Декокинг

С февраля 2022 года ситуация с поставкой импортного высокотехнологичного оборудования для переработки нефти резко обострилась. Поставка нового оборудования и запасных частей к нему даже при наличии договоренности с производителем легко блокируется таможенными службами стран-экспортеров, блокируется в том числе и по схемам параллельного импорта.

Во многих случаях аналогов такого оборудования в РФ не производится. К числу таких позиций относится большая часть комплекса оборудования для установок замедленного коксования

Замедленное коксование - заключительный этап глубокой переработки нефти. В результате процесса образуются отходящие газы коксования, пропан-пропилен, бутан-бутилен, нафта коксования, легкий газойль коксования (ЛГК), тяжелый газойль коксования (ТГК) и основной продукт – твердый нефтяной или каменноугольный кокс.

Исходным продуктом для коксования является смесь одного или нескольких видов углеводородов, таких как вакуумные остатки, остатки производства масел, смолы, гудроны, битумы и др. Эта смесь поступает на установку через резервуарный парк или напрямую с других технологических установок НПЗ.

Основной продукт процесса - нефтяной кокс является высококачественным топливом, используется в производстве вяжущих материалов — цемента, извести и гипса. Кокс так же широко используется в качестве исходного сырья в производстве электродов для дуговых электропечей, контакторов и многих других изделиях. Легкие продукты коксования являются сырьем для последующей переработки.

Рисунок 1. Схема установки замедленного коксования, где: 1,3 – реакторы, 2 – вышка, 4 – режущий инструмент, 5 – резервуар с водой, 6 – клапан декокинга, 7 – насос 

Удаление кокса из камер.

В результате процесса замедленного коксования в реакторах 1 и 3 образуется твердый кокс, занимающий весь объём реактора. Процесс извлечения кокса из камер называют декокингом. Декокинг осуществляется методом гидравлической резки и выполняется в два этапа. На первом этапе (Рисунок 1) посредством режущего инструмента 4 в слое кокса реактора 3 с завершенным процессом коксования бурят отверстие. Бурение осуществляется подачей воды посредством электроприводного насоса 7 из резервуара 5 в вертикальные форсунки режущего инструмента. При этом режущий инструмент 4, установленный на буровой штанге, постепенно опускается до дна реактора 3.

Второй этап – разрезка кокса на пласты и удаление его из камеры через открытый шибер в ее нижней части. Резка кокса на пласты осуществляется при подачи воды в горизонтальные форсунки режущего инструмента.

Вода для резки подается мощным насосом 7 под давлением от 270 до 320 бар с расходом до 350 м3/час. Для предотвращения частых пусков и остановов насоса, применяется специальный гидравлический 3-х ходовой регулирующий клапан 6 – клапан декокинга. Переключение режимов работы режущего инструмента с режима бурения на режим резки осуществляется автоматически и управляется подачей напора клапаном декокинга.

Этапы гидравлической резки проиллюстрированы на Рисунке 2.

Рисунок 2. Режимы декокинга

Результаты и обсуждения (Results and discussion)

Инструмент гидроабразивной резки – это двухходовой автоматически переключаемый клапан высокого давления, который состоит из автоматического переключателя, распределителя потока с клапаном и боковых форсунок и блока нижних форсунки. Переключение подачи воды в вертикальные и горизонтальные форсунки осуществляется автоматически при каждом увеличении/снижении давления воды, подаваемой в инструмент.

Схема инструмента гидроабразивной резки представлена на Рисунке 3.

Рисунок 3. Схема инструмента гидроабразивной резки

При проектировании изделия приняты технические параметры прототипа, его алгоритм работы и габаритно-присоединительные размеры, обеспечивающие замену оригинального изделия без какой-либо доработки другого оборудования установки замедленного коксования. Размеры и форма деталей, технология их получения, способы соединения могут отличаться от прототипа.

Основные технические характеристики ИГР соответствуют приведенным в Таблице 1 и не уступают характеристикам импортного аналога – Autoswitch Cutting Tool ACT6”2500# RUHRPUMPEN GMBH (Германия).

Таблица 1.

Технико-экономические параметры продукта и их значение	Инструмент гидроабразивной резки	Autoswitch Cutting Tool ACT6”2500# RUHRPUMPEN GMBH (Германия)
Рабочая среда	Вода с остатками кокса размером до 1 мм
Расход рабочей среды при максимальном давлении, м³/ч	От 100 до 300	272
Максимальное давление рабочей среды, МПа	От 10 до 30	29
Температура рабочей среды, °С	От + 5 до +90	От + 5 до +80
Установка форсунок	Съёмное, с фланцевым креплением, с герметичным уплотнением, обеспечивающее замену в процессе эксплуатации
Переключающее устройство	Съёмное, с фланцевым креплением, с герметичным уплотнением, обеспечивающее замену в процессе эксплуатации, обеспечивающее ручное переключение режима. Взаимозаменяемое с изделиями аналогами разных поколений.	Съёмное, с фланцевым креплением, с герметичным уплотнением,
Количество групп автоматически переключаемых форсунок	2
Количество горизонтально расположенных форсунок	2 (группа 1)
Количество вертикально расположенных форсунок	1 (группа 2)
Количество форсунок, расположенных под углом к вертикали	3 (группа 2)
Подключение к подающему трубопроводу	Фланцевое по ГОСТ или ANSI по требованию заказчика	Фланцевое по ANSI
Номинальный диаметр подающего трубопровода, дюйм	От 4 до 6	6
Способ переключения подачи рабочей среды между группами	Автоматический, при подаче/отключении рабочего давления в подающем трубопроводе
Максимальный диаметр инструмента, мм	350
Материалы основных деталей	По ГОСТ	По EN
Высота инструмента, мм	836
Масса инструмента, кг		320

Клапан регулирующий, трехходовой системы гидрорезки кокса предназначен для управления потоком воды, используемой в качестве рабочей среды при гидроабразивной резке кокса. Процесс резки кокса выполняется с использованием инструмента гидроабразивной резки в колоне и делится на две этапа (Рисунок 2):

- бурение вертикальной шахты подачей воды под высоким давлением;

- разрезание пласта на пластины, которые под собственным весом обрушаются в низ реактора.

Этапы бурения и резки повторяются многократно до полного освобождения реактора. Последовательное и плавное переключение подачи воды в инструмент или байпасную линию осуществляется Клапаном. Внешний вид клапана приведен на Рисунке 3.

Рисунок 3. Внешний вид клапана трехходовой системы гидрорезки кокса.

Клапан является полностью собранным агрегатом состоящим из главного и байпасного клапана с интегрированными фланцами для подключения, прокладками, шпильками и гайками для подключения внешних линий, с устройством ступенчатого понижения давления, базовым корпусом включающим в себя шестеренный редуктор, узел кулачкового вала, узел направляющих, вал для подключения энкодера, съёмные элементы для установки датчиков конечных положений, присоединительные элементы для датчиков давления, дренажный клапан и устройство измерения уровня масла.

Основные технические характеристики Клапана соотвествуют данным Таблицы 2 и соответствуют характеристикам импортного аналога – Клапана трехходовой системы гидрорезки кокса DCV-6”х 6”х3 изготавливаемого фирмой Elwood corporation, США.

Таблица 2.

Технико-экономические параметры продукта и их значение	Клапан регулирующий, трехходовой системы гидрорезки кокса	Decoking Control Valve DCV-6”х 6”х3, ELWOOD CORPORATION
Рабочая среда	Вода с остатками кокса размером до 5 мм
Расход рабочей среды, м3/час Максимальный расход рабочей среды, м3/час	От 100 до 272 350	272 350
Расход рабочей среды через байпасную линию м3/час	От 70 до 140	140
Максимальное давление рабочей среды, МПа	29	28,61
Максимальное давление рабочей среды на входе в байпасный клапан, МПа	32	31,57
Температура рабочей среды, °С	От + 5 до +90	От + 5 до +80
Время хода - из положения «Bypass» в положение «Prefill», сек - из положения «Prefill», в положение «FullFlow», сек - из положения «FullFlow», в положение «Bypass», сек	ориентировочно 10 ориентировочно 30 ориентировочно 20
Подключение основной линии (вход/выход)	Фланцевое по ASME B16.5 6” 2500 lbs, тип RTJ или по ГОСТ по согласованию с заказчиком	Фланцевое по ASME B16.5 6” 2500 lbs, тип RTJ
Подключение байпасной линии	Фланцевое по ASME B16.5 3” 300 lbs, тип RF Или по ГОСТ по согласованию с заказчиком	Фланцевое по ASME B16.5 3” 300 lbs, тип RF
Материал корпуса основного и байпасного клапана	Нержавеющая сталь по ГОСТ в виде отливки или поковок	Нержавеющая сталь по ANSI в виде отливки или поковок
Тип и материал уплотнения клапана главной линии	Металл по металлу, нержавеющая сталь по ГОСТ	Металл по металлу, нержавеющая сталь по ANSI
Тип и материал уплотнения байпасного клапана	Металл по металлу, нержавеющая сталь по ГОСТ	Металл по металлу, нержавеющая сталь по ANSI
Материал внутренних деталей основного и байпасного клапана контактирующих с рабочей средой	Нержавеющая сталь по ГОСТ	Нержавеющая сталь по ANSI
Материал корпуса основания (привода)	Углеродистая конструкционная сталь по ГОСТ	Углеродистая конструкционная сталь по ANSI
Привод клапана	Электродвигатель 380 В, 50 Гц, 1,1 кВт
Управление
Сигнализация	- 2 датчика положения сигнализирующие положение «FULL FLOW» и «BYPASS» типа Pepperl&Fuchs NJ2-12GK-SN или аналог
Энкодер	Обеспечивает сигнал самостоятельно или в составе с дополнительным преобразователем 0-360°, 4-20 мА В вариантном исполнении обеспечивает цифровой сигнал по выбранному пользователем протоколу связи	Обеспечивает сигнал самостоятельно или в составе с дополнительным преобразователем 0-360°, 4-20 мА
Климатическое исполнение	УХЛ1 по ГОСТ 15150	Не определено
Габаритные размеры, мм	1500х1000х1800
Масса, кг	2875	2900

Функционирование клапана описывается диаграммой, приведенной на Рисунке 4. Фазы работы клапана декокинга приведены в Таблице 3.

Рисунок 4. Диаграмма фаз работы клапана декокинга

Таблица 3. Фазы работы клапана декокинга

Положение клапана	Описание
Начало процесса декокинга
0°	Начало процесса декокинга, байпасный клапан открыт, насос работает. Привод клапана начинает вращение кулачкового вала и байпасный клапан начинает закрываться
20°	Толкатель главного клапана начинает подъем, начало открытия главного клапана
85°	Байпасный клапан закрыт, главный клапан продолжает открываться
Начало цикла предварительного заполнения
50°-80°	Двигатель привода останавливается в позиции «Предварительное наполнение» для заполнения линии гидрорезки. Когда время предварительного заполнения истекло привод клапана начинает вращение кулачкового вала. Байпасный клапан остается полностью закрытым, главный клапан продолжает открываться.
Режим резания
200°-205°	Главный клапан достигает полностью открытого положения, привод клапана останавливается в положении 200°. Оборудование в режиме полного расхода и давления.
Завершение цикла резания
235°	Главный клапан начинает закрываться
295°	Байпасный клапан начинает открываться, поток из главной магистрали перенаправляется в байпасную линию.
350°	Главный клапан закрыт.
Режим байпасирования
355°-15°	Привод клапан остановлен в положении 0°. Байпасный клапан полностью открыт, главный клапан закрыт. Поток полностью проходит через байпасую линию.

Таблицы 1 и 2 показывают, что параметры изделий не уступают, а в некоторых случаях превосходят параметры импортных аналогов, допускают адаптацию оборудования для установки на различные УЗК. Оборудование может подключаться к внешним системам как с использованием стандартов ГОСТ, так и стандартов ANSI используемых в оборудовании прототипов.

В ходе реализации проекта проведены следующие работы:

- эскизирование с рабочих образцов инструмента гидравлической резки и клапана трехходовой системы гидрорезки кокса;

-  произведена замена импортных материалов на отечественные, с последующими термическими обработками, как и у аналогов, согласно замерам твёрдости и спектральному анализу деталей

- созданы 3D модели для проработки технологии литья для ИГР;

- сделана пробная отливка, для исследования проливаемости стали и получения нужной марки стали 08Х14Н7МЛ по ГОСТ 977-88, для корпусных отливок (ИГР и КГРК);  

- создана рабочая модель ИГР для анализа срабатывания узла автоматического переключения режимов работы;

- создана рабочая модель КГРК для проверки правильности работы по углам и соблюдения рабочей диаграммы клапана;

- произведен расчёт потоков воды по давлению и скорости, согласно расчёта произведена оптимизация каналов корпуса распределительного и выпрямителя ИГР;

- произведен расчёт потоков воды по давлению и скорости главной секции и секции перепускного клапана;

- проведены испытания отдельных деталей ИГР и КГРК на прочность/плотность.

Рисунок 5. Распределение скоростей в прямых проходах

Рисунок 6. Распределение скоростей в боковых проходах

Рисунок 8. Распределение давлений в боковых проходах

Рисунок 7. Распределение давлений в прямых проходах