一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统的制作方法

技术特征：
1.一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，包括太阳能集热子系统(a)、风力发电子系统(b)、蒸汽生产子系统(c)、运行控制子系统，所述太阳能集热子系统(a)收集太阳辐射能为蒸汽生产提供清洁热能，所述风力发电子系统(b)将风动力能高效地转化为电能，调整电力参数后为系统提供电能，蒸汽生产子系统(c)遵循能量品位对口原则综合利用热能与电能生产满足稠油热采需要的蒸汽，所述运行控制子系统实时调整各装置的运行状态，并动态优化蒸汽生产过程中热能与电能供应比例，确保系统能量的稳定供应与蒸汽生产的能量消耗协调匹配；太阳能集热子系统(a)：由太阳能集热镜场(1)(槽式太阳能集热器)、高温储热罐(5)、低温储热罐(6)、第一工质循环泵(2)、第二工质循环泵(7)和循环回路组成，所述高温储热罐(5)和低温储热罐(6)组合成储热装置，太阳能集热子系统(a)利用槽式集热器将分散的太阳能汇聚为高能流密度的热能并传递给导热工质，吸热后的工质在循环泵的驱动下将热能提供给蒸汽生产子系统(c)或进入高温储热罐(5)和低温储热罐(6)进行储存；所述太阳能集热镜场(1)接收将汇聚的高能流密度的太阳辐射能转化为高温热能传递给导热工质或水蒸汽，接收器根据需要可选择真空集热管和腔体式形式；风力发电子系统(b)：由风力发电机组(8)、电控装置(9)和外部电网(10)组成，所述电控装置(9)包括变压器与输电设备，风力发电机组(8)获取环境风动力能并实现动能向电能的高效转化，产生的电能经过电控装置(9)调节后提供给系统用电装置；所述电控装置(9)为系统提供电能，并且将外部电网(10)连接作为系统的备用能源加以调节，系统电能不足时由外界电网输入电能，对应地富余电能向电网输送；蒸汽生产子系统(c)：由软化水储罐(14)、给水泵(15)、第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)、第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)、第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)、控制阀(a-f)组成；所述蒸汽生产子系统(c)用于储存符合蒸汽生产标准的软化给水，给水泵(15)为蒸汽注入提供所需的压力，升压后的水进入第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)、第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)和第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)；所述运行控制子系统包含中心控制器(17)，所述运行控制子系统分为三个控制模块，如下所示：控制模块a：采用视日运动轨迹跟踪调节集热镜场聚光角度，并调整太阳能集热子系统(a)的热能储存与释放过程；控制模块b：调整风力发电子系统(b)，并根据系统蒸汽生产电力需要灵活调度风力发电子系统(b)的电能；控制模块c：协同控制蒸汽生产流程中热负荷与系统供能匹配关系。2.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述聚光集热镜场由多个聚光集热单元组成，每个单元包括聚光镜、集热器和跟踪驱动装置，采用线聚光方式，实现对太阳能的跟踪和收集，太阳辐射能经过槽式集热镜汇聚到真空集热管，再由导热工质将热能传递给蒸汽发生器或储存在高温储热罐(5)中，实现对热能的储存与利用，采用双罐储热实现热能的储存与释放，根据系统的能量调度需要，蓄热时来自低温储热罐(6)的导热工质输送至镜场吸收太阳辐射热，吸热后的高温工质输送到高温储热罐(5)储热，放热时高温储热罐(5)的工质流入换热器，换热后的工质流入低温
储热罐(6)以此实现储热与放热的工质循环过程。3.根据权利要求2所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述工质循环方式包括以下五种：1)、稳态循环流动：在太阳辐射集热量与第一蒸汽发生器(换热器)(3)和第二蒸汽发生器(换热器)(4)的热负荷相等，关闭控制阀a、b与高温储热罐(5)、低温储热罐(6)的通路，导热工质在第一工质循环泵(2)的作用下，依次通过各槽式太阳能集热镜场(1)中的各个太阳能集热单元，吸收太阳能辐射能并将热能传递到第一蒸汽发生器(换热器)(3)以及第二蒸汽发生器(换热器)(4)用于蒸汽生产，形成闭式循环；2)、太阳能蓄热流动：在太阳辐射集热量大于第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)的热负荷需求时，调整控制阀b，第一工质循环泵(2)将来自低温储热罐(6)与第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)的出口的导热工质输送至太阳能集热镜场(1)中吸收太阳辐射热，随后工质经控制阀a分为两部分，一部分通过第二蒸汽发生器(换热器)(4)满足蒸汽生产的热负荷需求，另一部分的高温工质输送到高温储热罐(5)中；3)、电蓄热流动：风力发电机组(8)的供电量富余时，低温储热罐(6)中的冷却工质经工质加热器(13)加热，进入高温储热罐(5)中储存，电蓄热与高温储热罐(5)其它蓄放热过程互不影响，可同时进行；4)、光储互补流动：在太阳辐射集热量小于第一蒸汽发生器(换热器)(3)和第二蒸汽发生器(换热器)(4)的换热需求时，需要从高温储热罐(5)中补充部分热工质，通过第一工质循环泵(2)、第二工质循环泵(7)与控制阀a共同调节，使太阳能集热镜场(1)与高温储热罐(5)的工质共同流入第一蒸汽发生器(换热器)(3)和第二蒸汽发生器(换热器)(4)，换热后的工质经控制阀b分为两部分，一部分流入低温储热罐(6)，另一部分进入槽式太阳能集热镜场(1)再次循环；5)、储热独立供热流动：在太阳能集热镜场(1)无法获得辐射热时，换热器第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)和第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)的热量全部由储存热能供给，此时控制阀a、b与太阳能集热镜场(1)的通路关闭，高温储热罐(5)中的高温工质流经第二工质循环泵(7)、第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)，冷却后流入低温储热罐(6)中。4.根据权利要求3所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述风力发电机组(8)将风力转化为电能，产生的电能经变压输送装置输送给用电力消耗设备，其中利用电能驱动的第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)和第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)用于生产蒸汽，蒸汽过热器(18)用于对注入蒸汽的热力参数做最后调整，在风力发电量不足以满足系统用电负荷需求时，可以选择直接由外部电网(10)输入电能，极端情况时可全部由外部电网(10)输入电能满足系统的蒸汽生产的负荷需要，在风力发电量富余时，由工质加热器(13)将富余的电力加热低温储热罐(6)中的低温工质，并输送到高温储热罐(5)中，将电能转化为热能储存，储热能力达到上限时，剩余电能由电控装置(9)升压后向电网供电。5.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述蒸汽生产子系统(c)中蒸汽加热流程由控制子系统的控制模块b调节，理想
环境条件下，给水经过软化储水罐软化储存，软化后由给水泵(15)升压，通过第二蒸汽发生器(换热器)(4)、第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)过热，根据风能和光能的能量品质差异，梯级利用太阳能和风电生产符合注采标准的高温水蒸汽，最终输入注汽井(16)内。6.根据权利要求5所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述运行控制子系统中：所述控制模块a采用视日运动轨迹跟踪，太阳光线传感器实时采集太阳辐射强度和入射角度，经中心控制器(17)计算处理后输出跟踪信号，由跟踪驱动装置调整镜场聚光角度，保证最佳的集热效率，同时，根据能量调策略，及时调整第一工质循环泵(2)和控制阀a、b，控制工质的流量与循环方式，以此实现储热装置的蓄热和放热的切换，具体调整方式如下；所述控制模块b根据风力传感器获取的风力风向参数调整风力发电机组(8)运行状态，并且提前预测风力发电量，对电力供应进行预先调度；所述控制模块c根据太阳能集热子系统(a)与风力发电子系统(b)的供能情况优化蒸汽生产过程中能量利用方式，实时调节控制阀f、e及控制阀c、d和给水泵(15)，以调整蒸汽生产中的热能与电能的消耗比例，将注入蒸汽的参数反馈给控制系统进行及时调整，风力发电机组(8)产生的电能经过电控装置(9)首先输送给第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)、第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)转化为热能用于蒸汽生产，富余的电能通过工质加热器(13)将电能储存为热能，最后超出储热限度的电能升压后输送至外部电网(10)，当系统用电负荷无法由风力发电系统满足时选择从外界电网输入电能，保证蒸汽生产的连续性。7.根据权利要求6所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述控制模块b可控制系统采用以下六类运行模式：
①
、独立光热模式：系统的风力发电量为零，蒸汽生产的热负荷全部由第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)提供，此时控制阀f、控制阀d与电驱动的第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)、第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)的通路关闭，蒸汽的生产流程为：软化水储罐(14)经给水泵(15)加压，后依次经过第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)加热为高温蒸汽，随后经蒸汽过热器(18)调整参数后最终注入井内，而导热工质流动方式存在下三种：稳态循环流动、太阳能蓄热流动、太阳能热与储热互补流动；
②
、独立电热模式：系统的太阳能集热量与储热量为零时，蒸汽生产热负荷全部由第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)提供，此时控制阀f、d与第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)的通路关闭，蒸汽的生产流程为：软化水储罐(14)经给水泵(15)加压，后依次经过第一蒸汽发生器(换热器)(3)、第二蒸汽发生器(换热器)(4)成为高温蒸汽，随后经蒸汽过热器(18)调整参数后最终注入井内，当风力发电机组(8)供电量不足时由外部电网(10)补充，导热工质循环方式为电蓄热流动或停止循环；
③
、无储能风光互补产汽模式：系统的风光能量供应刚好满足蒸汽生产热负荷需求，蒸汽生产过程为：软化水流经给水泵(15)、控制阀f、第二蒸汽发生器(换热器)(4)、后被控制阀c分为两部分，一部分经控制阀d和第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)，另一部分经第一蒸汽发生器(换热器)(3)加热，随后共同汇入控制阀e，最终注入井筒，由于热电效应产生的热源温度高于太阳能集热热源，故风力发电产生的电能主要用于第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)、蒸汽过热器(18)的高温加热段，导热工质的热量则大部分用于蒸汽低温加热段，以此
提高换热温差实现热量的充分利用，此时导热工质的流动方式为稳态循环流动；
④
、光蓄热风光互补产汽模式：系统的风光能量供应大于蒸汽生产热负荷需求时，蒸汽生产过程为：软化水由工质泵加压，流经控制阀f后根据优先利用电加热的原则将水分为两部分，一部分流入第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)，另一部分流入第一蒸汽发生器(换热器)(3)，而第二蒸汽发生器(换热器)(4)出口的水蒸汽由控制阀c分为两部分，一部分由第一蒸汽发生器(换热器)(3)加热、另一部分由蒸汽发生器加热，过热蒸汽最终经控制阀e汇合，由蒸汽过热器(18)调整热力参数后注入井内，对风力发电子系统(b)，电力全部用于电能消耗设备第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)、第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)和蒸汽过热器(18)，对太阳能集热子系统(a)，工质循环方式为太阳能蓄热流动，采用该种方式电能优先用于加热水/蒸汽可以提高换热温差实现热量的充分利用，优先储存来自太阳能集热产生的热量，原因在于电能的储存需要首先经过工质电热器加热熔盐，而后熔盐与水进行换热，属于二次加热，优先储存太阳能集热量有利于降低能量损失；
⑤
、风光蓄热电产汽模式：系统的风电足以满足蒸汽生产需求，蒸汽生产过程与
②
独立电热模式一致，对风力发电子系统(b)电能除用于第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)与第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)产生蒸汽外，将富余电力用于工质加热器(13)，存储到高温储热罐(5)，对太阳能集热子系统(a)，工质流动方式为电蓄热流动与太阳能蓄热流动同时进行；
⑥
、风光储互补产汽模式：系统的风光产热能力能小于蒸汽生产需求时，蒸汽生产过程与互补产汽模式一致，此时风力发电子系统(b)中电能全部用于第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)必要时从外界输电保证第一蒸汽发生器(电热驱动)(11)和第二蒸汽发生器(电热驱动)(12)的供能，对太阳能集热子系统(a)，工质流动方式处于太阳能与储热互补流动，或在无太阳能集热时的储热装置独立供热流动。8.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述太阳能集热镜场(1)用于将能量密度较低的太阳能聚集成高能流密度的辐射能，集热方式可选择槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。9.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述储热装置将系统富余的能量以热能形式储存，在系统能量供应不足时予以补充，以降低系统能量波动，通过改变导热工质循环方式实现热能的储存与释的切换。10.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述风力发电子系统(b)中，在系统电能富余时向外部电网(10)供电，反之外部电网(10)作为风力发电子系统(b)备用能源保证系统整体电能供应。11.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述风力发电机组(8)包括叶轮、齿轮箱、发电机、塔架，用于获取环境风能将风能高效地转化为电能。12.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述蒸汽生产子系统(c)中，采用直接换热与电驱动加热的形式生产符合生产需求的水蒸汽；蒸汽生产过程中可以通过调整蒸汽生产的控制阀改变生产流程，以此实现蒸汽生产热负荷与系统能量供应相互匹配。13.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其
特征在于，所述中心控制器(17)采用优化算法，根据风光资源的实时变化，并对系统发电量与集热量进行预测，对可能出现的供能变化进行预先调整与优化，将能量品位高的风力电能用于蒸汽生产的高温阶段，太阳能热能则用于温度相对较低的加热阶段，使风力电能和太阳热能与蒸汽生产不同阶段所需不同品质的能量相互匹配，优化能量利用方式。14.根据权利要求2所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述储热工质可选择熔盐或导热油。15.根据权利要求1所述的一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统，其特征在于，所述电控装置(9)包括变压器，发电控制器换热输电装置，用于控制风力发电过程的电压、电流和相位参数。

技术总结
本发明涉及一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统。一种风-光-储互补协同的蒸汽生产及辅助稠油热采系统包括太阳能集热子系统、风力发电子系统、蒸汽生产子系统、运行控制子系统，该方案充分利用太阳能与风能此类可再生资源为稠油热采提供蒸汽，替代了传统蒸汽生产中的直接燃料化石燃料的模式，减少了对环境的污染，将显著促进可再生能源的开发与利用，通过综合利用太阳能与风能互补特性，有效降低了单一能源系统的波动性，提高了蒸汽生产的稳定性。根据辐射热能与风力发电电能的不同特点，差别化互补利用，做到了能量的品位对口及综合梯级利用，显著提高可再生能源的利用效率，降低开发成本。降低开发成本。降低开发成本。


技术研发人员：杨元亮 刘小波 荣雁 朱铁军 陶建强 宫剑飞 关松涛 王辉 周航兵 徐辉 苗春华 马旭 尹沂文
受保护的技术使用者：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
技术研发日：2021.08.11
技术公布日：2023/2/17