Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитическое исследование принципов формирования флота обслуживания МБУ 23
1.1 Потребности МБУ в обслуживании 23
1.1.1 Эволюция развития МБУ 23
1.1.2 Современная укрупненная классификация МБУ 29
1.1.3 Расходование МБУ технологических запасов 34
1.1.4 Операции по обслуживанию МБУ 35
1.2 Суда обслуживания МБУ 38
1.2.1 Развитие обслуживающего флота. Состав обслуживающего флота 38
1.2.2 Буксиры 43
1.2.3 Ледоколы 48
1.2.4 Противопожарные суда 53
1.2.5 Спасательные суда 58
1.2.6 Суда снабжения буровых установок 62
1.2.7 Многофункциональные суда обслуживания 67
1.3 Выводы по главе: исследование функций и особенностей судов флота обслуживания МБУ 70
Глава 2. Разработка методики проектирования судов обслуживания МБУ для начальной стадии 73
2.1 Проектирование судов обслуживающего флота 73
2.1.1 Проектирование буксиров 75
2.1.2 Проектирование ледоколов 88
2.1.3 Проектирование противопожарных судов 98
2.1.4 Проектирование спасательных судов 107
2.1.5 Проектирование судов снабжения буровых установок 115
2.2 Проектирование многофункциональных СОФ 125
2.3 Выводы по главе. Методика проектирования СОФ в первом приближении 130
Глава 3. Разработка методических положений по определение необходимого количества судов обслуживания МБУ 131
3.1. Физические модели функционирования СОФ 132
3.2. Определение количества судов на основе физической потребности МБУ в обслуживании 133
3.3. Определение количества многофункциональных СОФ 138
3.4. Определение достаточности количества судов обслуживания с использованием теории массового обслуживания (ТМО) 139
3.5. Выводы по главе. Расчет количества СОФ 146
Глава 4. Разработка методов технико-экономического обоснования выбора рационального состава обслуживающего флота 147
4.1 Приведение разновременных стоимостных показателей к единому времени 149
4.2 Определение строительной стоимости судов 152
4.2.1. Определение строительной стоимости специализированных судов обслуживающего флота 152
4.2.2. Определение строительной стоимости многофункциональных судов обслуживающего флота 155
4.2 Расчет эксплуатационных расходов 164
4.3. Выводы по главе. Стоимость постройки и расходы на эксплуатацию СОФ 175
Глава 5. Разработка методов оптимизации флота обслуживающих судов 176
5.1. Проектирование обслуживающего флота с использованием величины строительной стоимости в качестве критерия оптимизации 177
5.2 Проектирование обслуживающего флота с использованием величины эксплуатационных затрат в качестве критерия оптимизации 178
5.3. Проектирование обслуживающего флота с использованием величины комплексных затрат жизненного цикла СОФ в качестве критерия оптимизации 179
5.4. Выводы по главе. Оптимизация как путь поиска рационального состава флота 179
Глава 6. Структурированный алгоритм проектирования флота, обслуживающего МБУ 180
Заключение 185
Литература 190
Приложение
- Развитие обслуживающего флота. Состав обслуживающего флота
- Выводы по главе. Методика проектирования СОФ в первом приближении
- Определение количества судов на основе физической потребности МБУ в обслуживании
- Определение строительной стоимости специализированных судов обслуживающего флота
Введение к работе
В качестве основы стабильности российской экономики признается на данный момент богатство России природными ресурсами, что подвигает российские судостроительные предприятия ориентироваться на реализацию заказов, так или иначе связанных с морской добычей углеводородного сырья.
Рост морской нефтедобычи в мире в настоящее время более чем в 5 раз превышает рост на суше, доля морской нефтедобычи в мировом балансе увеличилась с 8% в 1960 г до 40% в 2005г [17], а к 2020 году по некоторым прогнозам должна составить 65%.
Одновременно дефицит углеводородного сырья и стремительный рост цен на продукцию нефтегазовой промышленности также будут способствовать активизации работ по бурению новых скважин, строительству новых морских добывающих платформ и совершенствованию всего комплекса технических средств морской нефте- и газодобычи. С 2010 г. спрос на новые морские буровые установки (МБУ) может достигнуть 30-40 единиц в год при том, что стоимость буровой установки может составлять более $300 млн.
Поскольку нефть и газ как сейчас, так и в обозримом будущем могут рассматриваться как перспективные источники реальных доходов, а все связанное с добычей — как объект высокой рентабельности, то, востребованность на рынке морских буровых установок и комплекса обслуживающих судов очевидны. В Федеральной целевой программе «Развитие гражданской морской техники на 2009 - 2016 годы», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации № 103 21 февраля 2008 г, отмечается, что одной из основных ниш для российского судостроения в ближайшие и более отдаленные годы будет создание технических средств освоения богатейших месторождений углеводородов на континентальном шельфе замерзающих морей Арктики и Дальнего Востока.
Создание морских комплексов по добыче углеводородного сырья, состоящих из добывающих и добывающе-перерабатывающих сооружений, судов обеспечения, а также транспортных судов, явится важной сферой деятельности судостроения и судоходства будущего.
Приобретение такой морской техники может проходить различными путями. Один из таких путей, по которому часто идут в настоящее время эксплуатирующие организации — удовлетворение возникающих потребностей путем создания или переоборудования объектов и судов, решающих конкретную задачу. Обслуживающий флот, формируемый по этой модели, часто оказывается нерациональным по составу, и нередко процесс формирования обслуживающего флота растягивается на весь срок эксплуатации месторождений.
Очевидно, что дополнительные исследования по обоснованию и оптимизации состава технических средств добычи углеводородного сырья на шельфе, характеризующихся высокой стоимостью, безусловно, актуальны.
Необходимо отметить, что в отечественной практике до настоящего времени не существовало общепризнанных методов формирования или проектирования обслуживающих флотов. Преимущества комплексного проектирования морской техники для конкретных МБУ очевидны, т.к. в этом случае появляется возможность заранее определять требуемые типы обслуживающих судов, оптимизируя обслуживающий флот по составу, минимизируя затраты на их создание и эксплуатацию. При таком подходе возникает также возможность оценки ряда вариантов состава обслуживающего флота, что весьма важно, поскольку проблема обслуживания морских буровых установок должна решаться исходя из общей эффективности работы флота, а не отдельных судов.
Несмотря на спрос на рынке, в настоящее время отечественные судостроители оказались еще перед одной серьезной проблемой. Дороговизна рабочей силы, невыгодные с финансовой точки зрения условия
размещения заказов и постоянные срывы сроков выполнения заказов ставят наши предприятия в затруднительное положение. Эта ситуация назревала на протяжении уже многих лет и сейчас в условиях международной конкуренции, которая ужесточается год от года, необходимыми условиями выживания и успешной работы судостроительной отрасли России на мировом рынке видятся:
Значительное уменьшение себестоимости проектирования и постройки за счет снижения их трудоемкости (в 2-3 раза);
Уменьшение сроков создания судов (в 1,5—2 раза).
Этого можно достичь, например, путем реконструкции судостроительных предприятий, переводя их на новый уровень технической оснащенности, делая предприятия узкоспециализированными. Указанный путь широко обсуждался в 1997 году. Разрабатываемый в то время проект «Верфи Санкт-Петербурга» имел своей целью создание нового судостроительного завода, оснащенного по последнему слову техники, на территории ОАО «Северная верфь» и ликвидацию ОАО «Балтийский завод» и ФГУП «Адмиралтейские верфи», а также передачу занимаемых ими земельных участков в аренду. Экономическая выгода определенно существовала, однако вероятность полной потери судостроительной отрасли в Санкт-Петербурге была столь велика, что об этом проекте на некоторое время решили забыть.
Глобальная модернизация оборудования на судостроительных заводах не приобрела и не будет носить массовый характер, и, в данном случае, финансовые средства хоть и являются одним из первостепенных факторов, но не определяющим. Модернизация оборудования является необходимой основой стабильного бизнеса, но проходить она должна постепенно, чтоб не влиять на рабочий установившийся процесс и затраты на нее должны равномерно распределяться во времени. При постепенной модернизации,
однако, невозможен резкий переход на приемлемые показатели сроков и трудоемкости постройки продукции.
Другим путем сокращения трудоемкости и сроков создания морской техники является ускорение процесса проектирования, что может достигаться различными путями. Для одновременного сокращения трудоемкости и сроков создания судов очевиден один путь — это автоматизация отдельных технических процессов проектирования. При этом необходимо понимать, что только лишь автоматизация проектирования не приведет к троекратному снижению трудоемкости и двукратному снижению сроков создания судов, однако это одна из самых действенных мер и простых с точки зрения внедрения на производство.
Для достижения конкурентоспособности на мировом рынке российскому судостроению необходимо внедрять самые передовые технические достижения, потому что практика применения годами апробированного иностранными конкурентами оборудования и программного обеспечения не может вывести Россию на лидирующие позиции. Внедрение последних достижений науки и техники опять-таки упирается в вопрос ограниченного финансирования.
Для использования судостроительной отрасли на данный момент предлагается программное обеспечение различного уровня и сложности. За рубежом разработаны программные пакеты, позволяющие реализовывать процесс проектирования таким образом, чтобы одновременно вовлекались все участники проектирования, а вносимые изменения сразу были бы видны.
В нашей стране в судостроении наибольшее распространение получили системы Tribon и Foran, а для «ручного» черчения AutoCAD и Компас.
Важно отметить, что перечисленные программные продукты становятся полезны уже после того, как появляется общий образ судна, когда уже известны предварительные параметры проектируемого объекта.
Разработка проектов судов чаще всего начинается с подбора прототипа. Этот подход останется актуальным в отрасли еще на долгое время, но он уже не обеспечивает потребности в оперативности проектирования. Ситуация усугубляется также тем, что в 90-е годы прошлого столетия произошла потеря связи поколений инженеров в судостроительной отрасли, когда отрасль не получала пополнения из молодых кадров, т.е. опыт старшего поколения было попросту некому передавать. Судостроение за это время частично потеряло способность оперативного эскизного проектирования и до настоящего момента не смогло восполнить этот провал. Путем решения указанных проблем с наименьшими затратами в российской действительности может состоять в создании и использовании новых методов проектирования, а также разработка собственных программных продуктов, автоматизирующих процесс проектирования, которые реально способствовали бы принятию решений инженерами на всех стадиях проектирования, ускоряющих этот процесс и упрощающих его.
Целью предлагаемой диссертационной работы является разработка теоретических основ и создание практических методов для формирования и оптимизации количественного и качественного состава флота, обслуживающего добычу углеводородного сырья на шельфе, а также для предварительного определения характеристик входящих в этот флот судов, в обеспечение чего подлежали решению вопросы:
S определения необходимого количества судов различных типов, для
конкретного месторождения;
S целесообразности использования в составе флота
многофункциональных судов и определения оптимальной степени их универсализации; S выбора критерия оптимизации;
S определения основных элементов и характеристик судов входящих в обслуживающий морские буровые установки (МБУ) флот.
Рассматриваемый обслуживающий МБУ флот может иметь в своем составе следующие типы судов: буксиры, ледоколы, суда снабжения, спасательные и пожарные суда,
Базой для выполнения поставленных целей является проведение комплексного исследования опыта постройки, проектирования и эксплуатации судов, участвующих в обслуживании морских буровых установок.
В работе предлагается метод ускорения проектирования обслуживающего флота, который алгоритмизирует процесс на начальной стадии, когда необходимо определить состав флота и получить основные характеристики создаваемых судов.
Разработанный в диссертации метод формирования флота решает сразу несколько проблем проектирования на начальной стадии: позволяет материализовывать «идею» проектных решений судов обслуживающего флота (СОФ) в предварительные технические задания, проектировать оптимальный с финансовой точки зрения обслуживающий флот. При этом значения основных характеристик входящих в него судов предполагается уточнять в процессе дальнейшего проектирования.
В работе рассматриваются две задачи проектирования — внешняя и внутренняя. Во внешней задаче решаются вопросы определения и оптимизации состава обслуживающего флота, целесообразности создания многофункциональных судов обслуживания и определения основных технико-эксплуатационных характеристик судов, включаемых в техническое задание. Во внутренней задаче устанавливаются и анализируются связи между основными элементами и характеристиками судов рассматриваемых типов, требования к ним, а также особенности проектирования судов этих типов.
Были собраны данные по судам рассматриваемых типов (построенным, в основном, за два последних десятилетия). Созданная база данных в первом
приближении позволила осуществлять выбор элементов судна рассматриваемого типа судов по величине целевого эксплуатационного показателя (ЦЭП). Под ЦЭП судна здесь подразумевается характеристика судна, величина которой напрямую влияет на выполнение им основной функциональной задачи и количественно характеризует ее. В результате для проектируемого судна могут быть установлены основные размерения, коэффициенты формы корпуса, а также мощность энергетической установки. Далее для судна может быть оценена стоимость постройки и величина эксплуатационных расходов, которые пересчитываются на интересующий момент времени с учетом инфляции и прочих экономических факторов.
Метод предусматривает, что состав обслуживающего флота может быть различным и по количеству, и по номенклатуре судов. При этом заложена возможность определения оптимального состава флота. Необходимо отметить, что предусмотрена опция использования многофункциональных судов, и это также учитывается при оптимизации флота.
Научная достоверность полученных в работе результатов базируется на использовании в работе традиционных для проектирования судов методов исследований. Теоретической и методологической основой данной научной работы послужили теория корабля и теория проектирования судов. При формулировке и решении задач формирования и оптимизации состава обслуживающего флота использован аппарат теории массового обслуживания, линейного программирования, а также методов имитационного и аппроксимационного моделирования. В исследованиях технико-экономических параметров флота использовались аппарат интерполяционного анализа, теория сложных систем и методы экономической теории.
Анализировались доступные статистические материалы технических проектов судов прототипов, проработки, и техническая документация
конструкторских бюро отрасли, а также данные, накопленные эксплуатирующими организациями. В ходе работы выполнены:
Анализ технико-эксплуатационных требований к отдельным судам рассматриваемых типов, производимый на основании имеющихся отечественных и зарубежных статистических данных по морским буровым установкам и обслуживающим их судам;
Систематизация данных по существующим прототипам рассматриваемых типов судов и исследованием проблемы их многофункциональности;
Анализ особенностей проектирования комплекса СОФ;
Анализ стоимости постройки отдельных специализированных судов вспомогательного флота и многофункциональных судов обслуживания;
Сбор и анализ информации о стоимости эксплуатации рассматриваемых типов судов.
Относительно разработанности проблемы, исследуемой в диссертации, можно сказать, что существует достаточно большое количество работ, рассматривающих вопросы проектирования отдельных типов судов, однако работ по тематике проектирования флота судов для обслуживания МБУ обнаружить удалось единицы, не говоря уже об оптимизации подобного флота.
Основы теории проектирования судов развиты такими учеными как, например, Ф.Г. Чапман, Л.П. Эйлер, М.М. Окунев, Ж.О. Норман. Крупным вкладом в развитие теории проектирования судов позднее стали работы И.Г. Бубнова, К.П. Боклевского и В.Л. Поздюнина.
В дальнейшем исследования по теории проектирования судов были обобщены и развиты Л.М. Ногидом [83], [84], В.В. Ашиком [11], А.В. Бронниковым [21], [22], [23], [24]. Они не только подытожили опыт проектирования гражданских транспортных судов, но сформулировали
концептуальные проблемы внутренней и внешней задач проектирования, ими впервые в законченном виде представлены основы методологии проектирования судов и кораблей. В их работах содержится большое количество теоретического материала, который до настоящего времени актуален.
Много работ было посвящено особенностям проектирования различных типов судов, в том числе и рассматриваемых в диссертации типов. Так проектирование буксиров, буксирных устройств и эксплуатация этого типа судов рассмотрены в работах Б.В. Богданова, А.В. Слуцкого [13], В.Ф. Сидорченко [112] иМ.И. Спитковского [117].
Книга М.И. Спитковского [117] посвящена вопросам проектирования ряда типов судов, рассматриваемых в диссертации, описанию их устройств и архитектурно-конструктивных особенностей. К описываемым в книге типам, в том числе относятся буксиры, ледоколы и аварийно-спасательный суда. Эти типы судов, естественно, рассматриваются не во взаимодействии, а отдельно, поскольку именно описание проектирования каждого типа судов и являлось одной из приоритетных задач данного труда.
Описания методов выбора основных элементов ледоколов, эволюции проектных решений, вопросов ледовой ходкости судов приведены в исследованиях В.И. Каштеляна [56],[57], Б.П. Ионова [53], А.Н. Стефановича [118], Л.Г. Цоя [73], [131], [132].
Исследования Ионова Б.П. и Грамузова Е.М. [53] посвящены современным методам расчета ледовой ходкости и проектирования формы корпуса ледовых судов. В книге описаны результаты натурных исследований и исследований в ледовом бассейне, рассмотрены проблемы поворотливости ледоколов в различных условиях их работы.
Большую ценность имеют работы Л.Г. Цоя, который тесно сотрудничает с проектантами, судостроителями и эксплуатационниками ледоколов. В его книге [132], в частности, дана классификация ледоколов в
зависимости от их назначения и индивидуальных признаков. На основе многолетнего опыта и исследований им сформулированы широко известные рекомендации по выбору рациональных параметров формы корпуса, оценке ледопроходимости и потребной мощности энергетической установки ледоколов.
Особенности проектирования аварийно-спасательного флота и проектные основы определения характеристик таких судов обобщены в работах А.Н. Гуровича, А.А. Родионова [40], и В.Ф. Сидорченко [113]
Созданию судов снабжения в нашей стране уделялось не такое пристальное внимание, как упомянутым выше типам судов, однако и по этой тематике также велись работы. Так в исследованиях О.И. Лисагора, Ю.Н. Семенова [66], [67], П.К. Мелехова [79], И.П. Очевой [88] анализируются этапы развития, архитектурно-конструктивные особенности судов снабжения, характерные величины соотношений размерений и коэффициентов формы корпуса, характеристики судовых устройств, а также схемы и условия эксплуатации судов.
Базируясь на отечественном и зарубежном опыте, упомянутые работы достаточно полно раскрывают процесс проектирования судов, однако для осуществления проектирования и определения элементов по приводимым в них методикам необходимо наличие большого объема исходной информации, которая, как правило, недоступна на стадии начала разработки проекта.
Проектирование флота обслуживания МБУ в целом в научно-исследовательских работах нашло существенно меньшее отражение. В работах [66], [67] отмечается, что в обслуживающий МБУ флот должны входить помимо судов снабжения еще и буксиры, но эта идея не получила в них развития, поскольку не рассматривается оптимальность качественного и количественного состава флота, и не производится привязки к эксплуатации месторождений.
Созданию методологии проектирования комплекса транспортного обслуживания морских нефтегазопромыслов посвящены исследования А.Е. Горигледжана [37]. В состав комплекса транспортного обслуживания автор включает суда снабжения и обеспечения, танкеры-снабженцы, морские пассажирские суда. А.Е. Гориглежданом разработаны математические модели проектирования технических средств обслуживающего комплекса, а также предложена модель возможного функционирования комплекса технических средств доставки грузов и пассажиров на МБУ. Причем в части доставки пассажиров в работе проанализирован ряд возможных вариантов, прослежена связь между количеством пассажиров и водоизмещением пассажирских судов, а также рассмотрена возможность доставки пассажиров вертолетами. В работе [37] указывается, что около 90% перевозок сменных бригад в районе Северного моря осуществляется по воздуху. Оценку эффективности комплекса А.Е. Горигледжан рекомендует производить на основании минимальных годовых приведенных затрат.
Накопленный опыт формирования и эксплуатации рыбопромыслового флота, изложенный, в частности, В.И. Аполлинариевым [8], СИ. Логачевым [68, 69], а также исследования по обоснованию модели работы ледокольно-транспортного флота В.Г. Бугаева [25] могут служить примером подхода к решению задач проектирования флотов того или иного назначения.
Обеспечению освоения морских нефтяных и газовых месторождений посвящен целый ряд исследований, результаты которых докладывались на международных конференциях и издавались. Среди таких исследований необходимо отметить публикации В.А. Беляшова, Б.А. Вихмана, A.M. Григорьева, А.Д. Зимина [52], А.Б. Карташева, В.Н.Киреева, Г.К.Крупнова, В.А.Мацкевича, Б.Н. Мастобаева [78], В.В.Минина, Ю.Б. Могутина, О.П.Орлова, А.С. Портного, Ю.Н. Семенова [109], [ПО], [111], Ю.А.Симонова.
Ввиду того, что при создании средств обслуживания необходимым является также изучение самого обслуживаемого объекта, часть диссертационной работы посвящена обобщению накопленного опыта строительства и эксплуатации МБУ. В ходе исследовании по тематике освоения морских месторождений были обобщены данные об эволюционном развитии и потребностях в обслуживании МБУ, что служит базой для более детальной проработки вопросов проектирования СОФ.
Вопросам оптимизации решений всегда уделялось большое внимание, подобные задачи в проектировании судов формулировались еще в работах Л.М. Ногида и В.В. Ашика. Заметный вклад в формирование оптимизационных моделей в судостроении был сделан Пашиным В.М., Гайковичем А.И. и Поляковым Ю.Н [30], [90], [91], [92]. Проблема выбора критерия эффективности судна исследовалась также в работах Захарова И.Г. и Краева В.И. [50],[64].
В книге В.М. Пашина [90] обобщен опыт в области оптимизации судов, рассмотрены модели системной оптимизации характеристик, указываемых в задании на проектирование, и элементов судна.
Гайкович А.И в [30] рассматривает задачу оптимизации флота. В книге им впервые рассматривается пример оптимизации флота судов снабжения МБУ с использованием аппарата теории массового обслуживания с учетом штрафов за простой (метод нетарифных функций).
Экономическому обоснованию проектных решений, рассмотрению системы показателей экономической эффективности транспортных судов, методикам определения этих показателей, обнаружению связей основных технико-эксплуатационных характеристик и экономических показателей судов посвящены также работы Б.М Смирнова [115], Н.И. Третникова, Н.П.Любущина, В.А. Бируля, А.Ф. Иконникова [126]. Наибольший интерес вызывают в этих работах описания методов расчета экономической эксплуатационной эффективности судов. Использовать названные работы
при расчете конкретных величин не представляется возможным, поскольку они отражают специфику планового хозяйства СССР, но после определенных корректировок общий подход к рассмотрению вопросов экономического обоснования не теряет актуальности и в нынешнее время.
Анализ моделей функционирования флота показывает, что при проектировании обслуживающего МБУ комплекса должно учитываться взаимодействие входящих в него технических средств и особенности функционирования каждого из них.
Подытоживая вышесказанное, можно еще раз констатировать, что проблема проектирования флота судов обслуживания не была решена к настоящему моменту, поскольку известные работы не раскрывали и не исследовали ряда вопросов. Для этого требуют решения следующие проблемы:
флот судов обслуживания должен рассматриваться состоящим из любых судов указанных выше типов;
- должна решаться задача обслуживания нефтепромыслов в замерзающих морях;
должен быть произведен анализ возможностей использования отдельных СОФ для обслуживания ими нескольких буровых установок;
должен быть произведен вариационный анализ использования многофункциональных СОФ;
требуется разработка методики расчета стоимостных параметров СОФ;
состав обслуживающего флота необходимо определять в оптимизационной постановке.
Анализ приведенных в упомянутых работах методов проектирования СОФ и формирования различных флотов позволил сделать вывод о необходимости продолжения исследований в данной области с целью их
дополнения и модернизации на основании обновленных баз данных, а также нормативных материалов.
В работе решен ряд проблем, и эти решения обладают признаками научной новизны:
S разработан метод формирования флота СОФ в оптимизационной постановке;
S разработана методика проектирования рассматриваемых СОФ упомянутых типов в первом приближении;
S предложен критерий NLr для определения ледопроходимости ледокола и последующего выбора его элементов;
S для первого приближения разработана методика определения параметров многофункциональных судов;
S формализован принцип определения рациональной степени универсализации судов рассматриваемых типов из условий конкретных месторождении и их географического местоположения;
S создан метод определения необходимого количества судов обслуживания, опирающийся на возможные физические модели функционирования СОФ;
S использован аппарат теории массового обслуживания для проверки работоспособности формируемого флота обслуживания МБУ при определении необходимого количества судов данного флота;
S разработан метод определения строительной стоимости рассматриваемых судов обслуживания МБУ;
S разработан метод оценки и прогнозирования величин эксплуатационных затрат судов рассматриваемых типов;
S предложен метод применения индексов цен производителей в качестве коэффициентов-дефляторов для приведения разновременных затрат к единому уровню.
Индексы цен производителей для пересчета стоимости объектов на интересующий момент ранее не использовались в отечественном судостроении, но они оказываются весьма полезными, в случае если приведение стоимости необходимо сделать за интервал нескольких лет, так как разница в цене оказывается весьма существенной и не учитывать ее нельзя. Коэффициенты-дефляторы и предлагаемый в работе метод их применения можно использовать и в других подобных задачах. Получена возможность пересчета известной стоимости прототипа на интересующий момент времени.
Таким образом, в работе создан комплексный метод формирования флота обслуживающих судов, который позволяет также получать проектные характеристики отдельных судов.
Следует отметить, что разработанный в диссертации метод не ориентирован на определенное месторождение и конкретный тип буровой установки, а может использоваться для любых типов МБУ, при этом результат оптимизации обслуживающего флота поставлен также в зависимость от местоположения проведения буровых работ.
Практическая ценность работы состоит, прежде всего, в ее прикладном характере, поскольку она направлена на использование ее результатов в практике конструкторских бюро и НИИ, содержит конкретные проектные рекомендации, методики проектных расчетов.
По своему содержанию работа делится на шесть глав, что объясняется поэтапностью самого процесса формирования флота и смысловой очередностью исследовательской работы:
1) Первая глава посвящена анализу состояния и особенностей морской нефтедобывающей отрасли.
Рассмотрены различные типы МБУ, наиболее часто встречающиеся в мировой практике, причины и история их появления. Описаны потребности в обслуживании каждого типа МБУ, определены необходимые
технологические операции. Показано, каким образом тип платформ влияет на объем работ по обслуживанию МБУ, осуществляемый флотом обслуживающих судов.
Приводятся и сравниваются осредненные показатели расхода технологических запасов на различных типах МБУ, которые используются в работе для формирования физических моделей функционирования обслуживающего флота и расчетов нагрузки судов снабжения.
Показано, как в зависимости от типа МБУ могут быть изменяются среднестатистические номенклатура и объемы технологических запасов, доставляемых на МБУ.
В результате рассмотрения процесса обслуживания МБУ и
формулирования соответствующих задач были определены основные
необходимые типы судов, обеспечивающих бесперебойное
функционирование МБУ. В рамках работы проанализированы особенности каждого из типов обозначенных судов, которые необходимо учитывать при их проектировании и иметь в виду при реализации универсализации судов, а также при определении их необходимого количества.
Большую актуальность в настоящее время приобретают многофункциональные суда, что подтверждается данными об эксплуатируемых судах обслуживания, поэтому рассмотрению особенностей многофункциональных судов посвящен отдельный раздел. Это сделано с целью создания и выработки общих принципов, которыми следует руководствоваться судостроителям и проектантам при выполнении подобных заказов. Об успешности таких проектов свидетельствуют существующие прототипы, описания которых приведены в главе.
По результатам анализа современного состояния мирового флота обслуживающих судов сформированы статистические базы данных, включающие основные параметры и характеристики таких судов, что
позволило затем реализовать представляемую далее методику проектирования судов обслуживающего флота.
Во второй главе описывается разработанная методика проектирования специализированных и многофункциональных СОФ, позволяющая установить проектные характеристики каждого из рассматриваемых типов судов обслуживающего комплекса. Приводятся расчетные примеры и сводные таблицы характеристик однотипных судов, построенных за два последних десятилетия.
Третья глава посвящена методике определения необходимого количества судов обслуживания. Глава делится на несколько частей, первая из которых содержит описание физических моделей функционирования СОФ, вторая - алгоритм определения количества судов на основании физической возможности выполнения ими поставленных перед флотом задач, третья — проверочный цикл, построенный на использовании аппарата теории массового обслуживания, позволяющий испытать проектируемую систему обслуживания на работоспособность.
В четвертой главе разработан метод определения стоимостных характеристик флота: стоимости постройки и стоимости эксплуатации. В методе определения строительной стоимости предусмотрена возможность его использования для многофункциональных судов. В главе также приводится алгоритм приведения уровня разновременных затрат к настоящему единому времени.
Пятая глава дает описание метода оптимизации типового состава и количества судов. Задача оптимизации решается через определение зависимостей между экономическими показателями и параметрами функционирования. При необходимости выбора варианта оптимального отдельного судна или состава флота процесс сравнения в ситуации с СОФ предлагается осуществлять на основании минимума капитальных вложений и
(или) эксплуатационных расходов при одинаковой функциональной нагрузке вариантов.
6) Шестая глава содержит алгоритм, математическую модель метода формирования флота обслуживающих МБУ судов, представлено описание и руководство по использованию методик, созданных в диссертации, а также подытожен материал предыдущих глав.
В данной работе создан метод проектирования обслуживающего флота, который позволяет решить задачу начального этапа формирования обслуживающего флота и установить ориентировочные данные о количестве и типах судов, требуемых для обслуживания МБУ. Разработанный метод дает возможность также материализовать «идеи» судов обслуживающего флота, в предварительную модель или техническое задание, где будут определены значения основных параметров и характеристик выбранных судов. Оптимизация состава флота осуществляется на основании критерия минимальных экономических затрат.
На основе метода формирования и оптимизации состава обслуживающего флота была разработана программа для ЭВМ. Создание такого программного продукта дало возможность апробировать методы и результаты диссертационной работы на практике.
Результаты научных исследований использовались при выполнении НИР, связанных с выполнением ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова» плановых работ по тематике гражданского судостроения. В частотности нашли применение методы определения количества судов обслуживания, определения стоимости проектируемых судов и оценки величины эксплуатационных затрат.
Методические положения и основные тезисы, изложенные в диссертации, использовались в «Санкт-Петербургском государственном
морском техническом университете» в качестве лекционного материала для студентов по курсам дисциплин проектирования гражданских судов.
При выполнении работ над проектами ОАО «ЦКБ «Айсберг» применялись результаты исследований: совместно с сотрудниками предприятия производились расчеты элементов проектируемых судов, при этом был обнаружен ряд закономерностей, характерных для судов, решающих помимо ледокольных дополнительные задачи; а также был использован предложенный метод расчета эксплуатационных расходов для определения статей соответствующих затрат проектируемых судов.
Внедрение результатов диссертационной работы на ОАО «Балтийский завод», ОАО СЗ «Северная верфь» заключается в принятии к применению расчетных методов определения строительной стоимости судов на ранней стадии их создания, а также методов прогнозирования эксплуатационных расходов.
Предметом защиты является совокупность результатов научных исследований, включающих общий метод формирования и оптимизации состава флота судов обслуживания МБУ, а также прикладные, частные методики и алгоритмы определения проектных и стоимостных характеристик судов, являющиеся составными частями основного метода.
Развитие обслуживающего флота. Состав обслуживающего флота
Как было отмечено в предыдущем параграфе, с развитием морской техники происходило постепенное расширение модельного ряда типов и техническое совершенствование МБУ.
В процессе освоения недр мирового океана определились глубины моря, на которых целесообразно использование различных типов буровых установок и буровых судов [17]. Тип используемого бурового оборудования, состав и средства обустройства морских буровых сооружений, их компоновка и последовательность возведения зависят от природно-климатических условий.
Прогресс в данной отрасли, очевидно, продолжится, и появятся новые вариации и решения, однако для выделения и характеристики работ по обслуживанию морских месторождений и МБУ вполне достаточно накопленной к настоящему моменту информации. Несмотря на множество разновидностей МБУ, их объединяют выполняемые работы, состав имеющегося на них оборудования, способы позиционирования.
Принципиально все МБУ по способу их позиционирования над местом бурения можно разделить на три типа [26], [79]: 1) Самоподъемные МБУ (рис. 1.7) 2) Полупогружные МБУ (рис. 1.8) и буровые суда (рис. 1.9) 3) Стационарные буровые платформы (рис. 1.10)
В зависимости от типа буровой установки по данной классификации будет определяться и номенклатура функций выполняемых обслуживающим их флотом.
Отличительной особенностью самоподъемных МБУ (СПБУ) является осуществление их стабилизации в процессе бурения за счет подъема понтона, на котором расположены необходимое оборудование и механизмы, выше поверхности воды на колоннах, упирающихся в грунт. Подъем понтона осуществляется с помощью специальных механизмов. Для обеспечения морских переходов понтон должен обладать плавучестью, остойчивостью, непотопляемостью и другими качествами с учетом поднятых опорных колонн, длина (высота) которых может достигать 100 м и более. СПБУ используются для глубин, не превышающих 90-100 м, поскольку дальнейшее увеличение глубины моря приводит к существенному возрастанию массы опор, стоимости установок, усложнению работ по их транспортировке и установке в месте бурения.
Главными преимуществами СПБУ являются полное отключение понтона от поверхности моря, что обеспечивает независимость проведения буровых работ от волнения, а также сравнительно невысокая стоимость постройки. К недостаткам этих МБУ следует отнести большую массу и металлоемкость опорных колонн, вследствие чего возникают ограничения по возможной глубине их использования.
Полупогружные МБУ (ППБУ) и буровые суда (БС) используются на глубинах моря от 200—300 м и удерживаются в месте бурения за счет якорей или систем динамического позиционирования.
Разведка и бурение во льдах с помощью плавучих средств экономически нецелесообразны [123], и поэтому необходимо использовать конструкции, опирающиеся на дно.
Стационарные буровые платформы (СБП) на сваях можно применять только на небольших глубинах. Платформы представляют собой ферменную конструкцию, имеющую в плане прямоугольную форму. На этой конструкции монтируются модули с механизмами, буровым оборудованием, жилыми помещениями.
Разновидностью СБП можно считать ледостойкую морскую стационарную платформу. Находящиеся в эксплуатации полупогружные платформы не приспособлены для бурения в арктических районах, так как не рассчитаны на воздействие льда, возможность обледенения, работу при низких температурах.
К недостаткам СБП, устанавливаемых на сваях, можно отнести необходимость забивки значительного количества свай для обеспечения надежного закрепления на грунте, монтаж в море верхнего строения, большую подверженность коррозии и необходимость прокладки подводных трубопроводов к береговой базе или сооружения отдельных нефтехранилищ, поскольку емкостей для хранения нефти на СБП не предусматривается. Отмеченных недостатков лишены гравитационные платформы (подтип СБП), так как удерживаются на грунте под действием собственной массы. Материалом их корпуса служит сталь или железобетон, а размеры позволяют использовать платформы в качестве хранилищ нефти.
К недостаткам гравитационных платформ относится необходимость тщательной подготовки дна в месте их установки. Особое внимание уделяется опасности аварий, которые могут возникать при разжижении грунта, оползневых явлениях, чрезмерных просадках платформы, сдвиге грунта, его поверхностной и внутренней эрозии, местных размывах и др. Гравитационные платформы устанавливаются на глубинах до 150 м.
В зависимости от вида и типа МБУ средние значения технологических запасов, необходимых для бурения скважин, работы ЭУ и экипажа приведены в табл. 1.1(a). С увеличением глубины моря, при которой эксплуатируются МБУ, количество запасов увеличивается. Больше всего имеют запасов буровые суда, которые, оборудованы системой динамической стабилизации, требующей повышенного расхода топлива [123].
Доставка технологических запасов осуществляется в основном судами , снабжения и обеспечения, которые целесообразно проектировать под конкретные МБУ, и поскольку они должны иметь достаточные грузовые помещения и погрузочные места. Тем не менее, часто возникают ситуации, когда техническое предложение формируется без определения конкретной МБУ. Для такого случая в данной работе были проанализированы характеристики вместимостей судов обслуживания СПБУ и ППБУ, после чего были определены процентные соотношения по видам доставляемых грузов, что и представлено в табл: 1.1(6).
Выводы по главе. Методика проектирования СОФ в первом приближении
В данной главе был предложен метод определения основных характеристик рассмотренных типов судов обслуживающего флота МБУ, включая главные размерения, коэффициенты формы корпуса и мощность ЭУ. Это стало возможным после составления значительной базы данных по исследуемым типам отечественных и зарубежных судов. Для каждого из рассмотренных типов судов предложен ЦЭП, отражающий в наиболее полной мере назначение и функциональные свойства каждого типа судна и определяющего важнейшие проектные характеристики такого судна.
Приводимая и описываемая в главе методика апробирована на конкретных примерах и оценке существующих судов. Результаты расчетов дают приемлемую сходимость.
Полученные зависимости для нахождения основных проектных характеристик СОФ могут использоваться и при формировании флота и на начальных стадиях проектирования судов рассмотренных типов. При проектировании судов любого назначения первоначально формулируются задачи, которые должны решать рассматриваемые суда, и конкретизируются интервалы тех предельных величин элементов и характеристик судов, которые должны быть обеспечены в результате этого проектирования. Эффективность обслуживающего МБУ флота в значительной мере зависит от соответствия его характеристик выполняемым функциональным задачам и условиям эксплуатации. К важнейшим в ряду определяемых характеристик относится, в числе прочих, и количество судов каждого типа.
В рассматриваемой методике определения количества судов предполагается, что в обслуживании могут быть заняты буксиры, ледоколы, аварийно-спасательные (пожарные и спасательные) суда, суда снабжения и их модификации.
Созданный здесь математический аппарат при заданных внешних условиях позволяет произвести предварительное формирование флота обслуживающих судов. Задача определения необходимого количества судов обслуживающего флота, способного выполнить планируемые объемы работ, решается в несколько этапов. Симплифицированно алгоритм расчета можно представить в следующем виде: 1. Выбор физической модели функционирования; 2. Определение количества судов на основе физической потребности морских буровых установок (МБУ) в обслуживании; 3. Определение (проверка) достаточности количества судов обслуживания с использованием теории массового обслуживания (ТМО). Для определения состава комплекса обслуживающих судов необходимо определить физическую модель функционирования СОФ. Исследованиями в данной области занимались специалисты ЦНИИ «РУМБ» и ЦНИИ им. акад. Крылова, такие как Г.К. Крупнов, В.В. Минин, Н.Г. Иванова. Данные исследования на основе имеющихся наработок развивают идею использования физических моделей функционирования флота и служат ее логическим продолжением. В случае обслуживания МБУ физические модели функционирования судов могут быть разделены на следующие: 1) Судно выходит к месту назначения для выполнения поставленных задач, после выполнения работ. По такой модели работают, например, суда снабжения, ледоколы. 2) Судно выходит к месту выполнения работ, после выполнения поставленного объема работ в одном районе, не заходя на базу, переходит в другой район. При этой модели требуется периодическое снабжение судна различными запасами. По такой модели могут работать буксиры, аварийно-спасательные суда. На основании общих физических моделей разрабатываются описательные модели, представляющие перечень операций, которые должны выполнять суда для достижения ставящихся целей. Описательные модели формализуются математическими зависимостями, позволяющими в дальнейшем рассчитать временные режимы функционирования судов и определить необходимое количество судов. При работе судна по первой из вышепредставленных физических моделей процесс функционирования разбивается на временные интервалы: Тр — время условного рейса судна, сут.; Тпер — время переходов в назначенные районы, сут.; п — число районов; Тподг — время, затрачиваемое на подготовительные операции, сут.; Тож — время ожидания благоприятных гидрометеоусловий для переходов или работы, сут.; Тст — время стоянок, сут. При работе судна по второй физической модели время рейса составит
Определение количества судов на основе физической потребности МБУ в обслуживании
Физическая потребность в обслуживании МБУ, по каждому из типов судов определяется на основании различных эксплуатационных факторов, поэтому единой модели для вех типов судов создать нельзя. Для каждого типа судов модель определения необходимого количества судов подчинена в первую очередь реализации основной задачи, возложенной на конкретный тип судов. 1) Определение количества буксиров В качестве исходной информации в расчетах, выполняемых для определения количества буксиров, используются: тип обслуживаемых объектов; количество обслуживаемых объектов; периодичность вызова буксиров; необходимая для буксировки (удержания) объектов тяга; скорость и расстояние буксировок; глубина моря в месте постановке якорей. Тяга, необходимая для обеспечения тяговых усилий при работе с якорями Ря может быть определена по следующей зависимости, предложенной Ю.Б. Могутиным, Э.Е. Шабловой: где h — глубина якорной постановки, м; q — калибр якорной цепи, мм. Требуемая тяга определяется также исходя из размеров и характеристик буксируемых объектов.
Чаще на момент начала проектирования буксира величина тяги уже известна. При заданной тяге для определения мощности буксира в первом приближении можно воспользоваться зависимостью: Число буксиров щ может быть установлено по следующей зависимости: где ЦЭПбуксиров - целевой эксплуатационный параметр обслуживающего флота для буксиров (требуемая для выполнения буксирных операций и удержания тяга), т; Р - тяга на гаке буксира, т. 2) Определение количества ледоколов В качестве исходной информации в расчетах, выполняемых для определения количества ледоколов, используются: многолетняя круглогодичная гидрометеорологическая и ледовая ситуация; количество обслуживаемых объектов; размер освобождаемых ото льда территорий; периодичность вызова ледоколов. Количество ледоколов может быть определено из условия выявления преодолеваемой толщины льда, времени его образования и времени необходимого на его прохождение ледоколами (при этом необходимо помнить, что поддержание проходимости канала гораздо легче реализуемо, чем прокладка нового): где tlo — время, за которое на чистой воде образуется ледовый покров заданной толщины, сут.; 1ло — ледовый путь, который подлежит очистке ото льда, миль; 1перех - расстояние, проходимое по чистой воде, миль; v,ed — скорость ледокола, при движении во льдах заданной толщины, уз; vnepex — скорость на чистой воде, уз; плед — количество ледоколов. 3) Определение количества противопожарных судов В качестве исходной информации в расчетах, выполняемых для определения количества пожарных судов, используются: количество и характеристики обслуживаемых объектов; местоположение объектов относительно места базирования пожарного судна.
Требуемую производительность пожарных насосов (если она задана неявно) можно оценить путем расчета массы воды, необходимой для проведения противопожарной операции, по зависимостям (3.8) и (3.9), предложенным Ю.Б. Могутиным, В.Г. Гапоненко. где те — количество воды необходимое для создания экрана, поглощающего тепловыделение от горящего факела, т; qg — дебит скважины по газу, т; W — удельная теплота сгорания газа, кДж/т; Св — удельная теплоемкость воды, кДж/(т С); tB — температура воды в системе, С; кр — коэффициент рассеивания, учитывающий потери воды вследствие воздействия гидрометеорологических условий где тм - количество воды необходимое для охлаждения металлоконструкций, находящихся в очаге огня, т; км — коэффициент, учитывающий долю теплоты, идущей на нагрев металлоконструкций; R — расчетное расстояние от объекта до места дежурства пожарного судна, миль; Vs — скорость хода пожарного судна, уз; Торг — затраты времени на подготовительные работы, ч; Т— время, в течении которого производится охлаждение конструкций, чтобы обеспечить высадку аварийной партии, ч; tk — температура, до которой требуется охладить металлоконструкции, С; tM — температура металлоконструкций до начала пожара, С. Необходимо также учитывать то, что для эффективной ликвидации пожара должно работать не менее двух пожарных судов для обеспечения полного охвата очага пожара. Таким образом, количество судов будет определяться решением системы где nnc — количество пожарных судов; p - плотность воды используемой для тушения, т/м ; QncJ — производительность пожарных средств пожарного судна, м /ч; Qmpe6 - требующаяся производительность всех пожарных средств для эффективной борьбы с огнем, м3/ч. 4) Определение количества спасательных судов В качестве исходной информации в расчетах, выполняемых для определения количества спасательных судов, используются: численность персонала на обслуживаемом объекте; местоположение объектов относительно места базирования спасательного судна. В случае, когда бедствие терпит один объект, число спасательных судов может быть определено следующим образом
Определение строительной стоимости специализированных судов обслуживающего флота
Чаще всего в подобном случае используется индекс CPI (индекс потребительских цен), которым измеряются цены неизменной по составу потребительской корзины. При расчете этого индекса определяются элементы рыночной корзины в базовый год, и их веса остаются неизменными в последующие годы. CPI служит важным показателем инфляции.
Еще один индекс цен — GDP Deflator (дефлятор ВВП) - лучше, чем CPI приспособлен для измерения уровня цен всех товаров, входящих в ВВП; внутренний валовый продукт в постоянных ценах; показатель является альтернативным индексу потребительских цен для выявления инфляционного давления в экономике. Преимущество данного показателя по сравнению с индексом потребительских цен в том, что он рассчитывается не на основе фиксированной корзины товаров и услуг, и, таким образом, позволяет контролировать любые изменения, зависимые от предпочтений потребителей, а также от появления новых товаров и услуг; рост показателя влечет за собой повышение процентных ставок.
Индекс цен производителя (Producer Price Index (PPI)) — измеряет среднее изменение во времени цен продажи продукции, устанавливаемых домашним производителем. Данные, включаемые в этот индекс, начинаются с первого коммерческого упоминания или сделки и предоставляются для множества продуктов и услуг. Этот индекс содержит, например, данные уровня цен судостроения, судоремонта и фрахта судов (см. приложение А).
Для пересчета строительной стоимости судов при анализе статистики в данной методике был использован коэффициент PPI для судостроения, а для пересчета эксплуатационных затрат использовались коэффициенты уровня цен фрахта судов. Индекс GDP Deflator носит более общий характер, но он более прост в использовании, т.к. ряд Интернет сайтов предлагают пересчет по данному индексу автоматически . При этом стоит обратить внимание на то, что различные индексы дают разные суммы при пересчете. GDP Deflator, по мнению [153], по сравнению с CPI точнее отражает картину цен в общем случае пересчета цен.
Существует большое количество индексов для пересчета цен за различные годы, для каждой конкретной ситуации необходимо решать вопрос применимости. При выборе индекса пересчета необходимо руководствоваться множеством особенностей конкретного продукта. Для судостроения наиболее подходящими являются индексы PPI, приведенные в приложении А, т.к. они имеют узкую специализацию и отслеживают с достаточной степенью точности уровень цен отрасли. Определение стоимости судна традиционно ведется путем суммирования затрат по калькуляционным статьям: 1) материалы, полуфабрикаты и готовые изделия; 2) заработная плата производственных рабочих; 3) накладные расходы; 4) контрагентские работы и поставки; 5) прочие прямые затраты. Необходимо иметь ввиду, что в качестве исходных документов для составления сметной калькуляции служат рабочие чертежи на постройку судна, ведомости заказа и технологическая документация. Определение стоимости судов на начальном этапе проектирования в разные годы осуществлялась различными способами. В частности, разработкой методов определения стоимости судов в советское время занимались специалисты ЦНИИ «Румб». Ими составлялись и регулярно корректировались нормативные документы, которые содержали конкретные директивы по расчету интересующих показателей. С переходом нашей страны к рыночной экономике эти работы прекратились. Предлагаемый ниже метод определения строительной стоимости является результатом анализа мировых тенденций и национальных особенностей формирования цены на различные типы судов. Для рассматриваемых в работе СОФ, учитывая их специфику, о чем говорилось выше, на основании статистических данных были построены зависимости «стоимость постройки - мощность» (рис. 4.1 - рис. 4.5). Стоимостные данные были приведены к единому уровню цен 2007 года, при этом использовался индекс пересчета PPI для судостроения, судостроения и судоремонта, а также близких отраслей (см. приложение А). Ввиду того, что вариантов достижения многофункциональности существует достаточно большое количество, при том, что однотипными они не являются, и возможности получения адекватной для всех зависимости нет, было принято решение о создании нового метода определения строительной стоимости универсальных судов. Варианты достижения многофункциональности судов рассматривались в предыдущих главах. На основании полученных ранее выводов и базируется построение метода определения строительной стоимости многофункциональных судов. Стоимость многофункциональных судов будем определять иначе, чем для обычных судов, поскольку имеющиеся статистические данные не позволяют построить устойчивые зависимости. Стоимость многофункционального судна предполагается определять как стоимость базового судна, увеличенную на величину учитывающую получение базовым судном конкретной дополнительной производственной функции. Как уже отмечалось в предыдущих главах, обслуживающий МБУ флот рассматривается состоящим из пяти типов судов: буксиров, ледоколов, судов снабжения, пожарных и спасательных судов. При проектировании многофункциональных судов будут определяться базовые суда, которыми в данном случае могут быть буксиры, ледоколы и суда снабжения в зависимости от конкретного случая функциональности. В работе использовалась модель прогнозирования стоимости постройки рассматриваемых типов судов в зависимости от их мощности, однако при сочетании нескольких функций на базе одного судна такой подход неприменим, т.к. не может быть спрогнозирована даже приблизительная стоимость многофункциональных судов. Так, например, строительная стоимость многофункционального ледокола Botnica в 1998 году составила $58 млн. ($75,8 млн. в пересчете на настоящее время), а прогнозируемая стоимость создания судна на базе ледокола с теми же характеристиками в данный момент составила бы около $67,8 млн., что на 11% дешевле. Таким образом, возникает задача оценки стоимости каждой из возможных функциональных нагрузок, и прогнозирования увеличения общей стоимости базового судна при увеличении его функциональности.
