Общие вопросы проектирования газовозов

Проектирование газовозов – сложная оптимизационная задача, требующая ее поэтапного решения с переходами от простой логико-математической модели ко все более сложным моделям. На каждом этапе проектирования уточняются главные размерения судна, форма его корпуса, тип и мощность энергетической установки, скорость и т. д.

При этом целью проектирования является определение параметров газовозов, которые позволяли бы при минимальных затратах совокупного общественного продукта обеспечивать их эффективную эксплуатацию.

Технико-экономическое обоснование при проектировании газовозов

Средством достижения цели является технико-экономический анализ (ТЭА), который включает отбор и согласование с заказчиком критерия оптимальности проекта, разработку логико-математической Основы теории судна – Методические указаниямодели судна, нахождение оптимального решения и проверку его устойчивости, анализ результатов. Поиск решений в ТЭА ведется на базе прототипа путем технико-экономических расчетов на каждом этапе проектирования. При достаточной точности расчетов в ходе ТЭА не удается учесть затраты, связанные с несовершенством конструкций, которые считаются фиксированными элементами.

Вопросы экономики транспортных судов всегда находятся в центре внимания при их проектировании. Как справедливо заметил экономист Г. Бенфорд:

Деньги – это наиболее универсальный инструмент для оценки инженерного качества. Суда строятся не для того, чтобы продемонстрировать усовершенствованную форму корпуса, например, а для того, чтобы приносить прибыль.

Одним из путей развития ТЭА является предлагаемый в данной главе дифференциальный метод оценки экономической эффективности транспортных судов, разработанный применительно к газовозам. В теории проектирования судов для отыскания неизвестных элементов судна и оценки их влияния на их эксплуатационные и навигационные качества широкое применение находят дифференциальные уравнения нагрузки судна (Нормана и Бубнова), плавучести, остойчивости, вместимости. При оценке же экономической эффективности транспортных судов дифференциальные уравнения используются недостаточно. Связано это с тем, что до введения “Типовой методики определения экономической эффективности капитальных вложений” принятые критерии экономической эффективности не являлись стабильными величинами и зависели от фрахтовой ставки. Размеры же последней зачастую значительно колеблются вследствие изменений конъюнктуры на мировом рынке. Нестабильность критерия экономической эффективности неизбежно сказывается на количественных оценках влияния той или иной составляющей на экономичность судна и может повлиять даже на качественные выводы, а это может вызвать серьезные просчеты в проектах судов. Принимаемые при проектировании судна технические решения должны быть оптимальными, даже при значительных изменениях фрахтовых ставок.

При исследовании влияния различных полезных функций газовозов на их экономическую эффективность представляется целесообразным опираться на стабильный экономический критерий, не связанный с состоянием фрахтового рынка, – приведенные затраты.

Развитие морского транспорта для перевозки СПГДифференциальный метод оценки экономической эффективности газовозов позволяет на любой стадии их проектирования оценивать влияние той или иной полезной функции судна на приведенные затраты, определять в целом наиболее экономичный вариант проекта, отвечающий этим функциям.

При обосновании эффективности строительства и эксплуатации таких узкоспециализированных судов, как газовозы, требуется учитывать то, что для стабильной транспортировки газа необходим целый комплекс средств, включающий в себя завод сжижения газа, хранилище газа на берегу, газопровод, портовые сооружения и др. Сопутствующие затраты, зависящие от грузовместимости газовоза (хранилища газа, газопровод, портовые сооружения) и независящие от нее при заданном грузопотоке (завод сжижения), должны рассматриваться по статьям затрат с учетом существующих в настоящее время нормативов в газовой промышленности.

Таким образом, на основании вышеуказанного в дифференциальном методе оценки экономической эффективности газовозов в качестве основного критерия принимают приведенные затраты в рублях на 1 т годовой провозной способности судна с учетом потерь, связанных с замораживанием оборотных средств, заключенных в грузах на время их транспортировки:

$з=с+E_{н}к+E_{н}г, Форм. 1$

где:

• с – себестоимость перевозки 1 т груза, руб/т;
• к – удельные капиталовложения на 1 т перевезенного груза, руб/т;
• E_н = 0,15 – отраслевой нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений в морской транспорт. (Коэффициент E_н в произведении E_нг учитывает эффективность оборотных средств, заключенных в грузах.)

Для оценки экономической эффективности судов в заграничном плавании (при перевозке экспортно-импортных грузов) широко применяется другой критерий – приведенные затраты на 1 руб. чистой инвалютной выручки с учетом потерь, связанных с замораживанием оборотных средств в грузах. Однако в сравнительных расчетах технико-экономического анализа, которые должны проводиться проектировщиками при выборе того или иного варианта проектируемого газовоза, оба эти показателя дают практически идентичные результаты. Это позволяет в дифференциальном методе оценки экономической эффективности газовозов, особенно на начальных этапах проектирования, ограничиться рассмотрением только критерия в соответствии с формулой 1.

Экономическую эффективность можно рассчитывать либо для какой-то определенной, наиболее вероятной, в будущем Грузовые операции на СПГ газовозахлинии эксплуатации газовоза, либо для варьируемых линий. Дело в том, что испарение газа на переходах и в балласте влияет на провозную способность газовоза, его эксплуатационные расходы (утилизация газа в энергетической установке газовоза или повторное его сжижение) и строительную стоимость (дополнительные затраты на некоторые изменения в конструкциях главного двигателя либо на установку повторного сжижения).

Рассмотрим общие зависимости для всех слагаемых, входящих в (Формула 1). Себестоимость перевозки 1 т груза

$с=R_{с}/{П}_{с}, Форм. 2$

где:

• R_c, П_c — соответственно годовые эксплуатационные расходы и провозная способность газовоза на данной линии для перевозки определенного газа.

Удельные капиталовложения на 1 т перевезенного груза

$к={К}_{с}/{П}_{с}, Форм. 3$

где:

• К_c – строительная стоимость серийно освоенного или несерийного газовоза, руб.

Потери, связанные с замораживанием оборотных средств, заключенные в грузах на время их транспортировки,

$г=Ц\left[t_x+0,5(t_{ст. п}+t_{ст. в})\right]/365, Форм. 4$

где:

• Ц – цена 1 т груза, руб.;
• t_x – ходовое время за круговой рейс, сут;
• t_{ст. п}, t_ст.в – Планирование рейса суднастояночное время за круговой рейс соответственно в портах погрузки и выгрузки, сут.

Годовые эксплуатационные расходы на содержание газовоза могут быть разделены на две большие группы: постоянные R_п и переменные R_пер,

$R_{с}=R_{п}+R_{пер}, Форм. 5$

которые определяются следующим образом:

$R_{п}=R_{ам}+R_{р}+R_{сн}+R_{эк}+R_{н}+R_{накл}, Форм. 6$

где:

• R_ам = (К_сn_ам)/100 – ежегодные амортизационные отчисления, руб. в год;
• n_ам – норма амортизационных отчислений, % (n_ам = 8,2 % для газовозов, в том числе 5,3 % – на полное восстановление и 2,9 % – на капитальный ремонт);
• R_р, R_сн, R_эк, R_н, R_накл – соответственно затраты на текущий ремонт, снабжение, содержание экипажа, навигационные и накладные расходы, руб.;

$R_{пер}=R_{т}+R_{см}, Форм. 7$

где:

• R_т, R_см – расходы на топливо и смазку, руб., определяемые формулами

$R_{т}=a_1{С}_{т}{р}_{т}RN{n}_{р}/{\nu }_{экс}; Форм. 8$

$R_{см}=a_2{С}_{см}{a}_1{р}_{т}RN{n}_{р}/{\nu }_{экс}, Форм. 9$

где:

• a₁ = 1,05 – Режимы работы судовых дизелейкоэффициент расхода топлива на общесудовые нужды на ходу и стоянке газовоза;
• a₂ – коэффициент расхода смазки (a₂ = 0,04 и a₂ = 0,07 соответственно для дизельных и паротурбинных установок);
• С_т, С_см – соответственно стоимости 1 т топлива и смазки, руб.;
• p_т – удельный расход топлива, т/кВт · ч;
• R – протяженность линии, равная удвоенному расстоянию между портами, мили;
• N – мощность энергетической установки, кВт;
• n_р – число рейсов газовозов за один год;
• ν_экс – ν_s – Δν_s – эксплуатационная скорость газовоза, уз;
• ν_s – скорость газовоза на тихой воде, уз;
• Δν_s – потери скорости на волнении, уз.

В формулах 8 и 9 необходимо учитывать, что в случае утилизации испаряющегося из танков газа в энергетической установке газовоза для поддержания устойчивого факела на всех скоростях судна необходимо добавить к утилизированному газу еще 15 % жидкого топлива от общего потребления его главным двигателем. Причем, паро- и газотурбинные энергетические установки могут полностью утилизировать испаряющийся газ, а установки с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) – только около 60 % на ходу с грузом и около 85 % в балластном переходе.

Строительная стоимость газовоза зависит от его грузовместимости, типа и мощности энергетической установки, оборудования корпуса (общесудовые и специальные устройства и системы), архитектурно-конструктивного типа, Корпусные конструкции транспортных судов ледового плаваниякатегории ледовых условий, наличия установки повторного сжижения.

Строительная стоимость серийно освоенного газовоза К_с на основании методики определяется суммой пяти укрупненных составляющих: стоимостями металлического корпуса К_{м. к}, оборудования корпуса К_{о. к}, главного двигателя К_{г. д}, оборудования машинно-котельного отделения (МКО) К_{э. у}, работ по постройке К_р:

${К}_{с}={К}_{м. к}+{К}_{о. к}+{К}_{г. д}+{К}_{э. у}+{К}_{р}. Форм. 10$

Стоимость постройки металлического корпуса газовоза должна включать затраты на постройку классической части корпуса судна и на изготовление танков, которые зависят от их конструкции и габаритов танков, марки материалов, массы корпуса судна и танков, типа и толщины изоляции последних. Стоимость постройки оборудования корпуса должна включать затраты на изготовление грузовых систем, общесудовых устройств и систем, специальных систем, оборудования помещений и т. п. В стоимость судовой энергетической установки газовоза должны включаться либо затраты на изготовление установки повторного сжижения (УПС), если она устанавливается на газовозе, либо затраты на некоторые изменения в конструкции главного двигателя в связи с утилизацией испаряющегося газа в нем. Стоимость главного двигателя К_{г. д} зависит от его типа и мощности, стоимость УПС – от ее типа и производительности и включается в статью К_{э. у}. Кроме того, в эту статью включаются затраты на изготовление механического оборудования и трубопроводов МКО. В статье “Работы по постройке судна” учитываются затраты на монтаж и испытания судна, танков, систем, докования судна и т. д.

Годовая провозная способность газовоза на данной линии для перевозки определенного газа может быть найдена, как

${П}_{с}={Р}_{г}^{\prime }{n}_{р}, Форм. 11$

где:

• ${Р}_{г}^{\prime }$

  – Свойства сжиженных газов и особенности их перевозки на судах газовозахколичество газа с учетом его испарения, перевезенного за один рейс в грузу и балласте, т:

${Р}_{г}^{\prime }={Р}_{г}\left[1–\frac{1}{2}{t}_{р}(a_3+a_4)\right].$

Здесь:

• P_г – чистая грузоподъемность газовоза на данной линии, т;
• а₃, а₄ – коэффициенты, учитывающие ежесуточные испарения газа в грузу и балласте соответственно (а₃ = 0,0025; а₄ = 0,0017);
• t_р = R/(24ν_экс) + t_ст+ t_м – длительность кругового рейса, сут;
• t_ст – стояночное время за круговой рейс в портах погрузки и выгрузки, сут; t_ст = W/П + W₁/П;
• W – грузовместимость проектируемого газовоза, м³;
• W₁ – объем сжиженного газа, предназначенного для выгрузки в порту назначения (учитывается газ, испарившийся во время перехода в грузу, и газ, оставленный в танках для балластного перехода), м³;
• П – производительность грузовой системы газовоза, м³/ч (П ≈ 150 тыс. ÷ 250 тыс. м³/сут);
• t_м – время маневров, учитывающее потери ходового времени на выход из портов, проход узкостей, заходы в порты и т. д., сут;
• n_р = T_эк/t_р – число рейсов газовозов за год;
• T_эк – продолжительность эксплуатационного периода газовоза, сут (T_эк = 330 сут).

Формула 1 для приведенных затрат после подстановки в нее выражений (Формулы 2-4, 11) принимает вид

$з=R_{с}/{П}_{с}+{Е}_{н}({К}_{с}/{П}_{с})+{Е}_{н}(Ц/365)·\left[t_{х}+0,5(t_{ст. п}+t_{ст. в})\right]. Форм. 12$

Учитывая данные, запишем слагаемые формулы 10 в виде произведений характеристик укрупненных групп на измерители стоимостей γ_i. Измерители – это функции характеристик, аппроксимирующих статистические данные в определенном интервале. В качестве характеристик укрупненных групп приняты:

• P_{м. к} – масса металлического корпуса, тыс. т;
• P_{о. к} – масса оборудования корпуса, тыс. т;
• N – мощность главных двигателей, тыс. кВт;
• P_{о. эу} – масса механического оборудования, трубопроводов МКО, тыс. т;
• D_пор – Водоизмещение порожнем с константойводоизмещение порожнего судна, тыс. т.

Тогда, строительная стоимость газовоза, млн. руб,

${К}_{с}={\gamma }_1{P}_{м. к}+{\gamma }_2{P}_{м. к}^2+{\gamma }_3{P}_{м. к}^3+{\gamma }_4{P}_{о. к}+{\gamma }_{7}N+{\gamma }_8{Р}_{о. эу}+{\gamma }_{10}{D}_{пор}+{\gamma }_5+{\gamma }_6+{\gamma }_9+{\gamma }_{11}. Форм. 13$

где коэффициенты:

• ${\gamma }_1=0,779;$
• ${\gamma }_2=0,006;$
• ${\gamma }_3=–0,0005;$
• ${\gamma }_4=7,452;$
• ${\gamma }_5=–5,426;$
• ${\gamma }_6=–2,735;$
• ${\gamma }_7=0,416;$
• ${\gamma }_8=2,35;$
• ${\gamma }_9=0,05;$
• ${\gamma }_{10}=0,017;$
• ${\gamma }_{11}=0,976.$

Формула 13 справедлива в следующих диапазонах характеристик укрупненных групп:

• P_{м. к} = 6,0 ÷ 19,5 тыс. т;
• P_о = 2,5 ÷ 13,3 тыс. т;
• N = 22,0 ÷ 58,8 тыс. кВт для паротурбинных энергетических установок;
• D_пор = 0,3 ÷ 34,2 тыс. т.

Технико-экономическая оценка эффективности технологических процессов в судоремонтеГодовые эксплуатационные расходы, руб., газовозов с учетом формул 5-9 и данных

$R_c={\alpha }_1{К}_c+{\alpha }_8+{\alpha }_{9}N+{\alpha }_{10}{N}^2+{\alpha }_{2}DW{T}_{эк}+365r_{эк}+{\alpha }_{3}DW+{\alpha }_{4}DW{T}_{эк}+{\alpha }_5(R_{ам}+R_p+R_{сн}+R_{эк}+R_{н})+{р}_{\mathrm{т}}RN{n}_{р}({\alpha }_6{С}_{\mathrm{т}}+{\alpha }_7{С}_{см}){10}^3/{\nu }_{экс}, Форм. 14$

где:

• α₁ = n_ам · 10^-2 – коэффициент амортизации;
• α₂ – r_сн/DW;
• α₃ = n_эк/DW;
• α₄ = r_н/DW – соответственно коэффициенты расходов на снабжение одного судна в сутки, экипажа, навигационных расходов и расходов на агентирование одного судна в сутки, зависящие от дедвейта;
• α₅ = n_н · 10^-2 – коэффициент накладных расходов;
• α₆, α₇ – коэффициенты, равные соответственно a₁ и a₁ a₂;
• α₈ – α₁₀ – коэффициенты, равные α₈ = -164,3 · 10³;
• α₉ = 30 736;
• α₁₀ = -777;
• DW – дедвейт судна, т;
• r_эк – норматив расходов на содержание одного члена экипажа в сутки в зависимости от типа энергетической установки, руб;
• N – мощность ЭУ, тыс. кВт;
• n_н – накладные расходы по газовозу, определяемые данными пароходства или судна-прототипа, %;
• r_сн – расходы на снабжение одного газовоза в сутки, руб.;
• n_эк – численность экипажа в зависимости от дедвейта газовоза;
• r_н – норматив навигационных расходов и расходов на агентирование одного судна в сутки, руб.

В дальнейшем будем рассматривать приведенные затраты как некоторую, определяемую формулой 12, функцию шести независимых переменных:

• ν_экс, η_DW, C_адм, t_ст, C_т, T_эк;
• C_адм – адмиралтейский коэффициент;
• η_DW – коэффициент утилизации водоизмещения по дедвейту, полагая все остальные величины заданными, т. е. имеющими постоянное значение для всех рассматриваемых вариантов данного газовоза.

Выбор именно этих шести параметров в качестве независимых переменных объясняется следующими соображениями. Прежде всего, необходимость исследования влияния изменений ν_экс на величину з обусловлена тем, что выбор оптимальной скорости – первоочередная задача проектировщика. Кроме того, исследование влияния изменения остальных переменных величин на з позволит количественно оценить с точки зрения экономической целесообразности значимость усилий, которые направлены на выполнение следующих мероприятий:

• облегчение конструкции судна за счет более рациональной компоновки общего расположения, применения новых материалов, внедрения расчетных методов определения размеров конструкций и т. п. (η_DW);
• совершенствование формы обводов и повышение эффективности движителей (C_адм);
• сокращение стояночного времени за счет строительства новых причалов, совершенствования конструкции судна, модернизации судовых и береговых грузовых систем (t_ст);
• перевод главных судовых двигателей на более дешевые тяжелые топлива (C_т);
• расширение и укрепление ремонтной базы флота газовозов, применение ледоколов в замерзающих портах, изменение конструкции ледовых подкреплений (T_эк).

В формулах, приведенных выше, выразим мощность энергетической установки с помощью адмиралтейской формулы через принятые нами независимые переменные, а в формуле 11 заменим t_м = α₁₁:

$N=D{W}^{2/3}{\nu }_{экс}^3/{\eta }_{ DW}^{2/3}{С}_{адм}={\alpha }_{12}{\nu }_{экс}^3{\eta }_{DW}^{ –2/3}{С}_{адм}^{–1}, Форм. 15$

где:

${\alpha }_{12}=D{W}^{2/3}=const.$

Массы металлического корпуса и его оборудования примем в долях от водоизмещения газовоза, т. е.

$P_{м. к}=p_{м. к}(DW/{\eta }_{DW})={\alpha }_{13}{\eta }_{DW}^{–1}; Форм. 16$

$P_{о. к}=p_{о. к}(DW/{\eta }_{DW})={\alpha }_{14}{\eta }_{DW}^{–1}, Форм. 17$

где:

• α₁₃ = p_{м. к}DW = const;
• α₁₄ = p_{о. к}DW = const;
• p_{м. к}, p_{о. к} – измерители масс металлического корпуса и оборудования корпуса соответственно.

Входящая в выражение 11 величина чистой грузоподъемности

$P_{г}=DW–P_{эк}–P_{сн}–P_{т. в. м}, Форм. 18$

где:

• P_эк – масса экипажа с багажом и запасом провизии, т;
• P_сн – масса снабжения, т;
• P_{т. в. м} – масса запасов топлива, воды и масла с учетом того, что Контролируемый газоотвод на морских танкерахиспаряющийся газ утилизируется в качестве топлива в энергетической установке, т.

Принимая DW – P_эк – P_сн = α₁₅ = const и считая массу запасов топлива, воды и масла прямо пропорциональной p_т, N, R и обратно пропорциональной ν_экс, получим с учетом выражения (Формула 15)

$P_{г}={\alpha }_{15}–{\alpha }_{16}{р}_{т}{\nu }_{экс}^2{\eta }_{DW}^{ –2/3}{С}_{адм}^{–1}R, Форм. 19$

где:

• α₁₆ = α₁₂ · a₅ = const;
• a₅ – коэффициент расхода топлива, воды и масла на общесудовые нужды на ходу и стоянке газовоза.

Третье слагаемое в формуле 12 представим как

${Е}_{н}(Ц/365)\left[t_x+0,5(t_{ст. п}+t_{ст. в})\right]={\alpha }_{17}\left[(R/24){\nu }_{экс}^{–1}+0,5(t_{ст. п}+t_{ст. в})\right]. Форм. 20$

Учитывая, что в формулу 12 входит выражение R_с + E_нK_с, запишем его в виде

$R_{с}+{Е}_{н}{К}_{с}={\beta }_1({\gamma }_1{P}_{м. к}+{\gamma }_2{P}_{м. к}^2+{\gamma }_3{P}_{м. к}^3+{\gamma }_4{P}_{о. к}+{\gamma }_{7}N+{\gamma }_8{P}_{о. эу}+{\gamma }_{10}{D}_{пор}+{\beta }_6)+{\beta }_2{Т}_{эк}+{\beta }_3+N\left[{\beta }_4+{10}^3{р}_{т}R{n}_{р}({\alpha }_6{С}_{т}+{\alpha }_7{С}_{см})/{\nu }_{экс}\right]+{\beta }_5{N}^2, Форм. 21$

где:

• ${\beta }_1={Е}_{н}+{\alpha }_1(1+{\alpha }_5);$
• ${\beta }_2=(1+{\alpha }_5)({\alpha }_{18}+{\alpha }_{20});$
• ${\beta }_3=(1+{\alpha }_5)({\alpha }_8+{\alpha }_{19};)$
• ${\beta }_4={\alpha }_9(1+{\alpha }_5);$
• ${\beta }_5={\alpha }_{10}(1+{\alpha }_5);$
• ${\beta }_6={\gamma }_5+{\gamma }_6+{\gamma }_9+{\gamma }_{11};$
• ${\alpha }_{18}={\alpha }_{2}DW;$
• ${\alpha }_{19}=365r_{эк}{\alpha }_{3}DW;$
• ${\alpha }_{20}={\alpha }_{4}DW, {Р}_{о. эу}$

  – масса механического оборудования, трубопроводов МКО, т.

Массу механического оборудования, трубопроводов МКО примем в долях от водоизмещения газовоза, а Водоизмещение порожнем с константойводоизмещение порожнего судна выразим через дедвейт. Тогда

$P_{о. эу}={р}_{о. эу}(D{W}^{2/3}/{\eta }_{DW}^{ 2/3})={\alpha }_{21}{\eta }_{DW}^{ –2/3}; Форм. 22$

$D_{пор}=D–DW=(DW/{\eta }_{DW})–DW={\alpha }_{22}({\eta }_{ DW}^{–1}–1), Форм. 23$

где:

• D – полное водоизмещение газовоза;
• α₂₁ = α₁₂ p_{о. эу}, p_{о. эу} – измеритель массы механического оборудования, трубопроводов МКО;
• α₂₂ = DW.

Подставляя значения N, P_{м. к}, P_{о. к}, P_{о. эу}, P_г, D_пор из выражений (Формулы 15-17 и 19, 21 и 22) в ранее приведенные формулы, а затем подставляя все необходимые величины в выражение (Формула 12), а также учитывая (Формула 20), получаем следующую формулу для комплексного экономического критерия з, рассматриваемого как функция шести перечисленных выше переменных:

$з=\frac{R_{с}+{Е}_{н}{К}_{с}}{\left\{({\alpha }_{15}–{\alpha }_{16}{р}_{т}{\nu }_{экс}^2{\eta }_{DW}^{ –2/3}{С}_{ адм}^{–1}R)\left[1–({\alpha }_3+{\alpha }_4)(t_{ст}+{\alpha }_{11}+R{\nu }_{ экс}^{–1}/24)/2\right]{Т}_{эк}\right\}}\times [\left(R/24\right){\nu }_{ экс}^{–1}+t_{ст}+{\alpha }_{11}]+{\alpha }_{17}\left[\left(R/24\right){\nu }_{ экс}^{–1}+0,5(t_{ст. п}+t_{ст. в})\right]. Форм. 24$

В выражении 24

$R_{с}+{Е}_{н}{К}_{с}={\beta }_1\left[{\beta }_7{\eta }_{ DW}^{–1}+{\beta }_8{\eta }_{ DW}^{–2}+{\beta }_9{\eta }_{ DW}^{–3}+{\beta }_{10}{\nu }_{экс}^{з}{{\eta }_{DW}}^{–2/3}{С}_{ адм}^{–1}+{\beta }_{11}{{\eta }_{DW}}^{–2/3}+{\beta }_{12}\right]+{Т}_{эк}{\beta }_2+{\beta }_3+{\alpha }_{12}{\nu }_{экс}^{з}{{\eta }_{DW}}^{–2/3}{С}_{ адм}^{–1}\left[{\beta }_4+{10}^{з}{р}_{т}R{n}_{р}({\alpha }_6{С}_{т}+{\alpha }_7{С}_{см})/{\nu }_{экс}\right]+{\beta }_{13}{\left({\nu }_{экс}^{з}{\eta }_{DW}^{ –2/3}{С}_{ адм}^{–1}\right)}^2;$

${\beta }_7={\gamma }_1{\alpha }_{13}+{\gamma }_4{\alpha }_{14}+{\gamma }_{10}{\alpha }_{22};$

${\beta }_8={\gamma }_2{\alpha }_{13}^2;$

${\beta }_9={\gamma }_3{\alpha }_{ 13}^3;$

${\beta }_{10}={\gamma }_7{\alpha }_{12};$

${\beta }_{11}={\gamma }_8{\alpha }_{21};$

${\beta }_{12}={\beta }_6–{\gamma }_{10}{\alpha }_{22};$

${\beta }_{13}={\beta }_5{\alpha }_{ 12}^2;$

$n_{р}={Т}_{эк}/[R/\left(24{\nu }_{экс}\right)+t_{ст}+{\alpha }_{11}].$

Дифференциальное уравнение экономической эффективности газовоза можно записать в виде

$dз=\frac{{\partial }_{з}}{\partial {\nu }_{экс}}d{\nu }_{экс}+\frac{{\partial }_{з}}{\partial {\eta }_{DW}}d{\eta }_{DW}+\frac{{\partial }_{з}}{\partial {С}_{адм}}d{С}_{адм}+\frac{{\partial }_{з}}{\partial t_{cn}}d{t}_{ст}+\frac{{\partial }_{з}}{\partial {С}_{т}}d{С}_{т}+\frac{{\partial }_{з}}{\partial {Т}_{эк}}d{Т}_{эк}. Форм. 25$

Значения частных производных в уравнении 25 будут следующими:

$\frac{{\partial }_{з}}{\partial {\nu }_{экс}}=\frac{(R_{с}+{Е}_{н}{К}_{с})\prime t_{р}–(1/24)R{\nu }_{ экс}^{–2}(R_{с}+{Е}_{н}{К}_{с})}{{Р}_{г}^{\prime }{Т}_{эк}}–(з–{Е}_{н}г)\times [\frac{{Р}_{г}}{{Р}_{г}^{\prime }}\frac{(a_3+a_4)}{48}R{\nu }_{ экс}^{–2}–2{Р}_{т. в. м}{\nu }_{ экс}^{–1}{Р}_{г}^{–1}]–\frac{1}{24}{\alpha }_{17}R{\nu }_{ экс}^{–2}, Форм. 26$

где:

$(R_{с}+{Е}_{н}{К}_{с})\prime =3N{\nu }_{экс}^{–1}\left[{\gamma }_7{\beta }_1+{\beta }_4+{10}^3{р}_{т}R{\nu }_{ экс}^{–1}{n}_{р}({\alpha }_6{С}_{т}+{\alpha }_7{С}_{см})+2{\beta }_{5}N\right]–{10}^{3}N\left[{\nu }_{ экс}^{–2}{р}_{т}R{n}_{р}({\alpha }_6{С}_{т}+{\alpha }_7{С}_{см})(t_{ст}+{\alpha }_{11})/t_{р}\right];$

$\frac{\partial з}{\partial {\eta }_{DW}}=–{П}_{с}^{–1}\{{\beta }_1\left({\beta }_7{\eta }_{DW}^{–2}+2{\beta }_8{\eta }_{DW}^{–3}+3{\beta }_9{\eta }_{DW}^{–4}+\frac{2}{3}{\eta }_{DW}^{–1}{\gamma }_7\times N+\frac{2}{3}{\eta }_{DW}^{ –5/3}{\beta }_{11}\right)+\frac{2}{3}{\eta }_{DW}^{–1}N\left[{\beta }_4+{10}^3{р}_{т}R{\nu }_{экс}^{–1}{n}_{р}\left({\alpha }_6{С}_{т}+{\alpha }_7{С}_{см}\right)\right]+\frac{4}{3}{\eta }_{DW}^{–1}{\beta }_5{N}^2\}–\frac{2}{3}(з–{Е}_{н}г){\eta }_{DW}^{–1}{Р}_{т. в. м}{Р}_{г}^{–1}; Форм. 27$

$\frac{\partial з}{\partial {С}_{адм}}=–{П}_{с}^{–1}N{С}_{адм}^{–1}[{\beta }_1{\gamma }_7+{\beta }_4+{10}^3{р}_{т}R{\nu }_{ экс}^{–1}{n}_{р}\left({\alpha }_6{С}_{т}+{\alpha }_7{С}_{см}\right)+2{\beta }_{5}N]–(з–{Е}_{н}г){Р}_{т. в. м}{С}_{ адм}^{–1}{Р}_{г}^{–1}; Форм. 28$

$\frac{\partial з}{\partial t_{ст}}=–{10}^3{{П}_{с}}^{–1}{t_{р}}^{–1}N{р}_{т}R{\nu }_{экс}^{–1}{n}_{р}({\alpha }_6{С}_{т}+{\alpha }_7{С}_{см})+(з–{Е}_{н}г)[t_{р}^{–1}–\frac{\left(a_3+a_4\right)}{\left(a_3+a_4\right)t_{р}–2}]+0,5{\alpha }_{17}; Форм. 29$

$\frac{\partial з}{\partial {С}_{т}}={10}^3{{П}_{с}}^{–1}N{р}_{т}R{\nu }_{ экс}^{–1}{n}_{р}{\alpha }_6; Форм. 30$

$\frac{\partial з}{\partial {Т}_{эк}}={{П}_{с}}^{–1}[{\beta }_2+{10}^{3}N{р}_{т}R{\nu }_{ экс}^{–1}{t_{р}}^{–1}\left({\alpha }_6{С}_{т}+{\alpha }_7{С}_{см}\right)]–(з–{Е}_{н}г){Т}_{эк}^{–1}. Форм. 31$

Дифференциальное уравнение (Формула 25) может быть использовано для выяснения влияния тех элементов судов, которые приняты в качестве независимых переменных, на их экономические показатели. Это уравнение может оказаться полезным при установлении оптимальных главных размерений газовозов, их скорости, грузоподъемности, оптимальной продолжительности эксплуатационного периода и стоимости топлива. С помощью данной Технико-организационная характеристика судоремонтного предприятияметодики технико-экономического обоснования при проектировании газовозов можно оценить целесообразность повторного сжижения испаряющегося газа, обосновать выбор архитектурно-конструктивного типа газовоза. При этом можно установить зоны рационального применения того или иного типа газовозов с точки зрения минимальных приведенных затрат.

Особенности проектирования газовозов с вкладными грузовыми танками типа А

Специфика перевозимого груза и принятый способ его транспортировки на газовозах влияют на метод определения их главных размерений. При проектировании газовозов с вкладными танками типа А возможно использование, например, традиционных методов, применяемых при проектировании танкеров. Однако неучет характерных особенностей грузовых зон газовозов, большого объема балластных цистерн, эквивалентного полезной грузоподъемности судна, может привести к значительной ошибке в процессе проектирования.

Здесь описывается разработанная В. В. Зайцевым методика определения основных элементов и характеристик газовозов с вкладными грузовыми призматическими танками типа А на ранних стадиях проектирования. При этом рассматривается внутренняя задача проектирования, когда заданными считаются грузовместимость, скорость и дальность плавания газовоза. Методика справедлива для широкого диапазона грузовместимостей.

Вкладными грузовыми танками типа А называются грузовые емкости, стенки которых не являются конструкциями корпуса судна и не участвуют в обеспечении его общей и местной прочности. Кроме того, прочность этих танков должна быть такой, чтобы они выдерживали избыточное давление газа, равное 70 кПа.

Увеличение грузовместимости считается общепризнанным способом уменьшения стоимости транспортировки единицы груза, однако его применение ограничено. Так, на выбор грузовместимости газовоза оказывают влияние возможности заводов-строителей и ограничение глубин на подходах к портам, так как грузовые операции должны осуществляться у причала. В последнее время появились выносные причалы для швартовки газовозов, что расширило возможности увеличения их осадки. Это позволяет в оптимизационной задаче проектирования газовозов осадку считать варьируемой величиной. Препятствиями на пути роста грузовместимости газовозов являются еще и такие факторы, как снижение надежности системы линейных перевозок сжиженного природного газа, связанное с отрицательными последствиями выхода из строя по какой-либо причине хотя бы одного из судов флота газовозов, увеличение стоимости береговых сооружений, предназначенных для хранения и транспортировки сжиженного газа, партионности груза из-за ограниченных, производительности береговых заводов и емкостей хранилищ газа.

Скорость и дальность плавания газовоза при решении внутренней задачи проектирования можно задать, воспользовавшись результатами расчетов технико-экономического обоснования, приведенного в пункте “Технико-экономическое обоснование при проектировании газовозов”.

Задав грузовместимость танков, перевозимый сжиженный газ распределяют на основании данных прототипа в n грузовых танков (в оптимизационных задачах их число является варьируемой величиной). Зная объем и размеры одного танка, а также учитывая их число, размеры и число балластных цистерн и коффердамов, по формулам предложенной методики можно аналитически рассчитать главные размерения судна-газовоза.

Расчетную грузовместимость грузовых танков, м³, рекомендуется определять с помощью формулы

$W=k_1{k}_2{k}_3{W}_3, Форм. 32$

где:

• W₃ – заданная грузовместимость танков при температуре транспортировки сжиженного газа, м³;
• k₁ – коэффициент, учитывающий неполное заполнение грузовых танков, k₁ = 1,02;
• k₂ – коэффициент, учитывающий усадку от охлаждения грузовых танков, k₂ = 1,015;
• k₃ – коэффициент телесности набора связей внутри грузового танка, k₃ = 1,12.

Длину грузового танка, м, находят, исходя из зависимостей, необходимых для определения его суммарного объема:

$L_{т}=\sqrt[3]{2W/\left(k_4+k_5+k_6\right)n}, Фом. 33$

где:

• k₄, k₅, k₆ – коэффициенты, определяемые соотношениями;
• $k_4={\overline{b}}_{\mathrm{т}}({\overline{h}}_1+2{\overline{h}}_2+{\overline{h}}_3);$
• $k_5={\overline{b}}_2{\overline{h}}_3;$
• $k_6={\overline{b}}_1{\overline{h}}_1;$
• ${\overline{b}}_{\mathrm{т}},{\overline{b}}_1,{\overline{b}}_2$

  – соответственно относительные величины максимальной ширины танка и ширины танков районе нижних, и верхних его опор для судна-прототипа.

Здесь

• ${\overline{b}}_{\mathrm{т}}={\overline{B}}_{\mathrm{т}}/{\overline{L}}_{\mathrm{т}}, {\overline{b}}_1={\overline{B}}_1/{\overline{L}}_{\mathrm{т}}, {\overline{b}}_2={\overline{B}}_2/{\overline{L}}_{\mathrm{т}}; {\overline{L}}_{\mathrm{т}}, {\overline{B}}_{\mathrm{т}}$

  – длина и ширина призматического танка судна-прототипа,

  м;

• ${\overline{B}}_1,{\overline{B}}_2$

  – размеры призматического танка судна-прототипа (рис. 1), м;

• ${\overline{h}}_1,{\overline{h}}_2,{\overline{h}}_3$

  – соответственно относительные высоты танка судна прототипа в районах скуловой цистерны корпуса, прямостенного участка борта и подпалубной цистерны;

• ${\overline{h}}_1={\overline{H}}_1/{\overline{L}}_{\mathrm{т}},{\overline{h}}_2={\overline{H}}_2/{\overline{L}}_{\mathrm{т}},{\overline{h}}_3={\overline{H}}_3/{\overline{L}}_{\mathrm{т}};{\overline{ H}}_1,{\overline{H}}_2,{\overline{H}}_3$

  – высоты участков танков судна прототипа, м.

Ширина призматического танка B_т, м, и длина танковой части L₁, м, корпуса газовоза определяются в функции от длины танка:

$B_{\mathrm{т}}={\overline{b}}_{\mathrm{т}}{L}_{\mathrm{т}}; L_1=An{L}_{\mathrm{т}}, Форм. 34$

где:

• A – коэффициент, учитывающий толщину изоляции танков, размеры коффердамов и конструктивные зазоры между ними и корпусными конструкциями судна по длине: A = 1,07 ÷ 1,09.

Длина, м, между перпендикулярами газовоза

$L_{\perp \perp }=L_1+L_{мо}+L_{\mathrm{п}}, Форм. 35$

где:

• L_мо – длина МО, м;
• L_п – суммарная длина пиков в кормовой оконечности газовоза, м.

Длина, м, МО L_мо может быть найдена по формуле, статистической обработкой данных газовозов с ДВС, установлены Особенности конструкции морских газовозоввкладные призматические танки

$L_{мо}=18+0,14\sqrt[2]{N}, Форм. 36$

или

$L_{мо}=11+0,19\sqrt[2]{N}, Форм. 37$

где:

• N – мощность энергетической установки газовоза, кВт, в диапазоне 9-30 тыс. кВт.

Результаты расчетов длин машинного отделения по формулам (Формула 37) показывают, что различия между ними составляют всего 1-2 %.

В случае, если мощность энергетической установки проектируемого газовоза с ДВС лежит в пределах 3-9 тыс. кВт, длина МО, м, должна определяться для малооборотных дизелей как

$L_{мо}=13+0,14\sqrt[2]{N}, Форм. 38$

а для среднеоборотных как

$L_{мо}=7+0,14\sqrt[2]{N}, Форм. 39$

Для газовозов с газотурбинными и паротурбинными энергетическими установками длину МО, м, находят соответственно из выражений

$L_{мо}=11+0,66\sqrt[3]{N} \mathrm{или} L_{мо}=9+0,77\sqrt[3]{N}, Форм. 40$

где:

• N = 15 ÷ 70 тыс. кВт.

Определенная по одной из формул 36-40 в начальной стадии проектирования длина МО должна быть проверена по габаритной длине главного двигателя с учетом размеров редуктора и муфт, выбранных для проектируемого газовоза с учетом требований техники безопасности и условий использования пространств для размещения оборудования.

Энергетическая установка, системы и трубопроводы плавучей буровой установкиМощность энергетической установки ВТ, входящая в формулы 36-40, вычисляется в соответствии с зависимостью (Формула 15) как

$N=D{W}^{2/3}{\nu }_{экс}^3/{\eta }_{DW}^{ 2/3}{С}_{адм}, Форм. 41$

где:

• η_DW – коэффициент утилизации водоизмещения по дедвейту, определяемый в первом приближении по графику (рис. 2) в функции от дедвейта DW, т;
• C_адм – адмиралтейский коэффициент, вычисляемый в первом приближении по графику (рис. 3) в функции от водоизмещения газовоза D, т;
• ν_экс – эксплуатационная скорость, м/с.

Кроме формул (Формула 41) для отыскания мощности энергетической установки в первом приближении может быть использована зависимость

где:

• k – коэффициент удельной мощности, снимаемый с графика (рис. 4) в функции от D, кВт/т.

Дедвейт, т, в первом приближении определяется из выражения

$DW=P_{г}S, Форм. 42$

где:

• S – коэффициент, значение которого снимается с графика (рис. 5) в зависимости от аргумента Р. Л. Ромена:

  $3,785R{\nu }_{экс}^2/{10}^3\sqrt{P_{г}};$

• ${\nu }_{экс}$

  – эксплуатационная скорость газовоза, м/с;

• R – наибольшая дальность плавания газовоза, заданная заказчиком, мили;
• P_г – Грузовые операции на газовозахчистая грузоподъемность газовоза, т;
• P_г = W₃ρ₀;
• ρ₀ – плотность перевозимого газа, т/м³.

Во втором приближении величина дедвейта может быть откорректирована с помощью формулы 18, а затем уточнена по подробным статьям нагрузок газовоза.

Суммарная длина пиков оконечностей газовозов

$L_{\mathrm{п}}=L_{н}+L_{к}, Форм. 43$

где:

• L_н – Конструкция носовой и кормовой оконечностей суднадлина носовой части корпуса судна между носовой переборкой коффердама танковой части и носовым перпендикуляром, м;
• L_к – длина кормовой части корпуса судна между ахтерпиковой переборкой и кормовым перпендикуляром, м.

Длины носовой и кормовой частей газовозов находят из условий рационального размещения в корпусе грузовых танков и на основании статистической обработки теоретических чертежей судов с призматическими вкладными танками:

$L_{н}=B_{\mathrm{т}}(2,08–1,8\delta );L_{к}=0,043L_{\perp \perp },$

где:

• δ – коэффициент общей полноты корпуса газовоза.

Таким образом, формула 35 преобразуется к виду

$L_{\perp \perp }=1,045\left\{L_{\mathrm{т}}\left[An+{\overline{b}}_{\mathrm{т}}\left(2,08–1,8\delta \right)\right]+L_{мо}\right\}. Форм. 44$

Так как у большинства газовозов призматические цистерны располагаются полностью в корпусе судна, кроме тронка, высота борта

$H=H_{\mathrm{т}}+H_{\mathrm{дд}}+H_{о}+H_{\mathrm{н}. \mathrm{п}}, Форм. 45$

где:

• $H_{\mathrm{т}}={\overline{h}}_{\mathrm{т}}{L}_{\mathrm{т}}$

  – высота призматического танка, м;

• ${\overline{h}}_{\mathrm{т}}={\overline{H}}_{\mathrm{т}}/L_{\mathrm{т}}$

  – относительная высота танка судна-прототипа;

• ${\overline{H}}_{\mathrm{т}}={\overline{H}}_1+H_2+H_3$

  – высота танка судна-прототипа, (см. рис. 1) м;

• $H_{\mathrm{дд}}=0,134H_{\mathrm{т}}$

  – высота двойного дна, м, но не менее В/15 или 2 м;

• $H_{о}=0,092H_{\mathrm{т}},$

  м;

• $H_{\mathrm{п}. \mathrm{н}}=0,063H_{\mathrm{т}}$

  – максимальная высота набора палубы газовоза.

Следовательно, зависимость 45 можно представить как H = 1,289H_т

Ширина газовоза

$B=A_1{B}_{\mathrm{т}}, Форм. 46$

где:

• A₁ – статистический коэффициент, учитывающий толщину изоляции танков, конструктивные зазоры между танком и корпусом судна для установки опор, высоту бортового набора судна и толщину его бортовой обшивки: A = 1,06 ÷ 1,08.

Зная дедвейт DW и коэффициент утилизации водоизмещения газовоза по дедвейту η_DW можно определить его Водоизмещение порожнем с константойводоизмещение, т: D = DW/η_DW.

Затем находят коэффициент общей полноты корпуса в функции от числа Фруда:

$\delta =1,05–1,4Fr\pm 0,06, Форм. 47$

где:

• $Fr – число Фруда, Fr = 0,514{\nu }_{экс}/\sqrt{g{L}_{\perp \perp }};$
• g – ускорение свободного падения, м/с².

Поправку в формуле 47 рекомендуется брать со знаком минус в пределах δ = 0,025 ÷ 0,035 при Fr = 0,16 ÷ 0,21, от минус 0,010 до плюс 0,020 при Fr = 0,22 ÷ 0,26, от минус 0,025 до минус 0,010 при Fr = 0,21 ÷ 0,22.

Осадка газовоза

$T=D/{\rho }_{в}k\delta L_{\perp \perp }B, Форм. 48$

где:

• k – коэффициент выступающих частей, учитывающий размеры наружной обшивки корпуса судна, рулей, винтов, обтекателей, сварных швов, k ≤ 1,01 (k уменьшается с ростом размеров судна);
• ρ_в = 1,025 т/м³ – плотность морской воды.

Определив осадку T и высоту борта H, необходимо проверить соответствие высоты надводного борта газовоза минимальному его значению, найденному по Правилам о грузовой марке морских судов Регистра. При этом назначенный надводный борт должен быть не менее минимального надводного борта.

Коэффициент полноты площади ватерлинии находят по формуле

$\alpha =0,98\sqrt{\delta }\pm 0,06, Форм. 49$

а коэффициент полноты мидель-шпангоута – решением квадратного уравнения, полученного на основе зависимости

$\beta =0,462\sqrt{0,213+0,084\delta }. Форм. 50$

Зная δ и β, можно найти коэффициент продольной остроты φ = δ/β. Затем проверяют главные размерения проектируемого судна и их отношения по статистическим данным, представленным на графиках (рис. 6-11). Высота борта H для судов-газовозов грузовместимостью W ⩾ 7 тыс. м³ проверяется по средней линии графика рис. 8, а для небольших судов (W < 7 тыс. м³) – по раздельным графикам (рис. 9), учитывающим тип перевозимого груза. В первом приближении при проектировании газовозов принятые значения H, T и соотношения главных размерений L_⊥⊥/B, L_⊥⊥/H, B/T, T/H не должны выходить за пределы заштрихованных зон графиков рис. 8-11. В противном случае необходимо проверить предшествующие расчеты и устранить найденные ошибки. Если отклонения вызваны условиями технического задания на проектирование газовоза, то совместно с заказчиком необходимо его проанализировать.

После проверки соотношений главных размерений по статистическим данным следует особенно тщательно проверить отношение B/T, так как оно влияет на остойчивость проектируемого газовоза. Анализ соотношений главных размерений реальных газовозов и условий их работы показывает, что начальная остойчивость таких судов сравнительно небольшая, а в процессе погрузочно-разгрузочных работ она резко изменяется. Как правило, величина надводного борта и отношения B/T – большие.

Предлагается к прочтению: Предотвращение загрязнения с судов-газовозов

Из сказанного выше следует, что определяющим фактором при проверке соотношения B/T в процессе проектирования газовозов должна служить остойчивость, в частности остойчивость неповрежденного судна. Поэтому отношение B/T необходимо проверять с помощью диаграммы статической остойчивости, а также уравнения остойчивости, учитывающего плавность качки газовоза в условиях волнения моря, решенного относительно величины B/T.

$B/T=(6\delta /k_{\rho }{\alpha }^2)\left\{h/B\pm \sqrt{{\left(h/B\right)}^2+\left(k_{\rho }{\alpha }^2/3\delta \right)\left[{\xi }_g\left(H/T\right)–{\left(\alpha /\delta \right)}^{0,5}/2\right]}\right\}, Форм. 51$

где:

• h – начальная метацентрическая высота, м;
• h/B – относительная начальная метацентрическая высота;
• α, δ – коэффициенты полноты грузовой ватерлинии и общей полноты судна, определенные формулами 49 и 47;
• ξg = Zg/H – относительная аппликата центра тяжести (ЦТ) газовоза в полном грузу (здесь Zg – аппликата ЦТ судна с полным грузом, м);
• k_o – коэффициент, учитывающий влияние формы носовой части грузовой ватерлинии (ГВЛ) на величину момента инерции площади ватерлинии;
• k_ρ = 0,74 + 0,8α – 0,55α² – для выпуклой и прямой ГВЛ;
• k_ρ = 0,6 + 1,2α – 0,8α² – для S-образной ГВЛ.

Аппликата ЦТ судна в полном грузу в первом приближении может быть определена в долях от высоты борта газовоза:

$Z_g={\overline{\xi }}_{g}H, Форм. 52$

где:

• ${\overline{\xi }}_g$

  – относительная аппликата ЦТ судна-прототипа в полном грузу;

• ${\overline{\xi }}_g={\overline{Z}}_g/H;{\overline{Z}}_g$

  – аппликата ЦТ судна-прототипа в полном грузу, м.

Принимаемое по данным судов-прототипов значение относительной начальной метацентрической высоты h/B из условия обеспечения плавности качки должно быть

$0,03\le h/B<{(h/B)}_{max}, Форм. 53$

где:

• (h/B)max – максимальное значение относительной метацентрической высоты, вычисляемое с помощью формулы Ховгарда:

  ${(h/B)}_{max}=C_{\tau }^{2}B/{\tau }^2;$

• $C_{\tau }=\left[2\sqrt{1,05{\alpha }^2/\delta +4{\xi }_g^2{\left(H/B\right)}^2}\right]/3$

  – эмпирический коэффициент;

• τ – период бортовой качки газовоза, принимаемый по данным прототипа, с.

Для уточнения водоизмещения газовоза во втором приближении его необходимо представить в виде двух слагаемых

$D_2=D_{пор}+DW, Форм. 54$

где:

• D_пор – водоизмещение порожнем, т.

Водоизмещение порожнего судна может быть рассчитано по величине кубического модуля корпуса газовоза

$D_{пор}=k_{пор}LBH, Форм. 55$

где:

• k_пор – коэффициент, значение которого снимается с графика (рис. 12).

Дедвейт во втором приближении

$DW=P_{г}+P_{\mathrm{топ}}+P_{эк}, Форм. 56$

где:

• P_г – Грузовые операции на газовозахчистая грузоподъемность газовоза, т;
• P_топ – масса запасов топлива и смазки, т, вычисляемая в соответствии с формулами 8 и 9:

$P_{\mathrm{топ}}=(1+{\alpha }_2){\alpha }_1{p}_{\mathrm{топ}}RN{n}_p{\nu }_{экс}, Форм. 57$

• р_топ – удельный расход топлива, т/кВт · ч, принимаемый для ДВС равным 0,225 · 10^-3, для паротурбинных установок (ПТУ) – 0,285 · 10^-3, для газотурбинных (ГТУ) – 0,260 · 10^-3;
• P_эк – масса экипажа с запасами, т, определяемая зависимостью

$P_{эк}=\left[0,1+\left(R/{\nu }_{экс}+t_{\mathrm{ст}}\right)5·{10}^{–3}\right]n_{эк}, Форм. 58$

где:

• ν_экс – эксплуатационная скорость, уз;
• R – протяженность линии, мили;
• t_ст – суммарная продолжительность стоянок судна, ч;
• n_эк – численность экипажа, практикантов и пассажиров, выбираемая по табл. 1.

 
Результаты вычислений параметров газовозов в первом и втором приближениях являются основой (исходными данными) для проверки их по коэффициенту общей полноты δ = D/ρ_вkL_⊥⊥BT, величина которого не должна выходить за пределы заштрихованной на рис. 13 области, а также для уточнения их статей нагрузок в последующих приближениях.

Для газовозов рекомендуется, чтобы значение δ находилось в верхней части заштрихованной области, рис. 13, а для метановозов – в нижней (верхняя и нижняя области разделены штрихпунктирной линией).

Уточнение статей нагрузок газовозов проводится на основании уравнения масс

$D_{з}=P_{к}+P_{\mathrm{т}}+P_{об}+P_{эу}+P_{\mathrm{т}. в. м}+P_{гр}+P_{из}+P_{эк}+P_{з. в}, Форм. 59$

где:

• P_к, P_т, P_об, P_эу, P_{т. в. м}, P_гр – Дополнительные или усиленные конструкции корпуса суднамассы металлического корпуса, грузовых танков, оборудования, энергетической установки, топлива, воды, масла, сжиженного газа в грузовых танках;
• P_из – масса изоляции;
• P_эк – масса экипажа с запасами, т;
• P_{з. в} – запас водоизмещения, т.

Значения масс металлического корпуса и оборудования следует снимать с графиков рис. 14. При этом необходимо учитывать, что кривые масс корпуса построены для однопалубных газовозов с двойными бортами в районе грузовых танков.

Если двойные борта на проектируемом газовозе отсутствуют, то масса металлического корпуса должна приниматься

$P_{к}^{\prime }=(0,94÷0,96)P_{к},$

если в состав корпуса входят подпалубные цистерны или двойная палуба, то соответственно

$P_{к}^{\prime }=(1,02÷1,04)P_{к} \mathrm{и} P_{к}^{\prime }=(1,05–1,07)P_{к}$

(здесь P_к – масса металлического корпуса, определенная по графику рис. 14). В массу оборудования входят массы грузовых систем, устройств, оборудования помещений.

Массу танков определяют по графику рис. 15 в зависимости от способа перевозки газа и материала танков, а массу изоляции – по графику рис. 16.

Энергетическая установка, системы и трубопроводы плавучей буровой установкиМасса энергетической установки, включая массу главного двигателя, оборудования, систем главного двигателя и установку повторного сжижения, находят на основании формул, приведенных в:

$P_{эу}=p_{эу}N, Форм. 60$

где:

• N – мощность главного двигателя, кВт;
• p_эу – измеритель массы энергетической установки, т/кВт,
  • p_эу = 1,18/N^0,25 – для ДВС,
  • p_эу = 1,14/N^0,33 – для ГТУ,
  • p_эу = 1,55/N^0,33 – для ПТУ.

Запас водоизмещения принимается равным 0,03D_пор (здесь водоизмещение порожнего судна D_пор = P_к + P_т + P_из + P_об + P_эу). Массы запасов топлива, воды и масла P_{т. в. м} и экипажа P_эк могут быть вычислены с помощью зависимостей (Формула 57) и (Формула 58).

Дальнейшая корректировка параметров газовозов может быть выполнена в ходе проверки отношения B/T по уравнению остойчивости (Формула 51). Полученные в предыдущем приближении уточненные статьи нагрузок являются исходными данными для определения аппликаты ЦТ судна в полном грузу, подставляемой в уравнение 51:

$Z_g=(P_{к}{Z}_{к}+P_{\mathrm{т}}{Z}_{\mathrm{т}}+P_{из}{Z}_{из}+P_{об}{Z}_{об}+P_{эу}{Z}_{эу}+P_{\mathrm{т}. в. м}{Z}_{\mathrm{т}.в. м}+P_{гр}{Z}_{гр}+P_{эк}{Z}_{эк}+P_{з. в}{Z}_{з. в})/D_{з}, Форм. 61$

где:

• Z_к, Z_об, Z_эу – аппликаты ЦТ корпуса, оборудования, энергетической установки, определяемые данными прорисовки общего расположения судна, м;

• Z_т, Z_из, Z_гр – аппликаты ЦТ танков, изоляции, груза

  $(Z_{\mathrm{т}, из, гр}=H_{\mathrm{дд}}+H_{\mathrm{од}}+H_{\mathrm{т}}/2)$

  , м;

• H_т – высота призматического танка, м;
• H_од – высота опор танка между его днищем и двойным дном корпуса газовоза (H_од = 0,05H_т), м;
• H_дд – высота двойного дна, м;

• Z_{т. в. м} – аппликата ЦТ топлива, воды, масла

  $(Z_{\mathrm{т}.в.м}=0,25H+0,3H_{\mathrm{дд}})$

  , м;

• Z_эк – то же экипажа с запасами

  $(Z_{эк}=H+H_{н}/2)$

  , м;

• H_н – Архитектурно-конструктивные особенности судов-газовозоввысота надстройки, измеренная от настила палубы газовоза до верхней кромки настила самой высокой надстройки

  $(H_{н}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{H}_i), м;$

• H_i – высота в ДП газовоза каждого яруса надстройки, м

  $(H_i=2,5 м;n=5÷7)$

  ;

• Z_{з. в} – аппликата ЦТ запаса водоизмещения

  $(Z_{з. в}=k_{з. в}H)$

  , м;

• k_{з. в} – коэффициент, определяемый либо по данным судна-прототипа, либо по статистическим данным (при небольшом запасе водоизмещения в предварительных расчетах можно принять k_{з. в} = 1. т. е. ЦТ в этом случае будет располагаться на уровне палубы газовоза).

Затем рассчитывают ходкость и уточняют мощность энергетической установки на основании формулы

$N=EPS/{\eta }_{кп}, Форм. 62$

где:

• EPS – буксировочная мощность, кВт, вычисляемая на основании результатов модельных испытаний, откорректированная на бульбообразные обводы носовой оконечности (с учетом выступающих частей корпуса) или вычисляемая в соответствии с рекомендациями и расчетными схемами отраслевых стандартов;
• η_кп = η_о η_к η_в η_р – квазипропульсивный коэффициент;
• η_о – коэффициент полезного действия (КПД) гребного винта в открытой воде;
• η_к – коэффициент влияния корпуса;
• η_в – КПД валопровода;
• η_р – КПД редуктора, при его наличии на проектируемом газовозе.

Номинальная проектная мощность, необходимая для выбора главного двигателя, принимается равной 1,15N для судов с дизельными установками и равной N – для судов с турбинными установками.

После расчета мощности главного двигателя можно несколько уточнить водоизмещение и осадку газовоза. Определение главных размерений на этом считается законченным.

Методика проектирования газовозов, описанная выше, может быть вполне применима также для судов с вкладными грузовыми танками типа В – грузовыми емкостями, прочность которых подтверждена результатами модельных испытаний и расчетами, выполненными по уточненным методикам. При этом прочность танков должна быть такой, чтобы они выдерживали избыточное давление газа, равное 70 кПа.

Особенности проектирования газовозов с вкладными грузовыми танками типа С

Рассмотрим вопросы проектирования газовозов с вкладными грузовыми танками наиболее распространенного типа С – сферическими. Вкладными грузовыми танками типа С называются грузовые емкости, которые отвечают требованиям, предъявляемым к сосудам под давлением. В основе предлагаемой методики лежат принципы определения главных размерений газовозов, предложенные В. В. Зайцевым, а также выводы, к которым пришли А. Н. Вашедченко и Б. Н. Михайлов. При этом решается внутренняя задача проектирования газовозов и учитывается влияние числа и размеров сферических танков на ширину и длину грузовой части судов. Скорость и дальность плавания газовоза задается на основе результатов расчетов технико-экономического обоснования проектирования газовозов, приведенного в пункте “Технико-экономическое обоснование при проектировании газовозов” выше.

Задав Развитие морского транспорта для перевозки СПГгрузовместимость танков, перевозимый сжиженный газ распределяют в n сферах, число которых в оптимизационной задаче проектирования газовоза может варьироваться. Затем рассчитывают диаметр сферы, размеры грузовой зоны и остальных помещений, оказывающих определяющее влияние на выбор главных размерений судна.

Расчетная вместимость, м³, грузовых танков газовозов

$W=k_1,k_2,W_3, Форм. 63$

где:

• W₃ – заданная грузовместимость танков при температуре транспортировки сжиженного газа, м³;
• k₁, k₂ – коэффициенты, принимаемые в соответствии с формулой 32.

Используя зависимость между объемом сферы и ее диаметром, получаем

$d_{\mathrm{т}}=1,24\sqrt[3]{W/n}, Форм. 64$

где:

• d_т – диаметр танка, м.

Длину танковой части можно найти в зависимости от диаметра танка и их числа:

$L_1=A{d}_{\mathrm{т}}(n_{\mathrm{т}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{k}_{d_i}) Форм. 65$

где:

• A – статистический коэффициент, учитывающий толщину изоляции танков, размеры коффердамов и конструктивные зазоры между ними и корпусными конструкциями судна по его длине (A = 1,09 ÷ 1,10);
• k_di = d_i/d_т – коэффициент разновеликости i-го сферического танка;
• d_i – диаметр i-го танка, отличный от диаметра наибольшего танка d_т, м;
• i, т – порядковый номер и количество танков, размеры которых отличаются от размеров наибольшего танка;
• n_т – количество наибольших танков на газовозе.

Длина между перпендикулярами газовоза рассчитывается по формуле 35, в которой длина машинного отделения L_мо, м, определяется статистическими зависимостями соответственно для судов с ДВС, ГТУ и ПТУ:

$L_{мо}=11+0,14\sqrt[2]{N};$

$L_{мо}=11+0,66\sqrt[3]{N};$

$L_{мо}=9+0,77\sqrt[3]{N}, Форм. 66$

где:

• N – мощность энергетической установки, кВт, равная 15-70 тыс. кВт.

Главная энергетическая установка буксирного суднаМощность энергетической установки, кВт, может быть найдена либо по зависимости (Формула 41), либо с помощью формулы

$N=0,024{\nu }^3\sqrt[2]{P_{г}}/\sqrt[4]{n}, Форм. 67$

где:

• ν – скорость судна, уз;
• P_г = W₃ρ₀ – чистая грузоподъемность газовоза, т.

Суммарная длина пиков оконечностей газовозов вычисляется по соотношению (Формула 43), при этом длина носовой части L_н, м, корпуса судна между носовой переборкой коффердама танковой части и носовым перпендикуляром:

$L_{н}=d_{\mathrm{т}}(6,92–8,20\delta ) \mathrm{при} k_d=1,0;$

$L_{н}=d_{\mathrm{т}}(6,354–7,59\delta ) \mathrm{при} k_d=0,9;$

$L_{н}=d_{\mathrm{т}}(5,55–6,75\delta ) \mathrm{при} k_d=0,8. Форм. 68$

Длина кормовой части корпуса судна между ахтерпиковой переборкой и кормовым перпендикуляром

$L_{к}=5+0,025L_{\perp \perp }.$

Таким образом, длина между перпендикулярами газовоза определяется зависимостью

$L_{\perp \perp }=1,026\{A{d}_{\mathrm{т}}\left(n_{\mathrm{т}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{k}_{d_i}\right)+5+L_{н}+L_{мо}\}, Форм. 69$

а ширина

$B=k_B{d}_{\mathrm{т}}, Форм. 70$

где:

• k_В – статистический коэффициент, учитывающий удвоенную толщину изоляции, минимальное расстояние между двойными бортами, толщину конструкции танка в районе экваториального пояса и зазор между изоляцией и двойными бортами, k_В = 1,2.

Высоту борта газовоза H, м, вычисляют исходя из того факта, что часть сферы (0,39d_т) возвышается над палубой и расстояние между нижней кромкой сферы и настилом второго дна необходимо принимать 0,8 м:

$H=0,61d_{\mathrm{т}}+H_{\mathrm{дд}}+0,8 \mathrm{или} H=0,61d_{\mathrm{т}}+B/15,$

где:

• H_дд – минимальная высота двойного дна, м, выбираемая в соответствии с правилами Норвежского Бюро Веритас из двух величин

  $H_{\mathrm{дд}}=600+9B\sqrt{T} \mathrm{или} H_{\mathrm{дд}}=1,2$

  , где T – осадка газовоза, м.

Однако учитывая, что на первом этапе проектирования еще нет данных об осадке судна, высоту двойного дна можно определить как H_дд = k_ддd_т, где k_дд = 0,052 ÷ 0,055 – статистический коэффициент.

Применение на газовозах в конструкции двойного дна сточных колодцев глубиной до 0,25H_дд, но не более 350 мм, позволяет уменьшить его высоту в районе нижней части сферы приблизительно на 300 мм, а следовательно, понизить аппликату ЦТ танков и груза. При этом высота двойного дна не должна приниматься менее 1 200 мм.

Водоизмещение газовоза в первом приближении можно определить с помощью методики, предложенной в пункте выше по дедвейту DW и коэффициенту утилизации водоизмещения по дедвейту η_DW. Для этого можно воспользоваться статистическими графиками D = DW/η_DW.

Читайте также: Исследования процессов в некоторых судовых системах автоматики

Затем находят коэффициент общей полноты судна δ в функции от числа Фруда по формуле 47, в которой поправку рекомендуется брать со знаком минус, равную 0,04 в пределах Fr = 0,14 ÷ 0,22 и равную 0,02 при Fr = 0,22 ÷ 0,26. Осадку судна рассчитывают по (Формула 48), а оценку его главных размерений и их соотношений делают на основе статических данных, представленных на графиках рис. 6-11. В первом приближении, аналогично требованиям, предъявляемым к газовозам с призматическими грузовыми танками при их проектировании, принятые значения H, T и соотношения главных размерений L_⊥⊥B, L_⊥⊥/H, B/T, T/H не должны выходить за пределы заштрихованных зон графиков рис. 8-11. В противном случае необходимо либо проверить предшествующие расчеты и устранить обнаруженные ошибки, либо дополнительно рассмотреть задание на проектирование.

После вычисления водоизмещения и главных размерений газовоза по формулам 49-50 находят коэффициенты полноты площади ватерлинии α [поправку в формуле 49 можно не учитывать] и мидель-шпангоута β. Затем вычисляют коэффициент продольной остроты φ, и с помощью зависимости (Формула 51) из соображений остойчивости корректируется отношение B/T.

Для уточнения водоизмещения газовоза во втором приближении необходимо представить его в виде суммы

$D=D_{пор}+DW+P_{з. в}. Форм. 71$

Водоизмещение порожнего судна D_пор может быть выражено с помощью составляющих его величин, например через кубический модуль LBH и соответствующие измерители масс:

$D_{пор}=P_{к}+P_{об}+P_{\mathrm{т}. и}+P_{эу}, Форм. 72$

где:

• P_к – масса металлического корпуса, P_к = k_кLBH, т;
• k_к – измеритель массы металлического корпуса (k_к = 0,077 при L_⊥⊥ ≥ 250 м, k_к = 0,079 при L_⊥⊥ < 250 м);
• P_об – масса оборудования, P_об = k_об(LBH)^2/3, т (k_об – измеритель массы оборудования с учетом криогенного оборудования, k_об = 0,55);
• P_{т. и} – масса грузовых танков, включая изоляцию, опорные цилиндры и защитные кожухи, P_{т. и}= q_{т. и}W, т;
• q_{т. и} – удельный показатель массы конструкции на единицу объема груза, т/м³ (q_{т. и} = 0,049 – для танков из алюминиевых сплавов, q_{т. и} = 0,061 – для танков из никелевой стали);
• P_эу – масса энергетической установки, P_эу = p_эуN, т;
• N – Характеристики двигателей в судовой промышленностимощность главного двигателя, кВт;
• p_эу – измеритель массы энергетической установки, т/кВт, вычисленный в соответствии с формулой 60.

Дедвейт во втором приближении и входящие в него статьи нагрузки определяются с помощью зависимостей (Формулы 56-58), запас водоизмещения принимают равным P_{э. в} = 0,03D_пор. Далее точно так же уточняются параметры газовозов, как указано в пункте выше.

После уточнения водоизмещения газовоза необходимо проверить остойчивость неповрежденного и поврежденного судна. Остойчивость неповрежденного газовоза и соответственно отношение B/T корректируют с помощью зависимости (Формула 51), в которой аппликату ЦТ судна следует определять как

$Z_g=k_g{d}_{\mathrm{т}}+\Delta Z_g, Форм. 73$

где:

• ΔZ_g – поправка на разновеликость сфер, вычисляемая в виде

$\Delta Z_g=\left[d_{\mathrm{т}}(0,5236{\rho }_0{d}_{\mathrm{т}}^3+P_{\mathrm{т}. и}/n)\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}i(1–k_{d_i})\right]/2D;$

• i – число танков с диаметром сферы d_i;
• m – количество танков, размеры которых отличаются от размеров наибольшего танка;
• n – общее число танков на судне (ΔZ_g = 0 в случае, если все танки одинаковой величины);
• k_g – статистический коэффициент, значения которого определяются следующим образом: