книги / Техника и технологии локализации и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов

1.1.5. Разливы нефтепродуктов при эксплуатации автозаправочных станций

Возможными источниками разливов нефтепродук­ тов на автозаправочных станциях (АЗС) являются:

•резервуарный парк;

•технологическое оборудование (трубопроводы, топливораздаточные колонки — ТРК);

•заправляемый автотранспорт;

•автоцистерны, используемые для доставки нефтепродуктов.

Возможные объемы и площади разливов нефте­

сними разливов могут быть:

•перелив топлива при заполнении резервуара;

•возникновение взрывоопасной среды в тех­

нологической системе АЗС при ее эксплуатации

иремонте;

•появление источника зажигания в местах образования горючих паровоздушных смесей (заправка транспортных средств с включенным двигателем, использование заглушек на патрубках резервуаров, выполненных из искрящих мате­ риалов, и т. п.);

•разгерметизация резервуаров и стенок трубо­ проводов (или прокладок) технологического обо­ рудования АЗС, напорно-всасывающих рукавов автоцистерн, шлангов ТРК и т. п. вследствие износа технологического оборудования АЗС, вызванного механическим воздействием (влиянием повышен­ ного или пониженного давления, эрозионного износа), температурным воздействием (влиянием

повышенных или пониженных температур) и физико­ химическим воздействием (коррозии);

•механическое повреждение технологического оборудования АЗС, вызванное воздействием транспортных средств или проведением обслужи­ вающим персоналом некачественных регламент­ ных и ремонтных работ и приводящее к разгерме­ тизации или выходу из строя элементов защиты оборудования АЗС;

•противоправные действия людей, приводящие

кумышленному созданию аварийной ситуации. При авариях на АЗС наибольшую опасность

представляют разлив большого количества топли­ ва, пожар и взрыв топливовоздушной смеси при разгерметизации одностенных надземных резер­ вуаров и/или автоцистерны (рис. 1.23). Частота разрушения автоцистерны при сливоналивных операциях на эстакаде слива нефтепродуктов составляет 4,62 • КГ4 в год.

Вероятными последствиями разлива нефтепро­ дуктов на площадке АЗС являются разлив по при­ легающей территории, испарение продуктов, вос­ пламенение и/или взрыв топливовоздушной смеси.

Вероятность подземных утечек топлива на АЗС, имеющих герметичное оборудование, мини­ мальна. Количество проливов у ТРК и на площадке слива топлива оценивается до 100 г на 1 т бензина.

Наиболее часто к авариям на АЗС приводит разгерметизация резервуаров (табл. 1.83), а наи­ большую частоту вторичных ЧС имеют сценарии, связанные с образованием зоны токсического поражения и сгорания облака ТВС в пределах концентраций самовоспламенения в дефлаграционном режиме (табл. 1.84).

Таблица 1.83

Частота инициирующих событий на АЗС

Мониторингом аварийных разливов нефти и нефте­ продуктов в нашей стране занимаются органы государственного экологического контроля, ведом­ ственные органы в рамках РСЧС и органы произ­ водственного мониторинга предприятий, осущест­ вляющих добычу, транспортировку, переработку и хранение нефти и нефтепродуктов.

При разливе нефти и нефтепродуктов монито­ ринг окружающей среды должен предусматривать:

•установление места выхода нефти на поверх­ ность земли или воды;

•установление места утечки нефти (места раз­ герметизации оборудования, аппарата, трубопро­ вода и т. п.);

•оценку параметров разлива нефти (объем, размеры пятна, динамика их изменения);

•определение и контроль направления и ско­ рости распространения нефтяного пятна, а также параметров окружающей среды.

Для более точной оценки объема разлитой нефти

инефтепродуктов необходимо знать:

•скорость истечения нефти из трубопроводов

ипродолжительность утечки до отключения;

•размер и число грузовых танков, пробитых на севшем на мель судне;

•цвет и размер нефтяных пятен.

При оценке объемов разлитой нефти следует учитывать следующее:

•толщина нефтяного пятна на разных участках может значительно меняться. Если на нефтяном пятне имеются места с более темной окраской (темно-коричневые или черные), это означает, что

вних толщина пятна наибольшая;

•цветные, в том числе и серебристые, полосы указывают, что на этих участках пятно очень тонкое;

•цветные полосы наблюдаются по краям и на наружных участках нефтяного пятна.

Внастоящее время широко используются средства дистанционного мониторинга. Излучения, представляющие интерес при создании систем контроля над разливами нефти, по степени нарас­ тания длины волны подразделяют на следующие диапазоны: ультрафиолетовый, видимый, инфра­ красный и микроволновый.

1.2.1. Ультрафиолетовая радиометрия

В ультрафиолетовой области электромагнитного спектра созданы системы линейного сканирования, которые в сочетании с техникой наблюдения дают возможность в видимой и инфракрасной частях спектра различать нефть и другие аномальные явления (например, скопления водорослей).

Ультрафиолетовые датчики могут применяться для картографирования достаточно тонких пленок (<0,05 мкм). Характеристики систем с ультрафио­ летовыми датчиками лучше мультиспектральных сканирующих систем из-за более низкого уровня фонового шума от радиации. Процессы получения изображений в камерах для ультрафиолетового диапазона такие же, как и для оптического.

С помощью средств дистанционного монито­ ринга можно не только определить протяженность и толщину нефтяного пятна, но и узнать характе­ ристику нефти.

Для принятия решения о применении опти­ мальной технологии локализации и ликвидации разлива нефти и нефтепродуктов необходима дополнительная информация. Например, важно знать, поддается ли нефть химическому дисперги­ рованию или потребуется ее сбор механическими средствами.

При решении этих задач было обращено вни­ мание на явление флуоресценции. Лазерные флуородатчики основаны на том принципе, что многие вещества, в том числе нефть, поглощают ультра­ фиолетовое излучение и излучают часть этой энергии в отчетливо видимой длине волны.

В ходе экспериментов с оборудованием, осно­ ванных на возбуждении флуоресценции поверхно­ сти воды короткими импульсами ультрафиолето­ вого излучения (длина волны 337 нм) с помощью азотного лазера, было установлено, что излучение

в 16-канальный спектр излучения в диапазоне 380680 нм, причем каждый из каналов имеет полосу 20 нм. Для идентификации типа нефти полученный спектр должен быть сравнен с лабораторными эталонами для известных образцов нефти.

В большинстве лазерных флуородатчиков исполь­ зуется лазер в ультрафиолетовом диапазоне от 300 до 355 нм. Флуоресценция сырой нефти находится в пределах от 400 до 650 нм (с максимальной интенсивностью около 480 нм). Лазерные флуородатчики являются единственным средством для фиксации загрязненных нефтью и незагрязненных водорослей, для обнаружения нефти на береговых линиях, имеющих разный фон, а также загрязне­ ний как днем, так и ночью на воде, битом льду или сплошном ледяном покрове.

1.2.2. Излучение в видимой части спектра

Для определения и отслеживания нефтяных разливов на открытой воде эффективно использу­ ются визуальное наблюдение и аэрофотосъемка.

Оценку объемов разлитой нефти проводят на ос­ нове анализа цвета пятна и замеров площади по фотографиям аэрофотосъемки. Схема воздушного наблюдения может зависеть от положения солнца. Высота наблюдения обычно зависит от дальности видимости и при ясной погоде составляет 500 м. Для подтверждения результатов наблюдений за пятном используется наземная проверка. Имеется

Внешний вид пятна

Едва заметное

Серебряный блеск

Яркие полосы

Толщина пленки нефти, мм

3,94 • 10' 3

11,8- 10"3

19,7 10~3

39,4 • 10"3

1.2.3. Инфракрасная радиометрия (ИКР)

Оптически слой нефти поглощает солнечные лучи и испускает инфракрасное излучение. Неф­ тяное пятно на водной поверхности вызывает сле­ дующие явления:

•слой нефти может поглощать солнечную радиа­ цию и становиться теплее, чем прилегающая вода;

•испарение легких фракций может оказывать охлаждающее воздействие на нефть;

•вблизи источника разлива нефть может сохра­ нять теплоту и поэтому быть теплее окружающей воды;

• нефть может задерживать испарение воды и этим создавать тепловой эффект, т. к. вокруг пятна испарение будет продолжаться;

• нефть может ограничивать теплопередачу между атмосферой и водой, поэтому вода под слоем нефти в теплую погоду будет холоднее, а в холодную — теплее, чем могла бы быть при его отсутствии;

• нефтяное пятно может нагреваться от движе­ ния ветра над ним в результате механизма вязкой диссипации энергии по отношению к поверхности воды (рассеивание энергии на поверхности вязкого материала иное, чем на поверхности воды).

Таким образом, нефтяные пятна на поверхности воды в зависимости от взаимоотношения действую­ щих факторов могут быть теплее или холоднее окружающей воды.

Способность нефти к излучению меньше, чем

показали, что важным является пространственное разрешение в диапазоне от 3 до 5 мкм, особенно

вситуациях, когда нефть распространяется пятнами и сбивается ветром, а эмульсии не всегда видны

винфракрасном диапазоне.

Обнаружение нефти в инфракрасном диапазоне не всегда надежно, т. к. может произойти дезори­ ентация из-за других источников изменения тем­ пературы поверхности воды (водорослей, берего­ вой линии, океанского фронта, приливных течений, стоков рек, промышленных и канализационных стоков). Например, осадок на льду дает такое же изображение, что и нефть на ледяном покрове. Кроме того, применение инфракрасных устройств ограничивается низкой облачностью.

В наше время распространены и серийно выпускаются многими производителями камеры,

снимающие в инфракрасных лучах. Инфракрасное видео в дополнение к цветному видео и фото­ графии является полезным средством определения

идокументирования места разлива.

1.2.4.Микроволновая радиометрия (МВР)

Морские волны бывают двух типов — длинные, с большой амплитудой (гравитационные) и мелкие (капиллярные), которые генерируются ветром и накладываются на гравитационные волны. В океане излучение радара отражают капиллярные волны, создавая «яркое» отображение, известное как «отражение от морских волн». Но радары могут давать изображение и длинных волн ввиду боль­ шей концентрации капиллярных волн на их под­ ветренных склонах по сравнению с наветренными. Радар может обнаруживать нефть только при наличии капиллярных волн на не затронутой раз­ ливом поверхности воды, окружающей пятно нефти, т. е. скорость ветра должна превышать 1 ,0 -1,5 м/с. Интенсивность отраженного излучения возрастает при скорости ветра 15-20 м/с. Нефтяные пленки влияют на поверхностные волны, в частности уменьшают энергию волн, их дисперсию и кру­ тизну наклонов. При скорости ветра до 3-5 м/с

иналичии нефтяной пленки морское волнение не развивается. При скорости ветра до 13 м/с на поверхности моря различимо выглаженное пятно нефтяной пленки — так называемый слик. Гладкая поверхность воды отражает падающие на нее электромагнитные волны в сторону от источника излучения (антенны). Отразившись от выглаженной поверхности, радиоволны не возвращаются к радио­ локатору, и участок слика отражается на радиоло­ кационном изображении черным тоном.

Внастоящее время применяют два типа рада­ ров: авиационный радар бокового обзора (SLAR)

ирадар с синтезированной апертурой (SAR). Радары используют при обнаружении нефтяных пятен на открытой воде.

Спомощью радара с синтезированной аперту­ рой вследствие его большей разрешающей способ­ ности легче различить нефть, чем при использова­ нии радара с обычной апертурой. Сравнительные испытания показали, что SAR действительно намного лучше, но он имеет более высокую стоимость.

Резонансное (брэгговское) рассеяние радиоволн происходит в диапазоне гравитационно-капиллярных волн, кинематика которых определяется действием

как силы поверхностного натяжения, так и силы тяжести. Диапазон длин волн, для которых суще­ ственны обе силы, от 0,4 до 10 см. Российский радиолокатор с синтезированной апертурой (РСА), установленный на ИСЗ «Алмаз-1», излучал и реги­ стрировал сигналы в S-диапазоне электромагнит­ ного спектра при длине радиоволны 9,6 см, что соответствует частоте 3,1 ГГц.

На рис. 1.37 показано радиолокационное изо­ бражение места катастрофы танкера «Престиж» в Северной Атлантике. Справа на нем отчетливо виден рельеф побережья Испании (в светлых тонах); выделяются бухты, глубоко вдающиеся в сушу. Для чистой морской поверхности характерен слабоконтрастный серый фон. Темные пятна на этом фоне — поверхностные пленки нефтяных загрязнений, белые точки — морские суда. От танкера «Престиж» (в левом нижнем углу снимка)

всеверо-восточном направлении тянется темный шлейф, который разделяется на два рукава — северный и восточный. Хорошо видны отдельные темные пятна эмульсии топлива, образовавшиеся

врезультате утечки из танков танкера «Престиж»

впервые дни аварии.

На рис. 1.38 (см. цв. вклейку) и 1.39 приведены радиолокационные изображения соответственно участка акватории Черного моря, где на голубовато­ синем фоне хорошо видны белые точки — суда (некоторые из них сбрасывают отходы, напри­ мер балластную воду, загрязненную нефтепродук­ тами), и участка акватории Японского моря (на нем виден темный след, тянущийся за судном на несколько десятков километров, — нелегальный сброс танкером нефтесодержащих вод).

Современный РСА на борту спутника «ENVISAT» имеет полосу обзора 400 км, что позволяет полу­ чить панорамный радиолокационный снимок почти всего Каспийского моря примерно за I сут.

Некоторые данные о современных космических РСА приведены в табл. 1.86. Указанные в ней возможности РСА были подтверждены в полевых

ческих проектов по обнаружению и мониторингу нефтяных загрязнений в различных районах Мирового океана.

С помощью РСА на морской поверхности можно детектировать следующие типы нефтяных загрязнений:

•сырая нефть (рис. 1.41);

•мазут, дизельное топливо и т. п. (рис. 1.37) (см. цв. вклейку);

•выносы нефтепродуктов с речным стоком;

•технологические сбросы с судов (рис. 1.38 (на цв. вклейке), 1.39);

•буровые воды и шлам;

•выходы нефти из грифонов на морском дне

(рис. 1.41);

• отходы рыбной промышленности.

Сравнивая радиосигналы радара, отраженные от нефтяного пятна, которое ослабляет действие капиллярных волн, и от поверхности воды, можно обнаруживать разливы нефти. Этот способ имеет ограничения из-за помех (пятна пресной воды; поверхность, сглаженная ветром или волнистая; скоп­ ления водорослей; ледяные поля; различные стоки).

Мониторинг разливов нефти в море традици­ онными средствами контроля с судов весьма затруднен, а аэросъемки очень дороги, к тому же они бесполезны в ночное время и невозможны при нелетной погоде. Радиолокация из космоса — это в большинстве случаев единственная возможность оперативного мониторинга состояния поверхности обширных районов океана благодаря высокой чувст­ вительности радиолокационного сигнала к поверх­ ностной шероховатости, проникновению его сквозь облачный покров, независимости сигнала от усло­ вий освещенности, регулярности и оперативности получения информации. Важно, что РСА обеспе­ чивает высокое пространственное разрешение. Так, радиолокационные изображения ИСЗ ERS-2 имеют пространственное разрешение около 25 м, что позволяет точно определять положение и гра­ ницу нефтяного пятна.

Пример обнаружения разлива нефти с помощью радара представлен на рис. 1.40, где на снимке хоро­ шо видно осаждение нефти, разнесенной течением.

На рис. 1.41 приведено радиолокационное изо­ бражение участка акватории Тихого океана вблизи побережья шт. Калифорния (США) (вверху слева), где хорошо видны: слева темное пятно — выброс нефти из грифона с морского дна в проливе СантаБарбара; справа три яркие точки — нефтяные платформы, имеющие утечки. Нефть, растекаясь от одной из платформ, закручивается в циклональную (левовращательную) спираль.

В настоящее время можно использовать ра­ диолокаторы на европейских спутниках ERS-2 и «ENVISAT» и канадском «RADARSAT». С их помощью при любой погоде и освещенности можно получать практически мгновенную картину про­ странственного распределения нефтяных загрязне­ ний и отслеживать ее трансформацию во времени.

Микроволновая радиометрия дает возможность измерять толщину нефтяной пленки и обладает преимуществом по сравнению с ИКР, т. к. показания не зависят от влажности воздуха, т. е. тумана и дождя.

Расчеты яркости (интенсивности) микроволно­ вого излучения нефти по сравнению с водой при конкретной частоте предсказывают изменения максимумов и минимумов при увеличении толщины нефтяной пленки. Используя две частоты, можно исключить фактор неопределенности и однозначно измерить толщину слоя нефти. Общая температура

влюбом направлении зависит от излучения с поверх­ ности, отраженной суммарной радиации, а также от излучения атмосферных помех и их затухания между поверхностью воды и радиометром. Нефть

вводе дает более сильное излучение сверхвысокой частоты, чем вода, и поэтому она представляется как светлый объект на темном фоне (коэффициент излучения у воды составляет 0,4, у нефти 0,8). Устройство, обнаруживающее эту разницу, может измерять и толщину пленки.

Разработаны двухдиапазонные устройства с час­ тотами 22,4 и 31 ГГц, которые испытаны Швед­ ским космическим агентством и являются един­ ственными серийными промышленными устрой­ ствами, поступающими в продажу.

Спутниковые датчики используются во многих случаях, связанных с разливами нефти на водную поверхность, и позволяют уменьшить ущерб от таких аварий.

Ущерб от катастроф, вызванных разливами нефти на водную поверхность, мог быть еще больше, если бы не удавалось отслеживать перенос нефтяных пятен в море и прогнозировать место и время их выброса на побережье. Для этого в пер­ вую очередь используются данные космических радиолокационных съемок морской поверхности. Японские, испанские, французские и португаль­ ские океанологи в своих прогнозах неоднократно опирались на данные Канадского и Европейского космических агентств, полученные с ИСЗ «RADARSAT», ERS-1, ERS-2 и «ENVISAT».

1.2.5. Данные дистанционного зондирования Земли

Получение и обработка данных для геоинформационных систем (ГИС) — наиболее важный и трудоемкий этап создания подобных систем. В настоящее время самым перспективным и эконо­ мически целесообразным считается метод получения данных об объектах с помощью дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и GPS-измерений.

В широком смысле ДЗЗ — это получение любыми неконтактными методами информации о поверх­ ности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Традиционно к ДЗЗ относят только те методы, которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной поверхности в какихлибо диапазонах электромагнитного спектра.

Преимущества метода ДЗЗ:

• актуальность данных на момент съемки (большинство картографических материалов безна­ дежно устарели);

•высокая оперативность получения данных;

•высокая точность обработки данных за счет применения GPS-технологий;

•высокая информативность (применение спек­ трозональной, инфракрасной и радарной съемки позволяет увидеть детали, неразличимые на обыч­ ных снимках);

•экономическая целесообразность (затраты на получение информации посредством ДЗЗ сущест­ венно ниже, чем на наземные полевые работы);

•возможность получения трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за счет использования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, возможность проводить трехмер­ ное моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Дистанционные методы характеризуются тем, что регистрирующий прибор значительно удален от исследуемого объекта. При таких исследованиях явлений и процессов на земной поверхности рас­ стояния до объектов могут измеряться от единиц до тысяч километров. Это обстоятельство обеспе­ чивает необходимый обзор поверхности и позво­ ляет получать максимально генерализованные изображения.

Виды съемки для получения данных ДЗЗ:

• космическая съемка (фотографическая или оптико-электронная);

•панхроматическая (чаще в одном широком видимом участке спектра; простейший пример — черно-белая съемка);

•цветная (съемка в нескольких, чаще реальных цветах на одном носителе);

•многозональная (одновременная, но раздельная фиксация изображения в разных зонах спектра);

•радарная(радиолокационная);

•аэрофотосъемка (фотографическая или оптико­ электронная);

•лидарная (лазерная).

Космическая съемка имеет более низкое разре­ шение: от 30 до 1 м в зависимости от типа съемки и типа космического аппарата (КА), но за счет это­ го охватывает большие пространства. Она исполь­ зуется при необходимости получить снимки боль­ ших площадей, чтобы иметь оперативную и акту­ альную информацию о районе предполагаемых геолого-разведочных работ, базовую подоснову для создания глобальной ГИС на район разработки полезных ископаемых, для экологического мони­ торинга нефтяных разливов и т. п. При этом исполь­ зуются как обычная монохромная (черно-белая) съемка, так и спектрозональная.

Аэрофотосъемка (АФС) позволяет получать изображение более высокого разрешения (от 1 - 2 м до 5-7 см) (на рис. 1.42 представлены примеры фотоснимков различного разрешения). Она исполь­ зуется для получения высокодетальных материалов для решения задач земельного кадастра примени­ тельно к арендуемым участкам добычи полезных ископаемых, учета и управления имуществом. Кроме того, использование АФС на сегодняшний день представляется оптимальным вариантом получения данных для создания ГИС на линейно­ протяженные объекты (нефте-, газопроводы и т. д.) за счет возможности применения «коридорной» съемки.

В табл. 1.87 приведены краткие характеристики основных типов КА ДЗЗ коммерческого использо­ вания, применение которых возможно для решения задач по созданию и обновлению ГИС предприя­ тий нефтегазового комплекса.

Следует также отметить, что, по оценкам экс­ пертов, в ближайшем будущем данные ДЗЗ станут основным источником информации для ГИС, в то время как традиционные карты будут использоваться только на начальном этапе в качестве источника статичной информации (рельеф, гидрография, основные дороги, населенные пункты, админи­ стративное деление).