Особенности проектирования СПГ бункеровщиков

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-216-222 УДК 563.82.001.63

А.А. Кондратенко, А.С. Реуцкий

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПГ БУНКЕРОВЩИКОВ

В рамках исследования была создана расчетная модель судна, рассматривающая все основные свойства и аспекты эксплуатации бункеровщика СПГ. Рассмотрены: теоретический чертеж, ходкость на чистой воде, пропульсивные характеристики, гидростатика и расходы топлива, вместимость и нагрузка масс судна. Разработанные методики и алгоритмы реализованы в виде специализированного программного комплекса. Он может быть использован на ранних стадиях проектирования для поиска наиболее эффективных конфигураций как систем хранения СПГ бункеровщика, так и самого судна.

Ключевые слова: СПГ, бункеровщик СПГ, математическая модель судна. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-216-222 UDC 563.82.001.63

A.A. Kondratenko, A.S. Reutskii

Krylov State Research Center, St. Petersburg, Russia

DESIGN SPECIFICS OF LNG BUNKERING SHIPS

This study included development of estimated model for LNG bunkering ship, taking into account all it main properties and operational aspects. The paper discusses the following: hull lines drawing, open-water propulsion performance, hydrostatics, fuel consumption, payload capacity and weight calculations. The procedures and algorithms developed under this investigation have been implemented as specialized software package that could be useful at early design stages, in searching optimal configuration for the bunkering ship itself and its LNG containment systems LNG containment systems. Keywords: LNG, bunkering ship, mathematical model. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Введение

Появление и развитие рынка бункеровки сжиженным природным газом (СПГ) связано с проектированием судов-бункеровщиков СПГ и оптимизацией их характеристик. Как правило, важнейшие проектные решения по судну, которые определяют экономические показатели всей морской транспортной системы, принимаются на самых ранних стадиях технико-экономического обоснования и проектирования. К таким показателям СПГ бункеровщика относятся: грузовместимость 0>, эксплуатационная скорость хода V» суммарная мощность энергетической установки N и факт наличия специального оборудования, необходимого для борьбы с выпаром СПГ - установки повторного сжижения газа (УПСГ).

Помимо перечисленных характеристик, в качестве критериев эффективности судна в расчетных моделях судов применяются альтернативные индексы, которые используются в большинстве современных исследований: ЯБЯ и БЕЮ! ЯБЯ - отношение дисконтированных суммарных затрат на приобретение и эксплуатацию флота к полезной работе; ЕЕ01 - отношение количества суммарных выбросов вредных веществ энергетической установкой к ее полезной работе.

Наиболее универсальным подходом для определения характеристик судна, соответствующего заданным параметрам 0>, N, у3, ЕЕЮ1 и т.д., является прямое расчетное автоматизированное проектирование, позволяющее учесть специфические

Для цитирования: Кондратенко А.А., Реуцкий А.С. Особенности проектирования СПГ бункеровщиков. Труды Кры-ловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 216-222.

For citations: Kondratenko A.A., Reutsky A.S. Design specifics of LNG bunkering ships. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1:216-222 (in Russian).

судостроительные требования к общему расположению, остойчивости, удифферентовке и другим качествам судна и обеспечивающее тем самым высокую точность расчетов. Такой подход требует создания упрощенной математической модели судна, которая позволяет производить сопоставление вариантов судов и дальнейшего анализа устойчивости решения, полученного в результате расчетов.

Математические модели судов

Создание моделей для определения характеристик судов является актуальной и сложной задачей, для решения которой используются элементы и методы из различных научных дисциплин. Среди них можно выделить: теорию проектирования судов, теорию сложных систем, теорию корабля, прочность судна, математическое программирование и математическая статистика и многие другие. Такие модели, как правило, используются при поиске характеристик наиболее эффективных судов.

В большинстве работ последнего десятилетия [5], [6], [8] по данной тематике одновременно решается задача оптимизации состава флота, определения наилучших значений главных размерений судна и характеристик его подсистем, а также формы корпуса с учетом особенностей эксплуатации флота и его взаимодействия с внешними условиями. В данном случае под оптимизацией понимается процесс поиска компромисса между различными свойствами судна с использованием специализированных критериев и ограничений.

Существующие математические модели судна можно условно разделить на две группы: регрессионно-аналитические и расчетные.

Регрессионно-аналитические модели [1] используются для решения внешней задачи проектирования и позволяют определить характеристики среднестатистического судна. Основой для создания таких моделей является статистическая информация по судам конкретного архитектурно-конструктивного типа часто с узкой специализацией. Точность таких моделей во многом зависит от качества и количества исходных данных, которые должны быть корректны и правильно структурированы, а также равномерно распределены в рамках рассматриваемого диапазона характеристик.

Модели судна расчетного типа также используют статистическую информацию и аналитические допущения, однако их доля в общей структуре модели гораздо меньше чем в регрессионно-аналитических. Основной принцип, лежащий в их

основе - прямой расчет характеристик судна и его подсистем в максимально возможном количестве случаев. Расчетная модель судна является параметрической и посредством варьирования характеристик позволяет осуществлять поиск оптимальной конфигурации судна для заданной постановки проблемы.

В силу отсутствия необходимого количества статистических данных о характеристиках построенных СПГ бункеровщиках, и самих СПГ бункеровщиков, построение надежной регрессионно-аналитической модели данного типа судов не представляется возможным. К тому же, необходимо отметить, что модели данного типа не позволяют выполнять оптимизацию судна как такового. Они служат для получения параметров типичных судов, которые используются для последующего выбора состава флота исходя из оценки значений показателей эффективности.

Сложная техническая система должна описываться не только структурой и связями между элементами, но и внешними условиями с учетом их изменения во времени. Примером подобных обстоятельств является такой субъективный человеческий фактор, как мнение людей, оказывающих существенное влияние на определение понятия «наилучшего судна», т.е. на критерий эффективности. Среди них можно выделить судовладельцев, экипаж, политиков и чиновников, представителей классификационных обществ и прочих заинтересованных лиц. Необходимо осознавать, что в условиях капиталистического рынка с учетом главенствующего положения персонала менеджерского профиля технические специалисты больше не обладают монополией на определение облика «оптимального» технического средства. Принимая во внимание то обстоятельство, что конечной целью эксплуатации флота является максимизация прибыли и рост стоимости компании, в интересах которой эксплуатируется флот, а «правила игры» формируют «управленцы» и экономисты, заказчик предъявляет завышенные требования к второстепенным характеристикам судна. Таким образом, в искусственных условиях современного рынка «оптимальным» с финансовой точки зрения может оказаться «технически» менее эффективное судно.

Алгоритм определения основных характеристик СПГ бункеровщика

Для совместной оптимизации работы судна и транспортной системы необходимо наличие не-

Рис. 1. Блок-схема расчетной модели СПГ бункеровщика

противоречивой логико-математической модели СПГ бункеровщика. Расчетная модель используется для определения параметров судна, которые влияют на работу морской транспортной системы. Принцип работы расчетной модели основан на последовательном использовании результатов расчетов в предыдущих блоках последующими [8]. На рис. 1 представлена блок-схема расчетной модели СПГ бункеровщика.

Модель позволяет по немногочисленным входным требованиям с высокой точностью определить геометрию корпуса судна, пропульсивные качества, потребную мощность двигателя, полезную грузоподъемность судна, вместимость и другие важные свойства судна. При построении алгоритма определения основных проектных характеристик в качестве исходных данных приняты: автономность (суток), количество грузовых цистерн (шт.), тип ЭУ, минимальное время бункеровки (часов), планируемый процент потери груза

(BOR, %), захолаживание в процессе бункеровки (планируется, не планируется), максимальный за-холаживаемый объем (м3), плотность СПГ (кгм3), кол-во членов экипажа (чел), и т.д.

Для оптимизируемых параметров заданы рассматриваемые диапазоны значений (табл. 1). Для главных размерений и их соотношений они определены согласно статистике по существующим судам.

Разработанная математическая модель СПГ бункеровщика в части используемых при расчетах регрессионно-аналитических формул основана на анализе значительного объема информации, содержащей характеристики построенных и проектируемых объектов морской техники. Для выполнения такого анализа были собраны и обработаны статистические данные по 130 напорным и полурефрижераторным газовозам СНГ вместимостью от 170 до 12 000 м3, а также газовозам и бункеровщикам СПГ, имеющим танки типа С в составе

Таблица 1. Диапазоны значений оптимизируемых параметров по умолчанию

Параметр Обозначение Минимальное Максимальное

значение значение

Длина между перпендикулярами, м Lbp 66 150

Ширина на миделе в полном грузу, м B 8,6 22,6

Осадка судна в полном грузу, м T 3,2 9

Высота борта на миделе, м H 4,6 13,85

Макс. скорость хода на чистой воде, уз vs 8 16

Класс ледовых усилений C Нет 1се3

Коэффициент общей полноты Cb 0,782 0,824

Отношение Н/Т H/T 1,43 2,1

Отношение В/Т B/T 2,05 4,64

Отношение 1ЪрГВ LbpfB 4,74 6,9

Число Фруда Fr 0,14 0,23

Плотность СПГ рспг.кг/м3 420 490

грузовой системы. Газовозы СНГ в качестве дополнительного источника статистических данных для разрабатываемых проектов СПГ бункеровщиков выбраны не случайно. Идеологически и конструктивно СПГ бункеровщики очень близки к СНГ газовозам напорного и полурефрижераторного типа, также имеющих танки типа «С».

Классы ледовых усилений выше 1се3 не рассматриваются, т.к. регион эксплуатации бункеровщиков обычно совпадает с зонами, характеризующимися высокой круглогодичной активностью судоходства (порты, устья рек и т.д.) и ледокольной проводкой. Остальные случаи эксплуатации выходит за рамки текущего исследования.

В качестве основного критерия соответствия регрессионных уравнений исходным данным использован коэффициент детерминации А2, который представляет собой отношение объясненной части дисперсии переменной к общей дисперсии. Уравнения, позволяющие получить коэффициент А2 более 0,7, считаются достоверными.

По ходу расчета в соответствующем блоке расчетной модели проверяется соответствие введенных в поля формы значений оптимизируемых параметров диапазонам в табл. 1. Затем в процессе расчетов осуществляется проверка соответствия проекта требованиям правил РМРС в соответствии с [2]. Так, выполняется расчет минимально допустимого надводного борта и его сопо-

ставление с аналогичной величиной рассматриваемого судна.

Минимальные и максимальные значения главных размерений судна выбраны на основании упомянутой статистической базы данных характеристик судов и соответствуют современному положению дел. Варианты судов с меньшими размерами возможны, но в силу технических причин и особенностей хранения СПГ на борту судна они будут иметь принципиально иной архитектурно-конструктивный тип. Внедрение судов с большими размерами ограничивается как отсутствием необходимости в крупных партиях бункерного СПГ, так и необходимостью обеспечения длительности хранения СПГ на борту и необходимостью обеспечения высокой маневренности и безопасности при бункеровке судов.

Теоретический чертеж судна создается с использованием интерполяционного метода [3] на основании четырех чертежей - прототипов теоретических чертежей, разработанных и испытанных специально для СПГ бункеровщиков на базе Кры-ловского научного центра. Данные чертежи с коэффициентами общей полноты Стп = 0,782 и СЬтах = 0,824 используются для построения поверхности судов, не предназначенных для активного ледового плавания.

Все базовые чертежи представлены в виде таблиц относительных ординат со значениями для

22 (0-21) теоретических шпангоутов по 12 ватерлиниям (5 ватерлиния соответствует КВЛ). Расчет кривых элементов теоретического чертежа, а также площадей и объемов производится с помощью численного интегрирования методом трапеции на основании рассчитанной ранее таблицы ординат рассматриваемого судна. Аналогичным образом по известным из теории корабля формулам определяются координаты центра величины, а также поперечный и продольный метацентрический радиусы для каждой ватерлинии.

Расчет сопротивления на чистой воде осуществляется по универсальной методике, предложенной Дж. Холтропом и Дж. Менненом [7]. Многие расчетные параметры, считываемые в оригинальном исследовании с графиков [4], в данном исследовании для целей автоматизации расчетов были аппроксимированы аналитическими и регрессионными зависимостями с использованием метода наименьших квадратов.

В расчетной модели реализован механизм выбора гребного винта на основании серии винтов (М-65, М-85) разработанных в ФГУП «Кры-ловский государственный научный центр» для традиционных транспортных судов. Расчетным режимом является движение в чистой воде, а критерием оптимальности - КПД изолированного винта. При подборе винта учитывается обязательное условие - отсутствие второй стадии кавитации.

Суммарная мощность двигателей вычисляется на основании расчетов потребной мощности для передачи на винт, определенной для ряда расчетных случаев. В данном исследовании рассмотрены следующие режимы работы судна: движение на чистой воде, захолаживание танков бункеруемого судна, возврат паров, стоянка с бункерными операциями СПГ, маневрирование в узкости, аварийный режим.

Дополнительно проверяется соответствие потребной мощности на валах требованиям Регистра. При расчете потребной мощности на валах учитываются особенности винто-рулевого комплекса: использование ВРК или валолинии, тип винта, наличие или отсутствие насадки. Суммарная мощность энергетической установки определяется с учетом дизель-генераторов, в т. ч. вспомогательных, а также с учетом производительности УПСГ. В исследовании определены аналитические зависимости между производительностью грузовых насосов и установки повторного сжижения газа и их энергопотреблением.

В модели определяются основные особенности общего расположения СПГ бункеровщика (переборки, палубы, двойное дно) и по геометрической модели корпуса рассчитывается его объем до верхней палубы. Затем для оценки полезного объема из полученного значения длины корпуса между перпендикулярами вычитаются оцененные согласно статистическим данным длины всех помещений ниже верхней палубы, не предназначенные для размещения груза. Отдельное внимание уделено определению размеров и формы грузовой емкости для СПГ. По правилам Регистра рассчитывается отстояние стенки емкости от обшивки корпуса судна с учетом изоляции, таким образом определяется вместимость бункеровщика.

Водоизмещение судна порожнем разделено на 10 составляющих. Величина каждой из них определяется отдельно с помощью статистических расчетных зависимостей, масса грузовых резервуаров считается напрямую. Для каждой составляющей нагрузки масс рассчитываются координаты центра тяжести. В завершение расчета производится проверка ограничения по метацентрической высоте при обеспечении приемлемой посадки судна и оценка периода бортовой качки по формуле Регистра.

Программная реализация разработанного алгоритма определения характеристик СПГ бункеровщиков

Разработанное автором предметно-ориентированное программное приложение «LNG Bunkership» обладает интуитивно-понятным пользовательским интерфейсом. Оно написано на языке Object Pascal в интегрированной среде разработки Embarcadero Delphi. Программа доступна пользователю любой квалификации, так как алгоритм работы и расчетные формулы по умолчанию согласуются с исходными данными, задаваемыми пользователем, и не требуют внесения изменений в исходный код программы. Интерфейс состоит из нескольких закладок - «Входные данные», «Корпус», «Результат» (рис. 2). Вся информация о судне, полученная в результате построения математической модели, может быть сохранена в виде файлов с разрешениями .txt и .xlsx для дальнейшего ее использования. Файлы могут быть использованы в процессе моделирования флота бункеровщиков или создания на их основе эскизного проекта судна.

Рис. 2. Вкладка «Корпус» приложения «LNG Bunkership»

Верификация модели

Для проверки адекватности разработанной программы были произведены тестовые расчеты вариантов судна, имеющих одинаковые главные разме-рения с выбранными тестовыми моделями. В качестве моделей для сравнения были отобраны 16 судов, представляющих собой СПГ бункеровщики и фидерные газовозы СПГ. Данные объекты имеют разную степень проработки (от эскизного проекта до реально существующих судов). Данные суда и проекты не использовались для идентификации регрессионно-аналитических моделей, таким образом, обеспечивалась методическая корректность процедуры верификации модели путем разбиения имеющихся данных на обучающую и тестовую выборки. Критерием оценки адекватности модели был

выбран единственный параметр, который можно найти в достоверных источниках - геометрическую вместимость резервуаров для хранения бункерного топлива. Тип, количество резервуаров и тип формы доньев резервуаров являются настроечными параметрами и сняты с чертежей ОР исследуемых объектов морской техники. Результаты расчета представлены в табл. 2.

На основании представленных данных можно убедиться, что предлагаемая расчетная модель обеспечивает хорошее соответствие расчетных и фактических характеристик вместимости СПГ бункеровщиков. Единая непрерывная модель определения характеристик газовозов СПГ обеспечивает корректность сопоставления судов различных вме-стимостей, позволяя при этом также варьировать

Таблица 2. Результаты тестового расчета

Название судна Loa, M Lbp, м B, м Д м T, м Кол-во рез. Тип рез Толщ. изоляц, мм Грузовместимость, м

SDARI 6500 126 118 17,6 10 5,9 2 Ц 600 6500

Test № 1 126,7 118 17,9 9 4,7 2 Ц 600 6482

Damen 1500 72,27 67,7 11,3 5,4 3,05 1 Ц =300 1500

Test № 2 72,8 67,7 11,3 5,4 3,05 1 Ц 265 1501,5

Damen 7500 115,8 112,3 18,6 11,75 5,6 2 Ц 800 7500

Test № 3 120,6 112,3 18,6 11,75 5,6 2 Ц 800 7640

Pioneer Knutsen

69 63,4 11,8 5,5 3,5 2 Ц 600 1100

Test № 4 68,19 63,4 11,8 5,5 3,5 2 Ц 600 1097,34

Таблица 2. Окончание

Название судна м ^ м B, м H, м T, м Кол-во рез. Тип рез Толщ. изоляц, мм Грузовмести- 3 мость, м

Hamworthy 5102 92 79,8 14 8,4 5,5 2 Б 400 2000

Test № 5 85,78 79,8 14 8,4 5,5 2 Б 400 2172

North Pioneer 89,23 83 15,3 7,2 4,31 2 Ц 700 2823,60

Test № 6 89,21 83 15,3 7,2 4,31 2 Ц 700 2829

Engie Zeebrugge 101,8 91 18,4 10,2 4,9 2 Ц 600 5100

Test № 7 97,8 91 18,4 10,2 4,9 2 Ц 600 5142

Coralius 99,6 90 17,95 12 5,9 2 Ц 500 5800

Test № 8 96,72 90 17,95 11,2 5,9 2 Ц 500 5858

Coral Anthelia 115 108 16,8 12 6 2 Ц - 6500

Test № 9 116 108 16,8 12 6 2 Ц 600 6514

Coral Methane 117,8 111,2 18,6 12 6 2 Б - 7551

Test № 10 119,4 111,2 18,6 12 6 2 Б 600 7524

значения многих параметров, в т.ч. эксплуатационных, что расширяет возможности выполнения на ее основе технико-экономической оптимизации морских транспортных систем, имеющих в своем составе суда данного типа.

Библиографический список

1. Аполлонов Е.М., Таровик О.В. Регрессионно-аналитическая модель определения характеристик газовозов СПГ мембранного типа с различными ледовыми категориями. Судостроение № 806, Издательство: Центр технологии судостроения и судоремонта (Санкт-Петербург) ISSN: 0039-4580, 2013, с 12-17.

2. Правила о грузовой марке морских судов НД № 2020101-098, Санкт-Петербург, 2017.

3. Ашик В.В. Проектирование судов / В.В. Ашик. - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Судостроение. 1985. 320 с.

4. ОСТ 5.0181-75 Атлас диаграмм для расчета буксировочной мощности морских транспортных судов.

5. Montairo T.G., Gaspar H.M. An open source approach for a conceptual ship design tools library, NTFU, Alesund/Norway, 2017.

6. Kondratenko A.A., TarovikO.V. Cargo-Flow-Oriented Design of Supply Vessel Operating in Ice Conditions. Proceedings of the 37th International Conference on Ocean, Offshore & Arctic Engineering, Madrid, Spain. DOI: 10.1115/OMAE2018-77802.

7. Holtrop J., Mennen G.G.J. An Approximate Power Prediction Method. International Shipbuilding Progress. Vol. 29 (335), 1982, pp. 166-170.

8. А.И. Гайкович, С.Н. Рюмин. Курсовое и дипломное проектирование с использованием УИ САПР «ФЛОТ». Учебное пособие/СПбГМТУ; СПб., 2005, 78 с.

Сведения об авторах

Кондратенко Александр Алексеевич, инженер I кат. ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-43-97. E-mail: aleksandrkondratenko@live.com.

Реуцкий Александр Сергеевич, инженер II кат. ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-40-72. E-mail: reuckii_aleksandr@mail.ru.

Поступила / Received: 13.02.19 Принята в печать / Accepted: 09.04.19 © Коллектив авторов, 2019