2.6 Охрана окружающей среды

С развитием промышленности влияние результатов человеческой деятельности на природу становится настолько большим, что наносимый ей ущерб не всегда может быть восстановлен естественным путем без осуществления природоохранных и природовосстановительных мероприятий. Проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов приобрела важнейшее социальное и народно-хозяйственное значение

В условиях непрерывного возрастания роли магистральных трубопроводов как средства транспортировки жидких и газообразных продуктов и вовлечение малоосвоенных природных регионов, характеризующихся высокой чувствительностью к техногенным воздействиям, проблема окружающей среды является весьма актуальной.

Эффективное решение данной проблемы предполагает необходимость подготовки высококвалифицированных инжерно-технических кадров, владеющих глубокими знаниями по современной технологии проектирования, сооружения и эксплуатации нефтепроводов и охране окружающей среды.

Охрана окружающей среды при эксплуатации магистральных нефтепроводов – одна из важнейших задач, от правильности решения которой зависит не только сохранность природной среды, но и в значительной мере надежность самих трубопроводов. Именно это обстоятельство и нужно учитывать, прежде всего, в период эксплуатации трубопроводов. Мероприятия по охране окружающей среды не могут быть разовыми, после выполнения, которых не требуется больше заниматься природоохранной проблемой.

Применительно к эксплуатации магистральных нефтепроводов охрана окружающей среды – комплекс научно обоснованных конструктивных, технологических, организационных и социально-экономических решений и мероприятий, направленных на улучшение состояния и рациональное использование природных ресурсов при сооружении и эксплуатации объектов трубопроводного транспорта нефти.

Целью охраны окружающей среды является исключение или максимальное ограничение вредных воздействий строительства и эксплуатации трубопроводов на эти объекты, рациональное использование природных ресурсов, их восстановление и воспроизводство.

Задачи охраны окружающей среды:

- разработка научных принципов выбора проектных решений магистральных нефтепроводов, позволяющих предотвратить или минимизировать отрицательное воздействие на природные компоненты;

- совершенствование технологии и технических средств для сооружения нефтепроводов с учетом требований по охране окружающей среды;

- повышение надежности трубопроводов для сокращения аварийных потерь транспортируемых продуктов;

- прогнозирование взаимодействия природных компонентов и трубопроводов при их эксплуатации;

- разработка методов восстановления и улучшения состояния природных компонентов, нарушенных при строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов;

- оценка ущерба окружающей среде при строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов;

Мероприятия по охране окружающей среды должны способствовать решению важных народно-хозяйственных задач:

- ограничению поступлений в окружающую природную среду промышленных, транспортных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод и выбросов для снижения содержания загрязняющих веществ в атмосфере, природных водах и почвах до количеств, не превышающих предельно допустимые концентрации;

- рациональному использованию и охране водотоков, внутренних водоемов и морей, их водных и биологических ресурсов;

- упорядочению землеустроительных работ, охране и рациональному использованию земли, соблюдению оптимальных нормативов отвода земель для нужд

строительства промышленности и транспорта;

- сохранению и рациональному использованию биологических ресурсов;

- обеспечению воспроизводства диких животных, поддержанию в благоприятном состоянии условий их обитания;

- сохранению генофонда растительного и животного мира, в том числе редких и исчезающих видов;

- охране природно-заповедных фондов (заповедников, заказников, памятных и национальных парков, водных объектов и др.);

- улучшению использования недр.

Аспекты проблемы охраны окружающей среды:

-социально-политический (решение проблемы окружающей среды в масштабах всего человечества при наличии разных социальных систем);

- социально-гигиенический (разработка количественных санитарно-гигиенических показателей состояния качества окружающей среды, обеспечивающих оптимальные условия жизнедеятельности человека);

- правовой (регулирование законом общественных отношений в области охраны окружающей среды, в результате чего возникает совокупность природоохранных взаимоотношений);

- технико-технологический (организация производства по принципу безотходности);

- эколого-экономический (обеспечение сочетания высоких темпов экономического роста не только с сохранностью, но и улучшением состояния окружающей среды);

- экономический ( рациональное использование природных ресурсов);

- рекреационный (создание и сохранение природных зон, пригодных для спорта, туризма и отдыха);

- научный (сохранение образцов естественных природных комплексов для их изучения);

- социально-экономический;

- организационно-правовой.

Локальные загрязнения почвы чаще всего связаны с разливами нефти и

нефтепродуктов при повреждении трубопровода и их утечках через неплотности в оборудовании. Также утечки могут возникнуть вследствие некачественной изоляции трубопровода и как следствие повреждение ее отдельного участка. Загрязнение больших площадей возможно при фонтанировании нефти. В последнем случае

выделяют четыре зоны с различной степенью загрязнения:1 – сильное загрязнение, 2 – средняя степень загрязнения, 3 – слабое загрязнение, 4 – распыление с незначительным загрязнением.

Последняя зона занимает половину всей площади. Попадая в почву, нефть опускается вертикально вниз под влиянием гравитационных сил и распространяется вширь под действием поверхностных и капиллярных сил. Скорость продвижения нефти зависит от ее свойств, грунта и соотношения нефти, воздуха и воды в многофазной движущейся системе. Чем меньше доля нефти в такой системе, тем труднее ее фильтрация (миграция) в грунте. В ходе этих процессов насыщенность грунта нефтью (при отсутствии новых поступлений) непрерывно снижается. При содержании в грунте 10-12 % (уровень остаточного насыщения) нефть становится неподвижной. Движение прекращается также при достижении нефти уровня грунтовых вод. Легкие фракции ее плавают на поверхности воды. Тенденция к распространению нефти, обусловленная капиллярными силами, сохраняется. Нефть начинает перемещаться в направлении уклона поверхности грунтовых вод.

Исследованиями установлено, что выживаемость растений в загрязненных нефтью почвах зависит от глубины проникновения корней и скорости возобновления роста листьев, опадающих в результате загрязнения.

Разрушается структура почвы, изменяются физико-химические свойства. В результате резко снижается водопроницаемость, увеличивается соотношение между углеродом и азотом, что приводит к ухудшению азотного режима почв, нарушает корневое питание растений.

Первоначальное относительно слабое загрязнение почвы нефтью снижает количество микроорганизмов и образующегося углекислого газа. Восстановление численности микроорганизмов наблюдается через 6 месяцев.

В это время компоненты нефти используются микроорганизмами в качестве продуктов питания, оказывают стимулирующее воздействие на их размножение.

Неблагоприятное воздействие нефти на почву может оказать пагубное влияние на человека через пищевые цепи. При этом не исключается возможность канцерогенного эффекта, который может развиваться даже при минимальной концентрации активных веществ.

Степень нарушения природных экологических систем вообще обусловлена как самим загрязнителем, так и биологическими особенностями района. Первостепенное значение при этом имеют тип нефти, ее количество, характер нефтяного загрязнения и способ очистки. Это объясняется тем, что типы нефти существенно отличаются по своим физическим и химическим свойствам, степени токсичности.

Для предотвращения миграции разлитой нефти, просачивания ее в грунт и очистки воды бурят серию скважин и извлекают загрязненные грунтовые воды. На пути движения грунтовых вод устраивают траншею с перфорированной трубой для сбора и отвода углеводородов, движущихся вместе с водой. В некоторых случаях на пути движения грунтовых вод ставится водонепроницаемый барьер из соответствующего строительного материала, резиновых гидроизолирующих мембран и т.п.

Нефть, скопившаяся около барьера, удаляется при помощи специального оборудования, при выборе которого учитываются требования техники безопасности, условия монтажа, объем воды, загрязненной нефтью.

Также при некачественно выполненной изоляции и вследствие этого повреждения трубопровода, может произойти загрязнение водной среды.

При повреждениях подводных участков магистральных нефтепроводов происходит аварийный выброс значительного количества перекачиваемого продукта в реку или водоем. В результате водным объектам независимо от их назначения наносится значительный ущерб. Для предотвращения возможных

последствий или их уменьшения необходимо всестороннее изучение процесса загрязнения воды нефтью и нефтепродуктами, скорости самоочищения, требований, предъявляемых к качеству воды, характера ущерба и методов ликвидации загрязнения.

Река (или водоем) считается загрязненной, если состав (или свойства) воды изменился под влиянием производственной деятельности настолько, что вода стала непригодной для одного или нескольких видов использования.

Различают следующие основные виды водопользования: хозяйственно-питьевое, культурно-бытовое и рыбохозяйственное.

Практически любая авария подводного нефтепровода может привести к утрате водоема как объекта одного или нескольких видов водопользования. Возможные последствия загрязнения усугубляются высокой стойкостью нефти к окислению и токсичностью отдельных ее фракций. Нефть, попадая в воду, растекается вследствие ее гидрофобности по поверхности, образуя тонкую нефтяную пленку, которая перемещается со скоростью примерно в два раза большей, чем скорость течения воды. При соприкосновении с берегом и прибрежной растительностью нефтяная пленка оседает на них. В процессе распространения по поверхности воды легкие фракции частично испаряются, растворяются, а тяжелые опускаются в толщу воды, оседают на дно и образуют донное загрязнение. Установить прямую связь между объемом утечки и площадью загрязненной поверхности воды, дна водоема, его берегов, а также стойкость загрязнений весьма трудно.

В результате загрязнения воды нефтью изменяются ее физические, химические и органолептические свойства, что существенно ухудшает условия обитания в воде животных и растений, использование такой воды в культурно-бытовых и хозяйственно-питьевых целях усложняется.

Влияние нефти на водоем проявляется в ухудшении физических свойств воды (замутнение, изменение цвета, вкуса, запаха); растворении в воде токсичных веществ; образование поверхностной пленки нефти и осадка на дне водоема, понижающей содержание в воде кислорода.

Существует классификация нефтяного загрязнения водоемов:

- слабое – нефтяная пленка отсутствует, привкус нефти слабый, запах не ощущается. Загрязнение не оказывает влияния на газовый режим, минерализацию, окисляемость и БПК воды. Рыба в водоеме обитает нормально, размножается, но имеет привкус нефтепродуктов. Отрицательное влияние на планктон незначительно, на бентос – не установлено.

- среднее – вода имеет запах и привкус нефти, поверхность покрыта отдельными нефтяными пятнами. Влияние на газовый режим, минерализацию, окисляемость и БПК

воды незначительно или не наблюдается. Рыба в водоеме обитает, но имеет привкус нефтепродуктов. Наблюдаются случаи гибели личинок рыб и нарушения нормального развития икры и представителей планктона и бентоса.

- сильное – вода имеет запах и привкус нефти, поверхность покрыта нефтяной пленкой. Наблюдается изменение газового режима, минерализации, окисляемости и БПК воды. Рыба избегает таких участков водоема. При случайной задержке в этой зоне она погибает. Личинки рыб и икра гибнут. Планктон и бентос отсутствуют.

- очень сильное – вода имеет сильный запах и привкус нефти, поверхность ее покрыта нефтяной пленкой. Берега и растительность покрыты нефтью или мазутом. Иногда дно покрыто тяжелыми фракциями нефти. Изменяются газовый режим, минерализация, окисляемость и БПК воды. Рыба, планктон и бентос в воде отсутствуют. Вода непригодна для водопользования.

Локализация, сбор и удаление нефти и нефтепродуктов – сложный и трудоемкий процесс. Это объясняется тем, что нефтяная пленка имеет малую толщину, а скорость ее распространения относительно велика.

Для локализации загрязнения применяются плавучие и подводные заграждения. Принцип действия плавучего (бонового) заграждения заключается в создании механического барьера, препятствующего горизонтальному перемещению или распространению тонкого верхнего слоя воды вместе с нефтяной пленкой.

Установка бонового заграждения определяется главным образом шириной реки или водоема. При ширине зеркала воды до 250-300 м и предпочтительна клиновидная схема.

Установка под острым углом (20-40) к направлению течения имеет ряд преимуществ перед поперечной схемой размещения бонов. Во-первых, в результате соударения с заграждением, установленным под углом, частицы верхнего слоя воды изменяют свое первоначальное направление движения в сторону берега, увлекая за собой пленку

нефти. Ближе к берегу скорость течения, как правило, меньше, чем в середине русла, поэтому удалять нефть у берега легче. Во-вторых, при этом значительно снижается лобовое сопротивление и уменьшаются нагрузки на заграждение и удерживающие растяжки. В-третьих, при поперечной установке бонов и скорости течения воды более

0,22 м/с часть верхнего слоя и нефтяной пленки обтекает заграждение снизу, что резко снижает его эффективность. Исходя из этого, расстояние между точками крепления растяжек должно быть таким, при котором исключались бы чрезмерный прогиб бона в плане и расположении локальных участков под углом выше 40.

При ширине зеркала воды более 300 м и применяется оконтуривающая схема заграждения.

Обнаруженная на воде пленка нефти оконтуривается боновым заграждением с помощью катера. Один конец бонового заграждения прикрепляется к плавучему якорю. Далее боновое заграждение вместе с нефтяным загрязнением либо дрейфует, либо закрепляется неподвижными якорями.

Боновые заграждения применяются при скорости течения воды до 1,2 м/с и высоте волны до 0,5 м.

Примером заграждения подводного типа является пневматический барьер, принцип работы которого заключается в создании препятствий на поверхности воды при непрерывной подаче воздуха через перфорированную трубку, уложенную на дно водоема. Конусообразная завеса пузырьков воздуха, поднимающихся со дна с большой скоростью, вызывает образование «валика», который и удерживает пленку нефти от дальнейшего продвижения. Удерживающая скорость пневматического барьера определяется скоростью и углом подачи воздуха, течением воды и степенью волнения. Существенное достоинство метода – возможность свободного прохода судов. Однако низкая транспортабельность и высокая энергоемкость пневматического барьера сужают область его применения.

Сбор и удаление нефтяного загрязнения с поверхности воды осуществляется сепараторами (скиммерами) различной конструкции и абсорбирующими материалами.

Малогабаритный скиммер состоит из понтона, емкости и отсасывающего рукава.

Поверхностная пленка нефти всасывается в емкость через погруженный в воду передний край скиммера при работе отсасывающего насоса. При увеличении скорости откачки передний край глубже погружается в воду и больший слой пленки всасывается в емкость. С уменьшением скорости откачки передний край поднимается, а при прекращении

откачки – выходит из воды. Таким образом, регулируя скорости откачки, можно собирать и удалять нефтяные пленки различной толщины. При ширине переднего края скиммера 1 м и максимальная производительность его достигает 12 т/ч. Наиболее эффективно использование данного скиммера для сбора толстых пленок в спокойной воде.

Другой тип скиммера состоит из четырех попарно соединенных поплавков, поддерживающих желоб с отсасывающим рукавом. Поплавки регулируются таким образом, чтобы края желоба были слегка погружены. Стекающая при этом в желоб пленка нефти удаляется через гибкий рукав посредством отсасывающего насоса. Стабильность работы обеспечивается поддержанием определенного установившегося уровня нефти в желобе, т.е. регулировкой скорости откачки соответственно толщине пленки нефти.

Конструкции дискового и барабанного скиммеров отличаются от описанных. Принцип работы их основан на свойстве адгезии нефти и нефтепродуктов. В процессе вращения барабанов нефть увлекается ими вверх, откуда она стекает под действием собственной массы или счищается специальными щитками в емкость, а из последней удаляется в резервуар. Эффективность работы таких скиммеров зависит от частоты вращения и размера барабанов (дисков) и вязкости нефти и нефтепродуктов.

Технология сбора нефти с поверхности воды абсорбирующими материалами довольна проста. Абсорбирующий материал разбрасывается (в сыпучем виде) по поверхности воды, загрязненной нефтью, и впитывает последнюю. В качестве абсорбентов используют пенополиуретан, торф, торфяной мох, опилки, солому и т.п., обладающие избирательной абсорбирующей способностью к нефти и нефтепродуктам. Так, 1 кг торфяного мха поглощает 8,5 кг трансформаторного масла, 9,8 кг сырой нефти и 12,9 кг бензина. Некоторые искусственные материалы поглощают такое количество нефти и нефтепродуктов, которое в 20 раз превышает их собственную массу.

Однако данный метод не получил широкого распространения из-за сложности работ по удалению абсорбента с поверхности воды. Сжигание его не всегда возможно из-за угрозы расположенным вблизи зданиям, сооружениям и т.д.; кроме того, при сжигании абсорбента загрязняется атмосфера.

Большее распространение получил метод сбора нефти с помощью бесконечной ленты, изготовленной из высокопористого материала. При движении по поверхности воды лента поглощает нефть и затем отжимается валиком и ведущим барабаном, установленном на катере. Накапливающаяся нефть откачивается через гибкий шланг в резервуар. Далее лента проходит по направляющим и опускается вновь на воду, поглощает нефть, огибает поворотный барабан, укрепленный на понтоне и возвращается к отжимному устройству. Помимо высокой абсорбирующей способности материал ленты должен обладать высокой прочностью, гибкостью и эластичностью. Наиболее полно этим требованиям отвечает полипропилен, упрочненный нейлоновой оплеткой. При длине ленты 50 м и скорости движения 30 м/мин производительность установки достигает 70 л нефти в 1 мин. С повышением вязкости нефти абсорбция уменьшается.

3 Расчетная часть

3.1 Расчет катодной защиты трубопровода

Рассчитать катодную защиту трубопровода диаметром 530 мм, толщиной стенки 10мм, R_т= 10,03*10^-6 Ом/м, с удовлетворительным состоянием битумной изоляции, проложенного в грунте с удельным сопротивлением р_г.з.= 10 Ом/м. Электроды одного заземления ЗКЖ-12ка расположены в грунте горизонтально. Для дренажной линии используем алюминиевый провод круглого сечения.

R_п – переходное сопротивление изоляции трубопровода на 1 м длины, 400 Ом·м;

U_max – наложенная разность потенциалов в точке дренажа (В) – 0,75В;

U_min – наложенная разность потенциалов “труба-земля” в конце плеча защиты – 0,25В.

3.1.1 Определяем расстояние между двумя катодными установками с учётом их взаимного влияния определяют по формуле

L=u, (1)

где - электрический параметр трубопровода, 1/м

_, (2)

3.1.2 Определяем величину силы тока I_н в точке дренажа в начальный период работы катодной защиты определяем по формуле

I_H=_{, (3)}

где У – расстояние анодного заземления до защищаемого трубопровода, м;

У = 150 м;

Zо – входное сопротивление трубопровода.

_{, (4)}

I_H=

3.1.3 Определяем величину силы тока I_к в точке дренажа для конечного периода работы катодной защиты

I_к= 3* I_н , (5)

I_к=3*17,86=53,6А.

3.1.4 Определяем число электродов анодного заземления

, (6)

где R_r – сопротивление растеканию горизонтального электрода Ом, R_r= 0,3 р_г.з.;

R_r = 0,3*10=3 Ом;

R_А – принимается равным R_cх/2;

R_сх – общее сопротивление схемы защиты катодной станции, принимается – 0,3 Ом.

R_А = R_сх/2=0,15 Ом.

- коэффициент использования электрода, =0,7.

3.1.5 Определяем поперечное сечение дренажных проводов определяем по формуле:

, (7)

где р – удельное сопротивление алюминиевого проводника р=0,028 Ом*мм/м;

L_п – длина дренажных проводов принимается равной расстоянию от анодного заземления до трубопровода L_п=у=150 м;

R_к – сопротивление дренажных проводов (кабеля) принимается равным

R_А = 0,15 Ом.

3.1.6 Определяем минимально необходимый диаметр алюминиевого провода

_, (8)

3.1.7 Определяем срок службы анодного заземления

, (9)

где G – масса материала заземления = 1200 кг;

k – коэффициент запаса, k = 1,1;

g – масса растворяемого материала заземления, g = 10 кг/(а*год).

3.1.8 Определение падение напряжения в сетевой катодной станции.

U_сх=I_кR_сх , (10)

U_сх=53,6*0,3=16В

3.1.9 Определяем потребляемую мощность сетевой катодной станции

_, (11)

где W¹ – мощность на выходе станции;

W¹=I_кИ_ск , (12)

W¹=53,6*16 = 1072 Вт

- КПД катодной станции = 0,8.

2. Определяем необходимое число станций

N = , (13)

где L – длина нефтепровода, L = 580 км;

L – расстояние между двумя катодными установками, L =14352 м.

N = 580*10³/14352 = 40

Принимаем 40 станций катодной защиты.

Следует применять станцию катодной защиты типа ТДЕ-9, ОПС-2 мощностью 1200 Вт, на всей длине нефтепровода задействованы 40 станций катодной защиты.

3.2 Расчет протекторной защиты

3.2.1 Расчет количества проекторов для защиты патрона на переходе через автомобильные дороги.

Исходные данные:

Диаметр патрона D=1,7м, длина патрона j=60м.

Протектора типа ПМ-10У.

Решение:

Плотность защитного тока принимаем .

Среднее удельное электрическое сопротивление грунта принимаем

3.2.2 Определяем силу тока для защиты патрона по формуле:

, (14)

где S -площадь наружной поверхности патрона.

_, (15)

3.2.3 Выбираем число проекторов по формуле:

, (16)

где -сила тока в цепи протектор-трубопровод для одиночного протектора, А;

-средний коэффициент экранирования, =0,85.

3.2.4 Определяем силу тока одного протектора по формуле:

, (17)

где -стационарный потенциал протектора, В;

- стационарный потенциал сооружения, В;

-коэффициент, учитывающий неравномерность распределения потенциалов «труба-земля», принимается 1,15;

-минимальная защитная разность потенциалов, В;

-коэффициент, учитывающий поляризацию протектора в большинстве случаев ;

-площадь рабочей поверхности анода, м² для ПМ-10У ;

-сопротивление соединительных проводов, Ом;

-переходное сопротивление одиночного протектора, для протектора ПМ-10У принимаем _, принимаем

Сила тока одного протектора.

Принимаем количество протекторов для защиты патрона – 5 шт.

4 Экономическая часть

В экономической части рассчитал экономическую эффективность внедрения станций катодной защиты.

4.1. Капитальные затраты

Капитальные затраты на одну станцию катодной защиты составляют К_{скз 1} = 85 000 руб. (данные с места практики ЛПДС «Нурлино»)

Количество станций N принимаем равным 40 (из расчетной части дипломного проекта).

Определяем капитальные вложения на всю системы катодной защиты нефтепровода Уфа- Альметьевск К_скз

К_скз = К_скз*N , (18)

где К_{скз 1} – капитальные затраты на одну станцию катодной защиты;

N – Количество станций катодной защиты на всем протяжении трассы нефтепровода.

К_скз = 85 000 * 40 = 3400000 руб.

4.2. Эксплуатационные расходы на СКЗ определяют

Э = Е + А + Р, (19)

где Е – затраты на электроэнергию

А – затраты на амортизационные отчисления

Р – затраты на ремонт

Э = 908236,8 + 238000 + 68000 = 1214236,8 руб.

4.2.1. Затраты на электроэнергию

Е = m *N * 8760 * 2,16, (20)

где m – мощность одной станции, m = 1,2 Вт/ч;

N – количество станций катодной защиты на всем протяжении трассы нефтепровода, N = 40;

8760 – число часов работы;

2,16 – стоимость одного киловатта в рублях.

Е = 1,2 * 40 * 8760 *2,16 = 908236,8 руб.

4.2.2 Затраты на амортизационные отчисления

, (21)

Н_а – норма амортизации, Н_а = 7%.

А=3400000*7=/100=238000руб

4.2.3. Затраты на ремонт

, (22)

где К_скз - капитальные вложения на всю системы катодной защиты нефтепровода, К_скз = 3400000 руб.;

Н_р – норма ремонта, Н_р = 2%.

P=3400000*2/100= 68000руб

4.3. Срок окупаемости

, (23)

где Э – эксплуатационные расходы, Э = 1214236,8 руб.

Т=3400000/1214236,8 = 2,8 лет.

Таблица 4 - Технико-экономические показатели.

Показатели	Значения
Капитальные вложения, руб.	3400000
Эксплуатационные расходы, руб.	1214236,8
Срок окупаемости. лет.	2,8

Вывод: Внедрение системы катодной защиты экономически эффективна, т.к. капитальные вложения окупаются за 2,8 года, что меньше нормативного срока окупаемости (6,7).