用于选择性地从太阳能集热器和加热器生产蒸汽用于包括提高石油采收率过程的系统和方法与流程

本申请是中国申请cn201710548736.6的分案申请，该申请日期为2017年7月6日，发明名称为″用于选择地从太阳能收集器和加热器生产蒸汽用于包括提高石油采收率过程的系统和方法″。

中国申请cn201710548736.6是中国申请cn201480012339.1的分案申请，该申请的申请日期是2014年1月6日，发明名称为″用于选择地从太阳能集热器和加热器生产蒸汽用于包括提高石油采收率过程的系统和方法″。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年1月7日申请的美国临时申请no.61/749,888的优先权和2013年5月31日申请的美国临时申请no.61/829,984的优先权，此二者在此均通过参考并入。前述的申请文件和/或任何其它在此通过参考并入的材料若在一定程度上与本公开内容冲突，则以本公开内容为准。

本技术通常而言指向用于选择性地自太阳能集热器和加热器生产蒸汽的系统和方法，包括通过改变来自各个前述组件的能量贡献增加用于提高石油采收率过程的蒸汽生产效率的技术。

背景技术：

随着化石燃料变得更加稀缺，能源行业已经开发出更为复杂的技术，将其用于开采在过去开采非常困难或昂贵的燃料。其中一种这样的技术是将蒸汽注入含油地层以开放并减少石油的粘性。目前已存在几项用于蒸汽注入的技术，它们时常被统称为″热提高石油采收率″或″热eor″。典型的蒸汽注入技术包括循环、蒸汽驱、蒸汽辅助重力泄油(sagd)以及运用垂直和/或水平的注入井，或这些井的组合，同时带有连续、可变速率和/或间歇性的蒸汽注入到每个井中的其它策略。

一个用于形成用于蒸汽注入的蒸汽的典型系统是燃料燃烧炉，其具有直流式配置或再循环式配置。其它蒸汽生成系统包括以连续方式运行的余热锅炉。在一个从许多天到许多年的期间内，热eor操作常常每天24小时都产生蒸汽。在连续蒸汽注入期间内，蒸汽压力和流速可能在某些情况下大致不变，而在其它情况下可能在一个预先确定的有限的幅度内变化，或者根据预定计划变化幅度更大。然而，关闭和打开蒸汽生成设备(例如每天)通常是不可取的，因为这种反复增加了与热循环相关的设备维护，以及在闲置或备用期间内发生腐蚀的更大可能性。

另一典型的蒸汽生成器是太阳能蒸汽生成器，它能增强或替代燃料燃烧炉。太阳能蒸汽生成器能替代燃料的使用、减少运行成本、减少气体排放、和/或增加热采收工程中的石油产量。然而，由于有效太阳辐射的日/夜模式，以及根据包括入射太阳辐射的变化在内的因素导致的能量生产率的变化，这样的系统只能间歇地采集能量。由于上述的对连续蒸汽的需求，许多或大部分包含太阳能蒸汽生成器的热采收工程也会包含一个或多个燃料燃烧蒸汽生成器。这些燃料燃烧蒸汽生成器消耗液态或气态的燃料，将其作为补充热源，从进入的液体水流中形成蒸汽。然而，这种太阳能和燃料燃烧炉的组合通常是低效的，例如，因为它们包含了许多额外成分、浪费了能量、和/或具有过量或过剩的产量。因此，仍然存在着对高效太阳能蒸汽生成系统的需求。

附图说明

图1是根据本公开技术的一个实施例配置的包括太阳能集热器、加热器和控制器的系统的部分示意图。

图2a是根据本公开技术的一个实施例配置成在夜间运行的图1所示的系统的部分示意图。

图2b是根据本公开技术的一个实施例配置成在相对低入射辐射的条件下运行的图1所示的系统的部分示意图。

图2c是根据本公开技术的一个实施例配置成在相对高入射辐射的条件下运行的图1所示的系统的部分示意图。

图2d是根据本公开技术的一个实施例配置成在入射辐射达到峰值的条件下运行的图1所示的系统的部分示意图。

图3是根据本技术的另一实施例配置的系统的部分示意图。

图4是根据本技术的又一实施例配置的系统的部分示意图。

图5是根据本技术的若干实施例描绘了来自太阳能集热器和加热器的典型热贡献的曲线图。

图6是说明了太阳能辐射水平在一天的时间内典型变化的曲线图。

图7a是根据本技术的一个实施例配置的包括存储介质的系统的部分示意图。

图7b是根据本技术的一个实施例由太阳能集热器和加热器的多重组合提供的油田的部分示意图。

图7c是根据本技术的另一实施例配置的具有存储介质和分离器的系统的部分示意图。

图7d是根据本技术的又一实施例配置的具有阀装置的系统的部分示意图。

图7e是根据本技术的还一实施例具有阀装置的系统的部分示意图。

图8a-8c是根据本技术的其它一些实施例具有管道和阀配置的系统的部分示意图。

具体实施例

本技术通常而言指向用于选择性地生产来自太阳能集热器和一个或多个额外加热器(例如辅助的、补足的和/或补充的加热器)的蒸汽的系统和方法。下文描述了本公开技术的若干实施例的具体细节，参考配置成用于油井蒸汽注入的系统以提供对这些实施例的透彻理解，但在其它实施例中，代表性的系统能用于其它语境。为了清晰明确，在以下的描述中不会提到一些细节，这些细节描述了众所周知的并经常与蒸汽生成系统相联系的、但可能不必要地使本技术的某些重要方面模糊不清的结构或过程。此外，虽然以下的公开提出了本公开技术不同方面的若干实施例，但是本技术的一些其它实施例能具有不同于在本节所描述的那些配置和/或组件。因此，本公开技术可参考图1-8c具有带有额外组件、和/或没有以下描述的若干组件的其它实施例。

以下描述的本公开技术的许多实施例可表现为计算机可执行指令的形式，包括由可编程计算机执行的程序。相关技术领域的专业人员会理解，能在计算机系统和/或控制器上或通过计算机系统和/或控制器，而非那些下文所示和描述的，实现本技术。本技术能在特定编程、配置和/或创建的以执行一个或多个下文描述的这些计算机可执行指令的专用计算机或数据处理器上实现。因此，本文所用的术语″计算机″和″控制器″与通常一样，指的是任何适当的数据处理器，并能包括网络设备和便携式设备(包括掌上电脑、可穿戴计算机、移动电话、多处理器系统、基于处理器或可编程的消费性电子产品、网络计算机、小型计算机等)。

本技术也能在通过通信网络连接的远程处理设备执行任务或模块的分布式环境中实现。在分布式计算环境中，程序模块或子程序可位于局部和远程记忆存储设备上。以下描述的技术方面可存储或分布在计算机可读介质上，包括磁或光可读或可移动的计算机磁盘，以及通过网络电子分布的。在特定的实施例中，特定的技术方面的数据结构和数据传输也被包含在本技术的保护范围内。

以下描述的本技术的实施例包括产生蒸汽的系统，用于制造、装配、编制、操作和/或控制这种系统的技术，以及用于指导该系统的使用、建造、开发和/或其它方面的方法。因此，本公开技术的多种实施例可包括由人或非人实体采取直接的行动(例如，由人、机器、控制器、软件或硬件)和/或指示任务得到完成(例如，由人、机器、控制器、软件或硬件)。

图1是用于产生蒸汽的整体系统100的部分示意图。系统100包括一个或多个太阳能集热器120，该集热器在控制器140的指示下可操作地被耦合到一个或多个加热器110(为了描绘，其中之一如图1所示)以将蒸汽提供给目标130。加热器110能补充由太阳能集热器120提供的能量，以便为目标130提供相对不变的具有相对不变的质量和/或其它特性的蒸汽流。在其它实施例中，太阳能集热器120和加热器110能同时运行，以产生不同数量和/或具有不同特性的蒸汽。在这些实施例的任何一个中，审慎地配置和控制前述组件的特征，当与传统的蒸汽生成系统相比时，以提高整体的效率和/或减少系统100的成本。这一点在下文还会进一步描述。

图1所示的系统100的实施例包括为太阳能集热器120和加热器110提供液态水的水流系统150。太阳能集热器120和加热器110转而产生提供给目标130的蒸汽。在-特定实施例中，目标130包括耦合到一个或多个注入井131的歧管132，注入井131在热提高石油采收率或热eor过程中被用来抽提石油。在其它实施例中，目标130可以是任何数量的适当的用蒸汽作为输入的系统和/或过程。当目标130是油田时，在特定实施例中，系统100可包括太阳能集热器120和加热器110的多重组合，相互连接到共同的蒸汽流通网络和一组共同的注入井131。

水流系统150可包括耦合到适当绝缘的管道157的网络的水源151(例如，井、水箱、蓄水池、和/或前述元素的组合)。通常，管道在热损失预计较为严重处是绝缘的，例如太阳能集热器120和/或加热器110的下游。加热器110的内部元件也可以是绝缘的。而太阳能集热器120的至少一些元件不可以是绝缘的，以便不阻碍太阳能集热器120接收、采集太阳辐射的能力，这一点将在下文进行更详细地讨论。水源151将液态水提供给进口装置152(例如，容积泵、多级涡轮泵、或另一个泵、阀、或可控设备)，进口装置152转而将水提供给进口管道153。进口管道153将液态水提供给太阳能集热器120和加热器110。太阳能集热器120采集来自太阳的入射辐射，而加热器110产生来自地球燃料源的热量。

在特定实施例中，加热器110是适当绝缘的气体或其它包括一个或多个燃烧器111(为了描绘，在示意图中以单一燃烧器111出现)并引导加热的燃烧产物通过多个加热器部分的其它燃料(例如化石燃料)加热器。在-代表性实施例中，加热器110包括第一加热器部分113和第二加热器部分114。第一加热器部分113能像预热器和/或节热器一样运行，第二加热器部分114能像蒸发器、辐射加热器和/或过热器一样运行。因此，燃烧器110引导热燃烧气体沿着废气通道首先通过第二加热器部分114，接着通过第一加热器部分113，再到达燃烧器排气装置112(例如排气排管)。因此，第二加热器部分114接收最高温度的加热器气体，第一加热器部分113接收较低温度的加热器气体。已加热的水(例如蒸汽)在加热器出口116处离开加热器110。废气再循环管道115能将废气从燃烧器排气装置112处再循环回到燃烧器111和/或其它加热器元件，通过重新利用否则会损失到环境中的热量以提高加热器110的效率。再循环阀117控制废气是否以及在何种程度上被再循环。在特定实施例中，废气再循环被用来减少燃烧气体中的氧气含量，因而减缓燃烧、降低最高燃烧温度、减少氮氧化物(nox)和/或气体污染物的形成。在这些实施例的另外方面，废气再循环起到了维持充足的气流的作用，以维持有效的热传递到加热器110中的传热管(例如，维持高传热紊流)，并因此使得燃烧器110更容易被调低。正如将在下文更具体讨论的，将燃烧器110调低有助于改善和/或优化由太阳能集热器120和加热器110提供的热贡献。

太阳能集热器120能包括集热器进气歧管121(可选)和集热器出气歧管122(也是可选的)。集热器进气歧管121通过采集管道157a(和/或其它适当的太阳能接收器)分配来水，采集管道157a接收来自一个或多个对应的太阳能集中器125的经聚光的太阳能。集中器125可以是可移动的，以便追踪每日和/或季节性的太阳相对位置的移动。太阳能集中器125在一些实施例中可包括槽型反射镜，在其它实施例中可包括点聚焦、线性菲涅尔和/或其它聚光器。集热器出气歧管122采集已加热的水(例如，处于液相和/或气相)并将其提供给集热器出口124。平衡阀123能控制贯穿太阳能集热器120的水分配的方式。在如图1所示的特定实施例中，太阳能集热器120包括管道157a的并联布置。在其它实施例中，太阳能集热器120可包括串联管道和/或并联与串联管道的组合。在任何这些实施例中，从太阳能集热器120流向集热器出口124的蒸汽可以通过加热器110流动和/或与已加热的水结合，从加热器110流到加热器出口116，再流到结合的或整体的蒸汽出口156。从整体的蒸汽出口156，蒸汽流到了目标130。在任何这些实施例中，集热器出口124处的出口温度和蒸汽浓度变化会很大。在一天中的某些时间，太阳能集热器120会被供低温的水并递送预热的水。在其它时间，太阳能集热器120的输出会是如下文中参考图2a-2d所进一步讨论高温、优质的蒸汽。

将加热器110和太阳能集热器120连接到目标130上的水流系统150，包括管道网络，多个管道连接155和根据许多操作模式引导水和蒸汽流动的阀154。例如，水流系统150可包括第一连接155a和对应的将水选择性地引导到加热器110和/或太阳能集热器120的第一阀154a。放置在靠近第二连接155b的第二阀154b和放置在靠近第三连接155c的第三阀154c共同将离开第一加热器部分113的水流和蒸汽流引导到第二加热器部分114和/或太阳能集热器120。放置在位于第四连接155d和第五连接155e之间的第四阀154d将蒸汽从集热器出口124引导到整体的蒸汽出口156和/或通过第二加热器部分114。

控制器140可包括可编程逻辑控制器(plc)、分布式控制系统(dcs)和/或控制布局的另一适当类型。例如，控制器140可组成多个单独的控制元件，该元件以平级或层级结构配置运行，例如，通过光纤、有线或无线(基于无线电)通信的方法互相连接成监控与数据采集系统scada。控制器140接收输入141，并提供输出142，以引导上述阀、燃烧器111和/或其它系统组件的操作。输入141可包括接收自各种传感器143的信号。典型的传感器可包括放置在水源151处用于测量水温的第一温度传感器143a、定位在集热器出口124处用于测量蒸汽温度的第二温度传感器143b、定位在燃烧器排气装置112处用于测量废气温度的第三传感器143c和/或任何其它各种为了清晰而未在图1中出现的传感器。这样的传感器可包括流量传感器(例如，用于测量蒸汽特性)、氮氧化物传感器、ph传感器、太阳能集中器定位传感器、太阳辐射传感器等。控制器140提供的输出142可引导一个或多个致动器144。除了与前述各阀相关联的致动器，致动器144可包括控制燃烧器111的第一致动器144a，控制太阳能集热器120的集中器125(例如，集中器125的运动贯穿整天和/或四季)的一个或多个第二致动器144b。所示的这些典型的致动器144是为了说明的目的，清楚的是控制器140能控制整体系统100的为了明确而未在图1中出现的其它致动器。

控制器140可以以多种方式之一运行。例如，在前馈控制配置时，控制器140能接收对应于测得的进口水温和流速、目标出口的蒸汽压力和蒸汽浓度(蒸汽质量)的输入，并确定燃烧器111的必要的焓和相关的燃料燃烧速率。在反馈控制配置时，控制器140能接收对应于测得的进口水温和流速以及出口流速的输入，并能基于各种测得的物理或更多属性之一，例如，出口液体电导率的变化、流速的变化、和/或其它属性，和/或流动的液体和蒸汽成分的单独测量值(例如，通过等动力采样)，确定或估计当前出口的蒸汽质量。控制器140据此调整燃烧器燃烧速率和/或液体流速，例如以将系统100返回至特定的出口蒸汽质量。控制器140可结合测量的太阳辐射和计算出的太阳位置确定预计的对出口的焓的太阳能贡献。通过包括太阳辐射的测量值，控制器120能″预测″在太阳能集热器120处的焓的变化，并更平稳地调整燃烧器的燃烧率，更平稳地调整过程控制，和/或维持对已递送的蒸汽的特性的更紧密的控制。

通常而言，可以估计和/或测量来自太阳能集热器120的热贡献，为燃烧器和/或水流速控制提供前馈信息。可以通过进口和出口的温度和压力、以及进口和出口的流速，测量来自太阳能集热器120的热贡献。出口的流体在某些时间点都是液相，而在某些时间点是液-气混合。太阳能集热器出口124处的蒸汽质量能通过计算得出，并通过詹姆斯方程(jamesequation)或其它熟知的等式，将该蒸汽质量用于计算当前通过太阳能增加的焓。该太阳能可与其它信息组合，产生总计所需的焓，作为前馈信号给燃烧器111。

在任何前述和以下的实施例中，系统100可包括安装在管道157a和/或其它太阳能集热器120的组件上的温度传感器，以估计太阳能贡献，例如实时或接近实时。在太阳能集热器120的较低温部分(朝向进口歧管121)，焓通常以可感知热的形式增加，导致沿着液体流动的管壁温度的上升。在太阳能集热器120的管道157a上获取的不同时间点的温度测量值的差异可用来估计当前/或即将到来的或预计的太阳能热强度，并由此估计太阳能对整体所需焓的总贡献。这一信息，单独和/或与其它测量值(例如，太阳辐射的直接测量值)组合，可用于估计相应的所需燃烧器燃烧率。

控制器140和相关的传感器与致动器可包括其它除了前述特征以外或代替前述特征的特征。代表性的特征包括基于废气温度的反馈、用于多燃料燃烧的供应和/或处理燃烧器111处的变化的btu值的燃料、控制贯穿系统100的流动模式以管理太阳能集热器的效率和排管气体温度、管理/平衡最佳燃烧器效率和最佳太阳能集热器效率、控制从太阳能集热器周围的围绕物到燃烧器进口的余热流动、和/或在太阳能集热器120处排热，例如，当太阳能集热器120提供的能量超过目标130所需的能量。所排出的热的程度可取决于包括局部环境条件和/或相对于目标130的需求和加热器100的相对能力的太阳能集热器120的尺寸在内的因素。前述控制配置可包括解释和/或利用系统特性的计算，包括供应给太阳能集热器120的最冷的水从太阳能集热器递送最高的btu输出，以及最低的废气温度从燃烧器111递送最高的btu输出。

图2a-2d根据由控制器140引导的典型的操作模式描绘了图1所示系统100的配置。在特定实施例中，操作模式在系统100运行的时间可相互关联。在其它实施例中，操作模式可与其它变量相关，包括季节性变量。在又一些实施例中，系统100能配置成以除了在图2a-2d中明确显示的和以下描述的以外的模式运行。通常，控制器140引导从一个模式到另一个模式之间的平稳逐渐的过渡，例如，减少或消除热冲击、流体流动的突然改变和/或其它潜在的不良影响。

图2a描绘了配置成典型的在至少某些实施例中对应于夜间运行的第一操作模式的系统411。在这一实施例中，第一阀154a、第二阀154b和第四阀154d关闭，第三阀154c打开。于是，水从水源151通过加热器110并旁路在夜间停止工作的太阳能集热器120而流动到蒸汽出口156。在这一模式中，水流(由箭头f表示)通过第一加热器部分113，例如，为了预加热，接着到达第二加热器部分114，例如，为了进一步加热并将相位改变成气态，再到达蒸汽出口156用于提供给目标130。缺少通过太阳能集热器120的流动在第三连接155c处阻止了管道中的水逆流回太阳能集热器120。因为太阳能集热器120在第一操作模式期间停止工作，所以燃烧器111通常以高速率运行。废气再循环阀117可以打开或关闭，这取决于废气温度和/或其它因素。通常，当由于排出高温废气到环境中和/或以控制(减少)氮氧化物和/或其它气体造成的能量损失低于用于吹动或抽动再循环废气的能量成本时，废气再循环管道115可以是工作的(例如，废气再循环阀117打开)。

图2b描绘了配置成第二操作模式的系统100，例如在太阳能集热器120处对应于低入射辐射水平。例如，第二操作模式可对应于日出后的清晨。在这一模式中，第一阀154a部分地打开。于是，箭头f表示的水流分裂成在第一连接155a处指向第一加热器部分113的第一箭头(由箭头a表示)和指向太阳能集热器120的第二箭头(由箭头b表示)。第一水流通过第一加热部分113到达第三连接155c。第二水流指向太阳能集热器120。在太阳能集热器120处，太阳能集中器125被放置在聚焦入射太阳辐射，以加热通过管道157a的水。加热过的水通过集热器进口124，在第三连接155c处与第一箭头结合，以产生结合的流动(由箭头c表示)。结合的流动通过第二加热器部分114，并被提供给蒸汽出口156用于提供给目标130。为了描绘的目的，在图2b中，所示的第一阀154a部分地打开，所示的第三阀154c完全地打开。在其它实施例中，这些阀的相对位置可以是相反的，或两阀都可以是部分地打开，这取决于包括但不限于分别通过加热器110和太阳能集热器120的相对压力下降等因素。

在清晨期间，随着太阳能集热器120接收的太阳辐射的增强，通过进一步打开第一阀154a，太阳能集热器120引导了越来越多的流动，而第一加热器部分113引导了更少的流动。此外，随着由太阳能集热器120产生的热输出增加(例如，以明显的热和/或潜在的热的形式)，燃烧器111被调低以减少不必要的燃料消耗。在典型的配置中，燃烧器111在不同的操作点具有不同的运行特性，这也解释了在确定到何种程度以调低燃烧器111。通常，调低燃烧器111要比停止并重启燃烧器111更有效率。随着通过第一加热器部分113的水流减少，即使燃烧器111被调低，燃烧器排气装置112处的温度也可能上升，这是由于被转移到第一加热器部分113的水中的废气热量的量减少了。增加的燃烧器排气装置温度能减少系统的燃料燃烧部分的净效率(例如，加热器110)，即使是在废气再循环管道115处于工作状态时。为了减少或消除这种低效率，系统100可移动到参考图2c在以下描述的第三操作模式。

现参考2c，在第三操作模式中，第一阀154a和第三阀154c关闭，第二阀154b打开。于是，由箭头f表示的水流首先通过第一加热器部分113，到达太阳能集热器120，接着在流到蒸汽出口156和目标130之前到达第二加热器部分114。在这一实施例中，太阳能集热器120为水增加了大量的热，产生了低到中等质量的蒸汽，而第二加热器部分114将蒸汽的质量增加到适合于目标130的水平。蒸汽出口156处的典型质量水平从大约65％到大约80％，但在特定实施例中能改变到超过这一范围。典型的压力可以是从大约400psi(磅/平方英寸)到大约2800psi，虽然这些数值在其它实施例中也可能有差异。在任何这些实施例中，系统100可对由太阳能集热器120提供的间歇的热输出变化作出快速响应。例如，如果有云遮挡在太阳能集热器120与太阳之间，临时减少了太阳能集热器120的热输出，燃烧器111能快速调高以补充由太阳能集热器120提供的热量。当遮盖的云通过以后，燃烧器111又能快速调低。如果太阳长时间地被云遮挡，系统流动可以渐变方式被重新调整，以重新平衡系统100，例如，通过恢复到第二操作模式(图2b)或第一操作模式(图2a)。

在至少一些季节(例如盛夏)和至少一些时分(例如正午时分)期间，系统100能进入对应于太阳能集热器120接收的入射辐射达到峰值的第四操作模式(图2d所示)。在这一模式中，第四阀154d能被至少部分地打开，以产生通过第二加热器部分114的第一流动(由箭头a表示)和直接从太阳能集热器120到第五连接155e的第二流动(由箭头b表示)。在第五连接155e处，两个流动在蒸汽出口156处结合以产生结合的流动(由箭头c表示)。在这一模式中，燃烧器111可以被进一步调低，而充足的水流被引导通过第一加热器部分113和第二加热器部分114以防止这些部分由于低流动条件导致的干燥或降级。在至少一些情况下，太阳能集热器120的峰值蒸汽生产能力能超过目标130的输入需求。在这种情形下，过多的蒸汽或热可以转移到其它用途(例如，通过蒸汽动力涡轮发电机或其它合适的设备用于热存储和/或热电发电)，或一些太阳能集中器125可移动到离焦位置以减少过多的输出。

适当的热存储技术和系统包括(a)将加热过的水通过热交换器(例如，与液体盐、导热油或另一个合适的成分，作为与水进行热交换而非流体交换的工作流体)；(b)将蒸汽管道嵌入混凝土或另一热存储介质中，包括在某些情况下的相变材料；(c)使用湿蒸汽蓄热器。在任何这些实施例中，过多的蒸汽产量能单独来源于超过加热器110的输出的太阳能集热器120的输出。在某些情况下，当石油产量随着典型的热eor工程进行而增加时，这一过多的蒸汽能力可被目标130(如油田)使用。参考图7a-7e，下文将进一步描述适当的热存储介质和相关的技术。

注入井131能以一定的比率接收蒸汽流，该比率由包括注入井的直径和深度、井下完备度等特性，以及包括井下压力和受量(流动阻力)地层的特性决定。随着热采收工程期间蒸汽注入和石油开采的进行，井下压力和受量发生变化。通常减小井下压力意在使得蒸汽更有效率，而受量随着围绕注入井的地层区域升温并经历其它与蒸汽和石油开采相关联的物理变化而增加。于是，对于特定的井口蒸汽压力，到单独注入井内的蒸汽流的峰值速率会通常从当注入井最初完成并开始蒸汽注入时的初始值上升。因此，在蒸汽驱工程的早期阶段可以计划改变太阳能-对-燃料燃烧的蒸汽平衡，因为更高的峰值速率成为可能，作为结果在白天时段可以传输更高总量的蒸汽(当太阳能蒸汽产生运行时)，燃烧器111可以被调得更低。相似地，可以计划蒸汽产生的安装，在油田的早期阶段，它需要在辐射峰值阶段排放太阳能，然而在生命周期后面的时间，随着系统能适应更高的峰值流动，所需要的排放变少甚至完全不用。

在任何这些实施例中，在入射辐射峰值阶段过去之后，系统100能恢复到图2c所示的第三模式。随着白天的结束，入射太阳光进一步下降，系统100接着能回到图2b所示的第二模式，并随着夜幕降临能回到图2a所示的第一模式。随着系统100过渡到夜间操作(第一操作模式)，通过太阳能集热器120的水吸收来自太阳能集热器120的残余热量。因此，到太阳能集热器120被通过加热器110的水流隔绝时，太阳能集热器中所剩的残余热量已经被水有效吸收并被转化为蒸汽，因而，减少或消除了太阳能集热器120本可能在夜间发生的辐射损失。

上述系统100的实施例的一个特征是它可包括能根据操作模式的不同选择以并联或串联的方式耦合到太阳能集热器120的单一加热器。例如，在图2a所示的第一操作模式中，第一和第二加热器部分113、114相互串联运行，而太阳能集热器120被排除在回路以外。在图2b所示的第二操作模式中，加热器的第一加热器部分113与太阳能集热器120并联运行，而第二加热器部分114与太阳能集热器120串联运行。在图2c所示的第三操作模式中，第一加热器部分113与第二加热器部分114均与太阳能集热器120串联运行，其中第一加热器部分113耦合到太阳能集热器120的上游，第二加热器部分114耦合到太阳能集热器120的下游。在图2d所示的第四操作模式中，第一加热器部分113与太阳能集热器120串联运行，而第二加热器部分114仅与太阳能集热器120中存在的部分流动串联运行。因此，控制器能控制通过系统的水流，并能根据不同的序列引导水流通过太阳能集热器120和加热器110。在特定实施例中，水流的一部分根据第一序列被引导通过太阳能集热器和燃料加热器，水流的相同(或不同)部分根据不同的第二序列被引导通过太阳能集热器和燃料加热器。

作为前述多种操作模式的结果，可以改善(如优化)太阳能集热器120提供的输出以最好地利用入射太阳辐射，和加热器110提供的输出以补充太阳能集热器120提供的输出并改善或优化加热器110的运行效率。这不像目前的仅包括串联或仅包括并联配置的加热器的典型配置。

如上所述，在至少一个前述操作模式中，系统100能以除了太阳能集热器120以外的单一加热器110运行。单一加热器可包括多个加热器管道和流动路径、多个燃烧器和多个加热器部分，但在至少一些实施例中，来自燃烧器的高温气流连续通过至少两个带水部分(例如，第一部分113和第二部分114)，这两个部分各自能带有可单独控制的水流。这一配置可减少用于补充太阳能集热器120的加热器的数量，而同时随着条件的变化又提供了灵活性以增加太阳能集热器120和加热器110的效率。

前述配置的另一优点在于系统100的实施例没有包括将低质量的蒸汽和/或水从优质蒸汽中分离出的分离器。反而，任何可能小于期望质量水平的蒸汽都通过加热器110以提供对提供给目标130的蒸汽的质量的充分控制。

至少一些前述实施例的另一特征在于它们能利用能力来调低燃烧器111，进而根据太阳能集热器120提供的热减少可能不必要的燃料消耗。因此，包括具有深度调节比的燃烧器111是满足需要的，以便可以为目标130提供太阳能蒸汽的最高总浓度。典型的燃料燃烧器111具有有限的调节比。这种限度能够来源于燃烧器111本身的运行特性。例如，燃烧器111通常仅在设计的运行范围内提供稳定、清洁(低排放)的火焰。燃烧器111的调节比也可取决于燃烧器111是否能够运行超过一种燃料，例如，柴油或天然气、或具有不同热值范围的气体。燃烧器111的调节比还可取决于是否用像废气再循环这种特征来减少某些燃烧产物的排放，例如氮氧化物(nox)。燃烧器111的调节能力也受到维持穿过加热器110内部的热交换器表面(例如，在第一加热器部分113和/或第二加热器部分114处)的有效混合流动的需要的限制。如果提供给加热器部分113、114的是不充分的气流，那么燃烧器排气装置112处的温度会上升，增加了排入到环境中的热量。如果通过加热器110的水流不充分，那么第一加热器部分113和/或第二加热器部分114中的热交换器管道可能会过热，引起这些管道破裂和/或燃烧器排气装置112处的温度上升，再次增加了维护成本，降低了整体效率。

前述调节限制可与图1所示的系统配置相适应。例如，在第二和第三操作模式中(分别见图2b与图2c)，满负荷的水流按路线通过第二加热器部分114，降低或消除了通过第二加热器部分114的水流不充分的可能性。在第一、第三和第四操作模式中(分别见图2a、图2c与图2d)，满负荷的水流被引导通过第一加热器部分113，降低或消除了在这些模式期间不充分流动的可能性。在第二模式期间能监测第一阀154a，以便随着更多数量的流动被引导到太阳能集热器120时继续为第一加热器部分113提供充分的流动。因为第一加热器113相比第二加热器部分114以更低的温度运行，所以第一加热器113能容忍更多的流动降低。系统100可以按尺寸制作，以便即使当在第四操作模式中一些流动旁路第二加热器部分114时，仍提供充足的流动。在这一模式中，通过系统的总流量相对于第一、第二、第三操作模式期间提供的流量能够有所增加。

以上所描述系统的实施例的另一特征包括监测并控制太阳能集热器120和加热器110以产生提供给目标130的期望的流速和蒸汽质量的单一的(或者在某些实施例中，集成的)控制器配置。这可以是建立在两个单独的控制器之间的同级关系，或是分级关系，比如，在分级关系中主控制器与太阳能控制器和加热器控制器通信，或者单一的控制器提供这样的通信。这不同于传统的控制和监测这两项功能分离的配置。传统的配置要比描述的本技术成本更高、实现起来效率更低。本系统的实施例也能减少整体系统组件的数量，因为一些组件由太阳能集热器120和加热器110共享。这些组件包括引导流动到太阳能集热器120和加热器110的单一的进口装置152，以及单一的整体蒸汽出口156。

以上所描述系统的实施例的又-特征是通过太阳能集热器120的流速在低入射辐射和高入射辐射条件下都能相对较高。在低入射辐射条件下，第二加热器部分114补充所需要的由太阳能集热器产生的热。在高入射辐射条件下，高流速降低太阳能集热器120处的过高温度，否则它会增加辐射损失。这样的损失可能是严重的，因为它与上升的温度的四次方成正比。特定地，太阳能集热器120的组成部分，比如，采集管道或其它接收器，为了便于吸收太阳辐射通常是不绝缘的。随着接收器温度的上升，损失以非常高的比例增加(以t⁴)。因此，在至少一些实施例中，使太阳能集热器120(或太阳能集热器120的部分)保持在更低而非更高的温度可以是满足需要的。这一点可以实现，例如，通过使太阳能集热器120的较大部分加热水使其接近蒸发温度，而太阳能集热器120的较小部分使水蒸发(改变其相位)和/或加热蒸汽使其超过蒸汽转变温度。系统100的各方面允许操作者优化太阳能集热器120和加热器110在各种辐射条件下的效率。针对当前可用的太阳辐射，基于加热器110的第一部分113和太阳能集热器120的联合效率的考虑，在二者之间分配流动。

图3是根据本技术的另一实施例，可包括比上述的系统100更少的阀的系统300的部分示意图。系统300包括一些与图1所示的对应特征相似或相同的特征，包括水源151、加热器110、太阳能集热器120、控制器140和目标130。系统300进一步包括第一阀354a，但可不包括如图1所示的对应的第二、第三和第四阀。反而，可以选择性地调节第一阀354a来(a)引导来自水源151的所有水通过加热器110(并且没有水通过太阳能集热器120)，或(b)水的第一部分通过加热器110(特别是加热器110的第一部分113)以及水的另一部分通过太阳能集热器和加热器110的第二部分114，或(c)来自水源151的所有水通过太阳能集热器120和加热器110的第二部分114。这一配置要比加热器110和太阳能集热器120固定在并行配置中的配置提供了更高的效率。例如，参考图2b如前所述，这一配置能在早上提供更高的效率，并以一种通常类似于前述参考图2a的方式，隔绝太阳能集热器120并从太阳能集热器120收回残余热量。此外，与如图1所示的配置一样，图3所示的配置不包括分离器。

图4是根据本技术的又一实施例包括余热锅炉470的部分示意图。余热锅炉470可包括为加热器410提供高温废气的燃气轮机462。废气能通过辅助加热器463(如热导管)可选择地被进一步加热。加热器410可包括放置在废气流动路径中第二部分414(如过热部分)下游的第一部分413(如节热器)。加热器410可进一步包括放置在第一部分413上游的蒸发器460。在其它实施例中，蒸发器能处于其它位置，例如，第二部分414的上游。汽鼓461被放置在用于采集液相和/或气相的水并将气相水从液相水中分离。水源551将水引到太阳能集热器120和/或余热锅炉470，取决于，例如，第一阀454a、第二阀454b和第三阀454c的设置。系统400的阀和其它特征处于接收输入141并指导输出142的控制器440的控制之下。

在运行中，水源551可将水仅引导到太阳能集热器120，或仅引导到余热锅炉470，或均引导到太阳能集热器120和余热锅炉470，这取决于第一阀454a的位置。引导到太阳能集热器120的水(如箭头a所示)回到汽鼓461，如箭头i所示。引导到余热锅炉470的水，如箭头b所示，通过第一部分413再到达蒸发器460(如箭头c所示)，和/或环绕着蒸发器460(如箭头d所示)。引导到蒸发器460的水被蒸发，并如箭头e所示流到汽鼓461。汽鼓461处冷凝的水如箭头f所示又回到蒸发器460。蒸汽如箭头g所示从汽鼓461流到第二部分414。在于第二部分414处被加热以后，蒸汽能选择性地通过温度调节器464。温度调节器464将从水源551接收的水喷入蒸汽流中以控制蒸汽的温度，接着蒸汽被引导到目标130。

旁路蒸发器460的水(如箭头d所示)可直接到达汽鼓461和/或太阳能集热器120，取决于第三阀454c的位置。

在图4所示的实施例中，系统400包括以实现上述的至少一些特征和优点的方式耦合到太阳能集热器120的余热锅炉470。例如，系统400可选择性地引导水到太阳能集热器120和/或加热器410。系统能在夜间运行期间和/或接近夜间运行时，以一种通常类似于上述参考图2a-3的方式从太阳能集热器120重新捕获热量。

一个以上所描述的许多实施例的特征是这些实施例可包括带有预热部分的加热器(如锅炉)，与太阳能集中器的组合，二者都接收相同的贯穿工作流体。这一布置可根据多个操作模式配置成提高系统的整体效率。特定地，可以优化系统以有效提高蒸汽的目标数量和质量，以应对大量的因素，包括太阳能集热器120的辐射损失和加热器的燃料使用。太阳能集热器的热效率由太阳能集热器的接收器元件的温度、太阳能集热器的进口水温、通过太阳能集热器的水流速度、采集的辐射概括地确定。加热器的效率可由包括进口水温、流速、废气温度和燃料燃烧速率在内的各种参数确定。整体系统可以配置成通过调节加热器和太阳能集热器之间的相互作用增加蒸汽产生过程的效率和/或优化该过程的运行。面对变化的环境条件，这一灵活的配置为有效的运行提供了帮助。

图5是描绘了由代表性的加热器和太阳能集热器提供的热贡献和累积热在典型的运行日期间随时间变化的代表图。如图5所示，随着太阳能集热器提供的热贡献在白天期间的增加和减少，系统可以通过改变由加热器提供的热贡献，被定制成提供通常恒定的累积热输出。

图5描绘了由太阳能集热器提供的热贡献的一般变化。图6描绘了在典型的运行期间太阳能集热器上的入射辐射在更小的时间间隔上的变化。如图6所示，入射太阳辐射的变化显著而迅速。如前所述，本技术的实施例包括与太阳能集热器集成运行的加热器以应对这种变化，同时按照目标用户可能的需要，仍提供一致的质量和数量的蒸汽。

上述系统的特定实施例经历了在太阳能集热器处的随时间变化的平均温度。为了优化(或至少提高)总蒸汽输出，以这样一种将其作为燃料燃烧功能的方式控制太阳能集热器。基于预计的当前能量生产(例如，基于白天的辐射/时间)，系统可以上述的方式为锅炉分配给水流速和流动模式。为了达到特定的出口蒸汽温度或出口蒸汽条件，并将该蒸汽条件保持不变，至少一些传统系统的重点在于调节太阳能锅炉的流速。相反，本技术的实施例将燃料加热器和太阳能蒸汽生成器集成使用，重点在于实现最大的组合效率。为了优化或至少提高组合产生的总蒸汽——平衡燃料燃烧锅炉中由于减少的液体流动引起更高管道温度的影响所导致的效率损失与太阳能集热器中随着其温度变化明显的效率损失，控制器可分配流速和流动模式。控制器以这样一种方式(例如通过前述的模式)控制组合的系统，即在低辐射期间，太阳能场集热器以比并联配置所能提供的更低的平均温度运行。系统的实施例能监测进口水温和出口系统温度以及出口蒸汽质量并对其作出响应。因太阳能集热器的效率由于其接收器的温度而变化显著(因为辐射损失与温度的四次方成正比)，降低温度(例如，平均温度和/或峰值温度)能显著提高整体系统的效率。

本技术的特定实施例中的蒸汽温度最终由系统出口的压力确定，特别是对于这种压力的饱和温度。在纯太阳能锅炉中，进口的水流动通过太阳能集热器，温度上升直到其开始沸腾。随着沸水流动通过管道，加入了更多的热能，其温度几乎没有变化，驱动着相位从液态向气态转变，直到加入了足够的能量来完成蒸汽的转化。然而，在用于本公开系统的实施例的典型操作模式中，出口的质量小于100％的蒸汽。因此，太阳能集热器的温度分布由当前可用的太阳辐射、进口给水温度和进口流速确定。更高的流速会降低出口蒸汽质量(可能会到0)并将集热器中的沸点进一步往下游推。更低的进口水温会产生相同的影响。然而，从加热器到太阳能集热器的分流会增加加热器的废气温度并成比例地降低其热效率。本技术的各方面指向平衡这些抵消的影响。对于各辐射条件，针对太阳能集热器和燃料燃烧锅炉的各种尺寸，以及它们各自的效率曲线而言，存在二者的组合效率最大化或至少提高的最优操作点。控制逻辑可以配置成实现或大约实现这一操作点。

图7a-7e根据本技术的又一实施例描绘了系统。这些系统包括热存储功能和/或太阳能集热器和加热器之间的近距离接触，二者的特征都被配置成增加整体效率，其中产生蒸汽并提供给油田或其它目标场所。图7a-7e所示的系统的一些特征与前述的参考图2a-2d所示的是共同的，因此，以下所示和/或所述的细节会有所减少。这些特征通常以一种通常类似于上述参考图2a-2d的方式运行。

图7a描绘了包括太阳能集热器120、加热器110和耦合到一起以在指向目标130的整体蒸汽出口156处提供蒸汽的水流系统150的系统700a。水流系统150可包括多个(如分布式的)水源中的一个水源。单独的水源取决于实施例可独立或互联运行。此外，系统700a可包括以为了保存工作流体的热能用于后期使用的这样一种方式存储水或其它工作流体的存储介质770，例如水箱或其它合适的介质。因此，存储介质770可包括绝缘和/或其它减少热损失的特征。

系统700a可包括一系列的泵152a-152d(集体被称为泵152)和根据操作模式以各种方式引导水或其它工作流体的阀754a-754g(集体被称为阀754)。例如，如图7a所示，系统700a可包括为第一泵152a提供水的水源151。第一泵152a可引导水通过第一阀754a和第二泵152b到加热器110，或引导水通过第二阀754b到存储介质770。第三阀754c控制是否将从水源151引入的水提供给存储介质770或太阳能集热器120。根据第四阀754d和第五阀754e的设定，从存储介质770释放的水可通过第三泵152c提供给太阳能集热器120或加热器110。引导到太阳能集热器120的水可由第四泵152d进一步加压。图7a-7e所示的阀754的位置仅仅是说明性的——根据系统的操作模式，可在任何给定时间点将阀754放置在除了图中所示的这些位置以外的位置上。

存在于太阳能集热器120中的水(例如，以液态和/或气态形式)根据第六阀754f和第七阀754g的设定可被引导到整体系统出口156或存储介质770。例如，当太阳能集热器120产生相对低质量的蒸汽时(或没有产生蒸汽)，比如当太阳能集热器120启动、关闭和/或受到低或无太阳辐射的影响(例如由于云层遮盖)时，水/蒸汽可被引导(如转移)到存储介质770。随每日时间(如早晨或夜间)和/或其它参数(如绝缘或蒸汽质量)的变化可以进入这一操作模式。随着由太阳能集热器120产出的蒸汽质量的增加，产出(或更大比例的产出)被提供给整体蒸汽出口156。于是，在第一操作模式期间，太阳能集热器接收的热可以被引导到整体蒸汽出口156(并从那里到达油田或其它目标)，在第二操作模式期间，接收的热可以被引导到热存储介质770。

在一种操作模式中，随着第六阀754f打开，太阳能集热器120和加热器110可以共同操作，以一种通常类似于前述参考图2d的方式，为整体蒸汽出口156提供蒸汽。在夜间运行期间，或在太阳能集热器120没有产生蒸汽或产生不足数量的蒸汽的其它阶段，可以关闭第六阀754f，以将太阳能集热器120与加热器110、整体蒸汽出口156和目标130隔离开。在至少一些实施例中，为了避免失去包含在这一工作流体中的热量，残留在太阳能集热器120和相关管道中的水可以通过蒸汽存储管线771被引导到存储介质770。在随后的启动过程期间，太阳能集热器120能保持与整体蒸汽出口156和加热器110的隔离，以避免″排放″过程(和相关的″敲击″影响)的需要。该过程可能由加热器110造成的高温蒸汽与水的混合或者在太阳能集热器120的启动期间产生的低质量蒸汽和水的混合引起。一旦太阳能集热器120产生的蒸汽质量超过阈值(例如，80％、90％或95％，取决于实施例的不同)，那么可以打开第六阀754f，允许太阳能集热器120提供的蒸汽补充和/或替代加热器110提供的蒸汽。

太阳能集热器120可以通过第一连接管线772链接到加热器110，整体蒸汽出口可以通过第二连接管线776连接到目标130。在白天期间，由于加热器110和/或太阳能集热器120提供的蒸汽，第二连接管线776保持高温。到夜间，由于加热器110提供的蒸汽，第二连接管线776保持高温，但第一连接管线冷却，并且当太阳能加热器120第二天重启时，第一连接管线一定要再加热。因此，在特定实施例中，为了减少或最小化可能来源于在夜间暴露在辐射损失中的过长的第一连接管线772的热损失，可以减小位于太阳能集热器出口124和加热器出口116之间的第一连接管线772的第一长度l1。例如，在至少一些目前的传统配置中，第一连接管线772的第一长度l1能超过1000米、5000米或甚至是10000米。在本公开技术的特定实施例中，第一连接管线772的长度可以减小到比如小于1000米的值，并在其它的特定实施例中，小于500米、小于250米、小于100米、小于50米、或者小于10米。通过将加热器110和太阳能集热器120放在一处并减小第一长度l1，整体系统的热损失也因此得到降低。

除了(代替)缩短第一连接管线772的长度l1，系统700a也能配置成保持第一连接管线772的一个或多个部分的高温，即使当太阳能集热器120处于不工作状态。例如，第一连接管线772可包括上游部分772a和下游部分772b。通过倾斜第一连接部分772(以提供重力驱动的冷凝物流动)和/或通过适当地调节第六、第七和/或其它阀，系统能维持下游部分772b和/或上游部分772a处于维持蒸汽的流动和/或存在的压力和温度。

因为第二连接管线776通常被连续不断地加热，所以减少该管线的第二长度l2可能是次要的。在特定实施例中，可以隔离第二连接管线776以减少热损失。在某些实施例中，额外加热器110可以沿着第二连接管线776放置以抵消热损失。在任何前述的实施例中，为了保持连接管线的高温，加热器110可以是分布式的，因而将增强的优质蒸汽提供给目标130。

图7b描绘了在一个特定实施例中将蒸汽注入到油田中，该蒸汽是由位于油田周围的多个来源提供的。多个来源可包括一个或多个近距离耦合到加热器和/或热存储介质(例如，加热器110和存储介质770，如图7a所示)的太阳能场(每个太阳能场可包括一个或多个太阳能集热器120)。单独的太阳能场可具有相应的专用存储介质(如储存箱)和/或专用供水。在其它实施例中，存储介质和/或供水可以相互连接的。在特定实施例中，整体系统也可包括补充由单独的加热器和太阳能场的组合提供的热的中央加热源。中央加热源也可包括可移动到不同位置的移动加热器，这些位置随着油田的蒸汽需求转变或变化也需要热。如图7b所示，至少一些太阳能场可以远远位于注入区初始边缘以外，以允许油田注入操作的扩大而不妨碍太阳能采集过程。例如，可以在初始注入井和一个或多个太阳能场之间增加新的注入井，因为太阳能场被放置在足够远离初始注入井的地方以容纳额外的注入井。

图7c描绘了包括一些类似于前述参考图7a的特征的整体系统700c的另一实施例。此外，系统700c可包括将较优质的蒸汽与较低质量的蒸汽和/或水分离的分离器775。因此，离开太阳能集热器120的蒸汽或液/气混合物进入分离器775，其中蒸汽被引导到第六阀754f和整体蒸汽出口156。水从分离器775被引导到第七阀754g用于提供给存储介质770。此外，分离器775本身可作为存储介质，并可因此被隔离和/或否则被配置成减少热损失。在特定实施例中，系统700c可包括将热从分离器775分离出的水传递到进入太阳能集热器120的水的热交换器776(如逆流热交换器)。在说明实施例中，热交换器776被放置在第四泵152d的上游。在其它实施例中，热交换器776可以放置在第四泵152d的下游。在任何这些实施例中，从分离器775中排出的并通过热交换器776引导的水接着可以被引导到存储介质770，如前所述。在其它一些实施例中，例如，当水中含有的沉积物、矿物质和/或其它微粒的浓度高得无法接受时，从分离器775中排出的水可以代替地被引导到过滤系统或简单地排出，正如图7c中的虚线所示。

系统700c也可包括第八阀754h和第九阀754i。第八阀754h可选择性地引导蒸汽到达存储介质770。第九阀754i可被用来选择性地往分离器775产生的蒸汽流回添加水，以控制蒸汽质量。

图7d描绘了根据本公开的又一实施例配置的系统700d。在该实施例中，系统700d包括分离器775和存储介质770，如上所述参考图7c。此外，系统700d可包括阀配置，通常类似于前述参考图2a-2d的。该阀配置允许水被选择性地引导到加热器110的第一加热器部分113和/或第二加热器部分114。因此，系统700d可包括第十阀754j、第十一阀754k和第十二阀7541。每个这些阀都能被调节成引导水仅通过第一加热器部分113(例如，通过打开第十阀754j、关闭第十一阀754k和第十二阀7541)或通过第一加热器部分113和第二加热器部分114。例如，随着第十阀754j打开、第十一阀754k关闭，水在进入太阳能集热器120之前在第一加热器部分113处进行预加热。通过打开第十二阀7541，分离器775收集的水可被引导到第二加热器部分114以便被转化成蒸汽。因此，可以操作第十二阀7541来引导从分离器775排出的水到加热器110中，而非到存储介质770。在这一操作模式中，当第十二阀7541打开时，第七阀754g同时关闭。

图7e描绘了根据本技术的另一实施例配置的系统700e。在本实施例中，系统700e包括通常类似于前述参考图7d的特征，此外，还包括第十三阀754m。第十三阀754m与第十二阀7541组合，允许从分离器775排出的水被引导到第一加热器部分113或者第二加热器部分114。这些阀的设置可通过控制器140决定，并且基于系统中水的相对温度和压力、水需要更多的热的程度、目标130的需求和/或其它因素确定打开和/或关闭系统的这些和/或任何其它的阀的步骤。例如，如果从分离器775排出的水的温度低于第一加热器部分113中的水温，那么排出的水就能在被引导到第二加热器部分114之前被引导到第一加热器部分113。如果从分离器775排出的水的温度高于第一加热器部分113中的水温但又低于第二加热器部分114的，那么排出的水就旁路第一加热器部分113被引导到第二加热器部分114。

上述参考图7a-7e的系统的实施例包括可针对传统系统提供一个或多个若干优势的特征。例如，在前述系统的至少一些实施例中包括存储介质。存储介质可恢复在太阳能集热器120关闭以后和/或在其低产出期间出现在其中的热，并能因此简单地允许这些热量通过辐射、对流和/或传导离开系统，以消除或至少减少相关联的损失。

至少部分前述实施例的另一特征是可以操作加热器110来提供夜间连续的蒸汽流。在某些实施例中，在夜间由加热器产生蒸汽的数量足以满足目标130的需求，例如，以全负荷地维持油田注入过程。在其它实施例中，加热器110可仅在夜间运行以维持通过系统的临界值的蒸汽流。这一配置可消除系统的这些部分否则会经历的热循环，并可消除所连接到的管线内的积水。这反过来可减少操作风险和启动延迟，并可减少维护成本。当加热器以后一种模式使用时(例如，提供可能低于典型的操作需求的蒸汽的临界水平)，其可适当地调节以满足这一功能的需求。尤其是，加热器可以小于尺寸为产生目标130所需的全部蒸汽输出的加热器，和/或当仅仅维持蒸汽的临界水平而非蒸汽的全部运行水平时，可配置成在低输出水平有效运行。

至少部分前述实施例的另一特征包括将蒸汽维持在与蒸汽产生相关的较大部分的管线中，而不管太阳能集热器的循环本质。这一方法可减少管线排放的可能性。例如，如前所述，与太阳能发电机相关的导管在启动期间可与系统的其余部分隔绝，以减少或消除水和优质蒸汽之间的接触，直到太阳能发电机产生足够优质的蒸汽后再与系统的其余部分重新连接。这一配置可减少与管线排放相关的废气，减少与管线排放相关的损失蒸汽产生周期，和/或减少与管线的热循环相关的维护成本。这样的维护成本可包括修理或替换由于循环的、热诱导的膨胀和收缩而变得损坏的管线。

至少部分前述实施例的又一特征是加热器可与相应的太阳能集热器处于相同位置，以减少太阳能集热器和整体系统出口之间的连接线的长度。如前所述，这一配置可减少排放、热损失和/或维护成本。在特定实施例中，单一加热器可耦合到单一太阳能集热器。在其它实施例中，单一加热器可服务于多个太阳能集热器(例如，配置成环绕一个共同的加热器)。在另一些实施例中，多个加热器可服务于单一的太阳能集热器。

图8a-8c描绘了本公开技术的另外一些方面。图8a描绘了在井口处使用2″流动管线和固定的阻气门以控制蒸汽流动的注入系统。固定的阻气门依靠(声音的)流动限制通过各管道的流动并提供通过许多管道的一致的流动。到井内的注入率可根据蒸汽产生器的压强变化，注入率通常可限制在大约1000桶/每天。图8b描绘了具有自动化(可调节的)阻气门的系统，以及阻气门从井口移动到上游集合管。流动管线的直径从2”增加到3″，引起注入率也增加到大约2000桶/每天。将进一步在下文描述的图8c描绘了配置成提高太阳能产生的蒸汽的利用的超大流动管线。

典型的油田蒸汽注入技术包括″循环刺激″或″吞吐″注气。在″吞吐″注气中蒸汽在部分时段被注入所有的油井中。每个井选择性地留出额外的时段进行″焖井″，接着从井中回采油和水，直到开采达到预定的速率，或预定的时段已经结束。循环——注气、焖井、开采——接着重复。

另一常见的方法涉及在一组井(″注气井″)中连续的蒸汽注入，而在邻近的井(″产油井″)中连续的产油。基于注气井和产油井的特殊关系，这种工程被称为蒸汽驱、蒸汽驱动、sagd(蒸汽辅助重力泄油)以及其它一些名字。

在特定的油田中，以对所有的井进行一段时间的循环注入的方式开始整体蒸汽注入工程是很常见的，以便产生早期油以及加热地层，提高注气井和产油井之间的渗透性和联系。接着，在注气井中开始蒸汽驱连续的或半连续的注气并持续一段时间，这也是很常见的。在该工程的早期，蒸汽的连续注入增加了环绕注气井的地层的温度。升高的温度、以及远离包括油在内的流体的注气井的地层内的流动，增加了井的受量，换而言之，在给定的井口蒸汽压的情况下增加了蒸汽流进入注气井的比率。随着受量增加，在许多蒸汽驱操作中，为了维持每个注入井大致恒定的日常蒸汽质量，可以减少表面蒸汽压。

典型的蒸汽驱具有有限数量的蒸汽源，例如，一个或多个锅炉一一以及更大数量的注气井。对于任何蒸汽驱的成功，一项重要的要素是进入注气井的蒸汽流的合适分配。没有对蒸汽分配进行合适的设计，会有更多的蒸汽可能流入位于离锅炉更近的那些注气井(造成相应地更小的流动相关的水压下降)，并且会有更少的蒸汽进入相对远离锅炉的井中。这种蒸汽分配的失衡是不合需要的，因为这样会产生地层加热的失衡，减少产油率和总的石油采收。因此，安装在各井口或安装在各组井处的流动控制设备是蒸汽驱操作的重要部分。如上所述参考图8a和8b，固定的阻气门用于某些环境(蒸汽驱)，自动化可调节的阻气门用于其它环境(循环)。

随着蒸汽注入持续数月甚至数年，地层最终升温并达到均衡或稳定条件，蒸汽空间和加热的区域被建立。需要维持这一加热区域的蒸汽注入率通常低于需要最初加热地层并克服热损失的蒸汽注入率。因此，在达到这一均衡条件后，每个注气井每天注入特定的注气井的蒸汽总量通常会减少。

太阳能蒸汽生成器的运行特征与燃料燃烧蒸汽生成器的运行特征截然不同，前者的产出从夜间的零流动到正午的峰值流动变化广泛，而后者在较长时间内(连续恒定产出运行数周或数月)通常以大致恒定的蒸汽产生率运行。太阳能蒸汽生成器的相互连接引起特别的问题，即关于油田蒸汽分配网络和蒸汽注入井的设计，特别是随着太阳能蒸汽的需要部分增加。

如上所述，太阳能蒸汽生成器(例如，太阳能集热器)和燃料燃烧蒸汽生成器(例如，加热器)的产出可以达到平衡——随着太阳能蒸汽的产出增加，燃料燃烧蒸汽生成器的燃烧率和蒸汽生成率下降，以便提供大致恒定的每小时蒸汽产生的总速率。在这样大致恒定速率的蒸汽产生中，每年由太阳能提供的蒸汽的总量受限于每年可利用的合适的太阳辐射的时间数量。典型的数值是每年蒸汽总量的20％到30％的范围。

对于油田经营者而言，从太阳能中获取他们每年蒸汽总量的更大比例，而不减少油田的原油生产率，是具有重要价值的。根据本公开技术的实施例，这一点是通过在白天注入更多的蒸汽而在夜间注入较少的蒸汽得以实现的。在特定实施例中，这包括了允许峰值蒸汽流速率上升以高于日常平均速率，并允许夜间的蒸汽注入速率下降以低于日常平均速率。

这一蒸汽注入的日常速率变化的情况引起了针对注气井的设计和蒸汽分配网络的设计的挑战。本公开解决了这两个问题。

太阳能比例对油田寿命

通常在蒸汽驱操作中，每口井的蒸汽注入率通过蒸汽驱的最早阶段所需的蒸汽流确定——换而言之，当地层最冷的时候，也即具有最低的受量(对于压力而言具有最低的流动)，需要最大数量的蒸汽来实现地层加热。油田设计有选定数量的注气井，这些井被设计成处理特定的蒸汽压强和流动，为了经济上提高(例如优化)蒸汽注入的成本，相对于原油生产的回应。更多的注气井位于更近的空间，或更高的蒸汽压和井的内径，当然能导致更高的蒸汽注入率，但这种改变也会导致更高的费用。本领域内的技术人员通常针对从这种设备设计中所期待的原油生产的预估价值进行设备成本的优化，以便实现成本与期望收益达到妥协的平衡设计。

如果高比例的太阳能蒸汽在蒸汽驱开始时是满足需要的，与太阳能蒸汽产生相关的高速率变化会面对每口井有限的受量和对蒸汽的高需求。在高注入压强下，每小时传递大量的蒸汽会增加每口注气井的成本(更大的内径，更高的压强)和/或蒸汽分配网络的成本(更高的峰值压强)和/或注入井的数量(由于更多的注气井导致更高的成本)。

因此，本技术的各方面解决了这一问题。在特定实施例中，随着蒸汽驱的持续，太阳能蒸汽以增加的比例被整合到油田中。蒸汽驱设计的启动配置被优化成其会用于恒定速率蒸汽注入。燃料燃烧蒸汽生成器在白天时会调低，以大致匹配太阳能蒸汽生成器的输出，使得总体的蒸汽产量大致恒定。随着地层加热和受量增加，更多的太阳能蒸汽生成器添加到油田中，或燃料燃烧蒸汽生成器被移除和/或更少的运行。没有增加蒸汽分配网络中的峰值压强，增加的受量允许更高的峰值蒸汽流，并因此运行太阳能提供更高比例的日常全部所需蒸汽。换而言之，在相同或更低的压强下，更高的受量允许更大的流动速率。太阳能可提供与燃料燃烧蒸汽生成器相同的日常流动速率，但是在白天具有高流动速率，而在夜间具有低或零流动速率。因此，随着增加的受量带来的系统的峰值流动速率能力增加，太阳能可提供更大比例的总体所需蒸汽——其是通过在白天提供更多蒸汽在夜间提供更少(或没有)蒸汽实现的，并因此适合于每日的总体流动比一天的恒定流动更重要的情况。

随着每日每口井对蒸汽质量的需要在蒸汽注入的数月数年后下降，太阳能蒸汽比例进一步增加，通过安装更多的太阳能蒸汽生成能力和/或移除或减少燃料燃烧蒸汽生成器的运行。因此，装置可能在安装的第一年仅传递20％的太阳能，而到了运行的第五年，在井的数量没有增加或蒸汽分配网络的压力等级也没有增加的情况下，可能承担每年80％的太阳能蒸汽部分。基于其使用寿命的基础，那么，这一创新在蒸汽分配和注入网络中以较低的整体资金成本优化(或至少提高)了整体的燃料节约(太阳能蒸汽产生的关键目标)。

可变速率蒸汽分配

油田中为了实现跨越多个注入井的蒸汽的适当分配的典型做法是使用″阻气门″，该设备在选定的流动速率或压强包含非线性压降现象。限制流动率的″固定阻气门″(图8a)向井中传递了大致恒定的流动率，通过与声速相关的流动现象限制流动率。运用固定阻气门允许更接近锅炉的蒸汽注气井，以相对更高的井口蒸汽压，将每日相同质量的蒸汽传送到井下，而另一相似装备的注气井以相对更低的井口蒸汽压位于距锅炉更远的地方。

然而，这种固定阻气门，仅对有限范围的操作压强有效，且不允许合适的蒸汽分配的变化流动率。随着油田改变其操作，从整体固定速率的蒸汽和低太阳能蒸汽比例，到高变化的蒸汽流速率和高太阳能比例，新的装置从根本上一定要用来确保来自共同来源跨越多个注入井的合适的蒸汽分配。

马达操作的阀和/或马达操作的阻气门(图8b)常用于油田的循环蒸汽注入操作。这种马达操作的阀允许蒸汽从共同的分配源以前述的合适的计划传送到各个井内。

本技术使用了电动操作法来实现跨越多个井的蒸汽注入以变化的流动率的合适分配。在特定实施例中，控制器与各阀相关联，传感器与各注气井相关联。控制机构确定对于特定井的蒸汽注入的合适速率，检测进入井内的蒸汽的当前流速，并调整马达操作的阀或电动操作阻气门，以便将速率调整为所需的。注入到各井内的蒸汽的所需速率可通过控制器局部计算，基于固定的计划表(白天的时长)，基于来自中央控制器所传输的信号，或基于蒸汽分配网络的特征的测量值。在某些实施例中，所有的蒸汽注入率由中央控制器基于太阳能蒸汽和燃料燃烧蒸汽当前的可用性进行控制，这些信息可传播到井口控制器。在其它实施例中，通信路径可存在于从中央控制器到各井口控制器，并允许各井的流动速率进行更精细的调整。在其它实施例中，局部的井口控制器可检测蒸汽分配网络的特征——例如，压强的变化——并可引起控制器移动到确定的更高流速，高于蒸汽分配网络中相对低压强的流速。通过以下若干方法之一，包括科氏质量流量计、利用涡轮这样的旋转成分检测流速的传感器、或利用电磁流量计这样的其它特征检测当前进入各注入井的质量流量的传感器，各井口控制器可检测进入相关井的蒸汽的质量流量。

图8c描绘了根据本技术的一个实施例的用选择性的管道尺寸和自动化阻气门预测和利用油田受量变化的系统设计。在本实施例的一个方面，流动管线相比通过系统的初始蒸汽流速而言是过大的。换而言之，岩层的初始低受量，而非管道尺寸，限制了流速。随着受量增加，更大的管线可因此应对增加的流速。如上所述，这样增加的流速可允许太阳能发电机通过在日间传送大量的蒸汽而在夜间传送少量的或没有蒸汽的方式产生充足地日常蒸汽流速。自动阀可用于单独控制个别井的流速，以便提高蒸汽传送过程的一致性，即使是在蒸汽驱(与循环相反)操作中。自动阀也可用于支持任何各种其它适当的变化。

从前述可知，可以理解的是本技术的特定实施例在本文中出于描绘的目的进行描述，但没有背离本技术的各种修改也可实现。例如，虽然加热器120如图所示包括单一锅炉111，但是在其它实施例中，加热器110可包括多个锅炉。例如，为了适应更深层次的调节多锅炉配置可包括一个较大的锅炉和一个较小的锅炉。多锅炉配置的潜在重要特征是在调低运行期间维持特定的氮氧化物产生范围的能力。第一加热器部分113和第二加热器部分114在描绘中是单一通道的折叠管道。在其它实施例中，这些加热器部分之一或全部可包括任何各种并联、串联和/或其它适当的热交换器配置。例如，在至少一些实施例中，第一部分113和/或第二部分114可拥有两个或更多的并联部分，各部分可单独将加热过的水传递到太阳能集热器120。这一配置可减少通过加热器110的水的整体压降，并通常会包括合适的阀门和/或其它特征以适当平衡流动。在另一些实施例中，加热器110可包括两个以上的单独可控制部分。在任何这些实施例中，加热器部分的热交换器表面以低成本适当地调整大小以提高效率。加热器110可以是直接燃烧锅炉、余热锅炉(例如从燃料燃烧涡轮中采集余热)、和/或具有辅助燃料燃烧的余热锅炉(例如″风道燃烧器″或″补充燃烧″配置)。本文中公开的技术的各方面取决于实施例可应用于″直流″蒸汽生成器和/或再循环蒸汽生成器。其它针对加热器、太阳能集热器和相关组件的配置在如下公开的pct应用中公开，被分配给本申请的代理人，并通过引用结合于此：wo2010/088632、wo2012/006255、wo2012/006257、wo2012/006258和wo2012/128877。

出于清楚的目的，本文没有展示或具体描述某些特征。这些特征包括但不限于太阳能集热器120的额外隔离阀(以允许太阳能集热器为维护而排空)和/或其它适当的维和和非维护特征。

在特定实施例的语境中所描述的技术的某些方面在其它实施例中可相结合或被排除。例如，特定实施例可少于如上所述所有的模式进行操作，和/或可包括不同的阀配置。废气再循环特征在某些实施例中可被排除。在任何附图(例如，图7a-7e)的语境中所讨论的特征可以适当的方式与其它附图(例如，图2a-2d)中公开的特征相结合。本技术的特定方面在于蒸汽生成系统和用于产生蒸汽的相关方法。其它实施例包括制造、配置、调整和/或改变这种系统的方法、以及指示这些技术的方法。此外，虽然与本技术的某些实施例相关的优点在那些实施例的语境中得到描述，但是其实实施例也可展现这些优点，并且并非所有的实施例需要必然展现这些优点以落入本技术的保护范围。因此，本技术和相关的技术可包括本文未明确描绘或描述的其它实施例。