水力除焦设备技术发展及在辽河石化焦化装置的应用.doc

水力除焦设备技术发展及在辽河石化焦化装置的应用王志（辽河石化公司焦化车间 124022） 摘要： 延迟焦化作为重质劣质原料加工的重要手段，在重油加工中的地位越发突出。除焦系统设备是焦化装置的核心设备，其技术的先进性及可靠性对确保焦化装置安全平稳长周期运行具有举足轻重的作用，文章对我国近年来的除焦设备技术发展状况进行了简单地论述。并对其在辽河石化超稠原油焦化装置的应用情况进行了总结。 关键词： 水力除焦 水涡轮 切焦器 程序控制 发展 应用1 前言 延迟焦化是一项用于加工重质原料的成熟工艺技术，其原料适应性强，可加工催化裂化不适宜加工的原料，同时相对于重油加氢而言，装置投资低。随着世界劣质原油（如高硫、高沥青质、高密度、高粘稠、高重金属、高酸值等原油）产量的逐年增加，焦化成为劣质重油加工的首选工艺，焦化装置在重油加工中的地位越发突出，其发展速度明显加快。除焦作为焦化装置中重要的一个操作过程，其技术的发展对促进延迟焦化工艺的发展特别是装置大型化具有举足轻重的作用，对确保装置安全平稳长周期运行也具有极为重要的意义。经过多年吸收引进应用国外技术，并通过不断研发改进创新，我国焦化装置的除焦技术己接近或达到国外水平，某些方面甚至超过国外水平。在我国新建焦化装置中，除焦设备基本实现国产化，如高压水泵、除焦控制阀、高压球阀、自动钻孔切焦器、水力除焦程序控制系统等，同时提高了自动化水平。本文以辽河石化公司（以下简称公司）超稠原油焦化装置及国内几家焦化装置为例，对除焦设备技术发展及应用情况进行简单论述。2 高压水泵、除焦控制阀、自动联合钻孔切焦器、水力除焦程序控制系统2.1 高压水泵 水力除焦系统是用高压水泵将除焦水通过工艺管线在钻具处的喷嘴处汇聚成高压高速的线束，利用此线束来将焦炭切碎，从而达到除焦的目的因此，高压水泵是整个水力除焦设备中的心脏设备，决定着焦炭塔单塔处理能力和焦炭塔的直径。随着焦化装置大型化的发展，焦炭塔的直径增大，达到8000mm以上，最大的焦炭塔目前直径达到12200mm，这对高压水泵提出了更高的要求，扬程及流量必须相应大幅度提高，扬程由小直径焦炭塔时的1600m 左右提高到2000m以上，如中石化上海高桥分公司炼油厂1.40mt / a 的焦化装置，焦炭塔直径为8800mm，高压水泵的扬程为2850m，流量为255 m3h ：扬子石化2004 年新建投产的1.60mt / a 焦化装置，焦炭塔直径为9400mm ，高压水泵的扬程达到了3300m ，流量为300 m3h 。以往由于国内高压水泵制造能力的限制，高压水泵进口居多，进口高压水泵尽管性能相对较好，但成本较高，一般单台使用，无备用设备，一旦出现重要问题，受配件的备用的限制及其它因素的影响，维修时间长，容易造成装置非计划停工。齐鲁石化l.40mt / a 焦化装置高压水泵采用美国进口（单台），开工2个月后，因轴承故障导致装置非计划停工。国产高压水泵近年来制造技术水平取得了长足进展，能满足焦化装置除焦的需要，同时造价较低，一般2台国产高压水泵的费用仍低于1台进口高压水泵的费用，可2台一开一备使用，这样在1台高压水泵出现故障维修时不至于导致装置非计划停工。中石油在苏丹投资建设的焦化装置采用浙江科尔（合资）公司生产的高压水泵；辽河石化公司超稠原油焦化装置采用沈阳水泵厂生产高压水泵，参数如下：流量：280m3 / h ；扬程：2920m；轴功率：3150kw。公司焦化装置自2004 年9 月20 日开工以来，高压水泵运行3年，效果良好。2.2 除焦控制阀 除焦控制阀又称三位阀是整套除焦设备中的一个重要组成部分。高压水泵出水经过管道进入除焦控制阀阀体，通过该阀电控部分的控制，实现阀的全关水位、预允水位和全开水位的顺序动作，完成除焦的过程。其主要工作原理是：除焦控制阀的阀体为三位三通换向阀，执行机构的气缸采用双作用气缸，通过控制回路控制活塞上下移动，从而使阀芯处于不同位置，实现控制阀的工作位置的调节。国内自主开发研制的除焦控制阀具有一阀多用的特点，一台除焦控制阀可以同时代替泵出口阀、回流阀，由于装有预充、降压孔板，有效降低了高压水产生的水锤现象。目前，国产除焦控制阀主要为襄樊航生石化环保设备有限公司生产的新型除焦控制设备，该设备具有技术先进、操作平稳、使用方便等特点，在国内新建焦化装置得到了广泛应用，基本取代进口除焦控制阀，应用效果良好，公司超稠原油焦化装置应用的国产除焦控制阀一直运行平稳。2.3 自动联合钻孔切焦器 在最初的焦化装置中，切焦器的钻孔与切焦状态的转换通过手动切换来完成，即将钻具提出塔外人工操作切焦器上的换向钮，实现钻孔与切焦状态的转换。后来，逐步研制成功压差式自动切换切焦器，并得到应用，该型式主要利用压差原理，通过弹簧元件改变切焦与钻孔的界定水压压力（钻孔压力小于切焦压力），进而改变水流方向，不需将钻具提出塔外，在塔内任一位置实现钻孔与切焦的自动转换，但弹簧元件易老化失效，故障时，需采用人工堵喷嘴方式除焦，影响工作效率。中石化集团公司通过攻关研制成功的自动切换联合钻孔切焦器，采用回零压力切换的工作原理，通过除焦程序控制系统控制，将供切焦器使用的高压水打回流，然后再供水入切焦器，实现钻孔、切焦过程完全自动化进行，具有自动、高效节能、设计使用压力高等特点。自动切换联合钻孔切焦器主要由本体及换向阀（二位四通阀）组成，阀芯位于阀套内，将阀套分为上下两个空腔，空腔与二位四通阀相通。当高压水进入切焦器，一部分水流通过旁路进入二位四通阀，推动柱塞齿条移动，由棘轮-棘爪间歇运动机构完成高压水的换向，通过高压水的一次有效切换，即可实现孔位与切焦位的转换。如今该型式及在此基础上改进的自动切换联合钻孔切焦器己在国内炼厂多数焦化装置中应用，大大提高了切焦工作效率。2.4 水力除焦程序控制系统 水力除焦程序控制系统是对全部除焦设备进行控制、显示、实现安全连锁，对整个除焦过程钻具位移模拟数字显示的电气控制系统。在消化吸收引进国外技术的基础上，国产化的水力除焦程序控制系统己达到国外类似产品的水平，能够对全部除焦设备的操作，实现显示、自动控制和安全连锁。钻具位移模拟显示系统，可以以米为单位显示钻具在焦炭塔内的位置。除焦控制阀、钻机绞车和高压水泵的工况得到了完整的显示，安全连锁防止了误操作的发生，保证了操作工人和设备的安全，只有在塔位和钻机选择正确、各相关阀门开关位置正确、除焦控制阀工况正确的情况下，高压水泵才具备启动条件，防止可能发生的操作事故。公司水力除焦程序控制系统由襄樊航生石化环保设备有限公司生产，目前应用良好。3 水涡轮减速机及焦炭塔自动顶盖、底盖装卸机的研发与应用3.1 水涡轮减速机 早期焦化装置除焦过程中，切焦器是由风动马达通过风动水龙头驱动钻杆旋转而实现切焦的功能，切焦器由风动马达驱动存在工作时噪音大、冬季易损坏、钻杆摆动大等缺点，不利于切焦设备平稳运行。水涡轮减速机是取代风动马达驱动切焦器旋转的应用在除焦系统中的一种新型设备，其上与钻杆相连接，其下与切焦器相连接，传输高压水，除焦时，钻杆作垂直上下运动，高压水驱动水涡轮带动切焦器在作上下运动的同时作低速回转运动，实现在焦炭塔内作钻孔切焦的功能其主要工作原理是：高压水经过钻杆从水涡轮上部的压盖内孔进入水涡轮，经过定子和转子，带动转子旋转，从而带动传动轴旋转，在摆线针轮减速机构的作用下使输出轴反向低速旋转，同时高压水在经过体外导流管再次流入壳体从输出轴注入切焦器。 水涡轮减速机在刚应用时存在密封易泄漏、使用寿命相对较短等问题，通过近几年的不断改进己发展为全流量外流式分体结构型式由襄樊航生石化环保设备有限公司研发生产。该结构型式水涡轮减速机具有切焦力矩大、密封性能好的特点，此外，在除焦水的流动方而采用外部流动方式，这样除焦水不通过减速器，减速器单独设置润滑油路并可靠密封，减小了减速机锈蚀磨损，大大提高了水涡轮的使用寿命。切焦器由水涡轮减速机驱动与由风动马达通过风动水龙头带动钻杆驱动相比，优点如下： 应用水涡轮减速机除焦，钻杆作垂直上下运动不作回转运动，只有水涡轮带动切焦器在作上下运动的同时作低速回转运动，这样在整个除焦过程中，钻杆摆动非常小，有利于除焦过程的顺利进行。而应用风动马达、风动水龙头除焦，整个钻杆既作垂直上下运动，又作回转运动，摆动较大，特别是除焦到中下部时，尤为明显，易造成风动马达损坏，更换频繁，且容易发生卡钻、抱钻等问题。 噪音低。应用水涡轮减速机除焦，噪音大大降低，改善了工人的操作环境（特别是冬季），更有利于操作工人控制除焦过程，防止除焦发生意外。 节能。应用水涡轮减速机除焦，节省了风的消耗量。 全流量外流式分体水涡轮减速机在结构上增加了限位装置，使针齿座不会在壳体内打滑而造成高速轴转动低速轴不转动的故障。图1水涡轮减速机辽河焦化装置中应用 日前，全流量外流式分体水涡轮减速机已在多家已建和新建焦化装置中应用，如长岭石化（3年）、苏丹炼厂、广州石化、茂名石化、兰州石化、九江石化、中山石化、锦西石化等，效果良好，同时水涡轮减速机与风动马达、风动水龙头互为备用这样在水涡轮减速机出现故障时，不需将水涡轮减速机拆下，可直接启用风动水龙头除焦，水涡轮减速机在辽河石化焦化装置中应用现场如图1 所示。辽河石化公司2006年在装置小修时安装全流量外流式分体水涡轮减速机，改善除焦工况。3.2 焦炭塔自动顶盖机的研制与应用 焦炭塔顶盖因焦化装置工艺生产的特殊性，需频繁拆卸、安装（每除焦一次，塔顶盖至少拆卸、安装一次），顶盖与塔口用法兰连接，法兰一周约30 多个螺栓（视塔口直径而定），法兰与法兰间的密封形式采用八角钢圈垫密封，通过螺栓的预紧力压紧钢环。以往，焦炭塔顶盖的拆卸、安装一直采用人工手动操作，借助悬臂吊架（即可以转臂的手拉葫芦），人工旋转顶盖。人工手动拆卸、安装焦炭塔顶盖，一方面，工作时间长，影响除焦进程，且工人劳动强度大：另一方面，频繁手动安装焦炭塔顶盖，易导致密封面受力不均，长时间会造成密封面受损，影响密封效果，需经常更换八角垫，严重时，顶盖法兰本体密封面也受损，造成焦炭塔生产过程中顶盖法兰泄漏，影响装置安全平稳生产，国内各大炼化公司开工时间较长的焦化装置焦炭塔顶盖处都有不同程度的泄漏，另外，因频繁拆卸、安装螺栓，螺栓易损，需定期更换不同数量螺栓，并且在处理焦炭塔紧急情况时，人工拆卸顶盖的危险性较大。 上世纪九十年代，美国最先研制了一种自动顶盖机，但因我国焦炭塔口型式及材料性能的限制，该结构自动顶盖机我国焦化装置中应用存在一定的难度。随着国内各大炼化公司对焦化装置重视程度的提高，除焦系统设备技术在不断更新提高。襄樊航生石化设备有限公司在北京院和中石油兰州石化分公司、中石化九江石化分公司的协作下，研发了技术性能先进的焦炭塔自动顶盖机。 该自动顶盖机在结构上采用六油缸结构，四缸压紧，两缸启闭，免螺栓，可实现自动开关顶盖的目的，且不需要辅助手段即可实现塔口密封。自动顶盖机主要由机械部分、液压部分、电气控制三大部分组成。机械部分主要由压盖、抱箍、启闭油缸，铰支座、压紧油缸、活动勾爪、导板等几部分组成，如图2 所示。抱箍为两个半圆环，可通过螺栓联接为一个整体，环抱在塔上部的塔颈上，作为顶盖机的油缸的安装基础。压盖与原塔顶盖法兰联接，使之可与启闭油缸联接，并可承受压紧油缸施加的预紧力。启闭油缸两端分别与压盖和抱箍铰接，与铰支座组合，通过启闭油缸的伸缩动作可实现塔盖的开启和关闭。通过压紧油缸的伸缩动作可使活动勾爪在导向板的导槽里活动，实现对压盖的压紧与释放。压紧油缸的活塞杆上设有环槽，当压紧油缸收缩至极限位置时，碟簧被压紧，碟簧的预紧力作用于活动勾爪上，同时自锁油缸将自锁块推进活塞杆的环槽里，这样在生焦过程中，可使液压油站停止工作，由碟簧提供持续的密封力。另外在顶盖法兰的密封面的上下两侧分别钻孔，并通入1.0mpa的汽封蒸汽，保证在顶盖法兰本体密封面受损的情况下，油气不会泄露，保证装置安全生产。 襄樊航生石化设备有限公司生产的焦炭塔自动顶盖机首先在中石化九江石化分公司首次开工中应用，效果极佳，现场应用状况如图3，之后在锦西石化、兰州石化应用，同样取得了满意的效果。图2 自动顶盖机结构示意图图3 自动顶盖机在辽河石化应用现场 焦炭塔自动顶盖机的应用大大降低了操作人员的劳动强度，提高了开关顶盖的速度（开顶盖需2 分钟时问）和操作的安全性，同时，大大提高了顶盖的密封效果，对确保焦化装置安全平稳长周期运行起到了积极的作用。辽河石化公司焦化装置在2006年装置小修时安装焦炭塔自动顶盖机项目，目前使用效果比较满意。3.3 焦炭塔自动底盖机的研制 焦炭塔自动底盖机同样可实现焦炭塔底盖的自动开启和密封，可以完全免除人工螺栓锁紧操作，大大降低除焦工人的劳动强度，提高生产效率。同时在焦炭塔因工艺操作原因水放不净时，可直接开启塔底盖，防止因人工拆卸塔底盖螺栓发生安全事故。相比于焦炭塔自动顶盖机，焦炭塔自动底盖机的研制与制造难度较大。国外90年代己研制成功焦炭塔自动底盖机并应用，但价格昂贵（dn1800口径的焦炭塔自动底盖机费用约1800万元人民币），国内大多数炼厂难以承受。日前，国内襄樊航生石化设备有限公司已制造出焦炭塔自动底盖机样机，但产品较笨重，己建装置的焦炭塔平台基础无法满足该底盖机重量的强度要求，该试验产品一直未应用，需进一步改进。