Совершенствование судовых средств локализации и ликвидации разливов нефти на внутренних водных путях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат технических наук Чебан, Егор Юрьевич

• Чебан, Егор Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чебан, Егор Юрьевич

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса проектирования судовых средств комплектов) по локализации разливов нефти (комплектов ЛРН).

1.1. Основные причины нефтяных разливов с судов и судовое оборудование для их ликвидации.

1.2. Обзор литературы по проектированию технических средств ЛРН. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Исследование взаимодействия нефтяного пятна с комплексом «плавающее боновое ограждение — нефтес-борное устройство» (комплекса «ПБО-НСУ»).

2.1. Описание процесса локализации и ликвидации нефтяного разлива с помощью комплекса «ПБО-НСУ».

2.2. Анализ и выбор методов исследования обтекания жесткой стенки двухфазным потоком со свободной поверхностью.

2.3. Создание и апробация «испытательного виртуального стенда» на основе программного комплекса «По\уУ1-бюп» для численного исследования взаимодействия нефтяного пятна с комплексом «ПБО-НСУ».

2.3.1. Общее описание «виртуального испытательного стенда».

2.3.2. Разработка расчетной области.

2.3.3. Выбор и расстановка граничных условий.

2.3.4. Аппроксимация расчетной области сеткой конечных объемов начального уровня.

2.3.5. Апробация «испытательного виртуального стенда».

2.4. Описание численного эксперимента по определению осадки бонового ограждения и производительности нефтесборного устройства.

2.4.1. Подготовка исходных данных.

2.4.2. Описание численного эксперимента.

2.5. Разработка математической модели работы комплекса «ПБО-НСУ» с учетом условий эксплуатации, свойств нефтепродуктов и производительности НСУ.

Глава 3. Экспериментальная проверка полученных математических моделей.

3.1. Проверка полученных математических моделей по результатам испытаний судового нефтесборного бонового ограждения «Уж-2М».

3.2. Проверка полученных моделей на основе испытаний Environmental Canada и United States Mineral Managelt ment.

Глава 4. Разработка методики определения основных характеристик плавающих боновых ограждений с учетом производительности нефтесборного устройства, свойств нефтепродукта и условий эксплуатации судна.

4.1. Использование математической модели работы комплекса «ПБО-НСУ» для инженерных расчетов.

4.2. Порядок определения характеристик плавающих боновых ограждений с учетом производительности нефтесборного устройства, свойств нефтепродукта и условий эксплуатации судна.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование судовых средств локализации и ликвидации разливов нефти на внутренних водных путях»

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 операциях ЛРН, 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 предусмотренными в комплекте ручными черпаками практически невозможен и требует 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 ограждений 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 типа «СТРГ» с насыпной массой 13 кг/м3, потребует хранения примерно 8 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 [19], 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 нефтеналивных, 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 JIPH недостаточно приспособлены для выполнения своих функций и требуют совершенствования.

Требуют уточнения по этим вопросам и Правила Российского Речного Регистра, все это показывает, что исследования в выбранном направлении являются 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 результаты исследований Rowe R.D., Delvigne, G.A.L., Leibovich S., Комаров-ский Д.П., Липский В.К., Феннелопа и Wicks М., исследовавших природу и причины возникновения уноса нефти под боновое ограждение, а также Lee С.М., Kang К.Н., Clavelle E.J., Chang-Fa An, предложивших использовать для исследования работы боновых ограждений и оптимизации их рабочих характеристик, программы моделирования движения жидкости и газа, на основе численного решения уравнения Навье-Стокса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На базе компьютерных программ моделирования движения жидкости и газа впервые был разработан «виртуальный испытательный стенд» для исследования обтекания плавающего бонового ограждения.

2. Впервые с помощью виртуального испытательного стенда исследованы особенности обтекания комплекса, состоящего из ПБО и нефтесборного устройства.

3. Разработана математическая модель работы ПБО с учетом свойств нефти, условий эксплуатации судна и производительности нефтесборного устройства.

4. Впервые исследовано влияние свойств нефтепродуктов и условий эксплуатации судна на основные характеристики комплекса ПБО 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-вое ограждение.

2. Разработанная методика была использована при выполнении научно-исследовательской работы по теме: «Разработка требований к сорбентам, плавучим боновым ограждениям, спецодежде и устройству для подачи сорбента в зону разлива (средства локализации и сбора нефти)» по заказу Российского 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.

3. Методика использовалась при определении состава и характеристик технических средств ЛАРН 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.

4. Основные положения методики легли в основу проекта технических условий: «Судовые комплекты по борьбе с разливами нефти» (ТУ 6416-02010699-461-05).

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

Я) ~ влекался аппарат математической теории планирования эксперимента. Основные результаты подтверждены натурным экспериментом.

Все теоретические, экспериментальные и расчетные исследования, результаты которых приведены в диссертационной работе, выполнены автором самостоятельно или при его непосредственном участии.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на научнотехнической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (Н. Новгород, 2003); VIII Нижегородской сессии молодых ученых (Дзержинск, 2003); научно-практической конференции «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

Заключение диссертации по теме «Экология», Чебан, Егор Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе были получены следующие основные результаты исследований:

1. Проведен анализ статистических данных по разливам нефти за период с 1982 по 2001 годы и выявлено, что разливы нефти судов в основном относятся к эксплуатационным происшествиям и происходят во время выполнения технологических операций с нефтью, нефтепродуктами и неф-тесодержащими смесями.

2. Анализ судовых комплектов ЛАРН, используемых для локализации и ликвидации разливов нефти показал, что они недостаточно приспособлены для выполнения своих функций на судах и требуют совершенствования.

3. Разработан «виртуальный испытательный стенд» для исследования обтекания комплекса «ПБО-НСУ» двухфазным потоком со свободной поверхностью на основе программного комплекса «РЬу/У^юп».

4. Выполнен численный эксперимент с использованием разработанного «виртуального испытательного стенда».

5. Получена математическая модель работы плавающего бонового ограждения с учетом производительности НСУ, свойств нефтепродуктов и условий эксплуатации судна.

6. Исследовано влияние производительности НСУ, свойств нефтепродукта и условий эксплуатации судна на основные характеристики комплекса «ПБО-НСУ».

7. Разработана методика определения и выбора основных характеристик комплекса «ПБО-НСУ», обеспечивающих отсутствие уноса нефти под боновое ограждение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чебан, Егор Юрьевич, 2005 год

1. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. -М.: Металлургия, -1969.- 160с.

2. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. -М.: Наука, 1976. -280с.

3. Аксенов A.A., Гудзовский A.B. Пакет прикладных программ Flow Vision // М.: МФТИ., сер. Аэрофизика и прикладная математика.— 1998. — С. 4556.

4. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиз-дат, -1975.-330с.

5. Алхименко А.П., Голубев Д.А., Зорохов A.A., Петров B.C., Цветков В.Ю. Обеспечение экологической безопасности при танкерных операциях и бункеровке судов. СПб.: Северо-западный НИИ Наследия, - 2002. - 54с.

6. Алферьев М.Я. Гидромеханика. М.: Речной транспорт, - 1961. — 328с.

7. Бажан П.И., Вайсблат Б.И., Трянин И.И. Основы научных исследований на речном транспорте: Учебное пособие для студентов институтов водного транспорта. Горький: Волго-Вятское книжное издательство. 1990. — 319 с.

8. Белоцерковский О.М. Прямое численное моделирование переходных течений газа и задач турбулентности. //Сб. «Механика турбулентных потоков». М.: Наука, - 1980. - с.70-108.

9. Бенькович Е., Колесова Ю., Сениченкова Ю. Практическое моделирование динамических систем. СПб.: BHV, -2001. 304с.

10. Биркгоф Г., Сарантонелло Э. Струи, следы, каверны. М.: Мир, - 1964. -468с.

11. Боновое ограждение: Пат.2119006 Россия, МПК Е02 В15/04/Самойлов H.A., Хлесткин Р.Н., Шаммазов A.M., Дворников В.Л.; Уфим. гос. нефт. тех. ун-т. №97104575/25; Заявл. 24.3.97; опубл. 20.9.98, Бюл. №26.

12. Боновое ограждение: Пат. 2119006 Россия, МПК Е02 В15/04 /Самойлов H.A., Хлесткин, Р.Н. Шаммазов A.M., Дворников В.Л.; Уфим. гос. нефт. тех. ун-т.-№97104990/25;3аявл. 25.3.97;Опубл. 20.9.98, Бюл. №26.

13. Броунштейн Б.И. Щеголев В.В. Гидродинамика, массо- и теплообмен в колонных аппаратах. Л.: Химия, 1988. - 104с.

14. Броунштейн Б.И., Фишбейн Г.А. Гидродинамика, массо- и теплообмен в дисперсных системах. Л.: Химия, 1977. 279с.

15. Ваганов А.Б. Определение условий удержания судна-земснаряда на оси траншеи при работе в штормовых условиях моря. Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 2 НГТУ. Нижний Новгород, 1995. с.35-53.

16. Ваганов А.Б. Разработка методов расчета позиционирования плавучих технических средств освоения шельфа в сложных эксплуатационных условиях. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. Нижний Новгород, 2003.

17. ГОСТ 26098-84 Нефтепродукты.

18. Гупта А., Лили Д., Сайрад Н. Закрученные потоки, /пер. с англ. М.: Мир, -1987.-588с.

19. Данные по случаям разливов нефтепродуктов в ОАО «Волготанкер» за период с 1982 по 2001. Исх. № 100-СМР 46-3071, от 23.04.02.

20. Дейли Дж., Харлеман Л. Механика жидкости. М.: Энергия, - 1971. - 480с.

21. Законодательный Акт США ОРА-90. Меры по предотвращению аварий, связанных с разливами нефти.

22. Звездунов С.И. Проблемы защиты окружающей среды при эксплуатации морских портов. — СПб.: Северо-западный НИИ Наследия, -2002. — 160с.

23. Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. — Л.: Судостроение, 1989. - 255с.

24. Калиткин H.H. Численные методы. — М.: Наука, 1978. — 512 с.

25. Владимиров В.А., Измалков В.И., Катастрофы и экология. Министерство Российской Федерации по делам Гражданской обороны и Чрезвычайных ситуаций — М.: Б.и.,2000. — 379с.

26. Комаровский Д.П., Липский В.К. Взаимодействие нефтяного пятна на поверхности водотока с боновым заграждением.//Природные ресурсы №4. Изд. Академии наук Республики Беларусь. Минск, 2003 г.

27. Коннор Дж., Бреббиа К. Метод конечных элементов в механике жидкости. Пер. с англ. JL: Судостроение, - 1979. - 264с.

28. Кондранин Т.В., Ткаченко Б.К., Березникова М.В., Евдокимов A.B., Зуев А.П. Применение пакетов прикладных программ при изучении курсов механики жидкости и газа: Учебное пособие — М.: МФТИ, 2005. — 104 с.

29. Кондранин Т.В., Ткаченко Б.К., Березникова М.В., Евдокимов A.B., Зуев А.П. Использование средств компьютерного моделирования в курсах механики жидкости и газа: учебно-методическое пособие — М.: МФТИ, 2005. — 112 с.

30. Кормак Д. Борьба с загрязнением моря нефтью и химическими веществами. Пер. с англ. М.: Транспорт, - 1989. - 365с.

31. Краснощеков П.С., Петров A.JI. Принципы построения моделей. М.: Изд-во МГУ, 1983.-264с.

32. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М.: Наука, - 1977. - 408с.

33. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика. Т. 6. — М.: Наука, 1986. 736с.

34. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов. — М.: Наука, 1987. —840 с.

35. Малышкин А.Г., Морозов Н.П. Технология и организация нефтеперевозок на речном транспорте. — М.: Транспорт, 1981. 210с.

36. Мейз Д.Ж. Теория и задачи механики сплошных сред. М.: Мир, -1974. -318с.

37. Международная конвенция МАРПОЛ-73/78, Приложение 1 правило 26.

38. Метод сбора с поверхности воды нефтяных остатков нефти, нефтеводяной смеси и других загрязняющих жидкостей и устройство для его реализации. Залька 3913129 ФРГ, МКИ5 В63 В 35/44, Е02 В15/04 опубл. 10.01.91г.

39. Милн-Томпсон Л.М. Теоретическая гидродинамика. М.: Мир, -1964. — 630.

40. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1997. 4.1 464с.; 4.2.-360с.

41. Норри Д., де Фриз Ж., Введение в метод конечных элементов. — М.: Мир, -1981.-304с.

42. Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря с судов. М.: Транспорт, - 1985.-287с.

43. Патрашев А.Н. Прикладная гидромеханика. М.: Воениздат, -1970. — 684с.

44. Постановление Правительства РФ от 5 ноября 1995 г. N 1113 «О единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» (с изменениями от 22 апреля 1997 г).

45. Постановление Правительства РФ от 21.08.2000г. № 613 «О неотложных мерах по предотвращению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов».

46. Постановление Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2002 г. № 240 «О порядке организации мероприятий по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов на территории Российской Федерации».

47. Постановление Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2003 г. № 794 «О единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций».

48. Приказ Министерства Речного флота Российской Федерации от 16.08.94г. № 69 «Положение о классификации, распространении и учете транспортных происшествий на внутренних судовых путях РФ».

49. Приказ Минтранса от 29 декабря 2003г № 221 «Об утверждении Положения по расследованию, классификации и учету транспортных происшествий на внутренних водных путях Российской Федерации».

50. Приказ Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий от 08.07.2004 № 329.

51. Плавучее заграждение для локализации и сбора нефти с поверхности воды: A.c. 1783063 СССР, МКИ Е02 В15/04/Савинов Г.Ф.;ЦКБ Шельф-№4874204/15;3аявл. 16.10.90;0публ. 23.12.92, Бюл.№47.

52. Пояснительная записка к первой редакции проекта требований ПРРР «Требования к судовому оборудованию и устройствам для предотвращения60.