一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，包括太阳能集热子系统、热泵子系统、产蒸汽子系统和补燃及蓄能子系统；将清洁可再生的太阳能资源用于稠油热采领域，为稠油的清洁高效开采开辟新的途径，以太阳能代替部分化石能源，减少污染物的排放，通过热泵机组，可以充分利用大量油田污水余热，用于预热采油所需的蒸汽能够有效地提高系统的能量综合利用率，借助热泵机组和低温太阳能余热，高温太阳能和锅炉加热的模式，实现能量的“品位对口和梯级利用”，将减少能量利用过程中的不可逆损失，并提升系统运行的经济性，太阳能蒸汽生产方案采用双回路系统，可以更加灵活的根据注汽需求调控蒸汽参数。更加灵活的根据注汽需求调控蒸汽参数。更加灵活的根据注汽需求调控蒸汽参数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统


[0001]本专利技术涉及油田污水余热回收和太阳能热利用技术，具体涉及一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统。

技术介绍

[0002]稠油具有粘度高，开采难度大，炼制困难的特点，但由于其储量巨大，受到越来越广泛的关注。我国的石油对外依存度已超过50％，同时我国稠油储量占石油资源总储量的20％以上，推进稠油资源的开发利用对经济社会的可持续发展意义重大。随着节能环保意识不断增强，稠油资源的清洁高效开采也已成为石油行业的重要发展方向。
[0003]由于稠油粘度对温度敏感，研究表明，温度每升高10℃，稠油的黏度可能会下降一半左右。因此，目前稠油开发的思路主要围绕人工加热油层，降低稠油粘性展开，发展出了蒸汽循环吞吐，蒸汽驱，蒸汽辅助重力泄油和火烧油层等技术手段，其中蒸汽循环吞吐和蒸汽驱的应用最为广泛，我国稠油开采总量的80％以上依靠这两种方法进行。稠油热采过程中需要向油藏内注入大量水蒸气，将热量带入油藏，此过程中，生产蒸汽的费用占开发成本的比例在45％
‑
60％之间，每年用于生产注采水蒸汽的成本巨大。当前，油田的主要蒸汽生产设备为注汽锅炉，通过燃烧石油或天然气等化石能源加热给水生产蒸汽，其能耗高达原油开采过程总能耗的70％以上，是油田名副其实的耗能大户。
[0004]太阳能作为一种可再生能源，具有资源丰富，清洁环保的特点，已经成为能源领域的研究热点。我国有60％以上的国土年日照时长在2000小时以上，年平均辐射量超过0.6GJ/cm2，西藏、新疆、青海等地的太阳能资源最为丰富。此外，大庆油田、长庆油田和塔里木油田等主要油田都位于我国西部和北部太阳能资源丰富的区域，具备利用太阳能光热资源生产注采蒸汽的条件。
[0005]稠油热采过程中的注汽参数需根据地层和油藏条件确定，要求压力高于地层压力，到达地层的蒸汽具有一定的干度，以携带尽量多的热能。太阳能直接辐照的能量密度较低，需要通过聚光集热将太阳能收集起来，目前常见的聚光集热技术有抛物槽式、线性菲涅尔式、塔式和碟式，通过光学原理将太阳光汇聚到焦线或者焦点上，获得高温热能，加热导热工质。太阳能的集热温度根据聚光器种类和集热温度不同而有所差异，塔式和碟式集热装置采用双轴跟踪，聚光比较高，集热温度高于1000℃，槽式和线性菲涅尔式聚光装置为单轴跟踪，聚光比较低，集热温度为300
‑
400℃，可见，单轴跟踪聚光器的集热温度与注采水蒸汽加热参数更为匹配。
[0006]随着我国一些主要油田的开发进入中后期，采出液中的含水率达到90％左右，每天的污水处理量巨大，其温度在30
‑
80℃之间，是非常好的余热资源，每天的污水处理量达到百万立方米左右，实现如此大量油田污水余热的回收利用可大幅降低油田的能耗，提高经济效益。但由于油田污水温度较低，直接利用的价值不大。热泵可以利用温度较低的余热资源，提供一定的温升，已广泛应用于工业余热回收领域。但由于工艺和技术条件的限制，热泵存在升温极限，仅能提供100℃左右的热媒，利用起来仍然受到限制。
[0007]人类社会正在经历能源转型升级，油田污水余热是地热能的表现形式之一，和太阳能一样都是清洁的能源。现有的热采蒸汽生产方法消耗了大量的化石能源，同时排放污染物，不仅减少了能源净生产量，也不符合能源可持续的发展方向。借助丰富的太阳能和油田污水余热可以代替部分化石能源，但如何实现低温余热的回收和太阳能的可靠和稳定输出成为了亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0008]本专利技术所解决的问题：稠油热采过程需消耗和利用大量高温水蒸汽，目前，蒸汽生产主要依靠注汽锅炉，消耗了大量不可再生的化石能源，并排放污染物；另一方面，油田生产过程的热污水量巨大，具有一定利用价值。为此，本专利技术构建一种利用油田污水余热和太阳能生产蒸汽的系统，力争实现稠油的清洁开采。
[0009]技术方案：一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，其特征在于，包括太阳能集热子系统、热泵子系统、产蒸汽子系统和补燃及蓄能子系统；
[0010]太阳能集热子系统：包括非聚光型太阳能集热器和线聚光太阳能集热镜场，所述非聚光型太阳能集热器可以选择平板式或者真空管式，所述线聚光太阳能集热镜场可以选择抛物槽式或线性菲涅尔式，给水S1首先经过非聚光型太阳能集热器预热，然后利用线聚光太阳能集热镜场加热生产蒸汽；
[0011]热泵子系统：包括热泵机组和烟气换热器，所述热泵机组包括蒸发器、压缩机、冷凝器、吸收器和节流阀，烟气换热器回收锅炉排烟余热，提高热泵机组热源温度；
[0012]产蒸汽子系统：包括给水泵，蒸汽发生器，蒸汽过热器和原油换热器，给水S1经预热后由给水泵调整压力参数，依次通过蒸汽发生器和蒸汽过热器加热生产水蒸汽；
[0013]补燃及蓄能子系统：包括热水储罐和锅炉，热水储罐储存经过预热的给水S1，提高进入锅炉的给水温度。
[0014]作为本专利技术中一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统的一种优选方案：所述太阳能集热子系统中，经过软化处理的给水S1分别经过非聚光型太阳能集热器和热泵机组预热，然后经给水泵利用线聚光太阳能集热镜场的热能加热。
[0015]作为本专利技术中一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统的一种优选方案：所述给水泵可使两股热水混合后经过给水泵升压，然后送入蒸汽发生器和蒸汽过热器内吸收导热工质的热量生产水蒸汽。
[0016]作为本专利技术中一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统的一种优选方案：所述产蒸汽子系统中：
[0017]a、所述热泵机组为压缩式热泵，且包含蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀，以油田污水作为热源，在蒸发器内使热泵工质吸热蒸发，工质蒸汽经过压缩机压缩后在冷凝器内冷凝，放出热量加热给水S1，然后经过节流阀回到蒸发器；
[0018]b、所述烟气换热器的设置可使油田污水S2首先在烟气换热器内吸收烟气余热，以此提高热泵机组热源温度，减少热泵升温温差，提高机组效能系数，所述烟气换热器可使用非接触式换热器或直接接触式换热器，提高回收烟气余热效率。
[0019]作为本专利技术中一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统的一种优选方案：所述产蒸汽子系统中经线聚光太阳能集热镜场加热的导热工质依次通过蒸汽过
热器和蒸汽发生器将热量传递给给水S1，然后重新被送入线聚光太阳能集热镜场吸收聚光太阳热能，给水S1被加热成为水蒸汽，注入采油井内。
[0020]作为本专利技术中一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统的一种优选方案：所述真空管式非聚光型太阳能集热器包含真空集热管，所述太阳能集热镜场在吸收太阳能时，由于太阳能辐照强度不稳定，通过监测抛物槽式太阳能集热镜场出口导热工质的温度，调节真空集热管内导热工质的流动速度，减少真空集热管的热损失，提高集热效果，同时避免局部温度过高引起导热工质热分解和真空集热管高温环境下由于热应力过大引起损害。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，其特征在于，包括太阳能集热子系统、热泵子系统、产蒸汽子系统和补燃及蓄能子系统；太阳能集热子系统：包括非聚光型太阳能集热器(1)和线聚光太阳能集热镜场(5)，所述非聚光型太阳能集热器(1)可以选择平板式或者真空管式，所述线聚光太阳能集热镜场(5)可以选择抛物槽式或线性菲涅尔式，给水S1首先经过非聚光型太阳能集热器(1)预热，然后利用线聚光太阳能集热镜场(5)加热生产蒸汽；热泵子系统：包括热泵机组(2)和烟气换热器(9)，所述热泵机组(2)包括蒸发器、压缩机、冷凝器、吸收器和节流阀，烟气换热器(9)回收锅炉(8)排烟余热，提高热泵机组(2)热源温度；产蒸汽子系统：包括给水泵(3)，蒸汽发生器(6)，蒸汽过热器(7)和原油换热器(10)，给水S1经预热后由给水泵(3)调整压力参数，依次通过蒸汽发生器(6)和蒸汽过热器(7)加热生产水蒸汽；补燃及蓄能子系统：包括热水储罐(4)和锅炉(8)，热水储罐(4)储存经过预热的给水S1，提高进入锅炉(8)的给水温度。2.根据权利要求1所述的一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，其特征在于，所述太阳能集热子系统中，经过软化处理的给水S1分别经过非聚光型太阳能集热器(1)和热泵机组(2)预热，然后经给水泵(3)利用线聚光太阳能集热镜场(5)的热能加热。3.根据权利要求2所述的一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，其特征在于，所述给水泵(3)可使两股热水混合后经过给水泵(3)升压，然后送入蒸汽发生器(6)和蒸汽过热器(7)内吸收导热工质的热量生产水蒸汽。4.根据权利要求1所述的一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，其特征在于，所述产蒸汽子系统中：a、所述热泵机组(2)为压缩式热泵，且包含蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀，以油田污水作为热源，在蒸发器内使热泵工质吸热蒸发，工质蒸汽经过压缩机压缩后在冷凝器内冷凝，放出热量加热给水S1，然后经过节流阀回到蒸发器；b、所述烟气换热器(9)的设置可使油田污水S2首先在烟气换热器(9)内吸收烟气余热，以此提高热泵机组(2)热源温度，减少热泵升温温差，提高机组效能系数，所述烟气换热器(9)可使用非接触式换热器或直接接触式换热器，提高回收烟气余热效率。5.根据权利要求4所述的一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，其特征在于，所述产蒸汽子系统中经线聚光太阳能集热镜场(5)加热的导热工质依次通过蒸汽过热器(7)和蒸汽发生器(6)将热量传递给给水S1，然后重新被送入线聚光太阳能集热镜场(5)吸收聚光太阳热能，给水S1被加热成为水蒸汽，注入采油井内。6.根据权利要求5所述的一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，其特征在于，所述真空管式非聚光型太阳能集热器(1)包含真空集热管，所述太阳能集热镜场在吸收太阳能时，由于太阳能辐照强度不稳定，通过监测抛物槽式太阳能集热镜场出口导热工质的温度，调节真空集热管内导热工质的流动速度，减少真空集热管的热损失，提高集热效果，同时避免局部温度过高引起导热工质热分解和真空集热管高温环境下由于热应力过大引起损害。
7.根据权利要求6所述的一种基于热泵和聚光太阳能互补的稠油热采蒸汽生产系统，其特征在于，所述锅炉(8)与线聚光太阳能集热镜场(5)互补：有太阳能辐照时：给水S1经过非聚光型太阳能集热器(1)预热后经抛物槽式太阳能集热镜场加热生产蒸汽；无太阳能辐...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐辉，董臣强，杨元亮，李凤名，梁建军，陶建强，孙立柱，刘京煊，宫剑飞，王辉，周航兵，史林青，樊静，李鹤飞，樊宏帅，王军，
申请(专利权)人：中石化新疆新春石油开发有限责任公司中石化石油工程设计有限公司，
类型：发明
国别省市：