УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА ПЛАВАЮЩИХ УГЛЕВОДОРОДОВ С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR COLLECTION OF FLOATING HYDROCARBONS FROM WATER SURFACE

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к устройствам для сбора нефти и нефтепродуктов (далее нефть) с поверхности воды.
Анализ результатов эксплуатации существующего оборудования для сбора плавающей нефти, показал, что наиболее эффективными являются устройства адгезионного принципа действия.
Известно устройство для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды (патент RU №2161674, от 27.04.1999, МПК Е02В 15/10, опубл. 10.01.2001), включающее несущую раму, вращающиеся в противоположные стороны барабаны с нефтепоглощающими оболочками, трубопровод для отвода собранной нефти и поплавки. На поверхности обечаек вращающихся барабанов закреплены перфорированные упругие пластины, а нефтепоглощающие оболочки зафиксированы на перфорированных упругих пластинах простегива-нием нефтепоглощающих оболочек совместно с перфорированными упругими пластинами через перфорацию упругих пластин. Изобретение обеспечивает повышение надежности работы устройства за счет исключения возможности смещения нефтепоглощающих оболочек по поверхности барабанов и перехода эксплуатации устройства с циклического режима на непрерывный.
Недостатком устройства является то, что нефтепоглощающие оболочки недолговечны и не эффективны при работе с высоковязкими нефтями, особенно при низких температурах окружающей среды.
Известен нефтеуловитель для очистки поверхностных вод от плавающих нефтепродуктов (патент RU №2017891, от 28.10.1991, МПК Е02В 15/04, опубл. 15.08.1994), основным рабочим органом которого является блок плоских дисков, закрепленных на вращающемся барабане, погружная часть которых смачивается плавающими нефтепродуктами. Пленка уловленного нефтепродукта затем снимается специальным приспособлением с непогружной поверхности дисков, собирается в накопительном кармане и через патрубок в нижней части накопительного кармана поступает к откачивающему насосу. Вращение барабану передается через вал от привода.
Недостатком устройства является низкая производительность, плохая устойчивость, снижающая надежность его работы, неэффективность при сборе высоковязких продуктов, особенно, как и в первом устройстве, при низких температурах.
Известно нефтесобирающее устройство фирмы "Эластек" TD-136 (www.elastec.com/oilspill/), включающее вращающийся гладкий цилиндрический барабанный сепаратор, очистители барабана, контейнер для собранной нефти, насос с гидроприводом, перекачивающий собранную нефть в портативное хранилище. Плавучий гладкий барабанный сепаратор, вращаясь на поверхности воды, увлекает нефть, очистители снимают с него нефть и она стекает в алюминиевый контейнер сепаратора.
Недостатками известного устройства являются низкая производительность и надежность работы, обусловленная слабой удерживающей и увлекающей способностью гладкого барабана при наличии даже небольшой зыби, а также невозможность всесезонного использования в связи с отсутствием обогрева нефтесборного барабана.
Известен аппарат для сбора вязкой жидкости (патент US №7410577 от 18.04.2006 г., E02B 15/04, опубл. 12.08.2008 г.), включающий вращающийся барабан, забирающая поверхность которого выполнена с множеством мелких канавок, формирующих узкие профили для сбора и удержания вязкой жидкости и сориентированных относительно радиальной оси барабана, скребок для удаления вязкой жидкости из канавок с геометрией профиля, соответствующего профилю канавок. Возможна установка парового змеевика в сборном желобе, для подогрева вязкой жидкости. Недостатком аппарата является то, что отсутствие системы обогрева или расположение ее только в сборном желобе снижает ее эффективность, поскольку подогревается уже собранная вязкая жидкость, подаваемая в перекачивающий насос, а на вязкость разлитой на водной поверхности увлекаемую (забираемую) барабаном жидкости, не оказывается никакого влияния, что затрудняет сбор последней, особенно, при отрицательных температурах.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для сбора нефти с поверхности воды (патент RU №2114244 от 17.01.1997 г., МПК E02B 15/00, опубл. 27,06.1998 г.), включающее вращающиеся барабаны, скребковую систему, насос, нефтесборник с рамой и приводы, наружная и внутренняя поверхности барабанов выполнены волнистыми в виде чередующихся между собой выступов и впадин, скребковая система состоит из подпружиненных скребков для очищения нефти с поверхности выступов, скребков для очищения нефти с поверхности впадин и приема собранной нефти в лоток и слива ее в нефтесборник, причем с одного конца скребки жестко соединены с рамой лотка, а другим концом прижаты к наружной поверхности барабана, скребки для очищения нефти выполнены в форме язычка, а для очищения и приема собранной нефти и слива ее в лоток выполнены в форме лотков, при этом барабаны и нефтесборник выполнены с двойными стенками и днищем, с системой подачи и перетока хладо- и теплоносителя.
Недостатком устройства является то, нефтесборные барабаны неразборно соединены с узлом сбора и откачки нефти, что затрудняет погрузку-разгрузку устройства, доставку до места и спуск на воду. Неразборность устройства не позволяет выполнить барабаны большой длины для увеличения производительности устройства, что особенно важно при малой толщине собираемой нефти. Внутренние стенки барабанов выполнены гофрированными, что не придает конструкции дополнительных полезных качеств, увеличивая трудоемкость изготовления, металлоемкость, соответственно, массу устройства и уменьшая его плавучесть.
При работе в зимних условиях, особенно с высоковязкими и высокозастывающими нефтями, сбор которых невозможен без обогрева или затруднен из-за отсутствия устройства постоянного выпуска образовавшегося конденсата в барабанах при обогреве их наиболее простым в реализации и доступным теплоносителем - паром. В результате приходится регулярно останавливать нефтесборщик, периодически вытягивать его на берег или поднимать на плавсредство для слива конденсата и восстановления уровня погружения барабанов. Отсутствие колес или, в зимних условиях, лыж, способных облегчить спуск нефтесборщика на воду, осложняет эту работу без применения дополнительных грузоподъемных и транспортных средств и затрудняет незамедлительно начать сбор разлитой нефти.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, основанного на адгезионном принципе сбора нефти с поверхности водного объекта, состоящего из быстро сборно- разборных блоков, удобного в работе, более производительного, независимо от вязкости собираемой нефти и температуры окружающей среды, и обладающего улучшенными эксплуатационными характеристиками.
В результате решения данной задачи появляется возможность удобной доставки устройства на место установки, быстрой сборки и подключения в работу; получение технических результатов, обеспечивающих высокую производительность удаления нефти с поверхности водного объекта; возможность работы при наличии течения, как на толстых, так и на тонких пленках нефти; сбор ее во всем диапазоне вязкостей при любой температуре окружающей среды.
Указанная совокупность технических результатов достигается тем, что в устройстве, включающем нефтеприемные устройства, состоящие из нефтесборных барабанов с двойными стенками, устройств для съема нефти с барабанов и желобов отвода нефти от нефтесборных барабанов, емкость собранной нефти, соединенную с нефтеприемными устройствами, и расположенными в ней приводом вращения нефтесборных барабанов нефтеприемных устройств, насосом с гидроприводом для откачки собранной нефти, системой разводки трубопроводов подачи и отвода энергоносителей, согласно изобретению, устройство выполнено из сборно-разборных блоков, включающих два нефтеприемных устройства, емкость собранной нефти и поплавок, служащий для обеспечения остойчивости устройства и поддержки на плаву гибких рукавов обвязки. Нефтеприемные устройства и поплавок, соединены с емкостью собранной нефти при помощи быстроразъемных соединений, например, в виде «ушки-палец» и талрепов, образуя в плане подобие птицы с раскрытыми «крыльями» так, что «крылья» могут устанавливаться под углом в пределах от 45 до 180° друг к другу против потока или против ветра в стоячей воде. Такая конструкция позволяет быстро собрать из блоков, переносимых вручную операторами-сборщиками, устройство большой остойчивости, спустить его на воду, закрепить на месте установки, собрать нефть, легко очистить устройство и свернуть его в транспортное положение, обеспечивая компактность и удобство транспортировки. Кроме того, возможность расположения нефтеприемных устройств под любым необходимым углом к потоку позволяет обеспечить более устойчивую работу устройства со стабильной подачей по нефти.
Нефтеприемные поверхности наружных обечаек нефтесборных барабанов выполнены с параллельными канавками, перпендикулярными к горизонтальной оси барабанов, что способствует удержанию приплывающей нефти и ее сбору, увеличивает поверхность контакта нефтесборных барабанов с собираемой нефтью. Кроме того, такое выполнение наружных обечаек нефтесборных барабанов увеличивает их жесткость - сопротивление смятию, позволяет минимизировать толщину стенки наружных обечаек, соответственно, массу нефтесборных барабанов. Наиболее рациональная, функционально эффективная конфигурация канавок, их высота, ширина, обеспечивающая максимальный сбор нефти, выбирается расчетом и подтверждается экспериментально.
Наружные поверхности внутренних обечаек нефтесборных барабанов выполнены без радиальных канавок, укорочены, по отношению к наружным обечайкам. Межтрубные пространства нефтесборных барабанов и полости внутренних обечаек заглушены с обоих торцов днищами, снабженными окнами, образующими в торцах нефтесборных барабанов, обращенных к их приводу, камеры для подвода энергоносителя (тепло- или хладагента) в их межтрубные пространства, а с другого торца - камеры для отвода из межтрубных пространств конденсата. Такое решение снижает материалоемкость и упрощает изготовление, что, соответственно, уменьшает затраты на производство.
Устройства для съема нефти с нефтеприемной поверхности наружных обечаек нефтесборных барабанов выполнены в виде гребенок, шарнирно закрепленных вдоль нефтесборных барабанов к стенке желобов отвода нефти от нефтесборных барабанов, с возможностью регулирования усилия прижатия гребенок к нефтеприемной поверхности наружных обечаек нефтесборных барабанов. Для максимального, удаления нефти с нефтеприемной поверхности наружных обечаек нефтесборных барабанов геометрия кромок гребенок, обращенных к нефтесборным барабанам, копирует геометрию нефтеприемной поверхности наружных обечаек нефтесборных барабанов. Усилие прижатия гребенок к нефтеприемной поверхности наружных обечаек нефтесборных барабанов и компенсация износа обеих трущихся поверхностей регулируется, например, пружинными или грузовыми прижимами. Гребенки могут быть выполнены из любого доступного искробезопасного, износостойкого эластичного материала, например, полиуретана.
Обеспечение надежной и стабильной работы устройства в любое время года осуществляется системой обогрева или охлаждения. При необходимости, в межтрубные пространства нефтесборных барабанов подается энергоноситель, например пар в холодное время года, а в теплое время года, при работе на нефти с малой вязкостью, - хладагент. С этой же целью, в емкостях собранной нефти и желобах отвода нефти от нефтесборных барабанов установлены трубы, обогреваемые или охлаждаемые энергоносителем. Обогреваемые нефтесборные барабаны в области отрицательных температур исключают образование наледи в майне, и подогревают нефть, уменьшая ее вязкость, а охлаждаемые нефтесборные барабаны увеличивают вязкость маловязкой нефти, обеспечивая максимальное налипание нефти на нефтеприемную поверхность наружных обечаек нефтесборных барабанов. Подогрев нефти в желобах отвода нефти от нефтесборных барабанов и в емкости собранной нефти улучшает ее поступление в перекачивающий насос. Расширяется диапазон собираемой нефти по вязкости и возможность сохранить высокую производительность устройства при его работе в любое время года, в любом районе.
Для исключения накопления конденсата в межтрубных пространствах нефтесборных барабанов, улучшения теплообмена и для сохранения заданной осадки устройства, нефтесборные барабаны снабжены системами для отвода конденсата. Системы отвода конденсата расположены в межтрубных пространствах нефтесборных барабанов, состоят, например, из наклонных лопастей, которые простираются от камер ввода энергоносителя до камер отвода конденсата, и разделяют межтрубные пространства нефтесборных барабанов на секторы. Наклон лопастей выполнен так, что, при вращении нефтесборных барабанов, конденсат, собирающийся в нижней части межтрубных пространств, непрерывно захватывается наклонными лопастями, поднимается ими в верхнюю часть межтрубных пространств и стекает в камеры отвода конденсата через отводящие патрубки, установленные на днищах, заглушающих полости внутренних обечаек и межтрубных пространств, в отводящие лотки. Отводящие лотки установлены на неподвижных опорах нефтесборных барабанов по центру в камерах отвода конденсата, и остаются неподвижными при вращении нефтесборных барабанов. Далее конденсат выводится по трубопроводам наружу.
Для равномерного распределения нагрузки на привод нефтесборных барабанов от массы наклонных лопастей и равномерного распределения энергоносителя и образовавшегося конденсата в межтрубных пространствах, количество образованных наклонными лопастями секторов желательно более одного.
Предусмотрен отвод собранной нефти из емкости собранной нефти откачивающим насосом, выходной патрубок которого соединен с емкостью для хранения собранной нефти, расположенной на берегу или на средстве на водном объекте.
Для уменьшения габаритных размеров устройства привод вращения нефтесборных барабанов, разводка трубопроводов подачи и отвода энергоносителей, насос для откачки собранной нефти расположены в емкости собранной нефти.
Для быстрой сборки устройства из блоков и удобства спуска собранного устройства на воду, особенно, в случае его доставки до места разлива нефти не водным транспортом, на каркасах нефтеприемных устройств и емкости собранной нефти предусмотрены колесные пары на поворотных шарнирах, которые в зимнее время могут быть заменены лыжами, а, при отсутствии в них необходимости, они могут быть сняты или вообще не устанавливаться.
При помощи выносного поплавка предусмотрено увеличение остойчивости устройства, уменьшение нагрузки на блоки нефтеприемных устройств и емкости собранной нефти от гибких рукавов обвязки трубопроводов подачи энергоносителей, откачки собранной нефти, подвода и отвода рабочей жидкости к приводу вращения нефтесборных барабанов. Поплавок выполнен в виде укороченного, заглушенного по торцам полого барабана с канавками на поверхности для укладки гибких рукавов обвязки и установлен на раме с регулируемым вылетом, закрепленной к каркасам нефтеприемных устройств и емкости собранной нефти.
Для создания жесткого треугольника «выносной поплавок- нефтеприемные устройства» предусмотрено быстроразъемное соединение последних между собой, например, талрепами.
На фиг.1 и 2 изображен общий вид устройства в двух крайних положениях раскрытия «крыльев» и с разрезом одного из барабанов по горизонтальной плоскости; на фиг.3 вид А-А - система отвода конденсата из межтрубного пространства барабанов; на фиг.4 - вид В устройства на фиг.2.
Устройство для сбора вязких жидкостей с поверхности водного объекта (фиг.1) включает 4 блока: два нефтеприемных устройства 1, емкость собранной нефти 2 и поплавок 3. Нефтеприемпые устройства состоят из нефтесборных барабанов 4 с двойными стенками из легкого искробезопасного материала, например, алюминия, углепластика, стеклопластика, установленных на каркасах 5 в опорах 6. На этих же каркасах 5 размещены или выполнены заодно с ними желоба 7 отвода нефти от нефтесборных барабанов в емкость собранной нефти 2 и устройства, в виде гребенок 8, для съема нефти с нефтеприемных поверхностей наружных обечаек 9 нефтесборных барабанов 4. Гребенки 8 закреплены вдоль нефтесборных барабанов 4 на стенке желобов 7 отвода нефти от нефтесборных барабанов. В емкости собранной нефти 2, установленной на каркасе 10, расположены гидропривод 11 с редуктором вращения барабанов 4 нефтеприемных устройств 1, насос 12 с гидроприводом для откачки собранной нефти и система разводки трубопроводов, в виде коллектора.
Каркасы 5 нефтеприемных устройств 1 могут быть установлены под углом друг к другу в пределах от 45 до 180° и соединены с каркасом 10 емкости собранной нефти 2 с помощью быстроразъемных соединений «ушки-палец» 13, а друг с другом - талрепом 14.
Нефтеприемные поверхности наружных обечаек 9 нефтесборных барабанов 4 снабжены канавками 15 (выноска Б на фиг.1).
Наружные поверхности внутренних обечаек 16 нефтесборных барабанов 4 выполнены без канавок, заглушены с обоих торцов вместе с межтрубными пространствами 17 нефтесборных барабанов 4 и укорочены по отношению к наружным обечайкам 9, образуя в одном торце нефтесборных барабанов 4 камеры 18 (фиг.2), для установки линий подвода энергоносителя в межтрубные пространства 17, а в другом торце - камеры 19, для отвода конденсата. В межтрубных пространствах 17 выполнена система отвода конденсата, в виде наклонных лопастей 20, установленных на наружных поверхностях внутренних обечаек 16 по всей длине нефтесборных барабанов 4, и разделяющих межтрубные пространства 17 на секторы. Наклонные лопасти 20 направляют потоки конденсата по межтрубным пространствам 17 и далее через отводящие патрубки 21 (фиг.2, 3), установленные на днищах 22, заглушающих полости внутренних обечаек 16 и межтрубных пространств 17, в отводящие лотки 23, установленные по центру в камерах отвода конденсата 19 нефтесборных барабанов 4 на неподвижных опорах 6 вращения нефтесборных барабанов 4. При этом один конец отводящих лотков 23 выведен из нефтесборных барабанов 4 и соединен с атмосферой через трубопроводы 24 и 25. Угол наклона лопастей 20 к горизонтальной и вертикальной плоскостям в любой точке наружной поверхности внутренних обечаек 16 рассчитывают и устанавливают так, что конденсат, собирающийся в нижней части межтрубных пространств 17, при вращении нефтесборных барабанов 4 непрерывно захватывается наклонными лопастями 20, поднимается ими до уровня отводящих патрубков 21 и через них сливается в отводящие лотки 23.
Гребенки 8 выполнены, например, из полиуретана, шарнирно закреплены вдоль нефтеприемных поверхностей наружных обечаек 9 нефтесборных барабанов 4 на желобах 7 отвода нефти от нефтесборных барабанов и плотно прижаты рабочими кромками к нефтеприемным поверхностям наружных обечаек 9. Регулирование усилия прижатия гребенок 8 к нефтеприемным поверхностям наружных обечаек 9 нефтесборных барабанов 4 производится пружинными прижимами (на фиг. не показано). Обогрев или охлаждение стенок нефтесборных барабанов 4 осуществляется энергоносителем, подаваемым в межтрубные пространства 17 нефтесборных барабанов 4 по трубопроводам 26 и 27 через коллектор 28 и гибкий рукав 29 от устройства подачи энергоносителя (на фиг. не показано). Нагрев или охлаждение нефти в желобах 7 отвода нефти от нефтесборных барабанов производится конденсатом, отводимым из межтрубных пространств 17 по трубопроводам 24 и 25, а в емкости собранной нефти 2 - трубами 30 и 31, проложенными по дну последней и запитанными через коллектор 28 и гибкий рукав 29 от устройства подачи энергоносителя.
Для откачки собранной нефти из емкости собранной нефти 2 в последней установлен насос 12 с гидроприводом, к которому подсоединен гибкий рукав 32, второй конец гибкого рукава 32 соединен с емкостью для хранения собранной нефти (на фиг. не показано), расположенной на берегу или на средстве на воде, а для вращения нефтесборных барабанов 4 нефтеприемных устройств 1 в емкости собранной нефти 2 установлен гидропривод 11 с редуктором и гибкими рукавами подвода 33 и отвода 34 рабочей жидкости.
Каркасы 5 нефтеприемных устройств и каркас 10 емкости собранной нефти 2 снабжены колесными парами 35 (фиг.3) на поворотных шарнирах.
Для обеспечения жесткости крепления блоков, плавучести гибких рукавов и большей остойчивости устройства оно дополнено кормовой частью-выносным поплавком 3 в виде барабана, заглушенного по торцам, установленного на раме 36 (фиг.4) с регулируемым вылетом, соединенной с емкостью собранной нефти 2 разъемными соединениями, например, «труба в трубе с болтом» (выноска Г на фиг.4), а с каркасами 5 нефтеприемных устройств - талрепами 37 и 38 (фиг.2), образуя, таким образом, устойчивый плавучий жесткий треугольник. Поверхность барабана поплавка 3 снабжена канавками, в которые укладываются гибкие рукава.
Устройство работает следующим образом.
В разобранном виде, отдельными блоками, устройство доставляют до места разлива нефти любым видом транспорта. Присоединяют каркасы 5 нефтеприемных устройств с обеих сторон к каркасу 10 емкости собранной нефти 2 при помощи быстроразъемных соединений «ушки - палец» 13, и жестко стыкуют к каркасу 10 емкости собранной нефти 2 раму 36 выносного поплавка 3. Затем, выдерживая заданный угол между каркасами 5 нефтеприемных устройств 1 в пределах от 45 до 180°, талрепом 14 соединяют между собой каркасы 5, а талрепами 37 и 38 соединяют каркасы 5 и раму 36 выносного поплавка. Соединяют оси нефтесборных барабанов 4 с выносным валом редуктора гидропривода 11.
Гибким рукавом 32 соединяют насос 12 откачки собранной нефти с емкостью для хранения собранной нефти, расположенной на берегу или на средстве на водном объекте. К гидроприводу 11 с редуктором для вращения нефтесборных барабанов 4 подсоединяют гибкие рукава 33 подвода и 34 отвода рабочей жидкости. Трубы 26 и 27 для подвода энергоносителя соединяют через коллектор 28 с устройством для подачи энергоносителя гибким рукавом 29 и спускают устройство на водную поверхность, загрязненную нефтью. Закрепляют устройство на заданном месте водного объекта причальными канатами, например, на анкерах, бонах или береговых устройствах (на фиг. не показано). По мере необходимости по трубам 26, 27 подают энергоноситель в межтрубные пространства 17 нефтесборных барабанов 4, а в емкость собранной нефти 2 по трубам 30 и 31 и гибкому рукаву 29 через коллектор 28.
Гидроприводом 11 приводят нефтесборные барабаны 4 во вращение. При их вращении на канавки 15 нефтеприемной поверхности наружных обечаек 9 нефтесборных барабанов 4 налипает и выносится с водной поверхности разлитая нефть. При вхождении канавок 15 в контакт с гребенками 8, последние снимают нефть с нефтеприемных поверхностей наружных обечаек 9 нефтесборных барабанов, нефть стекает в желоба 7 отвода нефти от нефтесборных барабанов, и далее по ним отводится самотеком в емкость собранной нефти 2.
Наклонные лопасти 20, при вращении нефтесборных барабанов 4, поднимают конденсат, образующийся в процессе работы устройства в межтрубных пространствах 17 нефтесборных барабанов 4, из нижней части межтрубных пространств 17 в его верхнюю часть и выводят конденсат через отводящие патрубки 21, установленные на днищах 22, в отводящие лотки 23, установленные в полостях отвода конденсата 19 нефтесборных барабанов 4 по центру на неподвижных опорах 6 вращения нефтесборных барабанов 4. №отводящих лотков 23 по трубопроводам 24 и 25 конденсат отводится наружу, попутно подогревая нефть в желобах 7 отвода нефти от нефтесборных барабанов.
Таким образом, устройство обеспечивает сбор и удаление нефти с поверхности водного объекта в широком диапазоне вязкости при любой температуре окружающей среды.