Контроль аэрозольных выбросов нефтегазовых факелов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.511.42.001

B.Ф. Рапута

ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск

К.С. Алсынбаев

ЮНИИИТ, Ханты-Мансийск

C.В. Морозов

НИОХ СО РАН, Новосибирск

О.В. Шуваева, Б.С. Смоляков ИНХ СО РАН, Новосибирск

КОНТРОЛЬ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ ФАКЕЛОВ

Основные источники газоаэрозольного загрязнения территории Ханты -Мансийского округа (ХМАО) представлены предприятиями нефтегазового комплекса и автотранспортом. Характерными загрязняющими веществами являются: углеводороды, природный газ, оксид и диоксид углерода, сернистые соединения, окислы азота, фенолы, меркаптаны и т. д. Интенсивное развитие нефтегазодобывающего комплекса приводит к значительному техногенному влиянию на территорию округа. В связи с этим необходима разработка комплекса мер по повышению экологической безопасности и снижения вредного воздействия на окружающую природную среду. Эффективного решения природоохранной проблемы можно достичь лишь в том случае, когда в единый механизм управления будут увязаны научные, технические, организационные, экономические, социальные и правовые аспекты [1].

1. Экспедиционные исследования. Маршрутный отбор снеговых проб в окрестности нефтегазовых факелов Приобского нефтяного месторождения ХМАО проводился в апреле 2004 и 2005 гг. Положение точек пробоотбора показано на схеме (рис. 1).

км

0

2

3

4 км

Рис. 1. Схема отбора снеговых проб. Реконструированные по данным наблюдений поля концентраций нефтяных углеводородов (мкг/л) в районе

Приобского месторождения

В зоне действия факела 1 были взяты пробы в пяти точках, факела 2 - в четырёх точках местности. Для отбора проб снега использовалась пластмассовая труба небольшого диаметра (5 см). Использование пробоотборника малого диаметра было продиктовано необходимостью ограничить массу и объём снеговых проб для возможности их дальнейшей транспортировки в химические лаборатории институтов СО РАН г. Новосибирска.

Для проведения расчётов использовалась среднезимняя роза ветров, измеренная на ЦГМС г. Ханты-Мансийска. Анализ макро и микрокомпонентного состава снеговых проб был выполнен в институте неорганической химии СО РАН (г. Новосибирск). Анализ содержания органических компонентов проводился в институте органической химии СО РАН (г. Новосибирск).

2. Модели реконструкции полей длительного загрязнения. Исходным моментом для расчета полей длительного загрязнения является соотношение [2]

Я

Ят=\ ЯРт,т(Я) Ф , (1)

0

выражающее связь между средней концентрацией за длительный период, относящейся к интервалу времени гид- разовыми концентрациями, относящимися к интервалу времени т«т ; ртГ - плотность вероятности для разовых концентраций. Значение д находится на основании решения уравнения турбулентной диффузии.

а) Газовая примесь. При расчете средней концентрации в приземном слое атмосферы определяющее значение имеют часто встречающиеся метеорологические условия. К ним относятся так называемые нормальные метеоусловия, для которых применима степенная аппроксимация скорости ветра и коэффициента вертикального турбулентного обмена. Использование этих аппроксимаций, аналитических решений полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии и свойств статистических характеристик распределения скорости ветра и вертикального турбулентного обмена в приземном слое атмосферы позволяет выразить концентрацию лёгкой примеси в виде следующей регрессионной зависимости [3]

О 07

- , „ Р(йі + 180°) --г

Ч(г,ф) = в1-^—------>-е г , (2)

Г

где г, р - полярные координаты, г - расстояние от источника; Р(р) -приземная роза ветров; 0х, в2 - неизвестные параметры.

При наличии данных наблюдений концентрации примеси параметры 6, в2 можно определить по измерениям в двух точках, решая соответствующую систему уравнений. При большем числе точек наблюдений следует использовать метод наименьших квадратов.

б) Аэрозольная примесь. В случае монодисперсной примеси имеет место регрессионное соотношение [3]

въ

— Й-------------------------

д(г,^) = 6\Р(^ + 180°)г 2 е г , (3)

Для оценивания параметров 6, 62, 63 в регрессии (3) необходимо проведение наблюдений не менее, чем в трех точках местности. Количество точек может быть уменьшено в случае, если оценка в- была проведена предварительно для рассматриваемого источника в случае слабооседающей примеси. Параметр в- = гтах в некотором смысле является внешним параметром и его предварительную оценку можно также выполнить, исходя из геометрической высоты источника, динамических и тепловых

характеристик, выбрасываемой газовоздушной смеси [2, 4]. гтах - точка максимальной приземной концентрации для лёгкой примеси.

3. Реконструкция полей аэрозольных выпадений в зонах влияния нефтегазовых факелов Ханты-Мансийского автономного округа. Исследуемые факелы относятся к числу наиболее мощных в ХМАО и постоянно действующих. Они вполне отвечают требованиям моделей (2), (3).

На рис. 1, 2 представлены результаты восстановления непрерывной картины загрязнения окрестностей факелов 1 и 2 нефтяными и полиароматическими углеводородами (НУ, ПАУ), алюминием, марганцем. Данные наблюдений, отмеченные тёмными кружочками, использовались для оценивания параметров регрессии (3). Светлые кружочки отражают уровень соответствия контрольных наблюдений расчёту (непрерывная кривая). Для первого факела в качестве гтах была принята оценка 0.8 км, для второго факела около 2 км.

Рис. 2. Восстановленные в снеге по маршруту пробоотбора значения концентраций суммы Mn, Л!, суммы ПАУ, нефтяных углеводородов

Анализ рис. 2 показывает, что соответствие расчётов наблюдениям в целом вполне удовлетворительное. Значительные расхождения результатов моделирования по ПАУ и углеводородам в некоторых точках могут быть связаны с близостью автотрассы.

Проведённые расчёты показывают, что для восстановления непрерывной картины загрязнения местности может быть вполне достаточно двух точек пробоотбора, расположенных на маршруте. Остальные точки пробоотбора могут быть использованы для контроля точности восстановления полей аэрозольного загрязнения.

4. Оценка суммарных выпадений. Согласно данным снегосъёмки, средний влагозапас снега в окрестности факелов исследуемых факелов составил около 82 л/м . С учётом этого значения, зимней розы ветров интегрирование (3) по достаточно большой области позволяет получить оценку суммарного содержания в снеге ПАУ, НУ, макрокомпонентов и рассматриваемых тяжёлых металлов. В табл. 1 и 2 представлены оценки их суммарного содержания в квадратах 4 кмх 4 км. Факелы находились в центрах этих квадратов. Следует отметить, что полученные оценки мощности эмиссии вредных примесей, являются оценками снизу, поскольку не в полной мере учтены эффекты полидисперсности как в ближней окрестности факела, так и на значительных удалениях.

Таблица 1. Оценка параметров аэрозольных выбросов для факела 1

Компонент Оценка параметров Суммарный выброс, кг

^2

Сумма ПАУ 0,237 4,46 0,017

Углеводороды 133 4,29 9,1

Цинк 264,8 3,32 17,7

Хлорид 4,6 3,32 0,48

Алюминий 266,5 2,9 28,1

Марганец 117,7 2,21 13,9

Таблица 2. Оценка параметров аэрозольных выбросов для факела 2 (ПАУ,

нефтяные углеводороды)

Компонент Оценка параметров Суммарный выброс, кг

^2

Сумма ПАУ 13,9 5,88 0,1

Углеводороды 7089 4,92 56,2

Анализ таблиц показывает, что значения 62 довольно сильно варьируются. Это означает, что скорости оседания и, соответственно, средние размеры частиц, содержащих рассматриваемые компоненты, будут существенно отличаться. Вследствие этого будут различаться зоны влияния и

максимальных выпадений. Параметры в^ пропорциональны мощности компонентов выбросов примеси и зависят от скорости оседания соответствующих аэрозольных фракций. Суммарный же выброс определяется комбинацией этих величин.

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования, численный анализ данных наблюдений в окрестности нефтегазовых факелов с интенсивными режимами сжигания позволяет сделать следующие выводы:

Предложенные численные модели вполне адекватно описывают процессы длительного аэрозольного загрязнения местности продуктами сжигания попутного нефтяного газа. Надежность многокомпонентного восстановления полей загрязнения по данным наблюдений в значительной степени определяется наличием в их составе измерений трассерных элементов и веществ. Численный анализ данных мониторинга снегового покрова в окрестностях факелов показывает существование достаточно простых закономерностей формирования полей длительного загрязнения местности.

Применение маршрутных снегосъёмок, процедур оптимального планирования регрессионных экспериментов позволяет повысить точность оценивания параметров и полей загрязнения.

Разработанные модели восстановления дают возможность проводить косвенный контроль факельных выбросов по ограниченному числу точек пробоотбора. Проведённые экспериментальные исследования и апробация предложенных моделей показала их экономичность и вполне удовлетворительную точность восстановления полей длительного многокомпонентного загрязнения местности и их следует рекомендовать для проведения регулярного мониторинга факельных выбросов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 16.11; РФФИ-ОБЬ, грант 05-05-98006.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Грищенко А.И, Акопова Г.С., Максимов В.М. Экология. Нефть и газ. - М.: Наука, 1997. - 598 с.

2. Берлянд М.Е., Генихович Е.Л., Канчан Я.С., Оникул Р.И., Чичерин С.С. О расчёте среднегодовых концентраций примеси в атмосфере от промышленных источников // Труды ГГО. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - Вып.417. - С.3-18.

3. Рапута В.Ф., Коковкин В.В. Методы интерпретации данных мониторинга загрязнения снежного покрова // Химия в интересах устойчивого развития. - 2002. - Т. 10. - С. 669-682.

4. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

©В.Ф. Рапута, К.С. Алсынбаев, С.В. Морозов, О.В. Шуваева,, Б.С. Смоляков, 2006