用于選擇性地生產(chǎn)來(lái)自太陽(yáng)能集熱器和加熱器的用于包括提高石油采收率過(guò)程的蒸汽的 ...的制作方法
【專利說(shuō)明】用于選擇性地生產(chǎn)來(lái)自太陽(yáng)能集熱器和加熱器的用于包括提高石油采收率過(guò)程的蒸汽的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年I月7日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/749，888的優(yōu)先權(quán)和2013年5月31日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/829，984的優(yōu)先權(quán)，此二者在此均通過(guò)參考并入。前述的申請(qǐng)文件和/或任何其它在此通過(guò)參考并入的材料若在一定程度上與本公開內(nèi)容沖突，則以本公開內(nèi)容為準(zhǔn)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本技術(shù)通常而言指向用于選擇性地自太陽(yáng)能集熱器和加熱器生產(chǎn)蒸汽的系統(tǒng)和方法，包括通過(guò)改變來(lái)自各個(gè)前述組件的能量貢獻(xiàn)增加用于提高石油采收率過(guò)程的蒸汽生產(chǎn)效率的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004]隨著化石燃料變得更加稀缺，能源行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出更為復(fù)雜的技術(shù)，將其用于開采在過(guò)去開采非常困難或昂貴的燃料。其中一種這樣的技術(shù)是將蒸汽注入含油地層以開放并減少石油的粘性。目前已存在幾項(xiàng)用于蒸汽注入的技術(shù)，它們時(shí)常被統(tǒng)稱為“熱提高石油采收率”或“熱E0R”。典型的蒸汽注入技術(shù)包括循環(huán)、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油(SAGD)以及運(yùn)用垂直和/或水平的注入井，或這些井的組合，同時(shí)帶有連續(xù)、可變速率和/或間歇性的蒸汽注入到每個(gè)井中的其它策略。
[0005]—個(gè)用于形成用于蒸汽注入的蒸汽的典型系統(tǒng)是燃料燃燒爐，其具有直流式配置或再循環(huán)式配置。其它蒸汽生成系統(tǒng)包括以連續(xù)方式運(yùn)行的余熱鍋爐。在一個(gè)從許多天到許多年的期間內(nèi)，熱EOR操作常常每天24小時(shí)都產(chǎn)生蒸汽。在連續(xù)蒸汽注入期間內(nèi)，蒸汽壓力和流速可能在某些情況下大致不變，而在其它情況下可能在一個(gè)預(yù)先確定的有限的幅度內(nèi)變化，或者根據(jù)預(yù)定計(jì)劃變化幅度更大。然而，關(guān)閉和打開蒸汽生成設(shè)備(例如每天)通常是不可取的，因?yàn)檫@種反復(fù)增加了與熱循環(huán)相關(guān)的設(shè)備維護(hù)，以及在閑置或備用期間內(nèi)發(fā)生腐蝕的更大可能性。
[0006]另一典型的蒸汽生成器是太陽(yáng)能蒸汽生成器，它能增強(qiáng)或替代燃料燃燒爐。太陽(yáng)能蒸汽生成器能替代燃料的使用、減少運(yùn)行成本、減少氣體排放、和/或增加熱采收工程中的石油產(chǎn)量。然而，由于有效太陽(yáng)輻射的日/夜模式，以及根據(jù)包括入射太陽(yáng)輻射的變化在內(nèi)的因素導(dǎo)致的能量生產(chǎn)率的變化，這樣的系統(tǒng)只能間歇地采集能量。由于上述的對(duì)連續(xù)蒸汽的需求，許多或大部分包含太陽(yáng)能蒸汽生成器的熱采收工程也會(huì)包含一個(gè)或多個(gè)燃料燃燒蒸汽生成器。這些燃料燃燒蒸汽生成器消耗液態(tài)或氣態(tài)的燃料，將其作為補(bǔ)充熱源，從進(jìn)入的液體水流中形成蒸汽。然而，這種太陽(yáng)能和燃料燃燒爐的組合通常是低效的，例如，因?yàn)樗鼈儼嗽S多額外成分、浪費(fèi)了能量、和/或具有過(guò)量或過(guò)剩的產(chǎn)量。因此，仍然存在著對(duì)高效太陽(yáng)能蒸汽生成系統(tǒng)的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1是根據(jù)本公開技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例配置的包括太陽(yáng)能集熱器、加熱器和控制器的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0008]圖2A是根據(jù)本公開技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例配置成在夜間運(yùn)行的圖1所示的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0009]圖2B是根據(jù)本公開技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例配置成在相對(duì)低入射輻射的條件下運(yùn)行的圖1所示的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0010]圖2C是根據(jù)本公開技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例配置成在相對(duì)高入射輻射的條件下運(yùn)行的圖1所示的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0011]圖2D是根據(jù)本公開技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例配置成在入射輻射達(dá)到峰值的條件下運(yùn)行的圖1所示的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0012]圖3是根據(jù)本技術(shù)的另一實(shí)施例配置的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0013]圖4是根據(jù)本技術(shù)的又一實(shí)施例配置的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0014]圖5是根據(jù)本技術(shù)的若干實(shí)施例描繪了來(lái)自太陽(yáng)能集熱器和加熱器的典型熱貢獻(xiàn)的曲線圖。
[0015]圖6是說(shuō)明了太陽(yáng)能輻射水平在一天的時(shí)間內(nèi)典型變化的曲線圖。
[0016]圖7A是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例配置的包括存儲(chǔ)介質(zhì)的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0017]圖7B是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例由太陽(yáng)能集熱器和加熱器的多重組合提供的油田的部分示意圖。
[0018]圖7C是根據(jù)本技術(shù)的另一實(shí)施例配置的具有存儲(chǔ)介質(zhì)和分離器的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0019]圖7D是根據(jù)本技術(shù)的又一實(shí)施例配置的具有閥裝置的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0020]圖7E是根據(jù)本技術(shù)的還一實(shí)施例具有閥裝置的系統(tǒng)的部分示意圖。
[0021]圖8A-8C是根據(jù)本技術(shù)的其它一些實(shí)施例具有管道和閥配置的系統(tǒng)的部分示意圖。
具體實(shí)施例
[0022]本技術(shù)通常而言指向用于選擇性地生產(chǎn)來(lái)自太陽(yáng)能集熱器和一個(gè)或多個(gè)額外加熱器(例如輔助的、補(bǔ)足的和/或補(bǔ)充的加熱器)的蒸汽的系統(tǒng)和方法。下文描述了本公開技術(shù)的若干實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)，參考配置成用于油井蒸汽注入的系統(tǒng)以提供對(duì)這些實(shí)施例的透徹理解，但在其它實(shí)施例中，代表性的系統(tǒng)能用于其它語(yǔ)境。為了清晰明確，在以下的描述中不會(huì)提到一些細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)描述了眾所周知的并經(jīng)常與蒸汽生成系統(tǒng)相聯(lián)系的、但可能不必要地使本技術(shù)的某些重要方面模糊不清的結(jié)構(gòu)或過(guò)程。此外，雖然以下的公開提出了本公開技術(shù)不同方面的若干實(shí)施例，但是本技術(shù)的一些其它實(shí)施例能具有不同于在本節(jié)所描述的那些配置和/或組件。因此，本公開技術(shù)可參考圖1-8C具有帶有額外組件、和/或沒有以下描述的若干組件的其它實(shí)施例。
[0023]以下描述的本公開技術(shù)的許多實(shí)施例可表現(xiàn)為計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的形式，包括由可編程計(jì)算機(jī)執(zhí)行的程序。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員會(huì)理解，能在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和/或控制器上或通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和/或控制器，而非那些下文所示和描述的，實(shí)現(xiàn)本技術(shù)。本技術(shù)能在特定編程、配置和/或創(chuàng)建的以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)下文描述的這些計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的專用計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)處理器上實(shí)現(xiàn)。因此，本文所用的術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)”和“控制器”與通常一樣，指的是任何適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理器，并能包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和便攜式設(shè)備(包括掌上電腦、可穿戴計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、多處理器系統(tǒng)、基于處理器或可編程的消費(fèi)性電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、小型計(jì)算機(jī)等)。
[0024]本技術(shù)也能在通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)程處理設(shè)備執(zhí)行任務(wù)或模塊的分布式環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。在分布式計(jì)算環(huán)境中，程序模塊或子程序可位于局部和遠(yuǎn)程記憶存儲(chǔ)設(shè)備上。以下描述的技術(shù)方面可存儲(chǔ)或分布在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，包括磁或光可讀或可移動(dòng)的計(jì)算機(jī)磁盤，以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)電子分布的。在特定的實(shí)施例中，特定的技術(shù)方面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸也被包含在本技術(shù)的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0025]以下描述的本技術(shù)的實(shí)施例包括產(chǎn)生蒸汽的系統(tǒng)，用于制造、裝配、編制、操作和/或控制這種系統(tǒng)的技術(shù)，以及用于指導(dǎo)該系統(tǒng)的使用、建造、開發(fā)和/或其它方面的方法。因此，本公開技術(shù)的多種實(shí)施例可包括由人或非人實(shí)體采取直接的行動(dòng)(例如，由人、機(jī)器、控制器、軟件或硬件)和/或指示任務(wù)得到完成(例如，由人、機(jī)器、控制器、軟件或硬件)。
[0026]圖1是用于產(chǎn)生蒸汽的整體系統(tǒng)100的部分示意圖。系統(tǒng)100包括一個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能集熱器120，該集熱器在控制器140的指示下可操作地被耦合到一個(gè)或多個(gè)加熱器110(為了描繪，其中之一如圖1所示)以將蒸汽提供給目標(biāo)130。加熱器110能補(bǔ)充由太陽(yáng)能集熱器120提供的能量，以便為目標(biāo)130提供相對(duì)不變的具有相對(duì)不變的質(zhì)量和/或其它特性的蒸汽流。在其它實(shí)施例中，太陽(yáng)能集熱器120和加熱器110能同時(shí)運(yùn)行，以產(chǎn)生不同數(shù)量和/或具有不同特性的蒸汽。在這些實(shí)施例的任何一個(gè)中，審慎地配置和控制前述組件的特征，當(dāng)與傳統(tǒng)的蒸汽生成系統(tǒng)相比時(shí)，以提高整體的效率和/或減少系統(tǒng)100的成本。這一點(diǎn)在下文還會(huì)進(jìn)一步描述。
[0027]圖1所示的系統(tǒng)100的實(shí)施例包括為太陽(yáng)能集熱器120和加熱器110提供液態(tài)水的水流系統(tǒng)150。太陽(yáng)能集熱器120和加熱器110轉(zhuǎn)而產(chǎn)生提供給目標(biāo)130的蒸汽。在一特定實(shí)施例中，目標(biāo)130包括耦合到一個(gè)或多個(gè)注入井131的歧管132，注入井131在熱提高石油采收率或熱EOR過(guò)程中被用來(lái)抽提石油。在其它實(shí)施例中，目標(biāo)130可以是任何數(shù)量的適當(dāng)?shù)挠谜羝鳛檩斎氲南到y(tǒng)和/或過(guò)程。當(dāng)目標(biāo)130是油田時(shí)，在特定實(shí)施例中，系統(tǒng)100可包括太陽(yáng)能集熱器120和加熱器110的多重組合，相互連接到共同的蒸汽流通網(wǎng)絡(luò)和一組共同的注入井131。
[0028]水流系統(tǒng)150可包括耦合到適當(dāng)絕緣的管道157的網(wǎng)絡(luò)的水源151 (例如，井、水箱、蓄水池、和/或前述元素的組合)。通常，管道在熱損失預(yù)計(jì)較為嚴(yán)重處是絕緣的，例如太陽(yáng)能集熱器120和/或加熱器110的下游。加熱器110的內(nèi)部元件也可以是絕緣的。而太陽(yáng)能集熱器120的至少一些元件不可以是絕緣的，以便不阻礙太陽(yáng)能集熱器120接收、采集太陽(yáng)輻射的能力，這一點(diǎn)將在下文進(jìn)行更詳細(xì)地討論。水源151將液態(tài)水提供給進(jìn)口裝置152(例如，容積栗、多級(jí)渦輪栗、或另一個(gè)栗、閥、或可控設(shè)備)，進(jìn)口裝置152轉(zhuǎn)而將水提供給進(jìn)口管道153。進(jìn)口管道153將液態(tài)水提供給太陽(yáng)能集熱器120和加熱器110。太陽(yáng)能集熱器120采集來(lái)自太陽(yáng)的入射輻射，而加熱器110產(chǎn)生來(lái)自地球燃料源的熱量。
[0029]在特定實(shí)施例中，加熱器110是適當(dāng)絕緣的氣體或其它包括一個(gè)或多個(gè)燃燒器111(為了描繪，在示意圖中以單一燃燒器ill出現(xiàn))并引導(dǎo)加熱的燃燒產(chǎn)物通過(guò)多個(gè)加熱器部分的其它燃料(例如化石燃料)加熱器。在一代表性實(shí)施例中，加熱器110包括第一加熱器部分113和第二加熱器部分114。第一加熱器部分113能像預(yù)熱器和/或節(jié)熱器一樣運(yùn)行，第二加熱器部分114能像蒸發(fā)器、輻射加熱器和/或過(guò)熱器一樣運(yùn)行。因此，燃燒器110引導(dǎo)熱燃燒氣體沿著廢氣通道首先通過(guò)第二加熱器部分114，接著通過(guò)第一加熱器部分113，再到達(dá)燃燒器排氣裝置112 (例如排氣排管)。因此，第二加熱器部分114接收最高溫度的加熱器氣體，第一加熱器部分113接收較低溫度的加熱器氣體。已加熱的水(例如蒸汽)在加熱器出口 116處離開加熱器110。廢氣再循環(huán)管道115能將廢氣從燃燒器排氣裝置112處再循環(huán)回到燃燒器111和/或其它加熱器元件，通過(guò)重新利用否則會(huì)損失到環(huán)境中的熱量以提高加熱器110的效率。再循環(huán)閥117控制廢氣是否以及在何種程度上被再循環(huán)。在特定實(shí)施例中，廢氣再循環(huán)被用來(lái)減少燃燒氣體中的氧氣含量，因而減緩燃燒、降低最高燃燒溫度、減少氮氧化物(NOx)和/或氣體污染物的形成。在這些實(shí)施例的另外方面，廢氣再循環(huán)起到了維持充足的氣流的作用，以維持有效的熱傳遞到加熱器110中的傳熱管(例如，維持高傳熱紊流)，并因此使得燃燒器110更容易被調(diào)低。正如將在下文更具體討論的，將燃燒器110調(diào)低有助于改善和/或優(yōu)化由太陽(yáng)能集熱器120和加熱器110提供的熱貢獻(xiàn)。
[0030]太陽(yáng)能集熱器120能包括集熱器進(jìn)氣歧管121 (可選)和集熱器出氣歧管122 (也是可選的)。集熱器進(jìn)氣歧管121通過(guò)采集管道157a(和/或其它適當(dāng)?shù)奶?yáng)能接收器)分配來(lái)水，采集管道157a接收來(lái)自一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能集中器125的經(jīng)聚光的太陽(yáng)能。集中器125可以是可移動(dòng)的，以便追蹤每日和/或季節(jié)性的太陽(yáng)相對(duì)位置的移動(dòng)。太陽(yáng)能集中器125在一些實(shí)施例中可包括槽型反射鏡，在其它實(shí)施例中可包括點(diǎn)聚焦、線性菲涅爾和/或其它聚光器。集熱器出氣歧管122采集已加熱的水(例如，處于液相和/或氣相)并將其提供給集熱器出口 124。平衡閥123能控制貫穿太陽(yáng)能集熱器120的水分配的方式。在如圖1所示的特定實(shí)施例中，太陽(yáng)能集熱器120包括管道157a的并聯(lián)布置。在其它實(shí)施例中，太陽(yáng)能集熱器120可包括串聯(lián)管道和/或并聯(lián)與串聯(lián)管道的組合。在任何這些實(shí)施例中，從太陽(yáng)能集熱器120流向集熱器出口 124的蒸汽可以通過(guò)加熱器110流動(dòng)和/或與已加熱的水結(jié)合，從加熱器110流到加熱器出口 116，再流到結(jié)合的或整體的蒸汽出口 156。從整體的蒸汽出口 156，蒸汽流到了目標(biāo)130。在任何這些實(shí)施例中，集熱器出口 124處的出口溫度和蒸汽濃度變化會(huì)很大。在一天中的某些時(shí)間，太陽(yáng)能集熱器120會(huì)被供低溫的水并遞送預(yù)熱的水。在其它時(shí)間，太陽(yáng)能集熱器120的輸出會(huì)是如下文中參考圖2A-2D所進(jìn)一步討論高溫、優(yōu)質(zhì)的蒸汽。
[0031]將加熱器110和太陽(yáng)能集熱器120連接到目標(biāo)130上的水流系統(tǒng)150，包括管道網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)管道連接155和根據(jù)許多操作模式引導(dǎo)水和蒸汽流動(dòng)的閥154。例如，水流系統(tǒng)150可包括第一連接155a和對(duì)應(yīng)的將水選擇性地引導(dǎo)到加熱器110和/或太陽(yáng)能集熱器120的第一閥154a。放置在靠近第二連接155b的第二閥154b和放置在靠近第三連接155c的第三閥154c共同將離開第一加熱器部分113的水流和蒸汽流引導(dǎo)到第二加熱器部分114和/或太陽(yáng)能集熱器120。放置在位于第四連接155d和第五連接155e之間的第四閥154d將蒸汽從集熱器出口 124引導(dǎo)到整體的蒸汽出口 156和/或通過(guò)第二加熱器部分114。
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