CN113669708A - 基于多能源互补的稠油热采注汽系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于多能源互补的稠油热采注汽系统，包括：地热子系统，太阳能子系统，风能子系统和蒸汽生产子系统；其中，地热子系统包括一级热泵和二级热泵，蒸汽生产子系统包括第一蒸汽发生器和蒸汽换热器，地热子系统通过一级热泵与蒸汽生产子系统换热连接，太阳能子系统与第一蒸汽发生器换热连接，风能子系统与蒸汽换热器电连接；地热子系统通过二级热泵与太阳能子系统换热连接；风能子系统还分别与一级热泵和二级热泵电连接；地热子系统，太阳能子系统和风能子系统分别产生能量品质依次增加的地热能源、第一能源和第二能源；蒸汽生产子系统用于综合梯级利用地热能源、第一能源和第二能源分段加热软化水来生产蒸汽。

Description

基于多能源互补的稠油热采注汽系统

技术领域

本公开涉及稠油热采技术领域，尤其涉及一种基于多能源互补的辅助稠油热采注汽系统。

背景技术

常规注蒸汽稠油热采需要消耗大量蒸汽和蒸汽生产燃料，降低这部分的生产能耗，将对提高采收效率和减少环境污染起到重要帮助。太阳能、风能和地热能都是目前利用广泛的可再生资源，就其储量而言取之不尽，且都具有就地可取、无需运输，环境友好的优势，在辅助蒸汽生产等领域具有广阔前景。

太阳能利用技术主要分为光伏发电与太阳能热利用两个方面。其中太阳能热利用技术是指将分散的太阳辐射汇聚成高聚光比的辐射能，为系统提供高温的热量。集热按照聚光形式主要分为：碟式、塔式、槽式、线性菲涅尔式四种类型。而这其中以抛物槽式集热器为代表在商业上利用最为广泛，在商业上发展较为成熟。在稠油热采领域，利用槽式太阳能辅助产蒸汽的技术在一些地区已经开始了运行，其中美国的GlassPoint Solar公司已在中东与加利福尼亚州等地建设了以槽式太阳能为主的稠油热采商用项目。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；太阳能辐射强度低这一问题会直接影响到装置运行的经济效益，所以急需集热效率更高的设备提高装置运行的经济性。

风能作为太阳能的另一种形式在时间变化分布上有很强的互补性。白天太阳光最强时，风力较小，夜间时，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能有所加强；在夏季，太阳光强度大而风力小，冬季则相反。太阳能和风能在时间上的互补性使其在资源利用中具有很好的匹配性。

地热能是地质运动中由地壳抽取的天然热能，地热能量以热力形式存在，是引起火山爆发及地震的能量。地球内部的温度可高达7000℃，而在80-100km的深度处，温度会降至650℃至1200℃。在巨大的压力下，高温热能被传递至地层中较接近地面的地方，将附近的地下水加热至高温，这些高温的水最终会渗出地面，甚至喷出地表。直接取用这些热源在换热器中进行换热，是最简单、最经济的方法。而利用电能与低温地热结合提供热能的技术在生活供暖与农业生产等领域已经开始逐渐发展。我国以地源热泵为代表的地热能开发规模在世界上已经处于领先地位。

与地热资源类似，在稠油生产过程中存在大量的污水余热。采油污水是指油田开采时，注入水、注入蒸汽凝结的水、或原有地层存在的水又随着原油被开采出来，从含水原油中脱出的含油污水。其温度水平大都分布在45～65℃，与油田生产关系密切。与常规地热资源相比，污水余热不需要额外的钻井工程及尾水回灌工程投资，能够节约热水采出和尾水回灌的成本。并且现代采油工艺对污水的水质进行了稳定的控制，经过处理后腐蚀、结垢的趋势较弱，是有潜力进行综合利用的能源。

稠油热采领域存在着耗能巨大，环境污染严重等问题，同时稠油开发地区存在着丰富的可再生资源和余热资源。这些可再生资源从稳定性来看，风能、太阳能随时间波动，而地热能则十分稳定，在能源品位上，风能，太阳能、地热能依次递减。因此将风光地热能源互补利用的稠油热采注汽系统不仅能极大程度减少燃料直接燃烧对生态环境的破坏，又可以综合利用风能的高品位开发利用低品位的地热与余热，促进新能源的开发利用，具有良好的发展前景。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本公开提供一种基于多能源互补的稠油热采注汽系统，用于至少部分解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于多能源互补的稠油热采注汽系统，包括：地热子系统，太阳能子系统，风能子系统和蒸汽生产子系统；其中，地热子系统包括一级热泵和二级热泵，蒸汽生产子系统包括第一蒸汽发生器4和蒸汽换热器，地热子系统通过一级热泵与蒸汽生产子系统换热连接，用于对软化水进行一次加热，太阳能子系统与第一蒸汽发生器4换热连接，用于对软化水进行二次加热，风能子系统与蒸汽换热器电连接，用于对软化水进行三次加热；地热子系统通过二级热泵与太阳能子系统换热连接；风能子系统还分别与一级热泵和二级热泵电连接；地热子系统，太阳能子系统和风能子系统分别产生地热能源、第一能源和第二能源；地热能源、第一能源和第二能源的能量品质依次增加，蒸汽生产子系统用于综合梯级利用地热能源、第一能源和第二能源分段加热软化水来生产蒸汽。

可选地，地热子系统还包括：地下开采装置6和三级热泵；其中，地下开采装置6用于开采地热能源并输入三级热泵；一级热泵包括第一冷凝器11，二级蒸发器8，第一压缩机10和第一节流阀12；其中，二级蒸发器8与三级热泵换热连接，用于吸收地热能源的热能，将热能用于热泵循环工质的蒸发，地热子系统通过第一冷凝器11与蒸汽生产子系统换热连接，第一压缩机10与风能子系统电连接，用于提高热泵循环工质压力，利用第二能源提升地热能源的能量品质，得到第一混合能源，第一节流阀12用于降低第一冷凝器11输出的热泵循环工质的压力。

可选地，蒸汽生产子系统还包括预热器7，三级热泵还与预热器7换热连接。

可选地，二级热泵包括：第二蒸发器13，第二压缩机14，第二冷凝器15和第二节流阀16；其中，第二蒸发器13与一级热泵换热连接，用于吸收第一混合能源的热能，将热能用于二级热泵的循环工质的蒸发，第二压缩机14与风能子系统电连接，用于提高热泵循环工质压力，利用第二能源提升第一混合能源的能量品质得到第二混合能源，第二冷凝器15与太阳能子系统换热连接，用于将第二混合能源储存到太阳能子系统，第二节流阀16用于降低第二冷凝器15输出的热泵循环工质的压力；第二冷凝器15还与蒸汽换热器换热连接。

可选地，太阳能子系统包括：太阳能集热器1和储热装置；其中，太阳能集热器1，储热装置和第一蒸汽发生器4三者通过三通相互连接，第二冷凝器15与储热装置换热连接，储热装置用于存储及释放吸收地热能源、第一能源和第二能源后的高温工质，以及换热后的低温工质。

可选地，储热装置包括：高温储罐2和低温储罐3；其中，热泵循环工质从低温储罐3中流出，与第二冷凝器15换热后，流入高温储罐2。

可选地，风能子系统包括：风力发电机组19，电控装置20和控制中心25；其中，风力发电机组19分别与电控装置20，蒸汽换热器，一级热泵以及二级热泵电连接；电控装置20和控制中心25通信连接，用于控制第二能源对软化水进行三次加热和提升地热能源的能量品质以及连接外部电网21。

可选地，地热子系统还包括采油污水给水装置S2；一级热泵还包括一级蒸发器9，一级蒸发器9与采油污水给水装置S2换热连接，用于吸收采油污水余热，在一级热泵循环中利用第二能源提升采油污水余热的能量品质，得到第一混合能源。

可选地，基于多能源互补稠油热采注汽系统还包括：运行控制子系统，包括第一控制模块A、第二控制模块B、第三控制模块C和第四控制模块D；其中，第一控制模块A用于控制太阳能子系统的能量转化效率以及能量的存储和使用比例；第二控制模块B用于调整风能子系统的能量转化效率以及能量使用途径；第三控制模块C用于控制地热能源的开采效率以及利用方式；第四控制模块D用于调整蒸汽生产的热负荷以匹配地热能源，第一能源和第二能源的供应。

可选地，储热装置中的储热材料可选择水蒸汽、导热油、混凝土、熔盐、金属及其合金；储热装置的储热形式包括直接储热和间接储热；储热装置包括：辅助加热组件，用于加热储热材料，辅助加热组件的能量来源包括地热能源，第一能源和第二能源中的任意一种及其组合。

可选地，蒸汽换热器包括：第二蒸汽发生器22和蒸汽过热器23；蒸汽生产子系统还包括：控制阀；其中，第二蒸汽发生器22和蒸汽过热器23用于利用第二能源对软化水进行三次加热，控制阀用于控制地热能源，第一能源和第二能源的利用比例以及产生的蒸汽流量。

(三)有益效果

本公开提供一种基于多能源互补的稠油热采注汽系统，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)通过地热、太阳能和风能的综合梯级利用，将充分发挥地热能的稳定性、太阳能和风能的高能源品位等特性，不仅大幅减少燃料直接燃烧对生态环境的破坏，还提高多种可再生能源的利用效率。

(2)采用热泵形式将风力发电的电能与低温地热能和采油污水余热能相结合，提高了低温热能的品位，并实现了对不同品位能源的充分利用。

(3)通过多种储热方式降低了风能与太阳能的波动性，还可根据生产需要灵活控制调配系统中的热能与电能，技术灵活度高、适应性强，保障系统运行的稳定运行，能够较好地得到推广应用。

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示意性示出了根据本公开实施例的基于多能源互补的稠油热采注汽系统的组成图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的系统能量梯级利用原理图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的运行控制子系统框图。

【附图标记说明】

1-太阳能集热器

2-高温储罐

3-低温储罐

4-第一蒸汽发生器

5-第一工质循环泵

6-地下开采装置

7-预热器

8-二级蒸发器

9-一级蒸发器

10-第一压缩机

11-第一冷凝器

12-第一节流阀

13-第二蒸发器

14-第二压缩机

15-第二冷凝器

16-第二节流阀

17-储水罐

18-给水泵

19-风力发电机组

20-电控装置

21-外部电网

22-第二蒸汽发生器

23-蒸汽过热器

24-注汽井

25-控制中心

26-采油机

27-第二工质循环泵

28-第三工质循环泵

29-第一控制阀

30-第二控制阀

31-第三控制阀

32-第四控制阀

33-第五控制阀

34-第六控制阀

35-第七控制阀

A-第一控制模块

B-第二控制模块

C-第三控制模块

D-第四控制模块

S1-软化水给水装置

S2-采油污水给水装置

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。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。

虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。

虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。

本公开中的“换热连接”是指不同系统或装置之间，通过相互接触或接近的管道等装置进行热量交换的关联方式。“电连接”是指发电系统给用电系统供电的关联方式。

图1示意性示出了根据本公开实施例的基于多能源互补的稠油热采注汽系统的组成图。

根据本公开的实施例，如图1所示，基于多能源互补的稠油热采注汽系统例如包括：地热子系统，用于提供地热能源。太阳能子系统，用于转化太阳能为第一能源。风能子系统，用于转化风能为第二能源。蒸汽生产子系统，用于综合梯级利用地热能源、第一能源和第二能源分段加热软化水来生产蒸汽。其中，地热能源，第一能源和第二能源的能量品质依次增加，第二能源还用于提升地热能源的能量品质。第一能源例如为由太阳能转化得到的热能，第二能源例如为由风能转化得到的电能。热能的品质高低可以用温度高低来衡量。

根据本公开的实施例，地热子系统可以为系统提供稳定可靠的中低温热能，如图1所示，地热子系统例如包括地下开采装置6，第一工质循环泵5，预热器7，构成地源热泵一级热泵循环的二级蒸发器8，一级蒸发器9，第一压缩机10，第一冷凝器11和第一节流阀12，以及构成地源热泵二级热泵循环的第二蒸汽发生器13，第二压缩机14，第二冷凝器15，第二节流阀16。

其中，地下开采装置6用于开采中深层地热能，通过地热水等工质将地热能提升到地面。地下开采装置6例如为采热井筒，井筒外覆盖保温层，利用导热工质在套筒中循环，将中深层范围的沉积岩热能等地热能提取到地上。第一工质循环泵5利用系统提供的机械能或电能驱动导热工质循环。地源热泵将低品位的地热能提升为较高温度的热能，为蒸汽生产提供较高品位的热能资源。

根据本公开的实施例，地上装置例如采用直接换热与双级热泵两种利用方式对地热能进行利用。直接换热方式例如可以是：开采出的地热温度约在50～150℃，从经济性角度考虑，采用直接换热的方式预热由软化水给水装置S1供给的低温软化水。地下开采装置6中产出的热能一部分通过第三控制阀31进入软化水预热器7中对软化水进行直接加热。采用直接换热的方式可以降低系统设备的复杂性，提高系统经济性。

热泵利用方式例如可以是：由二级蒸发器8，一级蒸发器9，第一压缩机10，第一冷凝器11和第一节流阀12构成一级热泵，由第二蒸发器13，第二压缩机14，第二冷凝器15和第二节流阀16构成二级热泵。例如地热开采出的一部分地热能与原油开采过程分离污水的余热，分别被二级蒸发器8和一级蒸发器9吸收，将热能传递给热泵循环工质，热泵循环工质吸热后蒸发为气态后进入第一压缩机10，由风能子系统提供的电能即第二能源驱动的第一压缩机10提升热泵循环工质的压力，利用第二能源提高地热能和采油污水余热的热能品位，形成第一混合能源，回收采油污水的同时提升地热能和采油污水余热的能量品质。压缩后的高温工质进入第一冷凝器11放热，将热能用于软化水的一次加热热源。热泵循环工质在第一冷凝器11中冷凝放热后通过第一节流阀12节流，降压后的热泵循环工质再次进入二级蒸发器8和一级蒸发器9实现热泵循环。

在第二能源充足时，可利用第一混合能源为蒸汽生产提供一次加热的热源，利用第二混合能源为蒸汽生产提供二次加热的热源。

二级热泵制热的工质循环过程与一级热泵相似，热泵循环工质经过第二蒸发器13吸收第一混合能源的中温热能后蒸发，进入第二压缩机14提升压力与温度。利用风力发电子系统提供的第二能源将第一混合能源提升为更高品质的第二混合能源。高温循环工质在第二冷凝器15放热冷凝，将第二混合能源用于蒸汽生产的二次加热或储存至高温储罐内。最后热泵循环工质经由第二节流阀16降压，返回第二蒸发器，构成制热循环。

二级热泵循环与一级热泵循环不同点在于，一级热泵循环的放热量作为工质在二级热泵循环中的低温热源，而二级热泵循环产生的第二混合能源的热能温度高于一级热泵，可用于蒸汽生产过程中的二次加热，也可作为高品质的热能储存到高温储罐2中，高温储罐2例如为储热罐。

根据本公开的实施例，地下开采装置6所用的采热井与采油井、注汽井24结构相似，井筒外均覆盖有保温层。在热力采油的不同阶段，注汽井/采油井往往需要分批建设，而前期工程中的采油井/注汽井在后期往往被搁置不再利用。因此，地下开采装置6可以充分利用废弃井的资源，改造或直接利用现有注汽井/采油井作为后期工程的地热采集井，可以降低系统建设成本。

根据本公开的实施例，考虑到风力发电量随时间不断波动，而地热能较为稳定，地热资源可以按需要为系统提供相应的热负荷，地热子系统例如可以根据风力发电功率的变化采用不同的运行负载策略：

最低负载，当风力发电量较低或缺失时，例如由外部电网21补充基础用电负荷，包括第一工质循环泵5和第一压缩机10的最低功耗。在利用地热能的过程中，例如设计预热器7为固定热负荷，二级蒸发器8所需的最低热能例如由运行控制子系统协同控制。

基础负载，当风力发电量处于正常范围时，由于二级热泵温差高，制热效率相对较低，二级热泵部分停止运行，仅一级热泵运行，提高系统能量利用效率。根据风力发电量确定第一压缩机10的负荷以及第一工质循环泵5的流量。

最大负载，当风力发电量大量富余或太阳能子系统热能供应不足时，蒸汽生产的热负荷主要由电能和地热能提供，此时地热能开采量较基础载荷相比显著上升，一级和二级热泵同时运行，一级热泵获得的第一混合能源的中温热能一部分通过第一冷凝器11用于加热软化水，另一部分在第二蒸发器13(二级热泵的蒸发器)中作为二级热泵的低温热源。在二级热泵循环中，中温热能提升为更高温度的热能即第二混合能源，用于蒸汽生产过程中热源品质要求更高的二次加热阶段，或加热储热工质将风能与地热能储存为高温热能，实现高低品位能源的互补储存。

根据本公开的实施例，太阳能子系统例如利用槽式太阳能集热技术获得清洁的热能即第一能源。如图1所示，太阳能子系统例如由太阳能集热器1，第一蒸汽发生器4，储热装置(高温储罐2、低温储罐3，低温储罐3例如为冷却罐)，第二工质循环泵27和第三工质循环泵28组成。太阳能集热器1例如为槽式太阳能集热器。槽式太阳能集热器例如包括：槽式太阳能集热镜场，由多个抛物槽式聚光集热单元组成，每个单元例如包括槽式聚光器(聚光镜)，真空集热管(集热器)和跟踪驱动装置等。太阳能集热管，即真空集热管的内壁涂有辐射吸收涂层，内外管夹层例如为真空保温层。太阳能集热镜场用于将大面积的低能量品质的太阳辐射能汇聚为一定面积的高能量品质的辐射能。太阳能集热管用于将高能量品质的太阳辐射能转化为高温热能，将热能传递给导热工质或水蒸汽。跟踪驱动装置例如由控制模块A控制，实时跟踪太阳辐射光源。

根据本公开的实施例，太阳能子系统利用太阳能集热器1吸收太阳辐射能并将其传递到导热工质后，通过工质循环为蒸汽生产提供热能。太阳能子系统可将多余太阳能集热量或将系统其它富余能量转化为热能储存在储热装置中，以调节系统的热能供应波动。太阳辐射经槽式聚光器汇聚到真空集热管内管壁，转化为热能后传递给导热工质。导热工质例如可以采用熔融盐、导热油、金属及其合金。吸热后的高温工质由第二工质循环泵27驱动，经第一控制阀29控制进入第一蒸汽发生器4释放热能，换热后的低温工质再次进入槽式镜场进行循环。经过槽式聚光镜场吸热后的高温工质也可经系统控制进行储热。储热部分例如采用高温储罐2和低温储罐3进行双罐储热的方法，加热后的高温工质储存在高温储罐2中，而换热后的低温工质由低温储罐3储存。储热材料例如包括水蒸汽、导热油、混凝土、熔盐、金属及其合金等物质。

优选地，利用熔盐或导热油作为导热与储热工质在槽式集热镜场中吸收太阳辐射热能。

根据本公开的实施例，根据系统的能量调度需要，例如可以控制系统调整第二工质循环泵27以及第一控制阀29和第二控制阀30的工作状态，以切换不同的工质流动模式，来实现太阳能的蓄热与放热：

蓄热流动：当太阳辐射集热量即第一能源大于第一蒸汽发生器4的热负荷需求时，通过调整第二控制阀30，工质泵将来自低温储罐3与第一蒸汽发生器4出口的导热工质输送至镜场中吸收太阳辐射热，随后加热后的工质经第一控制阀29分为两部分，一部分通过第一蒸汽发生器4满足生产蒸汽的热量需求，另一部分的高温工质输送到高温储罐2中储热。

放热流动：与工质在蓄热流动方式中相反，当太阳辐射集热量即第一能源小于第一蒸汽发生器4的热负荷需求时，从高温储罐2中释放热能。通过调节第一控制阀29使集热镜场与高温储罐2的工质共同流入第一蒸汽发生器4，换热后的工质经第二控制阀30分为两部分，一部分流入低温储罐3，另一部分进入槽式集热镜场再次循环。

热泵储热流动：低温储罐3中的低温储热工质在由第三工质循环泵28驱动进入二级热泵的第二冷凝器15中吸收热能后进入高温储罐2中储存。热泵储热流动与蓄热流动可以同时运行。

根据本公开的实施例，如图1所示，风能子系统例如包括：风力发电机组19，电控装置20以及外部电网21。其中，风力发电机组19例如为水平轴风力发电机组，每个风力发电机例如包括：叶轮、齿轮箱、发电机和塔架等，用于收集风能并将机械能转化为系统可用的电能。电控装置20例如由控制器、变压器，逆变器和输电线路等组成，负责控制风电转化、电力输送以及与外部电网21之间的合理调配。风力发电机组19将风动力能转化为电能即第二能源，产生的电能(第二能源)一部分用于地热子系统中(例如用于驱动第一压缩机10，第二压缩机14和第一工质循环泵5)，另一部分用于蒸汽生产子系统中用电设备(例如第二蒸汽发生器22和蒸汽过热器23)的耗功，满足系统的电力需求。风力发电量的波动可由地热子系统调整不同负载模式加以匹配。当电力(第二能源)极端匮乏时，可以通过外界电网21补充系统用电，相应地富余的风电也可以向外界电网21输电。风能子系统的电能(第二能源)是三次加热的热能来源，同时，通过一级热泵和二级热泵，风能子系统的电能也间接作为一次加热和二次加热的能量来源。

根据本公开的实施例，如图1所示，蒸汽生产子系统例如包括储水罐17，给水泵18，预热器7，第一冷凝器11，第一蒸汽发生器4，第二蒸汽发生器22，蒸汽过热器23和控制阀等装置。储水罐17例如用于储存符合蒸汽生产标准的软化水。给水泵18用于提供稠油热采注入蒸汽所需要的压力。控制阀例如包括：第一控制阀29，第二控制阀30，第三控制阀31，第四控制阀32，第五控制阀33，第六控制阀34，第七控制阀35，用于改变蒸汽流量与蒸汽生产方式，使蒸汽生产热负荷与系统能量供应相互匹配。

蒸汽的生产例如采用三次加热模式：一次加热由地热子系统通过预热器7直接加热以及通过热泵中的第一冷凝器11加热(第一混合能源加热)共同进行，二次加热主要利用太阳能子系统的辐射热能(第一能源)通过第一蒸汽发生器4进行加热，三次加热则主要利用风能子系统的电能(第二能源)驱动第二蒸汽发生器22和蒸汽过热器23来加热。通过一次加热、二次加热和三次加热得到的高温蒸汽，例如通过注汽井24注入地下稠油中，以提升采油机26的采油效率。

图2示意性示出了根据本公开实施例的系统能量梯级利用原理图。

根据本公开的实施例，如图2所示，风力电能、太阳热能和地热能(以及采油污水余热)的能量品质或能量品质依次降低。理想情况下的蒸汽生产过程可综合利用太阳辐射能、风能、地热能与采油污水余热，充分发挥不同能量品质的优势。一次加热中，地热能可首先通过预热器7对软化水进行初步预热，采用最经济的方式利用一部分地热能，另一部分地热能和由采油污水给水装置S2供给的采油污水的余热通过热泵循环提升为更高热量品质的第一混合能源后再作为后续的加热源。一次加热作为中低温加热过程，梯级利用了各个温度区间的热能，同时利用热泵也充分发挥了风能作为高品质能源的优势。二次加热利用集热镜场中吸收的太阳热能(第一能源)作为中高温段的主要热源，高温储罐2可以弥补夜间太阳集热能(第一能源)的缺失。三次加热采用电能驱动的方式，例如采用风力电能(第二能源)作为高温段的主要热源，在第二蒸汽发生器22和蒸汽过热器23中提升蒸汽的热力参数，充分发挥电能灵活调度的特性，保证了注入高温蒸汽的品质。蒸汽生产子系统综合利用系统提供的各类热能，采用多段加热的方式梯级利用不同品质能源生产符合要求的水蒸气。

图3示意性示出了根据本公开实施例的运行控制子系统框图。

根据本公开的实施例，为应对不同气象条件和生产需要，需要实时调控各类能量供应子系统与消耗子系统。基于多能源互补的稠油热采注汽系统例如还包括运行控制子系统，运行控制子系统例如包括各类传感器、中心控制器、控制阀、及其它设备控制装置。如图3所示，运行控制子系统例如包括A、B、C、D四个控制模块，通过实时监测生产过程所需的注汽参数，结合气象条件和系统储能情况对系统能量进行合理调度以匹配蒸汽生产过程。其中，第一控制模块A例如可以用于调整太阳能子系统中太阳能集热器1的聚光角度，同时根据系统需要调整太阳能子系统的热能利用及储存过程。第二控制模块B例如可以用于调整风力发电过程，根据生产需要调度系统用电。第三控制模块C例如可以用于控制地热子系统的地热开采以及地源热泵的循环过程。第四控制模块D例如可以用于调整蒸汽生产的热负荷以及系统电能、地热能、太阳辐射热能的互补关系。

具体地，第一控制模块A例如采用视日轨迹跟踪，外部的辐射传感器连续采集太阳能各时刻的入射角度和辐射强度，经控制中心25处理后输出跟踪信号，驱动跟踪装置调整镜场追踪角度，保证最佳的集热效率。同时，根据太阳能辐照强度情况可以预测太阳能的集热量，结合第一蒸汽发生器4所需的热负荷，及时调整第二工质循环泵27，第一控制阀29和第二控制阀30，控制导热工质的流量与循环方式，完成储热模块的蓄放热控制。储热与放热方式在太阳能子系统中已说明，此处不再赘述。

第二控制模块B对风能子系统的调节，可以根据风力控制风力发电机组19的运行，产生的电能可以通过电控装置20进行调节和输送，例如优先满足第一压缩机10，第二压缩机14和第一工质循环泵5的用电负荷，多余的电量可向外部电网21输送，在风能子系统供电量不足时也可以控制从外界电网21输入电能。电能调度方式在风能子系统中已说明，此处不再赘述。

第三控制模块C对地热子系统的调节，可以根据风力发电产生的电能多少调整第一工质循环泵5的流量，实现对地热能开采量的控制，控制方式在地热子系统中已说明，此处不再赘述。

第四控制模块D控制蒸汽生产过程，可以根据风电和太阳辐射热能波动情况对蒸汽生产中各加热阶段的能量供应进行合理匹配。具体能量调度方式将在蒸汽生产子系统中已说明，此处不再赘述。

根据本公开的实施例，考虑到风能和太阳能的不稳定性和随时段的波动性，各子系统之间例如可以通过运行控制子系统统筹协调，相互补充。运行控制子系统例如采用多目标优化算法，同时对太阳能子系统与风力发电子系统能量利用效率、储热效率、系统总体能量利用效率和蒸汽生产参数等多个目标进行优化，实施能量调度过程。运行策略上，保证稳定进行蒸汽生产的同时，最大化系统能量利用效率和

效率。通过地热能、太阳能、风能之间相互补充，调节波动使风、光、地热能资源满足蒸汽生产子系统的能量需求，同时太阳能子系统可将富余能量以热能形式储存在储能装置中，在其它能量不足时释放储能装置中的热能予以补充，降低能量供应的波动性。优先利用能量品质高但不稳定且难储存的风力电能，通过直接调节电能载荷、间接补充热能等方式吸收风能与太阳热能的波动，并优先利用热泵将风力电能与地热能相结合，充分发挥高品质能量的优势。

根据本公开的实施例，根据气象条件的变化以及系统蒸汽生产热负荷的需要，蒸汽生产过程需要实时动态的调整，按运行状态不同例如可以分为以下几种运行模式。

根据本公开的实施例，在日间可能出现太阳能(第一能源)过多与风力发电量(第二能源)不足的情况。此时蒸汽生产在高温段的热负荷大部分例如由第一蒸汽发生器4提供。例如调节第六控制阀34，第七控制阀35，关闭蒸汽通过第二冷凝器15的通路，增加第一蒸汽发生器4中导热工质的循环流速，增大二次加热的热负荷，少量风能子系统产生的电能(第二能源)可以用于蒸汽的三次加热，保证蒸汽参数实时调整。对一次加热过程，根据风力发电量的供给适当减少热泵的第一压缩机10的耗功，对应地减少第一工质循环泵5的循环流量以降低用电负荷。蒸汽的生产流程例如为：储水罐17经给水泵18加压后，依次经过预热器7，第一冷凝器11、第一蒸汽发生器4、第二蒸汽发生器22和蒸汽过热器23成为过热蒸汽，最终注入井内。

根据本公开的实施例，当出现太阳辐射热能(第一能源)不足而风力发电量(第二能源)增大的情况时，蒸汽生产在高温段热负荷大部分例如由一次加热和三次加热提供。此时在太阳能子系统中可采取储热互补流动来补充二次加热段中第一蒸汽发生器4的热负荷需要。风能子系统产生的电能(第二能源)一部分用于三次加热的热能，一部分提供给地热子系统中热泵的负荷，剩余的电能可由电控装置20升压后输入外部电网21，保证电能的充分利用。地热子系统可以获得充足的电能，保证稳定的一次加热。蒸汽的生产流程例如为：储水罐17经给水泵18加压后，依次经过预热器7，第一冷凝器11，经控制阀34分流至第一蒸汽发生器4和第二冷凝器15，后经控制阀35汇流至第二蒸汽发生器22和蒸汽过热器23成为过热蒸汽，最终注入井内。

根据本公开的实施例，当出现太阳能子系统热能完全缺失的情况时，系统的热负荷例如由地热能和电能提供，即使在风力发电量完全缺失的极端气象条件下，仍可由外部电网21提供全部电能。此时风能子系统通过外部电网21补充电能，保证三次加热段的蒸汽发生器22和蒸汽过热器23的用电负荷，以及一次加热的地热子系统的用电负荷。二次加热段的热负荷例如全部由三次加热替代，调节第六控制阀34，第七控制阀35使蒸汽与第一蒸汽发生器4的通路关闭。蒸汽的生产流程例如为：储水罐17经给水泵18加压后，依次经过预热器7、第一冷凝器11、第二冷凝器15、蒸汽发生器22和蒸汽过热器23成为过热蒸汽，最终注入井内。

综上所述，本公开实施例提出一种基于多能源互补的稠油热采注汽系统，包括多种能量来源的子系统。通过采用能量梯级利用方法，将风能子系统产生的电能与太阳能子系统和地热子系统提供的不同品位热能结合，利用电能提高地热能的能量品位并作为地热子系统补充加热的热源。太阳能子系统产生或储存的高温热能作为中间品位的热能提供中温段加热的热能，最后风能子系统产生的电能作为高品位的能量提供给蒸汽生产子系统中的高温蒸汽加热/过热段，实现了不同品质能量的梯级综合利用。并利用运行控制子系统实现系统能量动态实时互补，提高了面对变化气象条件时多能源互补稠油热采注汽系统的稳定性。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。

还需要说明的是，实施例中提到的方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。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。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本公开处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本公开单独的优选实施方案。

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。就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

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 (10)

1.一种基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，包括：

地热子系统，太阳能子系统，风能子系统和蒸汽生产子系统；

其中，所述地热子系统包括一级热泵和二级热泵，所述蒸汽生产子系统包括第一蒸汽发生器(4)和蒸汽换热器，所述地热子系统通过所述一级热泵与所述蒸汽生产子系统换热连接，用于对软化水进行一次加热，所述太阳能子系统与所述第一蒸汽发生器(4)换热连接，用于对软化水进行二次加热，所述风能子系统与所述蒸汽换热器电连接，用于对软化水进行三次加热；

所述地热子系统通过所述二级热泵与所述太阳能子系统换热连接；

所述风能子系统还分别与所述一级热泵和所述二级热泵电连接；

所述地热子系统，所述太阳能子系统和所述风能子系统分别产生地热能源、第一能源和第二能源；所述地热能源、所述第一能源和所述第二能源的能量品质依次增加，所述蒸汽生产子系统用于综合梯级利用所述地热能源、所述第一能源和所述第二能源分段加热软化水来生产蒸汽。

2.根据权利要求1所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述地热子系统还包括：

地下开采装置(6)和三级热泵；

其中，所述地下开采装置(6)用于开采所述地热能源并输入所述三级热泵；

所述一级热泵包括第一冷凝器(11)，二级蒸发器(8)，第一压缩机(10)和第一节流阀(12)；

其中，所述二级蒸发器(8)与所述三级热泵换热连接，用于吸收所述地热能源的热能，将热能用于热泵循环工质的蒸发，所述地热子系统通过所述第一冷凝器(11)与所述蒸汽生产子系统换热连接，所述第一压缩机(10)与所述风能子系统电连接，用于提高所述热泵循环工质压力，利用所述第二能源提升所述地热能源的能量品质，得到第一混合能源，所述第一节流阀(12)用于降低所述第一冷凝器(11)输出的热泵循环工质的压力。

3.根据权利要求2所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述蒸汽生产子系统还包括预热器(7)，所述三级热泵还与所述预热器(7)换热连接。

4.根据权利要求2所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述二级热泵包括：

第二蒸发器(13)，第二压缩机(14)，第二冷凝器(15)和第二节流阀(16)；

其中，所述第二蒸发器(13)与所述一级热泵换热连接，用于吸收所述第一混合能源的热能，将热能用于所述二级热泵的循环工质的蒸发，所述第二压缩机(14)与所述风能子系统电连接，用于提高所述热泵循环工质压力，利用所述第二能源提升所述第一混合能源的能量品质得到第二混合能源，所述第二冷凝器(15)与所述太阳能子系统换热连接，用于将所述第二混合能源储存到所述太阳能子系统，所述第二节流阀(16)用于降低所述第二冷凝器(15)输出的热泵循环工质的压力；

所述第二冷凝器(15)还与所述蒸汽换热器换热连接。

5.根据权利要求4所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述太阳能子系统包括：

太阳能集热器(1)和储热装置；

其中，所述太阳能集热器(1)，所述储热装置和所述第一蒸汽发生器(4)三者通过三通相互连接，所述第二冷凝器(15)与所述储热装置换热连接，所述储热装置用于存储及释放吸收所述地热能源、所述第一能源和所述第二能源后的高温工质，以及换热后的低温工质。

6.根据权利要求5所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述储热装置包括：

高温储罐(2)和低温储罐(3)；

其中，热泵循环工质从所述低温储罐(3)中流出，与所述第二冷凝器(15)换热后，流入所述高温储罐(2)。

7.根据权利要求1所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述风能子系统包括：

风力发电机组(19)，电控装置(20)和控制中心(25)；

其中，所述风力发电机组(19)分别与所述电控装置(20)，所述蒸汽换热器，所述一级热泵以及所述二级热泵电连接；

所述电控装置(20)和所述控制中心(25)通信连接，用于控制所述第二能源对软化水进行三次加热和提升所述地热能源的能量品质以及连接外部电网(21)。

8.根据权利要求2所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述地热子系统还包括采油污水装置(S2)；

所述一级热泵还包括一级蒸发器(9)，所述一级蒸发器(9)与所述采油污水给水装置(S2)换热连接，用于吸收采油污水余热，在一级热泵循环中利用所述第二能源提升采油污水余热的能量品质，得到所述第一混合能源。

9.根据权利要求1所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述蒸汽换热器包括：

第二蒸汽发生器(22)和蒸汽过热器(23)；

所述蒸汽生产子系统还包括：

控制阀；

其中，所述第二蒸汽发生器(22)和所述蒸汽过热器(23)用于利用所述第二能源对软化水进行三次加热，所述控制阀用于控制所述地热能源，所述第一能源和所述第二能源的利用比例以及产生的蒸汽流量。

10.根据权利要求1所述的基于多能源互补的稠油热采注汽系统，其特征在于，所述基于多能源互补稠油热采注汽系统还包括：

运行控制子系统，包括第一控制模块(A)、第二控制模块(B)、第三控制模块(C)和第四控制模块(D)；

其中，所述第一控制模块(A)用于控制所述太阳能子系统的能量转化效率以及能量的存储和使用比例；所述第二控制模块(B)用于调整所述风能子系统的能量转化效率以及能量使用途径；所述第三控制模块(C)用于控制所述地热能源的开采效率以及利用方式；所述第四控制模块(D)用于调整蒸汽生产的热负荷以匹配所述地热能源，所述第一能源和所述第二能源的供应。

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