XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Hydrocleaner» для ликвидации разлива нефти и нефтепродуктов на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хохлов А.А. 1Сузин Я.В. 1Столопов Ю.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Наличие большого количества морей, судоходных рек, каналов и озер на территории России обусловило широкое развитее водных перевозок нефти и нефтепродуктов. Для некоторых районов страны водный транспорт является основным средством перевозки нефти и нефтепродуктов.

Для транспортировки нефти по водным путям используются танкеры и супертанкеры, они перевозят сырую нефть из порта загрузки в место перегрузки или непосредственно на нефтеперерабатывающий завод.

Основной проблемой данных грузоперевозок являются аварийные разливы нефти и нефтепродуктов. Они наносят ощутимый вред экосистемам, приводят к негативным экономическим и социальным последствиям.

Нефтяное загрязнение нарушает многие естественные процессы и взаимосвязи и накапливается в биомассе.

Цель: создание роботизированного устройства для ликвидации разлива нефти и нефтепродуктов.

Задачи:

-изучить способы транспортировка нефти в мировом океане

-рассмотреть основные элементы конструкции танкера

-определить основные причины аварийных разливов нефти

-исследовать методы ликвидации нефти

-создать устройство для ликвидации разлива нефти Lego Mindstorms

-запрограммировать устройство в ПО Lego Mindstorms

Глава 1. Транспортировка нефти и нефтепродуктов

На сегодняшний момент в  мировом океане работает более 7000 нефтяных танкеров (данные сайта Statista.com) с явным преобладанием количества перевозчиков сырой нефти.

Общую классификацию нефтяным танкерам дает SOLAS-74, подразделяя их с точки зрения пожарной безопасности на 2 категории:

1. Танкеры для перевозки сырой нефти и нефтепродуктов с температурой вспышки ниже 60° С и давлением паров ниже атмосферного.

2. Танкеры для перевозки нефтепродуктов с температурой вспышки свыше 60 °С.

Что касается размеров, то здесь преобладание также на стороне нефтеналивных танкеров. Oil Product Tanker, перевозящие бензин и другие нефтепродукты, обычно имеют более скромные габариты. (Рисунок 1.1, Приложения)

Устройство танкера — проще простого
Первые танкеры появились относительно недавно — в конце XIX века. Только тогда люди придумали технические решения, позволявшие перевозить в трюмах большие объемы наливных жидкостей. Да и спрос на нефть до этого не был большим, его чаще всего удовлетворяла местная переработка и перевозка по земле.
Все изменилось с ростом энергетики во многих странах, появилась необходимость транспортировки нефти от мест добычи в больших объемах. С тех пор этот специализированный класс судов начал быстро развиваться, что, в свою очередь, способствовало морской торговле нефтью и нефтепродуктами. (Рисунок 1.2, Приложения)

Хотя прошло уже много лет, устройство нефтеналивных танкеров принципиально не изменилось. Основные отсеки и элементы конструкции:
• Резервуары для нефти или нефтепродуктов — занимают основной объем судна, в них заливается нефть.
• Двойной корпус окружает резервуары. Требование введено в конце XX века, т. к. такая конструкция способна предотвратить утечки при повреждении внешнего корпуса.
• Насосы — устройства, которые помогают закачивать и выкачивать нефть.
• Балластные цистерны расположены внутри двойного корпуса. Они удерживают воду, которая используется в качестве балласта.
• Мостик — с него управляется корабль.
• Машинное отделение.

Способы доставки нефти морем

Транспортировка нефти водным транспортом осуществляется одним из следующих способов:

В грузовых отсеках судна. Стандартный вариант, если для доставки нефти используется специальный флот. Этот способ позволяет перевозить сырье в больших объемах в порты, оборудованные специальными терминалами, так как способ предполагает обязательную перетарку. Это обстоятельство ограничивает возможности построения оптимального маршрута.

В танк-контейнерах. Оптимальный способ перевозки наливных грузов, который позволяет снизить транспортные расходы. Для доставки сырья нет необходимости подбирать судно определенного типа. Главное — чтобы корабль имел возможность безопасной перевозки опасных грузов в ISO-контейнерах.

В мелкой таре. Способ применяется небольшими компаниями для доставки нефти на короткие дистанции. Сырье фасуется в бочки, небольшие цистерны и канистры, которые грузят на суда, приспособленные для безопасной транспортировки горючих грузов.

Наиболее оптимальный вариант перевозки нефти морским транспортом выбирают в зависимости от поставленной задачи. При этом обязательно учитывают объем партии, срочность, характер доставки и другие факторы. [4]

Сегодня перевозка нефтепродуктов водными видами транспорта является распространенной и востребованной. По морям и рекам, каналам и озерам ходят нефтеналивные суда, потому что этот способ доставки имеет много преимуществ по сравнению с иными видами транспорта.

Неудивительно, что водный транспорт применялся для доставки нефтегруза еще с 19 века и вплоть до конца 20-го был самым доступным среди прочих способов передвижения данного сырья. Чем еще привлекают перевозки по воде:

возможностью доставлять груз в любом виде — газообразного, жидкого, твердого агрегатного состояния;

экономичностью — сохранение нужной для быстрой разгрузки вязкости нефти в пути за счет подогрева паровыми котлами существенно сокращает время простоя судна при разгрузке;

высокой скоростью, иногда превышающей даже железнодорожные перевозки.

Вместе с тем перевозка водными видами транспорта имеет некоторые ограничения, в том числе:

сезонная ограниченность в условиях замерзания водных артерий;

необходимость строить нефтеперевалочные базы для сезонного хранения сырья в межнавигационном периоде;

ограниченность путей судоходства, как следствие, ограниченность географии перевозок;

возможность загрязнения водных ресурсов в случае аварии и опасность в связи с этим возникновения экологической катастрофы. [5]

Глава 2. Аварийные разливы нефти

Для добычи нефти создается комплекс производственных сооружений, как правило, разобщенных территориально, но взаимосвязанных системами трубопроводов, энергопередач и организацией работы. К основным сооружениям этого комплекса относятся скважины (бурящиеся, эксплуатируемые, нагнетательные и наблюдательные), компрессорно-насосные станции, сборные пункты, нефтехранилища, пункты первичной подготовки нефти, трубопроводы, отстойники, площадки для сжигания газа и конденсата, электрические подстанции и др. Каждое из перечисленных сооружений представляет собой потенциальный источник разливов нефти, либо выбросов вредных веществ в атмосферу, а многие из них того и другого, что может быть причиной загрязнения окружающей среды

Установлено, что существенное влияние на рост числа аварий на промысловых нефтепроводах оказывает характер местности, на которой они произошли.

Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов – не редкость при транспортировке сырья или готового продукта.

Аварии связаны с двумя основными причинами: изношенностью оборудования (танкеров и трубопроводов) или актами диверсии. Любая авария наносит значительный урон экологической ситуации в районе разлива, кроме того может пострадать и население. Также существует большая вероятность самовозгорания большого нефтяного пятна.

Последствия разливов нефти многолики: пагубное влияние самой нефти на растения и животных, вред от использования токсичных веществ для устранения разлива, загрязнение питьевой воды и воздуха, финансовые убытки населения, чей доход зависит от рыболовства, разрушение культуры местных сообществ и даже увеличение риска погодных аномалий, таких как ураганы и тайфуны. (Рисунок 2.1, Приложения)

Согласно данным статистики на магистральных трубопроводах в СССР в 1980-1990 гг. произошли крупные эксплуатационные аварии по следующим причинам (в скобках – число аварий):

- подземная коррозия (516);

- брак строительно-монтажных работ (280);

- дефект трубы (108);

- механические повреждения (83);

- нарушение правил эксплуатации (47);

- внутренняя эрозия и коррозия (29);

- стихийные бедствия (26);

- дефект оборудования (17);

- прочие (43).

Особенно большую опасность представляют магистральные нефтепроводы в местах перехода через искусственные и естественные препятствия (автомобильные и железные дороги, реки, озера), например, на подводных переходах. Участки трубопровода, расположенные под судоходными трассами или в каналах, наиболее подвержены более серьезным механическим повреждениям в результате таких естественных причин, как эрозия отмели, оползание дна, а также перемещение якоря в процессе дноуглубительных работ. (Рисунок 2.2, Приложения)

Очень серьезным источником потенциальной опасности загрязнения нефтью водных объектов являются танкеры и другие нефтеналивные суда. Доля нефтегрузов составляет порядка 40% объема всех перевозимых в мире морем грузов, а в количественном выражении в 2000 г. этот объем составлял до 1,53 млрд.т.

Что касается России, то транспортировка нефти и нефтепродуктов морским транспортом осуществляется главным образом на экспорт и относительно в небольших количествах. Основными путями поступления нефти и нефтепродуктов в водную среду при их транспортировке водным транспортом являются:
- сбросы в водную среду промывочных, балластных и льяльных вод с судов;

- сбросы в портах и припортовых акваториях, включая потери при загрузке бункеров наливных судов;

- катастрофы судов.

По разным источникам в Мировой океан ежегодно попадает от 5 до 100 млн.т нефти при этом аварийные разливы дают всего 12-15% от всех поступающих в океан нефтепродуктов. [3]

Основными же причинами аварийных разливов нефти являются столкновения танкеров, их посадка на мель, взрывы и пожары, а также крушение судов из-за их технического состояния и метеорологических условий. Достаточно сказать, для примера, что только за три года с 1965 по 1967 гг. 91 танкер сел на мель и 238 танкеров столкнулись и получили повреждения. При этом в 39 случаях (12% от числа всех аварий) произошли утечки нефти (Рисунок 2.3, Приложения)

Глава 3. Методы ликвидации нефти

Нефть имеет свойство быстро расползаться по поверхности водоёма, увеличивая площадь загрязнения. К тому же при попадании в воду запускаются процессы испарения, растворения, эмульгирования и осаждения на дно.

Скорость рассеивания зависит от объёмов утечки, скорости ветра, температурных и прочих условий в море. Решающим фактором является плотность загрязняющего вещества.

Первым делом загрязнённый участок изолируют заградительными бонами, чтобы не допустить распространения пятна на бо́льшие площади. Только после этого начинается сбор вещества механическим, физико-химическим, термическим или биологическим методом.

Механический

Механический сбор углеводородов — самый популярный и действенный метод экстренной ликвидации аварии. Его суть заключается в следующем: в ограждённую бонами зону запускается специальное оборудование — скиммеры.

Существует множество видов нефтесборщиков, их выбор зависит от того, где и в каких условиях они будут использоваться: в открытом море, защищённых от волнения водах, на суше и т. д.

Олеофильный скиммер. Такие системы укомплектованы материалами, которые собирают вещество и отталкивают воду. Это могут быть диски, ленты или щётки, на которые при вращении налипают углеводороды.(Рисунок 3.1, Приложения)

Физика –химический

При некоторых разливах нет возможности использовать нефтесборные устройства и другие плавучие средства. Например, авария произошла на малых глубинах или ограниченных площадях. В таком случае на помощь приходит физико-химический метод. Другими словами, к сбору углеводородных соединений привлекают сорбенты и диспергенты.

Их распыление производится с судов, вертолётов и самолётов. При использовании крупных воздушных судов поверхность нефтяного пятна можно обработать в десятки раз быстрее, чем при использовании даже самых высокопроизводительных скиммеров.

В широком смысле сорбенты — это химические вещества, которые выборочно поглощают из внешней среды нужный элемент. Применительно к аварийным утечкам они распыляются по поверхности загрязнения и «впитывают» углеводороды.

Для нейтрализации разливов используют и природные, и синтетические сорбенты. К природным относят торф, опилки, солому, мох, вермикулит и т. д. В своём исходном состоянии они недостаточно эффективно собирают нефть, поэтому предварительно подвергаются специальной обработке.

Термический метод

Основан на выжигании поверхностного слоя загрязнения. Его применение возможно непосредственно после утечки токсичного вещества в водоём, ещё до смешения с водой. Кроме того, зона ЧП должна находится на безопасном расстоянии по направлению ветра, а толщина плёнки должна превышать 3 мм.(Рисунок 3.2, Приложения)

При выжигании «чёрного золота» в море нужно соблюдать ещё несколько правил. Скорость ветра во время операции не должна превышать 35 км/ч. Под воздействием воздушных масс плёночный слой постоянно перемещается, а при быстрых скоростях гораздо труднее контролировать процесс горения. (Рисусунок 3.3, Приложения)

Биологический метод

Используется в качестве дополнительного инструмента на заключительном этапе мероприятий по ликвидации аварии.

Для более полной очистки в поражённой зоне запускают специальные бактерии или грибки, которые утилизируют оставшиеся углеводородные соединения.

Микроорганизмы способствуют разложению углеводородной массы на простые соединения. Как правило, их применяют для очистки плёнок толщиной не более 1 мм.

Данный способ абсолютно безвреден для окружающей среды, при этом большинство технологий биологической очистки дёшевы и не особо трудоёмки.

Разделение вышеперечисленных способов весьма условно. На практике при ЧП мобилизуют все силы, комбинируя способы для скорейшего устранения аварии.

Учёные продолжают придумывать новые способы борьбы с утечками. Однако мировой опыт показывает, что последствия аварий в полной мере устранить невозможно. Какая-то часть углеводородов всё равно остаётся в воде, оседает на дне морей и океанов, отравляя их десятилетиями.(Рисунок 3.4, Приложения)

Глава 4. Практическая часть

4.1. Создание устройства для ликвидации нефти на базе конструктора Lego Mindstorms.

Мы изучили методы ликвидации разлива нефти и нефтепрродуктов. И создали свое роботизированное устройство «Hydrocleaner». (Рисунок 4.1.1, Приложения)

В нашем роботе используются следующие элементы:

Программируемый блок EV3, два средних мотора, один большой мотор, один датчик касания, один датчик цвета,

Модель предназначена для сбора с верхнего слоя нефтепроодкуктов.

Выполняет движение вперед и назад за счет большого мотора. (Рисунок 4.1.2, Приложения) Устройство оснащено дополнительным средним мотором, что позволяет маневренно перемещаться по всему загрязненному участку. За счет угловой зубчатой передачи «голова» робота поворачивает в нужном направлении. (Рисунок 4.1.3, Приложения)

Устройство оборудовано скиммером – специальной установкой, которая ликвидирует загрязнённый слой. Поступает в него нефтепродукты с помощью вертикально расположенных гусениц. (Рисунок 4.1.4, Приложения) Работают они от среднего мотора, который приводит в движение зубчатую передачу, передавая энергию на гусеничную часть. (Рисунок 4.1.5, Приложения)

Особенностью нашего устройства является интересный внешний вид. Имеет тело водной змеи, что позволяет не нарушать условия живых организмов в воде.

Hydrocleaner может эффективно очищать места нефтяных разливов, передвигаясь на поверхности воды. Его применение позволит оперативнее и эффективнее ликвидировать последствия экологических катастроф.

Наше устройство оснащено солнечной панелью, что делает его автономным устройством, работающим от энергии солнца. Модель может управляться дистанционно, либо воспроизвести программу для автоматического поиска и удаления нефти.

4.2. Создание программы для устройства Hydrocleaner в ПО Lego Mindstorms.

Устройство Hydrocleaner имеет дистанционное управление. Мы создали две программы: для самого устройства и для оператора.

Программа для блока оператора

Блок оператора оснащен двумя датчиками касания и средним мотором. Программа оператора работаем следующим образом. При нажатии на один из датчиков, «голова» робота поворачивает в том же направлении. В программе мы использовали условный блок «Переключатель», который позволяет воспроизвести необходимое действие, в зависимости от условия. Для того, чтобы запустить моторы, подключенные к другому программному блоку, мы использовали блок «Обмен сообщениями». Если два датчика касания нажаты или не нажато не одного, то посылается сообщение «a» с числовым значением «0». Если нажат датчик касания «1», то посылается сообщение «a» с числовым значением «1». Если нажат датчик касания «2», то посылается сообщение «a» с числовым значением «2». Таким образом, мы посылаем сообщение с обозначением, какой датчик мы нажали на другой программный блок. (Рисунок 4.2.1, Приложения)

Вторая часть программы отвечает за прямолинейное движение. С помощью блока «Вращение мотора» мы измеряем градусы и передаем в блок «Обмен сообщениями». Это втрое сообщение с заголовком «b». Таким образом мы можем регулировать скорость. (Рисунок 4.2.2, Приложения)

Программа для блока Hydrocleaner

В первой программе мы получаем числовое значение с сообщения «а» и передаем его в переключатель. Если получено значение «0», то ничего не происходит, мотор не работает. Если получено значение «1», средний мотор включается с скоростью 10, таким образом поворачивая влево. Если получено значение «2», средний мотор включается с скоростью -10, таким образом поворачивая влево.

Во второй программе мы получаем числовое значение с сообщения «b» и передаем его в параметр скорости большого мотора. Таким образом мы можем отрегулировать скорость устройства.

Заключение

Наша работа была направлена ​​на создание роботизированного устройства для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Цель состояла в том, чтобы разработать решение, которое могло бы эффективно бороться с опасностями для окружающей среды, вызванными аварийными разливами нефти.

В ходе исследования были изучены различные способы транспортировки нефти в Мировом океане. Далее исследования были направлены на определение основных причин аварийных разливов нефти. Поняв факторы, способствующие этим разливам, можно было бы принять соответствующие меры для их предотвращения в будущем.

Кроме того, в исследовании изучались различные методы удаления масла с учетом как традиционных, так и инновационных подходов. Это позволило получить всестороннее представление о доступных методах и технологиях, которые можно было бы использовать при разработке роботизированного устройства.

Для практической демонстрации было построено устройство на базе конструктора Lego Mindstorms для ликвидации разливов нефти. Программное обеспечение Lego Mindstorms использовалось для программирования устройства, что позволило ему эффективно реагировать на моделируемые разливы нефти.

В целом научно-исследовательская работа успешно достигла своей цели по созданию роботизированного устройства для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов. Результаты этого исследования могут послужить основой для дальнейшей разработки и усовершенствования устройства с конечной целью защиты окружающей среды и смягчения вредных последствий аварийных разливов нефти.

Список используемых источников

1. https://maritime-zone.com/news/view/tanker-klassifikacija-tankerov-po-razmeram-i-gruzam-interesnye-fakty-pro-tankery

2. https://bcs-express.ru/novosti-i-analitika/morskoi-put-kak-ustroeny-neftianye-tankery

3. https://knife.media/black-

4. https://tank-container.ru/logistika/perevozka-nefti-morskim-transportom

5. https://oilresurs.ru/news/perevozka-nefti-nefteproduktov-i-gaza-vodnym-transportom/

6. Приложения