Практикум по экологии нефтедобывающего комплекса

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
 
Л.В. Шишмина, Е.А. Ельчанинова 
 
 
 
 
 
 
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ  
НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА 
 
 
Рекомендовано в качестве учебного пособия  
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета 
 
 
2-е издание, дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2015 

 

УДК 622.323:504(075.8)  
ББК  33.36:20.1я73 
Ш65 
 
Шишмина Л.В. 
  Ш65  
Практикум по экологии нефтедобывающего комплекса : учебное пособие / Л.В. Шишмина, Е.А. Ельчанинова ; Томский политехнический университет. – 2-е изд., доп. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 144 с. 
 
В пособии представлены задачи на темы охраны компонентов окружающей среды – атмосферы, поверхностных и подземных вод, недр – от воздействия факторов, связанных с разработкой и эксплуатацией нефтяных месторождений: выбросов вредных веществ в атмосферу, сбросов загрязненных 
нефтепродуктами вод, попадания нефти в грунт. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 131000 
«Нефтегазовое дело», профиль подготовки «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений». 
 
УДК 622.323:504(075.8)  
ББК 33.36:20.1я73 
 
 
 
 
 
Рецензенты 

Кандидат физико-математических наук 
начальник департамента экологии ОАО «ТомскНИПИнефть» 
А.Г. Гендрин 

Кандидат химических наук  
научный сотрудник Института химии нефти СО РАН 
И.В. Русских 

 
 
 
 
 
© Томский политехнический университет, 2004 
© Шишмина Л.В., Ельчанинова Е.А., 2004 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ  ....................................................................................................  6 

I. ОХРАНА АТМОСФЕРЫ  ...................................................................................  7 

1. Определение основных свойств наружной и внутренней среды  ...........  7 
2. Расчеты выбросов в атмосферу загрязняющих веществ 
из различных источников  .........................................................................  20 
2.1. 
Расчет количества вредных веществ, 
поступающих из газового объема трубопроводов  
и оборудования, находящихся под давлением  ............................  20 
2.1.1. Определение количества вредных веществ, 
поступающих через неплотности фланцевых  
соединений при Ризб ≥ 2 · 105 Па  ..........................................  20 
2.1.2. Определение количества вредных веществ, 
поступающих через неплотности фланцевых  
соединений при 2 · 105 > Ризб ≥ 0,02 · 105 Па  ......................  21 
2.2. 
Расчет количества вредных веществ, 
поступающих в атмосферный воздух 
при «большом» и «малом дыхании» аппарата  ............................  27 
2.2.1. Расчет количества вредных веществ, 
поступающих в атмосферный воздух 
при «большом дыхании» аппарата  .....................................  27 
2.2.2. Расчет количества вредных веществ,  
поступающих в атмосферный воздух  
при «малом дыхании» аппарата  ..........................................  27 
3. Расчеты элементов факельной системы 
и рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере  ..............................  34 
3.1. 
Элементы факельной системы  ......................................................  34 
3.1.1. Расчет диаметра факельной трубы  .....................................  34 
3.1.2. Расчет высоты факельной трубы  ........................................  35 
3.2. 
Расчет загрязнения атмосферы выбросами  
одиночного точечного источника  .................................................  39 
3.2.1. Максимальное значение приземной концентрации 
вредных веществ  ..................................................................  39 
3.2.2. Расстояние, на котором достигается 
максимальная концентрация вредных веществ  ................  41 
3.2.3. Опасная скорость ветра  .......................................................  41 
3.2.4. Максимальное значение приземной концентрации 
вредных веществ с учетом скорости ветра  ........................  42 

3.2.5. Расстояние, на котором достигается  
максимальная концентрация вредных веществ  
с учетом скорости ветра  ......................................................  42 
3.2.6. Приземная концентрация вредных веществ  
в атмосфере по оси факела выброса  ...................................  42 
3.2.7. Приземная концентрация вредных веществ  
в атмосфере по перпендикуляру  
к оси факела выброса  ...........................................................  43 
3.3. 
Концентрация газа в воздушном пространстве 
вблизи поврежденного газопровода  .............................................  49 
3.4. 
Определение выбросов метанола  .................................................  52 
3.4.1. Расчет выбросов паров метанола  
из приемных и технологических резервуаров  ...................  52 
3.4.2. Расчет «залпового выброса»  ...............................................  54 

II. ОХРАНА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ  ..................................................................  56 

4. Определение необходимой степени очистки 
производственных сточных вод  ...............................................................  56 
4.1. 
Расчет необходимой степени очистки 
производственных сточных вод 
по содержанию загрязняющих веществ  .......................................  58 
4.2. 
Расчет необходимой степени очистки  
производственных сточных вод  
по взвешенным веществам  ............................................................  58 
4.3. 
Очистные сооружения для нефтесодержащих стоков  ................  60 
4.3.1. Методы очистки нефтесодержащих стоков .......................  60 
4.3.2. Подбор нефтеловушки  .........................................................  62 
5. Оценка возможности загрязнения пресных подземных вод  
нижезалегающими минерализованными водами  ...................................  66 
6. Оценка возможности подтягивания 
загрязненных нефтепродуктами подземных вод 
к водозаборным сооружениям  .................................................................  67 

III. ОХРАНА ЛИТОСФЕРЫ  ...............................................................................  72 

7. Способы уменьшения загрязнения и очистки грунтов  .........................  72 

IV. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ  ........................  76 

8. Оценка факторов, определяющих величину ущерба  
окружающей природной среде при авариях на нефтепроводах  ...........  76 
9. Расчет ущерба от загрязнения земель и водных объектов  ....................  83 
9.1. 
Оценка степени загрязнения земель  .............................................  83 
9.2. 
Оценка ущерба окружающей природной среде, 
подлежащего компенсации, от загрязнения земель  ....................  84 

9.3. 
Оценка степени загрязнения водного объекта  ............................  85 
9.4. 
Оценка ущерба окружающей природной среде, 
подлежащего компенсации, от загрязнения нефтью 
водных объектов  .............................................................................  88 
10. Оценка распространения нефтепродуктов в грунтах  ............................  88 
11. Индивидуальные задания  .........................................................................  95 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  ..................................................................................  135 

ПРИЛОЖЕНИЕ  ..................................................................................................  137 

УКАЗАТЕЛЬ СОКРАЩЕНИЙ  .........................................................................  143 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Практикум представляет собой учебное пособие по теоретическому 
курсу «Экология нефтегазового комплекса». Основное его назначение – 
дать возможность приложить полученные студентами знания к решению практических задач и, с другой стороны, проверить, насколько усвоен теоретический материал. Примеры, собранные в данном пособии, 
ценны и сами по себе, поскольку служат методическим пособием 
по решению реальных экологических задач.  
Весь материал в учебном пособии разделен на четыре части соответственно компонентам окружающей среды: атмосфера, воды, поверхностные и подземные, и недра. В материал каждого раздела включена 
справочная часть, в которой приведены примеры, иллюстрирующие методику решения данного класса задач. 

I. ОХРАНА АТМОСФЕРЫ 

1. Определение основных свойств  
наружной и внутренней среды 

Для расчетов количеств выделяющихся вредных веществ из технологического оборудования в атмосферный воздух необходимо знать основные свойства химических соединений и их смесей [1]. 
В приложении приведены характеристические константы чистых 
веществ, которые используются для расчета свойств химических соединений и их смесей [1]. 
При температуре, отличающейся от 20 °С, плотность жидкости 
рассчитывается по формуле: 

 

0

1
,
1
(
)
i ж
oж
i T
T
ρ
ρ
β
=
+
−
 
(1.1) 

где βi – коэффициент температурного расширения, выражающий относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1 °С.  
Коэффициент температурного расширения капельных жидкостей 
незначителен. Для практических расчетов количеств вредных веществ, 
выделяющихся из оборудования и трубопроводов, можно принять: 
 
ρtж = ρож. 
Плотность газа или пара при t = 0 °C и Pо = 100 кПа рассчитывают 
по следующей формуле: 

 
22,4
o
М
ρ =
 кг/м3, 
(1.2) 

где М – относительная молекулярная масса вещества, кг/(кмоль); 22,4 – 
объем 1 кмоля газа или пара при нормальных условиях, м3.  
Для определения плотности газа или пара при температуре 
0
t ≠
 °C 
и давлении 
100
P ≠
 кПа используют уравнение Клапейрона: 

 
273
.
22,4

о
t г
ог
о
о

T
Р
М
Р
T Р
Р
T
ρ
ρ
⋅
⋅
=
=
⋅
⋅
⋅
 
(1.3) 

Динамическую вязкость газов и паров при 
0
t ≠
 °C рассчитывают 
по формуле: 

 

1,5
273
,
t г
ог
о

Sat
T
T
Sat
T
µ
µ
⎛
⎞
+
=
⎜
⎟
+
⎝
⎠
 
(1.4) 

где Sat – константа Сатерленда (Приложение). 
В практических расчетах для расчета динамической вязкости жидкости μtж при 
0
t ≠
 °C при определении количества вредных веществ, 
выделяющихся через неплотности соединений трубопроводов и оборудования, можно использовать формулу Пуазейля: 

 
2 .
1
0,0368
0,000212

ож
t ж
t
t

µ
µ
= +
+
 
(1.5) 

Изменение динамической вязкости с изменением температуры является существенным. Так, с увеличением температуры от 0 до 100 °С 
вязкость воды уменьшается в 7 раз. 
Кинематическая вязкость ν (м2/с) связана с динамической вязкостью μ соотношением: 

 
,
μ
ν
ρ
=
 
(1.6) 

где μ – динамическая вязкость, Па·с; ρ – плотность, кг/м3. 
Коэффициент диффузии, который необходим для расчетов количества выделяющихся вредных веществ из оборудования, можно рассчитать по следующей зависимости: 

 
2
0,8
0,36
/
o
D
м
ч
M
=
⋅
, 
(1.7) 

где Dо – коэффициент диффузии при t = 0 °С и Рo = 100 кПа. 
Коэффициент диффузии при 
0
С
t ≠
°
 и 
100
P ≠
 кПа определяют по 
формуле: 

 

2
,
о
t
о
о

Р
T
D
D
Р
T
⎛
⎞
=
⋅
⎜
⎟
⎝
⎠
 
(1.8) 

где Ро = 100 кПа; Tо = 273 К; Р и Т – давление и температура в оборудовании или трубопроводе. 
Чтобы найти коэффициент диффузии при любой температуре, используют формулу: 
 
[
]
20 1
0,02(
200) .
t
D
D
t
=
+
−
 
(1.9) 

Часто на практике встречаются не чистые вещества, а их смеси. 
Состав среды в оборудовании или трубопроводе задается в массовых, 
объемных или мольных долях.  
Мольная доля компонента: 

 
.
i
число молей компонента
N
число молей всех компонентов смеси
=
 
(1.10) 

Массовые доли компонентов пересчитывают в мольные – по формуле: 

 
/
,
(
/
)

i
i
i
i
i

a
M
N
a
M
= ∑
 
(1.11) 

где Ni – мольная доля компонента; ai – массовая доля компонента; Мi – 
молекулярная масса компонента. 
Когда в трубопроводе или оборудовании находится смесь жидкостей, плотность этой смеси определяют по выражению: 

 
.
1
,
(
/
)
см ж
i
iж
а
ρ
ρ
= ∑
 
(1.12) 

где ρiж – плотность компонента. 
Динамическая вязкость смеси нормальных жидкостей определяется 
из выражения (Па·с): 

 
lg
(
lg
),
см ж
i
i ж
N
µ
µ
=
⋅
∑
 
(1.13) 

где Ni – мольная доля компонента в смеси; μiж – соответствующий коэффициент динамической вязкости. 
Если в трубопроводе или оборудовании находится смесь газов или 
парогазовоздушная смесь, то вязкость газовых (паровых) смесей можно 
вычислить по приближенной формуле:  

 
,
(
/
)

смг
см г
i г
i
i г

М

v
M
µ
µ
=
⋅
∑
 
(1.14) 

где Мсмг, Мi – молекулярные массы смеси газов и отдельных компонентов; vi – объемные (молярные) доли компонентов в смеси (viг = Niг); 
μсмг, μiг – коэффициенты динамической вязкости смеси газов и отдельных компонентов. 

 
(
).
см г
i г
i
М
N
М
=
⋅
∑
 
(1.15) 

Кинематическая вязкость газовой смеси: 

 
2
1
/
(
/
)
см
i
i

м
с
N
ν
ν
= ∑
 
(1.16) 

или 
 
/
,
см
см г
см г
ν
μ
ρ
=
 
(1.17) 

где νi – кинематическая вязкость компонента газовой смеси. 
Плотность смеси газов определяется по формуле: 

 
(
)
см г
i г
i г
N
ρ
ρ
=
⋅
∑
 кг/м3, 
(1.18) 

где Ni – мольные доли компонентов газовой смеси; ρiг – плотность соответствующих компонентов. 
При расчете количеств вредных веществ, выделяющихся со свободной поверхности жидкости, необходимо помнить, что они состоят из 
смеси веществ, состав которых зависит от температуры, давления, 
а также от объемной (мольной) доли каждого вещества в растворе. 
Давление газовой смеси над раствором равно: 

 
2
/
см
i
Р
Р
кг
м
=∑
, 
(1.19) 

где Рi – парциальное давление компонента смеси. 
Согласно закону Рауля парциальное давление компонента, входящего в состав смеси, определяется по формуле: 

 
,
н
i
i
i
Р
N
Р
=
⋅
 
(1.20) 

где Ni – мольная доля компонента в растворе; Рi
н – давление насыщенного пара вещества над чистым компонентом при заданной температуре. 
Зависимость давления насыщенного пара чистого вещества от температуры описывается уравнением: 

 
lg
(
)

н
i

B
Р
A
C
t
=
−
+
 мм рт. ст., 
(1.21) 

или  

 
lg
.
н
i

B
Р
A
T
=
−
 
(1.22) 

Значения эмпирических коэффициентов А, В, С (константы Антуана) для чистых веществ приведены в Приложении.  
Парциальное давление насыщенных водяных паров в наружной 
среде (т. е. в газовой фазе) определяется по формуле: 

 

2
7,5
lg
0,622
,
(238
)

н
H O
t
Р
t
⋅
=
+
+
 
(1.23) 

где t – температура наружной среды, °С. 
Парциальное давление водяных паров при заданной влажности наружной среды определяется по формуле: 

 
2
2
.
.,
н
H O
Н О
Р
Р
мм рт ст
ϕ
=
⋅
 
(1.24) 

где ϕ – влажность наружной среды, %. 
Зная объемный или массовый состав смеси в оборудовании и данные о давлении насыщенных паров веществ, составляющих смесь, можно определить количественный состав газовой смеси над поверхностью 

жидкости. Концентрацию насыщенных паров компонента, выраженную 
в единицах давления, можно пересчитать в объемную концентрацию 
по следующей формуле: 

 
3
16
1000
/
,
(273
) 133,3

i
i
i
Р M
C
мг
м
t
⋅
⋅
⋅
=
+
⋅
 
(1.25) 

где Рi – парциальное давление компонента газовой смеси при заданной 
температуре и давлении, Па; Мi – молекулярная масса данного вещества; 1 мм рт. ст. = 133,322 Па. 
 
Пример 1.1. Определить параметры среды в производственном помещении. 
Исходные данные. Влажность в помещении φ = 60 %; концентрация 
дихлорэтана в воздухе СД = 5 мг/м3; температура t = 16 °C; давление среды В = 101,3 кПа. 
Решение 
Относительные молекулярные массы составляющих среды: 

 
В
М
 = 28,96; 
2
Н О
М
 = 18,015; 
Д
М
=98,97. 

Давление насыщения водяных паров в воздухе производственного 
помещения: 

 
lg

2
7,5
0,622
;
238
Н О
t
н
Р
t
⋅
=
+
+
 

 
lg

2
7,5 16
0,662
1,0944;
238
16

H
H O
P
⋅
=
+
=
+
 

 
2
12,4
H
H O
P
=
 мм рт. ст., или 1653 Па. 

Давление водяных паров при заданной влажности в помещении: 

 
2
2
;
Н
Н
Н О
Н О
Р
Р
ϕ
=
⋅
 

 

2
60
1653
992
100
Н О
Р
=
⋅
=
 Па. 

Парциальное давление примеси (дихлорэтана): 

 
(
)
273
133,3;
16 1000

C
t
t
Рt
Mt

⋅
+
⋅
=
⋅
⋅
 
(
)
273 16
5 133,3
0,12
98,97 16 1000
Д
P
+
⋅ ⋅
=
=
⋅
⋅
 Па. 

Парциальное давление основного компонента наружной среды – 
воздуха: 

 
;
В
Р
В
Рi
=
−∑
 
(
)
101325
992 0,12
100333
B
P =
−
+
≈
 Па. 

Мольные доли составляющих наружную среду: 
 
;
N
P B
i
i
=
  

 
NД = 100333/101325 = 0,9902; 
2
H O
N
=993/101325 = 0,00979;  

 
Д
N
 = 0,12/101325 = 0,00001; 

 
1
Ni =
∑
. 

Концентрация составляющих наружной среды, мг/м3: 

 
(
)

16
1000
;
273
133,3

PM
i
i
Сi
t

⋅
=
+
⋅
 

 
(
)

16 100333 28,96 1000
1206800;
273 16 133,3
B
C
⋅
⋅
⋅
=
=
+
⋅
 

 
(
)
2
16 992 18,015 1000
7422;
273 16
133,3
H O
C
⋅
⋅
⋅
=
=
+
⋅
 

 
(
)

16 0,12 98,971000
5,0
273 16 133,3
Д
C
⋅
⋅
⋅
=
=
+
⋅
. 

Произведение Ni·Pi для газовых составляющих наружной среды, 
мг/м3 (кг/м3): 
 
1206800
B
B
N
P
⋅
=
 (1,207); 

 
2
2
7422
H O
H O
N
P
⋅
=
 (0,0074). 

Плотность наружной среды: 
 
(
)
Ni
i
см
ρ
ρ
=
⋅
∑
; 

 
см
ρ
 = 1,207+0,0074+0,000005≈1,214 кг/м3.  

Динамическая вязкость газовых составляющих при t = 0 °С, Па⋅с 
(Приложение): 

 
2
171 10 ;
oВ
µ
−
=
⋅
 
2

2
82 10
oН
О
µ
−
=
⋅
; 
2
61 10 .
oД
µ
−
=
⋅
 

Константы Сатерленда (Приложение): 
 
107;
B
Sat =
 
2

2
82 10 ;
H O
Sat
−
=
⋅
 
524.
Д
Sat
=
 

Динамическая вязкость газовых составляющих при t = 16 °C, Па⋅с: 

 

1,5
273
;
273

Sat
T
t
o
T
Sat
µ
µ
+
⎛
⎞
=
⋅
⋅⎜
⎟
⎝
⎠
+
 

 

1,5
2
2
273 107
289
171 10
177,38 10 ;
(273 16) 107 273
B
µ
−
−
+
⎛
⎞
=
⋅
⋅
=
⋅
⎜
⎟
+
+
⎝
⎠
  

1,5
2
2

2
273 673 289
82 10
87,35 10 ;
289 673 273
H
O
µ
−
−
+
⎛
⎞
=
⋅
⋅
=
⋅
⎜
⎟
+
⎝
⎠
 

 

1,5
2
2
273 524 289
61 10
64,6 10 .
289 524 273
Д
µ
−
−
+
⎛
⎞
=
⋅
⋅
=
⋅
⎜
⎟
+
⎝
⎠
 

Относительная молекулярная масса смеси газов наружной среды: 
 
(
);
см
М
N M
i
i
=
⋅
∑
 

 
28,96 0,9902
0,00979 18,015
0,000001 98,97
28,85.
см
М
=
⋅
+
⋅
+
⋅
=
 

Динамическая вязкость смеси газов наружной среды: 

 
;
(
)

см
см
М
N M
i
i

i

µ

µ

=
⋅
∑

 

 
2

2
2
2

28,85
176,25 10
.
0,9902 28,96 0,0097918,015 0,00000198,97

177,3810
87,3510
64,610

см
Па с
µ
−

−
−
−

=
=
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
+
+
⋅
⋅
⋅

 

Кинематическая вязкость смеси газов наружной среды: 

 
см
см

см

μ
ν
ρ
=
; 

 

2
2
2
176,2510
145,18 10
1,214
см
м с
ν

−
−
⋅
=
=
⋅
. 

Коэффициент диффузии компонентов наружной среды при t = 0 °C 
и Р = 101 308 Па, м2/ч: 

 
0,8
0,36;
D
М
=
⋅
 
0,8
0,36
0,0535;
28,96
о В
D
=
⋅
=
 

 

2
0,8
0,36
0,0679;
18,015
о Н О
D
=
⋅
=
 
0,8
0,36
0,0289.
98,97
о Д
D
=
⋅
=
 

Коэффициент диффузии компонентов наружной среды при t = 16 °C 
и Р = В = 101 325 Па, м2/ч: 

 

2101308;
273
t
o
T
D
D
P
⎛
⎞
=
⋅⎜
⎟
⎝
⎠
 

 

2
273 16
101308
0,0535
0,0599;
273
101325
B
D
+
⎛
⎞
=
⋅
=
⎜
⎟
⎝
⎠