6.4. Влияние выгорания нефтепродуктов на площадь разлива.

В ходе разработки и апробации средств и способов борьбы с растекающимися нефтяными пятнами, в частности, имели место попытки искусственного поджига плавающих нефтепродуктов. Однако было установлено, что это не приводит к ожидаемому эффекту, поскольку во-первых, горение продолжается недолго, а во-вторых, при горении образуются тяжелые фракции, которые погружаются на дно, но через некоторое время вновь всплывают на поверхность.

При горении нефтепродукта над его поверхностью устанавливается пламя, которое быстро увеличивается по высоте и через небольшой промежуток времени достигает максимальной величины. Это говорит о том, что между зоной горения и поверхностью плавающего нефтепродукта устанавливается определенный теплообмен и верхний тонкий слой нефтепродукта нагревается до температуры, близкой к температуре кипения. При этом существенную роль играют толщина пленки нефтепродукта и температура воды.

Передача тепла из зоны горения поверхностному слою нефтепродукта осуществляется лучеиспусканием. Тепло, воспринимаемое пленкой нефтепродукта, в большей степени расходуется на нагревание нефтепродукта и его испарение, остальная часть тепла передается окружающей атмосфере.

В процессе горения нефтепродукты прогреваются в глубину. Жидкости, температура кипения которых выше температуры воды, могут прогреваться на глубину 2…5 см, если это позволяет толщина плавающей пленки. Для керосина, солярового масла, трансформаторного масла, дизельного топлива температура резко уменьшается с глубиной прогреваемого слоя пленки.

Жидкости, температура кипения которых ниже температуры воды прогреваются путем конвекции на глубину всего слоя, что характерно для бензина, нефти и мазута.

Одной из основных характеристик, определяющих сокращение объема вылитых нефтепродуктов, является скорость их выгорания. При этом различают линейную V_Л, массовую V_М и объемную V_ОБ скорости выгорания.

Массовой скоростью выгорания называется масса нефтепродукта, выгорающего в единицу времени с единицы площади, кг/(м²с).

Линейной скоростью выгорания называется высота слоя нефтепродукта, выгорающего в единицу времени.

Объемной скоростью выгорания называется объем нефтепродукта, выгорающего в единицу времени с заданной площади, м³/с.

Указанные скорости выгорания связанны между собой простыми соотношениями:

(6.4.1)

(6.4.2)

где  - плотность нефтепродукта кг/м³,

S - площадь горения, принимаемая равной площади растекания м².

Таблица 6.4.1.

Массовая скорость выгорания, кг/м²с

Нефтепродукты	Плотность, кг/м3	Температура кипения, К (С)	Массовая скорость VМ выгорания, кг/м2с
Бензин	710	330 (57)	7010-3
Керосин	780	390 (117)	6010-3
Диз. топливо	820	400 (127)	5510-3
Нефть	800	340 (63)	3010-3
Мазут	850	560 (287)	2010-3
Метанол	795	338 (65)	1610-3
Ацетон	790	329 (56)	4910-3
Толуол	867	384 (111)	8510-3
Бензол	879	353 (80)	11010-3

Для учета изменения радиуса растекающегося нефтяного пятна при его одновременном горении необходимо определить объем выгорающего нефтепродукта, вернее, изменение значения результирующего объема во времени.

При постоянной скорости выгорания изменение объема V_В нефтепродукта соответствует зависимости:

(6.4.3)

где V_В(t) - функция изменения объема нефтяного пятна во времени за счет выгорания нефтепродукта,

r(t) – функция изменения радиуса нефтяного пятна во времени,

V_Л - линейная скорость выгорания нефтепродукта.

Функция V_В(t) может быть выражена через массовую скорость выгорания:

(6.4.4)

где S(t) - функция изменения площади растекания нефтяного пятна с учетом выгорания, м²;

_ж - плотность растекающейся жидкости, кг/м³.

Полученное значение выгорающего объема V_В(t) нефтепродукта необходимо вычесть из начального объема, что позволит на данный момент времени определить истинный объем и, следовательно, радиус нефтяного пятна.

Например, выражение (6.3.5) в этом случае принимает вид:

(6.4.5)

Аналитическое решение уравнения (6.4.5) представляет собой достаточно трудоемкую задачу. В том случае, когда функция r(t) определена с помощью эмпирических зависимостей, аналитическое решение уравнений, изменения радиуса нефтяного пятна с учетом выгорания может быть вообще нереальным.

Изменение радиуса нефтяного пятна, выполненные по программе VYGOR-В на основании изложенного выше алгоритма с учетом выгорания, представлены на рис. 6.4.1 при массовой скорости выгорания нефти равной 3010 ^-3 кг/(м²с).

Эти результаты расчетов, выполненные по формуле (6.4.5), учитывают прекращение горения нефтепродукта при достижении нефтяной пленкой определенной толщины, что обусловлено особенностями процесса горения при различных температурах нефтепродукта и подстилающей поверхности, в данном случае - температуры воды.

На рис. 6.4.2 приведены оценки времени горения нефти на воде в зависимости от объема сброшенной нефти и предельного значения толщины пленки, при которой еще возможно горение.

В реальной обстановке плавающая нефть достаточно быстро смешивается в верхних слоях с водой, образуя водонефтяную эмульсию, препятствующую горению. Кроме того, при наличии ветра и волнения, затекание воды на нефтяное пятно в виде тумана или капель существенно сокращает возможность горения.

Таким образом, корректное решение задачи определения площади нефтяного пятна требует решения уравнений, описывающих с одной стороны увеличение радиуса растекания за счет действия инерционных или гравитационно-вязкостных процессов, с другой стороны - уменьшение радиуса пятна за счет выгорания нефтепродукта.

Кроме того, необходимо учитывать, что при достижении нефтяной пленкой определенной толщины, процесс горения прекращается и дальнейшее растекание нефтепродукта подчиняется законам, изложенным в п. 6.3. настоящего раздела.

Рис. 6.4.1. Изменение радиуса растекания 50 м³ нефти без учета скорости выгорания (R), и с учетом этой скорости (r) при значении линейной скорости выгорания, рассчитанной по программе VIGOR-B.

Рис. 6.4.2. Изменение времени горения нефти в зависимости от объема и предельного значения нефтяной пленки, допускающей горение нефти на воде.