CC BY
133
УДК 614.84
В. А. Алексеев, С. В. Алексеев, А. Н. Миннегалеев,
Р. Р. Ахметов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗЛИВА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ НА ПОДВОДНЫХ ПЕРЕХОДАХ
МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ
Ключевые слова: гильотинный разрыв, разлив нефтепродукта, силы поверхностного натяжения.
В данной статье был рассмотрен процесс разлива нефтепродуктов при аварий на водных объектах. Было исследовано влияние течения воды, скорость и направление ветра.
Keywords: guillotine break, oil spill, the surface tension forces.
This article was reviewed by the process of oil spills in accidents on water bodies. Investigated the effect of water flow, wind speed and direction.
На современном этапе развития нефтедобывающей промышленности особенно актуальна проблема обеспечения экологической безопасности на объектах расположенных вблизи или на акваториях. К надежности подводных переходов нефтепроводов предъявляются высокие требования, так как даже незначительные повреждения подводных переходов с потерей герметичности приводят к тяжелым экологическим последствиям [1].
Объем утечек нефтепродуктов зависит от места и размеров повреждения, а также от времени его обнаружения и устранения. Количество вытекших нефтепродуктов может оказаться значительным даже при относительно небольших повреждениях, если они остаются незамеченными в течение длительного времени. Информация о поведении и характере пятна в том или ином случае позволяют максимально быстро ввести механизм борьбы с утечкой, тем самым, сокращая количество разлившегося нефтепродукта и уменьшить экологический ущерб.
Существующие в настоящее время методики [2, 3] оценки площадей разливов нефтепродуктов при аварийной разгерметизации объектов нефтедобычи и транспорта нефтепродуктов, обладают целым рядом ограничений. Основу многих методик составляют аналитические модели, не учитывающие реальную физику процессов. В связи с этим, с уверенностью можно сказать, что создание методики [4] оценки последствий аварийного разлива нефтепродуктов и расчета средств и сил для локализации и ликвидации аварий является актуальной задачей.
В виду эти факторов, было принято решение о создании собственной методики, прогнозирования последствий аварийных разливов. Допущениями, принятыми в данной методике, являются следующие факты:
• используется мультифазная модель с 3 фазами:
1 фаза - вода;
2 фаза - нефть;
3 фаза - воздух;
• отсутствует теплообмен между фазами;
• течение жидкостей является ламинарным;
• рассматривалось растекание Ньютоновской жидкости;
• физические свойства жидкости в процессе разлива не изменялись;
• волнообразование при ветре не учитывалось.
Математическая составляющая методики, представляла собой систему
дифференциальных уравнений, описывающих трехмерное нестационарное движение
жидкости (1). При этом учитывались такие свойства жидкости как вязкость и плотность. Методика включает в себя уравнение неразрывности, уравнения движения жидкости.
йр
йх
+ ц
Гй 2Wx
йх2
52wx 52wn
■ + ■
йу2
<9wv
51
+ wx
5Wx
йх
■ + wy
5wx
йу
+ wz
<9w
Л
йр
-------ь ц
йу
^ 2wv йх2
й2wy й%„
йу2
йz2
= р
at
+ w%
йwy йwy
0z
3wy ^
йр
pg -— + ц
0z
f й 2wz йх2
йу2
йz2
• + w
йх y
йу
+ w_
0z
; (1)
V
йw7 — + их----------
й х йх
+ u.
<9wz
йу
<9wz
0z
йwx йwy dw,
= 0
дх ду &
где р - плотность жидкости, Н - вектор скорости жидкости в точке с координатами (х,у,2) в момент времени 1, /и - коэффициент динамической вязкости.
На границе раздела фаз жидкость - воздух задавалось условия испарения жидкости (2)
[5].
При г=Ижид wz = 10_6 -л-л/М • Р (2)
где щ - коэффициент зависящий от скорости и температуры воздушного потока над поверхностью испарения, М - молярная масса, Рн- давление насыщенного пара.
Существенное влияние на поведение нефтяного пятна оказывает сила поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения становится существенной, когда величина силы поверхностного натяжения становится равной градиенту давления. Такое условие наступает, когда толщина слоя нефтепродукта И в процессе растекания пятна достигает величины (3).
hky =
а
д(р-ри)
(3)
где о - суммарное поверхностное натяжение, равное о=о1-о2-о3, о1 - поверхностное натяжение на границе раздела вода-воздух, о2 - межфазное поверхностное натяжение на границе раздела вода-нефть, о3 - поверхностное натяжение на границе раздела нефть-воздух.
Для изучения процесса разлива нефтепродукта по водной поверхности был проведен ряд численных экспериментов.
При моделировании данного эксперимента принимались следующие данные:
- учитывается сила поверхностного натяжения;
- учитывается убывание жидкости за счет испарения;
- время истечения 300 сек;
- трубопровод находится под толщей воды на глубине 5 м;
- объемный расход нефти из трубопровода 0,21 м3/с;
- скорость течения реки по всему объему одинаковый;
- разгерметизация происходит мгновенно.
Трубопровод диаметром 1200 мм находится под толщей воды на глубине 5 м от поверхности. В определенный момент происходит мгновенный гильотинный разрыв трубопровода и наблюдается растекание нефтепродукта в объеме воды, а затем в балансе сил преобладающими становятся силы вязкости и силы поверхностного натяжения. Дальнейший рост размеров пленки определяется ветром и течением. Для дискретизации
дифференциальных уравнений применялся метод контрольного объема, реализованный на ЭВМ. Построение картографической модели осуществлялось в предпроцессоре Gambit.
Рассматривались сценарии следующими условиями:
- отсутствует воздействие на нефтяное пятно течения и ветра;
- воздействует течение воды;
- воздействуют силы ветра и течения, сила ветра перпендикулярна силе течения.
В первом случае рассматривалась модель разгерметизации, где на нефтяное пятно не влияет течение воды и ветер. Т. е. нефтяное пятно разливается симметрично относительно центра разлива во всех направлениях. На рис. 1 представлена карта разлива объемом 63 м3 в течение 300 сек, при этом получена, площадь 2512 м .
Рис. 1- Карта разлива аварии
Во втором случае, на нефтяное пятно воздействует течение воды, пятно на поверхности
удаляется от места аварии (рис.2). На рис. 2 представлена карта разлива объемом 63 м3 в
2
течение 300 сек, при этом получена, площадь 1930 м .
й=0.21м]/сек V) теч=8км/ч
Рис. 2- Карта разлива аварии
В третьем же случае на истекающий нефтепродукт влияет как течение воды, так и сила ветра. В этом случае нефтяное пятно удаляется на значительное расстояние от места разгерметизации. В результате моделирования были получены карты разлива. На рисунке 3 представлена карта разлива объемом 63 м3 в течение 300 сек, при этом получена, площадь 2870 м2.
к
V) Вет=5м/с
(2=0.21м3/сек и теч=8км/ч
Рис. 3 - Карта разлива аварии
В ходе численного эксперимента фиксировалась площадь разлива на различных этапах времени. На основании этих данных были построены зависимости, представленные на рисунке 4.
Рис. 4- График зависимости, где Б - площадь разлива, Т - время истечения
Полученные данные о площади и динамики разлива позволяют провести расчет требуемого количества сил и средств для ликвидации аварии. Помимо этого результаты расчета таких аварий позволяют заблаговременно подготовить необходимый запас сил и средств, а также принять более эффективные предупредительные меры.
Литература
1. Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» Выпуск № 1 (29) - февраль 2010 г. (http://ipb.mos.ru/ttb).
2. Методическое руководство по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах: РД: утв. ОАО АК «Транснефть» 30.12.99, ввод. В действие с 01.01.2000. Серия 27. Выпуск 1 / Колл. авт. -2-е изд., испр. - М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2002.
3. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах: РД : утв. Минтопэнерго Рос. Федерации 1 ноября 1995 г., АК «Транснефть» 1996г.). М.: ТрансПресс, 1996.- 67 с.
4. Алексеев, В.А. Моделирование течения жидкости при разгерметизации резервуарного оборудования / В.А. Алексеев, С.И. Поникаров, С.В. Алексеев // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2009. - №6. - С. 232235.
5. ГОСТ Р 12.3.047-98 Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля (принят постановлением Госстандарта РФ 03.08.1998 г. № 304) - М.: Изд-во стандартов. - 86 с.
© В. А. Алексеев - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов химических производств КГТУ, [email protected]; С. В. Алексеев - инж. той же кафедры; А. Н. Миннегалеев - магистр КГТУ; Р. Р. Ахметов - зав. лабораторией, [email protected].
