舟山群岛海域溢油事故应急处置方法

2019-06-10 09:34:24 水运管理2019年5期

孙逸宸 魏东泽 卢金树 吴文峰

【摘 要】 为建立较为完善的海上溢油应急处置机制,以舟山群岛海域为例,分析利用岛、礁等有利地形进行海上溢油快速围控的技术,设计一种可持续供能的溢油回收装置,构建包括前期分析预测、中间过程控制、后期自动化清理的较为完整的溢油应急处理体系,为区域溢油应急方案的制定及应急行动提供技术支撑。该体系的实现可以为溢油处置的科学决策提供有益的参考。

【关键词】 群岛海域;舟山群岛;海上溢油;快速围控;应急处理;溢油清理回收装置

0 引 言

海洋油气开发工程的迅速发展和国际海运油品量的不断攀升导致海上溢油事故发生频率和溢油量均呈现逐年上升的趋势,世界经济因此遭受巨大损失,海洋生态环境也受到严重侵害。2003年7月,“塔斯曼精灵”号油船在巴基斯坦卡拉奇海域附近搁浅,其运载的原油有20%溢入海洋,多达6.2万t。该事故被认为是巴基斯坦历史上最严重的环境灾难。2010年,“深水地平线”号钻井平台发生爆炸并引发大火,溢油事故给石油公司造成了巨额的经济损失。虽然此次应急处理采用了机械处理、原油燃烧和喷洒分散剂等方法对溢油进行处理和回收,但该事故还是对墨西哥湾的海洋生态系统和社会经济造成高达400亿美元的损失。[1]1973―2006年,我国沿海共发生船舶溢油事故起,其中溢油50 t以上的重大船舶溢油事故69起,总溢油量约3.7万t。由此可见,研究海上溢油的快速处置技术、建立较为完善的溢油应急处置机制十分必要。

1 溢油处理常用方法及其利弊

目前,常用的溢油处理方法包括物理机械回收、化学制剂分散及燃烧。这些方法各有优缺点,共同的缺点是对于不同种类原油的处理效果差别大,尤其在处理大面积溢油事故时作用十分有限。

1.1 物理回收

物理回收是利用清污船和工作人员在溢油区域现场清污,但存在诸多安全隐患,一旦发生火灾,将给清污人员的人身安全造成巨大威胁,且无法在大风大雾时进行清污工作。

1.2 化学消油

化学消油剂能较快地稀释溢油,但如果使用不当,会在短时间内增加水体中有害物质的成分,造成生态破坏;因此,国际上对消油剂的使用都持谨慎态度。

1.3 燃烧法

燃烧法对新鲜溢油的处理较为有效,围油栏的围控作用能够使溢油达到足够厚度,以便燃烧,但会造成严重的空气污染,影响岸边的居民生活,且燃烧后海面留有残渣。

2 海上溢油处理

2.1 现有溢油处理方案

溢油事故发生后,油污在风浪的作用下由发生位置向外扩散,形成面积较大的分散油膜。当油膜带到达陆地后,溢油处理的难度比海面大大增加。因此,建立完善的溢油应急处理机制对减少环境污染十分必要。

当溢油事故发生时,通常的做法是:先定位溢油位置,使用凝油剂将事故油船的溢油裂口堵塞,等待倒载;启动应急卸载泵,转移受损船舶上的余油;及时铺设围油栏,在溢油油膜达到一定厚度后,使用收油机进行回收;余下分散的薄油层可以使用吸油材料吸收处理,无法回收的油膜用分散剂进行乳化使其分散在海水中或用生物方法进行降解。

2.2 溢油数值模拟过程

海上溢油扩散过程通常包括在溢油刚发生时溢油随着海流不断漂移,以及在海浪作用下油膜的扩散、蒸发、分散等过程。溢油数值模拟是对溢油进行分析预测的重要环节,也是整个溢油处置研究的难点,其主要目的是模拟及预测在海浪作用下油粒子的运动轨迹,本质上是根据运动学对油粒子的运动轨迹进行相对准确预测的过程。现今大多采用OILMAP、OSIS等软件来进行溢油扩散活动的数值模拟。模拟流程见图1。溢油运动轨迹模拟的过程主要有以下3个步骤:

(1)选定需要计算的溢油区域,对此区域的水文条件等数据进行分析,再划分重点溢油区域,利用数值模拟软件建立模型进行计算;

(2)根据溢油不同的特征(如油膜的厚度等具有明显的区分度)组成不同的荷载组合;

(3)記录溢油量及溢油位置,模拟溢油在不同工况、不同时间的运动轨迹。

3 舟山群岛海域溢油快速围控技术

舟山港区是我国重要的石油中转及储运基地之一,拥有3 000吨级及以上码头泊位80多个,其中石油产品码头泊位35个,包括册子原油中转码头、小洋山申港油码头等,大多分布在舟山南部海域。除此之外,舟山海域分布着东海平湖海潮港的海底输油管线。因此,在舟山港区尤其是在舟山南部海域,溢油防治工作非常重要。

溢油在开阔水域或群岛水域会表现出不同的运动形式,因而前期要进行深入的研究,准备多套处置方案,以便更加准确地作出决策。如果溢油发生在开阔水域,仅依靠清污船很难对溢油进行快速围控。若在舟山群岛海域发生溢油事故,则可以充分利用群岛地形来达到快速围控的目的:首先对海上溢油的运动轨迹进行数值模拟,再分析油膜的运动轨迹,在关键的岛、礁石上布置一定数量的站点,达到快速围控的目的。

具体流程如下:

(1)选取较易发生溢油事故的海域作为数值模拟的计算区域,利用OILMAP等软件建模,随后划分选定的区域,同时输入所需要素(包括溢油位置、溢油性质等)及边界条件;

(2)通过软件的数值模拟得出不同油膜在不同时刻的运动轨迹;

(3)基于数值模拟拟合出运动轨迹曲线,结合实际来制定实施快速围控的方案。

由模拟溢油发生时的溢油发展及布置方案(见图2)可以看出:通过连接多个搭建在岛和礁石上的站点,可分隔开原本连为一体的水域,溢油受到围油栏的拦截而无法向外扩散,从而达到控制溢油的目的;若扩散速度比预想要快,可采取第二种布置方案(见图3),即连接定海―盘峙―大猫―穿山等岛礁。因此,可基于数值拟合的运动轨迹及实际情况选择布置方案。

由于采用数值模拟的效率较高,可选择多个溢油事故多发点,模拟不同环境及不同时刻下溢油的运动轨迹,从而制定相应的快速围控的预案。溢油的控制基站一般设立于多个岛屿或礁石间较重要且需要连接的位置,设立基站可为方案的实施提供部分所必需的器材(如围油栏等)。这些站点的设置应考虑到环境条件、水域条件等因素,同时需保证方案实施的便捷和高效。

利用群島海域的地形优势进行围控的方法,对溢油区域内溢油的清理及减少外部溢油的渗入十分有效。群岛海域快速围控技术方案的实施还需要考虑实际溢油扩散的快慢及布置围油栏快慢等因素。只有尽可能依据最不利于围油栏布置的条件进行分析,才能保证在实际操作中成功实施快速围控的方案。

4 一种可持续供能的溢油清理 回收装置

鉴于目前常用海上溢油清污方式均存在一定缺陷,本文提出一种可持续供能的溢油清理回收装置。安装在装置上的新型吸油材料对溢油进行回收,回收效率高,并且能够通过定位系统监测溢油运动轨迹,使工作人员远离清污现场。本装置主要由控制中心、吸油舱室、油水分离舱室、供能舱室等4个模块组成(见图4)。

溢油事故发生后,位于陆域的控制中心根据油污发生的具体定位将此溢油回收装置遥控至指定海域,吸油口可根据油膜厚度沿吸油导轨上下移动以增大所泵入含油污水的油水比来提高回收效率。油污经由吸油管、输油管、阀门及真空泵进入油污处理系统的吸油舱室,舱室由碳纳米管(CNT)海绵填充。CNT海绵的超疏水性可实现油与水的完全分离,随着海水由舱室后侧排水管排出,油品吸附于CNT海绵上,并通过3个舱室之间的转动轴旋转进入挤压舱室;挤压舱室前侧安装有机械手臂,通过物理挤压作用,将油品从海绵中分离,并泵入装置后部的储油舱室;挤压后的吸油海绵(此吸油海绵耐高温性能强,燃烧后吸油性能不受影响)随转动轴承转入供能舱室,并由点燃装置将残油点燃,产生的能量可为本装置在到达溢油区域后的回收作业持续提供能量。具体技术路线见图5。

由于CNT海绵吸油速度快,油污处理系统的3个舱室可采用定时的方式自动完成其功能,如舱室之间的轴承每10 min转动1次,即旋转120埃瓿珊罂赏苯形捅孟蛭筒帐冶萌胗推贰⒒凳直墼诩费共帐椅锢砑费埂⒌闳甲爸迷诠┠懿帐业闳疾杏汀?0 min后转动轴承进行下一次旋转,3个舱室进入下一次循环工作。

此自动装置在海上溢油清理方面具备3个优势:

(1)舱体安装有自动定位系统,可自动导航及上传实时位置至控制中心,提高溢油清理的工作效率。溢油回收过程不需要工作人员亲临溢油现场,只需岸上遥控此装置即可,保障了清理溢油工作人员的人身安全。

(2)装置采用了新型吸油材料。CNT海绵是一种非常有效的海洋溢油处理材料,具有高效、经济的特点,其密度极小,吸油速度极快,且最大吸油能力为92.30 g/g,是传统吸油材料聚丙烯纤维和毛毡的12.0~13.5倍。同时,CNT海绵是超疏水材料,保证了装置在整个清理过程中只吸油而不吸水。因此,CNT海绵的应用极大提高了装置的工作效率。

(3)通过挤压的方式将溢油回收至指定舱室,避免了油品的浪费。该装置以燃烧挤压后吸油海绵残留油品为动力燃料,既提高了吸油海绵的重复吸油能力,又减少了装置自身回收作业造成的能源损耗。

5 结 语

海上溢油事故及发生后如何进行溢油处理一直是困扰世界各国的难题,处理方案还涉及实际环境条件和水域条件等,需结合一系列复杂的数据对溢油扩散进行预测,制定处置方案等。

本文针对舟山群岛海域提出一种群岛海域处置溢油事故时充分利用地形优势达到快速围控目的的溢油清理方法。发生海上溢油后,对溢油进行数值模拟从而拟合出大致的运动轨迹,再通过在关键岛屿和礁石上布置部分控制站点,为布置围油栏及清理油污带来便捷。

一种适用于极端海况的自航式溢油清理回收装置可在短时间内高效完成溢油清理和回收工作,对海上溢油的处置具有一定的参考意义和工程实用价值。

参考文献:

[1]包木太,皮永蕊,孙培艳,等.墨西哥湾“深水地平线”溢油事故处理研究进展[J].中国海洋大学学报,2015(1):55-62.


(function(){ var bp = document.createElement('script'); var curProtocol = window.location.protocol.split(':')[0]; if (curProtocol === 'https') { bp.src = 'https://zz.bdstatic.com/linksubmit/push.js'; } else { bp.src = 'http://push.zhanzhang.baidu.com/push.js'; } var s = document.getElementsByTagName("script")[0]; s.parentNode.insertBefore(bp, s); })();