автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование работы пневматических барьеров при локализации аварийных разливов нефти на поверхностных водных объектах нефтяных промыслов

На правах рукописи

Куликова Ирина Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ ПРИ ЛОКАЛИЗАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ НЕФТЯНЫХ ПРОМЫСЛОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (в нефтегазовой отрасли)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0050595^

- и /3

Москва, 2013

005059534

Работа выполнена на кафедре машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина, г. Москва

кандидат технических наук, доцент

Мерициди Ираклий Аврамович

доктор технических наук, профессор

Сазонов Юрий Апполоньевич, РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина

доктор технических наук, доцент Горбунов Сергей Валентинович, Центр стратегических исследований гражданской защиты МЧС России

ОАО «Российская инновационная топливно-энергетическая компания» («РИТЭК»)

Защита состоится «28» мая 2013 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.200.07 в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.65, корп.1, ауд. 612.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М.Губкина.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписью просим направлять по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д. 65, корп. 1. Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, Учёный совет.

Автореферат разослан «¿¿у>

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При эксплуатации нефтегазовых промыслов наиболее вероятным источником аварийных разливов нефти (далее разливы нефти) в акваториях являются водные переходы нефтепроводов. Осложняющими факторами при этом являются довольно высокая скорость распространения пятна разлива и, зачастую, значительная удаленность источников разливов от мест базирования аварийно-спасательных формирований (АСФ). Современное законодательство предъявляет жесткие требования к локализации таких разливов. Согласно Постановлению Правительства РФ от 21.08.2000 г. №613 время на локализацию не должно превышать 4 часов.

Одним из путей решения проблемы, связанной со своевременной локализацией разлива, является применение дистанционного метода локализации, т.е. локализации с помощью автоматических систем, еще до прибытия сил и средств АСФ. Это метод локализации с помощью пневматического барьера (ПБ).

Несмотря на то, что за рубежом данный метод довольно широко известен и успешно применяется, в литературе не встречается сведений об его использовании на территории РФ. Анализ литературы показывает также отсутствие в России методик расчета и подбора оборудования для создания подобных установок.

Все это обуславливает актуальность проведения исследований, направленных на решение следующей научной задачи: на основе анализа особенностей локализации разливов с помощью пневматического барьера на поверхностных водных объектах нефтяных промыслов разработать методику подбора оборудования установки пневматического барьера.

Цель и задачи диссертационной работы

Цель работы состоит в уменьшении времени реагирования на чрезвычайные ситуации, обусловленные разливами нефти и нефтепродуктов

(ЧС(Н)) во внутренних акваториях нефтяных промыслов путем совершенствования технологии локализации разливов нефти и нефтепродуктов на основе пневматического барьера.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• исследовать, как влияют особенности распространения нефтяного пятна на поверхностных водных объектах в условиях открытой воды, битого и сплошного льда на обустройство рубежей локализации с помощью пневматического барьера;

• разработать математическую модель, учитывающую режим течения газа в трубопроводе, и проверить ее адекватность;

• исследовать на основе математического моделирования влияние гидрометеорологических и гидрологических условий водного объекта на конструктивные особенности и физические параметры установки пневматического барьера;

• разработать методику подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием пневматического барьера на поверхностных водных объектах.

Научная новизна

Разработана математическая модель работы пневматического барьера, учитывающая угол наклона и режим течения газа в перфорированном трубопроводе, с помощью которой проведено исследование влияния на скорость производимого течения геометрических и режимных параметров пневматического барьера.

Разработана методика подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием пневматического барьера на поверхностных водных объектах, учитывающая их гидрологические условия, природно-климатические условия их размещения, физико-химические свойства нефти.

На основании математического моделирования выявлено влияние

диаметра перфорированного трубопровода на создание непрерывной линии ограждения на водной поверхности в конкретных природно-климатических и гидрологических условиях.

Практическая значимость

Разработанная математическая модель, реализованная в виде программы для ЭВМ, а также результаты проведенных исследований позволяют проводить оценку влияния геометрических и режимных параметров пневматического барьера на его эффективность, что позволяет обоснованно принимать решения о применимости данной технологии в конкретных природно-климатических и гидрологических условиях.

Разработанная методика подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием пневматического барьера на поверхностных водных объектах позволяет подобрать оборудование, обеспечивающее максимальную эффективность локализации, в широком диапазоне природно-климатических и гидрологических условий.

Теоретическая значимость

Разработанная математическая модель и методика могут послужить основой для развития новых научных направлений в области создания пневматических барьеров, в том числе при совместном применении с сорбентами.

Методы исследования

Поставленные задачи решены с использованием методов: проектного метода, определившего целостность исследования, стадии и порядок его разработки, абстрактно-логического метода, использованного для построения ситуационных моделей с использованием операции аналогии, метода математического моделирования, эмпирического метода, связанного с постановкой экспериментальной проверки адекватности математической модели.

Положения, выносимые на защиту

Математическая модель работы пневматического барьера, учитывающая

угол наклона и режим течения газа в перфорированном трубопроводе.

Методика подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием пневматического барьера на поверхностных водных объектах.

Типовые схемы локализации разливов нефти с помощью пневматического барьера, учитывающие особенности локализации в условиях открытой воды, битого и сплошного льда, а также тип водного объекта и физико-химические свойства разлитой нефти.

Степень достоверности результатов и выводов

Достоверность научных результатов подтверждена результатами собственных экспериментов и результатами работ других авторов.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно - практической конференции «OGE/ Техника и технологии ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, средства пожаротушения объектов», (г. Москва, 2008, 2009); VIII и IX Всероссийской научно-технической конференции. «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, соответственно 2010, 2012 гг.); научно - технической конференции в рамках международного салона «Комплексная безопасность» «Техника и технологии предупреждения и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов» (г. Москва, 2011 г.); научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ОАО «РИТЭК», посвященная 20-ти летию ОАО «РИТЭК» (г. Москва, 2012 г.); 61-ой, 62-ой, 63-ой Студенческой научной конференции «Нефть и газ» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, соответственно 2007, 2008, 2009 гг.).

Реализация результатов работы

Разработанная методика вошла в состав методических рекомендаций, утвержденных учебно-научным центром повышения квалификации и переподготовки руководителей и специалистов по проблемам предупреждения

и ликвидации чрезвычайных ситуаций, обусловленных разливами нефти и нефтепродуктов (МЧС России и РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина).

Результаты работы включены в состав справочника «Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов»: Справ./И.А. Мерициди, В.Н. Ивановский, А.Н. Прохоров, И.В. Ботвинко, Дубинова И.С. и др. Под ред. И.А. Мерициди. СПб. НПО «Профессионал». 2008. - 824 с.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (129 наименований) и приложений. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных технологиям локализации разливов нефти и нефтепродуктов на типах водных объектах, наиболее близких нефтяным промыслам РФ, проведен анализ литературы, посвященной использованию ПБ, сформулированы задачи исследования.

На основании анализа водных переходов нефтепроводов нескольких нефтегазовых компаний РФ выделены наиболее типичные поверхностные водные объекты, через которые проходят нефтепроводы. Это равнинные реки и озера. Особенностью их является то, что они в холодное время года покрываются льдом.

Выяснено, что традиционно применяемые в России методы локализации:

механическое ограждение, применение сорбентов, сжигание, - не всегда могут обеспечить локализацию в сроки, установленные российским законодательством.

Метод, основанный на применении пневматического барьера, обеспечивает локализацию разливов нефти в кратчайшее время с начала разлива и не требует присутствия сил и средств АСФ на объекте. Этот метод позволяет локализовать разлив нефти в случае, если источник разлива значительно удален от места базирования АСФ, а также если метеорологические условия затрудняют их доставку к месту ЧС(Н).

Изучением особенностей применения данного метода занимались в основном зарубежные ученые: Taylor G., Bulson P.S., Grunau С., Hoult D. P., Evans J. Т., Straub L. G., Herbich J. В., Bowers, С. E., Radionov S. I., Dmitriev A. A., Sjoberg А., группа ученых лаборатории гидромеханики Техасского Университета (Hydromechanics Laboratories of Texas A&M University) и др. Изначально было предложено использовать его в качестве волнореза (Brasher, Evans J. Т.). Только во второй половине XX века были проведены первые изыскания на предмет использования ПБ в качестве метода локализации разливов нефти в акваториях.

Проведенный анализ литературных источников показал, что в них в основном представлены конкретные величины диаметров отверстий, расстояний между ними, диаметров перфорированных трубопроводов (ПТП) без теоретического обоснования выбранных конструкций.

В работе ученых лаборатории гидромеханики Техасского университета (Hydromechanics Laboratories of Texas A&M University) даны рекомендации по определению нескольких параметров ПБ. Однако рекомендации по определению диаметра ПТП основаны на сопоставлении веса его 1 п.м. и пропускной способности, а определение диаметра отверстий дано исходя из пропускной способности всех отверстий на 1 п.м., расположенных на выбранном расстоянии друг от друга, и выбор которого теоретически не обоснован.

В ходе патентного поиска определены основные направления, по которым предлагаются усовершенствования конструкций ПБ. Это использование различных материалов ПТП, различных конструкций насадок и форм отверстий (Case С. L., Daymond S. F., Granau С., Smyrnow W.); применение различных методов и способов закрепления ПТП и обеспечения его плавучести; разработка схем совместной работы ПБ с механическими устройствами для ликвидации разливов (Медведев С.С.), а также подача совместно с воздухом или самостоятельно специальных агентов для локализации или ликвидации разливов: хладагента (Ellingsen), адсорбента (Шахворостов Н.Г.).

На основании имеющихся сведений довольно сложно разработать конструкцию ПБ для локализации разливов нефти для конкретных природно-климатических и гидрологических условий поверхностных водных объектов нефтяных промыслов РФ, ввиду недостатка теоретических обоснований для этого.

На основе проведенного анализа сформулированы задачи настоящего исследований.

Во второй главе на основе ситуационного моделирования проведено обоснование целесообразности применения ПБ в качестве метода локализации разливов на поверхностных водных объектах нефтяных промыслов РФ, в том числе с точки зрения временных затрат, выявлены требования к расположению рубежа реагирования, оборудованного пневматическим бпрьером.

В качестве объектов исследования выбраны 4 потенциальных источника разливов нефти на 4 месторождениях РФ. Они представляют собой нефтепроводы, проложенные по дну водных объектов: три - по рекам различной гидрологии и один — по озеру, - наиболее типичных для нефтегазовых месторождений РФ.

Исследуемые источники характеризуются следующими усложняющими проведение работ по локализации разлива факторами: значительной удаленностью от мест базирования сил и средств АСФ (источники 1 и 3) и

особым статусом водных объектов: — река высшей рыбохозяйственной категории (источник 2), расположение потенциального источника выше по течению от водозабора (источник 4).

Характер истечения нефти из источника выбран в соответствии с постановлением Правительства РФ № 613 как порыв, подразумевающий истечение большого объема в сравнительно короткий срок. При этом принимается допущение, что разлив является квазимгновенным. Объемы разливов приняты одинаковыми.

Для каждого из источников построены по две ситуационные модели для условий открытой воды (теплое время года), наличия битого льда (межсезонье), наличия сплошного льда (зима). Одна модель из пары предусматривает локализацию разлива с помощью ПБ, вторая — локализацию с помощью боновых заграждений (БЗ). Пример ситуационных моделей локализации разливов нефти в условиях открытой воды на источнике 2 приведен на рис. 1.

Для каждой ситуации проведено моделирование растекания нефтяного пятна по конкретной акватории за время до окончания работ по локализации. При этом определены следующие параметры: время с момента начала разлива нефти до окончания работ по локализации, удаление передней границы пятна от места порыва, площадь разлива, средняя толщина пленки нефти.

Разработаны три сценария, с помощью которых был рассчитан выигрыш по времени локализации разливов нефти для каждой пары ситуационных моделей по следующей формуле:

время локализации БЗ

выигрыш =-

время локалшащи ПБ

В сценариях были приняты следующие предположения.

Сценарий 1. Время на локализацию с помощью БЗ сложено из затрат времени на сборы и доставку сил и средств АСФ автотранспортом и затрат времени на их разворачивание (при проведении ледорезных работ принимается, что используется 1 ледорезное устройство).

а) б)

Рис. 1. Ситуационные модели локализации разливов нефти на источнике 2 в условиях открытой воды: а) локализация ПБ; б) локализация БЗ; 1 -нефтепровод; 2 - место порыва; 3 - ПБ; 4 - ряды БЗ; 5 - береговые БЗ; 6 -нефтяное пятно; 7 - участки, на которых возможно загрязнение береговой

полосы

Время на локализацию с помощью ПБ сложено из затрат времени на срабатывание устройства для обнаружения утечек, на прохождение воздуха по трубопроводу, всплытие пузырьков воздуха на поверхность воды и прохождение расстояния от оси перфорированного трубопровода до рубежа, на котором наблюдается расчетная скорость.

Сценарий 2. Затраты времени на локализацию разлива нефти с помощью БЗ приняты равными 4 часам, если они, рассчитанные по сценарию 1, превышали 4 часа, и равными значению, рассчитанному по сценарию 1, если это время было менее 4 часов.

Затраты времени на локализацию разлива нефти с помощью ПБ рассчитаны аналогично сценарию 1.

Сценарий 3. Затраты времени на локализацию разлива нефти БЗ

рассчитаны аналогично сценарию 2.

При расчете затрат времени за локализацию разлива нефти с помощью ПБ учтена некоторая задержка в срабатывании, такая, что ограждение приводится в рабочее положение не ранее, чем через 15 минут после начала разлива (время на дополнительный анализ ситуации). Если рассчитанное время по сценарию 1 превышает 15 минут, то принято его значение, рассчитанное по сценарию 1.

В результате было выявлено уменьшение времени реагирования на чрезвычайные ситуации, обусловленные разливами нефти и нефтепродуктов (ЧС(Н)) во внутренних акваториях нефтяных промыслов для ситуационных моделей и сценариев, рассмотренных в рамках настоящей работы. Расчетное время локализации с помощью ПБ составило от 5,2 до 17,2 минут, это дало выигрыш во времени при локализации разливов нефти с помощью ПБ по сравнению с локализацией с помощью БЗ в зависимости от рассматриваемого сценария от 7 до 202 раз.

Следующая часть исследования посвящена возможности замены БЗ, используемых в комплексе с другими методами локализации, на ПБ.

Для выбранных источников в графическом виде разработаны ситуационные модели локализации разливов нефти комплексными методами на основе ПБ и сорбентов, а также контролируемого сжигания и ПБ.

В результате проведенного исследования выяснено, что:

1. ПБ особенно эффективен при локализации разливов на удаленных источниках или источниках, расположенных вблизи районов приоритетной защиты и зон особой значимости, ущерб от разлива нефти вблизи которых характеризуется огромными финансовыми затратами.

2. Несмотря на то, что локализация разливов с помощью ПБ эффективна в условиях битого и сплошного льда, применение его на промерзающих до дна или почти до дна водных объектах нецелесообразно, так как возможно разрушение его элементов.

3. Комплексный метод локализации разливов нефти на основе ПБ и сорбентов позволяет наносить сорбент еще до прибытия АСФ, обеспечивая высокую эффективность операций по локализации.

4. Использование ПБ предусматривает как его самостоятельную работу, так и в комплексе с контролируемым сжиганием в любых природно-климатических условиях без внесения изменений в конструкцию уже смонтированной на объекте установки, при условии согласования процедуры сжигания в надзорных и контролирующих органах.

Для условий открытой воды, битого и сплошного льда разработаны типовые схемы локализации разливов нефти с помощью ПБ на следующих водных объектах:

• на крупных реках,

• на прямых участках средних и малых рек,

• на участках с поворотом средних и малых рек,

• на малых озерах.

Они представлены в четвертой главе диссертации в тексте разработанной методики.

Полученные схемы учитывают выявленные в ходе проведенного исследования следующие требования к обустройству рубежа локализации с помощью ПБ:

1. При определении рубежа локализации с помощью ПБ следует руководствоваться расстоянием от источника до рубежа максимального удаления передней границы пятна для условий открытой воды. При расчетном значении толщины пленки на этом рубеже более 1 мм следует дополнительно учитывать технические возможности компрессора, обеспечивающего удержание пятна нефти расчетной толщины, и при необходимости перенести рубеж локализации ниже по течению.

2. Для предотвращения загрязнения береговой линии следует предусмотреть карманы, огороженные участком ПБ, для накопления разлитой нефти.

В третьей главе приведено описание разработанной математической модели работы ПБ, учитывающей режим течения газа в трубопроводе. На основании результатов моделирования проведен анализ влияния гидрометеорологических и гидрологических условий водного объекта на конструктивные особенности и режимные параметры ПБ.

Основные допущения модели: газ является идеальным; процессы истечения газа и течения газа по трубопроводу являются адиабатическими; утечки газа отсутствуют; процесс сжатия в компрессоре изотермический; волнение на поверхности водного объекта отсутствует.

Основные уравнения математической модели.

Условие формирования граничной линии:

vns =vH (1)

Зависимость между скоростью производимого ПБ течения и расходом газа, предложенная Тейлором (Taylor):

(2)

где объемный расход газа (при н.у.) на весь ПТП; 1 - длина всего ПТП; к, - коэффициент, в настоящей работе на основе рекомендаций, приведенных в работе ученых лаборатории гидромеханики Техасского университета (Hydromechanics Laboratories of Texas A&M University), принят к, =1,5.

Массовый расход при истечении газа через отверстие в ПТП:

2 к+l

о к 2- -РГА к — 1 £t .PI к Ei. .А к

где к - показатель адиабаты (для воздуха К *'41), Pl - давление до

отверстия в ПТП; Я - плотность газа до отверстия в ПТП; Л - давление в среде, в которую происходит истечение газа; $ - площадь отверстия; -коэффициент расхода.

Скорость адиабатического истечения газа:

к-1

к Д 1- £L к

«-1 А [я J

(4)

Формула Дарси - Вейсбаха для определения падения давления на каждом из участков трубопровода: А -V,2 Ах

где Ар" - падение давления на участке между ^ + ' и J ячейками ПТП; v> - скорость течения газа в трубопроводе в J -той ячейке; Д* - расстояние между

ячейками J и -/ + 1; D . диаметр ПТП; - коэффициент гидравлического сопротивления.

На основе этих уравнений построена математическая модель работы ПБ, учитывающая режим газа в ПТП, в системе Mathcad 14.

Для проверки адекватности построенной математической модели с помощью критерия Фишера (F-критерия) проведен эксперимент с 4 конструкциями ПБ. Перфорированные трубопроводы каждой из конструкций изготовлены из металлопластиковой трубки с внутренним диаметром 16 мм, в которые запрессованы насадки с диаметрами отверстий 0,96 мм и 1,2 мм. Расстояния между отверстиями составили 180 и 360 мм.

В результате сравнения расчетного значения критерия Фишера с табличным определено, что условие выполняется: 3,132<3,26> _ и математическая модель адекватна эксперименту при уровне значимости 5%.

Анализ результатов моделирования выявил следующее.

1. Изменение скорости производимого ПБ течения кратно зависит от давления до отверстия в ПТП (и не зависит от площади сечения отверстий,

глубины заложения ПТП) и имеет вид универсальной характеристики, представленной на рис. 2.

Кратность изменения давления до отверстия

Рис. 2. Зависимость кратности изменения скорости производимого течения от кратности изменения давления перед отверстиями

2. Изменение скорости производимого ПБ течения кратно зависит от суммарной площади отверстий в ПТП (т.е. суммы всех площадей отверстий, расположенных на 1 п.м. ПТП) и не зависит от давления до отверстия, глубины заложения ПТП, а также имеет вид универсальной характеристики, представленной на рис. 3.

О 5 10 15 20 25 30

Кратность изменения суммарной площади отверстий

Рис. 3. Зависимость кратности изменения скорости производимого течения от кратности изменения суммарной площади отверстий

3. Диаметр ПТП оказывает значительное влияние на создание непрерывной линии ограждения на водной поверхности, и, как следствие, на эффективность локализации разлива.

4. Диаметр ПТП следует выбирать исходя из обеспечения минимального перепада давления на горизонтальном участке ПТП, для этого скорость течения

газа в ПТП перед первым отверстием не должна превышать 10 -15 м/с.

5. Скорость течения газа в ПТП перед первым отверстием из рекомендуемого диапазона следует выбирать с учетом того, что относительное изменение скорости истечения газа из отверстий не должно превышать 10% от этой максимальной скорости истечения.

6. При разноуровневом профиле на скорость истечения из отверстий ПТП значительное влияние оказывает угол наклона боковых откосов и давление компрессора, и практически не влияет длина ПТП.

7. При разноуровневом профиле дна на суммарную эквивалентную площадь отверстий значительное влияние оказывают угол наклона боковых откосов (например, на прямолинейном участке ПТП суммарный эквивалентный диаметр для угла наклона 60° в 3 раза превышает его для угла наклона боковых откосов 30°) (рис. 4 а) и давление компрессора. Длина ПТП практически не влияет на эту величину (рис. 4 б).

10,5

о:

га н

§1 10

Is

" £9,5

2s эЛ а)

I о 5 л 9

¡1 га 3 ! 9 8,5

СО с ъс СО

0 50 100 150 Длина перфорированного трубопровода, м --Уклон 45*-Уклон 30"---Уклон 60*

8

"50

тда-ш-Яо

Длина перфорированного трубопровода, м --100 м —50 м — • -150 м

а)

б)

Рис. 4. Зависимость эквивалентной суммарной площади сечения отверстий по длине ПТП для: а) разных углов наклона дна; б) разных длин ПТП

8. Коэффициент полезного действия ПБ как насосной системы монотонно растет с увеличением глубины и увеличением отношения давлений. Для глубин от 2 до 12 м и выбранных отношений давлений КПД составляет от 3,6% до 18,87%.

9. Коэффициент полезного действия ПБ как насосной системы практически не зависит от производимой ПБ скорости (разница в результатах КПД для скорости 0,5 м/с и 0,1 м/с для глубины 2 м составляет 7%, для глубины 12 м — 6%), зависит только от глубины и отношения давлений при истечении из отверстий.

10. Мощность компрессора зависит от требуемой скорости производимого течения в третьей степени, что при высоких значениях скоростей производимого течения и/или значительной протяженности ПТП может сделать нерентабельным применение данной технологии. Для построения зависимости удельной мощности компрессора от скорости производимого ПБ течения, представленной на рис. 5, КПД компрессора принят равным 60%.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Скорость производимого пневматическим барьером течения, м/с

Рис. 5. Зависимость удельной мощности компрессора от скорости производимого ПБ течения

В результате исследований предложена схема комплексного метода локализации разливов с помощью ПБ и сорбентов (рис. 6). Численный эксперимент выявил зависимость между длиной трубопровода для подачи сорбента и его удаленности от вершины клинообразной конструкции ПТП от растекаемости сорбента. Определено, что для реализации предложенной схемы наиболее эффективным является диапазон раскрытия соседних ветвей ПТП от 65° до 130°. С увеличением угла раскрытия соседних ветвей увеличивается длина трубопровода для подачи сорбента, что ведет к увеличению мощности компрессора, которая затрачивается на перемещение сорбента по этому

трубопроводу. С уменьшением угла раскрытия соседних ветвей увеличивается расстояние от трубопровода для подачи сорбента до вершины клинообразной конструкции ПТП, это может привести к тому, что всплывшим сорбентом будет сорбирована только хвостовая часть нефтяного разлива.

a. so

О 50 100 150 200 Угол раскрытия О, град -Длина СТП

.....Расстояние от СТП до вершины клина ПБ

а) б)

Рис. 6. а) Схема расстановки оборудования при комплексном методе на основе ПБ и сорбентов; б) зависимости длины трубопровода для подачи сорбента ^ и

расстояния ^с от угла раскрытия ©: 1 - компрессор, 2- ПТП длиной Ь, 3 -система для подачи сорбента, 4 — трубопровод для подачи сорбента, 5 — соединительный сорбентный трубопровод, 6 — площадь акватории с нанесенным сорбентом

В результате проведенных натурных испытаний четырех конструкций ПБ определено, что при близком расположении отверстий часть энергии водогазовой смеси идет на создание интенсивной турбулизации на границах пересекающихся окружностей соседних восходящих потоков водогазовой смеси, тогда как увеличенное расстояние между соседними отверстиями ведет к снижению скорости производимого ПБ течения. В результате обработки полученных результатов натурных испытаний выявлено, что для обеспечения максимально возможной скорости производимого пневматическим барьером течения расстояния между отверстиями в перфорированном трубопроводе для

глубин до 1 м следует выбирать из диапазона от 0,54- // до 0,66 ■ Н (Где // . глубина расположения перфорированного трубопровода).

Четвертая глава посвящена разработке методики подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием ПБ на поверхностных водных объектах.

Структура методики представляет собой пошаговую стратегию, схема которой представлена на рис. 7.

На первом этапе проводится прогнозирование разлива на выбранном объекте, как для наиболее вероятной ситуации, так и ситуации, обусловленной разливом максимально возможного количества нефти или нефтепродуктов.

На втором этапе проводится обоснование целесообразности его применения. Здесь учитывается, что пневматический барьер относится к капитальным сооружениям, монтируется на объекте заблаговременно и после окончания работ по ликвидации разлива не демонтируется. На данном этапе учитывается взаимное положение рассматриваемого объекта и зон особой значимости и районов приоритетной защиты, а также мест базирования сил и средств АСФ.

На третьем этапе определяется положение рубежа реагирования, т.е. участка акватории, на дне которой (или в водной толще) планируется смонтировать ПТП, а также прилегающего к участку акватории участка суши, где может быть установлена компрессорная станция, и где могут быть развернуты силы и средства АСФ для ликвидации разлива. К выбранному рубежу должны быть проложены дороги и линий электропередач. В данном блоке приведены разработанные на основе исследований, проведенных во второй главе диссертации, типовые схемы локализации разливов нефти на поверхностных водных объектах.

На четвертом этапе определяется метод локализации: только с помощью ПБ, с помощью ПБ и сорбентов или с помощью ПБ и контролируемого сжигания. При выборе двух последних обосновывается их целесообразность и уточняется место расположения выбранного рубежа.

НАИМЕНОВАНИЕ

ОПИСАНИЕ

1 Прогнозирование разлива на выбранном объекте Прогнозирование вероятности возникновения -г разлива Прогнозирование максимально возможного -^—количества разлитой нефти (нефтепродукта) на рассматриваемом объекте Учет физико-химических свойств разлитой нефти ь (нефтепродукта) ^—Прогнозирование площади загрязнения разлива М—Прогнозирование поведения нефтяного пятна

2 ^ Учет гидрометеорологических особенностей района г размещения объекта ^ Учет экологических особенностей района ^ размещения объекта (ЗОЗ, РПЗ) ^ Учет гидрологических особенностей водного --> объекта Учет удаленности акватории от мест р^слокаияи *^Гсил и средств АСФ

Обоснование необходимости применения ПБ 4 1 1 1

1

3 -^—Гидрологические особенности выбранного участка м—Наличие подъездных путей и ЛЭП Возможность получения разрешение на ^отчуждение земли

Определение рубежа реагирования 1 1 ^ 1 1

4 Локализация только ПБ —Локализация комплексным методом ПБ+сорбенты —Локализация комплексным методом ПБ+сжигание

I ► I I Определение метода 1 1

5 Конфигурация перфорированного трубопровода ^~~(ПТП) Геометрические размеры ПТП: его диаметр, форма, - размеры и количество отверстий Параметры компрессора: производительность, -давление ^—Состав и параметры др. компонентов ПБ (клапаны, управляющие устройства)

I I I I I I I Определение геометрических и физических характеристик ПБ, состава оборудования

1 I

6 I —Определение капитальных затрат —Определение эксплуатационных затрат —Сопоставление их Оптимизация конструкции по стоимости

I I I I Экономическое обоснование выбранной конструкции I

Рнс. 7. Этапы подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием ПБ на поверхностных водных объектах

На пятом этапе осуществляется определение основных геометрических и физических характеристик компонентов установки в зависимости от природно-климатических, гидрологических особенностей участка, на котором планируется смонтировать ПБ, физико-химических свойств разлитой нефти. В

основу данного блока легли результаты исследования, проведенного в третьей главы диссертации.

На шестом этапе обосновывается с экономической точки зрения выбранная конструкция. Здесь представлены рекомендации о выборе более выгодного с экономической, технической и технологической точек зрения конструкции на основе сравнения нескольких предварительно отобранных конструкций ПБ.

Для этапов 1 — 5 в диссертации приведены блок—схемы принятия решений в графическом виде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были сделаны следующие основные выводы.

1. Выявлено уменьшение времени реагирования на чрезвычайные ситуации, обусловленные разливами нефти и нефтепродуктов во внутренних акваториях нефтяных промыслов для ситуационных моделей и сценариев, рассмотренных в рамках настоящей работы. Расчетное время локализации с помощью пневматического барьера составило от 5,2 до 17,2 минут, это дало выигрыш во времени при локализации разливов нефти с помощью пневматического барьера по сравнению с локализацией с помощью боновых заграждений в зависимости от рассматриваемого сценария от 7 до 202 раз.

2. Разработанные типовые схемы локализации разливов нефти с помощью пневматического барьера, учитывающие особенности локализации в условиях открытой воды, битого и сплошного льда, а также тип водного объекта и физико-химические свойства разлитой нефти, позволяют определять вариант расстановки оборудования на конкретном объекте.

3. Разработанная математическая модель работы пневматического барьера, учитывающая режим течения газа в перфорированном трубопроводе, позволяет рассчитывать и исследовать геометрические и режимные параметры пневматического барьера в конкретных условиях. В результате проведенных

экспериментов было установлено, что разработанная математическая модель адекватна эксперименту при уровне значимости 5% по критерию Фишера.

4. Выявлено, что изменение скорости производимого пневматическим барьером течения кратно зависит от давления до отверстия в перфорированном трубопроводе (при заданных значениях площади сечения отверстий, глубины его заложения) и имеет вид универсальной характеристики, которая может быть использована для регулирования параметров установки (давления компрессора) при меняющихся природно-климатических условиях.

5. Определено, что диаметр перфорированного трубопровода оказывает существенное влияние на создание непрерывной линии ограждения на водной поверхности, и его диаметр следует выбирать с таким расчетом, чтобы скорость течения газа перед первым отверстием в нем не превышала 10 -15 м/с.

6. При разноуровневом профиле дна на скорость истечения из отверстий и на эффективную суммарную эквивалентную площадь отверстий оказывают значительное влияние угол наклона боковых откосов и давление в компрессоре, а длина перфорированного трубопровода на эти величины практически не влияет.

7. Предложенная схема локализации разливов нефти комплексным методом на основе пневматического барьера и сорбентов обеспечивает подачу сорбента до прибытия сил и средств аварийно — спасательных формирований, а проведенные расчеты показали взаимосвязь геометрии конструкции и расположения трубопровода для подачи сорбента с растекаемостью сорбента. При этом определено, что наиболее эффективным является диапазон раскрытия соседних ветвей перфорированного трубопровода от 65° до 130°.

8. Показано, что для обеспечения максимально возможной скорости производимого пневматическим барьером течения расстояния между отверстиями в перфорированном трубопроводе для глубин до 1 м следует выбирать из диапазона от 0,54 -Н до 0,66 -Н (где Н . глубина расположения перфорированного трубопровода).

9. Методика подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием пневматического барьера на поверхностных водных объектах, разработанная на основе результатов проведенных исследований, позволяет спроектировать систему, обеспечивающую максимальную эффективность локализации в широком диапазоне природно-климатических и гидрологических условий.

Основные положения и результаты исследований диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Куликова И.С. Разработка метода локализации разливов нефти на водных объектах нефтяных промыслов с помощью пневматического барьера // Труды РГУ нефти и газа, 2013 г. - №1, с. 133-145.

2. Куликова И.С., Мерициди И.А. Особенности локализации разливов нефти из подводных переходов трубопроводов в условиях сплошного льда // Управление качеством в нефтегазовом комплексе - 2012 г. - №3, с. 40 — 45.

3. Куликова И.С., Мерициди И.А. Особенности локализации разливов нефти из подводных переходов трубопроводов в условиях открытой воды// Территория нефтегаз — 2012 г. - №5, с. 48-53

4. Куликова И. С. Пневматический барьер как метод локализации разливов нефти в акваториях нефтяных промыслов РФ // Молодежь и инновационное развитие РИТЭКа - М., 2012 — с. 54 - 65

5. Куликова И.С. Анализ применимости технологий локализации разливов нефти в акваториях в условиях открытой воды, битого и сплошного льда // Тезисы докладов IX Всероссийской научно - технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». Часть II. Секции 5-10. 30 января - 1 февраля 2012 г. - М., 2012 - с. 59 - 60

6. Дубинова И.С. Разработка конструкции установки, основанной на пневмогидравлическом методе с одновременной подачей сорбента (ПГМ с ОПД) для локализации разливов нефти/нефтепродуктов в акваториях // Тезисы докладов научно-технической конференции в рамках международного салона

«Комплексная безопасность» «Техника и технологии предупреждения и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов», 19 мая 2011 г. — М. , 2011 — с.15.

7. Дубинова И.С., Мерициди И.А. Перспективы использования технологии на основе пневмогидравлического эффекта для локализации разливов нефти в акватории вблизи нефтепромыслов// Территория нефтегаз -2011 г-№3-с. 56-59.

8. Дубинова И.С., Мерициди И.А. Исследование режимов работы установки пневматического барьера с одновременной подачей сорбента в программной среде MATHCAD // Тезисы докладов VIII Всероссийской научно-технической конференции. «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». Часть II. Секции 5 - 10. 1-3 февраля 2010г. - М., 2010 — с.36.

9. Дубинова И.С., Мерициди И.А. Установка пневматического барьера с одновременной подачей сорбента для локализации разливов нефти/нефтепродуктов в акватории. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «OGE/ Техника и технологии ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, средства пожаротушения объектов» 13-16 октября 2009 г. - М., 2009 - с. 32.

10. Дубинова И. С. Ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов в ледовых условиях. Установка пневматического барьера // Тезисы докладов 63-ой Студенческой научной конференции «Нефть и газ — 2009». 13-16 апреля 2009 г. Секция «Инженерная и прикладная механика нефтегазового комплекса». - М., 2009 — с. 41.

11. Дубинова И.С., Мерициди И. А. Ликвидация разливов нефти в ледовых условиях шельфовых месторождений с использованием пневматического барьера // Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «OGE/ Техника и технологии ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов, средства пожаротушения объектов» 10-11 ноября 2008 г. - М., 2008 - с. 12-13.

12. Дубинова И. С. Ликвидация разлива углеводородов в ледовых условиях. Пневматический барьер// Тезисы докладов 62-ой Студенческой научной конференции «Нефть и газ - 2008». 8-11 апреля 2008 г. Секция «Инженерная и прикладная механика нефтегазового комплекса» - М., 2008 — с. 32.

13. Дубинова И. С. Пневматические барьеры для локализации разливов нефти при авариях на затапливаемых скважинах // Тезисы докладов 61-ой Студенческой научной конференции «Нефть и газ — 2007». 10—13 апреля 2007 г. Секция «Инженерная и прикладная механика нефтегазового комплекса» - М., 2007 - с. 36.

14. Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов: Справ./И.А. Мерициди, В.Н. Ивановский, А.Н. Прохоров, И.В. Ботвинко, И.С. Дубинова и др. Под ред. И.А. Мерициди. -СПб., НПО «Профессионал», 2008. - 824 с.

Подписано в печать 19.04.2013. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 184

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8(499)233-95-44

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА

На правах рукописи

04201357798

КУЛИКОВА ИРИНА СЕРГЕЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ ПРИ ЛОКАЛИЗАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ НЕФТЯНЫХ ПРОМЫСЛОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (в нефтегазовой отрасли)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доц. И.А. Мерициди

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................................................................6

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................8

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАЗЛИВОВ НЕФТИ ВО ВНУТРЕННИХ АКВАТОРИЯХ НЕФТЯНЫХ ПРОМЫСЛОВ...................................13

1.1. Подводные переходы нефтепроводов как основной источник разливов нефти во внутренних акваториях промыслов.........................................................................13

1.2. Методы локализации разливов нефти и нефтепродуктов в акваториях...........15

1.3. Анализ методов локализации разливов нефти при разрушении подводных переходов нефтепроводов.............................................................................................17

1.4. Локализация разлива до прибытия сил и средств АСФ......................................20

1.4.1. Локализация с помощью всплывающих боновых заграждений.....................20

1.4.2. Локализация с помощью пневматического барьера.........................................21

1.4.3. Сравнительный анализ применимости дистанционных методов локализации ..........................................................................................................................................22

1.5. Анализ опыта применения пневматического барьера.........................................24

1.5.1. Обзор литературы, посвященной опыту применения пневматического барьера.............................................................................................................................24

1.5.2. Обзор литературы, посвященной основным расчетным зависимостям для пневматического барьера..............................................................................................31

1.6. Выводы по главе 1...................................................................................................35

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА НА ОСНОВЕ СИТУАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ....................................................................................36

2.1. Выбор объектов ситуационного моделирования и определение их основных характеристик.................................................................................................................37

2.2. Локализация в условиях открытой воды..............................................................38

2.3. Локализация в условиях битого льда....................................................................47

2.4. Локализация в условиях сплошного льда.............................................................52

2.5. Сравнение различных сценариев затрат времени на локализацию разливов нефти на выбранных источниках.................................................................................56

2.6. Комплексный метод локализации на основе пневматического барьера и сорбентов.........................................................................................................................59

2.7. Комплексный метод локализации на основе пневматического барьера и контролируемого сжигания...........................................................................................61

2.8. Выводы по главе 2...................................................................................................65

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПРИРОДНО - КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ..............................67

3.1. Формирование поверхностного течения водогазовой смесью...........................67

3.2. Истечение газа через отверстие.............................................................................69

3.3. Гидравлический расчет газового трубопровода..................................................70

3.4. Математическая модель работы пневматического барьера...............................71

3.5. Исследование основных закономерностей при работе пневматического барьера.............................................................................................................................79

3.5.1. Влияние отношения давлений и суммарной площади отверстий на величину скорости производимого течения. Универсальные характеристики........................79

3.5.2. Влияние диаметра перфорированного трубопровода на эффективность пневматического барьера..............................................................................................82

3.5.2.1. Влияние длины перфорированного трубопровода........................................87

3.5.2.2. Влияние давления до отверстия......................................................................87

3.5.2.3. Влияние особенностей распространения нефтяного пятна..........................88

3.5.3. Особенности изменения параметров пневматического барьера при разноуровневом профиле дна.......................................................................................88

3.5.4. Определение коэффициента полезного действия системы.............................91

3.6. Результаты натурных испытаний..........................................................................94

3.6.1. Проверка адекватности математической модели.............................................94

3.6.2. Влияние расстояния между отверстиями на создание непрерывной линии ограждения......................................................................................................................94

3.7. Схема расстановки оборудования при комплексном методе на основе ПБ и сорбентов.........................................................................................................................95

3.8. Выводы по главе 3...................................................................................................97

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПОДБОРА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ РАЗЛИВОВ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО БАРЬЕРА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ ...........................................................................................................................................100

4.1. Общие положения........................................ ..........................................................100

4.2. Этапы подбора оборудования...........................................................................101

4.3. Этап 1 - Прогнозирование разлива на выбранном объекте...........................109

4.4. Этап 2 - Обоснование необходимости применения пневматического барьера 111

4.5. Этап 3 - Определение рубежа реагирования...................................................114

4.6. Этап 4 - Определение метода..............................................................................118

4.7. Этап 5 - Определение геометрических и физических характеристик пневматического барьера, состава оборудования.....................................................121

4.8. Этап 6 - Экономическое обоснование выбранной конструкции...................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................................................................144

Приложение 1. Частота возникновения инцидентов и аварий по группам промысловых трубопроводов за период с 2000 по 2006 годы в ОАО «Сургутнефтегаз».........................................................................................................145

Приложение 2. Данные о наличии водных переходов нефтепроводов на разных месторождениях...........................................................................................................146

Приложение 3. Анализ способов локализации разливов нефти в акваториях на основе механического ограждения.............................................................................152

Приложение 4. Анализ способов локализации разливов с помощью сорбентов.. 159

Приложение 5. Особенности распространения нефти и нефтепродуктов в условиях открытой воды..............................................................................................................161

Приложение 6. Особенности распространения нефти и нефтепродуктов в условиях битого льда....................................................................................................................162

Приложение 7. Особенности распространения нефтяного пятна в условиях сплошного льда.............................................................................................................163

Приложение 8. Характер изменения параметров по длине перфорированного трубопровода................................................................................................................164

Приложение 9. Зависимость относительного изменения скорости истечения от скорости газа на начальном участке трубопровода при разных его длинах.........165

Приложение 10. Зависимость относительного изменения скорости истечения от скорости газа на начальном участке трубопровода при разных давлениях..........165

Приложение 11. Зависимость относительного изменения скорости истечения от скорости газа на начальном участке трубопровода при разных скоростях производимого ПБ течения.........................................................................................166

Приложение 12. Испытание конструкций пневматического барьера....................166

Приложение 13. Таблица сравнения данных литературных источников и рассчитанных с использованием разработанной математической модели............178

Приложение 14. Копия титульного листа методических рекомендаций...............180

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

А - площадь;

В - ширина водного объекта;

О - диаметр в перфорированном трубопроводе (ПТП); ^ - диаметр отверстия в ПТП; Н - глубина укладки ПТП; /г - толщина пленки нефти; к

1 - коэффициент для определения производимой пневматическим барьером скорости; Ь - длина трубопровода; / - расстояния между отверстиями в ПТП; М - масса;

N - количество отверстий в ПТП;

- мощность компрессора, приведенная к единице длины ПТП; Мгидр" гидравлическая мощность;

Мкамп - мощность компрессора;

N'полмз" полезная мощность компрессора при изотермическом сжатии; р

а - динамическое давление;

Р р

, ^ - давление; (2 - расход газа; Л - газовая постоянная;

- расстояние от оси отверстия в ПТП до начальной границы производимой пневматическим барьером (ПБ) скорости;

- расстояние от оси отверстия в ПТП до конечной границы производимой ПБ скорости; 5" - площадь отверстий в ПТП;

С1

' - расстояния, учитываемые при расчете времени локализации разлива нефти; Т - температура газа; ? - время;

иа - скорость газа на начальном участке ПТП; V- объем разлитой нефти; V - скорость газа;

Упб ; утах ^ ^тах . производимая пневматическим барьером скорость;

у - скорость распространения передней границы пятна;

м'2 - скорость истечения из отверстия ПТП; 2 - коэффициент сжимаемости газа; Р1 и ¡12- углы наклона дна к вертикали; А - изменение;

<5 - относительное изменение площадей отверстий; К - показатель адиабаты для воздуха; ^ - коэффициент гидравлического сопротивления;

^ - КПД пневматического барьера как насосной системы; ^ - коэффициент расхода через отверстие;

^ - динамическая вязкость воды; тг - относительный перепад давлений; ^ - кинематическая вязкость;

© - угол раскрытия соседних ветвей ПТП; р

^ - плотность;

0 - относительное изменение массового расхода из отверстий;

ш - относительное изменение скорости истечения из отверстий по длине ПТП; ф

т - отношение давлении;

- коэффициент растекаемости сорбента

Нижние индексы

1 - параметры внутри ПТП;

2 - параметры снаружи ПТП; а - воздух;

с - течение;

j- обозначение расчетного интервала;

т - массовый;

max- максимальный;

о - нефть;

v - объемный;

w - вода;

wi - ветер;

вИ - внутренний;

внеш . внешний;

S - суммарный

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на развитие технологий и техники для добычи нефти, ее транспортировки, хранения и подготовки, аварийные разливы нефти (далее разливы нефти) на промыслах неизбежны.

Одним из наиболее вероятных источников таких разливов нефти являются промысловые нефтепроводы. Согласно данным [15] в год происходит порядка 50 -60 тыс. случаев, обусловленных разливами нефти из поврежденных трубопроводов.

Особую опасность представляют разливы из водных переходов нефтепроводов. В этом случае распространение пятна нефти происходит с большой скоростью, и загрязняются значительные площади. Согласно данным наблюдений, приведенным в [54], 1 м3 попавшей на поверхность водного объекта нефти при штилевых условиях растекается за 10 мин на площади 1800 м2.

Своевременно и грамотно проведенные операции по локализации разливов нефти и нефтепродуктов во многом обеспечивают успех всех мероприятий по ликвидации чрезвычайных ситуаций, обусловленных разливами нефти (ЧС(Н)).

В настоящее время в России на вооружении аварийно-спасательных формирований (АСФ) находятся такие методы локализации, которые могут быть применены только при непосредственном их присутствии на месте ЧС(Н). Это механическое ограждение, сорбентные технологии, контролируемое сжигание.

Однако зачастую значительная удаленность объектов ЧС(Н) от мест базирования сил и средств АСФ не позволяет оперативно провести меры по локализации разливов. В итоге упускается время, и загрязняются большие площади акваторий и прилежащих к ним берегов. Особую опасность представляют собой подобные разливы, происходящие вблизи водозаборов, рекреационных зон, заповедников и др. зон особой значимости и районов приоритетной защиты.

Современное законодательство предъявляет жесткие требования к локализации таких разливов. Согласно Постановлению Правительства РФ от 21.08.2000 г. №613 время на локализацию не должно превышать 4 часов.

Одним из путей решения проблемы, связанной со своевременной локализацией разлива, является применение дистанционного метода локализации,

т.е. локализации с помощью автоматической системы, еще до прибытия сил и средств АСФ. Это метод локализации с помощью пневматического барьера.

Несмотря на то, что за рубежом данный метод довольно широко известен и успешно применяется [113, 114, 115], в литературе не встречается сведений об его использовании на территории РФ. Анализ литературы показывает также отсутствие в России методик расчета и подбора оборудования для создания подобных установок.

Все это обуславливает актуальность проведения исследований, направленных на решение следующей научной задачи: на основе анализа особенностей локализации разливов с помощью пневматического барьера на поверхностных водных объектах нефтяных промыслов разработать методику подбора оборудования установки пневматического барьера.

Цель и задачи диссертационной работы

Цель работы состоит в уменьшении времени реагирования на чрезвычайные ситуации, обусловленные разливами нефти и нефтепродуктов (ЧС(Н)) во внутренних акваториях нефтяных промыслов путем совершенствования технологии локализации разливов нефти и нефтепродуктов на основе пневматического барьера.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• исследовать, как влияют особенности распространения нефтяного пятна на поверхностных водных объектах в условиях открытой воды, битого и сплошного льда на обустройство рубежей локализации с помощью пневматического барьера;

• разработать математическую модель, учитывающую режим течения газа в трубопроводе, и проверить ее адекватность;

• исследовать на основе математического моделирования влияние гидрометеорологических и гидрологических условий водного объекта на конструктивные особенности и физические параметры установки пневматического барьера;

• разработать методику подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием пневматического барьера на поверхностных водных объектах.

Научная новизна

Разработана математическая модель работы пневматического барьера, учитывающая угол наклона и режим течения газа в перфорированном трубопроводе, с помощью которой проведено исследование влияния на скорость производимого течения геометрических и режимных параметров пневматического барьера.

Разработана методика подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием пневматического барьера на поверхностных водных объектах, учитывающая их гидрологические условия, природно-климатические условия их размещения, физико-химические свойства нефти.

На основании математического моделирования выявлено влияние диаметра перфорированного трубопровода на создание непрерывной линии ограждения на водной поверхности в конкретных природно-климатических и гидрологических условиях.

Практическая значимость

Разработанная математическая модель, реализованная в виде программы для ЭВМ, а также результаты проведенных исследований позволяют проводить оценку влияния геометрических и режимных параметров пневматического барьера на его эффективность, что позволяет обоснованно принимать решения о применимости данной технологии в конкретных природно-климатических и гидрологических условиях.

Разработанная методика подбора оборудования для локализации разливов нефти и нефтепродуктов с использованием пневматического барьера на поверхностных водных объектах позволяет подобрать оборудование, обеспечивающее максимальную эффективность локализации, в широком диапазоне природно-климатических и гидрологических условий.

Теоретическая значимость

Разработанная математическая модель и методика могут послужить основой для развития новых научных направлений в области создания пневматических барьеров, в том числе при совместном применении с сорбентами.

Методы исследования

Поставленные задачи решены с использованием методов: проектного метода, определившего целостность исследования, стадии и порядок его разработки, абстрактно-логического метода, использованного для построения ситуационных моделей с использованием операции аналогии, метода математического моделирования, эмпирического метода, связанного с постановкой экспериментальной проверки адекватности математической модели.

Положения, выносимые на защиту

Математичес