相变蓄热与热泵热源耦合稠油井加热系统及控制方法

1.本发明涉及稠油井加热技术领域，尤其是一种相变蓄热与热泵热源耦合稠油井加热系统及控制方法。


背景技术：

2.国内稠油油藏普遍存在埋藏深、胶质和沥青质含量高、含油区域分散等特点，很多稠油油藏经过常规方式开采后仍有大量残余油。同时，随着开采深度的不断增加，抽油杆会出现结蜡等问题，严重影响了油田开采效率。
3.油田企业主要通过加热降粘法、热复合化学吞吐法、掺稀粘法和添加降粘剂等方法降低井下稠油粘度。然而，热复合化学吞吐法成本高不能大范围推广，掺稀降粘法会在稠油中会加入新的有机物，影响后续稠油加工、提炼，而添加降粘剂则会对环境造成影响。
4.加热降粘由于其设备简单和降粘效率高等优势被广泛使用，其通过注入高温热水加热稠油使得稠油温度上升，增加稠油中晶体溶解度。同时，温度上升使得稠油中分子活跃性变得更好，这使得稠油大分子结构更容易破碎断裂，从而形成小分子团使得稠油粘度大幅下降。传统加热注入水方法主要包括锅炉加热法和地热法，依靠锅炉持续供热需要消耗大量煤炭资源，提高了生产成本，而地热法供热量低，热转化率低，不能满足开采需求。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的不足，现提供一种相变蓄热与热泵热源耦合稠油井加热系统及控制方法，主要利用峰电和谷电差价夜间进行相变蓄热。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种相变蓄热与热泵热源耦合稠油井加热系统，包括空气源热泵、相变蓄能系统、换热器、备用电加热装置、缓存罐及混水阀；
7.所述空气源热泵的进水口通过进液管和井下热水循环单元的出水口连通，空气源热泵的出水口通过一级出液管和备用电加热装置的进口连通，所述备用电加热装置的出口和缓存罐的进口连通，缓存罐的出口通过二级出液管与井下热水循环单元的进水口连通，所述一级出液管上设有第一循环泵，所述二级出液管上设有第三循环泵；
8.所述相变蓄能系统具有相变蓄能罐、蓄能系统电加热装置及第二循环泵，所述相变蓄能罐的出液口通过管道a和蓄能系统电加热装置的进口连通，蓄能系统电加热装置的出口通过管道b与相变蓄能罐的进液口连通，所述第二循环泵配置在管道a或管道b上；
9.所述换热器的热源进口和热源出口串联在管道a或管道b上，换热器的冷源进口通过旁通管a与一级出液管连通，换热器的冷源出口通过旁通管b与一级出液管连通，一级出液管上设有第一阀门，第一阀门位于旁通管a和旁通管b之间，旁通管a上设置有第二阀门，所述二级出液管与进液管之间连通有回流管，所述混水阀安装在回流管上。
10.本方案中采用空气源热泵与相变蓄能系统结合的方案，利用夜间谷电和峰电差价，夜间进行相变蓄热，白天峰电、平电期间利用夜间蓄热的热量，并通过第一阀门和第二
阀门的启闭优化实现低成本稳定热源，为稠油井下热水循环单元提供稳定、可持续的热源，从而降低井筒中稠油粘度，减少杆管结蜡现象，延长检泵周期，并且降低油田企业生产成本，提高油井机采效率；
11.为了降低用电成本，相变蓄热系统电加热装置仅在夜间谷电时进行启动加热，对相变材料进行蓄热，白天峰电、平电期间利用夜间蓄热的热量，一旦系统在非谷电期间运行过程中出现相变蓄热罐供热不足的情况时，如不配置备用电加热装置，只能再次开启蓄热系统电加热装置对相变蓄能罐进行补热，但是加热的时效性却无法满足，因为开启蓄热系统电加热装置期间，同时在加热相变蓄热罐里的相变材料，不能保证换热器的温度，会导致系统出水温度达不到要求，这便是所谓的不兼容问题；
12.鉴于此，本技术中系统回水(井下热水循环单元出水口流出的液体)的加热流通路径与相变蓄能系统自身内部液体的加热流通路径相互独立，并配以备用电加热装置的设计，故而在相变蓄能系统供热不足时，能够利用备用电加热装置进行快速补热，加热时效性高，以解决系统回水加热时效性与相变蓄能系统供热不足时所出现的不兼容问题，且备用电加热装置能够在空气源热泵或相变蓄能系统损坏时，可以进行应急用热；亦能够便于控制，降低系统控制的复杂度；
13.缓冲罐则能够提高加热系统出水温度的稳定性和连续性，尤其在冬季运行过程中，即使空气源热泵处于除霜工况下，由于缓冲罐的存在能保证出水温度稳定维持在一定范围之内，不会影响系统的正常运行；
14.混水阀配合回流管的设计，能够使一部分加热后的液体与系统回水进行混合，提高进入到空气源热泵的进水温度，以提高空气源热泵的热效率及供热的稳定性。
15.进一步地，还包括控制系统，所述控制系统包括控制器、第一温度传感器、第二温度传感器以及第三温度传感器，所述第一温度传感器用于监控流出井下热水循环单元出水口的液体温度，所述第二温度传感器用于监控流入空气源热泵进水口的液体温度，第三温度传感器用于监控相变蓄能罐出液口的液体温度，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一阀门、第二阀门、混水阀、空气源热泵、蓄能系统电加热装置、第二循环泵及备用电加热装置均与控制器信号连接；实现由控制器控制第一阀门、第二阀门、混水阀、空气源热泵、蓄能系统电加热装置、第二循环泵及备用电加热装置的打开或关闭。
16.进一步地，所述第一阀门、第二阀门及混水阀均为电动阀。
17.进一步地，所述第一循环泵位于空气源热泵与旁通管a之间。
18.进一步地，所述回流管与二级出液管的连接端位于第三循环泵与缓存罐之间。
19.为了防止出现反流，进一步地，所述回流管上安装有用于允许液体从二级出液管流入进液管的单向阀。
20.进一步地，所述备用电加热装置采用管道式电加热器。
21.进一步地，所述换热器采用板式换热器。
22.本发明还提供一种基于上述的相变蓄热与热泵热源耦合稠油井加热系统的控制方法，包括采用相互独立控制策略的第一控制方法和第二控制方法，第一控制方法用于控制相变蓄能系统或/和备用电加热装置是否与空气源热泵联合供热，第二控制方法用于控制蓄能系统电加热装置是否工作；
23.所述第一控制方法包括以下步骤：
24.步骤s1、设定t
in
为井下热水循环单元的出水口出水温度设定值；
25.步骤s2、启动空气源热泵、第一循环泵及第三循环泵，打开混水阀；
26.步骤s3、获取井下热水循环单元的出水口出水的实际温度值t1,将际温度值t1与t
in
进行比较；
27.若t
in-δt
in
≤t1＜t
in
+δt
in
，则打开第二循环泵和第二阀门，关闭第一阀门和备用电加热装置，实现空气源热泵和相变蓄能系统联合供热；
28.若t1≥t
in
+δt
in
，则关闭第二循环泵、第二阀门和备用电加热装置，打开第一阀门，实现空气源热泵独立供热；其中，δt
in
为回水温度控制温差。
29.若t1＜t
in-δt
in
，则打开备用电加热装置；
30.所述第二控制方法包括以下步骤：
31.步骤s1、设t0为相变蓄能罐内液体温度的设定值；
32.步骤s2、获取相变蓄能罐的出液口处液体的实际温度值t7；
33.步骤s3、稠油井加热系统全天运行的时间段分为谷电时段和非谷电时段，若稠油井加热系统在谷电时段运转则进入s4；若稠油井加热系统在非谷电时段运转则进入s5；
34.步骤s4、在谷电时段，若t7＜t
0-δt0，打开蓄能系统电加热装置，启动第二循环泵；若t7≥t
0-δt0，打开蓄能系统电加热装置，启动第二循环泵；其中，δt0为加热温度控制温差；
35.步骤s5、在非谷电时段，关闭蓄能系统电加热装置和第二循环泵。
36.进一步地，还包括用于控制混水阀开度的第三控制方法；
37.步骤s1、设定混水阀的初始开度；
38.步骤s2、获取流入空气源热泵进水口的液体温度t2；
39.如a≤t2≤b时，维持混水阀初始开度不变；
40.如t2＜a，逐渐增加混水阀的开度，直至t2＝b时停止开度增加；
41.如t2＞b时，逐渐减少混水阀的开度，直至t2＝a时停止开度增加；
42.其中，a的取值为63℃
±
1℃，b的取值为67℃
±
1℃。
43.本发明的有益效果是：本发明采用空气源热泵与相变蓄能系统结合的方案，并通过第一阀门和第二阀门的启闭实现独立供热或联合供热，同时采用系统回水的加热流通路径与相变蓄能系统自身内部液体的加热流通路径相互独立，并配以备用电加热装置的设计，实现在相变蓄能系统供热不足时，能够利用备用电加热装置进行快速补热，加热时效性高，以解决系统回水加热时效性与相变蓄能系统供热不足时所出现的不兼容问题，为井下热水循环单元提供稳定、可持续的热源，具有多级备用，确保连续运行的优点，亦能够便于控制，降低控制系统的复杂度。
附图说明
44.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
45.图1是本发明相变蓄热与热泵热源耦合稠油井加热系统的示意图；
46.图中，1、空气源热泵；
47.2、相变蓄能系统，201、相变蓄能罐，202、蓄能系统电加热装置，203、管道a，204、管道b；
48.3、换热器，4、备用电加热装置，5、缓存罐，6、混水阀，7、井下热水循环单元，8、进液管，9、一级出液管，10、二级出液管，11、回流管，12、第一温度传感器，13、第二温度传感器，14、第三温度传感器，15、单向阀,16、旁通管a，17、旁通管b；
49.p1、第一循环泵，p2、第二循环泵，p3、第三循环泵；
50.v1、第一阀门，v2、第二阀门。
具体实施方式
51.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
52.实施例1
53.如图1所示，一种相变蓄热与热泵热源耦合稠油井加热系统，包括空气源热泵1、相变蓄能系统2、换热器3、备用电加热装置4、缓存罐5及混水阀6，换热器3采用板式换热器，备用电加热装置4采用管道式电加热器，空气源热泵1采用复叠式空气源热泵，额定出水温度：75℃，最高出水温度：85℃；
54.空气源热泵1的进水口通过进液管8和井下热水循环单元7的出水口连通，井下热水循环单元7包含空心抽油杆和y型过滤器，例如空心抽油杆的出水口通过y型过滤器与进液管8连通，进液管8再与空气源热泵1的进水口连通，空气源热泵1的出水口通过一级出液管9和备用电加热装置4的进口连通，备用电加热装置4的出口和缓存罐5的进口连通，缓存罐5的出口通过二级出液管10与井下热水循环单元7的进水口连通，缓存罐5用以存储一定量的加热后的液体，以提高供热的连续性；一级出液管9上设有第一循环泵p1，二级出液管10上设有第三循环泵p3；
55.相变蓄能系统2具有相变蓄能罐201、蓄能系统电加热装置202及第二循环泵p2，相变蓄能罐201采用高温相变蓄能罐201，相变温度115℃，供热温度85-95℃，相变蓄能罐201的出液口通过管道a203和蓄能系统电加热装置202的进口连通，蓄能系统电加热装置202的出口通过管道b204与相变蓄能罐201的进液口连通，第二循环泵p2配置在管道a203或管道b204上；
56.换热器3的热源进口和热源出口串联在管道a203或管道b204上，换热器3的冷源进口通过旁通管a16与一级出液管9连通，且第一循环泵p1位于空气源热泵1与旁通管a16之间，换热器3的冷源出口通过旁通管b17与一级出液管9连通，一级出液管9上设有第一阀门v1，第一阀门v1位于旁通管a16和旁通管b17之间，旁通管a16上设置有第二阀门v2，其中，第一阀门v1和第二阀门v2均为电动阀门；二级出液管10与进液管8之间连通有回流管11，回流管11与二级出液管10的连接端位于第三循环泵p3与缓存罐5之间，混水阀6安装在回流管11上，使一部分加热后的液体与系统回水进行混合，以提高空气源热泵1的工作效率及供热的稳定性；为了防止反向流动，回流管11上安装有用于允许液体从二级出液管10流入进液管8的单向阀15。
57.还包括控制系统，控制系统包括控制器、第一温度传感器12、第二温度传感器13以
及第三温度传感器14，第一温度传感器12用于监控流出井下热水循环单元7出水口的液体温度，第二温度传感器13用于监控流入空气源热泵1进水口的液体温度，第三温度传感器14用于监控相变蓄能罐201出液口的液体温度，第一温度传感器12、第二温度传感器13、及第三温度传感器14、第一阀门v1、第二阀门v2、混水阀6、空气源热泵1、蓄能系统电加热装置202、第二循环泵p2及备用电加热装置4均与控制器信号连接；实现由控制器控制第一阀门v1、第二阀门v2、混水阀6、空气源热泵1、蓄能系统电加热装置202、第二循环泵p2及备用电加热装置4的打开或关闭。
58.在系统运行过程中混水阀6保持开启，空气源热泵1、第一循环泵p1及第三循环泵p3可为常开模式：
59.在系统回水温度较低时，第一阀门v1关闭、第二阀门v2开启时，空气源热泵1和相变蓄能系统2联合工作，二级出液管10中一部分加热后的液体经回流管11和混水阀6后到进液管8，并与井下热水循环单元7出水口流出的回水汇聚，而后到达空气源热泵1，实现一级加热，一级加热后从一级出液管8经旁通管a16、第二阀门v2、换热器3及旁通管b17，实现二级加热，二级加热后到达备用电加热装置4，随后进入缓存罐5，最后从二级出液管10泵入井下热水循环单元7的进水口；
60.例如，由空气源热泵1将55℃的系统回水加热至80℃，经换热器3后实现与相变蓄能系统2的换热，进一步升温至90℃，随后进入到缓存罐5，最后从二级出液管10泵入井下热水循环单元7，形成加热循环；
61.在系统回水温度较高时，第一阀门v1开启、第二阀门v2关闭时，空气源热泵1独立工作，二级出液管10中一部分加热后的液体经回流管11和混水阀6后到进液管8，并与井下热水循环单元7出水口流出的回水汇聚，而后到达空气源热泵1，实现一级加热，一级加热后从一级出液管8经第一阀门v1到达备用电加热装置4，随后进入缓存罐5，最后从二级出液管10泵入井下热水循环单元7的进水口；
62.在空气源热泵1损坏、相变蓄能系统2供热不足或相变蓄能系统2损坏时，备用电加热装置4开始工作。
63.实际上，在夏天时空气源热泵1制热效率高，相变蓄能系统2用到的几率较低。
64.实施例2
65.本发明还提供一种基于上述的相变蓄热与热泵热源耦合稠油井加热系统的控制方法，包括采用相互独立控制策略的第一控制方法和第二控制方法，第一控制方法用于控制相变蓄能系统2或/和备用电加热装置4是否与空气源热泵1联合供热，第二控制方法用于控制蓄能系统电加热装置202是否工作；
66.所述第一控制方法包括以下步骤：
67.步骤s1、在控制器中设定t
in
为井下热水循环单元7的出水口出水温度设定值，例如，t
in
为出厂设定55℃，可调；
68.步骤s2、启动空气源热泵1、第一循环泵p1及第三循环泵p3，打开混水阀6；
69.步骤s3、由第一温度传感器12获取井下热水循环单元7的出水口出水的实际温度值t1,并将其发送给控制器，控制器将际温度值t1与t
in
进行比较；
70.若t
in-δt
in
≤t1＜t
in
+δt
in
，则控制器打开第二循环泵p2和第二阀门v2，关闭第一阀门v1和备用电加热装置4，实现空气源热泵1和相变蓄能系统2联合供热；
71.若t1≥t
in
+δt
in
，则控制器关闭第二循环泵p2、第二阀门v2和备用电加热装置4，打开第一阀门v1，实现空气源热泵1独立供热；其中，δt
in
为回水温度控制温差，出厂设定3℃，可调。
72.若t1＜t
in-δt
in
，说明相变蓄能系统2蓄热量不够，则打开备用电加热装置4；
73.所述第二控制方法包括以下步骤：
74.步骤s1、在控制器中设t0为相变蓄能罐201内液体温度的设定值；
75.步骤s2、第三温度传感器14获取相变蓄能罐201的出液口处液体的实际温度值t3；
76.步骤s3、稠油井加热系统全天运行的时间段分为谷电时段和非谷电时段，若稠油井加热系统在谷电时段运转则进入s4；若稠油井加热系统在非谷电时段运转则进入s5；
77.步骤s4、在谷电时段，若t3＜t
0-δt0，打开蓄能系统电加热装置202，启动第二循环泵p2；若t3≥t
0-δt0，打开蓄能系统电加热装置202，启动第二循环泵p2；其中，δt0为加热温度控制温差；
78.步骤s5、在非谷电时段，关闭蓄能系统电加热装置202和第二循环泵p2；
79.从而实现依据系统回水温度的变化，而自动选用联合供热或独立供热。
80.为了提高空气源热泵1的加热效率，还包括用于控制混水阀6开度的第三控制方法；
81.步骤s1、在控制器中设定混水阀6的初始开度；
82.步骤s2、由第二温度传感器13获取流入空气源热泵1进水口的液体温度t2；
83.如a≤t2≤b时，控制器维持混水阀6初始开度不变；
84.如t2＜a，控制器逐渐增加混水阀6的开度，直至t2＝b时停止开度增加；
85.如t2＞b时，控制器逐渐减少混水阀6的开度，直至t2＝a时停止开度增加；
86.其中，a的取值为63℃
±
1℃，b的取值为67℃
±
1℃。
87.从而实现混水阀6的开度能够随t2的变化而发生变化，以此对空气源热泵1的加热效率进行优化。
88.上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。