Пневматический барьер для локализации нефтяного разлива на водной поверхности

Предотвращение загрязнения природной среды нефтью и продуктами её переработки - одна из сложных и многоплановых проблем охраны природной среды. Ни один другой загрязнитель, как бы опасен он ни был, не может сравниться с нефтью по широте распространения, числу источников загрязнения, величине нагрузок на все компоненты природной среды.

В нефтегазовой промышленности загрязнение водных объектов и почвогрунтов происходит при транспортировке нефти и нефтепродуктов, нарушении обваловок шламовых амбаров, паводках и подтоплении территории предприятия в период интенсивного снеготаяния, при несоблюдении правил хранения нефти и горюче-смазочных материалов в резервуарах (утечки) и нерачительном использовании углеводородного сырья. По этим причинам происходит неконтролируемое поступление нефти в объекты природной среды.

На территории нефтегазового комплекса разрушительному воздействию подвержены практически все компоненты ландшафтов, растительный и животный мир. Уже возникли опасные преобразования, которые могут стать необратимыми [1]. Масштабы распространения и эволюция поведения нефтяного разлива на водном объекте зависят от состава нефти, скорости те- чения воды, силы ветра, температуры, солнечной радиации и т.п. Попавшая в водную среду нефть может расплываться, испаряться, растворяться, эмульгировать, оседать на дно или налипать на береговую растительность.

Мировой опыт эксплуатации нефтяных месторождений показывает, что аварийные разливы нефти загрязняют поверхностные и подземные воды (20%), атмосферу (65% от испарения), почву (15%). Половина нефтяной органики из атмосферы оседает обратно на почву [2]. Водные экосистемы, как известно, являются нижним уровнем в геохимическом ландшафте, представляют собой область сноса и поэтому наиболее уязвимы к химическому загрязнению.

Основными средствами для локализации и предотвращения дальнейшего распространения разлитой нефти по поверхности воды являются передвижные и стационарные заграждения, барьеры из сорбентов, струи воды и воздуха, химические барьеры и др. Основными функциями боновых заграждений (БЗ) являются: предотвращение растекания нефти на водной поверхности, увеличение концентрации нефти для облегчения цикла уборки и отвод её от наиболее уязвимых районов.

Принцип действия плавучего бонового заграждения, получившего наибольшее распространение на практике, заключается в создании механического барьера, препятствующего произвольному горизонтальному перемещению верхнего слоя воды с нефтяной пленкой. При этом удерживающая способность заграждения определяется осадкой, углом установки его к потоку и скоростью течения на поверхностном слое потока.

Гидравлическими исследованиями установлено, что раздельное течение нефтеводяной системы возможно лишь при низких скоростях потока w< 02 м/с и определенных углах установки бонового заграждения к потоку. При w=0,5-2,5 м/с в большинстве рек возникают турбулентные пульсации в потоке и глобулы, заторможенные загрязнением слоя нефти при достижении определенной толщины, начинают отрываться от общей массы и проскакивать («подныривать») под заграждение. Максимальная скорость течения, при которой сохраняется раздельное течение фаз и полностью отсутствует «нырковый» эффект рассчитывается из выражения (1) [ 3 ].

ш_m ax =з•VАp•Б:g/7P н , ⁽¹⁾

где АР - статическое давление на глубине нижней кромки эрана; Б - поверхностное натяжение на границе раздела фаз нефть-вода; g - ускорение свободного падения; рн - плотность нефти.

В свете постановления Правительства РФ от 21 августа 2000 года «О неотложных мерах по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов» такие работы должны выполняться быстро и эффективно. Однако, несмотря на наличие большого количества значимых работ, на сегодня нет научно обоснованных технических Средств локализации разливов нефти на водной поверхности.

Нами проведены теоретические, лабораторные и стендовые исследования поведения пленки нефти на водной поверхности. Результаты этих исследований легли в основу разработки бонового заграждения аэродинамического принципа действия [4, 5]. Установлено, что образующийся на границе пленки нефти при истечении струй воздуха из затопленных отверстий, водовоздушный вал позволяет локализировать и отклонять плавающую нефть к нефтесборным устройствам, как на спокойной водной поверхности, так и при наличии течения.

Принцип действия пневматического барьера заключается в следующем. В установленный в толще воды перфорированный трубопровод подается сжатый воздух. Выделяющиеся пузырьки воздуха, выходя из сопел, устремляются вверх, увлекая за собой частицы воды, которые создают восходящий поток, образующий на поверхности стоячую волну. В результате в толще воды над трубой возникает восходящий воздушно-водный барьер.

В зависимости от интенсивности подачи воздуха, на вершине барьера образуется устойчивый вал высотой до 10-15 см со сбегающим в обе стороны от вершины поверхностным потоком воды. Для того, чтобы получить непрерывный водовоздушный бугор на поверхности воды, необходимо правильно подобрать расстояние между отверстиями в трубе, их диаметр и глубину за- легания генератора пузырьков. Заграждение схематически показано на рис. 1.

Рисунок 1 - Схема работы бонового заграждения

Расчет скорости истечения и расхода воздуха из отверстий при постоянных начальных параметрах находили по уравнениям термодинамики в дозвуковой области при β = Р 2 /Р 1 > β кp = 0,528 [6], где Р 1 - абсолютное давление перед отверстием; Р 2 - то же на выходе из отверстия. Результаты расчетов приведены в таблице. Здесь же приведены расчеты протяженности зоны взаимодействия скоростной струи с жидкостью (дальнобойность).

Таблица - Показатели расчета истечения воздуха из отверстий БЗ диаметром

5 мм

Давление в ге нераторе пу- 2	Глубина погру- -г^т.ткт »,	Скорость истечения ---,-.,„- ,./п---	Дальнобойность струи, м	Общий массовый	Давление газа на выходе из ком- 2
1,8    /	1,0	193	0.73	192	1,84
2,0	1,0	211	0,78	222	2,04
2,2	1,0	310	0,07	251	2,25
1,8	0,5	202	0,74	195	1,84
2,0	0,5	310	0,95	228	2,05
2,2	0,5	310	0,97	251	2,25

* Расход воздуха на 1 пог.м барьера составляет 0,278-0,363 м3/мин

Дальнобойность струи L определяли из известных соотношений [7]:

L=22,75∙Ar0,25; d

Ar= рг • w (Рж-Рг )^g^d где d - диаметр отверстия; ρг и ρж - плотность газа и жидкости; g- ускорение, свободного падения; w - скорость струи газа. Ar - модифицированный критерий Архимеда.

Расчеты параметров бонового заграждения в таблице ориентированы на промышленный образец длиной 100 м из 10 секций по 40 отверстий в каждой секции. Давление газа в коллекторе генератора пузырьков 2,2 кгс/см2. При этом расход газа находится в пределах, рекомендованных для пневматических бонов для многих нефтяных портов при слабых приливных течениях (до 0,5 м/с) и составляет 0,19 - 0,50 м3/мин в расчете на 1 погонный м барьера при глубине расположения ПБ 3,7 м.

Для оценки величины характерной высоты водяного вала получено вы- ражение:

∆h

h o •Q 24m-Q,

где h0 - глубина формирования пузырькового восходящего потока, Q - объ- емный расход подачи воздуха, l - ширина основания водовоздушного вала, и - скорость всплытия пузырьков.

На рисунке 2 приведена расчетная высота водовоздушного вала ∆h в зависимости от объемного расхода газа и скорости водотока.

Рисунок 2 – Зависимость высоты водовоздушного вала от объемного расхода газа на единицу длины заграждения при различных скоростях течения водного объекта

Приведенные исследования показывают, что предлагаемое боновое заграждение лишено большинства недостатков обычных боновых заграждений, (прежде всего «ныркового» эффекта). Оно может использоваться как в стоячей воде, так и на водотоке, а также на мелководье.

К преимуществам данного заграждения относятся: вынос на поверхность притопленной и эмульгированной нефти, в зимних условиях оно может устанавливаться в майнах с подачей горячего воздуха из турбокомпрессора, служить огнестойким боновым заграждением.

Его использование улучшает биологические и органолептические свойства водного объекта за счет аэрации воздухом загрязненного нефтью слоя воды. При необходимости боновое заграждение может выполнять функции традиционного, см. рис 1.

Пневматическое боновое заграждение прошли промысловые испытания и рекомендовано к применению в ОАО «Транснефть».