 최소 이동을 제공한다. 일체형 부유 플랫폼은 또한 다단 열교환기를 통한 온수 또는 냉수의 효율적인 유동을 제공하여, 효율을 증가시키고 기생 전력 수요를 감소시킬 수도 있다. 설명된 시스템 및 방법의 양태들은 적절한 깊이/온도 범위에서 온수 및 냉수를 배출함으로써 환경적으로 중립 열적 발자국을 촉진한다. 전기의 형태의 추출된 에너지는 해양으로의 벌크 온도(bulk temperature)를 감소시킨다.
설명된 시스템 및 방법의 다른 양태는 해안 OTEC 시설과 함께 사용을 위한 냉수 파이프에 관한 것이고, 냉수 파이프는 해안 스테이브가 있는(staved) 연속적인 파이프이다.
일 양태는 외부면, 상단부 및 하단부를 갖는 세장형(elongated) 관형 구조체를 포함하는 파이프에 관한 것이다. 관형 구조체는 복수의 제1 및 제2 스테이브가 있는 세그먼트를 포함하고, 각각의 스테이브는 상부 부분 및 저부 부분을 갖고, 제2 스테이브 세그먼트의 상부 부분은 제1 스테이브가 있는 세그먼트의 상부 부분으로부터 오프셋된다. 단지 예외는 CWP의 상부 및 저부에 있는 데, 여기서 이들 스테이브(stave)의 단부들은 플랫폼과 그리고 CWP의 저부 섹션과 상호 접속부와 정합하기에 적합한 플러시면(flush surface)(오프셋 없음)을 형성한다.
다른 양태는 관형 구조체의 외부면 상에 대각선 방식으로 파이프 주위에 적어도 부분적으로 권취된 리본 또는 스트레이크(strake)를 포함하는 파이프에 관한 것이다. 리본 또는 스트레이크는 파이프의 상부 부분, 파이프의 중간 부분 또는 파이프의 하부 부분의 외부면 주위에 원주방향으로 권취될 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 파이프의 전체 길이 주위에 원주방향으로 권취될 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 파이프의 외부면에 대해 실질적으로 편평하게 배치되도록 부착될 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 파이프의 외부면으로부터 외향으로 돌출하도록 부착될 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 파이프와 동일한 또는 상이한 재료로 제조될 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 파이프의 외부면에 접착식으로 접합되고, 파이프의 외부면에 기계식으로 접합될 수 있고, 또는 파이프의 외부면에 부착하기 위해 기계적 및 접착식 접합의 조합을 사용할 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 물의 부분적인 유동을 허용하거나 OTEC 설비의 배관 또는 케이블링 또는 다른 구조적 양태들의 통과를 가능하게 하거나 용접 크라운을 회피하는 구멍 또는 간극을 가질 수도 있다. 리본 또는 스트레이크는 단일의 연속적인 리본 또는 스트레이크, 간극을 갖는 개별적인 세그먼트, 또는 평행한 리본 또는 스트레이크로 이루어질 수도 있다. 플랫폼 수직에 대한 리본 또는 스트레이크의 이들의 경사각은 일정할 수도 있고(나선을 형성함) 또는 다양할 수도 있다.
설명된 시스템 및 방법의 다른 양태는 오프셋 스테이브가 있는 파이프에 관한 것이고, 여기서 각각의 스테이브 세그먼트는 인접한 스테이브 세그먼트와 정합 결합을 위해 제1 측에 텅(tongue)을 제2 측에 그루브(groove)를 더 포함한다. 오프셋 스테이브 파이프는 하나의 스테이브의 제1 측면을 제2 스테이브의 제2 측면에 기계적으로 결합하기 위한 포지티브 잠금 시스템(positive locking system)을 포함할 수 있다. 스테이브는 비스킷 연결자(biscuit joinery)를 사용하여 하나의 스테이브의 상부 부분으로부터 인접한 스테이브의 저부 부분에 수직으로 연결될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 스테이브의 상부 부분 및 스테이브의 저부 부분은 연결 공동(void)을 각각 포함할 수 있어, 제1 스테이브의 상부 부분이 제2 스테이브의 저부 부분과 연결되고, 연결 공동들은 정렬되어 연속적인 캐비티(cavity) 또는 가상 파이프를 형성하게 된다. 가요성 수지는 정렬된 연결 공동들의 개방 단부 내로 주입되고, 전체 공동 내로 유동하여 이를 충전하고, 따라서 스테이브들 사이에 접착성을 제공할 수 있다. 가요성 수지는 임의의 연결된 표면들 내의 간극을 충전하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 양태에서, 가요성 수지는 메타크릴레이트 접착제이다.
설명된 본 발명의 시스템 및 방법의 개별 스테이브는 임의의 길이일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 스테이브 세그먼트는 스테이브의 저부 부분으로부터 상부 부분으로 측정될 때 20 피트 내지 90 피트이다. 스테이브 세그먼트들은 표준 인터-모달(inter-modal) 컨테이너에 의해 선적되도록 치수 설정될 수 있다. 개별 스테이브 세그먼트는 10 인치 내지 80 인치 폭일 수 있다. 각각의 스테이브 세그먼트는 1 내지 24 인치 두께일 수 있다.
스테이브 세그먼트들은 인발되고(pulltruded), 압출되고(extruded) 또는 성형될(molded) 수 있다. 스테이브 세그먼트들은 폴리염화비닐(PVC), 염소화 폴리염화비닐(CPVC), 섬유 보강 플라스틱(FRP), 보강 폴리머 모르타르(PRMP), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 가교 결합 고밀도 폴리에틸렌(PEX), 폴리부틸렌(PB), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS); 폴리에스테르, 섬유 보강 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 보강 비닐 에스테르, 콘크리트, 세라믹, 또는 이들의 하나 이상의 복합재를 포함할 수 있다.
설명된 시스템 및 방법의 다른 양태에서, 스테이브 세그먼트는 적어도 하나의 내부 공동을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 공동은 물, 폴리카보네이트 발포체, 또는 신택틱 폼(syntactic foam) 또는 스테이브의 내부벽과 외부벽 사이의 분리를 제공하는 다른 디바이스 또는 재료로 충전될 수 있고, 또한 종방향, 횡방향, 원주방향 또는 다른 방향에서 스테이브에 부가의 강도를 제공할 수 있다.
설명된 시스템 및 방법의 양태에서, 파이프는 OTEC 발전소용 냉수 취수 파이프이다.
설명된 시스템 및 방법의 또 다른 양태는 잠수부를 포함하는 해안 발전 구조체에 관한 것이고, 잠수부는 열교환부; 발전부; 및 복수의 오프셋 제1 및 제2 스테이브 세그먼트를 포함하는 냉수 파이프를 더 포함한다.
설명된 시스템 및 방법의 다른 또 다른 양태는 OTEC 발전소에 사용을 위한 냉수 파이프를 형성하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 복수의 제1 및 제2 스테이브 세그먼트를 형성하여 제2 스테이브 세그먼트가 제1 스테이브 세그먼트로부터 오프셋되어 연속적인 세장형 튜브를 형성하도록 교번적인 제1 및 제2 스테이브 세그먼트를 연결하는 단계를 포함한다.
설명된 시스템 및 방법의 다른 양태는 잠수형 수직 파이프 연결부로서, 수직 파이프 수용 베이(bay)를 갖는 부유 구조물로서, 수용 베이는 제1 직경을 갖는 것인 부유 구조물; 파이프 수용 베이 내로의 삽입을 위한 수직 파이프로서, 수직 파이프는 파이프 수용 베이의 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 것인 수직 파이프; 부분적으로 구형 또는 아치형 베어링면; 및 베어링면과 함께 작동 가능한 하나 이상의 가동 멈춤쇠(detent), 피니언(pinion) 또는 러그(lug)를 포함하고, 멈춤쇠는 베어링면과 접촉할 때 제1 또는 제2 직경과는 상이한 직경을 형성하는 것인 잠수형 수직 파이프 연결부에 관한 것이다.
설명된 시스템 및 방법의 부가의 양태는 잠수형 수직 파이프를 부유 플랫폼에 연결하는 방법으로서, 수직 파이프 수용 베이를 갖는 부유 구조물을 제공하는 단계로서, 파이프 수용 베이는 제1 직경을 갖는 것인 부유 구조물 제공 단계; 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 상단부를 갖는 수직 파이프를 제공하는 단계; 수직 파이프를 지지하기 위한 베어링면을 제공하는 단계; 하나 이상의 멈춤쇠가 제1 또는 제2 직경과는 상이한 직경을 갖도록 하나 이상의 멈춤쇠를 신장하는 단계; 부유 구조물로부터 수직 파이프를 현수하도록 베어링면과 하나 이상의 멈춤쇠를 접촉하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
설명된 시스템 및 방법의 양태에서, 하나 이상의 멈춤쇠는 수직 파이프에 일체형일 수 있다. 하나 이상의 멈춤쇠는 수용 베이에 일체형일 수 있다. 하나 이상의 멈춤쇠는 제1 직경보다 작은 직경을 규정하는 제1 인입 위치(retracted position)를 포함한다. 하나 이상의 멈춤쇠는 제1 직경보다 큰 직경을 규정하는 신장 위치(extended position)를 포함한다. 베어링면은 파이프 수용 베이에 일체형이고 하나 이상의 멈춤쇠와 함께 작동 가능하다. 베어링면은 구형 베어링면을 포함할 수 있다. 하나 이상의 멈춤쇠는 베어링면에 접촉하도록 구성된 정합면을 더 포함한다. 하나 이상의 멈춤쇠는 구형 베어링면에 적합하도록 구성된 정합면을 더 포함한다. 구형 베어링면 및 정합면은 수직 파이프와 부유 구조물 사이의 상대 운동을 용이하게 한다.
또 다른 양태에서, 하나 이상의 멈춤쇠는 제2 직경보다 큰 직경을 규정하는 제1 인입 위치를 포함한다. 하나 이상의 멈춤쇠는 제2 직경보다 작은 직경을 규정하는 신장 위치를 포함한다. 베어링면은 수직 파이프에 일체형이고 하나 이상의 멈춤쇠와 함께 작동 가능하다.
특징부들은 멈춤쇠를 신장 또는 인입하기 위한 드라이브를 포함하고, 드라이브는 유압 제어식 드라이브, 공압 제어식 드라이브, 기계 제어식 드라이브, 전기 제어식 드라이브, 또는 전자-기계 제어식 드라이브 또는 이들의 조합이다.
다른 양태는 제1 각형성된 파이프 정합면을 포함하는 파이프 수용 베이; 및 제2 각형성된 파이프 정합면을 포함하는 수직 파이프를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 각형성된 파이프 정합면은 파이프 수용 베이 내로의 수직 파이프의 삽입 중에 수직 파이프를 협동적으로 안내하도록 구성된다.
설명된 시스템 및 방법의 부가의 양태들은 개방형 중앙 베이, 및 베이의 적어도 일부를 둘러싸도록 배열된 플랫폼 상의 받침대를 포함하는 물-지지식 부유 플랫폼 상에서 파이프를 조립하는 방법에 관한 것이다. 방법은 플랫폼 상에 파이프 취수 조립체를 제공하는 단계와; 플랫폼 상에 스테이브를 제공하는 단계와; 파이프 취수 조립체를 베이의 내부 공간에 이송하는 단계와; 개별 스테이브를 베이에 이송하여 총안형으로 형성된(crenellated) 상단부를 갖는 환형 파이프부를 형성하기 위해 오프셋 스테이브 구성으로 파이프 취수 조립체 상에 개별 스테이브를 조립하는 단계와; 스테이브의 상단부가 받침대의 하부 부분 내에 존재할 때까지, 베이 내에 그리고 수중으로 파이프부를 하강하는 단계와; 파이프부를 형성하는 스테이브의 상단부에 부가의 스테이브를 조립함으로써 파이프부의 길이를 증가시키는 단계와; 파이프가 원하는 길이를 가질 때까지 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계를 반복하는 단계를 포함한다.
방법은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수도 있다: 파이프 취수 조립체를 베이의 내부 공간에 이송하는 단계는 플랫폼의 측면 위에 파이프 취수 조립체를 하강하는 단계, 플랫폼 아래의 파이프 취수 조립체를 베이 아래에 놓인 위치로 이동하는 단계, 및 파이프 취수 조립체를 베이를 통해 받침대 내의 원하는 위치로 위로 상승시키는 단계를 포함한다. 파이프 취수 조립체를 베이의 내부 공간에 이송하는 단계는 플랫폼의 표면 위로 파이프 취수 조립체를 상승시키는 단계, 파이프 취수 조립체가 베이 위에 놓이도록 플랫폼을 이동시키는 단계, 및 베이 내로 적어도 부분적으로 파이프 취수 조립체를 하강하는 단계를 포함한다. 베이에 개별 스테이브를 이송하고 파이프 취수 조립체 상에 개별 스테이브를 조립하는 단계는 환형 파이프부의 하단부가 파이프 취수 조립체의 상부측과 동일 높이에 있도록 개별 스테이브를 조립하는 단계; 및 파이프부를 형성하도록 환형 파이프부의 하단부를 파이프 취수 조립체에 연결하는 단계로서, 연결 단계는 환형 파이프부와 파이프 취수 조립체 사이의 조인트 주위에 접합 재료를 권취하는 단계를 포함하고, 접합 재료는 원주방향으로 연장되고 환형 파이프부와 파이프 취수 조립체의 적어도 일부를 중첩하는 것인 연결 단계를 더 포함한다. 파이프 취수 조립체는 파이프 단부 및 파이프 단부에 연결된 웨이트(weight)를 포함한다. 방법은 일단 파이프가 원하는 길이에 도달하면 이하의 단계: 파이프 취수 조립체에 대향하는 파이프의 단부에 파이프 단부를 연결하는 단계를 더 포함한다.
설명된 시스템 및 방법의 부가의 양태들은 물-지지식 부유 플랫폼 상에서 파이프를 조립하는 방법으로서, 개방형 중앙 베이, 플랫폼 상에 있고 베이의 적어도 일부를 둘러싸도록 배열된 받침대, 및 베이 위에 놓인 위치에서 받침대에 의해 지지되는 중공 맨드릴을 포함하는 플랫폼을 제공하는 단계와; 스테이브를 제공하는 단계와; 벨 마우스(bell mouth) 및 웨이트를 포함하는 벨 마우스 조립체를 제공하는 단계로서, 벨 마우스는 제1 측면 및 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖고, 웨이트는 벨 마우스의 제2 측면에 연결되는 것인 벨 마우스 조립체 제공 단계와; 벨 마우스의 제1 측면이 플랫폼의 상부면 위에 그리고 맨드릴에 인접하여 존재하는 이러한 방식으로 베이 내에 벨 마우스 조립체를 위치설정하는 단계와; 스태거 링 내에 배열된 각각의 스테이브의 제1 단부가 벨 마우스의 제1 측면에 대해 동일 높이로 형성되고, 각각의 스테이브의 제2 단부는 인접한 스테이브에 대해 오프셋되는 스테이브의 스태거 링을 형성하도록 맨드릴 내에 스테이브를 배열하는 단계와; 파이프의 부분을 형성하도록 스테이브의 스태거 링을 벨 마우스 조립체에 연결하는 단계로서, 연결 단계는 스태거 링과 벨 마우스 사이의 조인트 주위에 접합 재료를 권취하는 단계를 포함하고, 접합 재료는 원주방향으로 연장되고 스태거 링 및 벨 마우스의 적어도 일부를 중첩하는 것인 연결 단계와; 스태거 링의 스테이브의 제2 단부가 맨드릴의 하부 부분 내에 존재할 때까지 수중으로 파이프의 부분을 하강하는 단계와; 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계로서, 부가의 스테이브가 맨드릴에 대해 위치되고 부가의 스테이브의 제1 단부가 스태거 링의 대응 스테이브의 제2 단부에 접하도록 맨드릴 내에 부가의 스테이브를 위치설정하는 단계, 및 접합 재료가 부가의 스테이브의 적어도 일부 및 냉수 파이프의 일부에 중첩하도록 접합 재료로 냉수 파이프의 일부를 권취함으로써 냉수 파이프의 부분에 부가의 스테이브를 연결하는 단계를 포함하는 길이 증가 단계와; 파이프가 원하는 길이를 가질 때까지 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계를 반복하는 단계를 포함하는 파이프를 조립하는 방법에 관한 것이다.
방법은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수도 있다: 개별 스테이브가 설치되는 순서에 대응하는 사전 결정된 순서로 플랫폼 상에 스테이브들을 배열한다. 스테이브는 대응 스테이브 정렬 지그 내로 개별적으로 패키징된다. 각각의 스테이브 정렬 지그는 인양 고리(lifting eye) 및 플랜지를 포함하고, 인양 고리는 스테이브 정렬 지그의 제1 단부에 인접하여 배치되고, 플랜지는 스테이브 정렬 지그의 제2 단부에 인접하여 배치되고 받침대 상에 제공된 핀에 협동적으로 결합하도록 구성된다. 스태거 링을 형성하도록 맨드릴 내에 스테이브를 배열하는 단계는 맨드릴에 대해 스테이브를 위치설정하는 단계; 맨드릴 및 다른 스테이브의 바로 앞에 위치되었던 스테이브의 모두에 대해 다른 스테이브를 위치설정하는 단계; 스테이브의 링이 형성될 때까지 다른 스테이브를 위치설정하는 단계를 반복하는 단계를 포함하고, 다른 스테이브는 다른 스테이브의 바로 앞에 위치되었던 스테이브와는 상이한 길이를 갖고, 스테이브는 스태거 링의 각각의 스테이브의 제1 단부가 스태거 링을 형성하는 데 사용된 다른 스테이브의 제1 단부와 동일 높이에 위치하도록 배열된다. 스테이브의 스태거 링을 형성하도록 맨드릴 내에 스테이브를 배열하는 단계는 스태거 링을 형성하는 데 사용된 스테이브의 제1 단부를 밀봉하는 단계를 더 포함한다. 일단 파이프가 원하는 길이에 도달하면 벨 마우스에 대향하는 파이프의 단부에 파이프 단부를 연결한다. 파이프 단부는 내향으로 테이퍼지고, 스파(spar)의 하부면 상에 제공된 피팅(fitting) 내에 포획되도록 구성된다. 맨드릴 내에 스테이브를 배열하고 맨드릴 내에 부가의 스테이브를 위치설정하는 단계는 인접한 스테이브를 서로 연결하는 단계를 더 포함한다. 방법은 파이프 내에 적어도 하나의 스프레더(spreader)를 제공하는 단계를 더 포함하고, 스프레더는 파이프의 내부면에 외향력을 제공하도록 구성된다. 벨 마우스 조립체는 벨 마우스 및 벨 마우스에 연결된 웨이트를 포함한다.
설명된 시스템 및 방법의 부가의 양태들은 물-지지식 부유 플랫폼 상에 파이프를 조립하는 방법으로서, 개방형 중앙 베이 및 베이를 둘러싸도록 플랫폼 상에 배열된 가이드링을 포함하는 플랫폼을 제공하는 단계와; 벨 마우스 및 웨이트를 포함하는 벨 마우스 조립체를 제공하는 단계로서, 벨 마우스는 제1 측면 및 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖고, 웨이트는 벨 마우스의 제2 측면에 연결되는 것인 벨 마우스 조립체 제공 단계와; 벨 마우스의 제1 측면이 플랫폼의 상부면 위에 그리고 가이드링에 인접하여 존재하는 이러한 방식으로 베이 내에 벨 마우스 조립체를 위치설정하는 단계와; 스태거 링 내에 배열된 각각의 스테이브의 제1 단부가 벨 마우스의 제1 측면에 대해 동일 높이로 형성되고, 각각의 스테이브의 제2 단부는 인접한 스테이브에 대해 오프셋되는 스테이브의 스태거 링을 형성하도록 가이드링 상에 스테이브를 배열하는 단계와; 파이프의 부분을 형성하도록 벨 마우스 조립체에 스테이브의 스태거 링을 연결하는 단계로서, 연결 단계는 스태거 링과 벨 마우스 사이의 조인트 주위에 접합 재료를 권취하는 단계를 포함하고, 접합 재료는 원주방향으로 연장되고 스태거 링 및 벨 마우스의 적어도 일부를 중첩하는 것인 연결 단계와; 스태거 링의 스테이브의 제2 단부가 맨드릴의 하부 부분 내에 존재할 때까지 수중에 파이프의 부분을 하강하는 단계와; 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계로서, 부가의 스테이브가 가이드링에 대해 위치되고 부가의 스테이브의 제1 단부가 스태거 링의 대응 스테이브의 제2 단부에 접하도록 맨드릴 내에 부가의 스테이브를 위치설정하는 단계, 및 접합 재료가 부가의 스테이브의 적어도 일부 및 냉수 파이프의 일부에 중첩하도록 접합 재료로 냉수 파이프의 일부를 권취함으로써 냉수 파이프의 부분에 부가의 스테이브를 연결하는 단계를 포함하는 길이 증가 단계와; 파이프가 원하는 길이를 가질 때까지 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계를 반복하는 단계를 포함하는 파이프를 조립하는 방법에 관한 것이다.
방법은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수도 있다: 벨 마우스의 제1 측면은 정렬 탭을 포함하고, 가이드링 상에 스테이브를 배열하는 단계는 스테이브의 하단부가 정렬 탭과 정렬되도록 벨 마우스 조립체에 대해 스테이브를 위치설정하는 단계를 포함한다. 인접한 스테이브들이 서로 부착되기 전에, 접합 재료는 각각의 부착면을 따라 각각의 스테이브에 도포된다. 각각의 스테이브는 인접한 스테이브들을 접하는 에지를 따라 자기 보유 정합 특징부들을 포함한다.
설명된 시스템 및 방법의 부가의 양태들은 그 잠수된 표면 내에 형성된 공극(vacancy)을 포함하는 물-지지식 부유체로의 파이프의 수중 조립 방법으로서, 파이프의 종축이 수직축에 일반적으로 평행하게 배향된 상태로 파이프가 수중에 적어도 부분적으로 위치되도록 조종 가능한 수상 선박에 고정된 파이프를 제공하는 단계와; 파이프의 상단부에 키퍼 케이블을 고정하는 단계와; 파이프의 상단부가 부유체의 하부면보다 낮은 깊이에 존재하도록 선박에 대해 수중에 파이프를 하강하는 단계와; 공극의 내부로부터 연장되는 케이블을 지지하기 위해 파이프의 상단부를 고정하는 단계와; 파이프의 상단부로부터 키퍼 케이블을 떼는 단계와; 공극 내에 지지 케이블을 인입함으로써 공극 내로 파이프의 상단부를 끌어당기는 단계와; 공극 내에 파이프의 상단부를 고정하는 단계를 포함하는 파이프의 수중 조립 방법에 관한 것이다.
방법은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 방법은 부유체에 인접한 위치로 조종 가능한 수상 선박을 이동하는 단계를 더 포함한다. 방법은 개방 중앙 베이를 갖는 조종 가능한 수상 선박에 제공하고 베이 내에 다양한 높이에 물체를 지지하도록 작동 가능한 케이블을 하강하는 단계를 더 포함하고, 파이프 제공 단계 중에, 파이프는 하강 케이블을 사용하여 조종 가능한 수상 선박에 고정되고, 파이프는 키퍼 케이블을 고정하는 단계 중에 하강 케이블에 고정되어 유지된다.
설명된 시스템 및 방법의 양태들은 이하의 하나 장점들: 연속적인 오프셋 스테이브가 있는 냉수 파이프가 분할형 파이프 구성보다 경량임; 연속적인 오프셋 스테이브가 있는 냉수 파이프가 분할형 파이프보다 적은 마찰 손실을 가짐; 개별 스테이브는 OTEC 설비 작동 부지로의 용이한 운반을 위해 치수 설정될 수 있음; 스테이브들은 원하는 부력 특성으로 구성될 수 있음; OTEC 전력 생산은 에너지 생산을 위한 연료 비용을 거의 또는 전혀 요구하지 않음; OTEC 열 엔진에 수반된 저압 및 저온은 부품 비용을 저감하고 고압, 고온 발전소에 사용된 고가의 독특한 재료(exotic material)에 비교하여 평범한 재료를 필요로 함; 설비 신뢰성은 상업용 냉매 시스템에 상응하여, 상당한 유지보수 없이 다년간 연속적으로 작동함; 고압, 고온 설비에 비교하여 감소된 구성 시간 및 안전하고 환경적으로 온화한 작동 및 전력 생산의 장점들 중 하나 이상을 가질 수도 있다. 부가의 장점은 전통적인 OTEC 시스템에 비교하여 증가된 순 효율, 더 적은 희생 전기 부하, 온수 및 냉수 통로 내의 감소된 압력 손실, 모듈형 구성 요소, 덜 빈번한 오프-그리드 생산 시간, 최소 히브 및 감소된 파도 작용에 대한 민감성, 수면 레벨 아래의 냉각수의 배출, 냉수 배출로부터 간섭이 없는 온수의 취수, 및 작동 부지의 수심 측량적 조류 조건에 정합하기 위한 파이프의 전체 길이에 걸친 맞춤화 가능한 파이프 강성을 포함할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 냉수 파이프 조립체 및 냉수 파이프의 제조 및 조립 방법은 파이프 전체에 걸친 부하를 전달하는 것이 가능한 복합재 냉수 파이프를 제조함으로써 특정의 종래의 냉수 파이프에 비해 증가된 가요성을 갖는 강하고, 비교적 경량의 냉수 파이프를 제조하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 방법을 사용하여 스테이브 세그먼트의 냉수 파이프를 형성함으로써, 냉수 파이프는 냉수 파이프 구성 요소의 전체 크기를 감소시킴으로써 더 효율적으로 그리고 더 낮은 비용으로 조립되고 운반될 수 있다.
본 명세서에 설명된 냉수 파이프 시스템 및 조립 방법은 냉수 파이프가 사용될 부유 플랫폼이 완전히 조립된 후에 냉수 파이프가 그 미래의 사용의 위치에서 조립되는 것을 가능하게 할 수 있다. 이러한 조립 방법은 통상적으로 다른 OTEC 시스템 설치 작업을 방해하지 않는다. 또한, 본 명세서에 설명된 조립 방법 및 시스템은 냉수 파이프가 몇몇 다른 종래의 방법보다 더 신속하게 조립될 수 있게 하고(예를 들어, 1주 미만), 더 광대한 장비를 필요로 할 수 있다(예를 들어, 헤비-리프트 크레인 선박 또는 바지선의 사용 없이). 냉수 파이프 설치 방법은 또한 냉수 파이프가 설치 후에 스파로부터 떼어지고 인입되는 것[예를 들어, 스파의 저부에서 리셉터클(receptacle) 오리피스로부터 인입됨]을 가능하게 할 수 있고, 원래 스파가 고장날 때 다른 유사하게 구성된 OTEC 플랫폼과 재사용을 위해 검색될 수 있다.
냉수 파이프 조립체는 단일의 매우 대직경 파이프를 형성한다. 냉수 파이프 조립체 및 설치 방법은 냉수 파이프의 저부에서 사전 제작된 벨 마우스로의 스테이브의 확실한 연결 및 접합을 가능하게 한다. 냉수 파이프의 저부에 있는 벨 마우스 개구에서의 유속은 몇몇 규제 기관 또는 정부에 의해 설정된 표준 내에 냉수 파이프 입구에 있는 흡인 유동을 유지하는 것을 돕는다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 흡입 유동은 초당 0.5 피트 이하인 데, 이는 연방 수질 오염 제어법(Federal Water Pollution Control Act) 1972(청결수법), 33 U.S.C. §1251의 섹션 316(a)에 순응한다.
하나 이상의 실시예의 상세가 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명에 설명되어 있다. 본 발명의 다른 양태들, 특징들 및 장점들은 상세한 설명 및 도면으로부터, 그리고 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 OTEC 열 엔진을 도시하고 있다.
도 2는 예시적인 OTEC 발전소를 도시하고 있다.
도 3은 OTEC 구조체를 도시하고 있다.
도 4는 OTEC 구조체의 오프셋 스테이브가 있는 파이프(offset staved pipe)를 도시하고 있다.
도 5는 짐벌이 있는 파이프(gimbaled pipe) 연결부의 예를 도시하고 있다.
도 6은 냉수 파이프 연결부를 도시하고 있다.
도 7은 냉수 파이프 연결부를 도시하고 있다.
도 8은 냉수 파이프 연결의 방법을 도시하고 있다.
도 9는 냉수 파이프 조립 플랫폼을 도시하고 있다.
도 10은 도 9의 조립 부지(assembly site)의 조립 받침대(gantry)를 도시하고 있다.
도 11a 및 도 11b는 도 10의 조립 받침대를 작동하는 데 사용된 케이블 시스템을 도시하고 있다.
도 12a 내지 도 12d는 바지선 크레인(barge crane)을 사용하여 냉수 파이프 벨 마우스(bell mouth)를 수중으로 하강하는 것과 조립 받침대의 하강 케이블에 벨 마우스를 이송하는 것을 도시하고 있다.
도 13은 조립 중에 냉수 파이프를 현수하는 데 사용되는 케이블의 단면도이다.
도 14a 내지 도 14c는 도 10의 냉수 파이프 상에 냉수 파이프 연결부를 설치하는 것을 도시하고 있다.
도 15a 내지 도 15c는 플랫폼 크레인을 사용하여 냉수 파이프 벨 마우스를 수중으로 하강하는 것과 벨 마우스를 바지선에 이송하는 것을 도시하고 있다.
도 16a 내지 도 16c는 플랫폼 크레인을 사용하여 스테이브 파이프 세그먼트들을 조립함으로써 냉수 파이프를 형성하는 것을 도시하고 있다.
도 17a 내지 도 17c는 도 15a 내지 도 15c의 냉수 파이프 상에 냉수 파이프 연결부를 설치하는 것을 도시하고 있다.
도 18a 내지 도 18e는 바지선으로부터 냉수 파이프를 떼는 것과 OTEC 구조체에 냉수 파이프를 부착하는 것을 도시하고 있다.
도 19a 내지 도 19b는 예시적인 OTEC 열 엔진을 도시하고 있다.
본 발명은 해양 열에너지 변환(OTEC) 기술을 사용하는 전력 발전에 관한 것이다. 본 발명의 양태들은 종래의 OTEC 발전소에 비해 감소된 기생 부하를 갖는 향상된 전체 효율, 더 높은 안정성, 더 낮은 구성 및 작동 비용, 및 향상된 환경 발자국을 갖는 부유식 OTEC 발전소에 관한 것이다. 다른 양태들은 부유 구조물과 일체형인 큰 체적 물 도관을 포함한다. 다단 OTEC 열 엔진의 모듈화 및 구획화는 구성 및 유지보수 비용을 저감하고, 오프-그리드 작동을 제한하고, 작동 성능을 향상시킨다. 또 다른 양태들은 일체형 열 교환 구획을 갖는 부유 플랫폼을 제공하고, 파도 작용에 기인하는 플랫폼의 최소 이동을 제공한다. 일체형 부유 플랫폼은 또한 다단 열교환기를 통한 온수 또는 냉수의 효율적인 유동을 제공하여, 효율을 증가시키고 기생 전력 수요를 감소시킨다. 설명된 시스템 및 방법의 양태들은 적절한 깊이/온도 범위에서 온수 및 냉수를 배출함으로써 중립 열적 발자국을 촉진한다. 전기의 형태의 추출된 에너지는 해양으로의 벌크 온도를 감소시킨다.
OTEC는 지구의 해양에 저장된 태양으로부터의 열에너지를 사용하여 전기를 발생하는 프로세스이다. OTEC는 더 따뜻한 해양의 상부층과 더 차가운 심해수 사이의 온도차를 이용한다. 통상적으로, 이 차이는 적어도 36℉(20℃)이다. 이들 조건은 열대 지역, 대략적으로 남회귀선(Tropic of Capricorn)과 북회귀선(Tropic of Cancer) 사이, 또는 심지어 북위 20°와 남위 20° 사이에 존재한다. OTEC 프로세스는 온수 수면수가 열원으로서 기능하고 차가운 심해수가 히트 싱크(heat sink)로서 기능하는 상태로, 랭킨 사이클에 전력을 공급하기 위해 온도차를 사용한다. 랭킨 사이클 터빈은 전력을 생산하는 발전기를 구동한다.
도 1은 따뜻한 해수 입구(12), 증발기(14), 따뜻한 해수 출구(15), 터빈(16), 차가운 해수 입구(18), 응축기(20), 차가운 해수 출구(21), 작용 유체 도관(22) 및 작동 유체 펌프(24)를 포함하는 통상적인 OTEC 랭킨 사이클 열 엔진(10)을 도시하고 있다.
작동시에, 열 엔진(10)은 다수의 작동 유체 중 임의의 하나, 예를 들어, 암모니아와 같은 상업용 냉매를 사용할 수 있다. 다른 작동 유체는 프로필렌, 부탄, R-22 및 R-134a를 포함할 수 있다. 다른 상업용 냉매가 사용될 수 있다. 대략 75℉ 내지 85℉ 이상의 따뜻한 해수가 따뜻한 해수 입구(12)를 통해 해수면으로부터 또는 해수면 바로 아래로부터 흡인되고, 이어서 증발기(14)를 통해 통과하는 암모니아 작동 유체를 가온한다. 암모니아는 대략 9.3 atm의 증기압으로 비등한다. 증기는 작동 유체 도관(22)을 따라 터빈(16)으로 운반된다. 암모니아 증기는 터빈(16)을 통해 통과함에 따라 팽창하여, 발전기(25)를 구동하기 위한 전력을 생산한다. 암모니아 증기는 이어서 응축기(20)에 진입하고, 여기서 대략 3000 ft의 심해 해양 깊이로부터 흡인된 차가운 해수에 의해 액체로 냉각된다. 차가운 해수는 대략 40℉의 온도에서 응축기에 진입한다. 대략 51℉의 응축기(20) 내의 온도에서 암모니아 작동 유체의 증기압은 6.1 atm이다. 따라서, 상당한 압력차가 터빈(16)을 구동하고 전력을 발전하기 위해 이용 가능하다. 암모니아 작동 유체가 응축함에 따라, 액체 작동 유체는 작동 유체 도관(22)을 거쳐 작동 유체 펌프(24)에 의해 증발기(14) 내로 재차 펌핑된다.
도 1의 열 엔진(10)은 OTEC가 상이한 작동 유체 및 더 낮은 온도 및 압력을 사용하는 것이 상이한 점을 제외하고는, 대부분의 증기 터빈의 랭킨 사이클과 본질적으로 동일하다. 도 1의 열 엔진(10)은 OTEC 사이클이 반대 방향으로 실행되어 열원(예를 들어, 따뜻한 해수) 및 차가운 히트 싱크(예를 들어, 심해수)가 전력을 생산하는 데 사용되게 되는 점을 제외하고는, 상업용 냉장 설비와 또한 유사하다.
도 2는 선박 또는 플랫폼(210), 따뜻한 해수 입구(212), 온수 펌프(213), 증발기(214), 따뜻한 해수 출구(215), 터보-발전기(216), 냉수 파이프(217), 차가운 해수 입구(218), 냉수 펌프(219), 응축기(220), 차가운 해수 출구(221), 작동 유체 도관(222), 작동 유체 펌프(224), 및 파이프 연결부(230)를 포함하는 부유식 OTEC 설비(200)의 통상의 구성 요소들을 도시하고 있다. OTEC 설비(200)는 발전, 변환 및 변속 시스템, 추진, 추력 또는 정박 시스템과 같은 위치 제어 시스템, 뿐만 아니라 다양한 보조 및 지원 시스템(예를 들어, 선원실, 긴급 전력, 식수, 화장실 오수 및 일반 오수, 소방, 손상 제어, 예비 부력, 및 다른 공통 선상 또는 해상 시스템)을 또한 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2의 기본 열 엔진 및 시스템을 이용하는 OTEC 발전소의 구현예는 3% 이하의 비교적 낮은 전체 효율을 갖는다. 이 낮은 열 효율에 기인하여, OTEC 작동은 발전된 전력의 킬로와트당 전력 시스템을 통한 대량의 물의 유동을 요구한다. 이는 이어서 증발기 및 응축기 내의 큰 열교환 표면적을 갖는 대형 열교환기를 요구한다.
이러한 큰 체적의 물 및 큰 표면적은 온수 펌프(213) 및 냉수 펌프(219) 내에 상당한 펌핑 용량을 요구하여, 해안-기반 설비 또는 선상 산업 용도로 분배를 위해 이용 가능한 순 전력을 감소시킨다. 더욱이, 대부분의 수상 선박의 제한된 공간은 증발기 또는 응축기로 유도되고 이들을 통해 유동하는 큰 체적의 물을 쉽게 용이하게 하지 않는다. 실제로, 큰 체적의 물은 대직경 파이프 및 도관을 요구한다. 이러한 구조물을 제한된 공간에 배치하는 것은 다른 기계류를 수용하기 위한 다수의 만곡부를 요구한다. 그리고, 통상의 수상 선박 또는 구조물의 제한된 공간은 OTEC 설비 내의 최대 효율을 위해 요구되는 큰 열교환 표면적을 쉽게 용이하게 하지 않는다. 따라서, OTEC 시스템 및 선박 또는 플랫폼은 전통적으로 대형이고 고가였다. 이는 OTEC 작동이 더 고온 및 고압을 사용하는 다른 에너지 생산 옵션에 비교할 때 고비용의 저수율 에너지 생산 옵션이라는 산업 결론을 유도하였다.
설명된 시스템 및 방법의 양태는 OTEC 작동의 효율을 향상시키고 구성 및 작동의 비용을 저감하기 위해 기술적 과제들을 처리한다.
선박 또는 플랫폼(210)은 냉수 파이프(217)와 선박 또는 플랫폼(210) 사이의 동적 힘을 최소화하고 플랫폼 또는 선박 내의 OTEC 장비를 위한 온화한 작동 환경을 제공하기 위해 낮은 운동을 요구한다. 선박 또는 플랫폼(210)은 또한 차가운 해수 입구(218) 및 따뜻한 해수 입구(212) 체적 유동을 지원하여, OTEC 프로세스 효율을 제공하기 위해 적절한 레벨로 충분한 냉수 및 온수를 유도해야 한다. 선박 또는 플랫폼(210)은 또한 해수면층 내로의 열적 재순환을 회피하기 위해 선박 또는 플랫폼(210)의 흘수선(waterline)보다 충분히 낮게 냉수 출구(221) 및 온수 출구(215)를 거쳐 냉수 및 온수 배출을 가능하게 해야 한다. 부가적으로, 선박 또는 플랫폼(210)은 발전 작동을 방해하지 않고 황천(heavy weather)에 생존해야 한다.
OTEC 열 엔진(10)은 최대 효율 및 전력 생산을 위한 매우 효율적인 열적 사이클을 이용해야 한다. 비등 및 응축 프로세스에서 열전달, 뿐만 아니라 열교환기 재료 및 디자인은 각각의 파운드의 따뜻한 해수로부터 추출될 수 있는 에너지량을 제한한다. 증발기(214) 및 응축기(220)에 사용되는 열교환기는 기생 부하를 최소화하기 위해 낮은 수두 손실을 갖는 고체적의 온수 및 냉수 유동을 요구한다. 열교환기는 또한 효율을 향상시키기 위해 높은 열전달의 효율을 요구한다. 열교환기는 효율을 향상시키기 위해 온수 및 냉수 입구 온도에 적합화될 수도 있는 재료 및 디자인을 합체할 수 있다. 열교환기 디자인은 비용 및 체적을 감소시키기 위해 최소량의 재료를 갖는 간단한 구성 방법을 사용해야 한다.
터보 발전기(216)는 최소 내부 손실을 갖고 매우 효율적이어야 하고, 효율을 향상시키기 위해 작동 유체에 또한 적합화될 수도 있다.
도 3은 종래의 OTEC 발전소의 효율을 향상시키고 그와 연계된 다수의 기술적 과제를 극복하는 구현예를 도시하고 있다. 이 구현예는 열교환기 및 스파에 일체형인 연계된 온수 및 냉수 배관을 갖는, 선박 또는 플랫폼용 스파를 포함한다.
OTEC 스파(310)는 OTEC 발전소와 함께 사용을 위한 일체형 다단 열교환 시스템을 수용한다. 스파(310)는 흘수선(305) 아래에 잠수부(311)를 포함한다. 잠수부(311)는 온수 취수부(340), 증발기부(344), 온수 배출부(346), 응축기부(348), 냉수 취수부(350), 냉수 파이프(217), 냉수 배출부(352), 기계류 데크부(354)를 포함한다. 스파(310)는 잠수부 위에 놓이는 데크 하우스(360)를 또한 포함한다.
작동시에, 75℉ 내지 85℉의 따뜻한 해수는 온수 취수부(340)를 통해 흡인되고, 도시되어 있지 않은 구조적으로 일체형 온수 도관을 통해 스파를 따라 아래로 유동한다. OTEC 열 엔진의 고체적 물 유동 요구에 기인하여, 온수 도관은 500,000 gpm 내지 6,000,000 gpm의 증발기부(344)로 유동을 유도한다. 이러한 온수 도관은 6 ft 내지 35 ft 이상의 직경을 갖는다. 이 크기에 기인하여, 온수 도관은 스파(310)의 수직 구조적 부재이다. 온수 도관은 수직 지지 스파(310)에 충분한 강도의 대직경 파이프일 수 있다. 대안적으로, 온수 도관은 스파(310)의 구성에 일체형인 통로일 수 있다.
온수는 이어서 작동 유체를 증기로 가온하기 위한 하나 이상의 적층형 다단 열교환기를 수용하는 증발기부(344)를 통해 유동한다. 따뜻한 해수는 이어서 스파(310)로부터 온수 배출부(346)를 거쳐 배출된다. 온수 배출부는 환경적 영향을 최소화하기 위해 온수 배출부 온도와 대략적으로 동일한 온도인 해양 열층(thermal layer)에서 또는 그에 근접한 깊이로 온수 배출 파이프를 거쳐 위치되거나 유도될 수 있다. 온수 배출부는 온수 취수부 또는 냉수 취수부 중 어느 하나와의 열적 재순환의 가능성을 감소시키기 위해 충분한 깊이로 유도될 수 있다.
차가운 해수는 대략 40℉의 온도에서, 2500 내지 4200 ft 이상의 깊이로부터 냉수 파이프(217)를 거쳐 흡인된다. 차가운 해수는 냉수 취수부(350)를 거쳐 스파(310)에 진입한다. OTEC 열 엔진의 고체적 물 유동 요구에 기인하여, 차가운 해수 도관은 500,000 gpm 내지 6,000,000 gpm의 응축기부(348)로 유동을 유도한다. 이러한 차가운 해수 도관은 6 ft 내지 35 ft 이상의 직경을 갖는다. 이러한 크기에 기인하여, 차가운 해수 도관은 스파(310)의 수직 구조적 부재이다. 냉수 도관은 스파(310)를 수직으로 지지하기 위해 충분한 강도의 대직경 파이프일 수 있다. 대안적으로, 냉수 도관은 스파(310)의 구성에 일체형인 통로일 수 있다.
차가운 해수는 이어서 적층형 다단 응축기부(348)로 상향으로 유동하고, 여기서 차가운 해수는 작동 유체를 액체로 냉각한다. 차가운 해수는 이어서 스파(310)로부터 차가운 해수 배출부(352)를 거쳐 배출된다. 냉수 배출부는 차가운 해수 배출부 온도와 대략적으로 동일한 온도인 해수 열층에 또는 그에 근접한 깊이로 차가운 해수 배출 파이프를 거쳐 위치되거나 유도될 수 있다. 냉수 배출부는 온수 취수부 또는 냉수 취수부 중 어느 하나와의 열적 재순환의 가능성을 감소시키기 위해 충분한 깊이로 유도될 수 있다.
기계류 데크부(354)는 증발기부(344)와 응축기부(348) 사이에 수직으로 위치될 수 있다. 증발기부(344) 아래에 기계류 데크부(354)를 위치설정하는 것은 취수부로부터 다단 증발기를 통해 배출부로 거의 직선형 온수 유동을 허용한다. 응축기부(348) 위에 기계류 데크부(354)를 위치설정하는 것은 취수부로부터 다단 응축기를 통해 배출부로 거의 직선형 냉수 유동을 허용한다. 기계류 데크부(354)는 터보-발전기(356)를 포함한다. 작동시에, 증발기부(344)로부터 증기로 가열된 따뜻한 작동 유체는 하나 이상의 터보-발전기(356)로 유동한다. 작동 유체는 터보-발전기(356) 내에서 팽창하여, 이에 의해 전력의 생산을 위한 터빈을 구동한다. 작동 유체는 이어서 응축기부(348)로 유동하고, 여기서 액체로 냉각되어 증발기부(344)로 펌핑된다.
열교환기의 성능은 유체들 사이의 이용 가능한 온도차 뿐만 아니라 열교환기의 표면에서의 열전달 효율에 의해 영향을 받는다. 열전달 효율은 일반적으로 열전달 표면을 가로지르는 유체의 속도에 따라 변화한다. 더 높은 유체 속도는 더 높은 펌핑 전력을 요구하여, 이에 의해 설비의 순 효율을 감소시킨다. 하이브리드 캐스케이딩(hybrid cascading) 다단 열교환 시스템은 더 낮은 유체 속도 및 더 높은 설비 효율을 용이하게 한다. 적층형 하이브리드 캐스케이드 열교환 디자인은 또한 열교환기를 통한 더 낮은 압력 강하를 용이하게 한다. 수직 설비 디자인은 전체 시스템을 가로지르는 더 낮은 압력 강하를 용이하게 한다. 하이브리드 캐스케이딩 다단 열교환 시스템은 2010년 1월 21일자로 본 출원과 동일자로 출원된 발명의 명칭이 "해양 열에너지 변환 설비(Ocean Thermal Energy Conversion Plant)"인 미국 특허 출원 공개 US 2011/0173979 A1호에 설명되어 있고, 이 출원 공개의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있고 부록 A로서 여기에 첨부되어 있다.
전술된 바와 같이, OTEC 작동은 일정한 온도의 냉수의 소스를 요구한다. 냉각수의 편차는 OTEC 발전소의 전체 효율에 상당히 영향을 미칠 수 있다. 이와 같이, 대략 40℉의 물은 2700 ft 내지 4200 ft 이상의 깊이로부터 흡인된다. 기다란 취수 파이프가 OTEC 발전소에 의한 사용을 위해 표면에 이 냉수를 흡인하도록 요구된다. 이러한 냉수 파이프는 적합한 성능 및 내구성의 파이프를 구성하는 데 있어서 비용에 기인하여, 상업적으로 실행 가능한 OTEC 작동에 장애물이 되어 왔다.
냉수 파이프(cold water pipe: "CWP:")는 2700 ft 내지 422 ft 이상의 해양 깊이에서 냉수 저장조로부터 물을 흡인하는 데 사용된다. 냉수는 발전소 터빈으로부터 나오는 다양한 작동 유체로 액체를 냉각하여 응축하는 데 사용된다. 냉수 파이프 및 선박 또는 플랫폼으로의 그 연결부는 파이프 하중, 최대 100년 폭풍우 고초의 파도 및 조류 부하를 받게 될 때 파이프 및 플랫폼의 상대 운동에 의해 부여되는 정적 및 동적 부하, 및 물펌프 흡입에 의해 유도되는 붕괴 부하를 견디도록 구성된다. 냉수 파이프는 항력 손실을 갖는 요구된 물 유동을 취급하도록 치수 설정되고, 해수 내에서 내구성이 있고 내부식성이 있는 재료로 제조된다.
냉수 파이프 길이는 온도가 대략 40℉인 깊이로부터 물을 흡인하기 위한 요구에 의해 규정된다. 냉수 파이프 길이는 2000 피트 내지 4000 ft 이상일 수 있다. 설명된 본 발명의 시스템 및 방법의 양태에서, 냉수 파이프는 대략 3000 피트 길이일 수 있다.
냉수 파이프 직경은 발전소 크기 및 물 유동 요구에 의해 결정된다. 파이프를 통한 물 유량은 원하는 전력 출력 및 OTEC 발전소 효율에 의해 결정된다. 냉수 파이프는 500,000 gpm 내지 3,500,000 gpm 이상의 유량으로 선박 또는 플랫폼의 냉수 도관으로 냉수를 운반할 수 있다. 냉수 파이프 직경은 6 피트 내지 35 피트 이상일 수 있다. 본 발명의 양태에서, 냉수 파이프 직경은 대략 31 피트 직경이다.
OTEC 작동에 특정한 종래의 냉수 파이프 디자인은 섹션 구성(sectional construction)을 포함하였다. 10 내지 80 피트 길이의 원통형 파이프 섹션은 충분한 길이가 성취될 때까지 직렬로 함께 볼트 결합되거나 결합되었다. 다수의 원통형 파이프 섹션을 사용하여, 냉수 파이프는 설비 시설 부근에서 조립될 수 있고, 완전히 구성된 파이프는 직립하여 설치될 수 있다. 이 접근법은 파이프 섹션들 사이의 연결점들에서 응력 및 피로를 포함하는 상당한 결점을 가졌다. 더욱이, 전체 파이프 중량에 추가된 연결 하드웨어는 파이프 섹션 연결부 및 완전히 조립된 냉수 파이프와 OTEC 플랫폼 또는 선박 사이의 연결부에서 응력 및 피로 고려사항을 더 복잡하게 한다.
도 4를 참조하면, 연속적인 오프셋 스테이브가 있는 냉수 파이프가 도시되어 있다. 냉수 파이프(217)는 오프셋 스테이브 구성을 이용하는 대신에, 종래의 냉수 파이프 디자인에 존재하는 섹션 조인트가 없다. 냉수 파이프(217)는 부유 OTEC 플랫폼(411)의 잠수부로의 연결을 위한 상단부(452)를 포함한다. 상단부(452)에 대향하여 밸러스트(ballast) 시스템, 고정 시스템, 및/또는 취수구 스크린(intake screen)을 포함할 수 있는 저부(454)가 있다.
냉수 파이프(217)는 실린더를 형성하도록 조립된 복수의 오프셋 스테이브를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 복수의 오프셋 스테이브는 교번적인 다수의 제1 스테이브(465) 및 다수의 제2 스테이브(467)를 포함한다. 각각의 제1 스테이브는 상부 에지(471) 및 저부 에지(472)를 포함한다. 각각의 제2 스테이브는 상부 에지(473) 및 저부 에지(474)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제2 스테이브(467)는 상부 에지(473)[제2 스테이브부(467)의]가 상부 에지(471)[제1 스테이브부(465)의]로부터 3% 내지 97% 수직으로 변위되도록 인접한 제1 스테이브부(465)로부터 수직으로 오프셋된다. 인접한 스테이브들 사이의 오프셋은 대략 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% 이상일 수 있다.
냉수 파이프(217)의 개별 스테이브는 폴리염화비닐(PVC), 염소화 폴리염화비닐(CPVC), 섬유 보강 플라스틱(FRP), 보강 폴리머 모르타르(RPMP), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 가교 결합 고밀도 폴리에틸렌(PEX), 폴리부틸렌(PB), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS); 폴리우레탄, 폴리에스터, 섬유 보강 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 보강 비닐 에스테르, 콘크리트, 세라믹, 또는 이들의 하나 이상의 복합물로부터 제조될 수 있다. 개별 스테이브는 표준 제조 기술을 사용하여 성형되고, 압출되거나 또는 인발될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 개별 스테이브는 원하는 형상 및 형태로 인발되고, 섬유 또는 나일론 보강 비닐 에스테르를 포함한다. 비닐 에스테르는 미국 켄터키주 코빙턴 소재의 Ashland Chemical로부터 입수 가능하다.
몇몇 실시예에서, 스테이브들은 적합한 접착제를 사용하여 인접한 스테이브들에 접합된다. 예를 들어, 보강 비닐 에스테르를 포함하는 스테이브들은 비닐 에스테르 수지를 사용하여 인접한 스테이브들에 접합된다.
스테이브가 있는 디자인은 분할형 파이프 구성에 의해 전통적으로 경험되는 불리한 선적 및 취급 부하를 고려한다. 예를 들어, 전통적으로 구성된 분할형 냉수 파이프들의 견인 및 직립은 파이프 상에 위험한 부하를 부여한다.
스테이브가 있는 구성은 40 내지 50 ft 길이의 다수의 스테이브의 주변 부지 제조(offsite manufacturing)를 허용한다. 각각의 스테이브는 대략 52 인치 폭 및 1 내지 6 인치 두께이다. 스테이브들은 해안 플랫폼에 스택 또는 컨테이너 내에서 선적될 수 있고, 냉수 파이프는 이어서 다수의 스테이브로부터 플랫폼 상에 구성될 수 있다. 이는 파이프 섹션을 조립하기 위한 개별 시설을 위한 요구를 제거한다.
냉수 파이프 구성 및 성능의 추가의 상세는 2010년 1월 21일 출원된 발명의 명칭이 "해양 열에너지 변환 발전소 냉수 파이프(Ocean Thermal Energy Conversion Power Plant Cold Water Pipe)"인 미국 특허 출원 공개 US 2011/0173978 A1호에 설명되어 있고, 이 출원 공개의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있고 부록 B로서 여기에 첨부되어 있다.
냉수 파이프(217)와 스파 잠수부(311) 사이의 연결부는 구성, 유지보수 및 작동 과제를 제시한다. 예를 들어, 냉수 파이프는 동적 해양 환경에서 현수된 2000 ft 내지 4000 ft 수직 칼럼이다. 냉수 파이프가 연결되는 플랫폼 또는 선박은 또한 동적 해양 환경에서 부유한다. 더욱이, 파이프는 이상적으로 흘수선 아래에, 그리고 몇몇 실시예에서 흘수선보다 충분히 아래에 그리고 선박의 저부에 근접하여 연결된다. 적절한 위치로 완전 조립된 파이프를 조작하고 선박 또는 플랫폼에 파이프를 고정하는 것은 어려운 작업이다.
냉수 파이프 연결부는 플랫폼으로부터 현수된 파이프의 정적 중량을 지지하고, 파도 작용, 파이프 진동, 및 파이프 이동에 기인하여 플랫폼과 현수된 파이프 사이의 동적 힘을 고려한다.
짐벌, 볼 및 소켓, 및 유니버설 연결부를 포함하는 다양한 OTEC 냉수 파이프 연결부는 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 문헌 "해양으로부터 재생 가능 에너지, OTEC로의 가이드(Renewable Energy from the Ocean, a Guide to OTEC)" 윌리엄 에이브리(William Avery) 및 치 우(Chih Wu), 옥스퍼드 대학교 출판사(Oxford University Press), 1994년의 섹션 4.5에 개시되어 있다. 단지 짐벌 연결부만이 작동적으로 테스트되었고 30°의 회전을 허용하는 2축 짐벌을 포함하였다. 에이브리 및 우에 설명되어 있는 바와 같이, 짐벌의 평면에서, 구형 쉘(shell)이 파이프의 상부를 형성하였다. 나일론 및 테플론(Teflon)의 편평한 링을 갖는 원통형 캡이 파이프 내의 냉수와 주위 플랫폼 구조체 사이에 슬라이딩 밀봉부를 제공하였다. 짐벌이 있는 파이프 연결부가 도 5에 도시되어 있다.
종래의 냉수 파이프 연결부는 히브 및 파도 작용에 기인하여 스파 플랫폼보다 큰 수직 변위를 나타내는 전통적인 선체 형태 및 플랫폼을 위해 설계되었다. 플랫폼으로서 스파 부력을 사용하는 상당한 장점들 중 하나는, 이와 같이 하는 것이 대부분의 심각한 100년 폭풍우 조건에서도 스파 자체와 냉수 파이프 사이의 비교적 작은 회전을 야기하는 것이다. 게다가, 스파와 냉수 파이프 사이의 수직력 및 횡력은 구형 볼과 그 시트 사이의 하향력이 베어링면들을 항상 접촉 상태로 유지하도록 이루어진다. 몇몇 실시예에서, 냉수 파이프와 연결 베어링면 사이의 하향력은 0.4 g 내지 1.0 g이다. 물 밀봉부로서 또한 작용하는 이 베어링은 그 정합 구형 시트와 접촉 상태로부터 벗어나지 않기 때문에, 냉수 파이프를 수직으로 적소에 유지하기 위한 기구를 설치할 필요성이 감소되거나 없다. 이는 구형 베어링 디자인을 간단화하는 것을 돕고, 또한 그렇지 않으면 임의의 부가의 냉수 파이프 구속 구조체 또는 하드웨어에 의해 발생될 수도 있는 압력 손실을 최소화한다. 구형 베어링을 통해 전달된 횡력은 또한 이들이 냉수 파이프의 수직 구속의 필요성 없이 적절하게 수용될 수 있도록 충분히 낮다.
설명된 본 발명의 시스템 및 방법의 양태는 플랫폼의 저부를 통한 상향으로의 냉수 파이프의 수직 삽입을 허용한다. 이는 플랫폼 아래로부터 제 위치로 완전 조립된 냉수 파이프를 상승시킴으로써 성취된다. 이는 플랫폼과 파이프의 동시 구성 뿐만 아니라 유지보수를 위한 냉수 파이프의 용이한 설치 및 제거를 제공하는 것을 용이하게 한다.
도 3을 참조하면, 냉수 파이프(217)는 냉수 파이프 연결부(375)에서 스파 플랫폼(310)의 잠수부(311)에 연결한다. 냉수 파이프는 도 3의 OTEC 스파의 저부와 동적 베어링을 사용하여 연결한다.
몇몇 실시예에서, 구형 표면을 거쳐 가동 멈춤쇠에 장착된 파이프 칼라(collar)를 포함하는 냉수 파이프 연결부가 제공된다. 가동 멈춤쇠는 스파 플랫폼의 기부에 결합된다. 가동 멈춤쇠를 합체하는 것은 냉수 파이프 수용 베이 내로 그리고 그로부터의 냉수 파이프의 수직 삽입 및 제거를 허용한다.
도 6은 냉수 파이프 연결부(375)가 베이벽(777) 및 멈춤쇠 하우징(778)을 포함하는 파이프 수용 베이(776)를 포함하는 예시적인 시스템을 도시하고 있다. 수용 베이(776)는 베이벽(777) 사이의 직경의 길이에 의해 규정된 수용 직경(780)을 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 수용 직경은 냉수 파이프(217)의 외부 칼라 직경(781)보다 크다.
냉수 파이프 연결부(375) 및 스파(311)의 하부 부분은 일단 현수되면 냉수 파이프(217)에 의해 스파(311) 상에 부여되어 전달된 중량 및 동적 힘을 지탱하기 위한 구조적 보강부 및 지지부를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 냉수 파이프 연결부(375)는 멈춤쇠 하우징(778)과, 제1 위치로부터 제2 위치로의 멈춤쇠(840)의 이동을 허용하기 위해 멈춤쇠 하우징(778)에 기계적으로 결합되는 가동 멈춤쇠(840)를 포함한다. 제1 위치에서, 가동 멈춤쇠(840)는 멈춤쇠(840)가 수용 베이(776)의 중심을 향해 내향으로 돌출하지 않고 수용 직경(780)의 외부에 잔류하도록 멈춤쇠 하우징(778) 내에 수용된다. 제1 위치에서, 냉수 파이프(217)의 상단부(385)는 가동 멈춤쇠(840)로부터의 간섭 없이 파이프 수용 베이(776) 내에 삽입될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가동 멈춤쇠(840)는 가동 멈춤쇠(840)의 어떠한 양태도 외부 칼라 직경(781)을 지나 수용 베이(776)의 중심을 향해 내향으로 돌출하지 않도록 제1 위치에 수용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 위치에서 가동 멈춤쇠(840)는 수용 베이(776)를 통한 냉수 파이프(217)의 수직 이동과 간섭하지 않는다.
제2 위치에서, 가동 멈춤쇠(840)는 멈춤쇠 하우징(778)을 지나 연장되고, 수용 베이(776)의 중심을 향해 내향으로 돌출한다. 제2 위치에서, 가동 멈춤쇠(840)는 외부 칼라 직경(781)을 지나 내향으로 연장한다. 가동 멈춤쇠(840)는 유압 액추에이터, 공압 액추에이터, 기계적 액추에이터, 전기적 액추에이터, 전자 기계적 액추에이터, 또는 상기 것들의 조합을 사용하여 제1 위치로부터 제2 위치로 조정되거나 이동될 수 있다.
가동 멈춤쇠(840)는 부분 구형 또는 아치형 베어링면(842)을 포함한다. 아치형 베어링면(842)은 가동 멈춤쇠(840)가 제2 위치에 있을 때 냉수 파이프 베어링 칼라(848)에 동적 베어링을 제공하도록 구성된다.
냉수 파이프 베어링 칼라(842)는 칼라 베어링면(849)을 포함한다. 아치형 베어링면(842) 및 칼라 베어링면(849)은 냉수 파이프(217)의 현수된 중량을 지지하기 위한 동적 베어링을 제공하도록 협동적으로 장착될 수 있다. 부가적으로, 아치형 베어링면(842) 및 칼라 베어링면(849)은 냉수 파이프(217)를 떼지 않고 냉수 파이프(217)와 플랫폼(310) 사이의 상대 운동을 고려하도록 협동적으로 장착된다. 아치형 베어링면(842) 및 칼라 베어링면(849)은, 일단 냉수 파이프(217)가 냉수 파이프 연결부(375)를 거쳐 플랫폼(310)에 연결되면, 상대적으로 온수가 파이프 수용 베이(776) 및 최종적으로 냉수 취수부(350)에 진입할 수 없도록 동적 밀봉부를 제공하도록 협동적으로 장착된다. 일단 냉수 파이프(217)가 현수되면, 냉수는 하나 이상의 냉수 펌프를 거쳐 냉수 파이프를 통해 흡인되고, 하나 이상의 냉수 통로 또는 도관을 거쳐 다단 OTEC 발전소의 응축기부로 유동한다.
아치형 베어링면(842) 및 칼라 베어링면(849)은 2개의 표면들 사이의 갈바닉 상호 작용(galvanic interaction)을 방지하기 위해 테플론 코팅과 같은 코팅으로 처리될 수 있다.
냉수 파이프를 부유 플랫폼에 연결하기 위한 동적 베어링면 및 가동 멈춤쇠 또는 피니언의 임의의 조합은 본 명세서의 청구범위 및 상세한 설명에서 고려된다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 아치형 베어링면은 가동 멈춤쇠 위에 위치될 수 있고, 아치형 베어링면은 가동 멈춤쇠의 측면, 또는 심지어 가동 멈춤쇠 아래에 위치될 수 있다. 가동 멈춤쇠는 전술된 바와 같이 부유 플랫폼의 저부에 일체형일 수 있다. 가동 멈춤쇠는 냉수 파이프에 일체형일 수 있다.
도 8은 냉수 파이프를 제조하고 조립하는 예시적인 방법을 도시하고 있다. 방법은 냉수 파이프 구성 요소 및 설치 장비를 제조하는 것과, 조립 부지(예를 들어, 부유 바지선 상의)의 스테이징 영역에서 조립을 위해 구성 요소를 준비하는 것을 포함한다. 일단, 냉수 파이프 구성 요소가 부유 바지선 상에서 적절하게 스테이징되면, 냉수 파이프는 부유 바지선 및/또는 부유 플랫폼 상에 장비를 사용하여 조립될 수 있다.
예 1: 냉수 파이프 조립체
구성 요소 및 조립 장비 제조
냉수 파이프 조립 및 스파 플랫폼으로의 연결에 앞서, 다양한 구성 요소가 취득되고 그리고/또는 제조된다.
예를 들어, 바지선(예를 들어, 탱크 바지선)(900)과 같은 부유 선박이 냉수 파이프(217)를 위한 조립 플랫폼으로서 기능하도록 얻어진다. 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 재료들이 바지선에 중앙에 위치된 크레인 또는 하강 조립체로부터 바지선 아래의 물 내로 적재될 수 있도록 개방 중앙 베이[문풀(moon pool)](902)를 포함하는 바지선(900)이 통상적으로 사용되어, 요소들로부터의 보호를 제공하고 바지선과 하강되는 냉수 파이프 사이의 상대 운동을 최소화한다. 몇몇 경우에, 탱크 바지선은 문풀(902)을 포함하도록 개장된다(retrofitted). 문풀(902)을 이용함으로써, 바지선(900)은 바지선의 측면 위의 물 내로 장비를 적재할 것인 바지선보다 냉수 파이프 조립 중에 더 양호하게 균형화된다. 바지선(900)은 또한 예를 들어 저장 영역(904), 발전 스테이션(906), 사무실(908), 헬로 데크(helo deck)(910), 및 조립에 앞서 파이프 스테이브들을 유지하기 위한 스테이브 레이다운 래크(laydown rack)(912)와 같은 다른 조립 장비 또는 시설들을 그 데크 상에 지지한다. 바지선(900)은 도시되어 있는 바와 같이, 문풀(902)을 갖는 단일 부유 선박, 또는 냉수 파이프(217)를 하강하기 위해 이들 사이에 간극을 갖고 구조적으로 결합된 2개 이상의 선박일 수 있다. 예를 들어, 크라울리(Crowley) 455 시리즈 바지선이 디자인 개발을 위해 사용되었고, 약 400 ft 길이, 약 105 ft 폭, 약 25 ft 깊이이고, 약 3,450 롱톤(long ton)의 경하배수톤수(lightship displacement), 및 약 100 롱톤의 부가의 인치배수톤수(displacement per inch of immersion)를 갖는다.
조립 프로세스를 위해 선택된 바지선은 이용 가능성, 비용, 예측된 환경 조건, 및 조립 중에 최대 허용된 운동에 따라 크기가 상이할 수 있다. 사용된 바지선의 유형에 따라, 종방향 강도가 결정되어야 하고, 밸러스팅이 조립 장비를 지지하는 데 요구되는 허용 가능한 종방향 및 횡방향 강도 한계 내에 잔류하기 위해 요구될 수도 있다.
바지선(900)은 도 9 내지 도 11b에 도시되어 있는 바와 같이, 냉수 파이프(217)를 조립하는 데 사용된 다양한 장비를 지지하기 위해 문풀(902) 주위에서 바지선(900)의 데크 상에 구성된 냉수 파이프 조립 받침대(914)를 포함한다. 예시적인 조립 받침대(914)는 바지선 크레인(916), 조립 받침대(914)의 상부면을 따른 스테이브 정렬핀(pin)(918), 스테이브 조립 맨드릴(920), 2개 이상의 작업 데크(922), 하나 이상의 냉수 파이프 보강부 어플리케이터(924), 및 하강 케이블(926A) 및 연계 윈치(926B), 및 해제 케이블(928A) 및 연계 윈치(928B)를 포함하거나 지지한다. 다양한 케이블이 묶이거나 얽히게 되는 것을 방지하기 위해, 윈치(926B, 928B)는 통상적으로 바지선 데크 상에 장착되고, 케이블(926A, 928A)은 풀리(930)를 사용하여 조립 받침대(914)를 따라 배열된다.
조립 프로세스의 부가의 상세가 도 12a 내지 도 12d 및 도 13에 도시되어 있다. 조립 프로세스 중에, 바지선(900)은 냉수 파이프(217)를 형성하는 데 사용된 다양한 구성 요소를 위한 스테이징 영역으로서 기능한다. 전술된 바와 같이, 냉수 파이프 구성 요소는 예를 들어, 스트레이크 및 스트레이크 핀(strake fin), 벨 마우스(932), 클럼프 웨이트(clump weight)(934), 및 다수의 파이프 스테이브(936)를 포함한다. 구성 요소들은 패키징되고[예를 들어, 크레이트(crate) 또는 선적 컨테이너 내에) 스테이징 부지(예를 들어, 바지선 상에)로 선적된다.
파이프의 스테이브(936)는 통상적으로 35 내지 48 ft 길이어서 이들이 표준 ISO 40-ft 선적 컨테이너 또는 신장된 ISO 54-ft 컨테이너 내에 끼워질 수 있게 된다. 각각의 스테이브(936)는 예를 들어 섬유 유리 보강 폴리머(FRP)와 같은 복합재 외피로 구성되고, 발포체-충전된 내부를 갖는다. 스테이브(936)는 이들의 종방향 에지들의 각각을 따라 결합되도록 설계된다. 종방향 에지들은 예를 들어, 텅 및 그루브(tongue and groove)식 연결부와 같은 상호 잠금 인터페이스를 가져, 이들이 하나의 스테이브를 인접한 스테이브를 따라 종방향으로 슬라이드함으로써 결합될 수 있게 된다. 각각의 스테이브(936)의 종방향 에지들은 영구적인 방식으로 모든 인접한 에지들을 묶도록 접착제가 도포되는(예를 들어, 주입되는) 채널을 포함할 수 있다. 각각의 스테이브(936)의 단부 에지들은 또한 서로 결합하도록 설계된다. 스테이브들의 단부들을 결합하기 위해, 각각의 스테이브의 일 단부는 탭 특징부를 가질 수 있고, 다른 단부는 탭을 수용하기 위한 슬롯을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 양 단부는 슬롯을 포함하고, 인서트(예를 들어, 결합기)는 "비스킷형 조인트(biscuit-style joint)"와 유사한 2개의 인접한 슬롯 내로 삽입된다. 스트레이크 핀은 통상적으로 스테이브 제조 중에 스테이브(936)의 외부면에 고정(예를 들어, 접착)된다.
준비된 파이프 스테이브(936)는 냉수 파이프 스테이징 및 조립 중에, 이들 파이프 스테이브가 설치되는 순서로 제거될 수 있도록 선적 컨테이너 내에 패키징되고 편성된다. 패키징 순서 및 따라서 조립 순서는, 스테이브(936)가 냉수 파이프(217) 주위에 특정 패턴을 형성하도록(예를 들어, 나선을 형성하도록) 의도될 때 또는 대안적으로 상이한 길이의 스테이브(936)가 설치될 때 중요할 수 있다. 선적 컨테이너로부터, 스테이브(936)는 스테이브 정렬 지그(948) 내로 개별적으로 패키징되고 스테이브 레이다운 래크(912) 상에 편성된다. 각각의 스테이브 정렬 지그(948)는, 통상적으로 몇몇 경우에 스트레이크가 부착되어 있는 단일의 스테이브(936)가 해안 부지로부터 바다에서의 조립 부지[예를 들어, 조립 바지선(900)] 상의 스테이브 레이다운 래크(912)로의 운반을 위해 패키징되는 경량 박스이다. 각각의 정렬 지그(948)의 상부는 인양 고리(크레인에 의해 상승될 때 지그가 수직이도록 무게중심 위에 있도록 오프셋됨)를 포함하고, 각각의 지그(948)의 저부는 조립 받침대(914)의 상부를 따라 위치된 돌출하는 위치설정 및 잠금핀(918)에 정합하는 플랜지를 포함한다. 조립 받침대(914)는 다수의 세트의 핀(918)을 포함하고, 핀(918)의 수는 냉수 파이프(217)의 원주 주위에 위치된 파이프 스테이브(936)의 수에 대응한다. 설치 중에, 핀(918)은 적절한 위치설정을 제공하기 위해 각각의 정렬 지그(948)의 기부를 적소에 잠금한다. 파이프 스테이브(936)는 통상적으로 설치까지 이들의 정렬 지그 내에 유지되지만, 다른 구성 요소들[예를 들어, 클럼프 웨이트(934) 및 벨 마우스(932)]은 이들의 각각의 크레이트로부터 제거되고 조립을 위해 준비될 바지선(900)의 레이다운 영역을 따라 레이아웃될 수 있다.
클럼프 웨이트(934) 및 벨 마우스(932)가 취출되고(uncrated) 레이다운 영역을 따라 위치된 상태로, 이들은 다수의 케이블을 사용하여 연결되어 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)를 형성할 수 있다. 케이블들은 클럼프 웨이트(934) 및 벨 마우스(932)가 수직으로 현수될 때 서로로부터 약 12 내지 36 피트 이격되도록 치수 설정된다. 케이블들이 레이아웃되고 연결될 때 교차하거나 엉키지 않는 가능성을 증가시켜 상승될 때 클럼프 웨이트(934)가 벨 마우스(932)로부터 적절하게 현수할 수 있게 하도록 조립 중에 집중 및 주의가 취해져야 한다.
플랫폼 스테이징
냉수 파이프 구성 요소들이 선상에 있고 바지선(900) 및 조립 장비[예를 들어, 조립 받침대(914)의 부분]가 바지선(900) 상에 설치된 상태로, 바지선(900)은 플랫폼(210)으로 견인되어 조립을 시작할 수 있다. 일단 플랫폼(210) 부근에 적소에 있으면, 스테이징이 시작될 수 있고, 다양한 장비의 부분이 테스트되고 그리고/또는 조립을 위해 준비된다. 예를 들어, 바지선(900) 상의 하강 케이블 윈치(926B) 및 해제 케이블 윈치(928B)는 조립 중에 냉수 파이프(217)의 길이를 지지하기 위한 충분한 이동 길이를 갖고, 손상되지 않고, 모든 관점에서 안전하고 확실한 설치를 위해 적합하다. 런아웃(run out) 테스트가 또한 하나 이상의 바지선 크레인(916)에 대해 수행된다. 런아웃 테스트는 크레인(916)이 후속의 프로세스 중에 적절하게 수행할 수 있을 것인지를 확인한다.
조립은 일단 모든 테스트가 수행되면 시작된다. 먼저, 상승 및 팽창형 정렬 트러스(truss) 조립체가 벨 마우스(932) 내에 삽입되고 따라서 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 상승될 수 있다. 도 12a에 도시되어 있는 바와 같이, 바지선 크레인(916)의 후크는 팽창형 정렬 트러스 조립체의 중심을 통해 하강되고 벨 마우스 신속 해제 연결 장치(또는 "스파이더")(940)의 상승 패드 아이의 중심에 부착된다. 스파이더(940)는 외향으로 걸치게 되어(span), 스파이더 해제 케이블(928A)이 인장 상태에 있을 때 파이프의 내부벽을 파지한다. 스파이더 해제 케이블이 또한 이 때 부착되어 파이프의 중심으로 아래로 진행하게 된다. 스파이더 해제 케이블은 분리될 바지선으로부터의 최종 케이블이다. 이 케이블은 스파로부터의 인입 케이블(retraction cable)이 CWP의 상부에서 상승 러그에 부착된 후에만 느슨해진다. 스파이더 해제 케이블(928A)은 CWP의 손실을 방지하기 위해 바지선으로의 CWP의 중복 부착부로서 기능하고, 또한 조립 및 하강 중에 CWP를 수직으로 배향된 상태로 유지하는 것을 돕는다. 조립 받침대(914)의 하강 케이블(926A)은 또한 바지선(900)의 문풀(902)을 통해 아래로 하강되고, 바지선(900)의 측면으로 잡아당겨지고, 바지선(900)의 측면 위로 상승된다. 일단 물로부터 제거되면, 하강 케이블(926A)은 팽창형 정렬 트러스 조립체에 연결되어 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 바지선 크레인(916) 및 하강 케이블(926A)의 모두에 의해 지지될 수 있게 된다. 도 12b에 도시되어 있는 바와 같이, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)는 이어서 바지선 크레인(916)에 의해 조심스럽게 상승되고, 바지선(900) 옆에 있는 물 내로 천천히 하강된다. 일단 수중에서, 바지선 크레인(916)은 도 12c에 도시되어 있는 바와 같이, 장력이 하강 케이블(926A)을 위로 당김으로써 취해질 수 있도록 충분히 깊을 때까지 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)를 계속 천천히 하강시키고, 벨 마우스 및 클럼프 조립체(938)는 조립 받침대(914) 및 문풀(902) 아래의 위치를 취한다. 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 적소에 있고 하강 케이블(926A)에 의해 지지된 후에, 바지선 크레인(916)에 부착된 케이블은 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)로부터 해제되고(예를 들어, 다이버 또는 원격 조작식 해제부를 사용하여) 바지선(900)의 측면 위로 재차 인입된다. 도 12d에 도시되어 있는 바와 같이, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 단지 하강 케이블(926A)에 의해 지지된 상태로, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)는 하강 케이블 윈치(926B)에 의해 상승되어 벨 마우스(932)의 상부가 조립 받침대(914) 내에서 바지선(900)의 데크 위로 약 24 내지 48 인치에 있게 된다. 벨 마우스(932)는 냉수 파이프의 조립에 있어서 다음 단계를 준비할 때에 검사되고 세척된다.
몇몇 실시예에서, 냉수 파이프(217)의 부분은 벨 마우스(932)가 수중에 배치되기 전에 바지선 데크 상에 있을 때 벨 마우스(932) 상에 설치된다. 냉수 파이프(217)의 부분을 설치하기 위해, 일련의 파이프 스테이브(936)가 벨 마우스(932)에 고정된다(예를 들어, 체결구 및 접착제를 사용하여).
냉수 파이프 조립체
일단 조립 받침대(914)가 완전 조립되어 데크에 고정되면, 냉수 파이프(217)는 바지선 크레인(916)을 사용하여 조립될 수 있다. 바지선 크레인(916)을 사용하여, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 내부에 격납되어 있는 스테이브(936)를 갖는 제1 스테이브 정렬 지그(948a)가 레이다운 래크(912)로부터 상승된다. 크레인은 조립 받침대(914) 상의 핀(918)의 세트들 중 하나 상에 정렬 지그의 기부를 위치시킨다. 일단 제 위치에서, 핀(918)은 잠금되고, 제1 스테이브 정렬 지그(948a)는 조립 받침대(914)에 고정된다. 제1 스테이브 정렬 지그(948a)가 조립 받침대(914)에 고정된 상태에서, 바지선 크레인(916)은 제1 스테이브 정렬 지그(948a)를 해제하고 그 내부의 스테이브(936)에 부착된다. 일단 스테이브(936)가 바지선 크레인(916)에 부착되면, 제1 스테이브 정렬 지그(948a)는 스테이브(936)를 해제하고, 스테이브(936)는 바지선 크레인(916)을 사용하여 하강되어 제1 스테이브 정렬 지그(948a)의 슬라이드를 따라 이동하여 조립 받침대(914) 내로 하강하게 된다. 스테이브(936)가 제1 스테이브 정렬 지그(948a)를 나올 때, 조립 받침대(914)의 작업 데크(922) 상의 작업원은 스테이브(936) 상에 위치하고 스테이브(936)는 바지선 크레인(916)을 사용하여 상부 및 하부 패드부착된 드롭다운 힌지 연결식 완충기 바아(padded, drop-down, hinged snubber bar)에 의해 또는 각각의 완충기 바아에 있는 로컬 기구와 같은 다른 수단에 의해 맨드릴(920)에 대해 적소에 유지된다.
제1 스테이브(936)가 적소에 고정된 상태에서, 제1 스테이브 정렬 지그(948a)는 스테이브 레이다운 래크(912)로 복귀되고, 제2 스테이브 정렬 지그(948b)는 상승되어 제1 스테이브 정렬 지그(948a)가 위치되었던 핀의 세트에 인접한 제2 세트의 핀(918) 상에 위치된다. 제2 스테이브 정렬 지그(948b)가 핀(918) 상의 적소에 위치된 상태에서, 제2 스테이브 정렬 지그(948b)는 조립 받침대(914)에 고정된다. 일단 제2 스테이브 정렬 지그(948b)가 조립 받침대(914)에 고정되면, 제2 스테이브(936)는 조립 받침대(914) 내로 하강된다. 작업 데크(922) 상의 작업원은 제1 스테이브에 인접하여 제2 스테이브(936)를 위치시키고, 제2 스테이브는 바지선 크레인(916)을 사용하여 상부 및 하부 패드부착된 드롭다운 힌지 연결식 완충기 바아에 의해 제1 스테이브에 대해 그리고 맨드릴(920)에 대해 적소에 유지된다.
그 후에, 부가의 스테이브 정렬 지그(948)는 상승되어 핀(918)을 사용하여 조립 받침대(914)에 고정되어, 스테이브(936)가 제1 및 제2 스테이브와 동일한 방식으로 설치될 수 있게 된다. 각각의 경우에, 그 스테이브가 비워져 있는 스테이브 정렬 지그(948)는 스테이브 레이다운 래크(912)로 복귀된다. 냉수 파이프(217)의 제1 링 세그먼트를 형성하는 스테이브(936)는 통상적으로 2개의 상이한 크기이다(예를 들어, 35 내지 40 피트 길이인 최대 길이 스테이브 및 20, 22, 24, 25, 26, 30 또는 34 피트 길이인 단축 스테이브). 상이한 길이의 스테이브(936)는 교번적인 순서로 조립되어 스테이브(936)의 스태거 링을 생성한다. 이는 이들 스테이브의 하단부들이 벨 마우스(932)의 상부에 대해 동일 높이로 형성되게 하고, 상단부들은 엇갈리게 한다.
냉수 파이프의 링 부분을 완성하는 데 요구되는 모든 스테이브(936)(예를 들어, 22 피트 직경 냉수 파이프에 대해 18개의 스테이브 또는 31 피트 직경 냉수 파이프에 대해 25개의 스테이브)가 적소에 위치되어 제1 스테이브 세그먼트를 형성할 때, 원주방향 타이랩(tie wrap)이 냉수 파이프 주위에 체결되어 약간 긴장된다. 조립된 스테이브 세그먼트의 스테이브(936)의 단부들을 밀봉하여 접합하기 위해, 발포체(예를 들어, 신택틱 폼) 및 수지가 스테이브(936)의 상부에 있는 입구 내로 주입되고, 과잉의 수지가 스테이브(936)의 기부에서 소직경 드레인으로부터 유동할 때까지 종방향 에지를 따라 그리고 내부의 채널을 따라 아래로 유동한다. 일단 수지가 드레인으로부터 유동하기 시작하면, 주입은 정지되고 스테이브 드레인은 폐색된다. 수지가 주입된 상태로, 타이랩은 긴장되고, 과잉의 수지가 제거될 수 있고, 잔여 수지는 사용된 수지의 유형에 따라 소정 시간 기간 동안 경화되도록 허용된다. 예를 들어, UV 및/또는 마이크로파 광선의 인가에 의해 경화되는 수지가 사용될 수 있다. 이러한 수지는 통상적으로 약 90 내지 210초에 경화될 수 있다. 다른 실시예에서, 접착제 접합 수지가 제조 프로세스에서 도포되는 데; 일 측면은 스테이브의 종방향 에지에 접합되고, 아직 끼워지지 않은 에지는 그 위에 박리 페이퍼 테이프를 갖는다. 스냅 결합 조인트의 고정 직전에, 페이퍼는 박리되고 접착성 수지가 활성화된다.
일단, 수지가 경화되면, 타이랩은 제거되고 냉수 파이프(217)는 하강되어, 스테이브(936)의 단부들[예를 들어, 스테이브(936)가 벨 마우스(932)와 만나게 되는 위치]은 조립 받침대(214)의 하부 부분에서 보강 어플리케이터(924)와 수직 정렬 상태에 있다. 보강 어플리케이터(924)는 냉수 파이프(217) 주위에서 회전하고, 조인트(예를 들어, 벨 마우스와 제1 스테이브 세그먼트 사이의 조인트 또는 대안적으로 스테이브들 사이의 조인트) 주위에 복합재 직물(fabric)(예를 들어, 수지 융합된 나일론 직물 또는 사전 함침된 직물)과 같은 접합 재료를 권취하여 부가의 지지 및 강도를 추가하고, 스테이브의 단부들의 맞댐 조인트(butt joint)를 더 밀봉한다. 직물들은 적합한 접합 및 구조적 지지를 허용하는 거리만큼 스테이브(936)의 하단부를 중첩하기 위해 제1 스테이브 세그먼트 주위에 권취된다. 통상적으로, 재료는 적어도 6인치, 최대 약 2 피트만큼 스테이브(936)의 하단부를 중첩한다.
벨 마우스(932)와 제1 스테이브 세그먼트 사이의 권취된 접합된 조인트는 적합한 시간(예를 들어, 1.5 내지 8분) 동안 공기중에서 경화하도록 허용되어, 하강되어 수중에 잠수되기 전에 적절한 접합의 가능성을 증가시킨다. 통상적으로, 벨 마우스(932) 및 제1 스테이브 세그먼트는 냉수 파이프 조립 부지로 운반될 수 있는 서브조립체로서 사전 조립된다.
일단, 접합된 조인트가 충분히 경화되면, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938) 및 접합된 부분 냉수 파이프(217) 조립체는 냉수 파이프(217)의 공칭 상단부(예를 들어, 스테이브들의 상단부들의 평균 높이)가 부가의 스테이브(936)를 수용하기 위한 위치로 조립 받침대(914)의 작업 데크(922)와 정렬될 때까지 수중으로 하강된다.
부가의 스테이브(936)가 조립되어 후속의 냉수 파이프 세그먼트를 형성한다. 현재 스테이브 단부 세그먼트 상에 부가의 스테이브 세그먼트를 조립하는 프로세스는 벨 마우스 상에 스테이브 세그먼트를 조립하는 것과 관련하여 전술된 것과 일반적으로 동일한 프로세스이다. 현재 스테이브 세그먼트의 상부가 교번적인 스테이브들이 만입된 상태로 총안형으로 형성되기 때문에, 상이한 길이의 스테이브들이 초기 총안형부를 생성하는 데 사용되는 초기 스테이브 세그먼트의 조립에 대조적으로, 사용된 스테이브들은 모두 동일할 수 있다. 스테이브(936)는 냉수 파이프(217) 상에 연속적으로 조립되고, 냉수 파이프(217)는 증분적으로 하강되고, 냉수 파이프(217)가 원하는 최종 길이가 되도록 조립될 때까지 전술된 프로세스에 따라 스테이브(936)의 단부 주위에 접합 재료로 권취된다. 최종 파이프 길이가 도달될 때, 상부 섹션(예를 들어, 사전 제작된 상부 섹션)은 벨 마우스의 부착에 유사한 방식으로 부착된다.
도시되어 있는 실시예에서, 상부 섹션은 테이퍼진 실린더를 형성하기 위해 섬유 및 수지 복합재 내에 캡슐화된 원형 금속 케이지를 포함하는 냉수 파이프 연결부(942)이다. 섬유 및 수지 복합재 파이프 섹션 내에 캡슐화된 금속은 피니언용 백킹 구조체로서 그리고 플랫폼 스파의 저부의 오목하게 형성된 캐비티 내에 인입되어 포획된 냉수 파이프용 구조적 보강부의 모두로서 기능한다. 플랫폼 스파의 저부 내의 테이퍼진 리셉터클(receptacle) 내로 약 4 내지 12 피트의 거리로 삽입되기 때문에 냉수 파이프 연결부로서 알려진 냉수 파이프의 테이퍼진 상부 섹션은 수지 및 섬유에 의해 캡슐화된 하나 이상의 수평 및 수직 금속 강화재를 갖는 각각의 세그먼트를 갖는 2개 또는 3개의 세그먼트로 이후에 절단되는 단일편의 조립체로서 사전 제작될 수 있다. 통상적으로, 조립체는 플랫폼 스파의 기부의 암형 리셉터클의 강철 리세스 내에 기밀하게 끼워맞춰지도록 최종 가공될 수 있도록 완성된 서브조립체로서 육지에서 사전 제작된다. 냉수 파이프 연결부와 리셉터클 사이의 오정렬 또는 다른 방식으로 열악한 끼워맞춤의 가능성을 감소시키기 위해, 테이퍼진 리셉터클의 최종 치수가 통상적으로 측정되고, 기록되고, 냉수 파이프 제조 시설로 송출되어, 복합재 냉수 파이프 연결부가 강철 리셉터클에 정합하여 꼭맞게 끼워맞춤되도록(snugly fitted) 구성될 수 있게 된다. 냉수 파이프 연결부는 냉수 파이프의 중심으로 아래로 연장되는 하강 케이블 주위에 설치될 수 있도록 분할된다. 2개의 조인트(즉, 냉수 파이프 연결부가 2개의 세그먼트로 분할될 때) 또는 3개의 조인트(즉, 냉수 파이프가 3개의 세그먼트로 분할될 때)는 통상적으로 절단 프로세스 중에 제거된 재료를 복원하기 위해 선적에 앞서 제조 상점에서 재구성된(예를 들어, 부가의 재료를 인가함으로써) 절단 에지를 갖는다. 이 복원 중에, 조인트[예를 들어, 텅 및 그루브 조인트와 유사한 랩 조인트(lap joint)]가 강도 및 밀봉을 위해 제조될 수 있다. 대안적으로, 금속 또는 복합재 비스킷(biscuit)이 최종 조립 중에 삽입될 수 있는 비스킷 슬롯(biscuit slot)이 세그먼트들의 측면들을 따라 형성될 수 있다.
냉수 파이프(217)에 인장 강도를 추가하기 위해, 스테이브(936)의 단부는 함께 체결(예를 들어, 볼트 결합)될 수 있다. 예를 들어, 플레이트들이 하나의 스테이브를 다른 스테이브에 볼트 결합하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 플레이트들은 냉수 파이프(217)의 외부면 상의 플레이트가 냉수 파이프(217)의 내부면 상의 플레이트에 볼트 결합된 상태로, 단부 조인트를 인접한 2개의 파이프 스테이브(936)에 개재하는 데(sandwich) 사용된다. 몇몇 실시예에서, 스테이브를 연결하는 데 사용된 탭(예를 들어, 비스킷)이 부가의 플레이트를 사용하는 대신에 인접하는 스테이브에 볼트 결합된다. 몇몇 실시예에서, 볼트들은 외부 권취부 대신에 사용된다. 몇몇 실시예에서, 볼트들은 외부 권취부와 조합하여 사용된다.
냉수 파이프(217)가 조립 중에 그 하단부로부터 지지되기 때문에, 특히 냉수 파이프(217)가 매우 길 때, 좌굴 또는 붕괴 위험이 존재한다. 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 스프레더(940)가 냉수 파이프(217)의 붕괴를 방지하기 위해 냉수 파이프(217)의 내부벽을 따라 위치될 수 있다. 스프레더(940)는 해제 케이블(928A)(도 11a 및 도 13에 도시되어 있음)에 부착되고, 냉수 파이프(217)의 내부면을 따라 외향력을 제공한다. 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 스프레더(940)는 하강 케이블(926A)을 도삭하기(fairlead) 위해 냉수 파이프(217)를 따른 거리(예를 들어, 50 ft)만큼 이격된다. 이들 스프레더는 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 상승 및 팽창형 정렬 트러스 조립체(928B)와 동일하지 않다. 그러나, 양자 모두 해제 케이블(928A)에 의존한다. 스프레더(940)는 하강 케이블(926A)이 실질적으로 수평으로 이동하는 가능성을 감소시키고, 하강 케이블(926A)이 냉수 파이프(217)의 기다란 칼럼 좌굴을 회피하기 위해 수직 방향으로 유지되는 가능성을 증가시킨다. 냉수 파이프(217)의 내부벽에 접촉하는 스프레더의 부분은 내부벽을 끼워맞추도록 윤곽 형성되고, 냉수 파이프(217)로의 마모 또는 다른 손상을 방지하기 위해 냉수 파이프벽보다 연성의 재료(예를 들어, 천연 고무, 네오프렌 또는 부틸 고무)의 패드를 통상적으로 포함한다.
일단 냉수 파이프(217)가 원하는 길이(예를 들어, 2650 피트 또는 벨 마우스가 해수면 아래로 약 3000 피트 미만일 때)에 도달하면, 냉수 파이프 연결부(942)가 냉수 파이프(217)의 상부에 설치될 수 있어 냉수 파이프(217)가 이후에 OTEC 시설(200)의 하부면에 부착될 수 있게 된다. 냉수 파이프는 통상적으로 약 2650 피트 길이일 것이다. 바지선 크레인 또는 크레인(916)을 사용하여, 냉수 파이프 연결부(942)는 냉수 파이프 연결부(942)의 상부에 위치된 하나 이상의 패드 아이를 사용하여 상승된다. 통상적으로, 스테이브(936)를 상승시켜 고정구 내에 위치설정하기 위한 적어도 2개의 간단한 붐 크레인(boom crane), 및 케이블(928A)을 위한 적어도 하나의 헤비 리프트 붐 크레인(heavy lift boom crane)을 포함하는 바지선 상에 장착된 다수의 윈치 또는 크레인이 존재할 것이다.
도 14a 내지 도 14c에 도시되어 있는 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 냉수 파이프 연결부(942)는 다수의(예를 들어, 2개, 3개, 4개, 5개 또는 그 이상) 부분(942a, 942b, 942c...)의 형태여서, 부분들은 파이프(217)의 내부를 따라 아래로 연장되는 케이블(926A, 928A)에 의해 지지되면서 냉수 파이프(217)의 상부에 조립될 수 있게 된다. 냉수 파이프 연결부(942)를 다수의 부분으로 구현하는 것은 바지선 크레인(916)을 사용하여 냉수 파이프(217)의 상부 에지를 따른 부분(942a, 942b, 942c...)의 설치를 가능하게 한다. 냉수 파이프 연결부(942)의 개별 부분(942a, 942b, 942c...)은 바지선 크레인(916)을 사용하여 상승되고, 수지 접합 재료(예를 들어, 폴리우레탄, 비닐에스테르, 폴리에스테르)가 냉수 파이프(217) 및 연결부(942)의 인접 표면들에 도포되고, 이어서 연결부(942)는 냉수 파이프(217)의 상부에서 적소에 배치된다. 냉수 파이프 연결부(942)의 나머지 부분들은 상승되어, 전체 냉수 파이프 연결부(942)가 냉수 파이프(217) 상부에 조립될 때까지 동일한 방식으로 설치된다. 냉수 파이프 연결부(942)의 개별 부분(942a, 942b, 942c...)은 함께 체결되어(예를 들어, 볼트 결합됨) 부가의 강도를 제공할 수 있다. 외부벽으로부터 대향 외부벽으로 완전히 통과하여 연장되는 로드를 갖는 20세기의 전환점 이전으로부터 다수의 벽돌 및 석재 빌딩에서 볼 수 있는 것과 매우 유사한 체결구를 돌림으로써 강한 기계적으로 기밀한 조인트가 성취될 수 있도록 이케아식(Ikea-like) 체결 방법이 사용될 수도 있다는 것이 고려된다.
몇몇 실시예에서, 연결부(942)의 각각의 부분(942a, 942b, 942c...)은 다음의 부분이 적소에 배치되기 전에 접착제를 사용하여 냉수 파이프(217)에 고정된다. 도 14b에 도시되어 있는 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 각각의 부분(942a, 942b, 942c...)은 일시적으로 고정되어(예를 들어, 고정구를 사용하여), 전체 냉수 파이프 연결부(942)가 접착제를 사용하여 냉수 파이프(217)에 고정되기 전에 완전히 조립될 수 있게 된다(예를 들어, 체결구를 사용하여). 외부벽으로부터 대향 외부벽으로 완전히 통과하여 연장되는 로드를 갖는 20세기의 전환점 이전으로부터 다수의 벽돌 및 석재 빌딩에서 볼 수 있는 것과 매우 유사한 체결구를 돌림으로써 강한 기계적으로 기밀한 조인트가 성취될 수 있도록 이케아식 체결 방법이 사용될 수도 있다는 것이 고려된다.
냉수 파이프 연결부(942)가 냉수 파이프(217)에 고정되기 전에 조립될 때, 냉수 파이프(217)의 상부면 및 외부면 및 조립된 냉수 파이프 연결부(942)의 내부면은 냉수 파이프(217)의 상부에 냉수 파이프 연결부(942)를 하강하기 전에 수지 접합 재료(예를 들어, 우레탄, 폴리우레탄, 비닐에스테르, 폴리에스테르, 에폭시)로 코팅된다. 도 14a 및 도 14b에 도시되어 있는 바와 같이, 냉수 파이프 연결부(942)는 냉수 파이프(217)의 상부의 위치로 하강되고, 냉수 파이프(217)의 상부는 냉수 파이프 연결부(942)의 저부 내로 삽입된다.
도 14c에 도시되어 있는 바와 같이, 일단 냉수 파이프 연결부(942)의 부분들이 조립되어 냉수 파이프(217)의 상부에 접합되면, 조인트는 이어서 조인트를 보강하기 위해 수지 함침된 섬유 직물(944)로 권취된다. 섬유 직물(944)은 냉수 파이프(217)와 냉수 파이프 연결부(942)의 모두 상에 깃털이 있는 에지(feathered edge)를 형성하기 위해 조인트를 중첩하여 보강부를 테이퍼지게 하도록 도포된다.
접합된 조인트는 물 위에서 공기중에서 대략 24시간 동안 경화되도록 허용된다. 일단 경화되면, 전체 냉수 파이프 조립체(217)는 아래의 수중으로 잠수되고, 부유 플랫폼(210)으로의 후속의 부착을 위해 하강 케이블(926A)을 사용하여 바지선(900)의 저부 아래로 하강된다.
예 2: 냉수 파이프 조립체
플랫폼 스테이징
몇몇 실시예에서, 부유 플랫폼(210)을 따라 위치된 장비가 냉수 파이프(217)를 조립하는 데 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 일단 냉수 파이프 구성 요소[예를 들어, 파이프 스테이브(936), 벨 마우스(932) 및 클럼프 웨이트(934)] 및 조립 장비[예를 들어, 하강 윈치(926B)]가 바지선(900) 선상에 있고 조립 준비가 되면, 바지선(900)은 냉수 파이프 조립체용 플랫폼(210)으로 견인될 수 있다. 일단 플랫폼(210) 부근에 적소에 있으면, 스테이징이 시작할 수 있고 장비의 다양한 부분은 테스트되고 그리고/또는 조립 준비가 된다. 예를 들어, 바지선(900) 상의 하강 윈치(926B)는 하강 케이블(926A)이 조립 중에 냉수 파이프(217)의 길이를 지지하기 위해 충분한 이동 길이를 갖는지를 점검하기 위해 런아웃 테스트를 경험한다.
런아웃 테스트는 또한 부유 플랫폼(210) 상에 위치된 플랫폼 크레인(946)에 대해 수행된다. 런아웃 테스트는 플랫폼 크레인(946)이 후속의 프로세스 중에 적합하게 수행할 것인지를 확인한다. 조립은 일단 테스트가 수행되면 시작되고, 상승 및 팽창형 정렬 트러스 조립체가 벨 마우스(932) 내에 삽입되고 따라서 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 상승될 수 있다. 플랫폼 크레인(946)의 후크는 팽창형 정렬 트러스 조립체의 중심을 통해 하강되어 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)의 상승 패드 아이의 중심에 부착된다.
벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 플랫폼 크레인(946)에 부착된 상태에서, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)는 클럼프 웨이트(934)의 저부가 약 3 피트만큼 바지선(900)의 데크로부터 이격하도록 하는 높이로 조심스럽게 상승된다. 도 15a에 도시되어 있는 바와 같이, 일단 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 데크로부터 상승되면, 바지선(900)은 바지선(900)의 드롭아웃 센터(902)가 현수된 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938) 아래에 위치되도록 이동된다. 몇몇 실시예에서, 플랫폼 크레인은 스파에 부착될 수도 있고, 다른 실시예에서, 플랫폼 크레인은 조립 바지선에 부착될 수도 있다. 전자에서, 크레인은 도면 부호 946으로 나타낸다. 후자에서 크레인은 도면 부호 916으로 나타낸다(상기 참조).
일단 바지선(900)이 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938) 아래에 적절하게 위치되면, 도 15b에 도시되어 있는 바와 같이, 플랫폼 크레인(946)은 벨 마우스(932)의 플랜지 상에 설치된 상승 패드 아이들이 바지선의 데크 상의 작업자의 허리 높이 부근에 있는 높이(예를 들어, 데크로부터 24 내지 36 인치)에 위치될 때까지 레이다운 바지선(900)의 드롭아웃 센터(902)를 통해 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)를 하강시킨다. 벨 마우스(932)가 적합한 높이에 위치된 상태에서, 하강 케이블(926A)의 단부들은 벨 마우스 플랜지의 4개의 상승 패드 아이에 부착된다.
벨 마우스(932)가 하강 케이블(926A)에 연결된 상태에서, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)는 플랫폼 크레인(946)으로부터 하강 케이블(926A)로 이송되어 냉수 파이프(217)가 조립될 수 있게 된다. 웨이트를 이송하기 위해, 도 15c에 도시되어 있는 바와 같이, 플랫폼 크레인(946)은 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 상승 패드 아이들에 부착된 하강 케이블(926A)에 의해 실질적으로 완전히 지지될 때까지, 하강 케이블(926A) 내의 장력을 증가시키기 위해 플랫폼 크레인 후크를 천천히 하강시킨다.
도 15c를 계속 참조하면, 하강 케이블(926A)을 사용하여, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)는 클럼프 웨이트(934)의 상부가 레이다운 바지선(900)의 저부 아래에 약 20 피트에 있을 때까지 하강된다. 하나 이상의 전개된 다이버들이 이어서 벨 마우스(932) 상의 패드 아이로부터 플랫폼 크레인 후크를 분리하여, 플랫폼 크레인 후크가 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938) 위로 상승될 수 있게 된다. 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)가 이제 하강 케이블(926A)에 의해서만 지지된 상태로, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)는 하강되어, 벨 마우스(932)의 상부가 바지선(900)의 데크 위로 약 24 내지 36 인치에 있게 된다.
냉수 파이프 조립 및 설치
벨 마우스(932)가 바지선 데크에 대해 적절한 위치에 있고 플랫폼 크레인(946)이 벨 마우스(932)로부터 분리되어 있는 상태로, 냉수 파이프 조립체 가이드링이 데크 상에 설치될 수 있다. 플랫폼 크레인(946)을 사용하여, 냉수 파이프 조립체 가이드링의 제1 세그먼트가 상승되고 드롭아웃 센터(902)의 에지에서 바지선 데크 상에 배치되고 이어서 데크 지지 구조물에 체결된다(예를 들어, 볼트 결합됨).
플랫폼 크레인(946)을 사용하여, 냉수 파이프 조립체 가이드링의 제2 세그먼트가 상승되어 냉수 파이프 조립체 가이드링의 제1 세그먼트에 접하는(abutting) 장소에 위치되고, 제1 및 제2 세그먼트가 함께 그리고 데크 지지 구조물에 체결된다(예를 들어, 볼트 결합됨).
냉수 파이프 조립체 가이드링의 나머지 세그먼트는 상승되어 적소에 배치되고, 이어서 전체 링이 조립되어 바지선 데크에 고정될 때까지 함께 그리고 데크 지지 구조물에 체결된다(예를 들어, 볼트 결합됨).
일단, 냉수 파이프 조립체 가이드링이 완전히 조립되고 데크에 고정되면, 플랫폼 크레인 후크는 스테이브 상승 파지-클램프 부착부로 교체되어 스테이브(936)가 상승되어 플랫폼 크레인(946)에 의해 취급될 수 있게 된다.
플랫폼 크레인(946)을 사용하여, 도 16a에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 스테이브는 그 상단부에 의해 상승되고 냉수 파이프 조립체 가이드링 내의 적소로 이동된다. 제1 스테이브(936)를 설치하기 위해, 제1 스테이브(936)의 하단부는 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938)의 상부의 정렬 탭과 정렬되고 스테이브(936)는 하강되어 하단부가 정렬 탭과 정렬하게 된다. 일단 적소로 하강되면, 제1 스테이브는 적소에 보유되고 냉수 파이프 조립체 가이드링에 결합된다.
플랫폼 크레인(946)을 사용하여, 제2 스테이브는 그 상단부에 의해 상승되고, 냉수 파이프 조립체 가이드링 내의 장소로 이동된다. 제1 및 제2 스테이브가 서로 부착되기 전에, 접착제(예를 들어, 에폭시)와 같은 접합 재료가 제1 스테이브에 인접한 제2 스테이브의 종방향 에지를 따라 도포된다.
접착제가 제2 스테이브에 도포된 상태로, 제1 및 제2 스테이브는 각각의 스테이브의 자기 보유(self-retaining) 정합 특징부들을 사용하여 서로 부착된다. 자기 보유 특징부들은 일단 이들이 연결되면 스테이브를 함께 유지하는 "스냅 결합" 기구를 포함할 수 있다.
도 16b에 도시되어 있는 바와 같이, 부가의 스테이브(936)가 플랫폼 크레인(946)에 의해 상승되고 이들의 종방향 에지를 따라 접착제를 수용하기 위해 적소에 하강되고, 인접한 스테이브(936)를 결합하도록 "스냅 결합"된다. 부가의 스테이브(936)는, 도 16c에 도시되어 있는 바와 같이 파이프의 중실링 섹션(제1 스테이브 세그먼트)이 형성될 때까지 설치되고 조립된다. 도시되어 있는 바와 같이, 스테이브(936)는 냉수 파이프(217)를 따라 인장력을 분배하는 것을 허용하기 위해 엇갈린 방식으로 조립된다.
일단, 제1 스테이브 세그먼트가 형성되면, 복합재 직물(예를 들어, 수지 융합된 나일론 직물 또는 사전 함침된 직물)과 같은 접합 재료(944)가 벨 마우스(932)와 제1 스테이브 세그먼트 사이의 조인트 주위에 권취되어 부가의 지지 및 강도를 추가한다. 복합재 직물(944)은 제1 스테이브 세그먼트 주위에 권취되어 적합한 접합 및 구조적 지지를 허용하는 거리만큼 스테이브(936)의 하단부를 중첩한다. 통상적으로, 재료는 적어도 약 2 피트만큼 스테이브(936)의 하단부를 중첩한다.
벨 마우스(932)와 제1 스테이브 세그먼트 사이의 권취된 접합된 조인트는 하강 케이블(926A)에 의해 하강되어 수중에 잠수되기 전에 적절한 접합의 가능성을 증가시키기 위해 적합한 시간(예를 들어, 4 내지 40분) 동안 공기중에서 경화하도록 허용된다.
일단, 접합된 조인트가 충분히 경화되면, 벨 마우스 및 클럼프 웨이트 조립체(938) 및 부분 냉수 파이프 조립체(217)는 파이프의 공칭 상단부(예를 들어, 스테이브들의 상단부의 평균 높이)가 바지선 데크로부터 대략 허리 높이(예를 들어, 24 내지 36 인치)에 있을 때까지 수중으로 하강된다.
제1 스테이브 세그먼트가 완성되고 물을 향해 하강된 상태로, 스테이브(936)는 상승되어 냉수 파이프(217)의 잔여 길이를 조립하기 시작할 수 있다. 먼저, 플랫폼 크레인(946)은 그 상단부에 의해 스테이브(936)를 상승시키고 제1 스테이브 세그먼트의 모든 스테이브의 최저 높이에 있는 제1 스테이브 세그먼트의 스테이브(936) 상부의 위치로 스테이브(936)를 안내한다. 제1 세그먼트의 스테이브들과 유사하게, 접착제가 후속의 스테이브들의 종방향 에지들에 도포된다.
부가의 스테이브(936)는 순차적으로 상승되어 하부 스테이브 상부에 배치되고, 각각의 스테이브(936)는 이전에 설치된 스테이브(936)에 인접하여 배치된다. 다수의(예를 들어, 3개) 스테이브(936)가 서로 인접하여 배치된 후에, 가요성 복합 로드가 스테이브(936)의 단면에서 중량경감 구멍(lightening hole)을 통해 통과되어 이들 스테이브를 원주방향으로 함께 고정한다. 복합 로드가 하부 스테이브(예를 들어, 제1 스테이브가 있는 세그먼트의 스테이브)의 상부 부분을 통해, 제2 스테이브(예를 들어, 제1 스테이브가 있는 세그먼트의 스테이브의 상부에 위치된 스테이브)의 저부 부분을 통해 통과하고, 적어도 하나의 다른 인접한 스테이브 내로 연장하여, 이에 의해 이들을 함께 잠금한다. 하나의 스테이브의 하단부를 다른 스테이브의 상단부에 부착함으로써 인접한 스테이브(936)를 고정하는 것은 냉수 파이프(217)에 인장 강도를 추가하는 것을 돕는다.
냉수 파이프(217)의 조립된 부분의 스테이브들의 단부들을 밀봉하고 접합하기 위해, 더 높게 위치된 스테이브의 단부의 포트로부터 유출될 때까지 발포체(예를 들어, 신택틱 폼) 및 수지가 더 낮게 위치된 스테이브의 단부의 포트 내로 주입된다.
스테이브와 발포체 및 수지 사이에 도포된 접합 재료가 적절하게 경화하기 위한 시간이 경과된 후에, 냉수 파이프(217)는 수중으로 더 깊게 하강되고, 스테이브(936)를 상승시켜 원주방향 순서로 서로의 상부에 위치설정하고, 이들 스테이브가 적소에 배치됨에 따라 각각의 스테이브(936)의 종방향 에지로 각각의 스테이브를 스냅 결합하고, 발포체를 스테이브 내로 주입하고, 이어서 냉수 파이프(217)를 하강하는 프로세스가 냉수 파이프(217)가 원하는 길이에 도달할 때까지 계속된다. 전술된 바와 같이, 냉수 파이프(217)는 복합재 직물(944)(예를 들어, 수지 융합된 나일론 직물 또는 사전 함침된 직물)과 같은 접합 재료로 주기적으로 권취되어, 부가의 지지 및 반경방향 강도를 제공한다. 각각의 권취된 부분은 냉수 파이프(217)가 수중으로 더 깊게 하강되기 전에 경화되도록 허용된다. 복합재 직물(944)은 통상적으로 냉수 파이프(217)를 따라 매 3 내지 7 ft 마다(예를 들어, 매 5 ft 마다) 도포된다. 스트레이크 및 스트레이크 핀이 사용될 때, 몇몇 실시예에서, 스트레이크는 수중으로 잠수되기 전에 경화하도록 허용되는 접착제를 사용하여 냉수 파이프(217)의 외부면에 적용된다. 몇몇 경우에, 스트레이크는 스테이브(936)가 냉수 파이프(217)를 형성하도록 조립되기 전에 스테이브(936)에 적용된다.
일단 냉수 파이프(217)가 원하는 길이(예를 들어, 2650 피트 길이 또는 클램프 웨이트의 저부가 해수면 아래 3000 ft에 있음)에 도달하면, 냉수 파이프 연결부(942)는 냉수 파이프(217)의 상부에 설치될 수 있다. 플랫폼 크레인(946)을 사용하여, 냉수 파이프 연결부(942)는 냉수 파이프 연결부(942)의 상부에 위치된 상승 패드 아이에 부착된 케이블 슬링 스프레드(cable sling spread)를 사용하여 상승된다.
냉수 파이프(217)의 상부면 및 외부면과 냉수 파이프 연결부(942)의 내부면은 냉수 파이프(217)의 상부에 냉수 파이프 연결부(942)를 하강하기 전에 수지 접합 재료(예를 들어, 우레탄, 폴리우레탄, 비닐에스테르, 폴리에스테르, 에폭시)로 코팅된다. 도 17a 및 도 17b에 도시되어 있는 바와 같이, 냉수 파이프 연결부(942)는 이어서 냉수 파이프(217)의 상부의 장소로 하강되어, 냉수 파이프(217)의 상부가 냉수 파이프 연결부(942)의 저부 내에 삽입되게 된다.
도 17c에 도시되어 있는 바와 같이, 일단 냉수 파이프(217)가 냉수 파이프 연결부(942) 내에 삽입되면, 조인트는 이어서 조인트를 보강하기 위해 수지 함침된 섬유 직물(944)로 권취된다. 섬유 직물(944)은 냉수 파이프(217) 및 냉수 파이프 연결부(942)의 모두 상에 깃털이 있는 에지를 형성하기 위해 조인트에 중첩하여 보강부를 테이퍼지게 하도록 도포된다.
접합된 조인트는 대략 24시간 동안 물 위에서 공중에서 경화되도록 허용된다. 일단 경화되면, 전체 냉수 파이프(217)는 수중에 잠수되고 부유 플랫폼(210)으로의 후속의 부착을 위해 하강 케이블(926A)을 사용하여 하강된다.
부유 플랫폼으로의 조립된 냉수 파이프의 이송
도 18a 내지 도 18c를 참조하면, 일단 수중에서 그리고 완전 조립되면, 냉수 파이프(217)는 바지선(900)으로부터 분리되어, 부유식 OTEC 스파(310)로 이송될 수 있다. 바지선(900)으로부터 스파(310)로의 냉수 파이프(217)의 이송 및 연결이 이제 도 12a 내지 도 12d를 참조하여 설명된 조립 플랫폼을 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 이송 및 연결 프로세스는 임의의 특정 조립 플랫폼과 함께 사용되는 것에 한정되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다.
초기에, 수중 유틸리티 차량(underwater utility vehicle: ROV)(975)이 런칭되어 기능성을 위해 점검되고, 이어서 바지선(900)의 부근에서 그러나 작업 영역 외부에서 수중에 보유된다.
조립된 냉수 파이프(217)가 여전히 바지선(900)에 부착되어 있는 동안, 고정된 키퍼 케이블(keeper cable)(950)은 받침대(914) 내로부터 냉수 파이프(217)의 상부에 있는 냉수 파이프 연결부(942)의 상부로 삭구장비된다(rigged)(도 18a). 키퍼 케이블(950)은 냉수 파이프(217)의 상부가 스파(310)의 저부 아래로 수백 피트에 있는 흘수선 아래로 약 600 피트 연장하게 하도록 치수 설정된다.
윈치(926B, 928B)는 냉수 파이프(217)의 중량이 고정 키퍼 케이블(950)에 의해 지지될 때까지 냉수 파이프(217)를 하강한다. 윈치(926B, 928B)로부터 연장되는 하강 케이블(926A) 및 해제 케이블(928A)이 이어서 느슨해진다.
일단 냉수 파이프(217)가 고정 키퍼 케이블(950)에 의해 지지되면, ROV는 냉수 파이프(217)의 상부로 조작되고, 하강 케이블(926A)이 냉수 파이프 연결부(942)의 상부로부터 해제된다(도 18b).
냉수 파이프(217)가 키퍼 케이블(950)에 의해 지지된 상태로, 조립 바지선(900)은 스파(310) 옆에서 실용적으로 그리고 안전적으로 가깝게 유도된다. 스프레더 지지 고정구 및 스프레더(940)는 해제 케이블(928A)을 윈치로 감아올림으로써 냉수 파이프(217)의 내부로부터 인입된다. 인입 중에, 각각의 스프레더 아암(940)은 냉수 파이프(217)의 내부벽으로부터 이격하여 하향으로 회전한다. 떼어진 스프레더(940)는 이어서 상향으로 권양되고, 이어서 이들이 받침대(914)에 도달함에 따라 격납된다.
스프레더 지지 고정구 및 스프레더(940)가 격납되어 있을 때, 냉수 파이프 영구 지지 케이블(952)은 스파(310) 아래로 현수하기 위해 스파(310)의 냉수 펌프 룸 내부로부터 연장된다(도 18c). ROV(975)는 느슨해진 냉수 파이프 영구 지지 케이블(952)을 냉수 파이프 연결부(942)의 상부에 부착한다.
느슨해진 냉수 파이프 영구 지지 케이블(952)이 냉수 파이프 연결부(942)의 상부에 부착된 후에, 스파 냉수 펌프 룸 내부의 윈치는 이들 케이블(952)이 냉수 파이프(217)의 전체 부하를 지지할 때까지 냉수 파이프 영구 지지 케이블(952)을 당긴다. 이 시점에, ROV(975)는 냉수 파이프 연결부(942)의 상부로부터 키퍼 케이블(950)을 떼고, 키퍼 케이블(950)은 조립 바지선(900) 내로 후퇴된다(도 18d).
냉수 파이프 영구 지지 케이블(952)을 사용하여, 냉수 파이프(217)는 이어서 스파의 잠수부(311) 내로 상승되고, 냉수 파이프 연결부(375) 내에 장착된다(도 18e).
가동 멈춤쇠(840)가 전술된 바와 같이 파이프 수용 베이(776) 내에 적소에 냉수 파이프(217)를 잠금하고, 냉수 파이프(217)는 이제 작동 준비가 된다.
가이드 와이어, 팽창 라인, 밸러스트 라인 등이 냉수 파이프(217)의 이동 중에 서로로부터 방해되지 않고 유지되어야 한다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 더욱이, 냉수 파이프(217)의 이동은 스파(310)의 정박 시스템과 간섭하지 않아야 한다.
예 3: 사용 방법
일체형 다단 OTEC 발전소는 열대 및 아열대 지방에서 수면 해수와 심해 해수 사이의 온도차를 사용하여 전기를 생산할 수 있다. 양태들은 도관 또는 유동 통로로서 해양 선박의 또는 플랫폼의 구조물을 사용하여 해수를 위한 전통적인 배관 연장부를 제거한다. 대안적으로, 따뜻한 및 차가운 해수 배관 연장부는 선박 또는 플랫폼에 수직 또는 다른 구조적 지지를 제공하기 위해 충분한 크기 및 강도의 도관 또는 파이프를 사용할 수 있다. 이들 일체형 해수 도관 섹션 또는 통로는 선박의 구조적 부재로서 기능하여, 이에 의해 부가의 강철을 위한 요구를 감소시킨다. 일체형 해수 통로의 부분으로서, 다단 캐비넷 열교환기는 외부 워터 노즐 또는 배관 연결부를 위한 필요성 없이 작동 유체 증발의 다수의 스테이지를 제공한다. 일체형 다단 OTEC 발전소는 따뜻한 및 차가운 해수가 이들의 자연적인 방향으로 유동하게 한다. 따뜻한 해수는 해양의 더 차가운 구역으로 배출되기 전에 냉각됨에 따라 선박을 통해 하향으로 유동한다. 유사한 방식으로, 해양의 깊은 곳으로부터 차가운 해수는 해양의 더 따뜻한 구역으로 배출되기 전에 따뜻해짐에 따라 선박을 통해 상향으로 유동한다. 이 구성은 해수 유동 방향의 변화 및 연계된 압력 손실에 대한 필요성을 회피한다. 구성은 또한 요구된 펌핑 에너지를 감소시킨다.
다단 캐비넷 열교환기는 하이브리드 캐스케이드 OTEC 사이클의 사용을 허용한다. 이들 열교환기의 스택은 작동 유체를 적절하게 비등하거나 응축하기 위해 해수가 이들을 통해 직렬로 통과하게 하는 다수의 열교환기 스테이지 또는 섹션을 포함한다. 증발기 섹션에서, 따뜻한 해수는 제1 스테이지를 통해 통과하고, 여기서 해수가 냉각됨에 따라 작동 유체의 일부를 증발시킨다. 따뜻한 해수는 이어서 다음의 열교환기 스테이지 내로 스택을 따라 아래로 유동하고, 약간 저압 및 저온에서 부가의 작동 유체를 비등한다. 이는 전체 스택을 통해 순차적으로 발생한다. 캐비넷 열교환기의 각각의 스테이지 또는 섹션은 전력을 발생하는 전용 터빈에 작동 유체 증기를 공급한다. 각각의 증발기 스테이지는 터빈의 배기부에 대응 응축기 스테이지를 갖는다. 차가운 해수는 증발기로 역순으로 응축기 스택을 통해 통과한다.
도 19a 및 도 19b를 참조하면, 하이브리드 캐스케이딩 열교환 사이클을 이용하는 예시적인 다단 OTEC 열 엔진(710)이 제공된다. 따뜻한 해수는 온수 펌프(712)를 거쳐 따뜻한 해수 취수부(도시 생략)로부터 펌핑되어, 대략 1,360,000 gpm 및 대략 79℉의 온도에서 펌프로부터 배출된다. 온수 취수부로부터 온수 펌프로의 그리고 온수 펌프로부터 적층된 열교환기 캐비넷으로의 온수 도관의 전체 또는 일부는 선박의 일체형 구조적 부재를 형성할 수 있다.
온수 펌프(712)로부터, 따뜻한 해수는 이어서 제1 스테이지 증발기(714)에 진입하고, 여기서 제1 작동 유체를 비등한다. 온수는 대략 76.8℉의 온도에서 제1 스테이지 증발기(714)를 나오고, 제2 스테이지 증발기(715)로 아래로 유동한다.
온수는 대략 76.8℉에서 제2 스테이지 증발기(715)에 진입하고, 여기서 제2 작동 유체를 비등하고 대략 74.5℉의 온도에서 제2 스테이지 증발기(715)를 나온다.
온수는 제2 스테이지 증발기(715)로부터 제3 스테이지 증발기(716)로 아래로 유동하여, 대략 74.5℉의 온도에서 진입하여, 여기서 제3 작동 유체를 비등한다. 온수는 대략 72.3℉의 온도에서 제3 스테이지 증발기(716)에 진입한다.
온수는 이어서 제3 스테이지 증발기(716)로부터 제4 스테이지 증발기(717)로 아래로 유동하여, 대략 72.3℉의 온도에서 진입하고, 여기서 제4 작동 유체를 비등한다. 온수는 대략 70.1℉의 온도에서 제4 스테이지 증발기(717)를 나오고 이어서 선박으로부터 배출된다. 도시되어 있지는 않지만, 배출물은 따뜻한 해수의 배출 온도와 대략 동일한 온도 또는 해수 깊이에서 열층으로 유도될 수 있다. 대안적으로, 다단 증발기를 수용하는 발전기의 부분은 구조물 내의 깊이에 위치될 수 있어 온수가 적절한 해양 열층으로 배출되게 된다. 양태들에서, 제4 스테이지 증발기로부터 선박의 온수 배출부로의 온수 도관은 선박의 구조적 부재들을 포함할 수 있다.
유사하게, 차가운 해수는 차가운 해수 펌프(722)를 거쳐 차가운 해수 취수부(도시 생략)로부터 펌핑되어, 대략 855,033 gpm으로 대략 40.0℉의 온도에서 펌프로부터 배출된다. 차가운 해수는 대략 2700 내지 4200 ft 이상의 해양 깊이로부터 흡인된다. 선박의 냉수 취수부로부터 냉수 펌프로, 그리고 냉수 펌프로부터 제1 스테이지 응축기로 차가운 해수를 운반하는 냉수 도관은 그대로 또는 부분적으로 선박의 구조적 부재를 포함할 수 있다.
차가운 해수 펌프(722)로부터, 차가운 해수가 제1 스테이지 응축기(724)에 진입하고, 여기서 제4 스테이지 보일러(717)로부터 제4 작동 유체를 응축한다. 차가운 해수는 대략 43.5℉의 온도에서 제1 스테이지 응축기에 진입하고, 제2 스테이지 응축기(725)로 위로 유동한다.
차가운 해수는 대략 43.5℉에서 제2 스테이지 응축기(725)에 진입하고, 여기서 제3 스테이지 증발기(716)로부터 제3 작동 유체를 응축한다. 차가운 해수는 대략 46.9℉의 온도에서 제2 스테이지 응축기(725)를 나오고, 제3 스테이지 응축기로 위로 유동한다.
차가운 해수는 대략 46.9℉의 온도에서 제3 스테이지 응축기(726)에 진입하고, 여기서 제2 스테이지 증발기(715)로부터 제2 작동 유체를 응축한다. 차가운 해수는 대략 50.4℉의 온도에서 제3 스테이지 응축기(726)를 나온다.
차가운 해수는 이어서 제3 스테이지 응축기(726)로부터 제4 스테이지 응축기(727)로 위로 유동하여, 대략 50.4℉의 온도에서 진입한다. 제4 스테이지 응축기에서, 차가운 해수는 제1 스테이지 응축기(714)로부터 제1 작동 유체를 응축한다. 차가운 해수는 이어서 대략 50.4℉의 온도에서 제4 스테이지 응축기를 나오고, 최종적으로 선박으로부터 배출된다. 차가운 해수 배출물은 차가운 해수의 배출 온도와 대략 동일한 온도의 또는 해수 깊이에서 열층으로 유도될 수 있다. 대안적으로, 다단 응축기를 수용하는 발전소의 부분은 구조물 내의 깊이에 위치될 수 있어, 차가운 해수가 적절한 해양 열층으로 배출되게 된다.
제1 작동 유체는 56.7℉의 온도에서 제1 스테이지 증발기(714)에 진입하고, 여기서 74.7℉의 온도로 증기로 가열된다. 제1 작동 유체는 이어서 제1 터빈(731)으로, 그리고 이어서 제4 스테이지 응축기(727)로 유동하고, 여기서 제1 작동 유체는 대략 56.5℉의 온도로 액체로 응축된다. 액체 제1 작동 유체는 이어서 제1 작동 유체 펌프(741)를 거쳐 제1 스테이지 증발기(714)로 재차 펌핑된다.
제2 작동 유체는 대략 53.0℉의 온도에서 제2 스테이지 증발기(715)에 진입하고, 여기서 증기로 가열된다. 제2 작동 유체는 대략 72.4℉의 온도에서 제2 스테이지 증발기(715)를 나온다. 제2 작동 유체는 이어서 제2 터빈(732)으로, 그리고 이어서 제3 스테이지 응축기(726)로 유동한다. 제2 작동 유체는 대략 53.0℉의 온도에서 제3 스테이지 응축기를 나오고 작동 유체 펌프(742)로 유동하는 데, 이 펌프는 이어서 제2 작동 유체를 제2 스테이지 증발기(715)로 재차 펌핑한다.
제3 작동 유체는 대략 49.5℉의 온도에서 제3 스테이지 증발기(716)에 진입하고, 여기서 증기로 가열되고 대략 70.2℉의 온도에서 제3 스테이지 증발기(716)를 나올 것이다. 제3 작동 유체는 이어서 제3 터빈(733)으로, 그리고 이어서 제2 스테이지 응축기(725)로 유동하고, 여기서 제3 작동 유체는 대략 49.5℉의 온도로 유체로 응축된다. 제3 작동 유체는 제2 스테이지 응축기(725)를 나오고, 제3 작동 유체 펌프(743)를 거쳐 제3 스테이지 증발기(716)로 재차 펌핑된다.
제4 작동 유체는 대략 46.0℉의 온도에서 제4 스테이지 증발기(717)에 진입하고, 여기서 증기로 가열된다. 제4 작동 유체는 대략 68.0℉의 온도에서 제4 스테이지 증발기(717)를 나오고, 제4 터빈(734)으로 유동한다. 제4 작동 유체는 제4 터빈(734)을 나오고 제1 스테이지 응축기(724)로 유동하고, 여기서 대략 46.0℉의 온도로 액체로 응축된다. 제4 작동 유체는 제1 스테이지 응축기(724)를 나오고, 제4 작동 유체 펌프(744)를 거쳐 제4 스테이지 증발기(717)로 재차 펌핑된다.
제1 터빈(731) 및 제4 터빈(734)은 제1 발전기(751)를 협동적으로 구동하고, 제1 터보-발전기 쌍(761)을 형성한다. 제1 터보-발전기 쌍은 대략 25 MW의 전력을 생산할 것이다.
제2 터빈(732) 및 제3 터빈(733)은 제2 발전기(752)를 협동적으로 구동하고, 제2 터보-발전기 쌍(762)을 형성한다. 제2 터보-발전기 쌍(762)은 대략 25 MW의 전력을 생산할 것이다.
제4 스테이지 하이브리드 캐스케이드 열교환 사이클은 최대량의 에너지가 따뜻한 해수와 차가운 해수 사이의 비교적 낮은 온도차로부터 추출되게 한다. 더욱이, 모든 열교환기는 동일한 구성 요소 터빈 및 발전기를 사용하여 전기를 생산하는 터보-발전기 쌍을 직접 지원할 수 있다.
다단 하이브리드 캐스케이딩 열교환기 및 터보 발전기 쌍은 선박 또는 플랫폼 디자인에 합체될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
전력 모듈 및 열 사이클
해양 OTEC 스파 플랫폼은 정격 설계 조건에서 약 25 MWe Net을 각각 발생하는 4개의 개별 전력 모듈을 포함한다. 각각의 전력 모듈은 상이한 압력 및 온도 레벨에서 작동하여 4개의 상이한 스테이지 내의 해수 시스템으로부터 열을 취출하는 4개의 개별 전력 사이클 또는 캐스케이딩 열역학적 스테이지를 포함한다. 4개의 상이한 스테이지는 직렬로 작동한다. 정격 설계 조건에서 4개의 스테이지의 대략적인 압력 및 온도 레벨은 아래와 같다(최대 부하 - 하계 조건):
터빈 입구 응축기
압력/온도 압력/온도
( Psia ) / (℉) ( Psia ) / (℉)
1 스테이지 137.9 / 74.7 100.2 / 56.5
2" 스테이지 132.5 /72.4 93.7 / 53
3' 스테이지 127.3 / 70.2 87.6 / 49.5
4" 스테이지 122.4 / 68 81.9 / 46
작동 유체는 따뜻한 해수(warm sea water: "WSW")로부터 열을 취출함으로써 다수의 증발기 내에서 비등된다. 포화 증기는 증발기 분리기에서 분리되고, STD 스케쥴, 무이음매 탄소강 파이프에 의해 암모니아 터빈으로 유도된다. 응축기 내에서 응축된 액체는 2×100% 전기 모터 구동 일정 속도 이송 펌프에 의해 증발기로 재차 펌핑된다. 사이클-1 및 4의 터빈은 공통 발전기를 구동한다. 유사하게, 사이클-2 및 3의 터빈은 다른 공통 발전기를 구동한다. 양태에서, 각각의 설비 모듈에 2개의 발전기 및 100 MWe 설비에 총 8개의 발전기가 존재한다. 증발기로의 이송은 증기 분리기 내의 레벨을 유지하기 위해 이송 제어 밸브에 의해 제어된다. 응축기 레벨은 사이클 유체 구성 제어 밸브에 의해 제어된다. 이송 펌프 최소 유동은 이송 라인 상에 유량계에 의해 조절된 제어 밸브를 통해 응축기로 유도된 재순환 라인에 의해 제공된다.
작동시에, 모듈의 네 개(4개)의 전력 사이클은 독립적으로 작동한다. 사이클들 중 임의의 것은 요구되면, 예를 들어 고장의 경우에 또는 유지보수를 위해 다른 사이클의 작동을 손상하지 않고 차단될 수 있다. 그러나, 이는 전체 모듈로서 전력 모듈의 순 발전을 감소시킬 것이다.
본 발명의 시스템 및 방법의 양태는 큰 체적의 해수를 필요로 한다. 그 펌핑 장비, 물 도관, 배관, 밸브, 열교환기 등을 각각 갖는, 차가운 및 따뜻한 해수를 취급하기 위한 개별 시스템이 존재할 것이다. 해수는 담수(fresh air)보다 더 부식성이 있고, 해수와 접촉하게 될 수도 있는 모든 재료는 이러한 점을 조심스럽게 고려하여 선택될 필요가 있다. 해수 시스템의 주요 구성 요소를 위한 구성 재료는 아래와 같을 것이다:
대형 보어 배관: 섬유유리 보강 플라스틱(FRP)
대형 해수 도관 및 챔버: 에폭시-코팅된 탄소강
대형 보어 밸브: 고무 덧댄 버터플라이 유형
펌프 추진기: 적합한 청동 합금
적합한 수단에 의해 제어되지 않으면, 해수 시스템 내부의 생물학적 성장은 설비 성능의 상당한 손실을 유발할 수 있고, 설비로부터 더 낮은 출력을 유도하는 열전달면들의 오염을 유발할 수 있다. 이 내성장은 또한 물 유동에 대한 저항을 증가시킬 수 있어 더 큰 펌핑 전력 요구, 더 낮은 시스템 유동 등, 및 심지어 더 심각한 경우에 유로의 완전한 차단을 유발한다.
심해 해양으로부터 흡인된 물을 사용하는 차가운 해수(cold sea water: "CSW") 시스템은 바이오-오염 문제점들이 거의 없거나 전혀 없어야 한다. 이들 깊이의 물은 많은 일광을 수용하지 않고 산소가 결여되어 있으며, 따라서 그 내에 더 적은 생물이 존재한다. 그러나, 몇몇 유형의 무산소 세균(anaerobic bacteria)이 몇몇 조건 하에서 심해 내에서 성장이 가능하다. 충격 염소화(shock chlorination)가 바이오-오염에 저항하는 데 사용될 것이다.
수면 부근으로부터 따뜻한 해수를 취급하는 따뜻한 해수("WSW") 시스템이 바이오-오염으로부터 보호되어야 할 것이다. 오염율은 연안 해수보다 OTEC 작동을 위해 적합한 열대 대양 해수에서 훨씬 더 낮다는 것이 판명되어 왔다. 그 결과, 화학제가 환경적으로 허용 가능할 것인 매우 낮은 투여량(dose)으로 OTEC 시스템 내의 바이오-오염을 제어하는 데 사용될 수 있다. 소량의 염소의 투여가 해수 내의 바이오-오염에 저항하는 데 매우 효과적인 것으로 입증되었다. 1일 1시간 동안 약 70 ppb의 비율의 염소의 투여는 해양 생물의 성장을 방지하는 데 있어서 상당히 효과적이다. 이 투여량은 EPA에 의해 규정된 환경적으로 안전한 레벨의 단지 1/20이다. 다른 유형의 처리(열적 충격, 충격 염소화, 다른 살생물제 등)가 염소-저항성 생물을 제거하기 위해 낮은 투여량 처리의 체제로 그 사이에서 때때로 사용될 수 있다.
해수 스트림을 투여하기 위한 필요한 염소는 해수의 전기 분해에 의해 설비선 선상에서 생성된다. 이 유형의 전자-염소화는 상업적으로 입수 가능하고, 투여를 위해 사용될 차아염소산 용액을 성공적으로 생성하는 데 사용되어 왔다. 전자-염소화 설비는 저장 탱크를 충전하기 위해 연속적으로 작동할 수 있고, 이들 탱크의 내용물은 전술된 주기적인 투여를 위해 사용된다.
모든 해수 도관은 침전물이 퇴적되거나 생물들이 군생을 시작하도록 침전할 수 있는 임의의 사포켓(dead pocket)을 회피한다. 유수 장치(sluicing arrangement)가 물 도관의 낮은 지점으로부터 제공되어 거기에 수집될 수도 있는 퇴적물들을 내뿜어 제거한다. 도관 및 물 챔버의 높은 지점들은 포집된 가스가 탈출하게 하도록 통기된다.
차가운 해수(CSW) 시스템은 설비 선박을 위한 공통 심해 해수 취수부, 물 펌핑/분배 시스템, 이들의 연계된 물 배관을 갖는 응축기, 및 물을 재차 바다로 복귀시키기 위한 배출 도관으로 이루어질 것이다. 냉수 취수부 파이프는 2700 ft 초과(예를 들어, 2700 ft 내지 4200 ft)의 깊이로 아래로 연장되고, 여기서 해수 온도는 대략 일정한 40℉이다. 파이프로의 입구는 스크린에 의해 보호되어 큰 생물이 그 내로 흡인되는 것을 차단한다. 파이프에 진입한 후에, 냉수는 해수면을 향해 위로 유동하고, 선박 또는 스파의 저부 부근의 차가운 우물 챔버로 전달된다.
CSW 공급 펌프, 분배 도관, 응축기 등이 설비의 최저 레벨 상에 위치된다. 펌프는 교차 도관으로부터 흡인하고, 냉수를 분배 도관 시스템으로 송출한다. 4×25% CSW 공급 펌프가 각각의 모듈을 위해 제공된다. 각각의 펌프는 입구 밸브로 독립적으로 회로 구성되어(circuited) 이들이 요구될 때 검사, 유지보수 등을 위해 격리되어 개방되게 된다. 펌프는 고효율 전기 모터에 의해 구동된다.
차가운 해수는 직렬로 사이클의 응축기를 통해 유동하고, 이어서 CSW 유출물이 바다로 재차 배출된다. CSW는 요구된 순서로 직렬로 4개의 설비 사이클의 응축기 열교환기를 통해 유동한다. 응축기 시설은 요구될 때 세척 및 유지보수를 위해 격리되어 개방되게 하도록 배열된다.
WSW 시스템은 해수면 아래에 위치된 수중 취수 그릴(grill), 도입수를 펌프에 반송하기 위한 취수 플레넘(plenum), 물펌프, 열전달면의 오염을 제어하기 위한 살생물제 투여 시스템, 현탁된 물질에 의한 폐색을 방지하기 위한 물 여과 시스템(water straining system), 이들의 연계된 물 배관을 갖는 증발기, 및 물을 바다로 복귀시키기 위한 배출 도관을 포함한다.
취수 그릴은 해수면 부근으로부터 온수를 흡인하기 위해 설비 모듈의 외부벽에 제공된다. 취수 그릴에서의 면 속도는 0.5 ft/sec 미만으로 유지되어, 해양 생물의 혼입을 최소화한다. 이들 그릴은 또한 큰 부유 찌꺼기(debris)의 진입을 방지하고, 이들의 클리어 개구(clear opening)는 펌프 및 열교환기를 통해 안전하게 통과하는 최대 크기의 고체에 기초한다. 이들 그릴을 통해 통과한 후에, 물은 그릴의 후방에 위치된 취수 플레넘에 진입하고, WSW 공급 펌프의 흡인부로 안내된다.
WSW 펌프는 펌프 플로어의 대향측들에 2개의 그룹으로 위치된다. 펌프의 절반은 각각의 그룹을 위한 취수 플레넘으로부터 개별 흡인 연결부를 갖고 각각의 측에 위치된다. 이 구성은 취수 플레넘의 임의의 부분을 통한 최대 유량을 총 유동의 약 1/16으로 제한하고, 따라서 취수 시스템 내의 마찰 손실을 감소시킨다. 각각의 펌프는 입구측에 밸브를 구비하여, 이들이 요구될 때 검사, 유지보수 등을 위해 격리되어 개방될 수 있게 된다. 펌프들은 부하로의 펌프 출력에 정합하도록 가변 주파수 드라이브를 갖는 고효율 전기 모터에 의해 구동된다.
WSW 시스템 및 특히 그 열전달면의 바이오-오염을 제어할 필요가 있으며, 적합한 살생물제가 이를 위해 펌프의 흡인부에 투여될 것이다.
온수 스트림은 열교환기 내의 좁은 통로를 폐색할 수 있는 더 큰 현탁된 입자를 제거하기 위해 여과될 필요가 있을 수도 있다. 대형 자동 필터 또는 "찌꺼기 필터"가 요구되면 이를 위해 사용될 수 있다. 현탁된 재료는 스크린 상에 보유되고 이어서 역세(backwashing)에 의해 제거될 수 있다. 현탁된 고체를 운반하는 역세 유출물은 해양으로 복귀될 설비의 배출 스트림으로 안내될 것이다. 이를 위한 정확한 요구는 해수 품질에 관한 더 많은 데이터의 수집 후에 디자인의 추가의 개발 중에 결정될 것이다.
여과된 따뜻한 해수(WSW)는 증발기 열교환기에 분배된다. WSW는 요구된 순서로 직렬로 4개의 설비 사이클의 증발기를 통해 유동한다. 최종 사이클로부터의 WSW 유출물은 해수면 아래로 대략 175 피트 이상의 깊이에서 배출된다. 이 WSW 유출물은 이어서 해수의 온도(및 따라서 밀도)가 유출물의 온도에 정합할 것인 깊이로 천천히 가라앉는다.
본 명세서의 실시예는 연속적인 오프셋 스테이브가 있는 냉수 파이프를 거쳐 냉수를 흡인하는 부유식 해양 선박 또는 플랫폼 내의 다단 열교환기를 설명하였지만, 다른 실시예가 본 발명의 범주 내에 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 냉수 파이프는 해안 설비에 연결될 수 있다. 연속적인 오프셋 스테이브가 있는 파이프는 상당한 길이 대 직경비를 갖는 다른 취수 또는 배출 파이프를 위해 사용될 수 있다. 오프셋 스테이브가 있는 구성은 전통적인 분할형 파이프 구성에서의 사용을 위해 파이프 섹션 내에 합체될 수 있다. 다단 열교환기 및 일체형 유동 통로는 해안 기반 OTEC 시설을 포함하는 해안 기반 시설 내에 합체될 수 있다. 더욱이, 온수는 따뜻한 담수, 지열 가열된 물 또는 산업용 배출수(예를 들어, 원자력 발전소 또는 다른 산업용 설비로부터 배출된 냉각수)일 수 있다. 냉수는 차가운 담수일 수 있다. 본 명세서에 설명된 OTEC 시스템 및 구성 요소들은 염수 담수화(desalination); 물 정화; 심해수 재가공; 바이오매스(biomass) 또는 바이오연료(biofuel)의 양식 생산; 및 또 다른 산업을 포함하는 전기 에너지 생산 또는 다른 사용 분야를 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에 언급된 모든 참조 문헌들은 그대로 참조로서 합체되어 있다.
다른 실시예가 이하의 청구범위의 범주 내에 있다.

Claims (25)

  1. 개방형 중앙 베이, 및 상기 베이의 적어도 일부를 둘러싸도록 배열된 플랫폼 상의 받침대를 포함하는 물-지지식 부유 플랫폼 상에서 파이프를 조립하는 방법으로서,
    상기 플랫폼 상에 파이프 취수 조립체를 제공하는 단계;
    스테이브를 제공하는 단계;
    상기 파이프 취수 조립체를 상기 베이의 내부 공간에 이송하는 단계;
    총안(銃眼)형으로 형성된 상단부를 갖는 환형 파이프부를 형성하기 위해 오프셋 스테이브 구성으로 상기 파이프 취수 조립체 상에 개별 스테이브를 조립하는 단계;
    상기 스테이브의 상단부가 상기 받침대의 하부 부분 내에 존재할 때까지, 상기 베이 내에 그리고 수중으로 상기 파이프부를 하강하는 단계;
    상기 파이프부를 형성하는 상기 스테이브의 상단부에 부가의 스테이브를 조립함으로써 상기 파이프부의 길이를 증가시키는 단계;
    상기 파이프가 원하는 길이를 가질 때까지 상기 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계를 반복하는 단계
    를 포함하고, 상기 파이프 취수 조립체를 상기 베이의 내부 공간에 이송하는 단계는, 상기 플랫폼의 측면 위에 상기 파이프 취수 조립체를 하강하는 단계, 상기 플랫폼 아래의 파이프 취수 조립체를 상기 베이 아래에 놓인 위치로 이동하는 단계, 및 상기 파이프 취수 조립체를 상기 베이를 통해 상기 받침대 내의 원하는 위치로 상승시키는 단계를 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파이프 취수 조립체를 상기 베이의 내부 공간에 이송하는 단계는, 상기 플랫폼의 표면 위로 상기 파이프 취수 조립체를 상승시키는 단계, 상기 파이프 취수 조립체가 상기 베이 위에 놓이도록 상기 플랫폼을 이동시키는 단계, 및 상기 베이 내로 적어도 부분적으로 상기 파이프 취수 조립체를 하강하는 단계를 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 베이에 개별 스테이브를 이송하고 상기 파이프 취수 조립체 상에 개별 스테이브를 조립하는 단계는,
    상기 환형 파이프부의 하단부가 상기 파이프 취수 조립체의 상부측과 동일 높이에 있도록 개별 스테이브를 조립하는 단계; 및
    파이프부를 형성하도록 상기 환형 파이프부의 하단부를 상기 파이프 취수 조립체에 연결하는 단계로서, 이 연결 단계는 상기 환형 파이프부와 상기 파이프 취수 조립체 사이의 조인트 주위에 접합 재료를 권취하는 단계를 포함하고, 상기 접합 재료는 원주방향으로 연장되고 상기 환형 파이프부와 상기 파이프 취수 조립체의 적어도 일부를 중첩하는 것인 연결 단계를 더 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 파이프 취수 조립체는, 파이프 단부 및 상기 파이프 단부에 연결된 웨이트를 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 파이프가 원하는 길이에 도달하면, 상기 파이프 취수 조립체의 반대편에 있는 파이프의 단부에 파이프 단부를 연결하는 단계를 더 포함하는 파이프 조립 방법.
  6. 물-지지식 부유 플랫폼 상에서 파이프를 조립하는 방법으로서,
    개방형 중앙 베이, 플랫폼 상에 있고 상기 베이의 적어도 일부를 둘러싸도록 배열된 받침대, 및 상기 베이 위에 놓인 위치에서 상기 받침대에 의해 지지되는 중공 맨드릴을 포함하는 플랫폼을 제공하는 단계;
    스테이브를 제공하는 단계;
    벨 마우스 및 웨이트를 포함하는 벨 마우스 조립체를 제공하는 단계로서, 상기 벨 마우스는 제1 측면 및 상기 제1 측면의 반대편에 있는 제2 측면을 갖고, 상기 웨이트는 상기 벨 마우스의 제2 측면에 연결되는 것인 벨 마우스 조립체를 제공하는 단계;
    상기 벨 마우스의 제1 측면이 상기 플랫폼의 상부면 위에 그리고 상기 맨드릴에 인접하여 존재하는 방식으로 상기 베이 내에 상기 벨 마우스 조립체를 위치설정하는 단계;
    스태거 링 내에 배열된 각각의 스테이브의 제1 단부가 상기 벨 마우스의 제1 측면에 대해 동일 높이로 형성되고, 상기 각각의 스테이브의 제2 단부가 인접한 스테이브에 대해 오프셋되는 스테이브의 스태거 링을 형성하도록 상기 맨드릴 내에 스테이브를 배열하는 단계;
    상기 파이프의 부분을 형성하도록 상기 스테이브의 스태거 링을 상기 벨 마우스 조립체에 연결하는 단계로서, 상기 연결 단계는 상기 스태거 링과 상기 벨 마우스 사이의 조인트 주위에 접합 재료를 권취하는 단계를 포함하고, 상기 접합 재료는 원주방향으로 연장되고 상기 스태거 링 및 상기 벨 마우스의 적어도 일부를 중첩하는 것인 연결 단계;
    상기 스태거 링의 스테이브의 제2 단부가 상기 맨드릴의 하부 부분 내에 존재할 때까지 수중으로 상기 파이프의 부분을 하강하는 단계;
    상기 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계로서,
    부가의 스테이브가 상기 맨드릴에 대해 위치되고 상기 부가의 스테이브의 제1 단부가 상기 스태거 링의 대응 스테이브의 제2 단부에 접하도록 상기 맨드릴 내에 부가의 스테이브를 위치설정하는 단계, 및
    상기 접합 재료가 상기 부가의 스테이브의 적어도 일부 및 냉수 파이프의 일부에 중첩하도록 상기 접합 재료로 상기 냉수 파이프의 일부를 권취함으로써 냉수 파이프의 일부에 부가의 스테이브를 연결하는 단계
    를 포함하는 것인 길이 증가 단계;
    상기 파이프가 원하는 길이를 가질 때까지 상기 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계를 반복하는 단계
    를 포함하는 파이프 조립 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스테이브는 대응 스테이브 정렬 지그 내로 개별적으로 패키징되는 것인 파이프 조립 방법.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 스테이브 정렬 지그는 인양 고리(lifting eye) 및 플랜지를 포함하고, 상기 인양 고리는 상기 스테이브 정렬 지그의 제1 단부에 인접하여 배치되며, 상기 플랜지는 상기 스테이브 정렬 지그의 제2 단부에 인접하여 배치되고 상기 받침대 상에 제공된 핀에 협동적으로 결합하도록 구성되는 것인 파이프 조립 방법.
  9. 제6항에 있어서, 스태거 링을 형성하도록 맨드릴 내에 스테이브를 배열하는 단계는,
    상기 맨드릴에 대해 스테이브를 위치설정하는 단계;
    상기 맨드릴 및 다른 스테이브의 바로 앞에 위치되었던 스테이브 양자 모두에 대해 다른 스테이브를 위치설정하는 단계;
    스테이브의 링이 형성될 때까지 상기 다른 스테이브를 위치설정하는 단계를 반복하는 단계
    를 포함하고, 상기 다른 스테이브는 상기 다른 스테이브의 바로 앞에 위치되었던 스테이브와는 상이한 길이를 가지며, 상기 스테이브는 상기 스태거 링의 각각의 스테이브의 제1 단부가 스태거 링을 형성하는 데 사용된 다른 스테이브의 제1 단부와 동일 높이에 위치하도록 배열되는 것인 파이프 조립 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 스테이브의 스태거 링을 형성하도록 맨드릴 내에 스테이브를 배열하는 단계는, 상기 스태거 링을 형성하는 데 사용된 스테이브의 제1 단부를 밀봉하는 단계를 더 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 파이프가 원하는 길이에 도달하면, 상기 벨 마우스의 반대편에 있는 파이프의 단부에 파이프 단부를 연결하는 단계를 더 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 파이프 단부는 내향으로 테이퍼지고, 스파의 하부면 상에 제공된 피팅 내에 포획되도록 구성되는 것인 파이프 조립 방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 맨드릴 내에 스테이브를 배열하고 상기 맨드릴 내에 부가의 스테이브를 위치설정하는 단계는, 인접한 스테이브를 서로 연결하는 단계를 더 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  14. 제6항에 있어서, 상기 파이프 내에 적어도 하나의 스프레더를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 스프레더는 상기 파이프의 내부면에 외향력을 제공하도록 구성되는 것인 파이프 조립 방법.
  15. 제6항에 있어서, 상기 벨 마우스 조립체는 벨 마우스 및 상기 벨 마우스에 연결된 웨이트를 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  16. 물-지지식 부유 플랫폼 상에 파이프를 조립하는 방법으로서,
    개방형 중앙 베이 및 상기 베이를 둘러싸도록 플랫폼 상에 배열된 가이드링을 포함하는 플랫폼을 제공하는 단계;
    벨 마우스 및 웨이트를 포함하는 벨 마우스 조립체를 제공하는 단계로서, 상기 벨 마우스는 제1 측면 및 상기 제1 측면의 반대편에 있는 제2 측면을 갖고, 상기 웨이트는 상기 벨 마우스의 제2 측면에 연결되는 것인 벨 마우스 조립체 제공 단계;
    상기 벨 마우스의 제1 측면이 상기 플랫폼의 상부면 위에 그리고 상기 가이드링에 인접하여 존재하는 방식으로 상기 베이 내에 상기 벨 마우스 조립체를 위치설정하는 단계;
    스태거 링 내에 배열된 각각의 스테이브의 제1 단부가 상기 벨 마우스의 제1 측면에 대해 동일 높이로 형성되고, 각각의 스테이브의 제2 단부가 인접한 스테이브에 대해 오프셋되는 스테이브의 스태거 링을 형성하도록 상기 가이드링 상에 스테이브를 배열하는 단계;
    상기 파이프의 부분을 형성하도록 상기 벨 마우스 조립체에 스테이브의 스태거 링을 연결하는 단계로서, 상기 연결 단계는 상기 스태거 링과 상기 벨 마우스 사이의 조인트 주위에 접합 재료를 권취하는 단계를 포함하고, 상기 접합 재료는 원주방향으로 연장되며 상기 스태거 링 및 상기 벨 마우스의 적어도 일부를 중첩하는 것인 연결 단계;
    상기 스태거 링의 스테이브의 제2 단부가 맨드릴의 하부 부분 내에 존재할 때까지 수중에 상기 파이프의 부분을 하강하는 단계;
    상기 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계로서,
    부가의 스테이브가 상기 가이드링에 대해 위치되고 상기 부가의 스테이브의 제1 단부가 상기 스태거 링의 대응 스테이브의 제2 단부에 접하도록 상기 맨드릴 내에 부가의 스테이브를 위치설정하는 단계, 및
    상기 접합 재료가 상기 부가의 스테이브의 적어도 일부 및 냉수 파이프의 일부에 중첩하도록 상기 접합 재료로 상기 냉수 파이프의 일부를 권취함으로써 냉수 파이프의 부분에 부가의 스테이브를 연결하는 단계
    를 포함하는 것인 길이 증가 단계;
    상기 파이프가 원하는 길이를 가질 때까지 상기 파이프의 부분의 길이를 증가시키는 단계를 반복하는 단계
    를 포함하는 파이프 조립 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 벨 마우스의 제1 측면은 정렬 탭을 포함하고, 상기 가이드링 상에 스테이브를 배열하는 단계는 각 스테이브의 하단부가 상기 정렬 탭과 정렬되도록 상기 벨 마우스 조립체에 대해 스테이브를 위치설정하는 단계를 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  18. 제16항에 있어서, 인접한 스테이브들이 서로 부착되기 전에, 접합 재료가 각각의 부착면을 따라 각각의 스테이브에 도포되는 것인 파이프 조립 방법.
  19. 제18항에 있어서, 각각의 스테이브는 인접한 스테이브들을 접하는 에지를 따른 자기 보유 정합 특징부들을 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
  20. 제16항에 있어서, 각각의 스테이브는 인접한 스테이브들을 접하는 에지를 따른 자기 보유 정합 특징부들을 포함하는 것인 파이프 조립 방법.
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