-柱筒连接。柱筒1611的下部包括用于接收 冷水管1651的上部1651A的接收凹部1713。接收凹部1713包括锥形部1714和接触垫1715。冷 水管1651的上部1651A包括具有锥形凸缘面1756和吊环（lifting lug) 1775的凸缘1755。冷 水管1651通过上提保持缆绳1777被连接至柱筒1611，上提保持缆绳1777在吊环1775处被固 定于冷水管。缆绳1777被安装至容纳在柱筒1611的下部中的机械绞盘1779。
[0176] 在用于将冷水管连接至柱筒平台的示例性方法中，使完全制造好的冷水管下降至 柱筒平台正下方的点位处。通过远程操作工具将上提保持缆绳1777连接于吊环1775。利用 前述的容纳在柱筒1611的下部中的机械绞盘拉紧缆绳。在冷水管1651的上部165IA进入接 收凹部1713时，通过锥形部1714将其引导到正确位置直到在锥形凸缘面1756和接触垫1715 之间形成牢固的连接。一旦冷水管在接收凹部中位置正确并且连接牢固，则用机械方式将 缆绳1777锁定以防止冷水管1651的向下移动。由于水在冷水管的内部以及围绕管的外侧流 动，所以在冷水管和柱筒结构之间的交界处无需压力密封。在一些实施中，冷水管与柱筒结 构之间的密封使得通过密封的水最少化。通过上提缆绳、冷水管的浮力或者两者的组合可 以赋予施加在连接垫上的向上的力。
[0177] 可以理解的是，上提缆绳1777和相应的吊环1775的数量取决于冷水管1651的尺 寸、重量和浮力。在一些方面中，冷水管1651可以具有正浮力、中性浮力或负浮力。上提缆绳 1777和相应的吊环1775的数量也取决于与冷水管相关联的任何压舱物以及附接于冷水管 的配重块的重量和浮力。在发明的若干个方面中，可以使用2条、3条、4条、5条、6条或更多的 上提保持缆绳。
[0178] G33
[0179]在发明的另外的方面中，吊环1775可以包括吊耳(pad eyes)，吊耳利用已知的紧 固和连接技术被直接螺栓连接于冷水管的顶部。例如，在冷水管的板条顶部中可以包含筒 状插座、六角插座、coddler销等等。
[0180]在其他方面中，上提凸缘（lifting collar)可以安装于冷水管的顶部，该上提凸 缘包括凸缘连接面1756和吊环1755。上提凸缘的材料可以与冷水管的材料相同或不同。上 提凸缘安装于冷水管时，与和上部1651A相关联的刚性相比，可以提高冷水管的刚性。图18 是安装于板条式冷水管1651的上提凸缘1775的说明图。上提凸缘可以机械结合、化学结合 或热结合于冷水管的上部1651A。例如，可以使用与用于连接冷水管的单个板条构件相同的 结合树脂来将上提凸缘连接至冷水管。
[0181] 热交换系统
[0182]图3、图3A和图19以及图20示出了本发明的实施，其中，围绕OTEC柱筒410的周围配 置了多个多级热交换器420。热交换器420可以是OTEC热机中使用的蒸发器或冷凝器。热交 换的周围布局可以与OTEC柱筒平台的蒸发器部344或冷凝器部348-起使用。周围配置可以 支撑任何数量的热交换器(例如，1个热交换器，在2个与8个之间的热交换器，8个至16个热 交换器，16个至32个热交换器，或者32个或更多的热交换器）。一个或多个热交换器可以沿 周向配置在OTEC柱筒410的一个甲板或多个甲板(例如，2个、3个、4个、5个、或6个或更多的 甲板)上。一个或多个热交换器可以在两个或多个甲板之间沿周向错开地设置使得没有两 个热交换器在垂向上上下对准。一个或多个热交换器可以沿周向配置成使得一个甲板中的 热交换器在垂向上与相邻的另一个甲板上的热交换器对准。
[0183] 单个热交换器420可以包括多级热交换系统(例如，1个、2个、3个、4个、5个、或6个 或更多热交换系统）。在一个实施方式中，单个热交换器420可以是被构造成为通过热交换 器的热海水流、冷海水流和工作流体提供最小压力损失的柜式热交换器（cabinet heat exchanger)〇
[0184] 参照图21，柜式热交换器520的实施方式包括多个热交换级521、522、523和524。在 一个实施中，堆叠的热交换器容纳从第一蒸发器级521向第二蒸发器级522、第三蒸发器级 523、第四蒸发器级524地向下流过柜的热海水。在堆叠的热交换柜的另一实施方式中，冷海 水从第一冷凝器级531向第二冷凝器级532、第三冷凝器级533、第四冷凝器级534地向上流 过柜。工作流体流过工作流体供给管道538和工作流体排放管道539。在一个实施方式中，工 作流体管道538和539与热海水或冷海水的垂向流动相比横向地进入和离开各热交换器级。 柜式热交换器520的垂向多级热交换设计有利于一体化的船舶(或柱筒)和热交换器设计、 去除了热交换器级之间的相互连接管路的需要并且确保了几乎所有热交换器系统压降发 生在整个热传递表面上。
[0185] 在一个方面中，可以利用表面的形状、处理以及间距使热传递表面优化。诸如铝合 金等的材料选择提供了超过传统的钛基设计的优异的经济性能。热传递表面可以包括1000 系列、3000系列或5000系列的铝合金。热传递表面可以包括钛和钛合金。
[0186] 已经发现:多级热交换器柜使得能够在OTEC热机的相对低的可用的温差范围内从 海水中传递最大能量给工作流体。任何OTEC电站的热力学效率都是工作流体的温度如何接 近海水的温度的函数。热传递的物理现象决定了传递能量所需的面积随着工作流体温度接 近海水温度而增加。为了消除表面积的增加，增加海水的速度可以增大热传递系数。但是， 这大大增加了栗取所需的电力，从而增加了 OTEC电站上的寄生电载荷。
[0187] 参照图22Α，是利用热表面海水在热交换器中使工作流体沸腾的传统的OTEC循环。 该传统的兰金循环中的流体特性受到了将离开的工作流体限制在离开的热海水温度的大 约3°F以下的沸腾过程的制约。采用相似的方式，循环的冷凝侧被限制为比将离开的冷海水 温度高得不小于2°F。对于工作流体而言总的可用的温度下降为大约12°F(在68°F和56°F之 间）。
[0188] 已经发现:级联的多级OTEC循环允许工作流体温度更加紧密地匹配海水的温度。 该温差上的增大增加了与OTEC热机相关联的涡轮机所能够完成的功。
[0189] 参照图22B，级联的多级OTEC循环的一个方面采用了多个沸腾和冷凝步骤以扩大 可用的工作流体温度下降。各步骤需要独立的热交换器，或者图5的柜式热交换器520中的 专用热交换器级。图6b的级联的多级OTEC循环允许涡轮机的输出与用于海水和工作流体的 期望的栗取负载相匹配。该高度优化的设计将需要专用和定制的涡轮机。
[0190]参照图22C，示出了混合的仍然优化的级联OTEC循环，该循环在保持图22B的纯正 级联配置的热力学效率或优化的同时便于使用同样的设备(例如，涡轮机，发电机，栗）。在 图22C的混合级联循环中，用于工作流体的可用的温差的范围从约18°F至约22°F。该缩窄的 范围允许热机中的涡轮机具有同样的性能规格，从而降低了构造和操作成本。
[0191] 利用混合级联循环大大地增加了OTEC电站的系统性能和电力输出。表A将图22A的 传统循环的性能与图22C的混合级联循环的性能进行了比较。
[0192] 表A
[0193] 针对100MW净输出的估算性能
[0195] 采用四级混合级联热交换循环降低了流体之间的传递所需的能量的总量。这进而 用于减小所需的热交换表面的总量。
[0196] 热交换器的性能受流体之间可用的温差以及热交换器表面的热传递系数的影响。 热传递系数基本上随着通过热传递表面的流体的速度而变化。流体速度越高需要的栗取功 率越大，从而降低了电站的净效率。混合级联的多级热交换系统有利于较低的流体速度和 较高的电站效率。堆叠的混合级联热交换设计也有利于较低的通过热交换器的压降。并且 垂向电站设计有利于较低的穿过整体系统的压降。
[0197] 图22D示出传输IOOMff电力给电网时热交换器压降对OTEC电站总体产出的影响。使 通过热交换器的压降最小化大大地提高了 OTEC电站的性能。通过设置一体化的船舶或平 台-热交换器系统降低了压降，在所述系统中，海水管道形成了船舶的结构构件并且允许海 水从一个热交换器级流到串联的另一个热交换器级。以在从引入部进入船舶的方向变化最 小的方式流过栗、热交换器柜进而通过串联的各热交换器级并最终从电站排放的近似直线 状的海水流允许最小的压降。
[0198] 实施例
[0199] 本发明的若干个方面提供了利用热带和亚热带区域中的表面水和深层海水之间 的温差发电的一体的多级OTEC电站。该若干个方面通过用离岸船舶或平台的结构作为管道 或流动通道消除了用于海水的传统的管路线路。可选地，热海水管路线路和冷海水管路线 路可以使用为船舶或平台提供垂向或其他结构支撑的足够的尺寸和强度的管道或管。这些 一体化的海水管道段或通道用作船舶的结构构件，从而降低了另外增加钢材的需要。作为 一体化的海水通道的一部分，多级柜式热交换器提供了多级的工作流体蒸发而无需外部的 水喷嘴或管路连接。一体的多级OTEC电站允许热海水和冷海水沿着其自然的方向流动。热 海水在被排放到海洋的较冷的区域之前被冷却时向下流过船舶。采用相似的方式，来自海 洋深处的冷海水在被排放到海洋的较热的区域之前被加热时向上流过船舶。这样的配置避 免了改变海水流动方向的需要并且避免了相关联的压力损失。该配置也降低了需要的栗取 能量。
[0200]多级柜式热交换器允许使用混合级联OTEC系统。这些热交换器堆叠体包括多个热 交换器级或者热交换器段，海水连续地通过该多个热交换器级或热交换器段以使工作流体 适当地沸腾或冷凝。在蒸发器段中，热海水通过第一级，在该第一级处随着海水被冷却热海 水使一些工作流体沸腾。然后热海水沿着堆叠体向下流到下一个热交换器级并且使另外的 工作流体以稍低的压力和温度沸腾。该过程沿着整个堆叠体顺次地发生。在柜式热交换器 的每一级或每一段都将工作流体蒸汽提供给产生电力的专用涡轮机。每个蒸发器级均在涡 轮机的排出口处具有对应的冷凝器级。冷海水沿着与蒸发器相反的顺序通过冷凝器。
[0201 ]参照图23，提供了采用混合级联热交换循环的示例性多级OTEC热机710。热海水通 过热水栗712被从热海水引入口（未示出）栗入，以大约1,360 ,OOOgpm的流量和大约79°F的 温度从栗排出。从热水引入口到热水栗以及从热水栗到堆叠的热交换器柜的所有或部分热 水管道都可以形成船舶的一体的结构构件。
[0202]来自热水栗712的热海水然后进入第一级蒸发器714,在那里使第一工作流体沸 腾。热水以大约76.8° F的温度离开第一级蒸发器714并向下流到第二级蒸发器715。
[0203]热水以大约76.8°F进入第二级蒸发器715,在那里使第二工作流体沸腾并以大约 74.5° F的温度离开第二级蒸发器715。
[0204] 热水从第二级蒸发器715向下流动以大约74.5°F的温度进入到第三级蒸发器716， 在那里使第三工作流体沸腾。热水以大约72.3° F的温度离开第三级蒸发器716。
[0205]然后热水从第三级蒸发器716向下流动以大约72.3°F的温度进入到第四级蒸发器 717,在那里使第四工作流体沸腾。热水以大约70.1°F的温度离开第四级蒸发器717然后从 船舶排放。虽然未示出，但是排放可以被引导至温度与热海水的排放温度相同或近似的海 洋深度处的热层。可选地，电站的容纳有多级蒸发器的部分可以位于使得热水排放到适当 的海洋热层的结构所在范围内的深度处。在若干个方面中，从第四级蒸发器到船舶的热水 排放的热水管道可以包括船舶的结构构件。
[0206] 类似地，冷海水通过冷海水栗722被从冷海水引入口（未示出）栗入，以大约855， 003gpm的流量和大约40.0° F的温度从栗排出。从大约2700英尺和4200英尺之间或更深的海 洋深处抽取冷海水。从船舶的冷水引入口到冷水栗以及从冷水栗到第一级冷凝器的用于输 送冷海水的冷水管道可以全部包括或部分包括船舶的结构构件。
[0207]来自冷海水栗722的冷海水进入第一级冷凝器724，在那里使来自第四级锅炉717 的第四工作流体冷凝。冷海水以大约43.5° F的温度离开第一级冷凝器并且向上进入第二级 冷凝器725。
[0208]冷海水以大约43.5° F的温度进入第二级冷凝器725，在那里使来自第三级蒸发器 716的第三工作流体冷凝。冷海水以大约46.9°F的温度离开第二级冷凝器725并向上流入第 三级冷凝器。
[0209]冷海水以大约46.9° F的温度进入第三级冷凝器726，在那里使来自第二级蒸发器 715的第二工作流体冷凝。冷海水以大约50.4° F的温度离开第三级冷凝器726。
[0210] 然后冷海水从第三级冷凝器726向上以大约50.4° F的温度流入到第四级冷凝器 727。在第四级冷凝器中，冷海水使来自第一级蒸发器714的第一工作流体冷凝。然后冷海水 以大约54.0°F的温度离开第四级冷凝器并且最终从船舶排放。冷海水排放可以被引导至温 度与冷海水的排放温度相同或近似的海洋深度处的热层。可选地，电站的容纳有多级冷凝 器的部分可以位于使得冷海水排放到适当的海洋热层的结构所在的范围内的深度处。 [0211]第一工作流体以56.7° F的温度进入第一级蒸发器714,在那里被加热至温度为 74.7° F的蒸汽。然后第一工作流体流到第一涡轮机731并且接着流到第四级冷凝器727,在 该第四冷凝器727中第一工作流体被冷凝为温度大约56.5° F的液体。然后液态的第一工作 流体通过第一工作流体栗741被栗回到第一级蒸发器714。
[0212]第二工作流体以大约53.0° F的温度进入第二级蒸发器715，在那里被加热为蒸汽。 第二工作流体以大约72.4° F的温度离开第二级蒸发器715。然后第二工作流体流到第二涡 轮机732并接着流到第三级冷凝器726。第二工作流体以大约53.0° F的温度离开第三级冷凝 器并流到工作流体栗742,该工作流体栗742进而将第二流体栗回到第二级蒸发器715。 [0213]第三工作流体以大约49.5°F的温度进入第三级蒸发器716,将在那里被加热为蒸 汽，并且以70.2°F的温度离开第三级蒸发器716。然后第三工作流体流到第三涡轮机733并 接着流到第二级冷凝器725,在该第二级冷凝器725中被冷凝为温度大约49.5°F的流体。第 三工作流体离开第二级冷凝器725并且通过第三工作流体栗743被栗回到第三级蒸发器 716〇
[0214]第四工作流体以大约46.0° F的温度进入第四级蒸发器717,将在那里被加热为蒸 汽。第四工作流体以大约68.0°F的温度离开第四级蒸发器717,并流到第四涡轮机734。第四 工作流体离开第四涡轮机734并流到第一级蒸发器724,在该第一级蒸发器724中被冷凝为 温度大约46.0°F的流体。第四工作流体离开第一级冷凝器724并且通过第四工作流体栗744 被栗回到第四级蒸发器717。
[0215]第一涡轮机731和第四涡轮机734协作驱动第一发电机751并且形成第一涡轮发电 机对761。第一涡轮发电机对将产生大约25MW的电力。
[0216]第二涡轮机732和第三涡轮机733协作驱动第二发电机752并且形成第二涡轮发电 机对762。第二涡轮发电机对762将产生大约25MW的电力。
[0217] 图7的四级混合级联热交换循环允许从热海水和冷海水之间的相对低的温差提取 出最大量的能量。此外，所有热交换器都可以直接支持利用相同组成涡轮机和发电机来发 电的涡轮发电机对。
[0218] 可以理解的是，多个多级混合级联热交换器和涡轮发电机对可以包含到船舶或平 台设计中。
[0219]实施例
[0220]离岸OTEC柱筒平台包括四个独立的电力模块(power module)，每个电力模块在额 定设计条件下产生约25MW净电力。每个电力模块均包括四个独立的电力循环或级联热力学 级，这四个独立的电力循环或级联热力学级在不同压力和温度水平下运行并且在四个不同 级中从海水中提取热量。四个不同的级串联运行。在额定设计条件(全负载