Приложение 3
РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ УТЕЧКИ НЕФТИ И ПЛОЩАДЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИ АВАРИЯХ НА МАШСГРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДАХ
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА НЕФТИ, ВЫЛИВШЕЙСЯ ИЗ МН ВСЛЕДСТВИЕ АВАРИИ
1.1. Общий алгоритм оценки количества разлившейся нефти
Основные гидравлические параметры, влияющие на аварийное истечение нефти и экологический ущерб, представлены в [8]. Однако данная методика применима только в случае происшедших аварий, когда большинство исходных данных для расчета может быть определено при расследовании аварии.
Количество нефти, которое может вытечь при аварии, является вероятностной функцией, зависящей от следующих случайных параметров:
места расположения и площади дефектного отверстия (разрыва);
продолжительности утечки нефти с момента возникновения аварии до остановки перекачки, что составляет 3 - 20 мин для крупных разрывов и несколько часов для малых утечек, которые трудно зафиксировать приборами на НПС;
продолжительности утечки нефти с момента остановки перекачки до закрытия задвижек;
времени прибытия АВБ (от десятков минут до нескольких часов) и времени выполнения мер до полного прекращения истечения нефти.
Остальные параметры и условия перекачки (диаметр нефтепровода профиль трассы, характеристики насосов, уставка на защиту и др.) могут считаться постоянными и использоваться в качестве исходных данных.
Для прогнозирования возможных и ожидаемых (с учетом вероятности) объемов утечки и потерь нефти в настоящем Методическом руководстве разработан специальный алгоритм, блок-схема которого представлена на Рис. П.3.1 на с. 38.
При моделировании 12 сценариев аварийной утечки нефти могут быть получены 12 значений объемов аварийного разлива нефти VУi, реализуемых с вероятностью  , значения для которой приведены в табл. П.3.1.
 , (П.3.1)
где m =1,2,3; j= 1,2; k = 1,2; i = 4(m - 1) + 2(j - 1) + k.
Средняя (с учетом сценариев аварий) масса потерь нефти М, и ожидаемые потери нефти (с учетом вероятности аварийных утечек нефти из МН) Rv определялись по следующим формулам:
 , (П.3.2)
 , (П.3.3)
Величина доли собираемой нефти Kс6 может составлять от 0,5 до 0,95 в зависимости от удаленности аварийно-восстановительных пунктов от места аварии, рельефа местности, типа почв и водных объектов. Значения Ксб и вероятностей остановки насосов за указанные величины времени и эффективность действий аварийно-восстановительных бригад (АВБ) по локализации аварии и сбору нефти определяются экспертным путем исходя из особенностей трассы рассматриваемого МН.
Рис. П.3.1. Алгоритм расчета аварийных утечек нефти из МН
Характерные времена режимов утечки нефти зависят от размеров дефектного отверстия. Для конкретного трубопровода численные значения могут быть изменены с учетом специфики объекта. Предполагается, что дефектное отверстие имеет форму продольного ромба (щели вдоль оси трубы), малая диагональ которого в 8 раз меньше большой диагонали Lp . Расчеты аварийной утечки нефти проводились для трех характерных размеров большой диагонали Lp дефектных отверстий, равных 0,3D, 0,75D и 1,5D которые могут образовываться с относительной вероятностью 0,55, 0,35 и 0,10 соответственно (см. табл. П.2.3). Выбранные таким образом размеры отверстий и вероятности могут считаться реперными, а полученные расчетные значения объемов разлившейся нефти могут быть интерполированы на реальные размеры аварийных отверстий.
Таблица П. 3.1
№ сценария, i
|
Вероятность f Lpm образования дефектного разрыва размером Lp
|
Вероятность утечки нефти
|
Вероятность
аварийных
утечек нефти
в зависимости
от сценария
|
в напорном режиме, f Hj
|
в самотечном
режиме, f Ck
|
m = 1
Lp = 0,3D
|
т = 2
Lp= 0,75D
|
т = 3
Lp =1,5D
|
j=1
|
j= 2
|
k= 1
|
k = 2
|
0,55
|
0,35
|
0,1
|
0,7
|
0,3
|
0,7
|
0,3
|
1
|
*
|
|
|
*
|
|
*
|
|
0,2695
|
2
|
*
|
|
|
*
|
|
|
*
|
0,1155
|
3
|
*
|
|
|
|
*
|
*
|
|
0,1155
|
4
|
*
|
|
|
|
*
|
|
*
|
0,0495
|
5
|
|
*
|
|
*
|
|
*
|
|
0,1715
|
6
|
|
*
|
|
*
|
|
|
*
|
0,0735
|
7
|
|
*
|
|
|
*
|
*
|
|
0,0735
|
8
|
|
*
|
|
|
*
|
|
*
|
0,0351
|
9
|
|
|
*
|
*
|
|
*
|
|
0,0490
|
10
|
|
|
*
|
*
|
|
|
*
|
0,0210
|
11
|
|
|
*
|
|
*
|
*
|
|
0,0210
|
12
|
|
|
*
|
|
*
|
|
*
|
0,0090
|
Согласно рис. П.3.1 вероятность максимальной утечки нефти объемом VУ12 на п-м участке при разрыве трубопровода на полное сечение (Lp = 1,5D) f12 = 0,1· 0,3 · 0,3 · λn, что примерно составляет (1-2) · 10-6 аварий/(км · год).
1.2. Расчет количества разлившейся нефти
Ниже приведены основные соотношения для расчета объема (массы) разлившейся нефти.
Рассмотрим линейный участок нефтепровода протяженностью Lp между нефтеперекачивающими станциями НПС1, и НПС2, на котором на расстоянии х от НПС1, произошла аварийная утечка нефти из МН, причем эффективная площадь отверстия Sэфф (см. рис. П.3.1 на с. 38)[8].
Для штатного режима функционирования рассматриваемого участка расход нефти составляет Q0
1.2.1. Общий объем вытекшей нефти составляет
 (П.3.4)
от V1 - объем нефти, вытекшей в напорном режиме, то есть с момента повреждения до остановки перекачки;
V2 - объем нефти, вытекшей в безнапорном режиме, то есть с момента остановки перекачки до закрытия задвижек;
V3 - объем нефти, вытекшей с момента закрытия задвижек до прекращения утечки (до момента прибытия аварийно-восстановительных бригад или полного опорожнения отсеченной части трубопровода).
1.2.2. Объем V1, нефти, вытекшей из нефтепровода за интервал времени τ1, с момента возникновения аварии до остановки перекачки, определяется численным решением системы дифференциальных уравнений в частных производных, включающей законы сохранения массы и импульса потока ньютоновской жидкости:
а) уравнение неразрывности
 ; (П.3.5)
б) уравнение сохранения импульса
 ; (П.3.6)
в) связь давления и плотности
 , (П.3.7)
где τ - время;
х - расстояние от начала трубопровода;
Р, ρ0, и - осредненные по сечению давление, плотность и скорость нефти;
λ(Re) - коэффициент трения, зависящий от режима течения в трубе (от числа Рейнольдса Rе = uD/v);
g - ускорение силы тяжести;
β - локальный угловой коэффициент трассы нефтепровода; β=dz/dx:
с - скорость распространения звука в нефти вдоль трубопровода, км/с;
z - нивелирная отметка трассы;
v = μ/ρ - кинематический коэффициент вязкости нефти;
μ - динамический коэффициент вязкости нефти.
Система уравнений (П.3.5)—(П.3.7) дополняется начальными и граничными условиями.
В качестве начальных условий выбирается либо режим стационарного течения, если он известен, либо состояние покоя, если режим стационарного течения заранее неизвестен. В последнем случае режим стационарного течения получается путем решения нестационарной задачи о запуске насоса на входе трубопровода.
Рис. П.3.2. Графики изменения режима перекачки
при аварийной утечке нефти из МН:
а — на НПС; б — в трубопроводе (М — место аварийной утечки)
Обычно для получения стационарного режима течения в трубе достаточно 5-10 временных интервалов, за которые возмущение пробегает от начала трубопровода до его конца.
Граничные условия выбираются следующим образом:
на входе трубопровода производная давления полагается равной нулю, а скорость потока определяется с учетом этого давления по характеристике насоса Н—Q0 ("напор-расход");
на выходе трубопровода существует два способа задания граничных условий. Если на выходе стоит насос, осуществляющий нагнетание нефти в следующий участок трубопровода, то следует, полагая равной нулю производную давления, определить скорость потока с учетом этого давления и давление в начале следующего участка по характеристике насоса "напор-расход" (этот подход аналогичен заданию входных условий). Если на выходе трубопровода производится слив нефти в какую-либо емкость, что обычно имеет место на последнем участке магистрали, то задается давление в этой емкости (как правило, равное атмосферному) и равенство нулю первой производной скорости.
После срабатывания задвижек граничные условия на входе/выходе трубопровода изменяются. Граничные условия соответствуют условию "жесткой стенки": равенство нулю скорости на границах и равенство нулю первых производных по давлению.
Для определения величины Х(К.е) используется зависимости Коулбрука-Уайта, связывающая коэффициент трения А. с числом Рейнольдса (Rе) и характеристиками трубопровода:
 (П.3.8)
где А - шероховатость внутренней поверхности трубопровода.
Соотношение (П.3.8) представляет собой трансцендентное уравнение, решая которое можно определить λ(Rе).
Скорость истечения нефти из трубопровода определяется из интеграла Бернулли-Эйлера:
 (П.3.9)
Соответственно поток массы через отверстие задается выражением
 , (П.3.10)
где α - коэффициент, который принимает согласно [8] максимально возможное значение, равное 0,6.
Для вывода интегральных напорно-расходных характеристик насосных станций использовалась известная формула, связывающая создаваемый насосом напор Н с подачей Q0:
 , (П.3.11)
где a,b - экспериментально определенные коэффициенты штатного режима работы насосов НПС.
1.2.3. Объем нефти V2, вытекшей в безнапорном режиме (с момента остановки перекачки до закрытия задвижек), определяется опорожнением расположенных между двумя ближайшими насосными станциями возвышенных и прилегающих к месту повреждения участков, за исключением понижений между ними. Истечение - нефти определяется переменным во времени напором, уменьшающимся вследствие опорожнения нефтепровода. Время перекрытия задвижек определяется их техническими характеристиками. Алгоритм расчета объема нефти V2 аналогичен приведенному в [8].
1.2.4. Объем нефти V3, вытекшей в безнапорном режиме с момента закрытия задвижек, определяется согласно [8]. При расчете V3 можно принять, что дополнительный сток ΔV3, определяемый положением нижней точки контура повреждения относительно поверхности трубы и профиля участков нефтепровода, примыкающих к месту повреждения незначителен. Время прекращения истечения определяется временем стока нефти из отсеченного участка или временем прибытия АВБ, которое определяется экспертным путем с учетом разработанных планов ликвидации аварий рассматриваемого нефтепровода.
2. ОЦЕНКА ПЛОЩАДИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ И ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
С точки зрения тяжести экологических последствий в общем случае можно выделить три типа условий взаимного расположения места аварии на нефтепроводах с природными объектами:
аварии на участках вдали от водных объектов;
аварии на подводных переходах нефтепровода;
аварии вблизи водоемов и водотоков.
В первом случае весь объем вылившейся нефти распределяется по поверхности суши. Площадь первичного загрязнения и глубина проникновения в почву существенно зависят от шероховатости поверхности (микро- и макрорельеф, пористость, трещиноватость и др.).
Для приближенных расчетов площади загрязнения поверхности земли S3 с учетом мероприятий по сбору разлившейся нефти используется формула
 , (П.3.12)
где М3 - масса потерянной нефти (средняя по различным сценариям), определяемая по формуле (П.3.2).
Для получения более точных оценок или для особо важных объектов, таких, как заповедники, зеленые зоны городов и т.п., площадь загрязнения земли определяется с привлечением экспертов-почвоведов.
Приближенная оценка площади загрязненной водной поверхности рассчитывается по формуле
 , (П.3.13)
где Vр - объем разлившейся нефти, попавшей в водные объекты, м3;
Sп - площадь загрязнения водной поверхности, м2, если площадь зеркала водоема Sв<Sп, то Sп=Sв.
При авариях вблизи водоемов и водотоков соотношение объема нефти, загрязнившей сушу, и объема нефти, попавшей в водные объекты, существенно зависит от взаимного расположения нефтепровода и водных объектов, макрорельефа прилегающей территории, наличия защитных сооружений, а также от общего объема вытекшей нефти V. Определение отношения для каждого такого участка нефтепровода производится экспертным путем.
|
