СПОСОБ СБОРА РАЗЛИВА НЕФТИ ПОД ЛЕДОВЫМ ПОКРОВОМ
METHOD FOR COLLECTING OIL SPILL UNDER ICE COVER

Область, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано при ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов под ледовым покровом преимущественно проточных водоемов. Предложен способ направления нефтяного пятна в зону локализации и последующего сбора.
Способ включает в себя создание направляющих каналов во льду, позволяющих перемещать нефть в майны с последующим удалением.
Способ позволяет минимизировать негативное воздействие разлива нефти на окружающую среду и упростить процесс сбора нефти.
Уровень техники
Ледовый режим в проточных водоемах - осложняющий фактор при ликвидации аварийных разливов нефти. При наличии ледового покрова одним из обязательных этапов ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на водных объектах является этапы локализации и последующего сбора нефтепродукта.
Например, известны способы сбора нефти из-под ледяного покрова проточного водоема (патент РФ №2224842 «Способ сбора нефти из-под ледяного покрова проточного водоема»; Иванов В.А. и др. Ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. Учебное пособие. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.). Сбор нефти по этим способам осуществляется путем создания в ледяном покрове, выше по течению от пятна разлива нефти, прорезей и установку в них перпендикулярно водному потоку различных по исполнению и материалам заграждений (эластичные экраны с утяжелениями по нижним краям, жесткие конструкции из металлических или деревянных секций, щитов и пр.). В конце прорези сооружают майну для размещения нефтесборщика и вспомогательного оборудования.
Основными их недостатками являются ограниченная эффективность и значительные затраты на ликвидацию аварии.
Известен также способ и устройство для сбора нефти и нефтепродукта из-под ледяного покрова водоема (патент РФ №2604931 «Способ и устройство для сбора нефти и нефтепродукта из-под ледяного покрова водоема»), включающий локализацию пятна нефти или нефтепродукта и последующее удаление нефти или нефтепродукта откачкой в нефтеприемник. При этом в область локализации пятна нефти или нефтепродукта под ледяной покров подают, по крайней мере, один понтон, накачивают его воздухом в количестве, достаточном для создания подъемной силы на деформацию ледяного покрова. При этом на участке локализации пятна нефти или нефтепродукта образуется купол, обеспечивающий сбор нефти или нефтепродукта, который оказывается между поверхностью воды и ледяным покровом.
Основным недостатком данного способа является невысокая производительность, трудоемкость, невозможность применения в проточных водоемах, а также ограничение по толщине льда.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ сбора нефти из-под ледяного покрова проточного водоема (патент РФ №2176701), предусматривающий вскрытие ледяного покрова и сбор накопленной нефти в накопители. Вскрытие ледяного покрова осуществляют таким образом, чтобы кромка льда образовывала либо встречный течению реки клин, либо острый угол с одним из ее берегов. Отбирают накопившуюся в прибрежной зоне нефть, направляя ее в заранее подготовленные на берегу накопители, дно которых выполнено с обратным от водоема уклоном. Сообщение между водоемом и накопителями обеспечивают системой трубопроводов, с помощью одного из которых производят отбор нефти из прибрежной зоны, а с помощью другого подают в накопитель воду для обеспечения постоянного уровня жидкостей в накопителе, выдерживают их до кристаллизации льда на границе раздела жидкостей и производят сбор нефти с поверхности льда.
Этот способ также недостаточно эффективен, т.к. в условиях ледостава при отрицательной температуре воздуха, вода с нефтью в прорези быстро замерзают и нефть, которая не всплыла, продолжает движение подо льдом. Кроме того, для вскрытия ледяного покрова и создания прорези шириной в несколько метров требуются значительные время-и трудозатраты.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого настоящего изобретения является обеспечение простоты, снижение трудоемкости, оперативности и экономичности процесса сбора аварийного разлива нефти на проточных водоемах в ледовых условиях.
Техническим результатом изобретения является создание способа сбора нефти из-под ледового покрова проточного водоема, обеспечивающего оперативный отвод и локализацию нефти в ледовых условиях.
Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с аналогами является меньшее воздействие нефтяного загрязнения на водный объект, так как он действует немедленно при прорыве нефтепровода и утечки нефти. Все подготовительные работы проводятся однократно и в дальнейшем сводятся лишь к периодическому контролю. Кроме того, достоинством способа является возможность использования в период ледостава, когда многие способы практически не применимы.
Существенные признаки, характеризующие изобретение.
Ограничительные: способ локализации и сбора нефти под ледовым покровом поперек водного потока под углом к его динамической оси.
Отличительные: локализация и отвод аварийной нефти под ледовым покровом в зону сбора и последующего удаления осуществляется с помощью ледовых каналов, созданных в ледовом покрове проточного водоема путем создания из естественного снежного покрова ниже по течению от места аварийного разлива нефти на предполагаемом пути прохождения нефтяного пятна снежной теплоизоляции и расчистки поверхности ледового покрова на границе со снежной теплоизоляцией для увеличения его толщины под расчищенной поверхностью.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 приведена схема формирования направляющего канала в ледовом покрове с помощью снежного покрова. На фигуре 2 изображены примеры локализации и сбора разлива нефти на рубежах в ледовый период на проточных водоемах в зависимости от их ширины. На фигуре 3 приведена схема расположения лунок и толщины льда. На фигуре 4 показано сопоставление замеров толщины ледового покрова в контрольных точках.
Осуществление изобретения
Благодаря тому, что теплопроводность льда превышает теплопроводность снега и воды на порядок и в четыре раза соответственно, авторы предлагают способ создания в ледовом покрове полостей и направляющих каналов, через которые будет производиться сбор и локализация разлитой подо льдом нефти.
Способ осуществляется следующим образом (фиг. 1). Путем расчистки поверхности ледового покрова водоема (1) ниже по течению от места аварийного разлива нефти на предполагаемом пути прохождения нефтяного пятна из естественного снежного покрова создается снежная теплоизоляция (2). Таким образом, будут созданы условия для увеличения толщины ледового покрова под расчищенной площадью и, наоборот, замедления нарастания толщины льда под снежной теплоизоляцией. Кроме того, на поверхности расчищенного льда, на границе со снежной теплоизоляцией возможно создание углублений (3) для более быстрого и глубокого промерзания льда (4) и, тем самым, образования более выраженного ледового канала (5). В конце ледовых каналов сооружают майны, в которых размещают нефтесборщики и вспомогательное оборудование для удаления нефти в нефтесборники.
Количество и форма ледовых каналов может варьировать в зависимости от ширины проточного водоема (фиг. 2). Для водотоков небольшой ширины отвод нефтяного пятна (1) производится ледовым каналом (2), перекрывающим русло полностью. Для средних и широких водотоков, возможно частичное перекрытие русла на предполагаемых путях прохождения нефтяного пятна (1) с последующим отводом и сбором в нефтесборники (3).
Для подтверждения возможности применения предлагаемого способа в реальных условиях был проведен натурный эксперимент в замкнутом стоячем водоеме. Для эксперимента была расчищена от снежного покрова рабочая зона диаметром 20 м. В центре зоны была сформирована искусственная теплоизоляция из снега куполообразной формы высотой 1 м и радиусом основания 3 м. На начало эксперимента толщина ледового покрова и глубина водоема составляли 0,24 и 1,65 м соответственно. Температура воды в водоеме составляла 2,5°С, на границе между снежным покровом и льдом -4°С, окружающего воздуха -23,5°С. По мере выпадения снега производилась расчистка территории зоны. Также, для построения математической модели в ходе проведения натурного эксперимента фиксировались температура окружающего воздуха и воды, толщина естественного снежного покрова, плотность искусственной снежной теплоизоляции, скорость ветра.
На 36 сутки с начала эксперимента были зафиксированы изменения толщины ледового покрова под снежной теплоизоляцией, а также с зоны, расчищенной от снега и под естественным снежным покровом. Для измерения толщины льда были пробурены лунки в 6 точках (фиг. 3).
Полученные данные показывают, что нарастание толщины в центре изолированной части ледового покрова составило 7 см (точка 1), тогда как толщина неизолированной части увеличилась на 50 см (точка 4), разница между ними составила 43 см. При этом температура воздуха во время проведения эксперимента опускалась ниже -40°С.
Высота снежной теплоизоляции до 1 м является достаточной для значительного замедления нарастания ледового покрова при ледоставе.
Для описания натурного эксперимента была построена математическая модель, позволяющая прогнозировать процесс формирования ледового покрова в замкнутом водоеме в зависимости от условий окружающей среды.
Задача описывалась уравнением теплопроводности с учетом фазового перехода в осесимметричной форме в цилиндрической системе координат, на границах задавались традиционные граничные условия 1 и 3 рода.
Данная задача является задачей Стефана промерзания воды, фазовый переход происходит в малом интервале температур [Tf - Δ; Tf + Δ], тем самым энтальпия фазового перехода «размазывается» в этом интервале.
Геометрические размеры, принятые в модельной задаче, сопоставимы с геометрическими размерами натурного эксперимента.
Коэффициенты теплообмена вычислялись следующими формулами:
air
ice
w
air
air
где ,  - высота и теплопроводность снежного покрова k-ой границы, ν - скорость ветра. Проведением натурного эксперимента зафиксированы значения T, T, T,  и ν. Теплопроводность снега  зависит от плотности  и вычислялась выражением:
На фиг. 4 представлены сравнения толщин ледового покрова в контрольных точках, полученных решением задачи Стефана и в ходе натурного эксперимента. Отклонения расчетных результатов от экспериментальных данных составляет около 4,8%, что подтверждает адекватность математической модели.