Определение нагрузки масс судов-газовозов LNG на начальных стадиях проектирования

СУДОСТРОЕНИЕ, СУДОРЕМОНТ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА

УДК 629.5.01

Дун Синьшо

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ МАСС СУДОВ-ГАЗОВОЗОВ LNG НА НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Значительные отличия между конструкцией корпуса и главными характеристиками судов-газовозов LNG со сферическими танками типа Moss и конструкцией корпуса и главными характеристиками судов-газовозов LNG с мембранными танками типа GTT диктуют необходимость рассматривать эти два вида судов-газовозов LNG по отдельности. На основе перерасчета данных близких прототипов и обработки статистических данных получены формулы для определения составляющих нагрузки масс и координат центров тяжести судов-газовозов LNG с двумя типами танков. Для вычисления массы металлического корпуса и оборудования используются кубический модуль судна LBH и кубический модуль судна в степени 2/3 (LBH)2/3. При определении массы энергетической установки рассмотрены три типа энергетических установок: паротурбинная установка, малооборотный дизель и двухтопливная (трехтопливная) дизель-электрическая силовая установка. Абсциссы центра тяжести измеряются от миделя (значение положительно при расположении в нос), а аппликаты -от основной плоскости.

Ключевые слова: судно-газовоз LNG, близкие прототипы, статистические данные, составляющие нагрузки масс, координаты центра тяжести.

Введение

Специфика груза, перевозимого на судах-газовозах LNG (liquified natural gas), диктует необходимость установки на этих судах специфических грузовых танков с мощной изоляцией, образующих систему грузовых танков. В настоящее время в мировой практике широко применяются два вида систем грузовых танков, разработанных компаниями «Moss-Rosenberg» и «Gas Transport-Technigaz»: система сферических вкладных танков типа Moss и система мембранных танков типа GTT соответственно. Суда-газовозы LNG со сферическими и мембранными танками значительно отличаются друг от друга по архитектурному типу, конструкции корпуса и другим характеристикам, в связи с чем их следует рассматривать по отдельности.

Нагрузка масс судна — это совокупность всех масс, составляющих водоизмещение судна [1]. На этапе предэскизной проработки проекта предварительное определение нагрузки масс имеет большое значение для последующей работы. Вопрос определения нагрузки масс судов-газовозов LNG рассматривался в относительно небольшом количестве научных публикаций в 1966-1990 гг. [2-5]. В последующие годы были построены новые суда-газовозы LNG, в связи с чем задача по определению нагрузки масс таких судов с учетом пополнения их состава является актуальной и в настоящее время.

В предлагаемом исследовании зависимости для расчета нагрузки масс судов-газовозов LNG на начальных стадиях проектирования получены на основе перерасчета данных близких прототипов и обработки статистических данных по старым и новым судам.

Составляющие нагрузки судна-газовоза LNG

Нагрузка масс судна состоит из водоизмещения порожнем и дедвейта:

D = Дпор + DW,

где D - водоизмещение порожнем, т; DW — дедвейт судна, т.

Водоизмещение порожнем судна-газовоза LNG определяется по следующей формуле, т:

Яор = Рк + Роб + Рт + Рэ.у + Рв ,

где Рк — масса металлического корпуса, т; Роб — масса оборудования, включая криогенное оборудование, т; Ргт — масса грузовых танков. Масса грузовых танков типа Moss включает изоляцию, опорные цилиндры, защитные кожухи и т. д.; масса грузовых танков судов-газовозов типа GTT включает инвар, изоляцию, крепеж, ящики и т.д., т; Рэу — масса энергетической установки

(ЭУ); Рзв — запас водоизмещения, т.

Среди составляющих водоизмещения судна порожнем значительная часть общей массы приходится на массу металлического корпуса и массу оборудования. Статистический анализ информации о массах металлического корпуса и массах оборудования затруднен по причине недостаточности опубликованных данных о весовых характеристиках судов-газовозов LNG [6]. В нашем исследовании аккумулированы данные о массах металлического корпуса и массах оборудования судов-газовозов LNG, представленные в [7-10]. Рис. 1, 2 демонстрируют зависимость массы металлического корпуса и массы оборудования от кубического модуля судна LBH и кубического модуля судна в степени 2/3 (LBH)2/3.

Рк, т

Рк.Т

30000 25000 20000 15000

25i.hh.hi Зш.н.н.щ 351.Н.Н.И.1 -Кн.н.н.Ю 45(.h.h.hi LBH, м3

б

Рис. 1. Зависимость от модуля LBH: а - массы металлического корпуса судна-газовоза типа Moss; б - массы металлического корпуса судна-газовоза типа GTT: - суда, построенные в 1970-1980 гг.; + - суда, построенные в последующие годы

Роб, т 7500 7000 б >00 6000 55 00 5000

З.-iM.t -Ним.! 4Мн.( .Чн.т 5 5UU пж.т нИпи (LBHf3, м3

а

Роб, т 6500 6000 5500 5000 4500 4000

у = 0,697x+2170;

R= 0 ,918 ...

4000

4500

5000

5500

<>000

б

Рис. 2. Зависимость от модуля (LBH) : а - массы оборудования судна-газовоза типа Moss; б - массы оборудования судна-газовоза типа GTT: - суда, построенные в 1970-1980 гг.; + - суда, построенные в последующие годы.

На основе представленных данных получены следующие регрессионные зависимости для определения Рк и Роб:

1. По массе металлического корпуса, т:

— для судов-газовозов типа Moss:

Рк = 0,063LBH —195,1;

— для судов-газовозов типа GTT:

Рк = 0,058LBH + 2466.

2. По массе оборудования, т: для судов-газовозов типа Moss:

Роб = 0,716 (LBH)2/3 + 2626;

для суднов-газовозов типа GTT:

Роб = 0,697 (LBH)2/3 + 2170.

3. По массе грузовых танков, т:

Рт.и = q,W,

где qXH — удельный показатель массы конструкции на единицу объёма груза, т/м3; qx.H = 0,049 — для танков судна-газовоза типа Moss; qXH = 0,018 — для танков судна-газовоза типа GTT [5];

W — грузовместимость, м3.

4. По массе энергетической установки, т:

Р = p N,

э.у гэ.у '

где N — максимальная длительная мощность главного двигателя, кВт; рэу — измеритель массы

ЭУ, т/кВт, выражение для которого в зависимости от типа установки приведено ниже.

Выбор типа ЭУ на судах-газовозах LNG зависит непосредственно от способа обработки испаряющегося газа при транспортировке. В настоящее время существуют два способа обработки испаряющегося газа: использование испаряющегося газа в качестве топлива для ЭУ и его повторное сжижение.

Соответственно на судах-газовозах LNG возможна установка трех типов ЭУ: 1) паротурбинных установок (ПТУ), позволяющих сжигать тяжелое масло в котлах вместе с испаряющимся природным газом, в результате чего удается избежать выбросов газа в атмосферу. Такие установки широко использовались на судах-газовозах LNG в качестве ЭУ с 60-х гг. XX в. и до недавнего времени. К числу недостатков ПТУ можно отнести низкий термический КПД и необходимость наличия большого пространства;

2) малооборотных дизелей (МОД) с одновременной установкой повторного сжижения. Идея создания установок повторного сжижения для оснащения судов-газовозов LNG появилась давно, однако осуществить ее, в силу серьезных технических барьеров, удалось лишь недавно. В 2004-2010 гг. для катарской судоходной компании «Nakilat» в Южной Корее было построено порядка 60 судов-газовозов LNG классов Q-Flex и Q-Max. На этих судах установлены малооборотные дизели с одновременной установкой повторного сжижения. С помощью установки повторного сжижения судно может перевозить сжиженный газ в порт назначения в полном объеме.

3) двухтопливных дизель-электрических ЭУ типа DFDE (Dual Fuel Diesel Electric) и трёхтопливных дизель-электрических ЭУ типа TFDE (Tri-Fuel Diesel Electric). Впервые ЭУ типа DFDE была применена в 2004 г. на судне-газовозе LNG «Gaz de France Energy», на котором установлены четыре двухтопливных среднеоборотных дизеля «Wartsila», использующие испаряющийся газ и дизель. В скором времени появилась ЭУ типа TFDE, которая в качестве топлива может использовать испаряющийся газ, дизель и тяжёлое масло, что позволило существенно повысить термический КПД ЭУ. Среди судов-газовозов LNG, построенных до 2015 г., 22 % были оснащены ЭУ типа DFDE или TFDE.

При определении массы ЭУ нами рассмотрены указанные три типа.

Формулы для вычисления измерителя массы ПТУ и МОД предложены в [5]: рэу = 1,55/N0'33 для ПТУ, рэу = 1,18/N0'25 для МОД. В результате анализа и обработки данных,

представленных компанией «Wartsila», получаем рэу = 0,90/ N0'25 для DFDE или TFDE.

Запас водоизмещения рассчитываем следующим образом:

р = (0,015 - 0,030)D

пер

Дедвейт определяется пе формуле, т:

DW = РТ + РТеп + Ртеп.в + Рк + Рдоп + Рдиф.б ,

где Рг - грузоподъемность судна, т; Ртеп - масса запаса топлива для ЭУ, т; Ртеп в - масса запаса топлива для вспомогательных механизмов; Рэк - масса экипажа, провизии и снабжения, т; Р - дополнительная масса (переменные жидкие грузы, запасы масла и котельная веда и т. д.); Рщф б - масса жидкого дифферентевечнеге балласта.

В этой формуле грузоподъемность судна определяется выражением, т:

Рг = Р^ ,

где р - плотность перевозимого природного газа в зависимости ет химического состава и месторождения, т/м3; кнз - коэффициент, учитывающий неполное заполнение грузовых танков, кнз = 0,98.

Масса запаса топлива для ЭУ рассчитывается пе следующей формуле, т [4, 1]:

Ртеп = км Чт N 'Ю-6, V

где км = 1,1 - коэффициент морского запаса, учитывающий дополнительный расход топлива на случай увеличения продолжительности рейса из-за непогоды, обрастания корпуса, встречных течений и стояночного времени; чт - удельный расход топлива главного двигателя при эксплуатационной мощности, г (кВт  ч); N - эксплуатационная мощность главного двигателя; ЯД - дальность плавания, миль; vэ - средняя эксплуатационная скорость судна, уз.

К вспомогательным механизмам относятся судовые насосы, вентиляторы, палубные механизмы, сепараторы и т. д. Масса запаса топлива для вспомогательных механизмов определяется выражением Ртопв = (0,06 - 0,11)Ртоп .

Масса экипажа, провизии и снабжения, т, рассчитывается следующим образом [5]:

Р =

0,1 +

R

- +1„

к V

5 10—

где - суммарная продолжительность стоянок судна, ч; пэк - численность экипажа.

Главная составляющая дополнительной массы - это запас котельной воды. Для судна с ПТУ необходимая масса запаса котельной воды намного превышает массу запаса котельной воды, необходимой для судна с МОД или ОББЕ (ТРБЕ). Она определяется выражением Рдоп = 400 -1700, т.

В некоторых случаях для улучшения мореходных качеств судна с полным грузом на судно принимают жидкий дифферентовочный балласт, масса которого вычисляется по формуле Рдиф.б = (0,05 - 0,10)Рг.

Абсциссы и аппликаты центров тяжести составляющих нагрузки судна

Находим координаты центра тяжести (ЦТ) судна по известным формулам [11]:

п п

IР^ IРч

хг =-

D g D

где Р, xgi, zgi — составляющие нагрузки судна и их абсциссы и аппликаты ЦТ.

Так, рассчитаем абсциссы и аппликаты ЦТ составляющих нагрузки судна-газовоза типа Moss и судна-газовоза типа GTT по имеющимся прототипам.

n

i=1

i=1

ЦТ, м Абсцисса Аппликата

Для судна-газовоза типа Moss Для судна-газовоза типа GTT Для судна-газовоза типа Moss Для судна-газовоза типа GTT

Металлического корпуса хк = —(0,021 ± 0,006)L хк = —(0,016 ± 0,008)L гк = (0,509 ± 0,080)H гк = (0,538 ± 0,070) H

Оборудования хоб = —(0,106 ± 0,020)L хоб = —(0,098 ± 0,010)L гоб = (0,755 ± 0,080)H ?об = (0,769 ± 0,060)H

Грузовых танков хт.и = (0,033 ± 0,015)L хт.и = (0,028 ± 0,011)L z„ = (0,902 ± 0,070)H гт.и = (0,650 ± 0,060) H

ЭУ хэ.у =—(0,347 ± 0,040)L хэ.у =—(0,368 ± 0,040)L гэ,у = (0,509 ± 0,075)H гэ,у = (0,500 ± 0,045)H

Запаса водоизмещения хзв = —(0,050 ± 0,030)L хзв = —(0,043 ± 0,030) L z„ = H z„ = H

Перевозимого груза хг = —(0,033 ± 0,030)L хг = —(0,028 ± 0,011) L zг = (0,883 ± 0,070)H zг = (0,635 ± 0,040)H

Запаса топлива хтоп = —(0,002 ± 0,001)L хтоп = —(0,005 ± 0,001) L гтоп = (0,365 ± 0,030)H гтоп = (0,561 ± 0,070)H

Запаса топлива для вспомогательных механизмов хтоп.в = —(0,383 ± 0,030)L хтоп.в = —(0,357 ± 0,030)L гтоп.в = (0,740 ± 0,080)H гтоп.в = (0,731 ± 0,060)H

Экипажа, провизии и снабжения хэк = —(0,375 ± 0,030) L хэк = —(0,380 ± 0,030)L гэк = (0,709 ± 0,060)H гэк = (0,719 ± 0,050) H

Дополнительной массы хДоп = —(0,451 ± 0,050)L хДоп =—(0,414 ± 0,020)L гДоп = (0,717 ± 0,090)H гДОп = (0,769 ± 0,080)H

Жидкого дифферен-товочного балласта хдб = (0,070 ± 0,020)L хдб = (0,067 ± 0,030)L где = (0,046 ± 0,015)H гдЛ = (0,050 ± 0,020)H

Масса жидкого балласта при обратном переходе к порту отправления и координаты её ЦТ находятся по формулам:

- для судна-газовоза типа Moss:

Рб = (0,710±0,200)Рг, хб = (0,040±0,010)L, z5 = (0,302±0,050)H ;

для судна-газовоза типа GTT:

P6 = (0,789 ± 0,080)Pr,

x6 = (0,034±0,005)L, z5 = (0,388 ±0,015)tf .

Следует отметить, что с целью поддержания низкой температуры в грузовых танках на судах-газовозах LNG для балластного перехода оставляют небольшое количество груза. Величина остатка зависит от времени балластного перехода.

Заключение

1. На основе статистических данных судов-газовозов LNG с двумя видами систем грузовых танков различных лет постройки нами получены регрессионные зависимости между нагрузкой их масс и главными размерениями. Аналогичные зависимости для координат ЦТ масс установлены путем пересчета данных близких прототипов.

2. Полученные результаты могут использоваться для составления математических моделей судов-газовозов LNG при решении задачи оптимизации их главных размерений на начальных стадиях проектирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ашик В. В. Проектирование судов / В. В. Ашик. Л.: Судостроение, 1985. 320 с.

2. Логачев С. И. Суда для перевозки сжиженных газов / С. И. Логачев, М. М. Николаев. Л.: Судостроение, 1966. 260 с.

3. Кахановский К. В. Проектирование газовозов. Учебное пособие / К. В. Кахановский, Ю. М. Лар-кин. М.: ЦРИА «Морфлот», 1981. 28 с.

4. Михайлов Б. Н. Анализ основных параметров и разработка математической модели морских ме-тановозов со сферическими грузовыми цистернами: дис. ... канд. техн. наук. Николаев, 1982. 136 с.

5. Зайцев В. В. Суда-газовозы / В. В. Зайцев, Ю. Н. Коробанов. Л.: Судостроение, 1990. 304 с.

6. Логачев С. И. Мировое судостроение: современное состояние и перспективы развития / С. И. Логачев, В. В. Чугунов, Е. А. Горин. СПб.: Мор Вест, 2009. 544 с.

7. Морейнис Ф. А. Исследование основных характеристик судов для перевозки сжиженных природных газов / Ф. А. Морейнис, М. Н. Барабанова, М. А. Нахимовский, И. А. Наумова // Труды ЦНИИМФ. Вып. 209. 1976. С. 44-57.

8. Significant ships of 1997, 1999, 2002, 2004-2011, 2013 / The Royal Institution of Naval Architects.

9. URL: http://www.aukevisser.nl/supertankers/gas-1/.

10. URL: http://www.imarine.cn/thread-106618-1-1.html.

11. Семенов-Тян-Шанский В. В. Статика и динамика корабля / В. В. Семенов-Тян-Шанский. Л.: Судостроение, 1973. 607 с.

Статья поступила в редакцию 31.10.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Рун Синьшо — Украина, 54025, Николаев; Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова; аспирант кафедры «Теория и проектирования судов»; michael3123@yandex.ru.

Dong Xinshuo

THE ESTIMATION OF MASS OF LNG CARRIERS AT THE INITIAL STAGES OF DESIGN

Abstract. Significant differences between the design of the hull and the main characteristics of LNG carriers with spherical tanks of the type Moss and the hull structure and the main characteristics of LNG carriers with membrane tanks of the type GTT dictate the necessity to examine these two types of LNG carriers separately. On the basis of reconsideration of the data of the close prototypes

and processing of statistical data, the formulas for determining the components of the load mass and the coordinates of the centers of gravity of LNG carriers with two types of tanks are obtained. To calculate the mass of the metal hull and the equipment, the cubic unit of LBH vessel and the cubic module of the carrier in 2/3 (LBH)2/3 are used. While determining the weight of the power plant, three types of power plants such as steam-turbine plant, low-speed diesel and dual-fuel (tri-) diesel-electric propulsion system are considered. Longitudinal center of gravity are measured from the midsection (positive value at the location of the nose), while vertical center of gravity - from the main plane.

Key words: LNG carrier, similar protypes, statistical data, components of the mass load, coordinates of center of gravity.

REFERENCES

1. V. V. Ashik Proektirovanie sudov [Ship design]. Leningrad: Sudostroenie, 1985. 320 p.

2. S. I. Logachev, M. M. Nikolaev. Suda dlia perevozki szhizhennykh gazov [Vessels for liquefied gas transportation]. Leningrad: Sudostroenie, 1966. 260 p.

3. K. V. Kakhanovskii, Iu. M. Larkin. Proektirovanie gazovozov. Uchebnoe posobie [LNG design. Manual]. Moscow, TsRIA «Morflot», 1981. 28 p.

4. B. N. Mikhailov. Analiz osnovnykh parametrov i razrabotka matematicheskoi modeli morskikh metanovozov so sfericheskimi gruzovymi tsisternami: dis. kand. tekhn. nauk [Analysis of the basic parameters and development of the mathematical model of marine methane carriers with spherical tanks: dis. cand. tech. sci.]. Nikolaev, 1982. 136 p.

5. V. V. Zaitsev, Iu. N. Korobanov. Suda-gazovozy [LNG carriers]. Leningrad: Sudostroenie, 1990. 304 p.

6. S. I. Logachev, V. V. Chugunov, E. A. Gorin. Mirovoe sudostroenie: sovremennoe sostoianie i per-spektivy raz-vitiia [Marine shipbuilding: present state and prospects for development]. Saint-Petersburg, Mor Vest, 2009. 544 p.

7. F. A. Moreinis, M. N. Barabanova, M. A. Nakhimovskii, I. A. Naumova. Issledovanie osnovnykh kharakteristik sudov dlia perevozki szhizhennykh prirodnykh gazov [Study of the basic characteristics of the carriers for transportation of liquefied natural gases]. Trudy TsNIIMF, issue 209, 1976, pp. 44-57.

8. Significant ships of 1997, 1999, 2002, 2004-2011, 2013. The Royal Institution of Naval Architects.

9. Available at: http://www.aukevisser.nl/supertankers/gas-1/.

10. Available at: http://www.imarine.cn/thread-106618-1-1.html.

11. V. V. Semenov- Tian-Shanskii. Statika i dinamika korablia [Ship statics and dynamics]. Leningrad: Sudostroenie, 1973. 607 p.

The article submitted to the editors 31.10.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Dong Xinshuo - Ukraine, 54025, Nikolaev; Admiral Makarov National University of Shipbuilding; PhD student of the Department 'Theory and Ship Design"; michael3123@yandex.ru.