TW201632725A - 用於海洋熱能轉換之冷水管組 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種冷水管組及用於產生一冷水管組之機構。複數個繫留線固定至一管端構件。複數個管片段之一管片段可相對於該管片段之一管壁上之複數個位置處之該等繫留線滑動地耦合。該複數個管片段係反覆地延伸以藉由將下一管片段連接至一先前管片段以延伸該管組且藉由延伸該等繫留線而降低該管端構件及該管組來形成一所要長度之一管組。下一管片段之至少一些管片段可相對於下一管片段之該至少一些管片段之一各自管壁上之複數個位置處之該等繫留線滑動地耦合。

Description

用於海洋熱能轉換之冷水管組
本發明實施例大體上係關於在一深水環境中之冷水管產生。
對於海洋熱能轉換(OTEC)作為電能之一可再生源存在越來越來的興趣。OTEC使用海洋的天然熱梯度發電。在具有溫地表水及冷深水之地理區域中，溫度差異可經利用以驅動一蒸汽循環來轉動一渦輪機且產生電力。溫表面海水通過一熱交換器，其汽化一低沸點工作流體以驅動一渦輪發電機，藉此產生電力。不幸地，對於OTEC之一挑戰係需要必須能夠自海洋深處至表面抽取大容積水之一冷水管(CWP)。
OTEC中使用的CWP經常係在直徑上為4米(m)或更大且在長度上超過1000m之大直徑管。經常藉由將管之更小片段耦合在一起以形成一所要長度之一CWP來原位構造CWP。一CWP必須能夠耐受各種環境力，其包含波浪誘導運動(WIM)週次應變、WIM軸向挫曲、渦流引致之振動(VIV)週次應變、平台旋轉、配重塊軸向力及其類似者。另外，歸因於深水環境中的不可預測及極端天氣之總是存在的威脅，CWP經設計使得在CWP之製造、裝配、及部署期間CWP可耐受藉由劇烈風暴引起之力。通常，CWP上之此等引發力在CWP安裝至海洋之後係更小。CWP經常由玻璃纖維及/或碳纖維複合物製成以滿足在 安裝及/或操作期間CWP將或可能遭遇之各種力。此等CWP係昂貴的，且構造及安裝CWP係耗時的。例如，構造及安裝此一CWP可耗費90天或更多天。因為已展示極端天氣事件以在製造期間引起更大力至CWP結構，所以此等長部署時間增加一CWP將遭遇且必須耐受一極端天氣事件之可能性。
除其他特徵外，本發明實施例係關於包含包括一聚乙烯熱塑性塑膠之管片段的一冷水管(CWP)組。該等管片段彼此連接，且可滑動地耦合至該等管片段之一管壁上之多個位置處之複數個繫留線。本發明實施例促進在實質上更少時間中、且以實質上比習知CWP更低的成本及風險產生一CWP。
在一實施例中，提供一種產生一管組之方法。複數個繫留線固定至一管端構件。可相對於該管片段之一管壁上之複數個位置處之該複數個繫留線滑動地耦合複數個管片段之一管片段。藉由將下一管片段連接至一先前管片段以延伸該管組，且藉由延伸該複數個繫留線而降低該管端構件及該管組來反覆地延伸該複數個管片段以形成一所要長度之一管組。可相對於該等管片段之該至少一些管片段之一各自管壁上之複數個位置處之該複數個繫留線滑動地耦合該等管片段之至少一些管片段。
在一實施例中，該管端構件包括一管片段。在一實施例中，該管端構件耦合至經構形以在該管端構件上施加一向下力之一物件(諸如一配重塊)。在一實施例中，該管端構件包括徑向地圍繞該管端構件隔開的複數個突出物。該複數個繫留線之各繫留線係固定至一對應突出物。
在一實施例中，藉由電熔來將該下一管片段連接至該先前管片段。在另一實施例中，藉由熔接來將該下一管片段連接至該先前管片 段。
在一實施例中，各繫留線藉由複數個絞車之一對應絞車控制。藉由同步延伸該複數個繫留線及對應複數個絞車來降低該管端構件及該管組。
在一實施例中，該管組包括一聚乙烯熱塑性塑膠。在一實施例中，各繫留線包括包括一高模數聚乙烯之一繩索。
在另一實施例中，提供一種深水結構。該深水結構包含一平台，其形成一主要開口。一管片段熔融機構經構形以將管片段相對於彼此熔融在一起。該等管片段經構形以可滑動地耦合至複數個繫留線。複數個絞車相對於該平台耦合且經構形以捲繞該複數個繫留線之一各自繫留線。該深水結構包含一管組，其包括可滑動地耦合至該等繫留線且在該平台下延伸一距離之複數個熔融管片段。
在一實施例中，該等絞車圍繞該主要開口之一周長彼此實質上等距離定位。
在另一實施例中，提供一種管組。該管組包含：一管端構件，其固定至複數個繫留線；及複數個連接管片段。該等管片段之至少一些管片段可相對於該等管片段之一各自管壁上之複數個位置處之該等繫留線滑動地耦合。
熟習技術者在閱讀以下與附圖相關聯之較佳實施例之詳細描述之後應瞭解本發明之範疇且瞭解本發明之額外態樣。
10‧‧‧深水結構
10-1‧‧‧深水結構
12‧‧‧裝配冷水管組
12-1至12-4‧‧‧管組
14‧‧‧平台
16‧‧‧漂浮柱
16-1至16-4‧‧‧漂浮柱
18‧‧‧翼樑結構
20‧‧‧管片段
20-A‧‧‧管片段
20-B‧‧‧第一管片段
22‧‧‧繫留線
24‧‧‧管端構件
26‧‧‧絞車
28‧‧‧主要開口
30‧‧‧配重塊
32‧‧‧歧管
34‧‧‧鈴組
36‧‧‧繫留固定站
38‧‧‧區域
40‧‧‧位置
42‧‧‧凹口
44‧‧‧帶
46‧‧‧突出物
48‧‧‧海床
50‧‧‧繫留線
52‧‧‧繫留線
54‧‧‧壓載艙
56‧‧‧導引件
58‧‧‧水鎚阻尼器結構
60‧‧‧大氣
62‧‧‧阻尼器/彈性材料
100‧‧‧方塊
102‧‧‧方塊
104‧‧‧方塊
106‧‧‧方塊
108‧‧‧方塊
110‧‧‧方塊
112‧‧‧方塊
併入且形成本說明書之一部分的附圖繪示本發明之若干態樣，且與描述一起用以解釋本發明之原理。
圖1係根據一實施例之一深水結構及裝配冷水管(CWP)組之一透視圖；圖2係根據一實施例繪示該管組之裝配之一圖； 圖3係繪示該深水結構之一繫留固定站之一圖；圖4係根據一實施例繪示一管片段及一管端構件之一圖；圖5A至圖5C係繪示不同繫留機構之圖，藉由該等繫留機構，該深水結構可相對於一海床繫留；圖6係根據一實施例繪示一水鎚阻尼器結構58之一圖；圖7係根據另一實施例之一深水結構之一透視圖；且圖8係根據一實施例之一種用於產生該管組之方法之一流程圖。
下文所闡述之本發明實施例表示可使熟習技術者實踐本發明實施例且繪示實踐本發明實施例之最佳模式之必需資訊。在根據附圖閱讀以下描述之後，熟習技術者當理解本發明之概念且將認識到此等概念之應用不會在本文中特別處理。應瞭解此等概念及應用落入本發明之範疇及隨附申請專利範圍內。
本文所討論之任何流程圖有必要為繪示之目的在一些序列中討論，但除非另有明確指示，否則本發明實施例不限於任何特定序列之步驟。本文中使用之序數結合一元件係單獨地為了區分另可係相似或相同標記(諸如「第一管片段」及「下一管片段」)，且除非本文另有說明，否則不會意謂一優先權利、一類型、一重要性、或其他屬性。本文使用之術語「大約」結合一數值意謂大於該數值10%或小於該數值10%之一範圍內之任何值。
除其他特徵外，本發明實施例係關於包含包括一聚乙烯熱塑性塑膠之管片段的一冷水管(CWP)組。該等管片段彼此連接，且可滑動地耦合至該等管片段之一管壁上之多個位置處之複數個繫留線，使得該等管片段可相對於該等繫留線滑動。本發明實施例促進在實質上更少時間中、且以實質上比習知CWP更低的成本產生一CWP。
圖1係根據一實施例之一深水結構10及裝配冷水管(CWP)組12之 一透視圖。深水結構10包括藉由一數量(在此實例中係四個)漂浮柱16-1至16-4支撐之一平台14。
深水結構10可包含在產生與操作兩者期間用以保護管組12之一頂部免於海洋力(海洋力在海洋之表面處係比海洋之深處相對更實質)而圍封管組12之該頂部之一翼樑結構18。翼樑結構18可延伸一所要距離至海洋。在一些實施例中，翼樑結構18延伸至大約100米之一深度。翼樑結構18可經設計以與管組12反應且自管組12吸收負載。在一實施例中，可使用一彈性材料(諸如藉由將一凝膠袋定位於翼樑結構18與管組12之間)完成此反應及吸收。在一些實施例中，翼樑結構18可包括一複合材料。在一些實施例中，翼樑結構18可由匹配管組12之一勁度的一材料製成。
管組12由由一聚乙烯熱塑性塑膠(諸如，(以非限制性實例的方式)，高密度聚乙烯(HDPE))製成的複數個管片段20形成。各管片段20可藉由圍繞(例如)一可摺鋼芯棒螺旋捲繞一聚乙烯(PE)100樹脂製成。在一些實施例中，管片段20基本上由聚乙烯熱塑性塑膠及幾乎沒有其他化合物(諸如玻璃纖維)組成。在其他實施例中，管片段20包含玻璃纖維以增加勁度。在一實施例中，管片段20包含大約20%玻璃纖維。
管組12包含在一端耦合至管組12之一管端構件24且在另一端耦合至相對於平台14定位之各自絞車26的複數個繫留線22。在一實施例中，絞車26實質上圍繞形成於平台14中之一主要開口28彼此等距離定位。
在一實施例中，繫留線22較佳地包括一高模數聚乙烯(HMPE)繩索(諸如，(以非限制性實例的方式)，可購自建立在Het Overloon 1,6411 TE Heerlen,the Netherlands的一公司Koninklijke DSM N.V.，之Dyneema® SK78、Dyneema® SK75、或Dyneema® DM20)。本實施例 利用繫留線22承擔且自管片段20消除另將藉由管片段20耐受的大多數力，允許管片段20包括需要能夠另耐受通常藉由一CWP遭遇之各種力的一材料(諸如HDPE)。依此方式，管片段20僅需要足以耐受所產生之吸入力，同時透過管組12將水自海洋深處泵抽。使用幾乎完全由HDPE製成之管片段20容許使用連接技術(諸如電熔及/或熔接)之管組12之一相對快速構造。繫留線22可具有足以提供必需強度的一適合直徑。在一實施例中，繫留線22之直徑可係大約4英寸。
管組12耦合至在管組12上產生張力且減少管組12之頂部處之彎矩的一物件(諸如一配重塊30)。配重塊30可包括足以產生一所要張力之任何適合重量。在一實施例中，配重塊30重大約500噸。管組12可具有超過1000米之一長度。
在操作時，在管端構件24處之管組12中採用相對較冷的水且透過管組12朝向平台14向上泵抽水。一導管或通道(諸如一歧管32)可用以將水自管組12安排路線至一或多個所要目的地作為OTEC程序之部分。為防止致使圖1中繪示之特定特徵不清楚，歧管32不經繪示連接至此一或多個所要目的地。
圖2係根據一實施例繪示管組12之裝配之一圖。在一剖視圖中繪示翼樑結構18以展示位於翼樑結構18內之管組12之部分。在一實施例中，複數個管片段20-A可彼此連接以形成一管片段20-B。該複數個管片段20-A可藉由任何所要方式彼此連接。在一實施例中，管片段20-A利用一電熔程序連接在一起。在另一實施例中，管片段20-A利用一熔接程序連接在一起。管片段20-B可形成於鄰接平台14之一表面上(諸如在一船(未繪示)上)、可形成於地面上且漂浮至平台14、或可形成於平台14上。一必需數量之管片段20-B可在管組12之裝配之前形成，大幅減少在管組12之裝配期間必須形成之接面之數量，且大幅減少建構管組12所需之時間。
管片段20-B(諸如藉由一起重機(未繪示))升高，相對於管組12定向，且連接至管組12以藉由管片段20-B之長度延伸管組12。如本文將更詳細討論，管片段20-B可相對於管片段20-B之該管壁上之複數個位置處之繫留線22滑動地耦合，使得管片段20-B可相對於繫留線22滑動。絞車26同步捲繞繫留線22以降低管端構件24及管組12更深入海洋且維持繫留線22上之張力以限制歸因於洋流之偏轉。在一些實施例中，可利用起伏補償裝置結合絞車26以補償歸因於波浪及海洋移動之運動。配重塊30提供足夠重量以當繫留線22捲繞時朝向海床拉管端構件24及管組12。接著，下一管片段20-B可添加至管組12之頂部。此程序可反覆地重複直至管組12係一所要長度。
在裝配及部署之後，繫留線22可自絞車26解耦合且連接至平台14上之連接點。在一些實施例中，可所要維持平台14上之絞車26用於後續使用以(視需要)維持或替代管組12之部分。
在一實例中，各管片段20-A具有大約4米之一內部直徑且係約18英尺長。六個管片段20-A在一平台或地面上連接在一起以形成一108英尺長的管片段20-B。此重複31次以形成31個管片段20-B。接著，該31個管片段20-B漂浮，另或運輸接近平台14。一第一管片段20-B藉由一起重機升高且定向於主要開口28上。該第一管片段20-B耦合至平台14上之一熔融站(未繪示)處之管端構件24。在一實施例中，各管片段20包含一環狀加粗壁部分，其中管片段20與另一管片段20連接以提供額外環勁度至管組12以抵抗曲度陷縮。
該熔融站促進管片段20-B與管組12之對準且提供足夠的力用於各自熔融程序與一電源。
在一些實施例中，管端構件24可係具有徑向地圍繞管端構件24之外表面隔開的複數個突出物之一管片段20-A用於耦合至繫留線22。在其他實施例中，管端構件24可由一實質上剛性材料(諸如不鏽鋼或 鋁)製成。
在此實例中，管端構件24及管片段20-B藉由捲繞繫留線22透過翼樑結構18降低。當管端構件24及管片段20-B降低時，管端構件24及管片段20-B可不時停止以允許繫留線22可滑動地耦合至管片段20-B。在管端構件24及管片段20-B透過翼樑結構18延伸之後，配重塊30可經由一鈴組34耦合至管端構件24以提供所要張力至管組12。
在此實例中，升高一管片段20-B至平台14必需之起重機時間係一小時，將兩個管片段20-B連接在一起之熔融製備時間係一小時，在兩個管片段20-B熔融在一起之時間係30分鐘，且耗費一小時以降低管片段20-B且將管片段20-B耦合至繫留線22。此導致3.5小時以針對各管片段20-B完全延伸管組12。假定1000米之一所要深度，且使用31個管片段20-B，耗費約108.5小時(約4.5天)以完全裝配管組12。此係與可耗費90天以裝配一1000米CWP之當前CWP組技術對比。
圖3係繪示深水結構10之一繫留固定站36之圖。再次，在一剖視圖中繪示翼樑結構18以展示位於翼樑結構18內之管組12之部分。當管片段20-B透過翼樑結構18降低時，絞車26週期性地停止捲繞繫留線22使得管片段20-B之管壁之特定區域38在繫留固定站36處係可觸及的。管片段20-B係由此可相對於繫留線22滑動地耦合，且管片段20-B可進一步降低直至下一區域38在繫留固定站36處呈現，其中該程序重複。
圖4係根據一實施例繪示一管片段20-B及管端構件24之一部分之一圖。管片段20-B可滑動地耦合至複數個位置40處之繫留線22。在此實施例中，區域38包含圍繞管片段20-B相對等距離地隔開的複數個凹口42，且其中接納各自繫留線22。一帶44將繫留線22維持於各自凹口42內，且因此可相對於繫留線22滑動地固定管片段20-B。帶44可包括具有足夠強度以將繫留線22維持於各自凹口42內之一材料，且在操作管組12期間不會磨損或以另外方式劣化繫留線22。當帶44係用於可相 對於繫留線22滑動地固定管片段22-B之一機構時，本發明不限於使用一帶，且可利用其它機構(諸如，(以非限制性實例的方式)安全鉤，或其類似者)。
管端構件24包括複數個徑向隔開突出物46(繫留線22可固定至突出物46)。突出物46僅係相對於管端構件24附接繫留線22之一實例機構，且本發明實施例不限於任何特定連接機構。在一些實施例中，繫留線22之端片段可由不同於大多數繫留線22之一材料(諸如係實質上抗磨損、水溫、或有關管組12之端部分之其他因素的金屬纜線或鏈)製成。因此，繫留線22可主要包括在端部分處接合至鋼纜線之HMPE繩索。
圖5A至圖5C係繪示不同繫留機構之圖，藉由該等繫留機構，深水結構10可繫留至一海床48。圖5A繪示在漂浮柱16與海床48之間耦合以限制深水結構10之側向移動之複數個繫留線50。圖5B繪示在漂浮柱16與海床48之間耦合的複數個繫留線50，與在海床48與配重塊30之間耦合的繫留線52以甚至進一步減少管組12之側向移動。圖5C繪示一實施例，其中繫留線52耦合至壓載艙54。壓載艙54係經由導引件56相對於海床48錨定之漂浮裝置，且因此經構形以施加可藉由變更壓載艙54之漂浮而改變之一張力至管組12。
圖6係根據一實施例繪示一水鎚阻尼器結構58之一圖。再次，在一剖視圖中繪示翼樑結構18以展示位於翼樑結構18內之管組12之部分，且展示水鎚阻尼器結構58之態樣。水鎚阻尼器結構58排出大氣60且允許壓縮氣體自管組12排出。在一實施例中，一阻尼器/彈性材料62可固定於區域38與翼樑結構18之內表面之間以將負載自管組12轉移至翼樑結構18。
圖7係根據另一實施例之一深水結構10-1之一透視圖。為繪示之目的，歧管32未在圖7中展示。在此實施例中，產生更大量之電(諸如 100百萬瓦)，且因此用於操作之更大量之冷水係必需的。替代具有非常的直徑(諸如一10米直徑)之一單一CWP，經由平台14產生且安裝四個管組12-1至12-4。各管組12可包括具有約5米之直徑之管片段20-B，替代一單一10米直徑管(其可歸因於與一10米直徑管相關聯的數量及後勤補給而實質上使得產生、裝配及維護複雜化)。
圖8係根據一實施例之一種用於產生管組12之方法之一流程圖。將結合圖1及圖2討論圖8。首先，假定複數個管片段20-B已自管片段20-A在地面上形成，或其他地方，且係接近平台14。繫留線22固定至管端構件24(方塊100)。一第一管片段20-B被升高且定向於主要開口28上。該第一管片段20-B耦合至管端構件24，且可相對於管片段20-B之一管壁上之複數個位置處之繫留線22滑動地耦合(方塊102)。下一管片段20-B連接至先前管片段20-B以延伸管組12(方塊104)。當管片段20-B反覆地連接在一起時，可相對於該等管片段之該至少一些管片段之一各自管壁上之複數個位置處之該等繫留線滑動地耦合管片段20-B之至少一些管片段(方塊106)。在一些實施例中，各管片段20-B可相對於該各自管壁上之複數個位置處之繫留線22滑動地耦合。藉由延伸繫留線22而降低管端構件24及管組12(方塊108)。若管組12係所要長度，則完成管組12之產生(方塊110、112)。否則，使用另一管片段20-B重複該程序(方塊110、114)。
儘管僅為繪示之目的已以一翼樑類型離岸平台為背景內容討論本發明實施例，但本發明實施例不限於任何特定離岸平台類型，且對於任何適合離岸平台具有適用性，其包含，(以非限制性實例的方式)，半潛式離岸平台及張力腳離岸平台。
熟習技術者應認識到對於本發明之較佳實施例之改良及修改。所有此等改良及修改視為在本文所揭示之概念之範疇及隨附之申請專利範圍內。
10‧‧‧深水結構
18‧‧‧翼樑結構
26‧‧‧絞車
32‧‧‧歧管
38‧‧‧區域
58‧‧‧水鎚阻尼器結構
60‧‧‧大氣
62‧‧‧阻尼器/彈性材料

Claims (22)

  1. 一種產生一管組之方法，其包括：將複數個繫留線固定至一管端構件；可相對於該管片段之一管壁上之複數個位置處之該複數個繫留線滑動地耦合複數個管片段之一管片段；藉由以下步驟反覆地延伸該複數個管片段以形成一所要長度之一管組：將下一管片段連接至一先前管片段以延伸該管組；且藉由延伸該複數個繫留線而降低該管端構件及該管組；且可相對於在該等管片段之該至少一些管片段之一各自管壁上之複數個位置處的該複數個繫留線滑動地耦合該等管片段之至少一些管片段。
  2. 如請求項1之方法，其中該管端構件包括一管片段。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包括將該管端構件耦合至經構形以在該管端構件上施加一向下力之一物件。
  4. 如請求項1之方法，其中該管端構件包括徑向地圍繞該管端構件隔開的複數個突出物，且其中該複數個繫留線之各繫留線係固定至一對應突出物。
  5. 如請求項1之方法，其中將該下一管片段連接至該先前管片段包括藉由電熔來將該下一管片段熔融至該先前管片段。
  6. 如請求項1之方法，其中將該下一管片段連接至該先前管片段包括藉由熔接來將該下一管片段熔融至該先前管片段。
  7. 如請求項1之方法，其中各繫留線藉由複數個絞車之一對應絞車控制，且其中藉由延伸該複數個繫留線來降低該管端構件及該管組包括藉由該對應複數個絞車而藉由同步延伸該複數個繫留 線來降低該管端構件及該管組。
  8. 如請求項7之方法，其中藉由該對應複數個絞車而藉由同步延伸該等繫留線來降低該管端構件及該管組包括藉由該對應複數個絞車而藉由同步延伸該複數個繫留線透過形成於一平台中之一開口來降低該管端構件及該管組。
  9. 如請求項1之方法，其中該管組包括一聚乙烯熱塑性塑膠。
  10. 如請求項1之方法，其中該管組基本上由一聚乙烯熱塑性塑膠組成。
  11. 如請求項1之方法，其中各繫留線包括包括一高模數聚乙烯之一繩索。
  12. 如請求項1之方法，其中該管組具有大於大約9英尺之一直徑。
  13. 如請求項1之方法，其進一步包括可相對於在每個各自管片段之一管壁上之複數個位置處之該複數個繫留線來滑動地耦合各管片段。
  14. 一種深水結構，其包括：一平台，其形成一主要開口；一管片段熔融機構，其經構形以將管片段相對於彼此熔融，該等管片段經構形以可滑動地耦合至複數個繫留線；複數個絞車，其相對於該平台耦合且經構形以捲繞該複數個繫留線之一各自繫留線；及一管組，其包括可滑動地耦合至該等繫留線且在該平台下延伸一距離之複數個熔融管片段。
  15. 如請求項14之深水結構，其中該等絞車圍繞該主要開口之一周長彼此實質上等距離定位。
  16. 如請求項14之深水結構，其中該等管片段包括一聚乙烯熱塑性塑膠。
  17. 如請求項14之深水結構，其中該等管片段基本上由一聚乙烯熱塑性塑膠組成。
  18. 如請求項14之深水結構，其中該各自繫留線包括一繩索，該繩索包括一高模數聚乙烯。
  19. 如請求項14之深水結構，其中該等管片段具有大於大約9英尺之一直徑。
  20. 一種管組，其包括：一管端構件，其固定至複數個繫留線；及複數個連接管片段，該等管片段之至少一些管片段可相對於該等管片段之一各自管壁上之複數個位置處之該等繫留線滑動地耦合。
  21. 如請求項20之管組，其中該等管片段基本上由一聚乙烯熱塑性塑膠組成。
  22. 如請求項20之管組，其中各繫留線包括包括一高模數聚乙烯之一繩索。
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