Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса проектирования судовых средств (комплектов) по локализации разливов нефти (комплектов ЛРН) 10
1.1. Основные причины нефтяных разливов с судов и судовое оборудование для их ликвидации 10
1.2. Обзор литературы по проектированию технических средств ЛРН. Цель и задачи исследования 17
Глава 2. Исследование взаимодействия нефтяного пятна с комплексом «плавающее боновое ограждение - нефтесборное устройство» (комплекса «ГГБО-НСУ») 22
2.1. Описание процесса локализации и ликвидации нефтяного разлива с помощью комплекса «ПБО-НСУ» 22
2.2. Анализ и выбор методов исследования обтекания жесткой стенки двухфазным потоком со свободной поверхностью 28
2.3. Создание и апробация «испытательного виртуального стенда» на основе программного комплекса «FlowVi-sion» для численного исследования взаимодействия нефтяного пятна с комплексом «ПБО-НСУ» 35
2.3.1. Общее описание «виртуального испытательного стенда» 35
2.3.2. Разработка расчетной области 43
2.3.3. Выбор и расстановка граничных условий 51
2.3.4. Аппроксимация расчетной области сеткой конечных объемов начального уровня 56
2.3.5. Апробация «испытательного виртуального стенда» 59
2.4. Описание численного эксперимента по определению осадки бонового ограждения и производительности нефтесборного устройства 64
2.4.1. Подготовка исходных данных 64
2.4.2. Описание численного эксперимента 68
2.5. Разработка математической модели работы комплекса «ПБО-НСУ» с учетом условий эксплуатации, свойств нефтепродуктов и производительности НСУ 70
Глава 3. Экспериментальная проверка полученных математических моделей 90
3.1. Проверка полученных математических моделей по результатам испытаний судового нефтесборного бонового ограждения «Уж-2М» 90
3.2. Проверка полученных моделей на основе испытаний Environmental Canada и United States Mineral Management 100
Глава 4. Разработка методики определения основных характеристик плавающих боновых ограждений с учетом производительности нефтесборного устройства, свойств нефтепродукта и условий эксплуатации судна 104
4.1. Использование математической модели работы комплекса «ПБО-НСУ» для инженерных расчетов 104
4.2. Порядок определения характеристик плавающих боновых ограждений с учетом производительности нефтесборного устройства, свойств нефтепродукта и условий эксплуатации судна 112
Заключение 117
Библиографический список использованной литературы 118
Приложение 129
- Основные причины нефтяных разливов с судов и судовое оборудование для их ликвидации
- Описание процесса локализации и ликвидации нефтяного разлива с помощью комплекса «ПБО-НСУ»
- Проверка полученных математических моделей по результатам испытаний судового нефтесборного бонового ограждения «Уж-2М»
Введение к работе
Нефтеналивные суда, а также значительное количество судов вспомогательного флота, обеспечивающего технологические операции с нефтью и нефтепродуктами, являются потенциальными источниками разливов нефти и представляют опасность для окружающей среды.
К основным причинам разливов нефти с судов можно отнести: столкновения, навалы на причальные сооружения и опоры мостов, посадку на мель и разливы, происходящие при различных технологических операциях с нефтью, нефтепродуктами и нефтесодержащими смесями.
Возникающие разливы нефти классифицируются постановлением Правительства РФ от 15 апреля 2002 г. № 240 [50] в зависимости от их массы на локальные, муниципальные, региональные, территориальные и федеральные. Приказом Министерства транспорта от 29 декабря 2003 г. № 221 [53] принята собственная классификация транспортных происшествий с разливом нефти. В ней разливы нефти подразделяются на аварии и эксплуатационные происшествия. К эксплуатационным происшествиям относятся разливы нефти до 10 тонн, которые могут быть ликвидированы силами экипажа судна.
С целью защиты водных объектов от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, разработан ряд нормативных документов, устанавливающих требования к операциям по локализации и ликвидации разливов нефти (ЛРН) и используемому для них оборудованию. Одним из таких документов являются Правила Экологической Безопасности судов Российского Речного Регистра (ПЭБ РРР) [61], которые требуют наличия на нефтеналивных судах средств по локализации разливов нефти (комплектов ЛРН).
Операции ЛРН с использованием комплекта, предусматривают локализацию нефтяного разлива боновыми ограждениями, с последующей ликвидацией нефтяного пятна путем сбора нефти с поверхности воды.
Локализация разлива является важнейшим элементом в операщіях ЛРРІ, поэтому к конструкции боковых ограждений, с помощью которых производится локализация, предъявляются жесткие требования по максимальной удерживающей способности нефти на течении и волнении, прочности, массе и занимаемому на палубе объему, а также его развертыванию с максимальным использованием судовых устройств и систем.
Анализ статистических данных [19] показывает, что 97% разливов с судов
приходится на транспортные происшествия с разливом нефти от 1 до 10
тонн. Сбор даже такого количества нефти с поверхности воды предусмот-
fO ренными в комплекте ручными черпаками практически невозможен и требу-
ет применения механических способов сбора.
Комплект не учитывает особенностей плавания судов в различных районах и технологии проведения операций ЛРН в судовых условиях. Как показывают расчеты [59] два якоря по 10 кг не могут удержать 200 м боновых ог-раждении при существующих скоростях течения. Для удержания такого ограждения необходима масса якорей в 20 раз большая, что делает невозможным его постановку без применения специального оборудования.
Комплект предполагает наличие на нефтеналивных судах 100 кг сорбентов. В общем случае выбор сорбентов является сложной оптимизационной задачей с большим числом факторов [82]. Указанное в комплекте количество сорбента не учитывает массу возможного разлива, от которой эта величина непосредственно зависит. Размещение такого сорбента на судне так же является сложной задачей, поскольку 100 кг даже эффективного, например, пено-< графитового сорбента тина «СТРҐ» с насыпной массой 13 кг/м3, потребует хранения примерно S м3 сорбента.
Установка бонового ограждения длиной 200 м или 2,5 длины судна с помощью рабочей или спасательной шлюпки на течении силами экипажа, во-первых, трудно выполнима, а во-вторых, займет время, за которое нефтяное пятно может уйти от судна на значительное расстояние.
В соответствии с ПЭБ РРР комплектами ЛРН оснащаются только нефтеналивные транспортные суда. Однако, как показывают статистические данные [J9], результаты, обработки которых за период с 1982 по 2001, приведены на рис. 1.1, аварийные разливы нефти с нефтеналивных судов связанные со столкновениями и посадкой на мель, происходят достаточно редко и возникают не чаще одного раза в год.
Остальные разливы относятся к эксплуатационным происшествиям, которые наблюдаются при проведении различных технологических операций и происходят с частотой более 6 раз за навигацию.
Кроме того, на реках Российской Федерации эксплуатируются тысячи судов, в том числе и нефгеналивных, каждое из которых совершает более 30-ти швартовок за навигацию к бункеровочным, зачистным станциям, очистным и другим подобным судам, для производства технологических операций с нефтью, нефтепродуктами и нефтесодержащими смесями. Количество мелких разливов, возникающих во время этих операций, настолько велико, что трудно поддается учету. Тем не менее, в настоящее время в ПЭБ РРР отсутствуют требования по оснащению судов, предназначенных для технологических операций с нефтью, комплектами ЛРН, состав и конструкция элементов которые должны учитывать особенности технологии проведения операций ЛРН на этих судах. Поэтому в настоящей работе основное внимание уделено проблеме проектирования судовых комплектов ЛРН для этого типа судов.
Кроме того, в настоящее время Речным Регистром в полном объеме не предъявляются требования к основным характеристикам боновых ограждений (осадка и высота надводного борта), которые должны предотвращать унос нефти за боновое ограждение при различных скоростях течения, массе разлива и физических характеристиках нефти. Комплект рассматривается как набор отдельных устройств, не связанных общей функцией ликвидации разлива нефти, в то время как, например, учет совместной работы бонового ограждения с нефтесборным устройством может существенно улучшить удерживающую способность всего этого комплекса (далее комплекса «ПБО-
ПСУ»). Проектирование комплектов ЛРН выполняется в отрыве от имеющихся на судне устройств и систем.
Таким образом, количество разливов нефти с судов различных типов по-прежнему, остается достаточно частым явлением, особенно при выполнении технологических операций с нефтью, нефтепродуктами и нефтесодержащими смесями, а судовые комплекты ЛРН недостаточно приспособлены для выполнения своих функций и требуют совершенствования.
Требуют уточнения по этим вопросам и Правила Российского Речного Ре
гистра, все это показывает, что исследования в выбранном направлении яв-
f.1 ляются актуальными.
Из всех технических средств, входящих в судовой комплект ЛРН, наиболее важным является комплекс, состоящий из плавающего бонового ограждения (ПБО) и нефтесборного устройства (НСУ), поэтому исследования посвящены совершенствованию проектирования этого комплекта.
При исследовании работы комплекса «ПБО — НСУ», использовались ре
зультаты исследований Rowe R.D., Delvigne, G.A.L., Leibovich S., Комаров-
ский Д.П., Липский В.К., Фсннелопа и Wicks М., исследовавших природу и
причины возникновения уноса нефти под боковое ограждение, а также Lee
СМ., Kang К.Н., Clavelie E.J., Chang-Fa An, предложивших использовать для
. исследования работы боновых ограждений и оптимизации их рабочих харак-
теристик, программы моделирования движения жидкости и газа, на основе численного решения уравнения Навье-Стокса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
I. На базе компьютерных программ моделирования движения жидкости и
газа впервые был разработан «виртуальный испытательный стенд» для ис-
, следования обтекания плавающего бонового ограждения.
щ. 2. Впервые с помощью виртуального испытательного стенда исследованы
особенности обтекания комплекса, состоящего из ПБО и нефтесборного устройства.
Разработана математическая модель работы ПВО с учетом свойств нефти, условий эксплуатации судна и производительности нефтесборного устройства.
Впервые исследовано влияние свойств нефтепродуктов и условий эксплуатации судна на основные характеристики комплекса ПВО с нефтесбор-ным устройством.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработана методика определения и выбора основных характеристик
комплекса «ПБО-НСУ», обеспечивающего отсутствие уноса нефти под боно-
f1 вое ограждение.
Разработанная методика была использована при выполнении научно-исследовательской работы по теме: «Разработка требований к сорбентам, плавучим боповым ограждениям, спецодежде и устройству для подачи сорбента в зону разлива (средства локализации и сбора нефти)» по заказу Рос-сийского Речного Регистра. Уравнения методики применялись для назначения требований к характеристикам комплекса «ПБО-НСУ», входящего в состав судового комплекта по локализации и ликвидации разливов нефти для обеспечения его работоспособности при скоростях течения больших 0,5 м/с.
Методика использовалась при определении состава и характеристик технических средств ЛЛРН для опорных пунктов по локализации и ликвидации аварийных разливов нефти в Волжском бассейне, в ходе выполнения научно-исследовательской работы по теме: «Выполнение исследования и разработка проекта состава, количества и дислокации технических средств и сил ЛАРН в границах ФГУ Волжского ГБУ» по заказу Федерального Государственного Учреждения Волжское Главное Бассейновое Управления Водных путей и Судоходства.
щ, 4. Основные положения методики легли в основу проекта технических ус-
ловий: «Судовые комплекты по борьбе с разливами нефти» (ТУ 6416-020-10699-461-05).
9 Достоверность полученных результатов обеспечена применением фундаментального аппарата теоретической и вычислительной гидромеханики, современного оборудования и методов исследования. При обработке экспериментальных данных использовались методы статистического анализа, при-влекался аппарат математической теории планирования эксперимента. Основные результаты подтверждены натурным экспериментом.
Все теоретические, экспериментальные и расчетные исследования, резуль
таты которых приведены в диссертационной работе, выполнены автором са
мостоятельно или при его непосредственном участии.
^ Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-
технической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ
(Н. Новгород, 2003); VTJI Нижегородской сессии молодых ученых (Дзер
жинск, 2003); научно-практической конференшш «Проблемы повышения
эффективности функционирования и развития транспорта Поволжья»
(Н.Новгород, 2003); международном форуме «Великие реки» (Н.Новгород,
2004); IX Нижегородской сессии молодых ученых (Дзержинск, 2004);
X Нижегородской сессии молодых ученых (Дзержинск, 2005); научно-
практической конференции «Инженерные системы -2005» (Москва, 2005).
По теме диссертации опубликовано восемь работ.
. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка лите-
ратуры (125 наименований) и приложения. Работа содержит 128 страниц машинописного текста, включающих 2 с. содержания, 11с. списка литературы, 59 рисунков и 23 таблиц.
(«
Основные причины нефтяных разливов с судов и судовое оборудование для их ликвидации
На сегодняшний день нефть по-прежнему остается важнейшим источником углеводородного сырья для промышленности многих стран мира. При этом, как правило, месторождения нефти находятся на значительном расстояіши от мест ее переработки, что вызывает необходимость транспортировки нефти на значительные расстояния. Несмотря на то, что основная часть нефти перемещается трубопроводным транспортом, объемы перевозок нефти и нефтепродуктов речным транспортом не снижаются. При транспортировке нефти на внутренних водных путях всегда существует вероятность ее разливов в результате аварий с нефтеналивными судами. Кроме того, на внутренних водных путях эксплуатируется значительное количество вспомогательных судов (бункеровочных, за-чистных, перекачивающих и очистных), имеющих на борту в большом количестве нефтепродукты и являющихся так же потенциальными источниками разливов нефти.
Экологические последствия любого нефтяного загрязнения необходимо рассматривать в двух аспектах [27]. Во-первых, нефтяная пленка, на поверхностях объектов природной среды при разливах и сбросах нефтепродуктов, существенно изменяет условия обитания всех видов живых организмов, нарушает многие естественные процессы и взаимосвязи, выводит из равновесного состояния экосистемы, лишая их внешних связей. Нарушается водно-воздушный баланс среды и организмов, обмен веществ и трофические связи. Во-вторых, нефтяное загрязнение, как и любое другое загрязнение, после фазы распространения вступает в фазу внедрения в биомассу, накопления в биомассе и воздействия на нее на клеточном уровне. Успешное проведение операций по ликвидации аварийного разлива нефти, и соответственно выбор оборудования и технологии ликвидации аварий зависит от многих объективных факторов [27]:
- уникальной поликомпонентности состава нефти, находящейся в процессе постоянного изменения;
- сложности и гетерогенности любой экосистемы, находящейся в процессе постоянного развития и изменения;
- многообразия внешних условий (геологических, климатических, гидрологических, ландшафтно-геохимических).
При попадании нефти в воду она перестает существовать как исходный субстрат. Ее поведение определяется летучестью, плотностью и растворимостью в воде составных компонентов. Физико-химические изменения нефти начинаются с момента попадания ее на поверхность воды и продолжаются в зависимости от типа разлившейся нефти и метеорологических условий в течении всего периода пребывания нефти на воде. Кроме того, важнейшее значение для операций локализации аварийных разливов нефти, далее ЛРН, имеют такие факторы как скорость течения, волнение и глубина водоема.
Основными причинами разливов нефти с судов являются: столкновения, удар, посадка на мель и разливы, происходящие при технологических операциях с нефтью, нефтепродуктами и нефтесодержащими смесями.
Возникающие разливы нефти классифицируются постановлением Правительства РФ от 15 апреля 2002 г. №240 [50] в зависимости от их массы на локальные, муниципальные, региональные, территориальные и федеральные. Приказом Министерства транспорта от 29 декабря 2003г. №221 [53] принята собственная классификация транспортных происшествий с разливом нефти. В ней разливы нефти подразделяются на аварии и эксплуатационные происшествия. К эксплуатационным происшествиям относятся разливы нефти до 10 тонн, которые могут быть ликвидированы силами экипажа судна.
С целью защиты водных объектов от загрязнения нефтью и нефтепродуктами при авариях нефтеналивных судов Правила Экологической Безопасности судов Российского Речного Регистра (ПЭБ РРР) [61] требуют наличия на них комплектов для локализации и ликвидации разливов нефти. Состав этого комплекта приведен .
Описание процесса локализации и ликвидации нефтяного разлива с помощью комплекса «ПБО-НСУ»
Как уже отмечалось (см. п. 1.2), в общем случае операции по локализации и ликвидации разливов нефти при грузовых и других оиеращіях с ней, для всех типов судов проводятся в два этапа. На первом производится непосредственно локализация пролитой нефти боновыми ограждениями, устанавливаемыми против течения. После локализации нефтяного разлива нефть собирают с поверхности воды. Как показывает опыт проведения операций ЛАРН (см. п. 1.3), этой технологии свойственны существенные недостатки.
Однако, в большинстве случаев возможно применение комплекса, в котором процессы локализации и ликвидации разливов нефти протекают одновременно (комплекс «ПБО - НСУ»), Для судов, осуществляющих технологические операции с нефтью, комплекс «ПБО - НСУ» может заранее быть спущено на воду и закреплено на буе и пгоартовцых устройствах судов в счале (рис.2.1). Перед началом технологических операций боновое ограждение крепится на обслуживаемом судне посредством троса. При возникновении разлива нефти она, двигаясь по пространству между корпусами судов, попадает в огражденную ПБО зону и накапливается в месте наибольшего прогиба бона, где расположено неф-тесборное устройство, которое включается в момент появления нефти на поверхности воды и производит сбор нефти, не позволяя ей уходить под боновое ограждение.
При применении такого устройства унос нефти (У) [28] под боновое ограждение будет зависеть от скорости течения, объема нефти (массы нефти), длины бонового заграждения, осадки бонового заграждения, глубины потока в месте расположения бона, физико-химических свойств нефти и нефтепродуктов (вязкости и плотности), и расхода обеспечиваемого нефтесборным устройством.
Уравнение (2.2) записано для самого общего случая процесса локализации и ликвидации разлива нефти. Решение такой задачи потребует проведения значительного объема теоретических и экспериментальных исследований. Для ее упрощения было принято решение ограничиться изучением процесса локализации и ликвидации разлива нефти только на глубокой воде, оставив максимальное число факторов, а учет мелководья произвести с помощью специального коэффициента в процессе дальнейших исследований.
Экспериментально установлено (см. п.З), что нефть в условиях речного разлива движется по поверхности реки в виде узкой полосы, ширина которой в момент контакта с ПБО составляет величину менее 1/6 проекции длины бона перпендикулярно оси потока, причем, чем выше скорость, тем уже полоса нефти при одной и той же массе разлива. В этом случае можно считать, что унос нефти под боновое ограждение произойдет раньше, чем она успеет распространиться вдоль ограждения. Количественная оценка величины уноса нефти под боновое ограждение наталкивается на ряд принципиальных трудностей:
- неявно выражена граница раздела фаз из-за достаточно небольшой разности их плотностей и высокой турбулентности;
- нефть уносится под бон в виде капель или пленок, которые быстро рассеиваются в толще воды и поэтому объем их оценить невозможно [104].
Для преодоления этих трудностей в работе унос или «проскок» нефти под боновым ограждением был определен как появление любого количества нефти, за боновым ограждением.
Интерес представляет решение проблемы уноса в широком диапазоне скоростей. Из работ [104, 45, 91,105, 94] известно, что обычное боновое ограждение, не оснащенное нефтесборным устройством, может удержать нефть и нефтепродукты до скорости течения 0,5 м/с. В этом случае унос является функцией скорости течения, осадки, объема разлива, вязкости нефти и, как показано в работах [104, 94], может быть предотвращен изменением осадки бонового ограждения. Следовательно при У=0 осадку можно считать целевой функцией, которая будет зависеть от скорости течения, объема разлива и вязкости нефти. T = /(-D.V ./ .)» (2-4)
Из литературы известно, что при исследованиях работы бонового ограждения используется его физическая модель в виде жесткой стенки, у которой отсутствует возможность изгибаться относительно горизонтальной оси под действием сил течения.
Проверка полученных математических моделей по результатам испытаний судового нефтесборного бонового ограждения «Уж-2М»
Эксперимент проводился с комплексом «ПБО-НСУ», в состав которого входит боновое ограждение и нефтесборное устройство, являющиеся частью судового комплекта по локализации и ликвидации аварийных разливов нефти (ЛРН) на нефтеналивных судах внутреннего и смешанного плавания, разработанного совместно ВГАВТ, ООО «СП-Прибой» и ООО « Нефтетранстех-ника», г. Уфа, (патент №2258112, «Нефтесборное боновое заграждение», заявка №2003133682, приоритет изобретения 18 ноября 2003г., зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 августа 2005г.). Технические характеристики комплекса:
- высота юбки - 450 мм;
- диаметр камеры плавучести — 300 мм;
- осадка с НСУ - 650 мм;
- длина секции - 10 м;
- нефтесборное устройство - эжекторного типа, с нефтеприемной насадкой;
- наполнение камеры воздухом - ручное.
Нефтесборное устройство состоит из эжектора и нефтеприемной насадки с входным отверстием прямоугольной формы площадью 200 см2 (рис.3.2). Расчетные характеристики эжектора:
- рабочая среда - вода;
- давление рабочего потока Рр=4-10 кг/см ;
- коэффициент инжекции U=l;
- массовый расход рабочего потока Gp=6,95 кг/с;
- массовый расход инжектируемого потока GH=6,95 кг/с.
Комплекс «ПБО-НСУ» работает следующим образом. При спуске на воду камера плавучести 1 обеспечивает поддержание комплекса на плаву. Собственная плавучесть автономного плавающего приемника 5 необходима для обеспечения посадки приемника для захвата нефтепродуктов в приемное отверстие 6. Подача рабочей среды в струйный насос 3 осуществляется через рукав высокого давления 8 напорного трубопровода. При работе струйного насоса 3 в районе приемных отверстий происходит локальное понижение давления в поверхностном слое воды, что обеспечивает сбор нефти и препятствует ее уносу под боновое ограждение.
Рабочая среда для работы струйного насоса подается с судна. В эксперименте использовался буксир «Плотовод - 685», (ОАО «Волготанкер», представительство п. Работки). Давление воды в пожарной системе 4,5 кг/см2, подача
воды 60 м /час. Выходной рукав нефтесборного устройства присоединялся к сборной емкости РВО-0,8, объемом 0,8 м , диаметр - 1,2 м.
Комплекс удерживался на течении посредством тросов, концы которых были закреплены на швартовных устройствах судна.
Скорость течения измерялась с помощью вертушки «ВЖЛ-5» и секундомера. Вертушка погружалась на глубину 300 мм. Методом регистрации являлась запись наблюдателем в журнал времени между звуковыми сигналами вертушки. Измерения производились со шлюпки, на расстоянии 10-15 м. от судна. На основании серии замеров определена скорость течения в месте испытаний. Результаты измерений представлены в таблице.
Расход после нефтесборного устройства измерялся мерной емкостью РВО -0,8.
Одной из проблем при проведении натурных экспериментов с боновыми ограждениями является невозможность использования нефти и нефтепродуктов, ввиду большой экологической опасности. Отсюда возникает задача поиска материала для имитации нефти на поверхности воды. В работах [104,101] описано применение для этого шариков из парафина и пенопласта. Однако для натурных экспериментов эти материалы также не подходят ввиду того, что пенопласт и парафин плохо разлагаются в условиях окружающей среды и соответственно являются ее загрязнителями. Другими материалами, которые можно использовать для имитации разлива нефти могут быть древесные опилки и сорбенты, поскольку они обладают необходимыми свойствами - плавучестью и экологически безопасны.
Для проверки плавучести опилок и сорбентов были проведены эксперименты по определению времени, в течение которого эти материалы могут быть затоплены. Для экспериментов использовались опилки с размером частиц 1-5 мм, 5-10 мм и более 10 мм и сорбентом СТРГ на основе термрасщепленного графита с размером частиц около 3 мм. Эксперимент проводился в стеклянных емкостях объемом 1 л заполненных дистиллированной водой. На поверхность воды высыпалось 0,050 дм опилок или сорбента и замерялось время с момента нанесения имитатора на поверхность воды до погружения основной массы частиц.
