一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的制作方法

1.本发明涉及太阳能蒸汽生产工艺，具体涉及一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统。


背景技术：

2.随着经济社会的不断发展，人类对于能源的需求量快速增长，根据英国石油公司发布的世界能源统计年鉴，2019年全球一次能源消耗量达到583.9
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1018j，其中石油消费量占比最高，达到33.1％。然而，当前石油资源供应紧张，已经影响到经济社会的快速发展。稠油作为一种重要的石油资源，在世界石油总储量中占有较大的比例，实现稠油的绿色高效开采对对石油工业的健康快速发展意义重大。
3.稠油因其密度和粘度高的特性给其开采、集输和加工带来很大困难。热力采油技术利用热能提高油层温度，降低稠油粘度，进而提高稠油流动性，被认为是先进的提高采收率的技术之一，已在全球石油工业中得到广泛应用。稠油热采的主要方法有蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、热水驱等。蒸汽吞吐一般需要向油层连续注入几天到几十天不等的蒸汽，而后关井2-3天，让热量在油层中扩散，使蒸汽凝结，然后开井生产。由于蒸汽吞吐相对简单，具有施工简单、实用性强等优点，已经成为主要的稠油开采技术。但由于加热半径有限，蒸汽吞吐的采收率有限，一般在15-20％。蒸汽驱是指连续不断地向油层中注入蒸汽，利用高温蒸汽来加热油层，从而提高稠油流动性，将稠油驱赶到生产井周围采出的方法。蒸汽驱开采是稠油油藏经过蒸汽吞吐开采以后为进一步提高原油采收率的必然阶段，由于其连续不断地向地层提供热量，消耗蒸汽量远大于蒸汽吞吐阶段，但可以使采收率增加20％-30％。蒸汽吞吐和蒸汽驱是目前应用最广泛的两种稠油热采方案。
4.稠油开发过程中生产的油量与注入的蒸汽量之比叫做油气比，整个稠油开采过程中油气比的平均值一般在0.3到0.5之间，蒸汽需求量很大，蒸汽生产的费用占原油生产成本的比例一般可以达到45％～60％。传统的蒸汽发生器通过燃烧石油、天然气等化石燃料来产生热能，利用锅炉加热给水使其成为符合要求的蒸汽。因此，油田兼具产能大户和耗能大户双重身份，油田加热炉的能耗约占油田总能耗的70％。利用传统的蒸汽产生方式开采稠油浪费了宝贵的不可再生资源，并排放污染物。因此，急需寻找一种清洁高效的可再生能源，来辅助乃至替代传统注汽锅炉进行用于生产稠油热采的蒸汽。
5.太阳能是取之不竭的可再生能源，具有清洁可再生、分布广泛的特点，其大规模的应用可以减少对化石燃料的依赖，同时有效降低污染物排放。我国的太阳能资源非常丰富，2/3以上地区的年日照时数大于2000h，各地太阳能年辐射量约在930-2330kw
·
h/m2之间，平均太阳辐射量的分布表现为西高东低。青藏高原，甘肃北部，宁夏北部等地区太阳能资源极为丰富，全年日照时数达到3000小时以上。我国的稠油资源储藏大部分位于太阳能资源可利用区域，同时，油田大多位于地广人稀的平坦之处，为太阳能应用于稠油开采提供了良好的先天条件。
6.由于太阳能的能量密度较低，需对太阳能进行聚光利用，以获取较高温度的热能，
该过程需要借助聚光型太阳能集热器。太阳能聚光系统主要包括可移动的反射镜和太阳能追踪装置，根据聚光类型可分为抛物槽式、线性菲涅尔式、塔式和碟式，前两种采用线聚光方式，而后两者采用点聚光方式，其中槽式太阳能集热装置的应用范围最为广泛。太阳能在热发电领域的成功应用表明生产满足热采参数的蒸汽具有充分的可行性。利用太阳能生产水蒸汽用于稠油热采可以减少化石燃料的消耗，降低稠油开采过程的能耗和污染物排放，对于节能减排意义重大，并为石油工业的绿色健康发展寻找新的突破点。
7.因此，应用太阳能生产稠油热采水蒸汽具有良好的发展前景，但由于太阳能固有的不连续和不稳定的特性，如何长期稳定地将太阳能用于稠油热采过程成为目前面临的重大难题。


技术实现要素：

8.发明目的：本发明主要针对现有技术的不足而提供一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统，该系统通过储热和补燃以克服太阳能波动引起的系统运行不稳定等问题，实现热采蒸汽的连续生产和稠油资源的绿色经济开发。
9.技术方案：一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统，包括太阳能集热子系统、蒸汽生产子系统、蓄热补燃子系统和运行控制子系统，蒸汽生产子系统接收太阳能集热子系统收集的太阳热能，在运行控制子系统的调控下，随太阳直射辐射的变化，蓄热补燃子系统将适时启动。
10.太阳能集热子系统：包括非聚光型太阳能集热器、线聚光太阳能集热镜场和导热工质循环泵，其中，非聚光型太阳能集热器利用吸收的太阳能加热经过软化处理的给水流，进而由线聚光集热镜场生产提供高温导热工质，给水流经过高温换热后生产合格的水蒸汽。
11.蒸汽生产子系统：包括给水软化装置、给水泵、蒸汽发生器和蒸汽过热器，软化水经过非聚光型太阳能集热器预热，给水泵根据注采蒸汽参数需求提高给水压力，然后通过蒸汽发生器和蒸汽过热器，将充分吸收利用线聚光太阳能集热镜场提供的高温导热工质的热量，将给水加热成为满足热采参数要求的高温水蒸汽。
12.蓄热补燃子系统：包括蓄/放热换热器、高温储热罐、低温储热罐和补燃锅炉，根据蒸汽发生器和蒸汽过热器的热负荷和太阳能实时资源情况，部分经线聚光太阳能集热镜场加热的高温导热工质通过与高温储热罐和低温储热罐中的工质进行换热实现热量存储，同时也将根据实时需求予以释放利用，补燃锅炉在太阳能辐照强度不足或没有太阳辐照时启动，以保证蒸汽稳定可靠生产。
13.运行控制子系统：包含运行参数传感检测、计算控制单元和系统运行调节执行动作装置，并且可对阀门a、阀门b、阀门c、阀门d、阀门e、阀门f、阀门g、阀门h、阀门i、阀门k、导热工质循环泵、给水泵和原油集输泵进行控制，根据注汽装置注汽参数需求和太阳能变化调整系统运行方式。
14.作为本发明中一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的一种优选方案：所述太阳能集热子系统中，根据太阳能辐照强度调整阀门i和h，有太阳能辐照时，给水流经过非聚光型太阳能集热器预热后进入给水泵，利用集热温度较低的非聚光型太阳能集热器预热给水流，然后经聚光比较高的线聚光太阳能集热镜场出口导热工质加热生产蒸汽，使太阳热
能得到梯级利用，减少不可逆损失。
15.作为本发明中一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的一种优选方案：所述太阳能集热子系统中，根据太阳能辐照强度情况，调整导热工质循环泵的运行参数，以控制真空集热管内导热工质流速和出口压力，降低集热损失，保证集热效果。
16.作为本发明中一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的一种优选方案：所述导热工质可选用导热油、低熔点熔融盐或者采用直膨式直接利用水/蒸气。
17.作为本发明中一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的一种优选方案：所述蒸汽生产子系统中，在蒸汽生产过程中，运行控制子系统将根据太阳辐照情况和蓄热情况优化控制导热工质的传热过程，通过给水泵控制给水参数，以保证蒸汽生产效果。
18.作为本发明中一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的一种优选方案：所述蓄热补燃子系统中配置储热装置：
19.储热时：线聚光太阳能集热镜场出口的导热工质进入蓄/放热换热器并且将热量传递给低温储热罐的蓄热工质，被加热的蓄热工质进入高温储热罐中储存热能。
20.放热时：蓄热流程逆向运行，来自高温储热罐的蓄热工质在蓄/放热换热器中加热导热工质，导热工质在回路中循环以生产水蒸汽。
21.作为本发明中一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的一种优选方案：所述蓄热工质可选用导热油或熔融盐，根据导热工质和蓄热工质的差异性，适度调整系统流程管路循环。
22.作为本发明中一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的一种优选方案：所述蓄热补燃子系统中，当太阳能辐照充足时，给水流得到充分预热，补燃锅炉处于热备份状态，通过控制阀门f和阀门e，利用线聚光太阳能集热镜场出口的高温导热工质供给蒸汽发生器和蒸汽过热器热能，生产高温蒸汽。
23.作为本发明中一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的一种优选方案：所述蓄热补燃子系统占用配置了补燃锅炉，作为系统运行保障性装置，可供燃用的燃料包括天然气、柴油和煤炭，亦可根据属地实际需求调整为电力驱动锅炉。
24.一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统，控制真空集热管内导热工质流速和出口压力的方式如下：
25.a、当太阳能辐照强度和储热装置蓄热量充足时，补燃锅炉处于热备份状态，通过控制阀门f和阀门e，主要利用线聚光太阳能集热镜场出口的高温导热工质提供热能，通过蒸汽发生器和蒸汽过热器直接生产高温蒸汽，补燃锅炉运行状态及蒸汽生产流程将根据实时太阳能资源情况动态调整。
26.b、当太阳能辐照强度较低时，太阳能集热量难以满足蒸汽生产热负荷，导热工质在蒸汽发生器内加热给水流后，控制阀门c和阀门d，将给水送入补燃锅炉继续加热，生产满足参数要求的水蒸汽。
27.c、无太阳辐射时，给水流通过阀门k避开非聚光型太阳能集热器，在蓄/放热换热器内，利用蓄热工质加热导热工质，给水与导热工质在蒸汽发生器内换热，将给水温度升高到一定程度，然后通过阀门c和d进入补燃锅炉，吸收高温烟气的热量，生产水蒸汽。
28.有益效果：本发明公开的一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统及生产工艺具有以下有益效果：
29.1.利用清洁可再生的太阳能代替传统化石燃料生产用于热采的水蒸汽，符合能源转型的发展趋势，同时达到节约化石能源，减少污染物排放等目的。
30.2.通过非聚光/聚光型太阳能、锅炉和蓄热的优化互补配合，克服了太阳能不连续不稳定的缺点，能够实现太阳能产蒸汽系统的连续稳定运行。
31.3.通过非聚光型太阳能集热器加热低温给水，单轴跟踪太阳能进一步加热生产蒸汽的方法，充分利用不同热源的品位属性，实现能量的“温度对口，梯级利用”，降低不可逆性损失，提升系统的整体能源利用效率。
附图说明
32.图1为本发明公开的一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统的结构示意图；
33.其中：
34.1—给水软化装置2—非聚光型太阳能集热器
35.3—给水泵4—蒸汽发生器
36.5—蒸汽过热器6—高温储热罐
37.7—低温储热罐8—蓄/放热换热器
38.9—导热工质循环泵10—线聚光太阳能集热镜场
39.11—补燃锅炉12—注汽装置
40.13—原油处理单元14—原油加热换热器
41.15—原油集输泵。
具体实施方式
42.下面对本发明的具体实施方式详细说明。
43.具体实施例：
44.如图1所示，一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统，包括太阳能集热子系统、蒸汽生产子系统、蓄热补燃子系统和运行控制子系统，蒸汽生产子系统接收太阳能集热子系统收集的太阳热能，在运行控制子系统的调控下，随太阳直射辐射的变化，蓄热补燃子系统将适时启动。
45.太阳能集热子系统：包括非聚光型太阳能集热器2、线聚光太阳能集热镜场10和导热工质循环泵9，其中，非聚光型太阳能集热器2直接吸收太阳辐射，加热给水流，经非聚光型太阳能集热器2预热的给水流再与线聚光集热镜场生产的高温导热工质换热生产水蒸汽。
46.蒸汽生产子系统：包括给水软化装置1、给水泵3、蒸汽发生器4和蒸汽过热器5，给水流经过给水软化装置1软化处理后进入非聚光型太阳能集热器2预热，而后直接进入给水泵3，给水泵3则将根据注采蒸汽参数需求升高给水压力，然后依次通过蒸汽发生器4和蒸汽过热器5，将充分吸收利用线聚光太阳能集热镜场10提供的高温导热工质的热量，最终将给水流加热成为符合参数要求的高温水蒸汽，在蒸汽生产过程中，运行控制系统将根据太阳辐照情况和蓄热情况优化控制导热工质的传热过程，并通过给水泵3控制给水参数，以保证蒸汽生产效果。
47.蓄热补燃子系统：包括蓄/放热换热器8、高温储热罐6、低温储热罐7和补燃锅炉
11，太阳辐照充足时，导热工质经线聚光太阳能集热镜场10加热后，首先满足水蒸汽生产的热能需求，通过控制阀门a和b，直接进入蒸汽发生器4和蒸汽过热器5进行换热，多余热量通过高温储热罐6，通过控制阀门a和b部分导热工质进入蓄/放热换热器8，来自低温储热罐7的储热工质在其中吸收热量后进入高温储热罐6实现热能的储存，补燃锅炉11在太阳能辐照强度不足或者没有太阳辐照时启动，以保证蒸汽稳定可靠生产。
48.运行控制子系统：包含运行参数传感检测、计算控制单元和系统运行调节执行动作装置，并且可对阀门a、阀门b、阀门c、阀门d、阀门e、阀门f、阀门g、阀门h、阀门i、阀门k、导热工质循环泵9、给水泵3和原油集输泵15进行控制，根据注汽装置12注汽参数需求和太阳能变化调整系统运行方式。
49.进一步地，太阳能集热子系统中，根据太阳能辐照强度调整阀门i和h，有太阳能辐照时，给水流经过非聚光型太阳能集热器2预热后进入给水泵3，利用集热温度较低的非聚光型太阳能集热器2预热给水流，然后经聚光比较高的线聚光太阳能集热镜场10出口导热工质加热生产蒸汽，使太阳热能得到梯级利用，减少不可逆损失。
50.进一步地，太阳能集热子系统中，根据太阳能辐照强度情况，调整导热工质循环泵9的运行参数，以控制真空集热管内导热工质流速和出口压力，降低集热损失，保证集热效果。
51.进一步地，导热工质可选用导热油、低熔点熔融盐或者采用直膨式直接利用水/蒸气。
52.进一步地，蒸汽生产子系统中，在蒸汽生产过程中，运行控制子系统将根据太阳辐照情况和蓄热情况优化控制导热工质的传热过程，通过给水泵3控制给水参数，以保证蒸汽生产效果。
53.进一步地，蓄热补燃子系统中配置储热装置：
54.储热时：线聚光太阳能集热镜场10出口的导热工质进入蓄/放热换热器8并且将热量传递给低温储热罐7的蓄热工质，被加热的蓄热工质进入高温储热罐6中储存热能。
55.放热时：蓄热流程逆向运行，来自高温储热罐6的蓄热工质在蓄/放热换热器8中加热导热工质，导热工质在回路中循环以生产水蒸汽。
56.进一步地，蓄热工质可选用导热油或熔融盐，根据导热工质和蓄热工质的差异性，适度调整系统流程管路循环。
57.进一步地，蓄热补燃子系统中，当太阳能辐照充足时，给水流得到充分预热，补燃锅炉11处于热备份状态，通过控制阀门f和阀门e，利用线聚光太阳能集热镜场10出口的高温导热工质供给蒸汽发生器4和蒸汽过热器5热能，生产高温蒸汽。
58.进一步地，蓄热补燃子系统占用配置了补燃锅炉11，作为系统运行保障性装置，可供燃用的燃料包括天然气、柴油和煤炭，亦可根据属地实际需求调整为电力驱动锅炉。
59.一种辅助稠油热采的太阳能蒸汽生产系统，其特征在于，控制真空集热管内导热工质流速和出口压力的方式如下：
60.a、当太阳能辐照充足时，给水流得到充分预热，补燃锅炉11处于热备份状态，通过控制阀门f和阀门e，预热后的给水经过蒸汽发生器4和蒸汽过热器5直接生产高温蒸汽，充分利用线聚光太阳能集热镜场10产生的高温热能，根据线聚光太阳能集热镜场10出口导热工质温度和流量，结合热采蒸汽参数和非聚光型太阳能集热器2出口给水温度，得到导热工
质加热给水流的所需流量，并通过给水泵3实现对给水流流量的控制。
61.b、当太阳能辐照强度较低时，太阳能集热量难以满足蒸汽生产，导热工质在蒸汽发生器4内加热给水流后，在补燃锅炉11继续加热，根据线聚光太阳能集热镜场10出口导热工质温度和流量，结合热采蒸汽参数和非聚光型太阳能集热器2出口给水温度，得到导热工质加热给水流的流量，给水流在蒸汽发生器4内被导热工质加热，然后经过阀门c和阀门d进入补燃锅炉11，补燃锅炉11根据热采蒸汽参数和蒸汽发生器4出口给水流参数，控制补燃锅炉11燃料和空气供给，生产满足热采参数要求的高温蒸汽。
62.c、无太阳辐射时，线聚光太阳能集热镜场10停止工作，给水流的流量根据蓄热量和热采蒸汽需求确定，给水流不经预热，通过阀门k避开非聚光型太阳能集热器2，在蓄/放热换热器8内，利用蓄热工质加热导热工质，给水与导热工质在蒸汽发生器4内换热，将给水温度升高到一定程度，然后通过阀门c和d进入补燃锅炉11，吸收高温烟气的热量，避免了补燃锅炉11直接加热低温给水流时存在较大换热温差，造成补燃锅炉11加热能力的损失。
63.根据油井参数和地质条件得到最佳注蒸汽参数，通过控制给水泵3的流量和压力，控制所生产蒸汽参数，并结合运行控制子系统调控阀门组件，协调太阳能和补燃锅炉11的热能优化匹配，生产符合注汽参数要求的蒸汽。
64.经过非聚光型太阳能集热器2加热的给水流可用于加热原油，保证原油的正常集输，还可以用于采油矿场的生活用热水。
65.综上所得：
66.利用清洁可再生的太阳能代替传统化石燃料生产用于热采的水蒸汽，符合能源转型的发展趋势，同时达到节约化石能源，减少污染物排放等目的。
67.通过非聚光/聚光型太阳能、锅炉和蓄热的优化互补配合，克服了太阳能不连续不稳定的缺点，能够实现太阳能产蒸汽系统的连续稳定运行。
68.通过非聚光型太阳能集热器2加热低温给水，单轴跟踪太阳能进一步加热生产蒸汽的方法，充分利用不同热源的品位属性，实现能量的“温度对口，梯级利用”，降低不可逆性损失，提升系统的整体能源利用效率。
69.上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。