Определение зон распространения нефтяного пятна в водном объекте в зимний период

- © П.А. Соколова, С.Ф. Соломенник,

2014

УДК 627.13

П.А. Соколова, С.Ф. Соломенник

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН РАСПРОСТРАНЕНИЯ НЕФТЯНОГО ПЯТНА В ВОДНОМ ОБЪЕКТЕ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД

Подобрана методика расчета дальности распространения нефтяного пятна в воде при аварийных разливах нефти в зимний период. Этот расчет необходим для получения точной характеристики поведения нефтяного пятна в воде при ликвидации аварий. В частности рассмотрены подводные переходы на реках Приморского края в зимний период. Ключевые слова: аварийные разливы нефти, нефтяное пятно, подводные переходы.

В данной работе авторами была поставлена цель - определить места эффективного расположения боно-вых заграждений для сбора нефти во время аварийного разлива по каждому подводному переходу. Чтобы максимально точно выработать тактику и определить технологию ликвидации загрязнения. Рассмотрена одномерная задача распространения нефтяного пятна применительно к узкому протяженному водоему, каким является большинство рек Приморского края.

Общие положения

При ликвидации аварийного разлива необходимо соблюдение норматива времени, предусмотренного на каждую операцию - на сбор бригады, доставку и выгрузку оборудования, развертывание боновых заграждений, сбор нефти с поверхности воды, очистку береговой зоны от нефтепродуктов и так далее.

Расчет сил и средств для ликвидации аварии на объекте МН, выполняемых с учетом, что время локализации аварии, исключая время прибытия аварийно-восстановительных служб к месту разлива нефти, не должно превышать 4 ч при разливе нефти в акватории и 6 ч — при разливе на почве [5].

При расчетах силы средств, составлении графиков выполнения работ продолжительности ликвидации аварий на МН должны учитываться характер повреждения и количества вытекшей нефти, диаметр и профиль трассы нефтепровода, по-годно-климатические условия на месте повреждения и другие

факторы. С учетом указанных расчетная продолжительность выполнения работ по ликвидации аварий может составить 80 ч. в обычных условиях и могут быть больше на 30-50 % при ликвидации аварий на болотах [5].

Чтобы получить точную оценку поведения нефтяного загрязнения, с учетом местной топографии, гидрологических режимов данного водотока и метеорологических условий, в зависимости от времени года, и дать прогноз развития аварийной ситуации, для возможной аварии на конкретном ППМН, необходимо учесть [4, 5]:

— направление распространения нефтяного загрязнения по водной поверхности, в зависимости от координат места повреждения нефтепровода ППМН и объема утечки, а также гидрологические и метеорологические условия;

— характер истечения нефти через толщу грунта и воды.

Основными факторами, определяющими скорость и направление распространения нефтяного загрязнения по водной поверхности являются:

— скорость течения реки на участке русла в створе ППМН, а также в прилегающих рукавах реки;

— профиль трассы нефтепровода ППМН;

— рельеф береговой зоны на участке ППМН, рельеф дна реки, наличие береговой и донной растительности;

— гидрометеорологические и климатические условия в момент возникновения и в период ликвидации аварии;

— ледовая обстановка:

— характер повреждения стенки нефтепровода ППМН;

— объем утечки нефти из поврежденного участка.

Расчет количества истекающей жидкости

Изначально, чтобы получить точную характеристику поведения нефтяного загрязнения, используя необходимо определить количество истекающей жидкости.

При нарушении герметичности резервуаров и трубопроводов истечение жидкости из отверстий в их стенках происходит, как правило, при переменном напоре. Для преодоления жидкостью отверстия требуется некоторая разность давлений (Рвщп- - Рвнеш) внутри трубопровода и вне него или в терминах

напоров — разность напоров АН = (рвнуг -рвнеш)/р-д. Если

при этом размеры отверстия меньше АН , то говорят о «малом»

отверстии. Расход жидкости через отверстие выражается формулой [1, 2, 3, 6]

В которой э - площадь отверстия, а ц - так называемый коэффициент расхода. Для отверстий в тонких стенках обычно принимают ц =0,62. Таким образом, для малых отверстий особенности его формы не играют существенной роли, а важна лишь площадь отверстия.

Если в трубопроводе ведут перекачку, то давление рвн}т

есть давление в том сечении трубопровода, в котором находится отверстие, а если истечение происходит в остановленном трубопроводе (самотеком), то возможны три случая [1,

Первый случай. Площадь э отверстия настолько мала, что вытекшая жидкость не создает в трубе сколько-нибудь заметного движения и жидкость в трубе можно считать покоящейся.

То есть разность АН напоров, заставляющая вытекать жидкость через отверстие в стенке трубопровода, равна высоте «давящего» столба жидкости над отверстием за вычетом ва-куумметрической высоты, создаваемой разряжением, образующимся в парогазовой полости трубы над зеркалом опускающейся жидкости [2,3,6]:

где г - высотная отметка зеркала жидкости в трубопроводе, а г, - высотная отметка сечения, в котором расположено сквозное отверстие. Здесь рв = ратм - ру — вакуумметрическое

давление в полости, насыщенной парами перекачиваемой жидкости.

Второй случай. Площадь э отверстия в стенке трубы настолько велика, что можно пренебречь разностью напоров АН внутри и вне трубы в этом сечении. В этом случае предположение о гидростатическом распределении давления в трубопроводе неверно; в нем возникает интенсивное течение жид-

2, 3].

кости к месту аварии, так что значительная часть движущегося напора теряется на преодоление сил внутреннего трения. Поэтому для отверстий больших размеров разность напоров АН , не выражается через высотные отметки сечений трубопровода [2, 3, 6].

Для расчета используем систему уравнений

(р ^ Р9

Ра

р^+) Р9

Р9

г.

= Я

ра

с

2 9 ,

Р9 Сх0

(Х2 - х

2 С

VI

29

сх

б1 = К,^ = ^2,Я = (V - Ц) . ^

где х^) - координата зеркала опускающейся жидкости в левой ветви трубопровода; х^) - в его правой ветви; 50 =псР /4-

площадь сечения трубопровода.

Третий (общий) случай. Отверстие в стенке трубопровода таково, что необходимо учитывать потери напора при течении жидкости слева и справа к аварийному сечению, однако разностью напоров АН внутри и вне трубы в этом сечении пренебрегать также нельзя [2, 3, 6].

В этом случае процесс истечения из отверстия описывается следующей системой уравнений

У

Р

Р9

^ + ^

> (

(

Ру_

Р9

)

чР9

,Р9

г.

= ВД). . VI

29

с

(х9 - х.) V,2

с

29

(V! -V ) 5 •

2

Сх1 = V Сх2 = - V

с* " ^ А ~ ^

Р

Расчет дальности распространения нефтяного пятна

Приближенное решения для расчета дальности распространения нефтяного пятна основано на следующих допущениях:

1. Поток нефтяного пятна в воде складывается из расхода воды в реке и расхода истекающей жидкости через коррозионное отверстие в трубопроводе нефти.

2. Скорость потока нефтяного пятна в воде определяется по уравнениям регрессии. Которые получили, построив кривые зависимости скорости течения от расхода воды в реке У=^) для каждого расчетного створа по суточным значениям расходов воды за зимней период.

3. Движение потока принимается ламинарным, т.к. в зимний период наблюдается минимальный сток воды на реках Приморского края.

3. Исключается испарение жидкости с поверхности водного объекта, так как в нашем случае мы рассматриваем аварийный разлив нефти на подводном переходе в период ледостава и ледохода.

4. Исключается диффузионный механизм распространения нефти в водном объекте, так как концентрация нефтепродукта в холодной воде за рассматриваемый период времени, относительно мало измениться.

6. Исключается трение нефти о нижнюю поверхность льда, так как оно не значительно.

Исходя из принятых допущений, уравнение для расчета дальности распространения нефтяного пятна примет вид:

Ь = V. Т,

где Ь - это расстояние (м), которое преодолеет нефтяное пятно в водном объекте со скоростью потока нефти в воде V (м/с) за время Т (с).

Заключение

Магистральный трубопровод ОАО «Дальнефтепровод» пересекает множество рек различной величины, проходя по территории Приморского края. Вероятность возникновения аварийного разлива на подводном переходе одинакова, как для малых, так для больших и средних рек. Поэтому авторы рассмотрели три возможные ситуации возникновения аварийного разлива - для больших, средних и малых рек, в четырех раз-

личных вариантах истечения жидкости из трубопровода, описанных выше.

Выводы

В результате проделанной работы, авторами получены вполне удовлетворительные результаты, которые можно использовать для получения точной характеристики поведения нефтяного пятна в воде в зимний период. Определены места эффективного расположения боновых заграждений для сбора нефти по каждому рассматриваемому подводному переходу. Полученные сведения могут послужить рекомендациями по локализации и сбору нефти при ликвидации аварий на подводных переходах в период ледохода и ледостава на территории Приморского края.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lurie M.V. Modeling of Oil Product and Gas Pipeline Transportation. Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGa, Weinheim, De, 2008, pp.214.

2. Лурье М.В. Математическое моделирование процессов трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. - М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2003, 335 с.

3. Лурье Михаил Владимирович Экспертиза потерь нефти и газа при авариях на трубопроводах.

4. Методика расчета ущерба от криминальных врезок в нефтепродукто-проводы. РД 153-39.4-060-00.

5. Правила ликвидации аварий и повреждений на магистральных нефтепроводах. РД 153-39.4-114-01.

6. Трубопроводный транспорт нефти, т.2. Под ред. С.М.Вайнштока, М.: Недра, 2004, 547 с. S2H

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Соколова Полина Алексеевна — ассистент кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии Инженерной школы, Дальневосточного федерального университета,

Соломенник Сергей Федорович — кандидат технических наук, профессор кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии Инженерной школы, Дальневосточного федерального университета.

CALCULATION OF PROPAGATION DISTANCE OF THE OIL SLICK IN THE WATER IN WINTER SEASON

Sokolova P.A., Assistant of the Department of Petroleum and petrochemical Engineering school, the far Eastern Federal University for the Humanities,

Solomennik S.F., Candidate of Technical Sciences, Professor of Department of Oil & gas and petrochemical Engineering school, of the far Eastern Federal University.

In this paper, calculation method of the propagation distance of the oil slick in the water with emergency oil spills in winter season was chosen. This calculation is required to obtain neat behavioral characteristics of an oil slick in the water at the accident response. In particular, the underwater lines on the rivers of Primorsky krai in winter were considered.

Key words: accidental oil spills, oil slick, underwater crossing.

REFERENCES

1. Lurie M.V. Modeling of Oil Product and Gas Pipeline Transportation. Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGa, Weinheim, De, 2008, pp.214.

2. Lur'e M.V. Matematicheskoe modelirovanie processov truboprovodno-go transporta nefti, nefteproduktov i gaza (Mathematical modeling of the processes of pipeline transport of oil, oil products and gas). Moscow, Izd-vo «Neft' i gaz» RGU nefti i gaza im. I.M.Gubkina, 2003, 335 p.

3. LUR''E Mihail Vladimirovich Jekspertiza poter' nefti i gaza pri ava-rijah na trubo-provodah.

4. Metodika rascheta ushherba ot kriminal'nyh vrezok v nefteprodukto-provody. RD 153-39.4-060-00.

5. Pravila likvidacii avarij i povrezhdenij na magistral'nyh nefte-provodah. RD 15339.4-114-01.

6. Truboprovodnyj transport nefti, t.2. Pod red. S.M.Vajnshtoka, Moscow, Nedra, 2004, 547 p.