CN111372849A - 用于泵送来自大深度的水的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于泵送来自大深度的水的设备(1)，该设备包括支撑结构(6)和形成管道(4)的多个纵向元件(8)，来自大深度的泵送的水在管道内循环，其中纵向元件(8)优选通过它们的上端或下端以固定的方式分别安装在支撑结构(6)上，并通过密封装置连接在一起。本发明还涉及这样的设备的装配方法。

Description

用于泵送来自大深度的水的设备

技术领域

本发明涉及一种用于在深水中进行泵送的设备。特别地，本发明涉及允许将水从大深度输送到地表的管道或立管。

背景技术

当前已知使用管道(或“立管”)输送例如来自海洋或湖泊的、来源于大深度且低温的水到平台或船上。然后，该低温水例如可在生产能量的执行热力学循环的***中被用作冷源。这种情况被称为“海洋热能转换”(ocean thermal energy conversion，OTEC)。可替代地，该低温水可以用作平台或船上存在的装备(例如空调或天然气液化)的冷却剂。

该管道必须能够允许通常以每小时几十甚至成百上千立方米的速度来提升大量的水，这些水来源于例如几百米的大深度。使用位于地表上的泵送装置来进行这种提升，例如，泵相对于海平面降低管道中的水位，或者使用位于管道的深处的泵送装置来进行该提升。

因此，有必要设计一种具有例如几米的大直径、并且能够抵抗以下应力的管道：由于与地表上的支撑件连接而产生的应力，由于动态压力变化(例如像浪涌之类的效应)而产生的应力，由于潮流作用(current action，当前作用)而产生的应力，由于压力和/凹陷而产生的应力。

因此，存在金属管道和/或复合材料管道，这类管道的长度可以延伸达到150米。

虽然如此，由于机械强度的原因，当前很难设想这种类型的管道具有更大的长度。

此外，由于所述管道的长度使得它们难以处理，因此这样的管道的装配也仍然是有问题的。

发明内容

本发明旨在解决前面提及的不同技术问题。特别地，本发明旨在提出一种用于泵送大深度处的水的设备，该设备的管道具有比当前的管道更大的长度、并且能够被更容易地装配。

因此，根据一个方案，提出了一种用于泵送大深度处的水的设备，该设备一方面包括支撑结构，例如包括至少两个、优选地包括三个或更多个诸如缆线这样的纵向装置，并且另一方面包括多个纵向元件来形成一管道，来自大深度的被泵送的水在该管道内循环，其中，这些纵向元件优选地通过它们的上端或下端以固定的方式被分别安装在支撑结构上，并通过密封装置连接在一起。

因此，根据所提出的设备，管道是基于被分别固定到支撑结构的多个纵向元件来制成的。因此，该管道不是被形成为单件的一件式管道，而是经由密封装置通过将多个纵向元件组装而形成的。为了限制被施加到密封装置以及纵向元件本身的机械应力，每个纵向元件被牢固地安装在支撑结构上，使得密封装置没有机械功能，从而允许赋予它们更长的使用寿命和效率。

由于这种类型的结构，因此可以获得最长可达1000米甚至更长的管道。另外，这种类型的结构特别易于装配，这是因为(举例来说)，在平台或船舶的原位上，不同的纵向元件可以随着逐渐浸没而被依次安装在支撑结构上。

优选地，支撑结构包括至少两个、优选地包括三个或更多个纵向装置，例如缆线，这些纵向装置分布在纵向元件的周边上。

支撑结构在此由分布在纵向元件的周边上的多条缆线例如钢制缆线形成。这种类型的支撑结构具有柔性的优点，因此能够例如被缠绕在线轴上以便于其存储和其运输，同时仍然具有足够的机械特性来支撑不同纵向元件的重量。因此，在管道的装配过程中，支撑结构的缆线可以被解卷绕(开卷)，并且管道的纵向元件可以逐渐地被组装到支撑结构上。

优选地，每个纵向元件包括一管道段和允许将该管道段安装在支撑结构上的附接组件。每个纵向元件包括一附接组件，附接组件允许将管道段链接(linking)到支撑结构的缆线。

优选地，管道段是刚性的，例如由铝合金、由钢或者甚至由复合材料来形成。刚性段允许确保管道的形状(尽管管道内会因水位差而产生压力)，以泵送冷水。然后，可以通过在管道顶部施加的凹陷来控制管道中循环的水的流量。此外，还获得了较好的管道整体机械强度，因此可以更好地抵抗作用在其上的不同应力。最后，借助刚性结构，在管道中循环的水的流量在管道的整个长度上保持恒定。

优选地，管道段可以包括机械加强装置，例如一个或多个被安装在管道段的外周边表面上的环箍。

环箍允许减小管道段的厚度，同时由于环箍的加强，仍然总是具有相同的机械特性。

优选地，管道段可包括隔热装置，例如被定位在段的内周边表面或外周边表面上的纳米孔材料。

优选地，附接组件通过第一枢转连接件、优选地通过在管道段的周边的直径方向上相对的两个第一枢转连接件，被安装在管道段上。处在段和附接组件之间的枢转连接件允许赋予管道一定的柔韧性。实际上，由缆线形成的支撑结构可依据其承受的应力而一定程度地变形，而管道的纵向元件则是刚性的。枢转连接件允许给相邻的纵向元件之间的接合赋予一定的自由度，但这是受到限制的。因此，可以获得两个相邻的段的轴线之间的偏差，该偏差可以在5°的数量级上，该偏差保持很低，但是考虑到纵向元件的数量，可以使管道具有相当大的整体曲率。这种类型的自由度，无论多么微小，都可以更好地承担管道引起的某些应力。

优选地，附接组件包括第一周边元件，第一周边元件具有用于附接到支撑结构的装置，例如缆线扎带以及可能的加强件。

这涉及将纵向元件附接到支撑结构的示例：缆线扎带因此允许将纵向元件的附接组件牢固地安装到缆线，并且加强件允许减小在缆线扎带出口处的缆线的曲率，以便限制缆线的老化。

优选地，附接组件还包括第二周边元件；第二周边元件被安装在管道段和第一周边元件之间，并且通过第二枢转连接件、优选地通过在直径方向上相对的两个第二枢转连接件，被安装在第一周边元件上；处在第一周边元件和第二周边元件之间的第二枢转连接件以及处在第二周边元件和管道段之间的第一枢转连接件分布在管道段的周边上。

在这种情况下，上述的段相对于支撑结构设置有两个枢转轴线。第一轴线通过两个枢转连接件来获得，这两个枢转连接件被安装在第二周边元件和与支撑结构固定的第一周边元件之间；第二轴线通过被安装在上述的段和第三周边元件之间的两个枢转连接件来获得，第二轴线优选地垂直于第一轴线。因此，在两个相邻的段之间获得一个较大的自由度，该自由度允许在任何空间方向上进行定向(虽然是细微的)，以便回应被施加到管道上的外部应力。

优选地，纵向元件还包括被安装在管道段上的端部，端部的内周边表面的直径大于管道段的外周边表面的直径，端部纵向延伸超过管道段，从而能够围绕相邻的纵向元件的段的外周边表面，以便与相邻的纵向元件的段的所述外周边表面一起形成两个彼此面对的圆柱形支撑表面，在它们之间定位有密封装置。

根据该实施例，提供的是部分地被装配到彼此的两个相邻段。为了在所述两个相邻段之间保留一定的枢转自由度，两个段的装配不是通过力来实现的，相反，两个面对的表面之间具有相当大的间隙。

然而，两个面对的表面然后可以形成用于密封装置的支撑表面，因此更易于安装密封装置。优选地，密封装置包括柔性板条和/或一个或多个遇水可膨胀的密封件和/或一个或多个波纹管式密封件。密封件被设置成既可以允许互相相邻的段有一定的移动自由度，也可以抵抗随着深度增加而逐渐引起的不同压力。为此，可以联合使用多种类型的密封件，以便限制管道内部和外部之间的泄漏。实际上，这样的泄漏会导致管道内输送的水被加热，从而减小***的效率。

优选地，该设备还包括被安装在支撑结构的下端的压载物。压载物能够避免管道的下端的过度上升，以便努力泵送来自更大的深度且因此而尽可能地冷的水。

优选地，设备还包括一支撑件，支撑结构通过上端被保持在支撑件上。支撑件可以是平台或船，或平台或船的一部分。

优选地，支撑件包括驱动支撑结构的装置；该装置例如为至少两个、或三个、或更多个绞盘，优选地没有横向偏移。

优选地，支撑件包括至少一个泵，其与管道的内部流体连通并且在静止水位下方的预定距离处、例如在静止水位下方3至4米之间向管道开放。

泵仅通过抽吸表面上的一部分即可使水在整个管道内循环。通过保持管道内的水平面与海平面或湖泊的水平面之间的高度差，可以自动获得水向管道的内部的循环，即，吸入冷水。

可替代地，设备可包括至少一个被安装在管道和/或支撑结构的下部的泵。在这种情况下，通过被定位在管道和/或支撑结构下方的泵，水被夹带在管道内，这引起冷水朝着管道的内部和顶部循环。

优选地，管道的长度大于或等于500米，优选地大于或等于750米，优选地大于或等于1000米，并且内径大于或等于1米，优选地大于或等于2米，优选大于或等于4米。

优选地，管道包括一定数量的纵向元件，该数量大于或等于10，优选地大于或等于25，更优选地大于或等于40。

根据另一方案，还提出了一种如上所描述的设备的装配方法，其中，依次重复以下步骤：将纵向元件附接到支撑结构的一部分，然后使支撑结构的该部分与纵向元件一起移动，优选地向下移动。

根据该方法，通过将管道的不同的纵向元件，特别是刚性的纵向元件重复地附接到支撑结构，可以容易地装配几百米且刚性的管道，支撑结构可以是柔性的，且因此而变形并能够被紧凑地存储。因此，当支撑结构由缆线形成时，其可以被缠绕在一个或多个线轴上。因此，在组装管道之前，没有元件具有与最终管道的长度相似的长度。

优选地，依次重复以下步骤：将纵向元件附接到支撑结构的一部分，然后将支撑结构的该部分与纵向元件一起移动，优选地向下移动，然后将密封装置定位在纵向元件与另一个相邻的纵向元件之间。通过将纵向元件装配在支撑结构上，逐渐实现密封装置在不同的纵向元件之间的添加和定位。因此，在每次附接新的纵向元件时，将密封装置定位在所述纵向元件与先前附接的相邻的纵向元件之间。

优选地，支撑结构借助于绞盘，优选地借助于两个、三个或更多个绞盘而被移动，绞盘最好是竖直的且没有横向偏移。没有横向偏移的绞盘允许从相同的点、即绞盘的惰轮或输出滑轮降低支撑结构。因此，这允许将不同的纵向元件在支撑件上的相同的位置附接到支撑结构，而无需横向地偏移每个纵向元件，以便当支撑结构的缆线从线轴上被解卷绕时，去跟随支撑结构的缆线的横向移动。

附图说明

通过阅读特定实施例的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，所述特定实施例绝非限制性的并且由附图示出，其中：

-图1是根据本发明的用于泵送来自大深度的水的设备的示意图；

-图2是纵向元件附接到支撑结构及其与相邻的纵向元件的接合的示意性剖视图；

-图3是图2所示的纵向元件的示意性剖视图，以及

-图4示出了如图1所示的设备的装配的方法的不同步骤。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的用于泵送来自大深度的水的设备1。设备1包括支撑件2，管道4借助于支撑结构6被安装在支撑件上。更准确地，管道4由多个纵向元件8形成，每个纵向元件包括管道段10和附接组件12。因此，管道4是由不同纵向元件8的不同管道段10的组装来形成的。

支撑结构6可包括一条或多条缆线11，优选地包括三条或更多条缆线11；这些缆线例如由钢制成，分布在管道4周围。缆线的使用允许支撑结构6能够被缠绕、例如被缠绕在线轴上，以便于其存储和其运输：因此获得了紧凑且容易处理的支撑结构6，尽管其长度很大。

如图2所示，每个纵向元件8包括例如圆柱形的管道段10，和被定位在管道段10的上部上的附接组件12。此外，为了确保管道4的密封，纵向元件8通过密封装置14而彼此连接。

管道段10是刚性段，例如由复合材料、钢或铝合金制成。优选地，段10由钢制成，从而重量低而机械强度高。为了进一步减轻段10，它可以包括一个较小厚度的钢壁，该钢壁由一个或多个环箍16来加强，这些环箍在段10的外周边表面上延伸并分布在段10的整个长度上。此外，为了限制在管道4内循环的冷水和位于管道4周围的热水之间的热损失，一个或多个纵向元件，例如位于水表面侧的那些纵向元件，也可以包括隔热材料涂层，例如包括纳米孔材料。因此，从大深度被泵送的水在其沿管道4上升过程中可以保持是冷的，这样就增加了使用它的热力学循环的效率。

附接组件12允许将纵向元件8、并因此将管道段10附接到支撑结构6。因此，管道4的重量以规律的方式被承载在支撑结构6上，从而避免了不同纵向元件8之间的相互重量应力，并且还允许如下所述的纵向元件8的一定的相互移动性。

因此，附接组件12包括附接到支撑结构6的第一周边元件18。因此，通过附接到支撑结构6的装置，第一周边元件18可呈环形，在管道段10周围延伸。附接装置例如可以是被构造成与缆线扎带20配合的槽口，用以将第一周边元件18牢固地组装到支撑结构6的缆线11上(见图3)。更精确地，槽口可包括半圆柱形腔，并且缆线扎带20也可具有半圆柱形腔，由此当缆线扎带20例如通过螺钉22被安装在槽口中时，获得圆柱形孔，支撑结构6的缆线11被夹持在该圆柱形孔中。因此，第一周边元件18被牢固地安装在支撑结构6上。

在附接装置的继续部中，也可以在第一周边元件18上设置加强件24，以便在附接装置的输出处限制缆线11的曲率。因此，加强件24可以是细长的元件，例如呈圆锥形，其一端安装在第一周边元件18上，而另一端与缆线11接触。加强件24可以在它的两端之间变形，但是是以比支撑结构6的缆线11更不显著的方式变形，以便总是给缆线11保留一定的柔韧性，同时限制其在紧邻附接装置处的曲率。因此，限制了缆线11的劣化。

附接组件12还可包括第二周边元件26，第二周边元件被安装在管道段10和第一周边元件18之间。因此，第二周边元件26例如可呈中空的圆环形，其在管道段10周围延伸。第二周边元件26可允许在管道段10和第一周边元件18之间形成机械连接，同时允许管道段10相对于第一周边元件18在任何空间方向上旋转。

为此，第二周边元件26包括沿第一枢转轴线安装的两个第一枢转连接件28，该第一枢转轴线在图2和图3中被示出为水平的。两个第一枢转连接件28被安装在管道段10和第二周边元件26之间：这些第一枢转连接件允许段10相对于第二周边元件26具有沿第一枢转轴线旋转的自由度。

此外，第二周边元件26还包括沿第二枢转轴线安装的两个第二枢转连接件30，该第二枢转轴线在图3中示出为竖直的。两个第二枢转连接件30被安装在第二周边元件26和第一周边元件18之间，第二枢转轴线垂直于第一枢转轴线，同时保持在基本垂直于管道4的总体纵向方向的平面中，即保持在第一周边元件18的平面中。

因此，第二枢转连接件允许第二周边元件26、且因此允许管道段10相对于第一周边元件18具有沿第二枢转轴线旋转的自由度。

因此，可以使管道段10相对于第一周边元件18被包括在第一周边元件的平面中的任何空间方向上旋转。然而，管道4能够根据潮流的载荷，以有限的幅度变形。

为了限制不同的纵向元件8之间的相互热损失，密封装置14被定位在管道段10之间。例如，纵向元件8可包括被安装在管道段10上的端部32，该端部的内周边表面的直径大于管道段10的外周边表面的直径。端部纵向延伸超过管道段10，从而能够围绕相邻的纵向元件8的段10的外周边表面。端部32的内周边表面和相邻的段10的外周边表面形成两个彼此面对的圆柱形表面，密封件例如柔性板条34可以被安装在这两个彼此面对的圆柱形表面之间。柔性板条允许限制水在管道4的内部和外部之间循环，同时仍然允许两个相邻的管道段10相对于彼此具有一定的旋转自由度。特别地，上面的管道段10没有通过力被组装到下面的纵向元件8的端部32中。

此外，密封装置14还可包括波纹管式密封件36，波纹管式密封件的一端例如经由环箍16被安装在管道段10的下部，且其另一端与周边支座38固定。

在管道的装配过程中，一旦管道段被定位，波纹管式密封件36的周边支座38就被允许可以落在下面的段10的环箍16上，然后支座38被附接到所述环箍16上。

因此，所获得的管道4能够特别长，同时由于刚性的管道段10而仍具有固定的直径。

在其下端，设备1还包括压载物40。压载物40呈中空圆柱体的总体形状。该中空圆柱体在其下端封闭，而在其上端开放，由此可以依据设备的构造在其中放置较多或较少的压载物元件。压载物40借助于支撑结构6的缆线11被安装在设备1上，所述缆线附接到中空圆柱体的上端。因此，压载物允许支撑结构6被拉伸，以从最大可能的深度泵送水。

此外，压载物40的下端可以具有较小的厚度，以便于冷水流入管道4的内部。

在其上端，设备1还包括管道头42。管道头42允许管道4和支撑件2之间连接，而使冷水被泵送到管道头中。管道头还包括管道段10和附接组件12，该附接组件不需要被定位在段10的其中一端上，而是允许该段10附接到支撑结构6，像纵向元件8的各段一样。

此外，管道头42还包括泵送区域44，该泵送区域可以呈中空圆柱体的形状，其内径对应于管道头42的附接组件12的外径。特别地，为了防止围绕管道头42的水渗透到泵送区域44中，附接组件12以密封的方式被定位在泵送区域44中。

泵送区域44延伸到段10的上端的上方，并且延伸到静止水位的下方。这避免了水例如由于浪涌的作用从上方进入泵送区域44。

在其内部，泵送区域44还包括向泵送装置46的连接开口。该连接开口被定位在附接组件12的上方以及静止水位的下方。连接开口与海平面之间的距离限定了最大高度差△H，当泵送水离开管道4进入泵送区域44时，可获得最大高度差。一旦冷水被泵送装置46泵送，则冷水作为冷源被发送到热力学循环中，而通过泵送装置46在泵送区域44中创造的高度差来驱动水在管道4的整个高度上循环，以便继续向泵送区域44供给冷水。

管道4连同其压载物40及其管道头44被安装在支撑件2上，支撑件2则支撑支撑结构6。更具体地，支撑结构6的缆线11从位于支撑件2上的线轴48上被解卷绕，并且通过绞盘50、特别是通过没有横向偏移的竖直的绞盘直到惰轮滑轮52而被驱动。这种类型的绞盘是已知的，并且特别是可以从Imeca公司商购获得。没有横向偏移的竖直的绞盘50允许在下游使用惰轮滑轮52，惰轮滑轮附接到支撑件，并且因此可以从相同的点开始降低支撑结构6。如下所述，这种类型的构造特别便于管道4的装配。

图4示出了如前所述的设备的装配方法100的不同步骤，这种装配方法可以直接在支撑件2上执行。在第一步骤102中，将纵向元件8附接到支撑结构6，然后，在第二步骤104中，支撑结构6的该部分与附接到它的所述纵向元件8移动，优选地向下移动。最后，在第三步骤106中，密封装置被定位在纵向元件和另一个相邻的纵向元件之间。因此，只要设备1中有纵向元件8，就重复装配方法100的三个步骤102、104和106。当所有纵向元件8都被附接到支撑结构6时，则执行第四步骤108，在第四步骤期间管道头42被附接。

因此获得了一条用于泵送来自大深度的冷水的管道，该管道的长度可以达到数百米。特别地，所描述的设备易于装配，并且由于管道的恒定直径而允许通过泵送装置来控制冷水的流量。

Claims (10)

1.一种用于泵送来自大深度的水的设备(1)，包括支撑结构(6)和形成管道(4)的多个纵向元件(8)，从大深度被泵送的水在所述管道内循环，其中，所述多个纵向元件(8)优选地通过其上端或下端以固定的方式被分别安装在所述支撑结构(2)上，且通过密封装置(14)而连接在一起。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，每个纵向元件(8)包括一管道段(10)和一附接组件(12)，所述附接组件允许将所述管道段(10)安装在所述支撑结构(6)上。

3.根据前述权利要求所述的设备(1)，其中，所述管道段(10)是刚性的，例如由铝合金、由钢或者甚至由复合材料形成。

4.根据权利要求2或3所述的设备(1)，其中，所述附接组件(12)通过第一枢转连接件(28)、优选地通过在所述管道段的周边上直径地相对的两个第一枢转连接件，被安装在所述管道段(10)上。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备(1)，其中，所述附接组件(12)包括第一周边元件(18)，所述第一周边元件具有用于附接到所述支撑结构的装置，例如缆线扎带(20)以及可能的加强件(24)。

6.根据前述权利要求所述的设备(1)，其中，所述附接组件(12)还包括第二周边元件(26)，所述第二周边元件被安装在所述管道段(10)与所述第一周边元件(18)之间，并且通过第二枢转连接件(30)、优选地通过直径地相对的两个第二枢转连接件被安装在所述第一周边元件(18)上，处在所述第一周边元件(18)和所述第二周边元件(26)之间的所述第二枢转连接件(30)、以及处在所述第二周边元件(26)和所述管道段(10)之间的第一枢转连接件(28)分布在所述管道段(10)的周边上。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的设备(10)，其中，所述纵向元件(8)还包括被安装在所述管道段(10)上的端部(32)，且所述端部的内周边表面的直径大于所述管道段(10)的外周边表面的直径，所述端部纵向延伸超过所述管道段(10)，由此能够围绕相邻的纵向元件(8)的段的外周边表面，以便与所述相邻的纵向元件的段的所述外周边表面一起形成两个彼此面对的支撑表面，所述密封装置(14)被定位在所述两个彼此面对的支撑表面之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其中，所述密封装置(14)包括柔性板条(34)、和/或一个或多个遇水能膨胀的密封件、和/或一个或多个波纹管式密封件(36)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，还包括：支撑件(2)，所述支撑结构(6)通过上端被保持在所述支撑件上，且包括所述支撑结构(6)的驱动装置(50)，例如绞盘，优选地没有横向偏移的绞盘，其中，所述支撑件还包括至少一个泵(46)，所述泵与所述管道(4)的内部流体连通，并在静止水位下方的预定距离处、例如在静止水位下方3米至4米之间向所述管道开放，或其中，所述设备(1)包括至少一个被安装在所述管道(4)和/或所述支撑结构(6)的下部上的泵。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)的装配方法(100)，其中，依次重复以下步骤：将纵向元件附接(102)到所述支撑结构的一部分，然后将所述支撑结构的所述部分与所述纵向元件一起移动(104)，优选地向下移动，然后能够在所述纵向元件和另一个相邻的纵向元件之间定位(106)密封装置。

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