Категории сайта

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+Eнк+Eнг,          Форм. 1

где:

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=Rс/Пс,          Форм. 2

где:

Удельные капиталовложения на 1 т перевезенного груза

к=Кс/Пс,          Форм. 3

где:

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

г=Ц[tx+0,5(tст. п+tст. в)]/365,          Форм. 4

где:

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

Rс=Rп+Rпер,          Форм. 5

которые определяются следующим образом:

Rп=Rам+Rр+Rсн+Rэк+Rн+Rнакл,          Форм. 6

где:

Rпер=Rт+Rсм,          Форм. 7

где:

Rт=a1СтртRNnр/νэкс;          Форм. 8

Rсм=a2Ссмa1ртRNnр/νэкс,          Форм. 9

где:

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 Кс на основании методики определяется суммой пяти укрупненных составляющих: стоимостями металлического корпуса Км. к, оборудования корпуса Ко. к, главного двигателя Кг. д, оборудования машинно-котельного отделения (МКО) Кэ. у, работ по постройке Кр:

Кс=Км. к+Ко. к+Кг. д+Кэ. у+Кр.          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 Кг. д зависит от его типа и мощности, стоимость УПС – от ее типа и производительности и включается в статью Кэ. 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

Пс=Ргnр,          Форм. 11

где:

Рг=Рг[112tр(a3+a4)].

Здесь:

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

з=Rс/Пс+Ен(Кс/Пс)+Ен(Ц/365)·[tх+0,5(tст. п+tст. в)].          Форм. 12

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

Тогда, строительная стоимость газовоза, млн. руб,

Кс=γ1Pм. к+γ2Pм. к2+γ3Pм. к3+γ4Pо. к+γ7N+γ8Ро. эу+γ10Dпор+γ5+γ6+γ9+γ11.          Форм. 13

где коэффициенты:

Формула 13 справедлива в следующих диапазонах характеристик укрупненных групп:

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

Rc=α1Кc+α8+α9N+α10N2+α2DWTэк+365rэк+α3DW+α4DWTэк+α5(Rам+Rp+Rсн+Rэк+Rн)+ртRNnр(α6Ст+α7Ссм)103/νэкс,          Форм. 14

где:

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

Выбор именно этих шести параметров в качестве независимых переменных объясняется следующими соображениями. Прежде всего, необходимость исследования влияния изменений νэкс 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:

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

N=DW2/3νэкс3/η   DW2/3Садм=α12νэкс3ηDW     2/3Садм1,          Форм. 15

где:

α12=DW2/3=const.

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

Pм. к=pм. к(DW/ηDW)=α13ηDW1;          Форм. 16

Pо. к=pо. к(DW/ηDW)=α14ηDW1,          Форм. 17

где:

Входящая в выражение 11 величина чистой грузоподъемности

Pг=DWPэкPснPт. в. м,          Форм. 18

где:

Принимая DW – Pэк – Pсн = α15 = const и считая массу запасов топлива, воды и масла прямо пропорциональной pт, N, R и обратно пропорциональной νэкс, получим с учетом выражения (Формула 15)

Pг=α15α16ртνэкс2ηDW    2/3Садм1R,          Форм. 19

где:

Третье слагаемое в формуле 12 представим как

Ен(Ц/365)[tx+0,5(tст. п+tст. в)]=α17[(R/24)νэкс1+0,5(tст. п+tст. в)].          Форм. 20

Учитывая, что в формулу 12 входит выражение Rс + EнKс, запишем его в виде

Rс+ЕнКс=β1(γ1Pм. к+γ2Pм. к2+γ3Pм. к3+γ4Pо. к+γ7N+γ8Pо. эу+γ10Dпор+β6)+β2Тэк+β3+N[β4+103ртRnр(α6Ст+α7Ссм)/νэкс]+β5N2,          Форм. 21

где:

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

Pо. эу=ро. эу(DW2/3/ηDW     2/3)=α21ηDW    2/3;          Форм. 22

Dпор=DDW=(DW/ηDW)DW=α22(η   DW11),          Форм. 23

где:

Подставляя значения N, Pм. к, Pо. к, Pо. эу, Pг, Dпор 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=Rс+ЕнКс{(α15α16ртνэкс2ηDW   2/3С   адм1R)1(α3+α4)(tст+α11+Rν   экс1/24)/2Тэк}×[R/24ν   экс1+tст+α11]+α17[R/24ν   экс1+0,5(tст. п+tст. в)].          Форм. 24

В выражении 24

Rс+ЕнКс=β1β7η   DW1+β8η   DW2+β9η   DW3+β10νэксзηDW2/3С   адм1+β11ηDW2/3+β12+Тэкβ2+β3+α12νэксзηDW2/3С   адм1β4+10зртRnр(α6Ст+α7Ссм)/νэкс+β13(νэксзηDW   2/3С  адм1)2;

β7=γ1α13+γ4α14+γ10α22;

β8=γ2α132;

β9=γ3α 133;

β10=γ7α12;

β11=γ8α21;

β12=β6γ10α22;

β13=β5α 122;

nр=Тэк/[R/24νэкс+tст+α11].

Дифференциальное уравнение экономической эффективности газовоза можно записать в виде

dз=зνэксdνэкс+зηDWdηDW+зСадмdСадм+зtcndtст+зСтdСт+зТэкdТэк.         Форм. 25

Значения частных производных в уравнении 25 будут следующими:

зνэкс=(Rс+ЕнКс)tр(1/24)Rν  экс2(Rс+ЕнКс)РгТэк(зЕнг)×[РгРг(a3+a4)48Rν   экс22Рт. в. мν   экс1Рг1]124α17Rν  экс2,          Форм. 26

где:

(Rс+ЕнКс)=3Nνэкс1[γ7β1+β4+103ртRν  экс1nр(α6Ст+α7Ссм)+2β5N]103N[ν  экс2ртRnр(α6Ст+α7Ссм)(tст+α11)/tр];

зηDW=Пс1{β1β7ηDW2+2β8ηDW3+3β9ηDW4+23ηDW1γ7×N+23ηDW   5/3β11+23ηDW1Nβ4+103ртRνэкс1nрα6Ст+α7Ссм+43ηDW1β5N2}23(зЕнг)ηDW1Рт. в. мРг1;          Форм. 27

зСадм=Пс1NСадм1[β1γ7+β4+103ртRν  экс1nрα6Ст+α7Ссм+2β5N](зЕнг)Рт. в. мС  адм1Рг1;          Форм. 28

зtст=103Пс1tр1NртRνэкс1nр(α6Ст+α7Ссм)+(зЕнг)[tр1a3+a4a3+a4tр2]+0,5α17;          Форм. 29

зСт=103Пс1NртRν   экс1nрα6;          Форм. 30

зТэк=Пс1[β2+103NртRν  экс1tр1α6Ст+α7Ссм](зЕнг)Тэк1.          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=k1k2k3W3,          Форм. 32

где:

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

Lт=2W/k4+k5+k6n3,          Фом. 33

где:

Здесь

Вкладной призматический танк
Рис. 1 Геометрические параметры вкладного призматического танка

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

Bт=bтLт; L1=AnLт,          Форм. 34

где:

Длина, м, между перпендикулярами газовоза

L=L1+Lмо+Lп,          Форм. 35

где:

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

Lмо=18+0,14N2,          Форм. 36

или

Lмо=11+0,19N2,          Форм. 37

где:

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

Lмо=13+0,14N2,          Форм. 38

а для среднеоборотных как

Lмо=7+0,14N2,          Форм. 39

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

Lмо=11+0,66N3 или Lмо=9+0,77N3,          Форм. 40

где:

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=DW2/3νэкс3/ηDW    2/3Садм,          Форм. 41

где:

Коэффициент утилизации водоизмещения
Рис. 2 Значения коэффициентов утилизации водоизмещения по дедвейту
Адмиралтейский коэффициент
Рис. 3 Зона значений адмиралтейского коэффициента в зависимости от водоизмещения газовоза

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

N = kD,

где:

Зависимость мощности энергетических установок газовозов
Рис. 4 Зависимость коэффициентов удельной мощности энергетических установок газовозов от их воздействия и типа судна

Дедвейт, т, в первом приближении определяется из выражения

DW=PгS,          Форм. 42

где:

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

Тип энергетической установки по аргументу Р. Л. Ромена
Рис. 5 Зависимость коэффициента s перехода от чистой грузоподъемности к дедвейту газовоза в зависимости от аргумента Р. Л. Ромена и типа энергетической установки

Суммарная длина пиков оконечностей газовозов

Lп=Lн+Lк,          Форм. 43

где:

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:

Lн=Bт(2,081,8δ);Lк=0,043L,

где:

Таким образом, формула 35 преобразуется к виду

L=1,045LтAn+bт2,081,8δ+Lмо.          Форм. 44

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

H=Hт+Hдд+Hо+Hн. п,          Форм. 45

где:

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

Ширина газовоза

B=A1Bт,          Форм. 46

где:

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

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

δ=1,051,4Fr±0,06,          Форм. 47

где:

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/ρвkδLB,          Форм. 48

где:

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

α=0,98δ±0,06,          Форм. 49

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

β=0,4620,213+0,084δ.          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.

Зависимости длин газовозов
Рис. 6 Зависимости длин между перпендикулярами газовозов различных типов от их расчетной грузовместимости
График зависимостей ширины газовозов
Рис. 7 Зависимости ширины газовозов от их расчетной грузовместимости
График значений высоты борта газовозов
Рис. 8 Зона значений высоты борта газовозов в зависимости от их расчетной грузовместимости (для судов с W ≥ 7 тыс. м3)
График значений высоты борта газовозов
Рис. 9 Зоны значений высоты борта газовозов различных типов в зависимости от их расчетной грузовместимости (для судов с W < 7 тыс. м3)
График значения относительной осадки судов
Рис. 10 Зоны значений относительной осадки судов в зависимости от их водоизмещения
Главные размерения газовозов
Рис. 11 Лучевой график отношений главных размерений газовозов

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=(6δ/kρα2)h/B±h/B2+kρα2/3δξgH/Tα/δ0,5/2,          Форм. 51

где:

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

Zg=ξgH,          Форм. 52

где:

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

0,03h/B<(h/B)max,          Форм. 53

где:

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

D2=Dпор+DW,          Форм. 54

где:

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

Dпор=kпорLBH,          Форм. 55

где:

График водоизмещения порожнего судна
Рис. 12 Значения коэффициента кпор в зависимости от кубического модуля:
а — для крупных судов, LBH = 1 · 104 – 35 · 104 м3; б – для малых судоз, LBH = 1 · 104 м3.
1 — газовозы с мембранными танками; 2 — газовозы со сферическими танками

Дедвейт во втором приближении

DW=Pг+Pтоп+Pэк,          Форм. 56

где:

Pтоп=(1+α2)α1pтопRNnpνэкс,          Форм. 57

Pэк=0,1+R/νэкс+tст5·103nэк,          Форм. 58

где:

Таблица 1. Численность экипажа, практикантов и пассажиров
Грузовместимость W, тыс. м3ГазовозыМетановозы
ДВСПТУДВСПТУ
< 218
2-525
50-1030
10-503835
50-704238
> 704548
25-5034
50-1263835
< 2530
> 1264340

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

Расчет полноты газовоза по числу Фруда
Рис. 13 Зона значений коэффициентов общей полноты газовозов в зависимости от числа Фруда

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

Dз=Pк+Pт+Pоб+Pэу+Pт. в. м+Pгр+Pиз+Pэк+Pз. в,          Форм. 59

где:

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.

График определения массы корпуса газовоза
Рис. 14 К определению масс металлического корпуса и оборудования.
1 — масса металлического корпуса Pк; 2 — масса оборудования Pоб

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

 Pк=(0,94÷0,96)Pк,

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

 Pк=(1,02÷1,04)Pк и Pк=(1,051,07)Pк 

(здесь Pк – 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.

График определения массы танков судов
Рис. 15 К определению массы танков судов для перевозки СНГ (I) и метановозов (II).
1 — танки из хромомарганцевой стали; 2 — танки из 9 %-ной никелевой стали; 3 — танки из алюминиево-магниевых сплавов
График определения массы изоляции танков газовозов
Рис. 16 К определению массы изоляции танков газовозов для СНГ


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:

Pэу=pэуN,          Форм. 60

где:

Запас водоизмещения принимается равным 0,03Dпор (здесь водоизмещение порожнего судна Dпор = Pк + Pт + Pиз + Pоб + Pэу). Массы запасов топлива, воды и масла Pт. в. м и экипажа Pэк 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:

Zg=(PкZк+PтZт+PизZиз+PобZоб+PэуZэу+Pт. в. мZт.в. м+PгрZгр+PэкZэк+Pз. вZз. в)/Dз,          Форм. 61

где:

Затем рассчитывают ходкость и уточняют мощность энергетической установки на основании формулы

N=EPS/ηкп,          Форм. 62

где:

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=k1,k2,W3,          Форм. 63

где:

Используя зависимость между объемом сферы и ее диаметром, получаем

dт=1,24W/n3,          Форм. 64

где:

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

L1=Adт(nт+Σi=1mkdi)          Форм. 65

где:

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

Lмо=11+0,14N2;

Lмо=11+0,66N3;

Lмо=9+0,77N3,          Форм. 66

где:

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

N=0,024ν3Pг2/n4,          Форм. 67

где:

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

Lн=dт(6,928,20δ) при kd=1,0;

Lн=dт(6,3547,59δ) при kd=0,9;

Lн=dт(5,556,75δ) при kd=0,8.          Форм. 68

Длина кормовой части корпуса судна между ахтерпиковой переборкой и кормовым перпендикуляром

Lк=5+0,025L.

Таким образом, длина между перпендикулярами газовоза определяется зависимостью

L=1,026{Adтnт+Σi=1mkdi+5+Lн+Lмо},          Форм. 69

а ширина

B=kBdт,          Форм. 70

где:

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

H=0,61dт+Hдд+0,8 или H=0,61dт+B/15,

где:

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

Применение на газовозах в конструкции двойного дна сточных колодцев глубиной до 0,25Hдд, 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 ηDW. Для этого можно воспользоваться статистическими графиками D = DW/ηDW.

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=Dпор+DW+Pз. в.          Форм. 71

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

Dпор=Pк+Pоб+Pт. и+Pэу,          Форм. 72

где:

Дедвейт во втором приближении и входящие в него статьи нагрузки определяются с помощью зависимостей (Формулы 56-58), запас водоизмещения принимают равным Pэ. в = 0,03Dпор. 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

Zg=kgdт+ΔZg,          Форм. 73

где:

ΔZg=[dт(0,5236ρ0dт3+Pт. и/n)Σi=1mi(1kdi)]/2D;

Поправки на разновеликость сфер
ρ0*, т3kg**
0,50,495/0,510
0,4350,449/0,505
* Если перевозится газ с другой плотностью, то необходимо пользоваться данными судна-прототипа.
** Первая цифра — при наличии сточных колодцев, вторая — без сточных колодцев.

 
Остойчивость поврежденного газовоза оценивается при получении им пробоин в соответствии с требованиями пункта “Технико-экономическое обоснование при проектировании газовозов”.

При этом рассматривают следующие случаи затопления газовоза: когда разрушены двойной борт, второе дно или два грузовых танка и когда Погрузка груза в грузовые танки СПГ газовозагрузовые танки не повреждены. Первый случай с точки зрения остойчивости – один из наиболее легких, так как второе дно затапливается водой, а вылив груза из поврежденных танков понижает ЦТ судна, что больше влияет на остойчивость, чем уменьшение метацентрической высоты из-за увеличивающейся свободной поверхности. Второй случай опаснее первого, поэтому для него необходимо провести проверку остойчивости на основании уравнения остойчивости

h=r+ZcZg,          Форм. 74

где:

Из формулы 74 следует, что изменение начальной метацентрической высоты Δh при постоянной аппликате ЦТ судна (Zg = const) определяется изменениями аппликаты ЦВ ΔZс и метацентрического радиуса Δr;

Δh=Δr+ΔZc,          Форм. 75

где:

ΔT=E/2A±E2/2A2K/A1/2;

A=3[Fdт/2];

E=3F2[1dт/F]+[3B2l3αL/πn3];

K=F3[13dт/2F]+3μνBl3T/πn3,

где:

Δr=(l3B2/12δLT)·[10,59n3dт4S4/l3B]

s=2(F+ΔT)[dт/F+ΔT1]1/2/dт.

Зная Δh из (Формула 75) и учитывая тот факт, что минимальная начальная метацентрическая высота должна быть не менее 0,05 м, принимается (h/B)min. Максимальное значение относительной начальной метацентрической высоты (h/B)max находится из условий плавности качки (Формула 53), в котором принимается τ = τmin = 20 с. С учетом указанных границ для h/B на основании уравнения 51 корректируется отношение B/T.

Это интересно: Обеспечение живучести судна-газовоза

В случае необходимости производятся вычисления параметров газовозов в последующих приближениях. При этом в уравнение масс (Формула 59) подставляется масса изоляции танков Pиз, найденная по графику рис. 17.

График определения массы изоляции танков газовозов
Рис. 17 К определению массы изоляции на газовозах с мембранными (1) и сферическими (2) танками

Затем рассчитывают ходкость и уточняют по формуле 62 мощность энергетической установки. Таким образом, определение водоизмещения и главных размерений газовоза при 3 ≤ n ≤ 8 можно считать законченным.

Особенности проектирования газовозов с мембранными танками

Геометрия мембранных танков аналогична геометрии вкладных призматических танков типа А. Поэтому при определении водоизмещения и главных размерений газовозов с мембранными танками можно частично воспользоваться методикой, предложенной в пункте “Особенности проектирования газовозов с вкладными грузовыми танками типа А” выше. Расчетная грузовместимость W грузовых танков может быть найдена с помощью формулы 32, в которой учитываются только коэффициенты k1 и k2. Длину грузового танка Lт, его ширину Bт, длину танковой части судна и длину между перпендикулярами газовоза L⊥⊥ рассчитывают по зависимостям 33-44.

Высоту борта газовоза определим на основании уравнения вместимости и:

Wп=W1+W2+W3+W4+W5+W6+W7+W8,        Форм. 76

где:

Полный подпалубный объем газовоза

Wп=LBHδп,          Форм. 77

где:

Составляющие полного подпалубного объема W1 – W6, входящие в зависимость (Формула 76), рассчитывают следующим образом:

W1=b1LBH;W2=nфkкфkоLкфBH;W3=b3LBH;W4=0,9ξ2LBHдд;      W5=ξ1LмоBH;W6=W/kи,                            Форм. 78

где:

Объем подпалубных цистерн, м3,

W7=L1Hп. ц(Bп. ц+Bб. ц),          Форм. 79

где:

Объем скуловых цистерн, м3,

W8=L1Sс. ц,          Форм. 80

где:

Sс. ц=2Hс. цBс. цHс. цHддBс. цBб. цBс. ц4Rс. ц2sin2 α/2Bс. ц2+Rс. ц2πα/180sin α;

Размеры цистерн проектируемого судна определяют по данным судна-прототипа и статистическим зависимостям

Hп. ц=(0,8÷0,85)Bп. ц;

Bп. ц=(0,19÷0,20)B;

Hс. ц(2,2÷2,6)Hдд;

Bс. ц=0,12÷0,2B

или

Hп. ц=ξ3Bп. ц;

Bп. ц=ξ4B;

Hс. ц=ξ5Hдд;

Bс. ц=ξ6B,

где:

ξ3=Hп. ц/Bп. ц;

ξ4=Bп. ц/B;

ξ5=Hс. ц/Hдд;

ξ6=Bс. ц/B;

Подставив соотношение (Формулы 77-80) в уравнение 76 и упростив, получим зависимость для определения высоты надводного борта

H=0,9ξ2LHдд+[W/kи+W7+W8]/BL(αkαb1b3)nкkкkоLкξ1Lмо.          Форм. 81

Если купол грузового танка располагается выше палубы газовоза, и например как у газовозов с системой мембранных танков “Технигаз”, в формулу 81 вместо расчетной грузовместимости танков W подставляют величину W′ = kппW – объем части грузовых танков, расположенных под палубой, м3 (здесь kпп – статистический коэффициент, учитывающий объем грузовых танков, расположенных под палубой; может быть также определен по данным судна-прототипа).

Коэффициенты, входящие в формулы 77 и 78, вычисляют по данным судна-прототипа:

αвпSвп/LB;

ξ2=Vдд/0,9LBHдд;

b1=(Vа+Vф)/LBHδп;

b3=2Bб. цHб. цL1/BHL,

где:

При расчете высоты борта газовоза коэффициент kα может быть определен с помощью формулы

kα=1,915α29/αLB,

а коэффициент полноты объема МО

ξ1=ψ1φ1ψ2φ2+ψ3φ3/LмоL,

где:

ψ1=12δп{122δп/β2xс/L}8β;

ψ2=15β24δп{122δп/β2xс/L};

ψ3=12δп{122δп/β2xс/L};

φ1=2/L2xн2xк4;

φ2=4/3Lxн3xк3;

φ3=xн2xк2;

Длина коффердамов Lкф должна приниматься равной одной шпации в данном районе судна и быть не менее 0,6 м для того, чтобы был возможен доступ в них для осмотра и ремонта.

Ширина газовоза B = Bт + 2(Bб. ц + tи), где tи – толщина слоя изоляции (толщина первичного и вторичного блоков изоляции), м;

Толщина первичного и вторичного блоков изоляции, состоящих из фанерных ящиков, заполненных изоляционным порошком-перлитом, составляет 0,4-0,5 м.

Высота двойного дна газовоза Hдд = (0,085 – 0,095) Hт или Hдд = ξ7Hт, но не менее В/15 или 2 м (здесь ξ7 = Hдд/Hт).

Зная главные размерения и коэффициент утилизации водоизмещения газовоза по дедвейту ηDW, можно найти его водоизмещение D = DW/(ηDW), а по (Формулам 47-50) – коэффициенты полноты и осадку. Главные размерения газовоза и их соотношения проверяют по графикам рис. 6-11. Кроме того, отношение B/T корректируется с помощью уравнения остойчивости (Формула 51), в котором

 Zg=ξgHξg=0,750,77

. Последующие приближения выполняют в соответствии с требованиями пункта “Особенности проектирования газовозов с вкладными грузовыми танками типа А”, массу изоляции танков определяют по графику рис. 17, высота опор танков в формуле 61 не учитывается. После расчетов мощности главного двигателя еще раз уточняют водоизмещение и осадку. Определение главных размерений газовоза с мембранными танками на этом этапе считается законченным.

 

Оценка количества сжиженного газа, необходимого на балластный переход

Рассмотрим условия балластного перехода одного из типов газовозов – метановозов, на котором перевозимый груз – метан – может сохраняться в сжиженном состоянии лишь в условиях глубокого охлаждения: при -161 °С. Это требует создания особых условий при выполнении балластного перехода. Чаще всего во время такого перехода осуществляется подготовка грузовых танков для приема жидкого метана, которая заключается в поддержании определенной температуры внутри них. Так, классификационные общества рекомендуют оптимальную разность температур трюма и груза не более 29 °С, что приводит к необходимости охлаждения танков перед погрузкой до -133 °С, а норвежская фирма “Мосс Розенберг” рекомендует поддерживать температуру в танках не выше -110 °С, так как при этой температуре, по их данным, танки готовы к погрузке метана. Однако предпочтительнее с точки зрения возникновения недопустимых термических напряжений в современных материалах, нарушений герметичности конструкций и, как следствие, аварий газовозов, необходимо чтобы перед погрузкой СПГ температура танков была не выше -133 °С.

Большую роль в обеспечении безаварийной эксплуатации газовозов играет и Охлаждение груза перед погрузкой в грузовые танкискорость захолаживания танков перед погрузкой, которая должна колебаться в пределах Δt = 4 ÷ 6 °С/ч, при этом поля температур в их изоляции должны быть выравнены. Большая же скорость захолаживания, например при Δt = 6 °С/ч, может привести к запаздыванию охлаждения изоляции и аккумулирование ею тепловой энергии, что вызовет “подогрев” танков после окончания процесса их охлаждения. Если необходимо снизить температуру танков с температуры окружающей среды 20 °С до температуры погрузки газа, то скорость охлаждения должна изменяться от Δt = 10 °С/ч в начальный период до Δt = 4 °С/ч при приближении к -133 °С. При этом необходимо учитывать конструктивные особенности грузосодержащей системы эксплуатируемого газовоза, а именно: чем больше масса изоляции грузовых танков, тем меньше должна быть скорость их охлаждения, и наоборот, так как около 90 % энергозатрат на захолаживание используется для охлаждения танков и их изоляции и только около 10 % – на охлаждение атмосферы танков.

Необходимую температуру внутри танков во время балластного перехода газовозов поддерживает специальная система охлаждения, предназначенная для впрыска в атмосферу танка сжиженного газа; испаряющийся на переходе в балласте метан в настоящее время используется в качестве топлива в судовых энергетических установках. В будущем на метановозах, по всей видимости, появятся установки повторного сжижения газа, которые будут готовить танки к погрузки. Кроме того, такую же работу смогут выполнить и установки захолаживания, которые целесообразно устанавливать на тех судах, из танков которых в портах назначения СПГ будет выгружаться полностью. Однако окончательный выбор того или иного способа охлаждения танков на проектируемом метановозе будет зависеть от того, какой из вариантов с экономической и эксплуатационной точек зрения окажется лучшим. Немаловажное значение при этом играет и принятый способ организации балластных переходов.

Ю. В. Захаров и А. А. Лехмус подробно описали семь способов организации балластных переходов метановозов и подготовки их танков к приему груза.

  1. На коротких линиях экономически целесообразно полностью выгружать в порту назначения сжиженный метан; в этих случаях захолаживание проводят береговыми средствами в порту погрузки с определенной скоростью охлаждения. При таком способе во время балластного перехода происходит незначительный “нагрев” танков за счет создания вокруг них мощного изоляционного слоя;
  2. На длинных линиях на метановозе для балластного перехода оставляют 4-5 % груза, который подается в танки для поддержания в них температуры -162 °С. При этом испаряющийся метан используется в качестве топлива для судовой энергетической установки, а излишки его сжигаются. Это приводит к большим потерям груза из-за очень низкой температуры внутри танка и, как следствие, к значительным притокам тепла;
  3. На длинных и средних линиях на метановозе остается 2-3 % сжиженного газа. В течение первых 3-5 сут балластного перехода в танки не подается охлаждающий их метан, в результате происходит их “подогрев” до температуры -133 °С. Комплексная автоматизация энергетических установок буксирных судовСудовая энергетическая установка в этот период работает только на нефтяном топливе. После повышения температуры до -133 °С в танки начинают впрыскивать метан для поддержания в них постоянной температуры, что гарантирует после прихода в порт погрузки возможность немедленно начать погрузочные работы. В этом случае судовая энергетическая установка работает на нефтяном топливе и испарившемся газе. Расход метана на охлаждение танков должен соответствовать расходу его испарений, обеспечивающих работу судовой энергетической установки;
  4. На средних линиях для обеспечения балластного перехода оставляется на борту судна 1-2 % метана. В течение почти всего балластного перехода отрицательная температура в танках поддерживается только за счет изоляции танков. За 10-20 ч до прихода в порт погрузки в грузовые танки подается большое количество сжиженного метана, обеспечивающего скорость их охлаждения 4-6 °С/ч и доводку температуры внутри танков до -133 °С. Испарившийся метан частично используется в судовой энергетической установке, а частично сжигается;
  5. На линиях любой протяженности в порту назначения может быть оставлен весь груз. В этих случаях температура в танках во время балластного перехода вначале увеличивается до -133 °С, а затем для поддержания ее на данном уровне включаются турбокомпрессорные газовые холодильные машины, работающие на метане с паротурбинным приводом. При этом пар поступает от главного турбозубчатого агрегата либо из утилизационного котла в случае применения ГТУ;
  6. Для обеспечения безопасности плавания во время балластного перехода в порту выгрузки танки зачищаются от газообразного метана и заполняются инертным газом (азотом). Температура в танках в начале балластного перехода увеличивается до -133 °С, а затем поддерживается на этом уровне с помощью турбокомпрессорной газовой холодильной машины, работающей на азоте с паро- или газотурбинным приводом;
  7. На средних линиях возможна установка мощных газовых холодильных машин, которые охлаждают танки в течение 10-20 ч перед приходом в порт погрузки. Танки перед началом работы холодильных машин “нагреваются” до температуры, превышающей -133 °С. Скорость охлаждения до этой температуры составляет Δt = 4 ÷ 6 °С/ч.

Если подготовка танков к погрузке осуществляется в порту погрузки, то газ, охлаждающий танки, возвращается после испарения на берег и время подготовки зависит только от разности температур перед началом охлаждения и требуемой в конце цикла охлаждения. Если же охлаждение танков ведется на ходу судна, то с экономической и эксплуатационной точек зрения целесообразнее ограничить минимальное время подготовки танков к погрузке временем утилизации испарившегося газа в судовой энергетической установке без сжигания его излишков.

При выполнении балластного перехода способами перечисленными выше, необходимо предварительно выполнить расчет расхода сжиженного метана, требуемого для обеспечения необходимой температуры внутри танков. Свойства сжиженных газовМасса метана, требующегося на балластный переход Pбал, может быть определена в зависимости от массы газа, испарившегося во время перехода в грузу Pгр:

Pбал=PгрΔtбал/Δtгр,

где:

Однако данной формулой можно пользоваться тогда, когда известна масса испарившегося при переходе с грузом метана. Более универсальной является зависимость, полученная на основе интегрального уравнения теплового баланса

Pбал=0τk(tat0)exp(Bτ)·Hdτ/r,          Форм. 82

где:

Проинтегрировав уравнение 82, получаем

Pбал=[kHtat0/Br][1expBT],

где:

Свойства сжиженных газов и особенности их перевозки на судах газовозахТемпература газа в танках редко доводится до температуры окружающей среды ta. Чаще всего она после выгрузки метана повышается до величины

tτ=t0tαexpBτ+tα,          Форм. 83

где:

Поэтому, для того, чтобы определить по формуле 82 количество газа, необходимое на балластный переход, если танки перед их подготовкой к погрузке уже охлаждены до температуры t1, следует вначале с помощью соотношения (Формула 83) найти время t1, затрачиваемое на охлаждение танков от температуры окружающей среды ta до температуры t1. При этом в формуле 83 необходимо вместо tτ представить t1.

Тогда

τ1={Lnt0ta/t1ta}/B.

Затем, подставив τ1 в качестве нижнего предела интегрирования в (Формулу 82) и проинтегрировав формулу, получим

Pбал=kHtαt0/Brexpτ1BexpBT.

Мощность и работа, затрачиваемые на охлаждение грузовых танков, могут быть вычислены с помощью формул, которые также выведены на основании решения интегрального уравнения теплового баланса:

N=HRиз(tat1expBTtп1expBT);

Q0=HTRиз(tat1expBTtп1expBT),          Форм. 84

где:

С помощью уравнений (Формула 84) были рассчитаны мощность, затрачиваемая на охлаждение вкладных сферических танков газовозов различных грузовместимостей с термическим сопротивлением изоляции Rиз = 4 м2 · K/Вт. Результаты вычислений представлены на рис. 18.

Графические зависимости охлаждения грузовых танков газовозов
Рис. 18 Зависимости мощности, расходуемой на охлаждение грузовых танков газовозов, от скорости их охлаждения и грузовместимости

При этом температуру начала захолаживания t1 определяли в зависимости от времени балластного перехода, а именно: общее время перехода (12 суток) равно сумме времени “подогрева” танков от 111,15 K (-162 °С) до температуры t1 и времени охлаждения от t1 до 140,15 K (-133 °С) при различных скоростях охлаждения.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Март, 22, 2022 1689 0
Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ