Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса назначения режима эксплуатации судна и его силовой установки
1.1. Практика назначения режима эксплуатации судов Российского морского флота 13
1.2. Практика назначения режима эксплуатации судов зарубежного морского флота 20
1.3. Постановка задач исследования 27
Выводы по главе 1 30
Глава 2. Методика оптимизации скоростного режима эксплуатации судна и назначения режима эксплуатации силовой установки
2.1. Составляющие задачи оптимизации. Тарифы на перевозку грузов 31
2.2. Расчет скоростного режима судна и параметров эксплуатации главного дизеля с учетом характеристик судовой энергетической установки и внешних условий 35
2.2.1. Расчет одного перехода судна при заданном времени на переход : 36
2.2.2. Расчет одного рейса судна при заданной скорости хода 38
2.2.3. Расчет оптимального режима эксплуатации судна по Критерию максимальной прибыли 39
2.3. Программы для выбора режима эксплуатации судна и его силовой установки 47
2.3.1. Программа "Trip" расчета одного перехода судна 47
2.3.2. Программа "Voyage" расчета одного рейса судна при заданной скорости хода з
2.3.3. Программа "Optima" расчета одного рейса судна по критерию максимальной прибыли 50
2.4. Оценка влияния внешних факторов на параметры оптимального режима по стандартным данным танкера Dw= 150 000 тонн 53
Выводы по главе 2 64
Глава 3. Экспериментальные исследования в целях получения и уточнения исходных параметров для решения задач оптимизации
3.1. Обеспечение надежной работы главного судового дизеля при
работе на сниженных скоростях хода 66
3.1.1. Цели и процедура применения малых ходов судна 66
3.1.2. Технические аспекты при длительной работе на малых нагрузках 68
3.1.3. Рекомендации по эксплуатации главных дизелей WartsilaRTA 71
3.1.4. Рекомендации по эксплуатации главных дизелей MAN Diesel & Turbo МС и МС-С 74
3.2. Эксплуатационные испытания танкера «Литовский проспект» 77
3.2.1. Задачи эксплуатационных испытаний 78
3.2.2. Краткая характеристика танкера «Литовский проспект» и его силовой установки 79
3.2.3. Особенности конструкции главного дизеля 80
3.2.4. Измерительная аппаратура, погрешности измерений 82
3.3. Результаты испытаний главного дизеля 5S70MC-C 83
Выводы по главе 3 86
Глава 4. Решение практических вопросов назначения скоростных режимов судов и оценки параметров работы силовой установки
4.1. Анализ качества регулирования главного дизеля танкера «Литовский проспект» по результатам его испытаний 88
4.2. Оценка влияния параметров работы энергетической установки и внешних факторов на параметры оптимального режима эксплуатации танкера «Лиговский проспект» 92
4.3. Разработка стандартных решений по режимам эксплуатации главных двигателей крупнотоннажных танкеров 100
4.3.1. Основные факторы, определяющие погрешность оценки параметров оптимального режима работы силовой установки 100
4.3.2. Оценка численной величины погрешности, вносимой основными допущениями при расчете стандартного рейса 102
4.3.3. Оптимальные режимы эксплуатации отечественных судов танкерного флота на основных направлениях плавания 106
4.3.4. Оценка экономического эффекта от оптимизации скоростных режимов судов по критерию максимальной прибыли 111
Выводы по главе 4 112
Заключение 114
Список использованной литературы
- Практика назначения режима эксплуатации судов зарубежного морского флота
- Расчет скоростного режима судна и параметров эксплуатации главного дизеля с учетом характеристик судовой энергетической установки и внешних условий
- Технические аспекты при длительной работе на малых нагрузках
- Оценка влияния параметров работы энергетической установки и внешних факторов на параметры оптимального режима эксплуатации танкера «Лиговский проспект»
Введение к работе
Актуальность работы
Задача повысить экономичность эксплуатации судов морского флота и получить прибыль в условиях снижения тарифных ставок на перевозку грузов и возрастания цены на бункер заставляет судовладельцев снижать эксплуатационные расходы за счет снижения скорости движения судов.
Известно, что основная статья затрат любого судна - это расходы на топливо. В настоящий период цены на бункерное топливо IFO-380 - основное топливо для энергетических установок судов морского флота - возросли в 2 раза по сравнению с 2009 годом (в 10 раз - по сравнению с концом 90-х годов) и практически достигли уровня 750 USD/т. При этом тарифы на перевозку грузов в 2009 году снизились по сравнению с 2008-м годом: для крупнотоннажных контейнеровозов - в 4 раза, для танкеров - в 3 раза. Все это не могло не сказаться на прибыльности отрасли морского транспорта не только России, но и всего мирового морского флота. Так согласно Интертанко в июле 2012 г. тайм-чартерный эквивалент (TCE) для танкеров типа VLCC снизился до отрицательной прибыли (при полном ходе). Сложившаяся ситуация привела к массовому снижению скоростей транспортировки грузов. Так, в 2012 году по сравнению с 2011 годом крупнотоннажный мировой танкерный флот снизил скорость хода на 10,7% , контейнеровозы - на 13,0%.
Исследованию вопросов назначения режима эксплуатации судов на сниженной скорости посвящено много научных работ, выполненых как отечественными специалистами так и экспертами из-за рубежа. В разное время этим вопросом занимались такие ученые как Камкин С.В., Винников В.В., Артемьев А.В., Кожу- харь В.И., Кириченко А.В., Скороходов Д.А., Белый О.Б., John E. Kokarakis, Леонов А.А., Эглит Я.Я. и др.
Однако при этом наблюдалась определенная «специализация» - при решении задачи судно рассматривалось или больше с коммерческой точки зрения, без детального учета последствий всех факторов длительной работы на малых ходах на силовую установку, или подробно изучались режимы работы главного двигателя без достаточно полной обработки результатов с точки зрения конкретного денежного выражения, особенно в долгосрочной перспективе. Таким образом, уровень снижения скорости хода судна устанавливался операторами без какого-либо экономического обоснования, без учета конкретных особенностей судна, его силовой установки, внешних условий. Эта практика сохранилась до настоящего времени. Такой подход к назначению режима эксплуатации судов морского флота приводит к снижению экономического эффекта - прибыли от эксплуатации судов.
Целью настоящей работы является создание методики, которая позволила бы решать задачу оптимизации скоростных режимов эксплуатации судов - назначать такие скорости движения судна и режимы эксплуатации его силовой установки (главного двигателя), которые приносили бы максимальную прибыль. Для решения этой проблемы необходимо:
создать методику расчета оптимального режима эксплуатации судна и его силовой установки по критерию максимальной прибыли с учетом данных судна, параметров рейса, тарифных ставок, цены на бункер, состояния силовой установки, внешних факторов;
разработать алгоритм и программную реализацию разработанной методики, позволяющую береговому оператору решать вопросы оптимизации режима эксплуатации судна в конкретном рейсе;
разработать технические и практические рекомендации, позволяющие реализовать длительную и надежную работу силовых установок на сниженных нагрузках;
оценить эффективность разработанной методики на основе экспериментальных исследований, на судне в процессе эксплуатационного рейса.
Объект исследования - судовая силовая установка. Под силовой установкой имеется в виду основной элемент судовой энергетической установки - ее главный двигатель (терминология принята в практике эксплуатации отечественного и зарубежного морского флота).
Предмет исследования - режим эксплуатации судовой силовой установки. Режим эксплуатации может быть выбран по разным критериям (к примеру, по условию минимальных удельных расходов топлива). В настоящем исследовании выбран критерий максимальной прибыльности, приносимой судном за оговоренный период времени (за год).
На защиту выносится:
методика расчета оптимального режима эксплуатации судна и его силовой установки;
алгоритм и программа расчета оптимального скоростного режима эксплуатации судна и режима эксплуатации судовой силовой установки;
результаты анализа параметров эксплуатации судов танкерного флота, полученные на основе разработанной методики с использованием итогов экспериментальных исследований и практические рекомендации по повышению эффективности технической эксплуатации судов на основных направлениях плавания.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждена использованием теоретических положений, имеющих широкую апробацию при научных исследованиях; применением методов статистической обработки исходных данных с получением подтверждения сходимости теоретических и экспериментальных зависимостей; практической реализацией результатов исследований, подтвержденной актом внедрения в одной из ведущих операторских компаний отечественного морского танкерного флота "SCF Unicom ".
Научная новизна исследований - применены положения оценки экстремума функции для решения практических задач назначения наиболее оптимального режима эксплуатации судна и его силовой установки, обобщены результаты статистических исследований по оценке различия нагрузки судовой силовой установки в грузу и в балласте и разработана научно-практическая методика по практическому ее применению, получены аналитические зависимости изменения удельных расходов топлива главного судового дизеля на оптимальных режимах технической эксплуатации.
Практическая ценность работы определяется:
внедрением разработанной методики по назначению режимов эксплуатации судна с помощью разработанных программ для общего случая планирования одного перехода, исходя из заданного времени на переход, или одного рейса, включающего в себя балластный и грузовой переходы, при заданной скорости хода и времени на переход;
возможностью оператора в каждом конкретном рейсе назначать скоростной режим судна и режим эксплуатации его силовой установки с точки зрения прибыльности с использованием разработанной программы счета;
использованием на действующих судах практических положений и рекомендаций, направленных на обеспечение надежности эксплуатации главных судовых дизелей на режимах со сниженными частотами вращения;
разработанная численная модель позволяет оперативно учесть изменение всех основных параметров (технического состояния силовой установки, корпуса судна, погодных условий, др.), их влияние на конечный результат, оценить потерю прибыли от изменения каждого параметра, обосновать необходимость очистки корпуса, регулирования главного дизеля, др.
Апробация работы. Итоги исследований внедрены в производственную деятельность компании «SCF Unicom», активно используются при назначении режимов эксплуатации судов Совкомфлота. По итогам работы делались сообщения на Техническом Совете «SCF Unicom», на расширенном заседании кафедры «Судовые тепловые двигатели» Судомеханического факультета Морского государственного университета имени адмирала Ф.Ф.Ушакова.
По материалам исследований опубликовано 5 работ, из них 2 - в периодических изданиях, поименованных в перечне ВАК, одна статья - в ведущем периодическом издании отрасли - журнале «Морской флот» (в перечень ВАК не входит), получено одно свидетельство о государственной регистрации программы расчета оптимального режима эксплуатации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой главе, заключения, содержит 149 страниц машинописного текста, в том числе рисунков - 23, таблиц - 15, 6 приложений на 28 страницах, списка использованной литературы из 65 наименований отечественных и зарубежных источников.
Практика назначения режима эксплуатации судов зарубежного морского флота
Коммерческая деятельность морского флота России осуществляется в соответствии с требованиями Международной Конвенции «Об унифицировании некоторых правил о коносаменте», Брюссель, 1924 год, и Конвенции Организации объединенных наций о морской перевозке грузов, Гамбург, 1978 год [24]. При знакомстве с литературными источниками, касающимися коммерческой эксплуатации судов отечественного морского флота ([2], [10], [15], др.), обращается внимание на достаточно скрупулезное описание требований к тем или иным элементам рейса судна, однако требования к скоростному режиму судов практически не затрагиваются. Так, в работе [1], на с.50-57 даются основные условия фрахтования судна на условиях чартера: - общие условия (дата, место заключения чартера, юридические данные сторон, характеристика судна, Классификационное общество); - требования к мореходности судна; - род груза, род упаковки; - количество груза (в штуках, в единицах массы или объема); - порты погрузки и выгрузки (оговариваются или конкретно, или с правом выбора); - безопасный порт - по природным, военным или санитарным условиям; - безопасный причал (если нет информации о причалах); - условие «всегда на плаву»; - условия «лейдейс - канцелинг» с оговоренными пределами подачи судна под погрузку и условиями об информации («нотисы»); - сталийное время (время погрузочно-разгрузочньгх работ); - демередж - штраф фрахтователя за задержку судна; - стайтмент - учет фактического времени на погрузку / выгрузку; - таймшит — документ учета фактического времени грузовых операций с расчетом сталийного времени, с исчислением суммы демереджа; - ставка фрахта за единицу объема, массы или штуки, за все судно или за отдельное грузовое помещение - важнейшее условие чартера, зависящее от рода перевозимого груза, его ценности, направления перевозки, расстояния и конъюнктуры рынка; - валюта фрахта - обычно в тех же единицах, что и ставка фрахта; - инкассация фрахта - порядок перечисления оплаты за фрахт; - залоговое право на выдачу груза — это условие оговаривается на случай задержки с оплатой фрахта; - брокерская комиссия (вознаграждение брокеру) - обусловлена при оформлении чартера; - агент — кто агентирует судно (судовладелец или фрахтователь); - девиация - оговаривается право отклонения от намеченного пути следования; - общая авария - обязательство сторон о возмещении общеаварийных убытков; - оговорка о войне; - оговорка о забастовке; - ледовая оговорка; - арбитражная оговорка о методе решения возникших в чартере споров и месте арбитража; - форс-мажорная оговорка, определяющая взаимоотношения сторон при действии непредвиденных и непреодолимых обстоятельств.
Как видно, перечислено значительное количество условий чартера. Учтены все возможные обстоятельства при исполнении рейса. Однако скоростной режим судна и режим эксплуатации силовой установки в приведенном перечне условий не значится. Такое положение можно объяснить только общепризнанным, как само собой разумеется, условием -суда должны обеспечивать максимально возможный объем грузоперевозок при максимально возможной скорости. Это подтверждается оговорками, которые могут быть включены в чартер: судно должно следовать в порт назначения со всей возможной скоростью [16], с.80. Однако в работе [12], с. 78, обращается внимание - скорость в тайм-чартере должна быть указана такой, которую судовладелец может гарантировать при хорошей погоде и в тихой воде.
Нормативно установленная плановая (или заданная техническая) скорость по каждому типу судов отечественного морского флота была по сути максимально возможной скоростью, обеспечивающей длительную и надежную работу силовой установки. Эта скорость назначалась пароходством по итогам теплотехнических испытаний при приемке головного судна в эксплуатацию, с учетом сдаточных испытаний и паспортных данных судна [11]. По опыту Новороссийского морского пароходства, заданная техническая скорость составляла порядка 90% от паспортной скорости (из условия возможности некоторого увеличения скорости хода при ухудшении погодных условий на переходе в рейсе и возможности развить эту скорость на всем периоде между докованиями судна).
Для обеспечения плановой скорости судна на переходах в процессе рейса судовой механик был обязан выбирать режим эксплуатации таким, чтобы не перегрузить главный судовой двигатель по тепловой и механической напряженности [22]. Основным судовым документом при этом, безусловно, является инструкция производителя по эксплуатации двигателя, а нормативным документов для инженеров отечественного морского флота являются «Правила технической эксплуатации судовых средств и конструкций. РД 31.21.30-97. - С-Пб.:ЗАО ЦНИИМФ, 1997. -С.342» [33].
Расчет скоростного режима судна и параметров эксплуатации главного дизеля с учетом характеристик судовой энергетической установки и внешних условий
Основная цель любого объекта хозяйствования - это получение прибыли Рг0, являющейся разностью между полученным доходом D и понесенными расходами R; для морского судна будем считать эти составляющие в размерности - доллары США в год (USD/год). По аналогии с (2-11) запишем: Pr0=D- R, USD/год. (2-3 7) Если тариф на перевозку груза Таг задается для конкретного рейса в размерности USD/т (доставка груза «от двери до двери»), то доход судна определится равенством: D = kDw Таг, USD/год, (2-38) где &- количество рейсов за год; Dw - количество перевозимого груза за рейс (грузоподъемность), т; Таг- тариф на перевозку груза в рейсе, USD/т. Тариф на перевозку груза примем постоянным, не зависящим от скорости хода. Количество рейсов судна за год зависит от скорости хода, принимается равным (зависимость 2-2): K = T0/tt, где Т0- эксплуатационный период судна за год, суток/год, tt - длительность одного рейса, суток. Длительность рейса может быть представлена в виде суммы: tt=(t1+t2+tl +tl+ tul+ tlost)/24, cym, (2-39) где tiut2 - время хода судна в грузу и в балласте, час; tl=l vi- время хода с лоцманом в период одного рейса, час; ti и tut- время на грузовые операции (погрузку и выгрузку груза), час; tiost - потерянное время (время на оформление документов, ожидание погрузки / выгрузки, ожидание лоцмана, маневренные операции, др.), час.
Приняв для хода в грузу и в балласте одинаковую скорость, найдем общее ходовое время за рейс как: ti+t2 = (I1+I2) / v, час, (2-40) где її и І2- расстояние, проходимое судном за рейс соответственно в грузу и в балласте, миль; v - средняя скорость судна за рейс, узлов.
При наличии повременной оплаты эксплуатации судна (к примеру, при оговоренной скорости движения судна vy за 1 сутки ходового времени платится фиксированная сумма D] = 60 000 USD/сутки) для решения задач оптимизации целесообразно эту сумму представить в виде тарифа. Тариф за перевозку 1т груза за рейс из условия «от двери до двери» будет равным: Tar= D, (її Щ / (24 vfDw), USD/т. (2-41) Расходы судна за год можно представить как сумму: R = к (Rf+Rl+H) + Rcomt, USD/год, (2-42) где Rf, Rl, Н - расходы судна на топливо, смазочное масло и навигационные расходы за один рейс, USD/рейс; Rcomt - постоянная статья расходов судна за год, принятая независящей от скорости хода (зарплата экипажу, расходы на запасные части, снабжение, амортизационные отчисления, др.), USD/год. Расходы топлива складываются из расходов на ходу, в ожидании грузовых операций и при грузовых операциях: Rf= (Rfm +Rfa +Rfb)xod+(Rfm +Rfa +Н/ь)ожид+ № +Ц/ь)гРУ„ USD/рейс (2-43) Здесь обозначено индексами: т - главный двигатель, а - дизель-генератор, Ъ - вспомогательный паровой котел и генератор инертных газов (если он установлен на судне). Расходы на топливо для главного двигателя составят для хода в грузу и в балласте: Rfm = Rfmi + Rfm2 = (geNel U + geNe2tj CfW3, USD/рейс, (2-44) где ge - удельный эффективный расход топлива, кг/квт-час; в первом приближении примем - параметр ge одинаков для всех скоростных режимов; Nel и Ne2 - эффективная мощность главного двигателя в грузу и в балласте, кет; для упрощения выкладок в первом приближении примем, что при равной скорости хода судна мощность главного двигателя в грузу и в балласте одинакова: NeJ =Ne2=Ne ; Cf- цена топлива, USD/т.
Эффективная мощность главного двигателя связана с частотой вращения кубичной зависимостью: Ne =с п3, кет. (2-45) Здесь с- постоянный для данной винтовой характеристики коэффициент. Чтобы учесть влияние погодных условий, состояние корпуса судна и винта на величину мощности главного двигателя при разной скорости движения воспользуемся понятием «скольжение винта» («Slip»), равном: SI=1-(1852 v) / (60 ns), (2-46) где 1852 м/милю - переводной коэффициент; v - скорость хода, уз; п - частота вращения винта, об/мин; s -шаг винта, м. Тогда частота вращения связана со скоростью хода зависимостью: п=1852 v/(60s (1-SI)). (2-47) Расходы на топливо для главного двигателя на ходу определятся зависимостью: Rfm =ge en3 (U + t2) CflO 3, USD/рейс. (2-48) Расходы на топливо для дизель-генераторов рассчитаем при условиях дизель-генераторы работают на том же топливе, что и главный двигатель; мощность электростанции одинакова при ходе как в грузу, так и в балласте. Тогда: Rfa = gfai (t, + tj Cf/24, USD/рейс, (2-49) где gfal - суточный расход топлива на дизель-генераторы на ходу судна, т/сутки.
Расходы на топливо на вспомогательный паровой котел (генератор инертного газа) на ходу танкера в обычном рейсе определяются расходом топлива на "подсиговку" грузовых танков Rfbm и на подогрев груза Rfbh здесь же может быть учтено некоторое увеличение расходов на топливо на электростанцию при работе системы инертных газов (СИГ) и вспомогательного парового котла (ВПК): Rfb = Rfbin + Rfth, USD/рейс. (2-50) Расходы на подсиговку могут быть найдены как: Rfbin=(t1/24 tin)gfbinCf, USD/рейс, (2-51) где „-периодичность подсиговки, суток; gfbi„- расход топлива на одну подсиговку, т. Расходы на подогрев груза за рейс определяются температурой груза при погрузке и выгрузке и скоростью остывания груза при транспортировке. В общем случае можно записать: Rfbh = thgfbhCf, USD/рейс, (2-52) где gfbh - расход топлива на вспомогательный котел и дополнительный расход топлива на дизель-генератор при подогреве груза за сутки, т/сутки; th - продолжительность работы системы подогрева, суток/рейс. Расходы судна на топливо на втором периоде (стоянка в ожидании погрузки или выгрузки, ожидание и переход с лоцманом на борту, постановка на якорь, маневры при заходе в порт, другие потери времени) рассчитаем при условии - расходов топлива на инертизацию танков и подогрев груза нет, эти расходы учтены выше. Как и в предыдущем случае, эти расходы включают в себя расходы на топливо для главного двигателя, на электростанцию и на вспомогательный котел. Расходы на топливо для главного двигателя за этот период могут быть найдены в виде (удельный расход топлива ge считаем таким же, как и на ходу судна): Rfm = (h/v,)geс n,3CflO-3 + gfm Cf, USD/рейс, (2-53) где l3- расстояние, проходимое за рейс с лоцманом, миль; щ - средняя частота вращения при ходе судна с лоцманом, об/м; gfm - расход топлива на маневры за рейс, т/рейс. Расходы на топливо на дизель-генераторы примем из условия суточного расхода таким же, как и на ходу (считаем, что энергетическая установка находится в постоянной готовности):
Технические аспекты при длительной работе на малых нагрузках
Анализируется рейс танкера, состоящий из перехода в грузу на 4000 миль и в балласте на такое же расстояние. При мощности главного дизеля 15330 кВт на 85 об/мин судно может развивать скорость хода 15 узлов. Предполагается хорошее техническое состояние главного дизеля - удельный расход топлива принят равным 0,174 г/кВт-час, и хорошие внешние и погодные условия - скольжение винта 57=0,04. Доходы судна приняты равными 60 тысяч USD/сутки из условия оплаты каждого ходового дня судна в грузу и в балласте при фиксированной скорости хода 14,2 узла.
При численном моделировании приняты 3 основных допущения: 1) доходы судна за рейс - неизменны, не зависят от скорости хода; 2) нагрузка главного дизеля на режимах в грузу и в балласте идентична (что для танкера принятой грузоподъемности не дает большой погрешности); 3) удельные расходы топлива и смазки на главный дизель не зависят от частоты вращения. Итоги расчетов условной прибыли судна при принятых условиях в широком диапазоне изменения скорости хода приведены на рис.2-2. -и у»іуш! ш -»шш,уи т Рис.2-2. Зависимость «условной» прибыли танкера Dw=150 000 т от скорости хода (уот=10,8уз при, п=61,18 об/мин, Ne=5717 кВт). Рисунок хорошо иллюстрирует как саму проблему, так и возможности программы. По результатам счета достаточно наглядно иллюстрируется зависимость коммерческих показателей эксплуатации судна от выбранной скорости движения. Так, если эксплуатировать танкер на его полной скорости хода (15 узлов), то годовая прибыль судовладельца будет на уровне 6 828 605 USD/год. При снижении скорости хода прибыль растет и достигает максимальной (почти на 2 миллиона долларов больше) при скорости хода 10,8 узлов (частоте вращения главного дизеля 61,18 об/мин и мощности 5717 кВт). Она составляет 8 744 426 USD/год. При дальнейшем снижении скорости прибыль снижается и достигает того же уровня, что и на полном ходу, при значительно меньшей скорости 6,5 узлов - при многократном снижении расходов топлива на силовую установку.
Определяющее влияние на выбор режима эксплуатации оказывает тариф на перевозку груза. Итоги моделирования финансовых показателей судна в зависимости от тарифа (величины суточной оплаты) с шагом скорости 0,5 узла приведены на рис.2-3.
Зависимость «условной» прибыли от скорости хода при разных тарифах на перевозку груза. Суточная оплата принималась равной dr= 10, 20, 40, 60, 80 и 100 тысяч USD/сутки. Оказалось, что при оплате 10 тысяч получить положительное значение прибыли Рг нельзя. При dr = 20 тысяч оптимальный скоростной режим эксплуатации - 6 узлов при частоте вращения 33,96 об/мин и Рг= 950568 USD/год. Дальнейшее возрастание оплаты до 40, 60, 80 и 100 тысяч USD/сутки приводит к росту оптимальной скорости до соответственно 9.0, 11.0, 12.5 и 14.0 узлов; при этом прибыль соответственно составит 4 328 336; 8 744 095; 13 923 458 и 19 731 165 USD/год. Из графика видно, что при заданных условиях работа судна на скорости более 14 узлов целесообразна лишь при оплате более 100 тысяч USD/сутки.
Влияние цены топлива на режим эксплуатации и прибыль иллюстрируется рис.2-4, где приведены итоги моделирования при цене топлива 300, 500, 700 и 900 USD/т.
Зависимость «условной» прибыли от скорости хода при разных ценах на топливо. Остальные параметры соответствуют «стандартным», приведенным в Табл. 3-1. Соответственно оптимальный скоростной режим судна составляет 13,8, 10,8, 9,2 и 8,0 узлов (частота вращения главного дизеля при этом соответственно 78,17; 61,18; 52,12 и 45,32 об/мин) при величине «условной» прибыли 11 503 335, 8 744 426, 7 015 452 и 5 754 623 USD/год.
Расчетная модель позволяет учесть влияние погодных условий таких как волнение, ветер, также воздействие морских течений на движение судна и плюс состояние собственно корпуса судна на оптимальный режим эксплуатации через скольжение винта - параметр «Slip». Этот параметр ежедневно указывается судном в сводке. При нормальных условиях плавания «Slip» находится в пределах 57=0,03-0,05; в тяжелый шторм для танкера он может достигать величины 0,65-0,70. Однак в тяжелый шторм главный вопрос - обеспечение безопасности судна, а не прибыль. Поэтому моделирование выполнено в пределах Sl=0,04 - 0,20 при «стандартных» значениях остальных параметров. Без достаточных обоснований принято -каждому увеличению параметра SI на 1% соответствует «утяжеление» винтовой характеристики на 1%. Итоги моделирования даны на рис.2-5. Как видно, погодные условия существенно влияют и на величину оптимального скоростного режима, и на величину прибыли. При увеличении SI от 0,04 до 0,20 оптимальная скорость упала с 10,8 до 7,7 узлов, прибыль снизилась более чем на 2 500 000 USD/год (с 8 744 426 до 6 221 125 USD/год).
Техническое состояние силовой установки проявляется прежде всего через удельный эффективный расход топлива на главный двигатель ge который характеризует состояние топливной аппаратуры и правильность регулировки двигателя. Современный дизель с хорошей регулировкой при работе на тяжелом топливе типа IFO-380 имеет удельный расход на уровне 126-128 г/элс-час (0,171-0,174 кг/кВт-час). Практика показывает, что этот показатель в зависимости от качества обслуживания и правильности регулирования может возрастать до 135-138 г/элс-час и даже до 146 г/элс-час.
Оценка влияния параметров работы энергетической установки и внешних факторов на параметры оптимального режима эксплуатации танкера «Лиговский проспект»
В соответствии с программой испытаний, в процессе экспериментальных исследований силовой установки было необходимо решить основные задачи: 1) подготовить исходные «стандартные» данные по типу судов и по направлению их плавания на линии Приморск - Fawley; 2) выполнить анализ качества регулирования главного двигателя и на основе этого анализа в необходимых случаях выполнить наладку дизеля с тем, чтобы обеспечить максимальную эффективность эксплуатации, в том числе на оптимальных скоростных режимах; 3) получить экспериментальные данные о взаимосвязи между параметром «скольжение винта» и степенью утяжеления винтовой характеристики; 4) установить на основе данных эксплуатации отличия нагрузки главного двигателя при ходе в грузу и в балласте; 5) на основе полученных экспериментальных данных выполнить численное моделирование возможных скоростных режимов эксплуатации судна, оценить параметры оптимального режима в зависимости от конкретных особенностей технического состояния дизеля, погодных и других внешних условий и влияние некоторых допущений на конечные результаты. Поставленные задачи в основном решены в процессе испытаний и на основе данных испытаний. Однако некоторые задачи не могли быть выполнены полностью или частично по объективным причинам. Так, наладка главного дизеля, не обеспечивающая паспортные характеристики двигателя, осталась прежней ввиду конструктивных особенностей установленной производителем топливной аппаратуры (ТНВД, форсунок).
Далее - ограниченное количество статистических данных на различных режимах эксплуатации не позволили провести достаточно представительные исследования о взаимосвязи параметра «Скольжение винта» и степень утяжеления винтовой характеристики. По имевшимся судовым данным было лишь получено подтверждение - при возрастании параметра «Slip» до уровня 9-10% расход топлива на главный дизель при тех же частотах вращения повышается по сравнению с режимом «Slip» = 3-5% примерно на 5%. Расход топлива и мощность в узком диапазоне изменения частоты вращения - суть прямопропорциональные зависимости. Полученная цифра скорее подтвердила корректность принятого при расчетах оптимального режима эксплуатации допущения о взаимосвязи скольжения винта и степени утяжеления винтовой характеристики в указанном диапазоне («/гр»=3-10%). Однако имевшихся в наличие данных оказалось недостаточно для обоснованных статистических исследований в том диапазоне изменения параметра «Slip», которое имеет место в условиях эксплуатации судна.
При попытке учесть расхождение закономерностей винтовых характеристик нами были рассчитаны по судовым данным среднечасовые расходы топлива G4ac на протяжении всего 2011 года при ходе в грузу и в балласте. Во внимание принимались установившиеся режимы длительностью не менее 18-20 часов в сутки при среднесуточном скольжении винта не более 6-7%. Далее эти расходы топлива приводились к частоте вращения 80 об/мин G8o (при допущении - часовой расход топлива на главный дизель пропорционален кубу частоты вращения) по формуле: G80 = G4ac (80/n)3, т/час, (4-5) где n — средняя частота вращения на каждом установившемся режиме работы, об/мин.
Рассчитан среднечасовой расход топлива за год G80 как среднее арифметическое. Было найдено, что в 2011 году приведенный к 80 об/мин расход топлива на главный дизель при ходе в грузу составил 2,00 т/час, при ходе в балласте - 1,85 т/час, т.е. на 7,5% меньше. Адекватность обработки статистических данных подтверждена по критерию Стьюдента. В таком же соотношении принималась степень «облегчения» винтовой характеристики по мощности при ходе в балласте по сравнению с ходом в грузу. Это соотношение (мощность в балласте меньше мощности в грузу на 7.5%) полагалось на всем эксплуатационном диапазоне скоростных режимов судна.
Содержание и алгоритм расчета условной прибыли в зависимости от скоростного режима эксплуатации применительно к крупнотоннажному танкеру позволяют в принципе решать 2 численные задачи: 1) находить с выводом на печать величины условной прибыли и параметры рейса (частоту вращения винта, мощность главного дизеля, длительность рейса, расход топлива на рейс) в зависимости от скорости движения судна с заданным шагом на всем возможном скоростном диапазоне эксплуатации судна; 2) определять параметры рейса и скорость хода на одном - оптимальном - режиме эксплуатации.
Эти задачи решались на основе экспериментальных данных, полученных в процессе эксплуатационных испытаний танкера «Лиговский проспект». Результаты счета позволяют оценить возможности программы и требования к достоверности исходных данных. Рассматривался рейса танкера «Лиговский проспект» Dw=115 000 тонн от п. Приморск до п. Fawley и обратно, исполненного в последних числах декабря 2011 г. - январе 2012 г. На первом этапе в качестве основных исходных данных принято: тариф на перевозку груза - 8,93 USD/т, цена топлива - 655 USD/т, навигационные расходы за рейс - 250 000 USD, скольжение винта («Slip») - 12%, на полном ходу при нормальных условиях главный дизель развивает 14 100 кВт при 87 об/мин и удельном расходе топлива 0,175 кг/кВт-час. На 1-м этапе приняты допущения, что винтовые характеристики в грузу и в балласте идентичны, на всех частичных режимах эксплуатации удельный расход топлива не изменяется и остается равным 0,175 кг/кВт-час. Итоги численного моделирования при этих условиях представлены на рис.4-1 в виде кривой 1.
