УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА НЕФТЕПРОДУКТОВ С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR COLLECTION OF MINERAL OILS FROM WATER TABLE

3
Изобретение относится к устройствам для очищения водных поверхностей от нефти и нефтепродуктов и может быть использовано в тех областях народного хозяйства, которые связаны с удалением масляных загрязнений с поверхности воды. Преобладающее применение изобретение имеет в нефтеловушках-отстойниках, объем которых превышает 200 м, и при удалении нефтепродуктов с ограниченных зон водохранилищ.
Быстрые темпы роста научно-технического прогресса неразрывно связаны с нарушением экологического баланса окружающей среды. Проблема сохранения здоровой экологической обстановки в нынешнее время является одной из наиболее актуальных, в особенности если она касается нефтедобычи, нефтепереработки или использования нефтепродуктов. Для решения проблемы очистки акваторий от нефтепродуктов совершенствуются существующие и разрабатываются новые технологии. Особое место в ряду этих технологий занимают те, которые связаны с отводом нефтепродуктов с водных поверхностей нефтеловушек-отстойников. Большая часть нефтепродуктов, которые накапливаются в отстойниках, находится на поверхности воды в виде плавающих пятен, а значительная часть эмульгирует в воду в виде включений.
Существующие на сегодняшний день методы сбора (вакуумированием, применением специальных решетчатых лопат, обработкой сорбентами и т.п.) являются малопригодными для очищения водной поверхности отстойников от отработанной нефтяной субстанции.
7
Так, в патенте России №2052576 (МПК E02B 15/04, опубл. в Бюл. №2, 1994 г.) описан метод сбора нефти с поверхности воды и дисковый нефтесборник, который применяется для реализации этого метода. Нефтесборник функционирует по принципу налипания маслянистой массы на вращающийся дисковый вал. Вращение вала обеспечивается гребным винтом, закрепленным на корпусе нефтесборника. Налипшая на вал масса снимается скребками и стекает в накопительную емкость.
Недостатком этого нефтесборника является невозможность обеспечения эффективного сбора нефтяного пласта - ведь сбор нефти налипанием сам по себе малоэффективен. Кроме этого во время вращения вала значительная масса налипшей нефти стекает и снова возвращается в воду. Сам нефтесборник довольно громоздкий и энергоемкий, а применение его в отстойниках малоэффективно.
7
Известно устройство для сбора нефти с водной поверхности, описанное в а.с. №1760010 (МПК E02B 15/04, опубл. в Бюл. №33, 1992 г.). Согласно изобретению позиционирование нефтесобирающего устройства согласовывают с направлением волн. Колебание последних обеспечивает поступление нефтепродуктов к коническому сборнику, из которого они в дальнейшем выкачиваются. Такое устройство, как и сама технология, является крайне непроизводительным, так как через сборник проходит большая масса "лишней" воды, захватываемой волнами. Это не только снижает эффективность процесса, но и значительно продлевает его во времени. Кроме того, принцип работы устройства неприемлем на площади, ограниченной габаритами отстойника.
7
Более совершенным с позиции обеспечения эффективного сбора нефтепродуктов с поверхности воды является устройство, описанное в а.с. №1740545 (МПК E02B 15/04, опубл. в Бюл. №22, 1992 г.). Устройство-нефтесборник закреплено на поплавках. Разлитая масса собирается с помощью горизонтальных полых трубчатых элементов V-подобной формы, на передних сторонах которых выполнены узкие щели для прохождения нефти, и в дальнейшем подается в резервуар. Такая форма заборных элементов улучшает условия и интенсифицирует процесс сбора нефти, но устройство в целом является непригодным для работы в отстойниках.
7
В качестве прототипа изобретения принято устройство для сбора нефтепродуктов с водной поверхности, содержащее пороговый скиммер, установленный на поддерживающих поплавках, и вакуумируемую емкость для сбора нефтепродуктов (патент России №2059039, МПК E02B 15/04, опубл. в Бюл. №12, 1996 г.).
Согласно описанию известного изобретения разлитые нефтепродукты сначала локализуют в одном месте с помощью боковых заграждений - бонов, после чего собирают их пороговыми скиммерами, поддерживаемыми на воде поплавками. Скиммер имеет горизонтальную щель, регулируемую по высоте в зависимости от толщины пласта разлитых нефтепродуктов. С помощью созданного вакуума нефтепродукты затягивают в щель скиммера и дальше в накопительную емкость. Для полного очищения локализованной зоны нижнюю часть скиммера опускают так, чтобы горизонтальная щель была на уровне 1-2 мм ниже уровня водной поверхности. Эта операция осуществляется путем заполнения водой удерживающих поплавков. Очевидно, что прямая зависимость положения приемной щели скиммера от степени заполнения поплавков (или, что одно и то же, от массы воды, которая содержится в них) является фактором, усложняющим процесс сбора нефтепродуктов. Так, по мере удаления нефтяного пятна толщина ее постепенно уменьшается, что требует периодического настраивания высоты щели и положения скиммера. При таких условиях достичь точного соответствия указанных факторов, которые для обеспечения максимального сбора нефтепродуктов должны быть взаимно согласованы, практически невозможно.
Главным недостатком устройства является несовершенство выполнения его основных конструктивных узлов, отвечающих за такое положение скиммера на водной поверхности, при котором он работает в режиме захвата минимального количества воды и максимального количества нефтепродуктов. К таким узлам, в первую очередь, относятся поплавки, поддерживающие скиммер. Их конструкция предусматривает наличие отверстий, в которые заливается определенный объем жидкости для урегулирования глубины погружения скиммера. Как было указано выше, именно этот фактор является основной причиной неэффективного функционирования устройства, так как он связан с необходимостью периодической переналадки и контроля над состоянием поплавков и скиммера.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования конструктивного выполнения устройства для сбора нефтепродуктов с водной поверхности путем введения в его состав аэрирующего контура рециркуляции очищаемой воды и оптимизации связей основных функциональных элементов, входящих в состав устройства, а также оснащением поддерживаемых поплавков трехкамерными регуляторами, соединенными с шлангом подведения сжатого воздуха, что обеспечивает возникновение в объеме отстойника поверхностных потоков, обусловленных всплывающими пузырьками воздуха, способствующих накоплению нефтепродуктов в ограниченной зоне, а также дает возможность управления глубиной погружения скиммера за счет изменения величины давления в поддерживающих поплавках.
Поставленная задача решается тем, что устройство для сбора нефтепродуктов с водной поверхности, содержащее пороговый скиммер, установленный на поддерживающих поплавках, и вакуумированную емкость для сбора нефтепродуктов, согласно изобретению имеет аэрирующий контур рециркуляции очищаемой воды, в состав которого входит всасывающий трубопровод, соединенный с насосом рециркуляции, который соединен со струйным кавитирующим аэратором, подсоединенным к расширяющему баку-ресиверу, от которого ответвляются напорный трубопровод с аэрирующим коллектором на конце и регулятор давления воздуха, к которому подсоединен шланг, связанный с поддерживающими поплавками через трехкамерные регуляторы уровня погружения, размещенные на поплавках.
Указанный выше технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, обусловлен признаками, которые отличают его от признаков подобных устройств, описанных в известном уровне техники, в частности в изобретении, принятом в качестве прототипа.
Предложенное устройство создает условия для проведения флотационного метода очистки отстойников с изъятием из них максимального количества нефтепродуктов и не только тех, что зависают на поверхности воды, но и тех, которые находятся в ней в виде включений. Нефтепродукты по физическим свойствам относятся к ряду гидрофобных. Они плохо смачиваются, и к ним легко прилипают пузырьки воздуха, попадающие в воду благодаря насыщению ее воздухом при флотации. При всплывании пузырьки инициируют возникновение эрлифтного потока, под действием которого на водной поверхности создается отточный поток, содержащий нефтепродукты, удерживаемые этими пузырьками. Под действием этого потока захваченные нефтепродукты концентрируются в ограниченной зоне, пространственно противоположной зоне, в которой установлен аэрирующий коллектор. Чем дольше осуществляется метод флотации, тем толще становится пласт нефтепродуктов в этой зоне (а значит, увеличивается масса изъятых нефтепродуктов). Дальнейшая эвакуация накопленных нефтепродуктов уже не является проблемой. Таким образом, нефтепродукты концентрируются в одном месте без необходимости применения каких-либо ограничивающих средств.
Устройство обеспечивает управление уровнем погружения порогового скиммера регулированием величины давления в трехкамерных регуляторах погружения поплавков, что, в свою очередь, обеспечивает возможность управления величиной слоя захвата нефтепродуктов, при котором к скиммеру поступают нефтепродукты, содержание воды в которых сведено к минимуму.
Предлагаемое изобретение демонстрируют чертежи, где изображены:
- на фиг.1 - общий вид основных конструктивных узлов устройства для сбора нефтепродуктов с водной поверхности;
- на фиг.2 - пороговый скиммер;
- на фиг.3 - поддерживающий поплавок;
- на фиг.4 - регулятор давления воздуха, установленный на выходе ресивера.
Устройство (фиг.1) содержит аэрирующий контур рециркуляции очищаемой воды, куда входит всасывающий трубопровод 1, соединенный с насосом рециркуляции 2, который, в свою очередь, соединен со струйным кавитирующим аэратором 3. Последний подсоединен к расширяющему баку-ресиверу 4, имеющему ответвления. Снизу - это напорный трубопровод 5, заканчивающийся аэрирующим коллектором 6, и сверху - регулятор давления 7, к которому подсоединен шланг 8 сжатого воздуха. Шланг 8 соединен с поплавками 9, поддерживающими пороговый скиммер 10, установленный в отстойнике 11 в зоне накопления нефтепродуктов, противоположной зоне установки аэрирующего коллектора 6. Нефтепродукты, стекающие в скиммер 10, по гибкому шлангу 12 поступают в вакуумируемую емкость.
Пороговый скиммер (фиг.2) содержит воронку сбора нефтепродуктов 13, которая поддерживается на глубине П четырьмя поддерживающими поплавками 9. Поддерживающие поплавки 9 оснащены поплавковыми трехкамерными регуляторами уровня погружения 14, которые управляются сжатым воздухом, поступающим от бака-ресивера 4 по шлангу 15 через общий коллектор 16 и шланги 17. Для компенсации действия веса шлангов последние закреплены на дополнительном поплавке 18, связанном со скиммером 10 шарнирами 19.
Конструкция поплавков, поддерживающих воронку скиммера 10 на определенной глубине, показана на фиг.3. Поддерживающий поплавок представляет собой цилиндрический буй 20, в нижней стенке которого выполнены отверстия 21. Отверстия 21 защищены экраном 22, оберегающим внутреннюю полость буя от попадания всплывающих нефтепродуктов. В экране 22 установлен балласт 23, общий вес которого компенсирует плавучесть воронки при ее опустошении.
В верхней части буя установлен поплавковый трехкамерный регулятор уровня погружения 14 (фиг.2). В камеру 24 этого регулятора (фиг.3) через патрубок 25 подается сжатый воздух из бака-ресивера 4. Камера регулятора 26 через перепускную трубку 27 соединена с внутренней полостью буя. Камера 28 через отверстие 29 соединена с атмосферой и кроме этого соединяется с поплавковой камерой 30. Поплавок-датчик 31 через шток 32 жестко связан с входным клапаном 33 и выходным клапаном 34.
Для управления давлением питания применяется регулятор давления воздуха 7, установленный на выходе бака-ресивера 4 (фиг.1). Схема регулятора приведена на фиг.4. Камера 35 регулятора соединяется через штуцер 36 с выходом бака-ресивера 4. Камера 35 с одной стороны ограничена мембраной с установленными на ней клапанами 37 и 38. Камера 39 регулятора через отверстие 40 соединена с атмосферой. В клапане 37 выполнено центральное отверстие 41, перекрываемое клапаном 38 под действием поддерживающей пружины 42. Кроме этого клапаном 38 перекрывается перепускное отверстие 43 в камеру 44, которая через штуцер 45 соединяется с регуляторами уровня погружения 14 скиммера. Задающая пружина 46 взаимодействует с клапаном 38. Усилие задающей пружины 46 определяется положением регулирующего винта 47.
Устройство работает следующим образом.
Поток воды от насоса рециркуляции 2 в струйном кавитирующем аэраторе 3 насыщается диспергированным воздухом и подается в расширяющий бак-ресивер 4, где наименее диспергированная часть воздуха сепарируется в его верхней части. Сжатый воздух из бака-ресивера 4 через регулятор давления воздуха 7 по шлангу 8 поступает в поддерживающие поплавки 9 порогового скиммера 10. Вода, насыщенная наиболее диспергированным воздухом, по напорному трубопроводу 5 подается в аэрирующий коллектор 6, с помощью которого распределяется по всему поперечному сечению отстойника 11. Всплывающие пузырьки воздуха создают эрлифтный поток, в результате взаимодействия которого с поверхностью воды образуется отточный поверхностный поток. Этот поток содержит нефтепродукты, поддерживаемые сверху пузырьками воздуха. Под действием этого потока аккумулированные на пузырьках нефтепродукты накапливаются в ограниченной зоне, противоположной местонахождению аэрирующего коллектора 6. Накопленные нефтепродукты стекают в пороговый скиммер 10, а дальше по гибкому шлангу 12 поступают в вакуумируемую емкость.
Поддерживающий поплавок 9 функционирует следующим образом.
В начальном состоянии, перед подачей сжатого воздуха, через отверстия 21 (фиг.3) во внутреннюю полость буя поступает вода, приводящая к его погружению и к поступлению воды в перепускную трубку 27, выполняющую в этом состоянии роль гидравлического затвора. Длина этой трубки выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная толщина пласта захвата, составляющая 3,5-4,0 см. При этом под действием на поплавок-датчик 31 выталкивающей силы выходной клапан 34 закрыт, а входной клапан 33 открыт.Под действием сжатого воздуха под давлением 0,010-0,025 МПа, поступающего через открытый входной клапан 33 и перепускную трубку 27 во внутреннюю полость буя, происходит вытеснение воды через отверстия 21. Это приводит к уменьшению уровня погружение буя (всплывание). Из-за того что поплавковая камера 30 соединяется с атмосферой, уровень воды в этой камере соответствует уровню воды вне буя. Поэтому при всплывании буя входной клапан 33 закрывается, а выходной клапан 34 открывается. При этом внутренняя полость буя через открытый выходной клапан 34 и отверстие 29 соединяется с атмосферой, что приводит к погружению буя. Таким образом, колебание глубины погружения определяется зазором в клапанах, составляющим 0,3 мм.
Особенностью работы трехкамерного регулятора уровня погружения 14 с прямым управлением от поплавка-датчика 31 является зависимость глубины погружения от величины давления сжатого воздуха. Это определяется тем, что на входной клапан 33 с одной стороны действует закрывающее усилие, которое определяется площадью клапана и избыточным давлением в камере 24, а с другой - открывающее усилие поплавка-датчика 31.
В процессе поступления сжатого воздуха к регулятору давления 7 центральное отверстие 41, находящееся в клапане 37, перекрывается клапаном 38 под действием поддерживающей пружины 42. Кроме этого клапаном 38 перекрывается перепускное отверстие 43 в камеру 44, которая через штуцер 45 соединяется с трехкамерными регуляторами уровня погружения 14 скиммера.
Клапан 38 открывается под действием задающей пружины 46, усилие которой определяется положением регулирующего винта 47. При давлении в камере 35 меньше заданного клапан 38 под действием пружины 42 открывается, одновременно перекрывая центральное отверстие 41. При повышении давления выше заданного под действием усилия мембраны пружина 46 сжимается, что приводит к закрытию клапана 38. Избыточное давление сбрасывается в атмосферу через отверстия 41 и 40. Входное и выходное давление контролируется с помощью установленных манометров (на фиг.1 манометры обозначены буквой Р).
ПРИМЕР
При сборе пласта нефтепродуктов в границах локализованной площади отстойника, длина которого составляла 25 м, а ширина 4 м, осуществлялась отладка рабочих параметров трехкамерного регулятора давления. Диаметр входного клапана 33 составлял 3,5 мм. При таком диаметре закрывающее усилие изменяется в границах ID-25 г при смене давления от 0,010 до 0,025 МПа. При этом необходимая глубина погружения поплавка-датчика 31 диаметром 25 мм для открытия входного клапана 33 изменяется от 2 до 5 см. Путем управления и стабилизации давления в регуляторе управляется глубина погружения порогового скиммера, а значит, и величина пласта захвата нефтепродуктов.