CN113669040B - 用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法，该方法利用太阳能辅助稠油热采系统进行能量梯级利用，太阳能辅助稠油热采系统包括太阳能集热子系统、补燃子系统、蒸汽生产子系统及控制子系统，其中，太阳能集热子系统包括不同类型的太阳能集热器；该能量梯级利用方法包括：采用不同类型的太阳能集热器收集不同能量品质的太阳能集热能；通过补燃子系统的燃料燃烧产生燃烧热能；通过控制子系统控制太阳能集热子系统及补燃子系统提供与所述蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能，以生产所述稠油热采蒸汽，其中，通过控制子系统根据所述稠油热采蒸汽的热力参数及所述太阳能集热能的总量控制需要提供的燃烧热能的总量。

Description

用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法

技术领域

本公开涉及稠油热采技术领域，尤其涉及一种用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法。

背景技术

稠油作为一种重要石油资源，其储量占到了全球石油储量的约70％。但稠油的物理性质十分特殊，主要表现为非常粘稠，流动性很差，稠油因其粘度高、流动性能差，一般在油层条件下不能流动，常规开采方法很难有效的开发。

热力采油是目前稠油热采最为主要的方法。热力采油是运用热工学的理论和方法进行石油开采的采油上工艺方法，通过对油藏加热来降低地下原油的粘度、溶解与溶化油层的堵塞、改善地层的渗流特性，从而提高原油在地层的渗流能力来达到提高原油产量、采收率和开采效益的目的。目前，稠油热采的主要方法包括蒸汽吞吐、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。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。

然而，常规注蒸汽稠油热采需要消耗大量水蒸汽，一般的油汽比在0.15-0.25，而蒸汽生产需要消耗大量的化石燃料。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，利用锅炉加热给水成为符合要求的蒸汽。传统的蒸汽生产方式开采稠油浪费了宝贵的不可再生的能源资源，并排放各类污染物。因此，急需寻找一种清洁高效的可再生能源，来辅助乃至替代注汽锅炉生产蒸汽进行稠油热采。

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。

但太阳能蒸汽发生器的特点在于受环境影响较大，同时季节周期和昼夜交替也会导致装置产生热量不稳定，使蒸汽无法恒速注入，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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，提出一种用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法，用于优化用于稠油热采蒸汽生产的多种能源互补利用，并保障系统运行可靠性。

(二)技术方案

本公开提供了一种用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法，方法利用太阳能辅助稠油热采系统实现能量梯级利用，包括太阳能集热子系统、补燃子系统、蒸汽生产子系统及控制子系统，其中，太阳能集热子系统包括不同类型的太阳能集热器。该能量梯级利用方法包括：采用不同类型的太阳能集热器收集不同能量品质的太阳能集热能；通过补燃子系统燃料燃烧产生燃烧热能；通过控制子系统控制太阳能集热子系统及补燃子系统提供与蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能，以生产稠油热采蒸汽，其中，通过控制子系统根据稠油热采蒸汽的热力参数及太阳能集热能的总量控制需要提供的燃烧热能的总量。

根据本公开的实施例，其中，不同类型的太阳能集热器包括非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器或聚光比大于一定值的太阳能集热器；采用不同类型的太阳能集热器收集不同能量品质的太阳能集热能包括：采用非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器收集第一能量品质的太阳能集热能；采用聚光比大于一定值的太阳能集热器收集第二能量品质的太阳能集热能；其中，第一能量品质低于第二能量品质。

根据本公开的实施例，其中，控制子系统包括第一控制模块、第二控制模块及第三控制模块；通过控制子系统控制太阳能集热子系统及补燃子系统提供与蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能包括：采用第一控制模块调节蒸汽生产子系统的给水流量、压力参数及蒸汽流量，以控制蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段匹配不同能量品质的热能；控制子系统根据稠油热采所需蒸汽的热力参数及太阳能集热能的总量控制需要提供的燃烧热能的总量包括：采用第二控制模块控制太阳能集热子系统的视日轨迹跟踪角度，以提高收集不同能量品质的太阳能集热能时的光学效率，并根据太阳能的辐照参数计算收集的太阳能集热能的总量；采用第三控制模块根据注汽井内压力参数及温度参数计算稠油热采所需蒸汽的热力参数，根据热力参数计算稠油热采蒸汽生产所需的热能；以及根据太阳能集热能与稠油热采蒸汽生产所需的热能的品质和总量关系控制需要提供的燃烧热能的总量；

根据本公开的实施例，其中，蒸汽生产子系统包括给水软化装置、第一给水泵、第二给水泵、蒸汽发生器和蒸汽过热器；采用第一控制模块调节蒸汽生产子系统的给水流量、压力参数及蒸汽流量，以控制蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段匹配不同能量品质的热能包括：在太阳能集热能能够满足稠油热采蒸汽生产所需的热能的情况下，利用太阳能集热能提供不同蒸汽生产阶段所需的热能；其中，通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收第一能量品质的太阳能集热能进行预热；通过第二给水泵将预热后的软化水加压后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热进行蒸汽生产及蒸汽过热；在太阳能集热能无法满足稠油热采蒸汽生产所需的热能但太阳能集热能不为零的情况下，利用太阳能集热能及燃烧热能提供不同蒸汽生产阶段所需的热能，其中，通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收第一能量品质的太阳能集热能进行预热；通过第二给水泵将预热后的软化水加压后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热进行蒸汽发生或蒸汽过热；再将蒸汽过热器输出的蒸汽输入补燃子系统以吸收燃烧热能进行高温加热或过热；在太阳能集热能为零的情况下，通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入第二给水泵进行升压后送入补燃子系统以吸收燃烧热能进行蒸汽生产。

根据本公开的实施例，其中，控制子系统根据稠油热采蒸汽的热力参数及太阳能集热能的总量控制需要提供的燃烧热能的总量还包括：通过控制子系统控制传感器实时测量稠油热采蒸汽的热力参数，并根据测量的稠油热采蒸汽的热力参数调整稠油热采蒸汽所需热能的供应。

根据本公开的实施例，其中，太阳能辅助稠油热采系统还包括余热子系统；方法还包括：采用余热子系统收集燃料燃烧释放的烟气余热；通过控制子系统控制太阳能集热子系统、补燃子系统及余热子系统提供与蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能。

根据本公开的实施例，其中，蒸汽生产子系统包括给水软化装置、第一给水泵、第二给水泵、蒸汽发生器和蒸汽过热器；通过控制子系统控制太阳能集热子系统、补燃子系统及余热子系统提供与蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能包括：通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收第一能量品质的太阳能集热能进行预热；通过第二给水泵给预热后的软化水加压，并将一部分加压后的软化水送入余热子系统，以吸收烟气余热，将吸收烟气余热后的软化水与另一部分加压后的软化水汇合后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热进行蒸汽发生及蒸汽过热；再将蒸汽过热器输出的蒸汽输入补燃子系统以吸收燃烧热能进行高温加热。

根据本公开的实施例，其中，太阳能辅助稠油热采系统还包括储热子系统；方法还包括：在太阳能集热能多于稠油热采蒸汽生产所需的热能的情况下，采用储热子系统储存多余的太阳能集热能；并在太阳能集热能不足时予以补充。

根据本公开的实施例，其中，采用平板式的太阳能集热器收集第一能量品质的太阳能集热能；采用线性菲涅尔式或槽式或塔式或碟式的太阳能集热器收集第二能量品质的太阳能集热能。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)使用太阳能此类清洁可再生资源作为热能来源，有效减少化石燃料带来的环境污染问题，符合能源清洁化发展的趋势。

(2)通过不同类型太阳能集热器综合优化利用的方式，即能保证稠油热采所需的高品质热能需要，又可以降低太阳能集热设备的建设成本，提高系统整体经济性。

(3)通过能量梯级利用的原理，将系统中不同能量品质的热源与蒸汽生产过程中所需的不同品质的热能相互匹配，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

效率。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了本公开实施例提供的太阳能辅助稠油热采系统的结构框图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法的流程图；

图3示意性示出了本公开实施例提供的能量梯级利用方式的框图；

图4示意性本公开一实施例提供的太阳能辅助稠油热采系统的结构图。

【附图标记】

1-平板太阳能集热器，2-槽式聚光太阳能集热器，3-给水软化装置，4-第一给水泵，5-第二给水泵，6-蒸汽发生器，7-蒸汽过热器，9-补燃锅炉，10-低温储热罐，11-高温储热罐，12-控制中心，13-采油机，14-注汽井，15-导热工质循环泵，16注汽装置。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

本公开实施例的主要目的在于提供一种将太阳能等可再生能源利用技术综合应用于稠油热采领域热能利用尤其是用于蒸汽生产的方法，配置蒸汽生产过程梯级利用不同品质的热能，包括各种聚光集热形式的太阳辐射热能、燃料燃烧的高温热能和烟气余热，并通过储热和化石燃料互补，由控制子系统对热能供应实时动态调整的方式克服太阳能波动引起的系统运行不稳定等问题，实现稠油热采蒸汽生产的稳定连续进行。

图1示意性示出了本公开实施例提供的太阳能辅助稠油热采系统的结构图，图2示意性示出了本公开实施例提供的用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法的流程图。

本公开实施例提供的能量梯级利用方法基于太阳能辅助稠油热采系统实现。

如图1所示，该太阳能辅助稠油热采系统例如可以包括：太阳能集热子系统、补燃子系统、蒸汽生产子系统及控制子系统，通过控制子系统控制太阳能集热子系统及补燃子系统采用能量梯级互补利用的方式提供蒸汽生产子系统蒸汽生产的不同阶段所需的能量。

如图2所示，该能量梯级利用方法例如可以操作S201～S203。

在操作S201，采用不同类型的太阳能集热器收集不同能量品质的太阳能集热能。

在本公开实施例一可行的方式中，可以采用不同类型的太阳能集热器组合构成太阳能集热子系统，不同类型的太阳能集热器可以包括非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器或聚光比大于一定值的太阳能集热器，采用不同类型的太阳能集热器收集不同能量品质的太阳能集热能可以包括：采用非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器收集第一能量品质的太阳能集热能，采用聚光比大于一定值的太阳能集热器收集第二能量品质的太阳能集热能，其中，第一能量品质低于第二能量品质。优选地，采用平板式的太阳能集热器收集第一能量品质的太阳能集热能，采用线性菲涅尔式或槽式或塔式或碟式的太阳能集热器收集第二能量品质的太阳能集热能。

在操作S202，通过补燃子系统燃料燃烧产生燃烧热能。

在本公开实施例一可行的方式中，可以通过将化石燃料输入补燃子系统进行燃烧，以产生燃烧热能。

在操作S203，通过控制子系统控制太阳能集热子系统及补燃子系统提供与蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能，以生产稠油热采蒸汽，其中，通过控制子系统根据稠油热采蒸汽的热力参数及太阳能集热能的总量控制需要提供的燃烧热能的总量。

在本公开实施例一可行的方式中，控制子系统可以划分为三个部分，包括第一控制模块、第二控制模块及第三控制模块。控制子系统控制太阳能集热子系统及补燃子系统实现能量梯级互补利用的过程可以为：

采用第一控制模块调节蒸汽生产子系统的给水流量、压力参数及蒸汽流量，以控制蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段匹配不同能量品质的热能，从而实现太阳能及燃烧能的梯级利用。如图3所示，不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能例如可以包括：按照最小化

损失原则，将非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器收集的第一能量品质的太阳能集热能用于蒸汽生产所需能量品质较低的预热阶段，将聚光比大于一定值的太阳能集热器收集第二能量品质的太阳能集热能用于蒸汽生产所需能量品质较高的蒸汽发生及蒸汽过热阶段，将补燃子系统提供的高品质的燃烧热能用于蒸汽加热的蒸汽发生/过热阶段，也即最后的高温阶段，实现不同品质的太阳能集热能和燃烧热能的梯级利用。

采用第二控制模块控制太阳能集热子系统的视日轨迹跟踪角度，以提高收集不同能量品质的太阳能集热能时的光学效率，并根据太阳能的辐照参数计算收集的太阳能集热能的总量。采用第三控制模块根据注汽井内压力参数及温度参数计算稠油热采所需蒸汽的热力参数，根据热力参数计算稠油热采蒸汽生产所需的热能；以及根据太阳能集热能与稠油热采蒸汽生产所需的热能的品质和总量关系控制需要提供的燃烧热能的总量。这样，根据太阳能变化情况和热采蒸汽参数需求实时调整太阳能和燃烧热能的互补、以及太阳能集热能的存储及释放策略，确保不同气象条件下热能的供应稳定，进而实现了太阳能和燃烧热能的互补利用。

具体的，蒸汽生产子系统可以包括给水软化装置、第一给水泵、第二给水泵、蒸汽发生器和蒸汽过热器。

采用第一控制模块调节蒸汽生产子系统的给水流量、压力参数及蒸汽流量，以控制蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段匹配不同能量品质的热能包括：

在太阳能集热能能够满足稠油热采蒸汽生产所需的热能的情况下，利用太阳能集热能提供不同蒸汽生产阶段所需的热能。其中，可以通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收第一能量品质的太阳能集热能进行预热，通过第二给水泵将预热后的软化水加压后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热进行蒸汽发生及蒸汽过热。此外，在太阳能辐射热能富余时，可以通过储能子系统收集富余的热能进行存储，在太阳能集热能不足时予以释放，提供蒸汽生产子系统生产蒸汽所需的热量。

在太阳能集热能无法满足稠油热采蒸汽生产所需的热能但太阳能集热能不为零的情况下，利用太阳能集热能及燃烧热能提供不同蒸汽生产阶段所需的热能，其中，可以通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收第一能量品质的太阳能集热能进行预热；通过第二给水泵将预热后的软化水加压后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热进行蒸汽发生及蒸汽过热；再将蒸汽过热器输出的蒸汽输入补燃子系统以吸收燃烧热能进行高温加热。

在太阳能集热能为零的情况下，通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入第二给水泵进行升压后送入所述补燃子系统以吸收燃烧热能进行蒸汽生产。

由此，基于上述描述的能量的梯级互补利用方法，采用不同聚光比的太阳能集热器收集太阳能，这种综合优化利用的方式，即能保证稠油热采所需的高品质热能需要，又可以降低太阳能集热设备的建设成本，提高系统整体经济性。通过控制子系统结合太阳能集热子系统及补然子系统，使蒸汽生产过程的热能利用过程与补燃子系统的燃烧热能、高品质及低品质太阳热能的不同品质热能实现动态实时匹配，将系统中不同能量品质的热源与蒸汽生产过程中所需的不同品质的热能相互匹配，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

效率。通过控制子系统根据蒸汽的物理参数及气象参数等实时动态调节并配备太阳能与化石燃料的能量互补的利用方式，克服了太阳能资源利用过程中波动性大的缺点，确保蒸汽生产所需热能供应的连续与稳定。

进一步地，由于补燃子系统在燃烧燃料的过程中生产热能温度很高，而进入补燃子系统的水/水蒸汽已具备相当的温度，补燃子系统排烟中会释放大量的高温烟气余热，其能量品质随着补燃子系统运行状态不断变化。因此，可通过余热子系统收集该部分烟气余热，然后通过控制子系统控制太阳能集热子系统、补燃子系统及余热子系统提供与蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能。根据蒸汽生产中的不同阶段所需热能的品质不同，供给不同能量品质的热能，按照蒸汽生产过程，依次可以利用第一太阳能集热器低温热能、补燃子系统的烟气余热、第二集热器高温太阳热能、补燃子系统的高温热能。

具体地，能量梯级互补利用的控制过程还可以包括：通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收所述第一能量品质的太阳能集热能进行预热；通过第二给水泵给预热后的软化水加压，并将一部分加压后的软化水送入余热子系统，以吸收所述烟气余热，将吸收烟气余热后的软化水与另一部分加压后的软化水汇合后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热进行蒸汽发生或蒸汽过热；再将蒸汽过热器输出的蒸汽输入补燃子系统以吸收燃烧热能进行蒸汽发生或高温过热。

由此，基于该方法，将烟气余热进步一应用到对应的蒸汽生产阶段，将燃烧热能、烟气余热、高品质及低品质太阳热能的不同品质热能实现动态实时匹配，将不同能量品质的热源与蒸汽生产过程中所需的不同品质的热能相互匹配，实现能量的“温度对口，梯级利用”，降低不可逆性损失，进一步提升系统的整体

效率。

更进一步地，在根据计算的热力参数进行能量的梯级互补利用，以生产稠油热采所需的高温烟气的过程中，由于中间可能存在能量的损失，导致最终生产的蒸汽的热力参数与理论计算的热力参数有所偏差。为了更好的保障注入的蒸汽能够很好地满足稠油热采的需求，上述能量梯级互补利用的方法还可以包括：

通过控制子系统控制传感器实时测量稠油热采蒸汽的实际热力参数，并根据测量的稠油热采蒸汽的热力参数调整稠油热采蒸汽所需热能的供应。其中，热力参数例如可以包括蒸汽的温度、压力和干度参数。通过这种方式，实时将蒸汽的热力参数反馈给控制子系统，使得控制子系统能够对能量的利用方式及时作出调整，保证注入的蒸汽能够更好地满足稠油热采的需求。

为了更清楚的说明本公开实施例提供的用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法，下面结合一个具体的太阳能辅助稠油热采系统对能量梯级利用方法进行详细介绍。

图4示意性本公开一实施例提供的用于稠油热采蒸汽的生产系统的结构图。

如图4所示，太阳能集热子系统可以包括平板太阳能集热器1、槽式聚光太阳能集热器2和导热工质循环泵15。补燃子系统包括补燃锅炉9，余热子系统包括余热锅炉8。蒸汽生产子系统，包括给水软化装置3、第一给水泵4、第二给水泵5、蒸汽发生器6和蒸汽过热器7以及各类控制阀。控制子系统包括各类运行参数传感检测装置、计算控制中心12和系统运行控制调节执行机构。控制子系统根据稠油热采生产的注汽需求和太阳能辐照条件、环境温度等气象条件的变化调整系统运行方式，可分为第一控制模块A、第二控制模块B、第三控制模块C。储能子系统包括低温储热罐10、高温储热罐11。

根据本公开的实施例，平板太阳能集热器1直接吸收太阳辐射，获得第一能量品质的太阳能集热能用于预热来自给水软化装置3的给水，而加热后的水通过与槽式聚光太阳能集热器2中的高温导热工质换热生产高温水/水蒸汽。将各种集热形式获得的不同品质太阳能集热能量与蒸汽生产过程所需不同品质的热能相互匹配，深化太阳能利用过程的品位对口与梯级利用，降低太阳能热利用过程中的

损失。

根据本公开的实施例，第一给水泵4用于驱动软化水进入平板太阳能集热器1，第二给水泵5将平板太阳能集热器1预热后的软化水再次加压，提高到注入蒸汽所需的压力。系统提供各种热能按照能量品质由低到高为：非聚光太阳能集热量、烟气余热、槽式聚光太阳能集热、补燃锅炉燃烧热能。因此，蒸汽生产的不同阶段可以利用不同来源的热能，以实现能量品质的匹配。

根据本公开的实施例，太阳辐照充足时，导热工质吸收槽式聚光太阳能集热器2的太阳能集热能后，首先满足水蒸汽生产的热能需求，通过调整阀门h和i控制一部分导热工质直接进入蒸汽发生器6和蒸汽过热器7提供热量，剩余导热工质进入高温储热罐11存储，来自低温储热罐10的低温工质则进入槽式聚光太阳能集热器2吸收太阳能集热能。补燃锅炉9在太阳能集热器无法满足蒸汽生产的热负荷时启动，保证热能供应的连续与稳定。由于补燃锅炉9产生热能温度最高，用于加热最后阶段的水/水蒸汽。补燃锅炉9排出的烟气中往往存在数量可观的烟气余热。补燃锅炉9排出的烟气则利用余热锅炉8，与蒸汽生产不同阶段的水进行换热，实现热能的充分利用。

根据本公开的实施例，按照补燃子系统是否参与热能供应，能量的梯级利用可分为三种方式，包括：

太阳能独立供热产蒸汽模式：太阳能集热量能够满足蒸汽生产的热负荷时，给水经过给水软化装置3软化后由第一给水泵4驱动进入平板太阳能集热器1预热，预热后的水由第二给水泵5提升到注入蒸汽所需高压，调节控制阀b、c使其依次通过蒸汽发生器6、蒸汽过热器7，充分吸收槽式聚光太阳能集热器2提供的高温热量，将给水加热成为符合参数要求的高温水蒸汽，经过控制阀f、g后由注汽装置16注入井内。

太阳能与燃料互补产蒸汽模式：太阳能集热量无法满足蒸汽生产所需的热负荷时，补燃锅炉9开启，补充蒸汽生产的热负荷。给水软化装置3中的软化水由第一给水泵4驱动进入平板太阳能集热器1预热，第二给水泵5将预热后的水提升到注入蒸汽所需高压。为充分利用补燃锅炉9释放的烟气余热，根据余热量的多少及其温度的高低，调节控制阀b将一定流量的水送入余热锅炉8中，吸收烟气余热后与另一部分预热后的水经控制阀c共同汇入蒸汽发生器6、蒸汽过热器7。同时蒸汽发生器6和蒸汽过热器7中的中间过程也将一部分水/水蒸气经控制阀d、e送入余热锅炉8，实现余热的充分利用。蒸汽过热器7出口的高温水/水蒸气最终通过控制阀f进入补燃锅炉9，提升到稠油热采所需的热力参数后由注汽装置16注入井内。

补燃锅炉独立产蒸汽模式：太阳能集热量为零时，蒸汽生产的全部热能由补燃锅炉提供，给水先经过给水软换装置3软化处理后，由第一给水泵4驱动直接进入高压第二给水泵5再次升压，驱动给水进入余热锅炉8、补燃锅炉9吸收热能，生产的蒸汽由注汽装置16注入井内。

根据本公开的实施例，三种能量利用方式对应的控制过程可以为：

有太阳能辐照强度可利用时，根据油藏地质压力确定所需注汽压力，第一控制模块A控制第一给水泵4及第二给水泵5的压力参数，系统中水的加热过程压力基本保持恒定，以保证所生产水蒸汽符合注采要求。第二控制模块B根据太阳能辐照强度情况，调整导热工质循环泵15的运行状态，以及真空集热管内导热工质流速和出口压力等参数，降低集热损失，保证集热效果。同时避免导热工质高温下热分解和真空集热管局部热应力过大导致损坏。第三控制模块C用于调控各种情况下系统的能量调度过程，当太阳能辐照充足时，补燃锅炉9处于备用状态，蒸汽生产过程为：给水充分预热后，利用槽式聚光太阳能集热器2出口的高温导热工质为蒸汽生产提供高温热能。根据槽式聚光太阳能集热器出口导热工质热力参数，结合稠油热采所需蒸汽参数和平板太阳能集热器1出口给水温度，确定所需热负荷，再通过控制流入蒸汽发生器6、蒸汽过热器7的导热工质流量实现对热能供应的控制。

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，由蒸汽过热器7加热后的水/水蒸气在补燃锅炉9中继续吸收热能，达到所需参数。补燃锅炉9根据热采所需蒸汽参数和实际进口蒸汽参数，控制燃料和空气供给，生产满足热采参数要求的高温蒸汽。

无太阳辐射且无蓄热能时，热量全部由补燃锅炉9提供，蒸汽生产处于补燃锅炉独立产蒸汽模式。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于稠油热采蒸汽生产的能量梯级利用方法，所述方法利用太阳能辅助稠油热采系统实现能量梯级利用，所述太阳能辅助稠油热采系统包括太阳能集热子系统、补燃子系统、蒸汽生产子系统及控制子系统，其中，太阳能集热子系统包括不同类型的太阳能集热器；

该能量梯级利用方法包括：

采用不同类型的太阳能集热器收集不同能量品质的太阳能集热能，其中，不同类型的太阳能集热器包括非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器或聚光比大于一定值的太阳能集热器；所述采用不同类型的太阳能集热器收集不同能量品质的太阳能集热能包括：采用非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器收集第一能量品质的太阳能集热能；采用聚光比大于一定值的太阳能集热器收集第二能量品质的太阳能集热能；其中，第一能量品质低于第二能量品质；

通过补燃子系统燃料燃烧产生燃烧热能；

通过控制子系统控制太阳能集热子系统及补燃子系统提供与所述蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能，以生产所述稠油热采蒸汽，其中，通过控制子系统根据所述稠油热采蒸汽的热力参数及所述太阳能集热能的总量控制需要提供的燃烧热能的总量；

其中，所述蒸汽生产子系统包括给水软化装置、第一给水泵、第二给水泵、蒸汽发生器和蒸汽过热器；

采用第一控制模块调节蒸汽生产子系统的给水流量、压力参数及蒸汽流量，以控制蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段匹配不同能量品质的热能包括：

在所述太阳能集热能能够满足所述稠油热采蒸汽生产所需的热能的情况下，利用所述太阳能集热能提供不同蒸汽生产阶段所需的热能；其中，通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收所述第一能量品质的太阳能集热能进行预热；通过第二给水泵将预热后的软化水加压后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热能进行蒸汽生产及蒸汽过热；

在所述太阳能集热能无法满足所述稠油热采蒸汽生产所需的热能但所述太阳能集热能不为零的情况下，利用所述太阳能集热能及所述燃烧热能提供不同蒸汽生产阶段所需的热能，其中，通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收所述第一能量品质的太阳能集热能进行预热；通过第二给水泵将预热后的软化水加压后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热进行蒸汽发生或蒸汽过热；再将蒸汽过热器输出的蒸汽输入补燃子系统以吸收所述燃烧热能进行高温加热或过热；

在所述太阳能集热能为零的情况下，通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入第二给水泵进行升压后送入所述补燃子系统以吸收所述燃烧热能进行蒸汽生产。

2.根据权利要求1所述的能量梯级利用方法，其中，所述控制子系统包括第一控制模块、第二控制模块及第三控制模块；

所述通过控制子系统控制太阳能集热子系统及补燃子系统提供与所述蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能包括：

采用第一控制模块调节所述蒸汽生产子系统的给水流量、压力参数及蒸汽流量，以控制所述蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段匹配不同能量品质的热能；

所述控制子系统根据所述稠油热采所需蒸汽的热力参数及所述太阳能集热能的总量控制需要提供的燃烧热能的总量包括：

采用第二控制模块控制所述太阳能集热子系统的视日轨迹跟踪角度，以提高收集不同能量品质的太阳能集热能时的光学效率，并根据太阳能的辐照参数计算收集的太阳能集热能的总量；

采用第三控制模块根据注汽井内压力参数及温度参数计算所述稠油热采所需蒸汽的热力参数，根据所述热力参数计算所述稠油热采蒸汽生产所需的热能；以及根据所述太阳能集热能与所述稠油热采蒸汽生产所需的热能的品质和总量关系控制需要提供的燃烧热能的总量。

3.根据权利要求1所述的能量梯级利用方法，其中，所述控制子系统根据所述稠油热采蒸汽的热力参数及所述太阳能集热能的总量控制需要提供的燃烧热能的总量还包括：

通过所述控制子系统控制传感器实时测量所述稠油热采蒸汽的热力参数，并根据测量的所述稠油热采蒸汽的热力参数调整所述稠油热采蒸汽所需热能的供应。

4.根据权利要求1所述的能量梯级利用方法，其中，所述太阳能辅助稠油热采系统还包括余热子系统；

所述方法还包括：

采用余热子系统收集所述补燃子系统排烟释放的烟气余热；

通过控制子系统控制太阳能集热子系统、补燃子系统及余热子系统提供与所述蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能。

5.根据权利要求4所述的能量梯级利用方法，其中，所述蒸汽生产子系统包括给水软化装置、第一给水泵、第二给水泵、蒸汽发生器和蒸汽过热器；

所述通过控制子系统控制太阳能集热子系统、补燃子系统及余热子系统提供与所述蒸汽生产子系统的不同蒸汽生产阶段所需能量品质相匹配的热能包括：

通过第一给水泵驱动给水软化装置储存的软化水进入非聚光的太阳能集热器或聚光比小于一定值的太阳能集热器，以吸收所述第一能量品质的太阳能集热能进行预热；通过第二给水泵给预热后的软化水加压，并将一部分加压后的软化水送入余热子系统，以吸收所述烟气余热，将吸收烟气余热后的软化水与另一部分加压后的软化水汇合后依次送入蒸汽发生器和蒸汽过热器，以吸收第二能量品质的太阳能集热进行蒸汽发生及蒸汽过热；再将蒸汽过热器输出的蒸汽输入补燃子系统以吸收所述燃烧热能进行高温加热。

6.根据权利要求1所述的能量梯级利用方法，其中，所述太阳能辅助稠油热采系统还包括储热子系统；

所述方法还包括：

在所述太阳能集热能多于所述稠油热采蒸汽生产所需的热能的情况下，采用所述储热子系统储存多余的太阳能集热能，并在太阳能集热能不足时予以补充。

7.根据权利要求1所述的能量梯级利用方法，其中，

采用平板式的太阳能集热器收集所述第一能量品质的太阳能集热能；

采用线性菲涅尔式或槽式或塔式或碟式的太阳能集热器收集所述第二能量品质的太阳能集热能。

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