Определение размерений и характеристик CNG-судов с вертикальным расположением грузовых кассет

УДК 629.546.6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРЕНИЙ И ХАРАКТЕРИСТИК CNG-СУДОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ГРУЗОВЫХ КАССЕТ

Г. Ф. Демешко, М. В. Власьев

DETERMINATION OF DIMENSIONS AND PERFORMANCE OF CNG-VESSELS WITH VERTICALLY MOUNTED CARGO CASSETTES

G. F. Demeshko, M. V. Vlasiev

Концепция создания современных отечественных транспортных судов предусматривает разработку новых типов, способных конкурировать с известными проектами зарубежных танкеров и газовозов. В статье приведены результаты исследований главных размерений и основных характеристик CNG (сжатый природный газ) судов. Применение CNG-технологии, являющейся альтернативой LNG-технологии, предусматривает сжатие газа до давлений в диапазоне 13...28 МПа, увеличивая его плотность до 300 раз. Газ перевозится в сосудах цилиндрической формы высокого давления, изготавливаемых из стандартных труб (например, стали типа Х-70, Х-80, Х-90, Х-100) и устанавливаемых в трюмах специализированных судов. Основная доля инвестиций в CNG-проекте - в судах, которые рассматриваются как «мобильная инвестиция», перемещаемая с линии на линию без привлечения новых капиталовложений.

В статье проанализирована зависимость водоизмещения CNG-судна от его вместимости по газу, предложена методика, позволяющая определить основные элементы и характеристики CNG-судов с вертикально установленными грузовыми кассетами на ранних стадиях проектирования и учесть влияние типа и характеристик размещаемых кассет на элементы судна.

CNG-технология, природный газ, суда-газовозы, размерения, кассеты, грузовые баллоны

The concept of creating modern Russian transport vessels provides for the development of new types of ships able to compete with well-known foreign designs of tankers and vessels for gas transportation. The article presents research results of the main dimensions and performance of CNG (compressed natural gas) vessels. Being an alternative to LNG-technology, CNG technology allows for gas compression to the pressure ranging from 13 to 28 MPa, increasing its density to 300 times. The gas is transported in cylindrical containers made of high-pressure pipes and mounted in holds of specialized vessels. The bulk of investment in CNG-project - is in the vessels, which are considered as "mobile investment", moved from line to line without attracting new capitals.

The article shows research results of the main dimensions and performance of CNG-vessels. The authors have analyzed the relation between the meanings of CNG-vessel draught and its gas capacity. The authors suggest a methodology allowing deter-

mination of the main dimensions and performance of CNG-ships with vertically mounted cargo cassettes at the early stages of design, taking into consideration the effect of cassettes placed on the vessel elements.

CNG-technology, natural gas, gas carrier vessel, dimensions, cassettes, tanks

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Авторами статьи проанализированы специфика транспортировки груза и способы установки сосудов на CNG-судне, а также архитектурно-компоновочные схемы такого судна [1, 2]. Схема размещения цилиндрических грузовых баллонов на СМО-судне при установке их в вертикальном положении показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема размещения цилиндрических грузовых баллонов на CNG-судне

при установке их в вертикальном положении Fig. 1. Arrangement of cylindrical gas tanks on a CNG-vessel with their vertical position installation

Главные размерения CNG-судов длина (Ь) и ширина (В) должны быть кратны числу располагаемых в трюмах грузовых кассет с баллонами по длине и ширине судна. Из анализа концептуальных проектов CNG-судов получена зависимость их водоизмещения (П) от объема газа (V), перевозимого в грузовых емкостях судна (оцененный при 0°С, 0,1 МПа), млн. м :

£ = 6048.1-К + 13055.

Для CNG-судов характерны следующие соотношения главных размерений, которые приемлемы в первом приближении:

Т R

— = 6D  10+ 6,282; — = 4D  10+ 3,746; B T

H = D10 6

T

+ 2,114,

где Н - высота борта; Т - осадка судна.

Длина и ширина судна определяются с учётом особенностей размещения и размеров кассет (грузовых единиц). Между ними должны быть технологические зазоры. Общая расчетная длина CNG-судна определяется по формуле (3), которая учитывает сумму длин, занятых трюмами, машинным отделением (МО), коффердамами, фор- и ахтерпиком, специальным отсеком, предназначенным для размещения оборудования по обеспечению операций погрузки и разгрузки газа (если

они предусмотрены с использованием собственного соответствующего оборудования на судне):

^ = ^ф + ¿гр + ^ м о + ¿т + ¿а + ^п " Ькп п

где ¿Гр - совокупная длина трюмов; I ф, ¿а- соответственно длины форпика и ахтерпика; I м о - длина МО; ¿т- длина технологического отсека; ¿кпп - ширина поперечной коффердамной переборки, принимаемой равной двум шпациям; Кп - количество поперечных переборок по длине, рассчитывается как Кп = (птр + 1), где птр - количество грузовых трюмов.

Совокупная длина трюмов ¿Гр может быть определена исходя из общего количества поперечных рядов грузовых кассет, устанавливаемых на судно, с учетом технологических зазоров между ними, и телесности разделяющих все грузовое пространство поперечных коффердамных переборок. Длину грузового трюма (при условии кратности числу поперечных рядов кассет в нем) можно определить по формуле:

¿тр = шкас Iкас +

где I кас - длина грузовой кассеты, м; ткас - количество поперечных рядов грузовых кассет, устанавливаемых по длине одного трюма, шт.; ^ - зазор между стенкой кассеты и конструкциями судна (коффердамной переборки), м; - технологический зазор между грузовыми кассетами, м.

Для определения ширины судна предложена зависимость:

В\ = Вт р + 25дв б +

где - ширина грузового трюма; - ширина двойного борта;

- ширина продольной коффердамной переборки, равная ширине грузовой единицы (кассеты).

Устройство второго борта таких судов обусловлено как высокой опасностью перевозимого груза, так и возникающими при этом большими удобствами размещения на судне крупных грузовых единиц, какими являются кассеты. Минимальная ширина двойного борта 5Д в . д , согласно требованиям Правил А301, Р1. 5, СЬра1ег 15 [3], должна быть 5/15, или 2 м, в зависимости от того, что больше. Установка продольной коффердамной переборки в диаметральной плоскости (ДП) трюма оказывается целесообразной, так как внутреннее пространство переборки предполагается использовать как коридор для прокладки компонентов грузовой системы, а также трубопроводов систем осушительной, противопожарной, инертного газа и вентиляции, кабелей питания и контроля устройств и систем, размещенных в носовой части судна.

Количество кассет по длине всего грузового пакета может быть определено по формуле

£ г р _ ((п тр + 1 ) ' Ь по п . п р) + п т р ' (-2 _ 2 —1 ) , ч

т ка с Д =--;-ч-,

д (1К+Х2) ' 4 '

где 1к - ширина кассеты с баллонами; ¿поп пр - ширина поперечной переборки; птр - количество трюмов (по требованиям Российского морского регистра судоходства (РМРС) [4, 5]) - итр^Ьгр/(1тр+ Ьпоппр), округленное в меньшую сторону; Х1 - величина зазора между стенкой кассеты и внутренним бортом или стенками кассеты и продольной коффердамной переборкой; Х2 - величина технологического зазора между кассетами.

Общее количество кассет Пк^.ш по ширине судна всегда четное: _

"•ка с.ш Ьк ,

где Х3 - величина зазора между стенками смежных кассет. На рис. 2 представлена схема трюма, а на рис. 3 - схема поперечного сечения CNG-судна с учетом зазоров.

Рис. 2. Схема трюма CNG-судна с учетом зазоров Fig. 2. Scheme of a hold of a CNG-vessel with view of gaps

Рис. 3. Схема поперечного сечения CNG-судна Fig. 3. Cross section scheme of a CNG-vessel

Суммированием составляющих нагрузки определяется масса CNG-судна порожнем - в виде совокупности укрупненных разделов - и величина дедвейта судна. По этим величинам уточняются полученные в первом приближении значения водоизмещения судна и его главные размерения. Определив затем коэффициент общей полноты 5, можно вычислить осадку судна T и отношения B/T, H/T, удовлетворяя требованиям остойчивости судна и Правилам о грузовой марке [6]. Может потребоваться корректировка главных размерений судна.

Количество кассет с баллонами выбранного типаЫк, которые должны быть установлены на CNG-судно, исходя из заданной для него вместимости по

газу, должно сравниваться со значением, получаемым по результатам прорисовки схемы общего расположения и схемы размещения кассет в корпусе судна. При этом учитывают все зазоры, разделения грузового пространства на отсеки, а также требования по обслуживанию баллонов. Однако способ определения фактической вместимости по грузовым местам (единицам) требует наличия теоретического чертежа, чтобы располагать реальными формой и размерами палубы настила второго дна 5'гр пал, на который кассеты устанавливаются. На вместимость кассет со

сжиженным газом на судне, таким образом, оказывают влияние форма его обводов, коэффициент общей полноты 5, относительная ширина трюмов Ь = 5Гр/5, ширина продольных и поперечных коффердамных переборок, типоразмеры кассет.

Особую сложность вызывает определение количества кассет в каждом поперечном ряду по ширине судна в той его части, где заканчивается цилиндрическая вставка, и по мере сужения обводов. В носовом грузовом трюме количество кассет в поперечном ряду уменьшается и тем значительнее, чем меньше коэффициент общей полноты, хотя надо отметить, что сначала должна уменьшаться ширина двойного борта 5Дв . д до значения в 760 мм, что регламентировано требованиями большинства Правил [7, 8], с сохранением ширины трюма 5Гр.

Для исследования влияния указанных факторов на вместимость кассет со сжиженным газом были прорисованы схемы их расположения в трюмной части для ряда СКО-судов, разработанных в обводах, соответствующих теоретическим чертежам шведской серии транспортных судов с систематически изменяющимся коэффициентом общей полноты, 5 = 0,70; 0,75; 0,80; 0,83; 0,85 [9]. Получены значения коэффициента полноты части площади палубы ^р, занятой грузовым пространством, состоящим из принимаемого по нормативам числа грузовых трюмов, (рис. 4), для значений Ь = = 0,80; 0,85; 0,90 (где а - грузовые кассеты с ем-

костями диаметром d=1,067 м; б - грузовые емкости с диаметром d=1,42 м). Принято, что в каждой кассете размещается восемь емкостей.

- ь=а.ео

- М),85

- Ь=0,90

a) О б)

Рис. 4. Зависимость коэффициента ^ jp от коэффициента общей полноты ô

Fig. 4. Variation of ^ ^ coefficient with block coefficient ô

Коэффициент ^ ^рассматривается как отношение площади грузовой палубы в обводах судна на уровне настила второго дна, занимаемой грузовым пространством CNG-судна, к площади прямоугольника с размерами Ь гр и 5гр (рис. 5).

Рис. 5. Схематическое изображение грузового пространства CNG-судна Fig. 5. Schematic representation of cargo space of a CNG-vessel

Длина Lrp учитывает телесность поперечных коффердамных переборок, количество которых Кп = (n-^. + 1). Соответственно, —гр учитывает телесность одной продольной переборки. Грузовая палуба на судне находится между носовой переборкой машинного отделения в корме (она тоже обязательно коффердамная) и кормовой переборкой технологического отсека, если он на судне есть, и таранной переборкой в носу, если технологический отсек отсутствует.

Тогда площадь палубы, занятую грузовым пакетом, можно определить зависимостью :

^Гр . пал — гр —гр^гр .

В то же время площадь, занимаемая грузовыми кассетами, может быть выражена как

= iVKsK,

где sK = IKb K - площадь основания кассеты; VVK - количество кассет, устанавливаемых на CNG-судне c учетом зазоров между кассетами и конструкциями корпуса судна.

Приравняв выражения (8) и (9), можно, используя получаемое выражение (10), определить длину судна, занятую кассетами:

- гр=гг •

При этом ширина грузового пространства Бгр определяется выражением:

—гр = —1-

Таким образом, зная общее количество кассет, которое определяется на основании технического задания на судно, количество кассет, устанавливаемых на судне по ширине грузового пакета, определяется по формуле (7).

Количество кассет, устанавливаемых по длине грузового пакета, может быть определено по преобразованной формуле (4):

¿гр - ((гсТр + 1 )*Wn)+^тр (*2-

mKac д=-----^-,

д (к+х2) ' v '

где Iк - ширина кассеты с баллонами; Ьп

ширина поперечной перебор-

ки; птр - количество трюмов (определяют в соответствии с требованиями РМРС), пт р « ¿ Гр/( Iт р + Ь п о п . п), округленное в меньшую сторону.

Вместимость по количеству размещаемых на CNG-судне кассет определяется при соблюдении неравенства:

.

Разработан алгоритм определения проектных характеристик СКО-судна, укрупненная блок-схема которого представлена на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема определения проектных характеристик CNG-судов Fig. 6. Block-scheme of determination of characteristics of CNG vessels

При построении алгоритма определения основных проектных характеристик в качестве исходных данных приняты: объем транспортируемого природного газа (при нормальных условиях); расчетное давление в баллонах; тип применяемых грузовых кассет с емкостями; скорость хода судна; дальность плавания; автономность по запасам продовольствия и воды. Помимо перечисленных исходных данных дополнительно могут быть заданы также:

- ледовый класс и знак автоматизации и т. д.;

- тип энергетической установки;

- число гребных винтов (вальность).

Деление алгоритма на блоки принято по функциональному признаку при условии их физичности. Принцип построения алгоритма основывается на последовательном использовании результатов расчетов в предыдущих блоках последующими. На определение проектных характеристик и выбор главных размере-ний корпуса судна значительное влияние оказывает величина грузового места (грузовой единицы), каковым является грузовая кассета с емкостями в виде цилиндрических баллонов, изготавливаемых из стандартных труб, выпускаемых отечественными специализированными заводами для газотранспортных магистралей, что приводит к дискретности при изменении размерений судна.

Таким образом, область приемлемых решений ограничивается условиями транспортировки газа как перевозимого груза, требованиями заказчика, классификационных обществ и стремлением получить удовлетворительные мореходные качества - остойчивость, ходкость, качку и т. п.

ВЫВОДЫ

Предлагаемая методика позволяет определить основные элементы и характеристики СКО-судов с вертикальной установкой грузовых кассет на ранних стадиях проектирования и учесть влияние типоразмеров размещаемых кассет на элементы судна. Принимаемые размерения СКО-судна, как показано, выбираются с учетом размеров крупногабаритных грузовых единиц, какими являются кассеты, и условий их размещения в грузовых трюмах. Это дает возможность рационально и без потерь использовать внутреннее пространство судна.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Перспективы морской транспортировки природного газа в сжатом виде в арктических районах России / Е. М. Апполонов [и др.] // Труды 10-й Международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CIS Offshore. 2011), 13-16 сентября 2011 года, Санкт-Петербург. - Санкт-Петербург: Химиздат, 2011. -С. 440-445.

2. Власьев, М. В. Технико-экономическое исследование целесообразности создания судов для транспортировки природного газа в сжатом состоянии: дис. ... канд. техн. наук: 05.08.03 / Власьев Максим Валерьевич. - Санкт-Петербург, 2015. - 231 с.

3. DetNorsk Veritas (DNV) Class CNG Rules (for Compressed Natural Gas Carriers PART 5 CHAPTER 15 - 2009,Veritasveien 1, NO-1322 H0vik, Norway. р. 30

4. Правила классификации и постройки морских судов: в 3 т. Введен. 01.01.2015. - Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2015. -1 т. - 355 с.

5. Правила Классификации и Постройки судов для перевозки сжатого природного газа Регистра Судоходства (Правила CNG). Введен 01.06.2012. - Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2012. - 93 с.

6. Бюллетень № 1 к Правилам классификации и постройки морских судов. Правилам по оборудованию. Правилам по грузоподъемным устройствам морских судов. Правилам о грузовой марке морских судов. Введен 01.10.2006. - Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2006. - 250 с.

7. Bureau Veritas (BV) - Unified Criteria for CNG Ships Containment System Design, Classification of Compressed Natural Gas Carriers / Rule Note NR 517 DR R00 E 17, April 2007.

8. American Bureau of Shipping (ABS) - Guide for Vessels Intended to Carry Compressed Natural Gases in Bulk. Houston, April. 2005.

9. Williams A. What can new hull forms to do minimize fuel costs. // Publications of SSPA, Stockholm, 1980, - № 87.

REFERENCES

1. Appolonov E. M., Demeshko G. F., Vlas'ev M. V., Krest'yantsev A. B., Ryumin S. N. Perspektivy morskoy transportirovki prirodnogo gaza v szhatom vide v arkticheskikh rayonakh Rossii [Prospects for overseas transportation of natural gas in a condensed form in the polar regions of Russia]. Trudy 10-y Mezhdunarodnoy konfer-entsii i vystavki po osvoeniyu resursov nefti i gaza Rossiyskoy Arktiki i kontinental'nogo shel'fa stran SNG (RAO/CIS Offshore• 2011), 13-16 sentyabrya 2011 goda, Sankt-Peterburg [Proceedings of the 10th International conference and exhibition on oil and gas resources development of Russian Arctic and the continental shelf of CIS states (RAO/CIS Offshore 2011), 13-16 September, St.Petersburg]. Saint-Petersburg, Khimiz-dat, 2011, pp. 440-445.

2. Vlas'ev M. V. Tekhniko-ekonomicheskoe issledovanie tselesoobraznosti soz-daniya sudov dlya transportirovki prirodnogo gaza v szhatom sostoyanii• Diss• kand.• tekhn nauk [Study of feasibility of building ships for transportation of natural gas in a condensed form. Dis. cand. technic. sci.]. Saint-Petersburg, 2015, 231 p.

3. DetNorsk Veritas (DNV) Class CNG Rules (for Compressed Natural Gas Carriers PART 5 CHAPTER 15 - 2009,Veritasveien 1, NO-1322 H0vik, Norway, 30 p.

4. Pravila klassifikatsii i postroyki morskikh sudov [Rules for classification and construction of sea-going ships]. Saint-Petersburg, Rossiyskiy morskoy registr sudo-khodstva, 2015, vol. 1, 355 p.

5. Pravila Klassifikatsii i Postroyki sudov dlya perevozki szhatogo prirodnogo gaza Registra Sudokhodstva [Rules for classification and construction of ships for transportation of condensed natural gas of the Shipping Registry] (Pravila CNG). Vveden 01.06.2012. Saint-Petersburg, Rossiyskiy morskoy registr sudokhodstva, 2012, 93 p.

6. Byulleten'№ 1 kPravilam klassifikatsii ipostroyki morskikh sudov• Pravilam po oborudovaniyu Pravilam po gruzopod"emnym ustroystvam morskikh sudov• Pravilam o gruzovoy marke morskikh sudov [Newsletter № 1 to the Rules for classifica-

tion and construction of sea-going ships. Rules for cargo handling gear of sea-going ships]. Vveden 01.10.2006. Saint-Petersburg, Rossiyskiy morskoy registr sudokhodstva, 2006, 250 p.

7. Bureau Veritas (BV) - Unified Criteria for CNG Ships Containment System Design, Classification of Compressed Natural Gas Carriers. Rule Note NR 517 DR R00 E 17, April 2007.

8. American Bureau of Shipping (ABS) - Guide for Vessels Intended to Carry Compressed Natural Gases in Bulk. Houston, April. 2005.

9. Williams A. What can new hull forms to do minimize fuel costs. Publications of SSPA, Stockholm, 1980, no. 87.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Демешко Геннадий Федорович - Санкт-Петербургский государственный морской технический университет; доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой проектирования судов; E-mail: morcenter@mail.ru

Demeshko Gennadiy Fedorovich - St.Petersburg State Marine Technical university; Doctor of Engineering, Professor, Head of the department of ship design;

E-mail: morcenter@mail.ru

Власьев Максим Владимирович - ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург; кандидат технических наук, ст. научный сотрудник; E-mail: morcenter@mail.ru

Vlasiev Maksim Vladimirovich - FSUE "Krylov state research center", St. Petersburg; PhD, senior researcher; E-mail: morcenter@mail.ru