Роль правильного выбора средств измерений в процессе замедленного коксования

Современное развитие промышленности и стремительное развитие технологий предъявляют повышенные требования к процессам предприятий, особенно в нефтегазовой отрасли. Одним из важнейших процессов в нефтеперерабатывающей промышленности является замедленное коксование, который направлен на получение кокса с заданными физикохимическими свойствами.

Технологический режим является ключевым элементом в обеспечении эффективного коксования, при этом одними из основных влияющих параметров процесса являются температура и давление, оптимальное сочетание которых позволяет достичь высокой производительности и качества продукции. Так, к примеру, при повышении температуры процесса наблюдается увеличение механической прочности кокса, что одновременно сопровождается уменьшением его выхода. Кроме того, отмечается уменьшение пенообразования, повышающее эффективность производ- ства, но возрастает скорость закоксовывания труб печи установки, что требует дополнительных мероприятий и затрат на их очистку и, в самом неблагоприятном случае, на ремонт установки.

Одним из основных способов обеспечения надлежащего качества кокса, получаемого в процессе замедленного коксования, является постоянный контроль и регулирование температуры и давления. При этом определяющее значение для получения достоверных результатов имеет выбор и настройка средств измерений (СИ), используемых для контроля данных параметров. Автоматизация процесса с использованием современных СИ и метрологических систем позволяет не только контролировать его основные параметры, но и корректировать их в режиме реального времени.

Таким образом, целью данной работы является оценка влияния правильного выбора средств измерений температуры и давления в процессе замедленного коксо- вания на его эффективность для одного из отечественных предприятий нефтехимиче ской отрасли.

Рассмотрим в общем виде работу уста новки замедленного коксования.

Установка (рисунок 1) предназначена для получения кокса из тяжелых остатков переработки нефти (гудрона, полученного из карбоновой нефти, девонской нефти, а также смесей перечисленных гудронов и тяжелого газойля).

Рис. 1. Типовая схема установки замедленного коксования

(1 - блок коксовых камер, 2 - печь коксования, 3 - блок фракционирования, разделения газа, нафты (нестабильного бензина), легкого газойля коксования, тяжелого газойля коксования).

Продуктами процесса замедленного коксования являются кислый газ, нафта (нестабильный бензин), легкий газойль, тяжелый газойль и нефтяной кокс. Нефтяной кокс представляет собой твердый пористый продукт черного цвета с характерным металлическим блеском, состоящий на 87-97% из углерода, на 1.5-8.0% из водорода, остальное - азот, кислород, сера и металлы. Небольшое содержание гетероэлементов и металлов, а также возможность изменением структуры (например, путем прокаливания при высоких температурах) увеличивать электропроводность делают нефтяной кокс незаменимым материалом, используемым в ряде отраслей промышленности [2].

Один из основных этапов технологического процесса замедленного коксования происходит в печах установки. На качество кокса существенно влияет температура нагрева сырья в печи. От температуры зависит содержание летучих веществ в коксе. Обычно производят кокс с содержанием летучих от 6 до 8 %. В результате получается более твердый кокс, лучше подходящий для производства алюминия при благоприятных структуре и содержания примесей. При постоянных давлении и коэффициенте рециркуляции выход кокса с увеличением температуры в камере коксования снижается. Так как суммарный тепловой эффект коксования отрицательный, для завершения процесса необходима теплота, которую обеспечивает печь (рис. 2). Если температура слишком низка, реакция протекает недостаточно глубоко и происходит образование битума или мяг- кого кокса (полукокса). Если же она чрезмерно высока, то образуется очень твердый и трудно удаляемый из камеры кокс. Высокие температуры также усиливают коксообразование в трубах змеевиков печи и соединительных трубопроводах. Таким образом, температуру на выходе печи и соответствующую температуру паров в камере коксования необходимо поддерживать в узких пределах. Хотя и желательно повысить температуру в камере коксования, чтобы компенсировать потерю выхода жидких продуктов вследствие переработки более тяжелого сырья, реальный запас температуры для этого часто бывает недостаточно велик [3].

На закоксовывание труб змеевиков печи в течение рабочего цикла печи указывает рост температуры их поверхности, а также увеличение давления в потоках сырья. За счет низкой теплопроводности кокса по мере роста его отложений уменьшается диаметр труб, что приводит к повышению давления, а также увеличивается температура стенок труб, что приводит к их перегреву и прогару [4].

При закоксовывании труб змеевиков возникает необходимость регулярной чистки змеевиков в процессе работы печи. Существует множество способов очистки, но большинство из них связаны либо с очень жесткими условиями проведения (например, высокая температура), либо с необходимостью отключения секции печи, либо с полной остановкой технологической установки, что в свою очередь приводит к простою оборудования, дополнительным расходам на химические реагенты и трудозатраты персонала, увеличению расходов на обслуживание, ремонт и замену деталей и компонентов, и, как следствие, к потере производительности, снижению выработки продукции и финансовых показателей предприятия [5].

В «з меры коксования

Рис. 2. Типовая схема автоматизации печи

В связи с вышесказанным более целесообразным с точки зрения «профилактики» процесса закоксовывания оборудования является постоянный мониторинг температуры поверхности труб змеевиков печи в течение рабочего цикла, а также давления в сырьевых потоках с использованием СИ с требуемыми для получения достоверных результатов метрологическими характеристиками.

В таблице 1 представлены результаты мониторинга технологических параметров элементов радиантного змеевика установки замедленного коксования. Как следует из представленных данных, колебания давления и температуры происходят в узком интервале значений. Отсюда следует, что для определения причины колебаний и принятия соответствующих мер необходимо использовать более точные и чувствительные СИ давления и температуры. К примеру, некорректные показания температуры в реакционной зоне могут привести к неполной конверсии углеводородов и образованию дополнительных нежелательных продуктов, что отразится на качестве продукции, повышении энергозатрат и состоянии окружающей среды.

Таблица 1. Характеристика технологических параметров элементов радиантного змеевика

№ трубы	Закоксованный змеевик (требуется проведение очистки)		Чистый змеевик
	Давление сырья, МПа	Температура стенки труб, ºС	Давление сырья, МПа	Температура стенки труб, ºС
1	2,38	590	1,89	440
2	2,36	594	1,87	445
3	2,34	598	1,86	450
4	2,31	601	1,84	455
5	2,29	605	1,82	460
6	2,27	609	1,81	464
7	2,24	613	1,79	469
8	2,22	616	1,77	474
	макс. 2,38	макс. 616	макс. 1,89	мин. 440

На предприятии для контроля температуры и давления при эксплуатации змеевиков реализована автоматизированная система, в которую входят преобразователи давления с капиллярным удлинителем и мембранным разделителем типа EJX530 фирмы «YOKOGAWA» (страна-изготовитель – Япония) и термоэлектрические преобразователи температуры поверхности змеевиков типа ТС 65 фирмы «Endress+Hauser» (страна-изготовитель – Германия).

Технологические параметры процесса коксования, приведенные в таблице 1, указывают на осуществление эксплуатации вышеуказанных СИ в высокотемпературной среде (в процессе периодической очистки змеевиков методом отслаивания с использованием водяного пара высокой температуры), способствующей существенному износу разделительной мембраны преобразователей давления, что приводит к увеличению погрешности измерения и, в конечном итоге, к поломке и непригодности СИ.

Используемые СИ имеют следующие недостатки:

• -    высокая стоимость – приборы EJX530 и ТС 65 являются одними из самых дорогих на рынке, их стоимость значительно превышает аналогичные модели других производителей;

• -    нестабильность измерений – в силу конструктивных особенностей СИ марки ТС 65 не предусматривает работу в условиях высоких температур, в связи с чем могут выдавать ошибочные данные при периодической очистке змеевиков, что, в свою очередь, требует оперативной замены СИ на новые в условиях непрерывности контроля параметром процесса;

• -    длительные сроки поставки – поставки приборов EJX530 и ТС 65 могут занять значительное время из-за сложных логи-

• стических цепочек и ограниченной доступности;

• -    технические ограничения – устройства EJX530 не всегда могут обеспечить необходимую функциональность или точность измерений во всех сценариях использования;

• -    слабая техническая поддержка – производители не всегда осуществляют необходимую техническую поддержку или предоставляют документацию при решении проблем с указанными СИ.

В связи с вышесказанным была поставлена задача замены используемых на предприятии СИ температуры и давления зарубежных производителей на СИ отечественного производства с лучшими метрологическими характеристиками, что, наряду с вопросами обеспечения эффективности процесса коксования, позволило бы также решить актуальную проблему им-портозамещения. Для решения поставленной задачи на первом этапе работ был осуществлен выбор образцов СИ отечественного производства и проведен срав- нительный анализ их метрологических характеристик.

Существует несколько основных рекомендаций правильного выбора СИ при решении конкретной измерительной задачи:

• -    конструкция СИ должна соответствовать конструктивным параметрам контролируемого изделия (вал или отверстие);

• -    предел измерения должен быть больше измеряемого (номинального)

размера;

• -    диапазон показаний по шкале прибора должен быть больше величины контролируемого допуска;

• -    предельная погрешность измерения должна быть меньше допускаемой погрешности Δ ≤ δ;

• -    срок службы;

• -    показатели надежности;

• -    дополнительные характеристики.

Сравнительный анализ метрологических характеристик импортных и отечественных СИ температуры и давления представлен в таблице 2 и 3.

Таблица 2. Сравнительный анализ метрологических характеристик средств измерений давления

Средство измерение, используемое на предприятии: Преобразователь (датчик) давления измерительный EJX 530, производства "Yokogawa Electric China Co., Ltd.", Япония		Альтернативное средство измерения: Преобразователь давления измерительный Сапфир-22МП-ВН-ДИ, производства АО «Теп-локонтроль»	Альтернативное средство измерения: Датчик давления ЭМИС-БАР 173 производства ЗАО «ЭМИС»
Наименование метрологических и технических характеристик	Значения	Значения	Значения
Диапазон    измерения давления, МПа	от -0,01 до 70	от 0 до 2,5	от -0,1013 до 70
Пределы   допускаемой основной  приведенной погрешности, %	от ±0,025 до ±0,6	от ±0,1 до ±0,5	±0,1
Межповерочный интервал, мес	36	60	60
Средний срок службы, лет	20	25	30
Наработка на отказ, ч	180000	270000	220000

Таблица 3. Сравнительный анализ метрологических характеристик средств измерений температуры

Средство измерение, используемое на предприятии: Преобразователь термоэлектрический TC 65, производства "Endress+Hauser Sicestherm S.r.L.", Германия		Альтернативное средство измерения: Датчик температуры ТП-0198/3, производства ООО НПП "ЭЛЕМЕР"	Альтернативное средство измерения: Датчик температуры КТХА Ex 01.35, производства ООО "ПК "ТЕ-СЕЙ"
Наименование метрологических и технических характеристик	Значения	Значения	Значения
Диапазон измерения температуры, ºС	от -40 до 1000	от -40 до 1100	от -40 до 1250
Класс допуска	1 (±0,004·|t|)	1 (±0,004·|t|)	1 (±0,004·|t|)
Межповерочный интервал, лет	2	2	1
Средний срок службы, лет	10	15	15
Показатель тепловой инерции не более, с	2,5 (при τ 0,50 )	40 (при τ 0,63 )	4 (при τ 0,63 )
Количество рабочих спаев	1	1	1
Вероятность   безотказной работы	30000 часов	35000 часов	0,95 за 8000 часов
Дополнительные характеристики	Отсутствует	Спец. исполнение наконечник под приварку к поверхности измерения.	Спец. исполнение для монтажа на трубе змеевика камеры печи

Из представленных в таблице 2 и 3 видно, что отечественные СИ давления марок Сапфир тип 22ДИ от компании «Тепло-прибор», СИ температуры тип ТП-0198/3 от ООО НПП «ЭЛЕМЕР» и СИ температуры тип КТХАEx01.35 от ООО «ПК ТЕ-СЕЙ» по своим метрологическим характеристикам превосходят импортные аналоги - являются более точными для измерений параметров процесса. Также немаловажным является тот факт, что альтернативные СИ легко устанавливаются, специально изготовлены и оборудованы монтажным комплектом для измерения поверхности технологического оборудования, имеют долгий срок службы и хорошую устойчивость к воздействию внешних факторов, могут работать в различных условиях окружающей среды, обладают высокой надежностью и стабильностью показаний и требуют минимального обслуживания.

Датчики отличаются высоким качеством и функциональностью, что делает их популярными среди специалистов в области автоматизации и контроля параметров технологических процессов. Использование датчиков давления и температуры отечественного производителя предоставляют возможности в поддержке отечественной экономики и развитии отече- ственной промышленности. В случае необходимости замены компонентов СИ или их ремонта обращение к отечественному производителю облегчает процесс обслуживания из-за более быстрой и удобной логистики, существует возможность воспользоваться более оперативной технической поддержкой и гарантийным обслуживанием. Продукция отечественных производителей соответствует местным нормативам и стандартам качества, что важно при оценке соответствия требованиям, а приборы отечественного производства более доступны с точки зрения стоимости из-за отсутствия необходимости перевозки из-за рубежа и уплаты таможенных пошлин.

На следующем этапе работ были проведены экспериментальные исследования для проверки соответствия результатов измерений с использованием альтернативных СИ реальным значениям. В эксперименте участвовали указанные в таблице 3 СИ температуры и указанные в таблице 2 давления. Для каждого измерительного прибора были выполнены серии измерений одного и того же параметра.

Полученные данные были обработаны и визуализированы в виде графиков – для каждого СИ был построен график зависи- мости давления сырья (рис. 3) и температуры поверхности труб змеевиков (рис. 4) от числа измерений, демонстрирующие различия между результатами измерений, полученными с использованием основного и альтернативного приборов. В серии измерений одного и того же параметра параллельно участвовали два измерительных прибора – основной и альтернативный. Каждое измерение было повторено несколько раз для обеспечения достоверности результатов.

Полученные данные показали, что результаты измерений, проведенные с использованием альтернативных средств из- мерений, имели некоторое отклонение от ожидаемых значений. Однако, анализ различий показал, что эти отклонения были в пределах допустимой погрешности, приближённо к нормирующему значению.

Таким образом, можно сделать вывод, что альтернативные средства измерений, использованные в данном исследовании, соответствуют требованиям точности и надежности и рекомендуются в использовании для измерения и контроля температуры и давления при эксплуатации змеевиков печей на установках замедленного коксования.

Рис. 3. Измерение давления при эксплуатации змеевиков в печи

Рис. 4. Измерение температуры при эксплуатации змеевиков в печи

В заключение можно сказать, что правильный выбор средств измерений играют решающую роль в процессе замедленного коксования. Это позволяет повысить производительность процесса, оптимизировать расход ресурсов, увеличить качества воздействие на окружающую среду. Разработка и внедрение новых технологий и средств измерений в процесс замедленного коксования могут стать ключевым фактором в повышении эффективности нефтеперерабатывающих предприятий.

продукта на выходе и снизить негативное