Разработка рыбозащитных устройств для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений
На правах рукописи
Салиенко Сергей Николаевич РАЗРАБОТКА РЫБОЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВОДОЗАБОРОВ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ СООРУЖЕНИЙ Специальность 05.23.07 – Гидротехническое строительство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новочеркасск – 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия».
Научный консультант: Михеев Павел Александрович доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Петрашкевич Валерий Вильгельмович доктор технических наук, профессор, ЗАО «Производственное объединение по изыс каниям, исследованиям, проектированию и строительству водохозяйственных и мелиора тивных объектов» ПО (ЗАО «СОВИНТЕРВОД»), научный консультант Пурас Геннадий Николаевич кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», заведующий кафед рой «Водоснабжение и водоотведение» Ведущая организация – Федеральное государственное унитарное предпри ятие «Азовский научно-исследовательский инсти тут рыбного хозяйства» (ФГУП «АзНИИРХ»), г.
Ростов-на-Дону
Защита состоится «25» октября 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.049.01 на базе ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Пушкинская, 111, НГМА, ауд. 339.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия».
Автореферат разослан 20 сентября 2013 г. и размещен на официальных Интернет-сайтах ВАК РФ и НГМА.
Ученый секретарь диссертационного совета Иванова Нина Анисимовна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Обеспечение условий для защиты ихтиофауны от попадания в водозаборы морских нефтегазопромысловых сооружений (МНГС) является сложной научной и технической задачей.
Достаточно отметить, что в настоящее время существует небольшой опыт разработки, строительства и эксплуатации рыбозащитных устройств для подобных сооружений. Однако в соответствии со Ст. 61 п. 2 Водного кодекса Российской Федерации (2006) «Водопользователи, использующие водные объекты для забора (изъятия) водных ресурсов, обязаны принимать меры по предотвращению попадания рыб и других водных биологических ресурсов в водозаборные сооружения…». Существующая законодательная (Закон РФ «Об охране…, 2002;
Федеральный закон «О животном мире, 1995;
Постановление Правительства РФ от 29 апреля 2013 г. N 380) и нормативная база устанавливает порядок проведения рыбоохранных мероприятий и состав документации при проектировании гидротехнических объектов на водоисточниках, имеющих важное рыбохозяйственное значение.
К прямому влиянию на популяции рыб, этапе установки буровой платформы, так и на этапе бурения, испытания и ликвидации скважины, относятся: воздействие сброса буровых отходов и хозяйственно-бытовых сточных вод;
работа водозаборных устройств;
воздействие шума;
отторжение площадей мест обитания, нагула или нереста;
помехи на пути нерестовых миграций в результате физического присутствия МНГС. Значимое влияние оказывают водозаборные устройства МНГС, в которые попадают и погибают личинки, икра и ранняя молодь рыб.
Степень разработанности темы. Расходы забираемой воды зависят от конструкции МНГС и выполняемых технологических операций. Так в период балластировки платформы максимальный расход морской воды может составлять десятки тыс. м3/сут. После установки платформы и начала эксплуатации максимальный забор воды возрастает, производится постоянно и за весь период может составлять более 1 млн. м3. Снижение экологического воздействия МНГС на природную среду, в том числе на рыб, требует всестороннего исследования и обоснования. Решению этой проблемы и посвящена настоящая работа, выполненная в рамках отраслевых планов НИР Федерального агентства по рыболовству (Росрыболовство) и направления научных работ ФГБОУ ВПО НГМА тема 03.02.01.04: «Научно-техническое обоснование и разработка технических решений рыбохозяйственного комплекса при крупных энергетических и водохозяйственных объектах». Диссертация соответствует пункту 5 – «…разработка новых направлений повышения рыбопродуктивности и биопродуктивности водохранилищ, а также новых конструкций рыбозащитных и рыбопропускных сооружений на каналах;
разработка новых методов производства работ по возведению каналов и сооружений» паспорта научной специальности 05.23.07 – «Гидротехническое строительство».
Целью исследований является научное обоснование принципов защиты рыб, разработка и исследование технических решений рыбозащитных устройств для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
– изучить условия работы морских нефтегазопромысловых сооружений и дать оценку возможностей использования существующих конструкций РЗУ на водозаборах МНГС;
– разработать и обосновать конструкции жалюзийных рыбозащитных уст ройств, отвечающих условиям работы и конструкциям водопримников МНГС;
изготовить опытные образцы жалюзийных устройств, выполнить лабора торные и натурные исследования по установлению параметров и оценке рыбоза щитной эффективности конструкций;
– разработать методику расчета основных параметров жалюзийного рыбо защитного устройства;
– разработать рекомендации по проектированию, изготовлению и эксплуа тации рыбозащитных устройства жалюзийного типа для водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.
Научная новизна исследований заключается в том, что:
– определены принципы обеспечения защиты рыб в условиях водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений;
– разработаны конструкции, технические и технологические характеристи ки жалюзийных рыбозащитных устройств водозаборов морских буровых плат форм;
– обоснованы результаты экспериментальных исследований условий работы рыбозащитных устройств жалюзийного типа с потокообразователем для водоза боров морских нефтегазопромысловых сооружений;
– разработаны методика расчта параметров, рекомендации по проектиро ванию и использованию жалюзийных рыбозащитных устройств МНГС.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что:
– разработаны новые технические решения, а также научно обоснованная методика по расчту и конструированию рыбозащитных устройств водозаборов МНГС;
– разработаны рекомендации по изготовлению и инструкции по эксплуата ции жалюзийных РЗУ водозаборов, работающих в морских условиях.
Техническое решение жалюзийного РЗУ реализовано для водозабора СПБУ «Астра» ООО «Буровая компания Евразия Шельф» в Каспийском море.
Ожидаемый экономический эффект составил 2,232 млн. руб.
Методология и методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы теории турбулентных струй, численные методы моделирования, апробированные методики лабораторных гидравлических и натурных гидравлико-биологических исследований.
Положения, выносимые на защиту:
– рыбозащитные устройства, отвечающие морским условиям работы и кон струкциям водопримников водозаборов МНГС;
– результаты комплексных исследований по обоснованию параметров и функциональной эффективности РЗУ для водозаборов МНГС;
– методика расчта геометрических и кинематических характеристик жалю зийного рыбозащитного устройства с потокообразователем;
– рекомендации по проектированию, изготовлению и эксплуатации жалю зийных рыбозащитных устройств для водозаборов МНГС.
Степень достоверности апробация результатов. Основные положения, выводы и рекомендации научно обоснованы с позиций теории вероятности, математической статистики и моделирования на ПК. Опытные данные научных исследований получены в результате использования общеизвестных методик натурных экспериментов, метрологически аттестованных приборов и стандартного оборудования промышленного изготовления. Достоверность научных выводов подтверждается их апробацией и использованием в производственных условиях.
Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на заседаниях: международной конференции Поведение рыб (Борок, 2005 и 2010 гг.), научно-технической конференции «Современное состояние теории и практики рыбозащиты» (г. Энгельс Саратовской обл., 2007 г.), международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений» (Астрахань, 2009, 2011, 2012 гг.), региональной научно-технической конференции «Гидротехника, гидравлика и геоэкология» ФГОУ ВПО НГМА (Новочеркасск, май 2009 г.), всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние проблемы рыбозащиты и рыбопропуска, их роль в сохранении водных биологических ресурсов» (г. Новочеркасск, 2010 г.), а также на заседаниях кафедры «Гидротехнические сооружения» ФГБОУ ВПО НГМА (2006–2013 гг.).
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 20 научных работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ – 3, получены 4 патента на изобретения и полезную модель. Общий объем опубликованных работ составляет 5,5 п.л., принадлежность автору составляет 2, п.л.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность диссертационного исследования, приведены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Оценка современного состояния защиты рыб на водозаборах морских нефтегазопромысловых сооружений и использования жалюзийных рыбозащитных устройств» приведн анализ современного состояния защиты рыб на водозаборах МНГС. Основными водопотребителями в процессе нефтегазопромысла являются буровые средства, анализ и классификация современных конструкций, а также характеристики систем водообеспечения которых приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Классификация и технические характеристики водопримников современных конструкций буровых средств нефтегазопромысла Тип Глубина Тип Глубина Расход бурового моря, водопримника размещения водоза бора, м3/с средства м водоприм ника, м Морская стацио- до 100 Стационарные (водоза- 0,35 – 2- нарная платфор- борные окна, оголовки) 1, ма (МСП) Самоподъмная Выдвижные (водозабор- от 4 и 0,08 – 30- буровая установ- ные колонны), Подвес- более 0, ка (СПБУ) ные (погружные насосы) Полупогружная до 300 и Стационарные (водоза- от 4 и 0,14 – буровая установ- более борные окна, оголовки) более 0, ка (ППБУ) Буровое судно до 100 и Стационарные (водоза- от 1 и 0,04 – (БС) более борные окна) Подвесные более 0, (погружные насосы) Использование воды на МНГС связано с хозяйственно-бытовыми и производственными целями и производится в соответствии с техническими или технологическими требованиями.
Активное использование природных ресурсов, и в первую очередь недропользование, усиливает негативное воздействие на окружающую среду и по своим масштабам становится сопоставимым с природными явлениями, охватывающими всю биосферу, которое ведет к глобальным изменениям планетарного масштаба.
Воздействие буровых работ проявляется на представителей различных трофических уровней от низшего уровня (фитопланктон, зоопланктон) и донных животных до рыб и морских млекопитающих на всех этапах жизненного цикла МНГС: установки платформы;
бурения;
испытания и ликвидации скважины.
Учитывая сложные условия работы водозаборов МНГС и значительные динамические нагрузки на элементы водопримников, наиболее наджным средством защиты рыб могут служить устройства на базе жалюзийных экранов.
Жалюзийные РЗУ основаны на поведенческом и физическом принципах рыбозащиты, являются наджной преградой от попадания в водозабор взрослой рыбы и обладают достаточно высокой эффективностью защиты молоди рыб.
Разработкой и исследованием жалюзийных РЗУ занимались отечественные (Ю.М. Колпачков, Б.С. Малеванчик, П.А. Михеев, Д.С. Павлов, Г.Я. Сегаль, С.Н.
Тюрюков, Вл.Н. Шкура, А.Л. Эрслер и др.) и зарубежные (Д. Бэйтс, К. Клей, Д.
Крамер, Б. Меффорд, Дж. Скиннер и др.) учные и специалисты.
Однако условия использования существующих конструкций жалюзийных РЗУ на водозаборах из внутренних водоисточников не соответствуют условиям работы водозаборов МНГС, а устройства требуют конструкторского совершенствования и научно-технического обоснования.
Проведнный анализ современных конструкций жалюзийных РЗУ, методов проектирования и условий работы водозаборов МНГС позволил сформулировать цель и задачи диссертационного исследования.
Во второй главе «Конструирование и расчет рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений» изложены принципы защиты рыб и общие требования к конструкциям РЗУ для условий водозаборов МНГС, которые должны учитываться при их проектировании:
разнообразие размерно-видового состава ихтиофауны в зоне работы водозабора (от активной молоди до пассивно мигрирующих личинок и икры);
наличие течений воды переменных направлений и скоростей;
наличие значительных динамических нагрузок (волновых, ледовых, сейсмических, нагрузок от течений);
повышенное содержание биомассы в морской воде, приводящее к интен сивному биологическому обрастанию элементов и конструкции в целом;
постоянное воздействие агрессивной водной среды с высокой электропроводностью, что приводит к высокой степени коррозии и электрокорро зии применяемых материалов;
сложные условия проведения монтажных, демонтажных, профилактиче ских работ;
разнообразие условий размещения конструкций РЗУ как на мелководье, так и на больших глубинах.
Учитывая принятые требования, представлены результаты разработки кон струкций рыбозащитных устройств для водозаборов МНГС, которые защищены патентами на изобретение и полезную модель (рисунок 1).
РЗУ по патенту на полезную модель № 36115 размещается на водопримнике, выполненном в виде опускаемой с буровой платформы трехгранной колонны 6 с глубинными насосами, размещенными в вертикальных водозаборных трубах 5, обеспечивающих забор воды через вертикальные окна щели (рисунок 1, а). На нижнем конце колонны установлены одна над другой нижняя и верхняя горизонтальные перегородки и жалюзийные кассеты 1 по трм граням колонны, определяющие собой объм примной камеры. С началом работы глубинных насосов вода из примной камеры через водозаборные окна по стрелкам «Б» засасывается в трубы 5 и подается в систему водоснабжения буровой платформы. В камеру вода попадает из окружающего пространства по стрелкам «В».
РЗУ по патенту на изобретение № 2313634 представляет собой водозаборную камеру, образованную плоскими кассетами 1, съмно-собранными между собой в многогранник (рисунок 1, б). Каждая из кассет 1 составлена из двух параллельных жалюзийных поверхностей – наружной, обращенной к входу, и внутренней, обращенной к водозаборной камере, жалюзийные пластины имеют противоположный угол наклона. Снизу камеры по периметру расположена труба потокообразователя 3 с насадками 4, направленными вверх.
2 Вь ь а) б) В 1 Б ь ь Б ь Б ь ь ь В в) ь ь ь ь ь ь а – патент на полезную модель № 36115;
б – патент на изобретение № 2313634;
в – патент на полезную модель № 76653;
1 – кассета жалюзи;
2 – пластины жалюзийного экрана;
3 – труба потокообразова теля;
4 – водоструйные насадки;
5 – водоприемная труба;
6 – погружная колонна Рисунок 1 – Конструкции рыбозащитных устройств жалюзийного типа с потокообразователем для водозаборов МНГС В РЗУ по патенту на полезную модель № 76653, в отличие от традиционной, изменена форма жалюзийных пластин 2, которые по своей длине имеют поперечные гофры, образованные последовательно установленными плоскостями, сопряжнными друг с другом под определнным углом (рисунок 1, в). Жалюзийные пластины кассеты 1 набраны в две отдельные параллельные группы, наклон пластин в которых выполнен в разные стороны, при этом пластины 2 с внешней стороны кассеты 1 установлены с увеличенным шагом по сравнению с пластинами 2 внутренней группы. Каждая из жалюзийных пластин имеет по своей длине поперечные гофры, пара смежных плоскостей каждой из которых наклонена относительно друг друга на угол 60°. В нижней части кассеты установлена труба потокообразователя 3 с двумя рядами водоструйных насадок 4.
Приведена методика гидравлического расчта РЗУ, включающая:
– определение площади экрана жалюзи:
QРЗУ п з пк Sэ, (1) Vп.п пс sin где QРЗУ – эксплуатационный расход, м3/с;
Vп.п – скорость потока на пластинах жалюзи, м/с, Vп.п Vp, где Vp – сносящая скорость для защищаемой мо лоди рыб, м/с;
nз=1,20;
nк=1,05–1,1 и nc b – коэффициенты, учитывающие, bt соответственно, засорение экрана в процессе эксплуатации, затенение экрана и живого сечения жалюзи;
b – просвет между пластинами;
t – толщина пластины;
– угол установки пластины к плоскости экрана.
– расчт потерь напора на экране:
Vп hw ж.э., (2) 2g где ж.э. – коэффициент гидравлического сопротивления экрана;
Vп – подходная скорость потока к плоскости экрана, м/с;
g – ускорение силы тяжести, м/с2.
– определение начальной скорости истечения струи из насадок потокообра зователя:
Vk Lкж V0, (3) 6,2 d где Vk – скорость струи в конечном сечении жалюзийного экрана, м/с;
Lкж – расстояние от насадок до конечного сечения жалюзийного экрана, м;
d0 – диаметр насадок, м.
Произведн прочностной расчт каркаса жалюзийного рыбозащитного устройства для условий буровых платформ гравитационного типа с использованием программного комплекса «Structure CAD версия 7.27».
В третьей главе «Экспериментальные исследования по обоснованию параметров жалюзийных рыбозащитных экранов» приведены результаты экспериментальных исследований на физической модели жалюзийного экрана, целью которых являлось установление основных характеристик водного потока в пределах экрана, отвечающих условиям защиты молоди рыб, и оценка гидравлических параметров жалюзийного экрана и потокообразователя как рабочих элементов РЗУ.
Эксперименты проводились в гидротехнической лаборатории НГМА, в лотке шириной 1,5 м, высотой стенок 0,7 м, на модели жалюзийного экрана с потокообразователем со следующими параметрами: толщина пластин жалюзи s = 5 мм;
ширина пластин – 100 мм;
шаг оси пластин lж = 35 мм;
количество пластин – 18 шт.;
ширина пролта водозаборного окна – 665 мм;
угол установки осей насадок потокообразователя к плоскости экрана с.о. = 150;
угол установки пластин к плоскости экрана ж = 750;
500 и 250;
начальная скорость истечения струй потокообразователя 2,80 – 4,60 м/с. Расход воды в лотке изменялся от 72 до 96 л/с;
расход, проходящий через жалюзийный экран (расход водозабора) – 25– л/с.
Приведены данные по обоснованию условий моделирования, методика эксперимента и результаты расчтов относительных погрешностей измерений глубин, расходов, скоростей и давлений, которые не превышали 4,5 – 2,5 %.
К исследованию были приняты две конструктивные схемы размещения пластин жалюзи, использованных при разработке конструкций РЗУ, – однорядного и двухрядного жалюзийного экрана (рисунок 2).
а) б) а – однорядное расположение пластин;
б – то же в два ряда Рисунок 2 – Исследуемые схемы жалюзийного экрана По результатам замеров строились кривые свободной поверхности воды и эпюры скоростей, отвечающие условиям эксперимента. На рисунке 3 приведены отметки уровней свободной поверхности и эпюры скоростей потока для однорядного экрана с углом установки жалюзи 75, с расходами лотка 71,68 л/с и водозабора 25,67 л/с – перед (сплошная линия) и за экраном (пунктирная линия).
Рисунок 3 – Кривые свободной поверхности воды и эпюры скоростей подхода потока к жалюзийному экрану На рисунке 4 представлены эпюры скоростей перед двухрядным экраном при расходах в лотке 95,86 л/с и в водозаборе 41,08 л/с и начальной скорости истечения струи 4,6 м/с.
Рисунок 4 – Эпюры скоростей струи потокообразователя перед двухрядным жалюзийным экраном Анализ результатов лабораторных исследований позволил:
– установить значительную неравномерность распределения скоростей под хода потока по длине жалюзийного экрана с коэффициентами неравномерности (отношение максимальной к средней скорости) близкими по значению Кн1 = 1, и Кн2 = 1,39, однако установка второго ряда пластин приводит к более плавному распределению скоростей по длине экрана;
– получить зависимость для определения коэффициента гидравлического сопротивления жалюзийного экрана в виде 2 s (4) ж.э. n sin ж 3 lж где n – число рядов жалюзи;
ж – угол наклона пластин к плоскости экрана.
– получить зависимости для определения параметров струи потокообразо вателя: скорости на оси в виде Ui x 0,9818 exp 0,02, R = 0,9853;
(5) U0 d и траектории изменения оси в виде 3 x x x bi 0,0005 0,0046 0,4408 0,2999, R = 0,9772, (6) d d d 0 0 d где Ui и bi – скорость на оси и ширина струи на расстоянии x от среза насадка;
U0 и d0 – начальная скорость истечения струи и диаметр насадка.
Для определения параметров завесы из струй в расчтном створе жалюзийного экрана использован метод наложения потенциальных потоков, что позволило получить зависимости для определения скорости потока в расчтном створе:
Vэо= Vko 2 Vko1 (1 cos2o1 ) ;
– на оси завесы 2 (7) – в промежуточной точке Vэb= 2Vbo (1 cos2 bo ) Vb22 cos2 b2 ), (8) где Vbo, Vb1, Vb2 – скорости, соответственно, на оси и в промежуточных точках завесы от действия струи из системы насадок (0, 1, 2);
b0, b1, b2 – углы между осью завесы (насадок 0) и границами струи, образованными насадками (1 и 2).
Полученные зависимости позволяют оценить гидравлические условия в пределах жалюзийного РЗУ, с учтом завесы из струй, определить основные параметры конструкции.
Приведены результаты численного моделирования плоского жалюзийного экрана рыбозащитного устройства, которые выполнены в программной среде SolidWorks+FloWorks, представляющей собой комбинацию полной версии системы SolidWorks, как графической среды, и гидрогазодинамического решателя COSMOSFloWorks, препроцессор которого позволяет реализовать полностью автоматизированный или ручной метод блочного построения расчтной сетки.
Одной из задач математического моделирования, рассмотренных в работе, являлась оценка влияния каждого из элементов жалюзийного РЗУ – экрана и завесы из струй, на работоспособность устройства в целом. Результаты моделирования этой задачи приведены на рисунке 5.
а) б) а – завесы из струй без экрана;
б – экран без завесы Рисунок 5 – Численное моделирование влияния элементов жалюзийного РЗУ на условия его работы Оценивая положение линий тока, при отсутствии жалюзийного экрана (рисунок 5, а), необходимо отметить, что создаваемая завеса, в полном объеме вовлекается в водоприемное окно, при этом вся молодь рыб будет попадать в водозабор. Для того чтобы перекрыть водозаборное окно струями без экрана, необходимо увеличить начальную скорость истечения струй, диаметр насадок и их количество, что приведет к увеличению расхода воды на (или) потокообразователь.
Во втором случае, при отсутствии завесы, водозаборный поток равномерно поступает через жалюзийный экран, т.к. скорости транзитного потока (менее 0, м/с) будет недостаточно для отведения рыб от жалюзи (рисунок 5, б), а экран будет воздействовать на молодь только в светлое время, как визуальная преграда.
Таким образом, результаты моделирования свидетельствуют, что элементы исследованных РЗУ – жалюзийный экран и завесы из струй оказывают на молодь рыб комплексное защищающее воздействие, которое невозможно достичь при использовании этих элементов отдельно.
Приведены результаты исследовании условий работы и оценка эффективности опытных образцов жалюзийных экранов, проводимые в августе 2006 г. и июле – августе 2007 г. на полигоне, расположенном на водозаборе подкачивающей насосной станции ОПХ «ВолжНИИГиМ», при непосредственном участии автора.
В результате исследований опытных образцов РЗУ с двумя типами экранов определены гидравлические характеристики струй потокообразователя в зависимости параметров жалюзийных экранов при их совместном использовании, закономерность распределения скоростей втекания по длине экранов с потокообразователем и эффективность защиты рыб.
Анализ результатов проведнных опытов показывает, что эффективность защиты рыб отдельно жалюзийными экранами и завесой из струй при отсутствии транзитного течения не удовлетворяет нормативные требования и составляет для жалюзийных экранов 59,3 – 68,4 %, для завесы из струй 39,5 – 48,9%. Таким образом, подтверждены выводы математического моделирования в оценке комплексной зависимости рабочих элементов жалюзийного РЗУ.
В четвертой главе «Натурные исследования жалюзийных рыбозащитных устройств на водозаборах буровых платформ в Каспийском море» изложены результаты натурных исследований конструкций жалюзийных РЗУ на водозаборах самоподъмной плавучей буровой платформы (СПБУ) «Астра» и специального плавучего основания (СПО) «Чилим» в Северном Каспии, имеющем важное рыбохозяйственное значение.
В качестве РЗУ на водозаборной колонне СПБУ «Астра» с расходом 0, м3/с применялись три жалюзийные кассеты размером 234050070 мм с тремя потокообразователями (см. рисунок 1, а).
На водозаборе СПО «Чилим» с расходом 0,035 м3/с применялся плоский жалюзийный экран размером 1335х1140х310 мм с потокообразователем.
Гидравлические и биологические исследования РЗУ проводились с использованием гидрометрического и ихтиологического оборудования, по общеизвестным методикам. Биологические исследования и обработка полевого материала выполнялись совместно с сотрудниками ФГУП КаспНИРХ. Приведено описание применяемых приборов, оборудования, оценка точности экспериментов.
Гидрологические исследования показали, что для акватории участка Север ного Каспия направление течения совпадает с направлением ветра во всей толще воды. После продолжительных ветров нагонного направления отмечено форми рование компенсационного течения в придонном слое воды. В штилевую погоду ветровые течения на акватории участка отсутствуют. Режим течений в значитель ной степени определяет характер пространственно-временных изменений в рай оне исследований солености, биогенных веществ, переноса тепла и др.
По глубине точки на вертикалях измерений располагались на расстоянии от 1,0 м до 8,0 м от поверхности воды при общей глубине моря в месте установки СПБУ – 12 м. По результатам замеров в зависимости от глубины измерения, направления и силы ветра скорость течения изменялась от 0, 1 до 0, 42 м/с. Мак симальная высота волны, зафиксированная при проведении исследований при се веро-западном направлении ветра, составила 0,8 м.
В исследуемый период (2007–2008 гг.) в районе выполнения работ обнаружены 10 видов полупроходных рыб: вобла, лещ, судак, сом, жерех, чехонь, сазан, синец, рыбец, кутум. Видовой состав молоди морских видов рыб был представлен обыкновенной килькой, атериной, морскими сельдями. В составе ихтиопланктона отмечены личинки 9 видов рыб, относящихся к морским и полупроходным видам. Основу численности составляли морские виды рыб (атерина, обыкновенная килька, морские сельди, бычки). Полупроходные рыбы были представлены воблой, лещом, чехонью, судаком. Длина личинок рыб колебалась в пределах от 6,9 мм тт (атерина) до 145 мм тах (игла-рыба). Средние концентрации личинок варьировали в июне от 0,001 экз./м 3 (игла-рыба, судак, чехонь, лещ) до 0,4 экз./м3 (атерина), в июле от 0,002 экз./м3 (игла-рыба) до 0, экз./м3 (обыкновенная килька, атерина).
Проведенные работы по определению рыбозащитной эффективности жалюзийных кассет с потокообразователем водозабора СПБУ «Астра» показали, что за весь период исследований эффективность защиты рыб варьировала от 77,8% (рыба-игла) до 88,0% (обыкновенная килька), при среднем значении 83,0%, для промысловых видов рыб эффективность составила 85,0%.
Исследования жалюзийного РЗУ с потокообразователем на водозаборе СПО «Чилим» показали, что эффективность защиты по видам рыб изменялась от 79,9% (атерина) до 100 % (морские сельди, вобла, чехонь, кефали, колюшка) или в среднем составила 82,0 %, а с учтом выживаемости – 81,2 %, для промысловых видов – 81,6 % или с учтом выживаемости – 80,8 %.
Полученные результаты по эффективности жалюзийных РЗУ в полной мере отвечают требованиям СП 101.13330.2012.
В результате оценки технического состояния жалюзийного экрана и потокообразователей РЗУ в процессе эксплуатации установлен процесс обрастания и засорения (жалюзи до 50 %, насадок потокообразователя до 15 % сечения), интенсивность которого резко возрастает в летние месяцы в период максимальных температур воды и интенсивного развития биоорганизмов.
Двухлетний опыт эксплуатации жалюзийных РЗУ подтвердил высокую техническую наджность, простоту и низкую трудомкость обслуживания, как отдельных элементов, так и конструкции в целом. По результатам исследований даны рекомендации по эксплуатации РЗУ.
В пятой главе «Внедрение результатов исследований рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений» приведены материалы по внедрению результатов исследований в практику проектирования, изготовления и использования на водозаборах нефтегазопромысловых сооружений различных конструкций рыбозащитных устройств жалюзийного типа с потокообразователем.
Разработан алгоритм, сформулированы принципы проектирования РЗУ водозаборов буровых платформ, включающие: оценку прочности, устойчивости и жсткости, удовлетворяющих принятым критериям в расчтных режимах МНГС;
требования по безопасной эксплуатации РЗУ, включающие экологическую безопасность, в течение всего срока службы устройства, а также требования проведения работ по освидетельствованию и текущему ремонту;
требования по использованию соответствующих материалов, выполнению необходимых расчтов, контролю качества и системы защиты от коррозии, абразивного износа, повреждений от воздействий льда, химических повреждений.
Для водозаборов буровых платформ ПА-Б и ЛУН-А, установленных для выполнения промысловых работ в Охотском море на шельфе острова Сахалин в рамках проекта «Сахалин – 2», при личном участии автора разработана и внедрена конструкция жалюзийного РЗУ, которая соответствует работе в условиях больших нагрузок и размещения на глубинах до 40 м, при высокой степени обрастания и сложных монтажных работ, отсутствия транзитных течений и необходимости минимизации объмов профилактических работ.
Разработана конструкция и приведены результаты двухлетних производственно-экспериментальных работ по изучению особенностей эксплуатации и определению рыбозащитной эффективности жалюзийного РЗУ барабанного типа с потокообразователем для платформы «Амазон» в средней части Обской губы, которые показали, что функциональная эффективность РЗУ составила 82,1 %.
Обобщены материалы многолетних натурных и производственных исследований в различных условиях использования и технических решениях водопримников, на основе которых разработаны рекомендации по эксплуатации, монтажу и демонтажу рыбозащитных устройств водозаборов морских нефтегазопромысловых сооружений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Анализ условий работы водозаборов морских нефтегазопромысловых со оружений, связанных с агрессивным воздействием морской воды и значительны ми динамическими нагрузками на водоприемники, позволил выделить из всего многообразия существующих конструкций рыбозащитных устройств РЗУ жалю зийного типа – как наиболее наджные от попадания в водозабор взрослой рыбы и обладающие достаточно высокой эффективностью защиты молоди. Однако при менительно к условиям водозаборов МНГС, данные устройства требуют кон структорского совершенствования и научно-технического обоснования.
2. На основе принципов и особенностей защиты рыб в условиях водозабо ров МНГС, при личном участии автора разработаны и защищены патентами на изобретения конструкции жалюзийных РЗУ с потокообразователем, предложены компоновочные решения и расчт, методика которого включает: гидравлический расчт по определению размеров жалюзийного экрана;
гидравлический расчт по токообразователя;
прочностной расчет каркаса для условий МНГС с использова нием программного комплекса «Structure CAD версия 7.27».
3. По результатам исследований на физических моделях жалюзийных экра нов установлены закономерности и зависимости для последующего использова ния при проектировании РЗУ водозаборов МНГС: коэффициент гидравлического сопротивления жалюзийного экрана;
траектория оси струи завесы;
относительная скорость на оси струи потокообразователя. Установлены закономерности влияния завесы из гидравлических струй на пропускную способность жалюзийного экра на, получены зависимости для расчета характеристик завесы в расчтном створе.
4. Разработана методика математического моделирования гидравлических условий в зоне жалюзийного экрана с потокообразователем с использованием программного продукта SolidWorks+FloWork, которая позволяет на этапе анализа вариантов проводить качественную оценку рыбозащитного устройства и его эле ментов, прогнозировать гидравлические и геометрические параметры, отвечаю щие оптимальным условиям его работы.
5. Натурные исследования эффективности жалюзийных РЗУ на водозаборах СПБУ «Астра» и СПО «Чилим» в Северном Каспии в 2007-2008 гг. при непосред ственном участии автора показали, что эффективность защиты рыб отвечает тре бованиям СП 101.13330.2012: СПБУ «Астра» от 77,8 до 88,0 %, при среднем зна чении 83,0 %, для промысловых видов рыб – 85,0 %;
СПО «Чилим» эффектив ность от 79,9 % до 100 % или в среднем 82,0 %, с учтом выживаемости – 81,2 %;
для промысловых видов – 81,6 %, с учтом выживаемости – 80,8%.
6. Сформулированы принципы, разработан алгоритм проектирования РЗУ водозаборов буровых платформ, включающие: оценку прочности, устойчивости и жсткости РЗУ на период всего срока службы, удовлетворяющих принятым кри териям в расчтных режимах МНГС;
требования по безопасной эксплуатации РЗУ, включая экологическую безопасность, в течение всего срока службы устрой ства, по освидетельствованию и текущему ремонту;
требования по использова нию соответствующих материалов, выполнению необходимых расчтов, контро лю качества и систем защиты от коррозии, абразивного износа, повреждений от воздействий льда, химических повреждений. Разработаны рекомендации по экс плуатации, монтажу и демонтажу рыбозащитных устройств водозаборов МНГС.
7. Для водозаборов буровых платформ ПА-Б и ЛУН-А при личном участии автора разработана и внедрена конструкция жалюзийного РЗУ, которая работает в условиях больших нагрузок на глубинах до 40 м, высокой степени обрастания и сложных монтажных работ. Двухлетними работами по внедрению жалюзийных РЗУ с потокообразователем платформы «Амазон» установлено, что для обеспече ния работоспособности РЗУ необходимо два раза в год проводить технический осмотр состояния жалюзийной поверхности, сопел потокообразователя и системы технического питания потокообразователя. Эффективность РЗУ для молоди ко рюшки и ряпушки в этот период в среднем составила 82,1 %.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения жалюзийных РЗУ на водозаборе СПБУ «Астра» составил 2.232 тыс. руб.
Рекомендуется:
– при разработке проектных решений рыбозащитных устройств водозаборов МНГС учитывать особые морские условия их эксплуатации, при этом конструк ции РЗУ должны соответствовать типам водоприемников буровых платформ;
– на этапе предварительного рассмотрения типа РЗУ проводить численное моделирование для получения качественной оценки рыбозащитного устройства и его элементов, определения гидравлических и геометрических параметров, отвечающих оптимальным условиям работы;
– для обеспечения гарантированного срока службы РЗУ необходимо использовать соответствующие материалы, средства защиты от коррозии, абразивного износа, воздействий льда;
– для обеспечения работоспособности РЗУ не реже двух раз в год проводить технический осмотр, обращая особое внимание на состояние жалюзийной поверхности, сопел потокообразователя и системы технического водообеспечения РЗУ.
Перспективы дальнейшей разработки темы:
– установить закономерность изменения параметров завесы из струй, обра зуемой потокообразователем вдоль жалюзийного экрана, при воздействии тран зитных и подходных скоростей переменных направлений и величин;
– совершенствовать конструкции рыбозащитных устройств водозаборов МНГС и эффективность их эксплуатации в условиях наличия течений воды переменных направлений и скоростей.
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:
в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:
1. Михеев, П.А. О потерях напора на жалюзийном экране рыбозащитного устройства /П.А. Михеев, С.Н. Салиенко //Мелиорация и водное хозяйство. – 2013. – № 4. – С. 35–36.
2. Михеев, П.А. Обоснование элементов рыбозащитного устройства на основе данных компьютерного моделирования /П.А. Михеев, Д.Н. Новиков, С.Н. Сали енко и др. //Мелиорация и водное хозяйство.– 2012. – № 1. – С. 31–32.
3. Салиенко, С.Н. Оптимизация параметров рыбозащитных устройств на осно ве данных численного моделирования /С.Н. Салиенко, Д.Н. Новиков //Природообустройство. – 2012. – № 2. – С. 49–51.
патенты:
4. Патент на полезную модель № 36115. Российская Федерация, МПК Е В8/08. Фильтр водозаборный рыбозащитный / С.Н. Салиенко, С.А. Антипов, Н.Н.
Михайлов, В.Н. Дахов, И.С. Блохин;
заявитель и патентообладатель ООО «Осан на» – № 2003130450;
заявл. 14.10.2003;
опубл. 27.02.2004 г., Бюл. № 6.
5. Патент на полезную модель № 43013. Российская Федерация, МПК Е В8/08. Фильтр водозаборный рыбозащитный (варианты) / С.Н. Салиенко, С.А.
Антипов, Н.Н. Михайлов, В.Н. Дахов, И.С. Блохин;
заявитель и патентооблада тель ООО «Осанна» – № 2004127053;
заявл. 07.09.2004;
опубл. 27.12.2004 г., Бюл.
№ 36.
6. Патент на изобретение № 2313634. Российская Федерация, МПК Е02 В8/08.
Водозаборный рыбозащитный фильтр / С.Н. Салиенко, С.А. Антипов, Н.Н. Ми хайлов, И.С. Блохин, В.Н. Дахов, А.М. Вахидов;
заявитель и патентообладатель ООО «Осанна» – № 2006115718/03;
заявл. 06.05.2006;
опубл. 27.12.2007 г., Бюл.
№ 36.
7. Патент на полезную модель № 76653. Российская Федерация, МПК Е В8/08. Фильтр водозаборный рыбозащитный / С.Н. Салиенко, С.А. Антипов, Н.Н.
Михайлов;
заявитель и патентообладатель ООО «Осанна» – № 2007103938;
заявл.
01.02.2007;
опубл. 27.09.2008 г., Бюл. № 27.
в других изданиях:
8. Салиенко, С.Н. Новые разработки рыбозащитных устройств / С.Н. Салиенко /Поведение рыб. Материалы докладов Международной конференции. Борок, Рос сия. – Изд. «АКВАРОС». – 2005. – С. 454–460.
9. Салиенко, С.Н. Гидравлические исследования рыбозащитных устройств с жалюзийными экранами, омываемыми струями /С.Н. Салиенко, Н.Н. Михайлов, И.С. Блохин /Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны. Тр. АВН вып. 6. – Новочеркасск. – 2007. – С. 13–19.
10.Салиенко, С.Н. Исследования эффективности защиты рыб жалюзийными РЗУ /С.Н. Салиенко, Н.Н. Михайлов, И.С. Блохин и др. /Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны. Тр. АВН вып. 6. – Новочеркасск. – 2007. – С. 46–53.
11.Костюрин, Н.Н. Оценка функциональной эффективности рыбозащитного устройства на водозаборе буровой платформы «Астра» /Н.Н. Костюрин, С.Н. Са лиенко, Н.Н. Михайлов /Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны. Тр.
АВН вып. 6. – Новочеркасск. – 2007. – С. 39–45.
12.Мишелович, Г.М. Использование новых методов и средств рыбозащиты для сохранения биоресурсов внутренних водоемов /Г.М. Мишелович, С.Н. Салиенко, Н.Н. Михайлов //Рыбоводство и рыбное хозяйство. – 2009. – № 4. – С. 36–42.
13.Салиенко, С.Н. О некоторых особенностях защиты рыб на водозаборах мор ских буровых платформ /С.Н. Салиенко /Гидротехническое строительство: Мате риалы регион. науч.-техн. конф. Вып. 2. ФГОУ ВПО НГМА. – Новочеркасск: Лик.
– 2009. – С. 10–17.
14.Салиенко, С.Н. Оценка рыбозащитной эффективности РЗУ водозабора спе циального плавучего основания «Чилим» /С.Н. Салиенко, Н.Н. Михайлов, Н.Н.
Костюрин /Гидротехническое строительство: Материалы регион. науч.-техн.
конф. Вып. 2. ФГОУ ВПО НГМА. – Новочеркасск: Лик. – 2 009. – С.17–28.
15.Костюрин, Н.Н. Эффективность защиты молоди рыб жалюзийным экраном с потокообразователем на буровых установках Северного Каспия /Н.Н. Костюрин, С.Н. Салиенко, Н.Н. Михайлов /Материалы третьей международной научно практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в услови ях освоения нефтегазовых месторождений». – Астрахань: Издательство Кас пНИРХа. – 2009. – С. 110–113.
16.Салиенко, С.Н. Опыт эксплуатации жалюзийных рыбозащитных устройств с потокообразователем на морских буровых платформах /С.Н. Салиенко, Н.Н. Ми хайлов, О.А. Фомичев и др. /Материалы третьей междунар. науч.-практ. конф.
«Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений». – Астрахань: Изд. КаспНИРХа. –2009. – С 181–183.
17.Салиенко, С.Н. Принципы разработки рыбозащитных устройств для водоза боров морских нефтегазовых сооружений /С.Н. Салиенко /Рыбоохранные мелио рации и сооружения: матер. Всерос. науч.-практ. конф. «Современное состояние проблемы рыбозащиты и рыбопропуска, их роль в сохранении водных биологиче ских ресурсов» г. Новочеркасск 17-21 мая 2010 г. /НГМА. – Новочеркасск: Лик. – 2010. – С. 41-48.
18.Михайлов, Н.Н. Поведение рыб в зоне работы жалюзийных рыбозащитных устройств /Н.Н. Михайлов, С.Н. Салиенко /Поведение рыб. Материалы докладов IV Всероссийской конференции с международным участием. Борок, Россия. – Изд. «АКВАРОС». – 2010. – С. 258–263.
19.Новиков, Д.Н. Оценка условий работы рыбозащитных устройств по резуль татам численного моделирования /Д.Н. Новиков, С.Н. Салиенко, П.А. Михеев /Рыбоохранные мелиорации и сооружения: Матер. Всерос. науч.-практ. конф.
«Современное состояние проблемы рыбозащиты и рыбопропуска, их роль в со хранении водных биологических ресурсов» г. Новочеркасск 17-21 мая 2010 г.
/НГМА. – Новочеркасск: Лик. – 2010. – С. 87–93.
20.Салиенко С.Н. Применение комплексных рыбозащитных устройств для во дозаборов морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений /С.Н.
Салиенко /Материалы IV международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений». – Астрахань: Издательство КаспНИРХа. – 2011. – С 197–202.
Формат 60841/ Подписано в печать 18.09.2013 г.
Объем 1,0 уч. изд. листов. Тираж 100 экз. Заказ № Типография НГМА, 346428, г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111.