СУДНО ДЛЯ ОЧИСТКИ АКВАТОРИИ ОТ ЛЬДА
VESSEL FOR REMOVAL OF ICE FROM WATER AREA

Изобретение относится к судам, предназначенным для очистки водной поверхности от льда, в частности, поддерживающим водную акваторию порта свободной от ледового покрова для осуществления навигации зимой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обеспечение деятельности порта в условиях замерзания акватории является сложной задачей, особенно в условиях низких температур. Обычными средствами для преодоления ледовых затруднений являются ледоколы, портовые буксиры, дооборудованные на ледовый период навесными приспособлениями, например, для разрушения и уборки льда. Кроме того, рекомендуется применять несамоходные суда, ледокольно-льдоуборочные приставки для создания чистых ото льда каналов в сплошном неподвижном ледяном покрове (Правила технической эксплуатации портовых сооружений и акваторий. РД 31.35.10-86).
Известно достаточно много конструкций судов со средствами для разрушения ледового покрова, например, по патентам US 2665655, публикация 12.01.1954, US 3717115, публикация 20.02.1973, US 3791328, публикация 12.02.1974, DE 29607684, публикация 29.08.1996, RU 120073, публикация 06.06.2012. Однако разрушенный лед необходимо сразу убирать из акватории порта, иначе он будет снова смерзаться и создавать торосистые участки, которые являются дополнительным препятствием как для маневрирования судов в порту, так и для последующего разрушения ледового покрова.
Известно не много решений, в которых применяется уборка льда после его разрушения. К таким решениям относится конструкция буксира-ледоуборщика - портового буксира, дооборудованного на ледовый период навесными ледозахватными приспособлениями в виде решеток, установленных с помощью шарниров с каждого борта в носовой части корпуса («Основные положения по проектированию морских портов с замерзающей акваторией, РД 31.31.21-81, Москва, ЦРИА «Морфлот», 1981). Кроме этого, в авторском свидетельстве SU 61745, публикация 1942 г., приведена конструкция для подъема шуги из воды и возможной ее буксировки. В авторском свидетельстве SU 1618833, публикация 07.01.1991, раскрыта конструкция сбора льда в льдозахватывающий элемент, установленный между двумя понтонами для буксировки льда из акватории. В патенте US 3913511, публикация 21.10.1975, раскрыта конструкция устройства для подъема льда на борт судна для дальнейшего сброса на лед по бокам расчищенного ледового прохода. В технологиях очистки от льда, когда применяется транспортировка льда с акватории, необходимы транспортные средства для транспортировки и необходимы отдельные участки, где лед будет складироваться всю зиму. Таких участков потребуется много, и возникает проблема растопления льда в летний период. Операция вывозки льда требует времени, дополнительных ресурсов и не обеспечивает высокой производительности очистки акватории.
Поэтому приведенные решения не могут обеспечить непрерывное освобождение акватории порта от ледового покрова сравнительно небольшим числом единиц техники, особенно в условиях сильных морозов.
Известно также, что лед можно расплавлять. Например, известен способ разрушения льда по патенту RU 2495785, публикация 20.10.2013. Перед механическим раскалываем льда ледоколом как минимум одну выбранную область поверхности льда, а также незначительную часть его толщи вблизи упомянутой области облучают под заданным углом мощным сфокусированным инфракрасным излучением, энергия которого достаточна, по крайней мере, для расплавления поверхности льда с образованием проталины. Данный способ не предназначен для освобождения от льда акватории, а только для облегчения работы ледокола.
Известно техническое решение по патенту US 4328760, публикация 11.05.1982, в котором вокруг буровой установки, размещенной на барже, создается юбка, например, из отдельных сегментов. Баржа снабжена тепловентилятором, который поставляет теплый воздух под поверхность юбки и предотвращает образование льда вокруг буровой. Данное или подобное решение невозможно использовать на всей акватории порта.
Другие известные способы расплавления льда, собранного на акватории, предназначены, в основном, для извлечения попавших в лед нефтепродуктов, например, из-за разливов нефти. Собираемый лед хотя бы частично растапливается на борту судна и после извлечения нефтепродуктов сбрасывается в акваторию. Задача полного растопления льда не ставится.
Известна конструкция судна по международной заявке WO 2012160239, публикация 29.11.2012, предназначенного для очистки льда от нефтепродуктов. Загрязненный нефтепродуктами лед поднимается на борт судна и обрабатывается горячим маслом. Таким образом, отделяются находящиеся во льду нефтепродукты и затем вместе с маслом откачиваются с поверхности воды, а обработанный таким образом лед сбрасывается вне зоны сбора с помощью конвейера. Данная конструкция судна не предназначена для полного растопления льда и не может быть использована для эффективной очистки от льда акватории с высокой производительностью.
Известна конструкция судна по заявке US 20100186647, публикация 29.07.2010, для удаления нефти из морского льда. Устройство содержит средства для дробления льда, шнеки для подачи по трубопроводу раздробленного льда на борт судна, в блок плавления. Далее производится отделение нефтепродуктов от жидкости, а остаток жидкости сбрасывается за борт. Данная конструкция не может быть использована для очистки льда от акватории, прежде всего ввиду своей малой производительности. Требуются значительные энергозатраты на дробление льда, кроме того, трубопроводная система со шнековым подъемником не может обеспечить необходимую производительность.
Таким образом, среди приведенных аналогов нет судового устройства, которое обеспечивало бы быстрый сбор льда и шуги с большой акватории и растапливание собранного льда с высокой производительностью.
Наиболее близким аналогом является конструкция судна по патенту US 4053406, публикация 11.10.1977. Конструкция самоходного или несамоходного судна может использоваться одновременно для резки льда, поднятия плит льда на борт судна, обработки льда для отделения нефтепродуктов и разгрузки очищенного льда. Очистка льда может производится не только струями горячей воды или воздуха, но и путем частичного растопления льда в ванне с горячей водой. Это судно в основном предназначено для очистки от нефтепродуктов льда, но может применяться, по мнению заявителя, также для очистки от льда водной поверхности, например акватории порта. Данная конструкция не решает задачу транспортировки льда вне акватории порта, и значит, потребуются дополнительные транспортные затраты на его перевозку, что снижает производительность процесса очистки акватории.
Таким образом, выявленные аналоги не могут обеспечить очистку акватории порта с высокой производительностью.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технический результат, который реализуется в данном изобретении, заключается в повышении производительности процесса очистки акватории от льда за счет обеспечения непрерывности процесса очистки и ликвидации льда без его перемещения в сторону, ускорения сбора льда и его растопления, а также в снижении непроизводительных энергетических затрат при очистке акватории от льда.
Судно для очистки акватории от льда включает корпус, кормовую и носовую оконечности. Судно также содержит энергетическую установку для получения энергии для растапливания льда на борту судна и, по меньшей мере, две съемных емкости для хранения топлива для упомянутой энергетической установки. В носовой оконечности корпуса судна размещено помещение, выполненное с возможностью заполнения его собранным с акватории льдом, для чего в носовой оконечности выполнен проем для загрузки льда. При этом нижняя часть проема выполнена примерно на уровне ватерлинии судна и содержит аппарель со скосом вниз. Судно оснащено, по меньшей мере, одним устройством для растапливания льда, собранного в упомянутом помещении, а упомянутое помещение снабжено системой сброса за борт воды.
Судно предназначено для сбора шуги и льда с акватории за счет движения судна, которое может осуществляться с помощью собственной двигательно-движительной установки, или судно может перемещаться специальным буксиром, толкачом. При движении судна вперед лед и шуга попадают в помещение для сбора за счет движения судна. Для этого нижняя часть проема выполнена на уровне ватерлинии или немного выше. Лед и шуга скользят по аппарели и попадают в помещение. Устройство для растапливания льда, или несколько устройств, подогревают среду в помещении, создают тепловой поток мощности, достаточной для быстрого растапливания льда, образующаяся в помещении талая вода сбрасывается за борт. Судно содержит, по меньшей мере, две емкости для хранения топлива для энергетической установки. Это позволяет, при исчерпании топлива в одной емкости, перейти на снабжение топливом из другой, а пустую емкость снять и заменить на заполненную топливом, ввиду того что емкости выполнены съемными. Это позволяет вести процесс сбора льда и его растопления практически непрерывно, не тратя время, которое является обычно значительным, на закачку топлива для работы судна по сбору и растапливанию льда.
Таким образом, процесс очистки акватории от льда идет непрерывно, круглые сутки, с небольшими технологическими перерывами, например, для смены экипажа. При этом нет необходимости в операциях транспортировки льда, так как лед растапливается полностью, практически в процессе сбора. Кроме того, непроизводительные энергетические затраты также снижаются. Так как процесс сбора льда и его растопления может начинаться с момента начала ледостава на акватории и продолжаться на этой акватории далее непрерывно, то толстый лед даже в сильные морозы на акватории не будет образовываться и его легко собирать ходом судна в виде шуги или тонкого льда. Кроме того, непроизводительные расходы по очистке акватории по сравнению с известными методами также снижаются, потому что нет необходимости колоть или пилить толстый лед, вывозить собранный лед вне акватории.
Судно, как правило, содержит двигательно-движительную установку, обеспечивающую движение судна. В этом случае судно может содержать дополнительно, по меньшей мере, две сменные емкости для топлива двигательно-движительной установки судна, что обеспечит непрерывную, круглосуточную работу. Такие емкости необходимы, если двигательно-движительная установка судна и энергетическая установка для получения энергии для растапливания льда на борту судна работают на разном виде топлива.
Энергетическая установка для получения энергии для растапливания льда может быть выполнена в виде установки для выработки электрической энергии, а упомянутое устройство для растапливания льда выполнено в виде установки, преобразующей электрическую энергию в тепловую энергию.
В другом варианте энергетическая установка для получения энергии для растапливания льда может быть выполнена в виде установки для выработки тепловой энергии и совмещена с устройством для растапливания льда. В этом случае она может быть выполнена в виде газотурбинной установки и турбогенератора.
Судно может быть снабжено двумя емкостями для хранения топлива для энергетической установки, при этом каждая из емкостей выполнена с возможностью съема и замены резервной емкостью. Это обеспечивает непрерывную работу судна по сбору и растапливанию льда.
В частном случае выполнения судно снабжено балластной системой для регулировки осадки и дифферента судна. Такая регулировка позволяет эффективнее собирать лед с акватории, подстраивая аппарель под уровень льда, изменяя дифферент и учитывая осадку судна, изменяющуюся в зависимости от веса собранного льда, количества топлива и т.д.
Кроме того, носовая оконечность судна может содержать створки с механизмом закрывания упомянутого проема для загрузки льда, при этом механизм для закрывания проема выполнен с возможностью открывания створок вверх. Створки могут быть выполнены утепленными. При закрытии помещения снижаются потери тепловой энергии, используемой для растопления льда в помещении, а утепленные створки снижают риск их обледенения.
Кроме того, проем в носовой оконечности может быть выполнен с герметичными створками. В этом случае судно может быть снабжено системой воздуха высокого давления для вытеснения воды из помещения, где растапливается лед.
Корпус судна в районе помещения для сбора и растапливания льда может быть снабжен теплоизоляцией также для снижения тепловых потерь.
Аппарель может быть снабжена средствами для подогрева поверхности, чтобы исключить примерзание льда или шуги, которые могут препятствовать процессу сбора льда с акватории.
Для упрощения сбора и растопления льда, увеличения помещения, повышения эффективности растопления льда и повышения остойчивости судна, часть упомянутого помещения для сбора льда может быть расположена в трюме судна. В этом случае упрощается также система сброса талой воды.
Система сброса воды из помещения может быть выполнена в виде шпигатов, которые сообщают помещение с водой под судном. Тогда сброс талой воды происходит автоматически.
Система сброса воды из помещения может быть снабжена, по меньшей мере, одним насосом.
В случае необходимости перед носовой оконечностью судна может быть дополнительно установлено устройство для разрушения льда. В этом случае судно может разрушать лед, а затем производить его сбор и расплавление.
В случае необходимости перед аппарелью может быть установлен механизм для перемещения льда на аппарель, что может повысить скорость сбора льда.
Помещение для сбора льда снабжено трубопроводной системой для дополнительного подогрева от системы охлаждения двигательной установки судна, что способствует более эффективному растапливанию льда.
Кормовая оконечность судна может быть выполнена в виде оконечности ледокольного типа, с возможностью обкалывания льда при движении задним ходом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 приведен общий вид судна на виде сбоку, а на Фиг.2 - на виде сверху.
На Фиг.3 представлен разрез носовой части судна по первому варианту, а на Фиг.4 - разрез по второму варианту.
На Фиг.5 показана носовая часть судна на виде сверху, на Фиг.6 - на виде спереди.
На Фиг.7 приведен рисунок, поясняющий работу судна.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Судно для очистки акватории от льда в основном варианте (Фиг.1, Фиг.2) включает корпус 1, носовую оконечность 2, кормовую оконечность 3, двигатель судна (не показан) и движительную установку 4. В трюме судна установлена энергетическая установка 5 для получения энергии для растапливания льда на борту судна и устройство 6 для растапливания льда, которое выполнено в виде установки, преобразующей электрическую энергию в тепловую энергию. На палубе судна установлены не менее двух съемных емкостей 7 для хранения топлива для энергетической установки 5. В данном варианте судна предусматривается, что двигатель судна работает на том же топливе, что и энергетическая установка 5 для выработки электроэнергии, поэтому в дополнительных емкостях для топлива двигателя нет необходимости. На палубе судна установлен кран 8 для погрузки и разгрузки съемных емкостей 7.
В носовой оконечности 2 корпуса 1 судна (Фиг.3, Фиг.6) размещено помещение 9, выполненное с возможностью заполнения его собранным с акватории льдом, для чего в носовой оконечности 2 выполнен проем 10 для загрузки льда. В помещении 9 располагается устройство 6 для растапливания льда, показанное на Фиг.3 и Фиг.7, в данном случае представляющее собой кольцевое электродинамическое устройство выработки низкотемпературной плазмы для растапливания льда и прогрева воды. При этом нижняя часть проема выполнена примерно на уровне ватерлинии 11 судна и содержит аппарель 12 со скосом вниз. Помещение 9, в данном варианте, выполнено заполняемым забортной водой и простирается в трюм. На судне установлено, по меньшей мере, одно устройство 6 для растапливания льда, собранного в помещении 9. Помещение содержит устройство для сброса воды, в данном варианте ряд шпигатов 13, сообщающих помещение 9 с забортной водой 19. Для более эффективной подачи льда на аппарель 12 перед ней установлен механизм для перемещения льда на аппарель 12, например, в данном случае в виде барабана 14. Барабан 14 снабжен зацепами 15, может вращаться против часовой стрелки и имеет регулировку для перемещения барабана 14 в вертикальной плоскости. Такое перемещение позволяет подстраивать барабан 14 для работы на различную толщину льда. Механизм для перемещения льда может быть выполнен и в храповой конфигурации, и в любом другим конструктивном оформлении. Носовая оконечность 2 судна может быть снабжена (Фиг.5) поворачивающимися в вертикальной плоскости створками 17 для захвата льда с более широкой поверхности акватории. В этом случае створки 17 разворачиваются в положение, показанное на чертеже пунктиром.
Судно снабжено балластной системой для регулировки осадки и дифферента судна, которая служит для выравнивания судна, в зависимости от расхода топлива и ледовых условий, а также подстройки аппарели 12 под уровень льда.
Теплоизоляция помещения 9 обеспечивается с помощью механизма закрывания проема 10 с помощью створок 15, для чего они могут утепляться или дополнительно, как и механизм их закрывания, обогреваться. Само помещение 9 также может быть теплоизолировано, в частности, путем теплоизоляции корпуса. Для этого оно может быть снабжено трубопроводной системой для дополнительного подогрева от системы охлаждения энергетической установки 5. Для этих же целей может быть использовано тепло от охлаждения двигателя судна. Могут быть приняты меры для исключения обмерзания аппарели 12 в сильные морозы, для чего в нее включены средства для подогрева ее поверхности.
Судно может обеспечивать акваторию порта свободной от льда при экстремально низких температурах наружного воздуха. Поэтому судно должно иметь возможность для работы в непрерывном режиме и иметь достаточно мощную установку для растапливания льда. Чтобы обеспечивать энергетические потребности такой установки используются, по меньшей мере, две съемных емкости 7 для хранения топлива. В качестве топлива может использоваться сжиженный газ. Энергетическая установка 5 для выработки электрической энергии на сжиженном газе может быть реализована на основе турбогенератора с приводом от газовой турбины. Далее электрическая энергия может быть использована в тепловых установках для расплавления льда, например установках низкотемпературной плазмы, термоэлектрических нагревательных элементах и устройствах передачи высокотемпературных выходных газов ГТУ, а также для подогрева различных частей и механизмов, в частности механизма закрывания створок 15 и подогрева поверхности аппарели 12.
В другом случае реализации, дополнительно или отдельно, одна или несколько газотурбинных установок могут использоваться напрямую как устройство для растапливания льда в помещении 9, при этом газотурбинная установка будет использовать сжиженный газ из емкости 7.
Кормовая оконечность 3 судна может быть выполнена в виде оконечности ледокольного типа, с возможностью обкалывания льда при движении задним ходом, например, у причалов. В этом случае она может быть снабжена движителями 4 типа «азипод».
2
Работа судна на акватории должна начинаться своевременно, уже с появления на водной поверхности шуги. Судно может обеспечивать акваторию порта свободной от льда площадью не менее 50000 м при температуре наружного воздуха до минус 30° градусов. Работа по сбору льда должна вестись практически непрерывно, чтобы не допустить образования льда значительной толщины, который невозможно убирать без привлечения дополнительных средств разрушения. Поэтому, в зависимости от конкретной акватории, судно для уборки льда должно оснащаться энергетической установкой 5 для получения энергии для растапливания льда соответствующей мощности. Расчеты показывают, что для условий портов, расположенных в арктических морях, может потребоваться мощность энергетической установки примерно в 150 мегаватт. Обеспечение энергией такой установки является задачей, которую можно решить, в частности, используя в качестве топлива сжиженное газовое топливо, например метан.
Судно для очистки акватории от льда, описанное выше, работает следующим образом. Судно движется по акватории носовой оконечностью вперед. Створки 15 открыты. Судно с помощью балластной системы выставлено по осадке и дифференту таким образом, чтобы шуга и лед при движении судна беспрепятственно вползали на аппарель 12 и далее, через проем 10, под напором следующих порций льда, попадали в помещение 9 для сбора льда. В этом помещении 9 в данном примере расположено устройство 6, в данном случае электродинамическое устройство выработки низкотемпературной плазмы для растапливания льда и прогрева воды, находящейся в трюмной части помещения 9. Более холодная вода опускается вниз, а более горячие слои находятся в трюмной части помещения 9. Попадающий в воду лед быстро плавится. Подогревается также воздух в помещении 9, например, тепловыми потоками, что также способствует плавлению льда. Талая вода уходит через шпигаты 13 в забортное пространство 19. При необходимости лед может подаваться на аппарель 12, например, в данном случае, при помощи вращающегося барабана 14 с зацепами 15. Барабан 14, в зависимости от толщины льда, может смещаться в вертикальной плоскости. При необходимости судно может развернуться и обколоть лед кормовой оконечностью 3, например, у пирса. При исчерпании запаса топлива в съемной емкости 7 к судну может подойти баржа или буксир со съемной емкостью, заполненной топливом. Емкости 7 заменяются, например, с помощью крана 8, и судно продолжает работу по сбору льда.
В других вариантах выполнения изобретения, например для менее суровых условий, судно может быть выполнено несамоходным. В этом случае оно может перемещаться при помощи буксира-толкача. И в этом варианте реализации оно пригодно для непрерывной работы на акватории.
При использовании менее мощной энергетической установки 5 может быть реализован вариант периодического закрывания проема 10 после заполнения собранным льдом помещения 9, с помощью герметических створок 15, и последующего растопления льда. Затем створки 15 раскрываются, и судно продолжает сбор льда с акватории.
В варианте выполнения судна с герметичными створками, при герметизации помещения 9, как показано на Фиг.4, может быть реализован вариант вытеснения талой воды после растапливания с помощью воздуха высокого давления. В этом случае в днище судна устанавливаются клапаны 16, которые открываются при повышении давления в помещении 9.
Также возможен вариант выполнения помещения 9 без сообщения с забортной водой в трюме. В этом случае откачка талой воды может осуществляться насосами.
Не исключается также оснащение судна для сбора льда устройствами, предназначенными для резки или колки льда. Они могут быть механическими, а также для колки и резки льда может применяться тепловая или электрическая энергия, вырабатываемая энергетическими установками судна.
Все описанные примеры не исчерпывают возможных реализаций настоящего изобретения.
3
Данное изобретение обеспечивает очистку льда на акватории весь период льдообразования, а значит, беспрепятственного маневрирования судов и их швартовки в порту. Судно может быть применено в акваториях с неблагоприятными условиями, даже в суровые зимы с температурами до минус 30°. При этом мощность энергетической установки, состоящей из газовой турбины и турбогенератора, соответствует производительности судна для очистки льда не менее 600 м льда в час.