Были проведены исследования различных струеформирующих устройств гидравлических резаков при давлениях Р = 20,0–24,5 МПа. На основании проведенных исследований и опытно-конструкторских работ была разработана новая конструкция струеформирующего устройства, которая в настоящее время реализована в серийно выпускаемых гидравлических резаках типа ГРУ-3МУ.
Ключевые слова: установка замедленного коксования, гидравлическая выгрузка кокса, гидравлические резаки, струеформирующие устройства, сопла, успокоители потока
В процессе гидроудаления кокса на установках замедленного коксования (УЗК) струи большой мощности формируются в специальных устройствах — гидравлических резаках. Их рациональная конструкция обеспечивает создание наивыгоднейших условий гидроудаления кокса из реакторов УЗК.
ГУП ИНХП РБ созданы современные комбинированные универсальные гидравлические резаки ГРУ-3Р, ГРУ-3МУ и ГРУ-4. Особенностями этих резаков является компактность, относительно небольшая масса и универсальность применения. Данные модификации гидрорезаков успешно в течение длительного времени эксплуатируются в России, странах СНГ, Индии и Румынии [1].
В табл. 1. приведены показатели, достигнутые гидрорезаками, разработанными ГУП ИНХП РБ.
Таблица 1
Показатели гидроудаления кокса на УЗК
|
Показатели |
Марки гидрорезаков |
||
|
ГРУ-3Р |
ГРУ-3МУ |
ГРУ-4 |
|
|
Достигнутая максимальная производительность выгрузки кокса, м3/ч |
249 |
250 |
261 |
|
Удельный расход воды, м3/м3 кокса |
0,95 |
0,94 |
0,77 |
|
Удельный расход электроэнергии, кВтч/м3 кокса |
9,4 |
9,3 |
7,6 |
Одним из важных вопросов совершенствования технологии гидроудаления кокса из реакторов установок замедленного коксования (УЗК) является рациональное использование кинетической энергии струи для разрушения кокса. Эффективность резки кокса в значительной степени зависит от компактности струи высокого давления. Компактность струи, и ее гидродинамические параметры предопределяются конструктивными особенностями струеформирующих элементов гидравлических резаков (гидрорезаков).
Улучшение компактности струй, вылетающей из струеформирующего устройства гидрорезака, достигается уменьшением ее турбулентности потока воды. Решение этой задачи могло бы способствовать применению в гидрорезаках достаточно длинных стволов, по мере прохождения через которые поток воды полностью мог бы освободиться от вредного влияния завихрений. Однако размещение струеформирующих устройств в ограниченном пространстве гидрорезаков выдвигает задачу разработки и создания эффективных малогабаритных струеформирующих устройств. Одним из путей повышения компактности и удельной мощности струи в данных условиях является оптимальное профилирование струеформирующего устройства, включающего ствол и сопло, как элементов формирования струи. В них завершается формирование струи и преобразование статического давления воды в кинетическую энергию потока. Поэтому понятны строгие требования, которые предъявляются к качеству обработки внутренней поверхности струеформирующего устройства, правильному профилированию его канала. С улучшением компактности струи увеличивается удельное давление струи на массив кокса, уменьшаются потери скорости от трения о воздух, уменьшаются потери от рассеивания, увеличивается дальнобойность струи.
Изучением формы внутренней поверхности струеформирующих устройств различных струйных аппаратов, проводилось большим числом исследований с различными целями, анализ этих работ с точки зрения возможности использования их результатов для правильного конструирования струеформирующих устройств гидрорезаков, позволил многообразные материалы исследований разделить на две группы:
− исследования, проводимые с целью получения струеформирующих устройств с возможно меньшим внутренним сопротивлением, т. е. с возможно большим коэффициентом расхода;
− исследования, проводимые с целью получения струеформирующих устройств, дающих хорошо сформированную, компактную струю.
Опытно-промышленные эксперименты по изучению влияния геометрической конфигурации струеформирующих устройств на формирование высоконапорных струй позволят дать научно обоснованные рекомендации по оптимальным условиям формирования струи с наилучшими гидравлическими характеристиками при заданных режимах.
В результате выполненных исследований по изучению гидродинамических параметров струй резаков в диапазоне Р = 15–19 МПа, были получены коэффициенты расходов в пределах от 
= 0,829 до = 0,946, причем наивысший коэффициент расхода был получен для струеформирующих устройств с углом конусности близким к 13°. При этом угле конусности коэффициент расхода достигает своего максимального значения, что объясняется влиянием на него зоны пониженного давления, которое вызывает некоторое сужение потока. Однако следует отметить, что в данных работах основное внимание уделялось изучению влияния на качество струй, выходного диаметра сопла, напора перед струеформирующим устройством, и значительно меньшее внимание уделялось изучению влияния на качество струи формы внутренней поверхности сопел [2].
С вводом в эксплуатацию на Российских НПЗ крупнотоннажных УЗК с реакторами диаметром до 8м. появилась необходимость значительного увеличения давления перед соплом, т. е. увеличение скоростей истечения, что еще больше повысило требования, предъявляемые как к форме внутренней поверхности сопел, так и к качеству ее обработки. С целью получения данных по выяснению влияния на качество струи формы внутренней поверхности сопловых сборок (ствол; сопло) и выдачи практических рекомендаций на одной из крупнотоннажной УЗК были проведены исследования различных струеформирующих устройств при давлениях Р = 20,0–24,0 МПа [3].
Струеформирующее устройство № 1 (рис. 1а) имело постоянный угол конусности 
=13°, т. е. является обычным «стандартным соплом», используемым в гидрорезаках типа ГРУ-ЗР. Внутренняя поверхность струеформирующего устройства № 2 (рис. 1б) была спрофилирована таким образом, что увеличение скорости происходило равномерно по длине сопла, т. е. скорость движения воды в каждом сечении сопла была пропорциональна расстоянию от начала сопла. Таким образом, сопло № 2 по своей форме удовлетворяло общим требованиям, которые предъявлялись к соплам с коноидальным профилем. Компактность струи в значительной мере зависит от развития турбулентности в реальных струеформирующих устройствах гидравлических резаков.
Рис. 1. Струеформирующие устройства: а) стандартное; б) экспериментальное
Поток жидкости, движущийся по каналу струеформирующего устройства, а в дальнейшем в воздушной среде, можно рассматривать как систему, состоящую из взаимно влияющих друг на друга элементов: вмещающей среды, пограничного слоя и основного течения. Турбулизация ламинарного пограничного слоя вызывает распространение вихрей в направлении оси поперечных пульсаций скорости потока. В свою очередь распределение и величина скоростей основного течения определяют в большой степени устойчивость ламинарного пограничного слоя.
В зависимости от амплитуды и интенсивности продольных и поперечных пульсационных составляющих скоростей в струеформирующем устройстве генерируется уровень турбулентного обмена энергией в струе, вылетающей в воздушную среду, и тем самым определяется ее компактность [4].
Состояние поверхности струеформирующих устройств гидравлических резаков существенным образом влияет на положение точки перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, а следовательно и на гидродинамические характеристики водяной струи. С увеличением средней скорости потока отношение толщины вязкого подслоя к величине абсолютной шероховатости снижается тем интенсивнее, чем хуже состояние поверхности. Условия эксплуатации гидравлических резаков на УЗК показали, что при давлениях воды Р = 20,0–24,0 МПа условию гидродинамически гладкой поверхности сопла соответствует значение абсолютной шероховатости менее 0,63 мкм.
Успокоитель, устанавливаемый в проточную часть ствола гидрорезака, значительно улучшает условия формирования струи. Он разделяет поток воды, движущийся по проточному каналу ствола гидрорезака, на несколько частей способствует более быстрому погашению вихрей, образующихся в результате вращения потока относительно продольной оси, а также выравнивает продольные скорости и погашает энергию более значительных турбулентных возмущений. Следовательно, наличие успокоителя положительно влияет на получение компактных струй. Степень гашения турбулентных пульсаций при прохождении по стволу гидрорезака потока воды зависит от конструкции успокоителя и места его расположения в стволе.
Нами проводились сравнительные испытания различных типов успокоителей, установленных в струеформирующих устройствах, смонтированных в экспериментальных гидравлических резаках.
Сравнивались три типа успокоителей: тип 1 — крестообразный с двумя пересекающимися пластинами (рис. 2а); тип 2 — радиально-трубчатый «стандартный» (рис. 2б); тип 3 — радиально-трубчатый с пересекающимися в центре взаимно-перпендикулярных пластин (рис. 2 в).
Рис. 2. Успокоители потоков: а) крестообразный; б) радиально-трубчатый; в) радиально-трубчатый с пересекающими пластинами
Одновременное фотографирование параллельно направленных струй, позволило с последующим сравнением диаметров струй на одном и том же расстоянии от сопел выявить конструкцию струеформирующего устройства (сопло, успокоитель) дающую наиболее компактную струю.
В табл. 2 приведены сравнительные данные экспериментальных исследований условий формирования струи в различных струеформирующих устройствах установленных в гидрорезаках типа ГРУ-ЗР на одной из УЗК.
Таблица 2
Сравнительные данные компактности струи, образованной в различных струеформирующих устройствах вгидрорезаках типа ГРУ-3Р
|
Профиль струеформирующих устройств |
Видимый диаметр струи на расстоянии 3.5 мот сопла, мм |
|||
|
|
без успокоителя |
С успокоителями типов |
||
|
|
|
I |
II |
III |
|
Конический (рис. 1а) |
66 |
55 |
49 |
45 |
|
Коноидальный (рис. 1б) |
55 |
46 |
40 |
37 |
Данные табл. 2 показывают, что на всех сравнивающихся успокоителей радиально-трубчатый успокоитель с пересекающимися в центре взаимно-перпендикулярными пластинами позволяет получить более компактную струю.
Это объясняется тем, что наилучшим средством погасить вращение потока вокруг продольной оси сопла являются пластины, установленные радиально, а наилучшим средством гашения максимальных поперечных пульсаций и движений трубчатые поверхности, соосные профилю струеформирующего устройства гидрорезака. Следовательно, разделяя основную часть потока воды в струеформирующем устройстве на соосные кольцевые потоки и имея, кроме того, радиальные пластины, радиально-трубчатый успокоитель с пересекающимся в центре взаимно-перпендикулярными пластинами обеспечивает эффективное гашение как поперечных пульсаций, так и вращательных движений и более высокое качество струи по сравнению с другими типами успокоителей.
Новые коноидальные струеформирующие устройства с использованием радиально-трубчатых успокоителей с пересекающими в центре взаимно-перпендикулярными пластинами были положены в основу новых конструкций гидравлических резаков типа ГРУ-3МУ имеющих широкое применение на УЗК.
Литература:
- Хайрудинов И. Р., Тихонов А. А., Таушев В. В., Теляшев Э. Г. Современное состояние и перспективы развития термических процессов переработки нефтяного сырья — Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2015. – С. 307–314.
- Походенко Н. Т., Брондз Б. И. Получение и обработка нефтяного кокса. — М.: Химия, 1986 — С. 178–190.
- Тихонов И. А., Хайрудинов И. Р., Теляшев Э. Г., Тихонов А. А. Исследования некоторых вопросов формирования водяных струй в гидравлических резаках — 2016: Международная научно-практическая конференция: Материалы конференции. – Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2016. – С. 181–183.
- Седов Л. И. Механика сплошной среды. М., «Наука»,1970, т. 2. с. 715.
