Содержание
- Список принятых обозначений
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДНА И ЕГО СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
1.1. Практика назначения режима эксплуатации судов
Российского морского флота.
1.2. Практика назначения режима эксплуатации судов зарубежного морского флота.
1.3. Постановка задач исследования.
Выводы по главе 1.
Глава 2. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ СКОРОСТНОГО РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДНА И НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
2.1. Составляющие задачи оптимизации. Тарифы на перевозку грузов.
2.2. Расчет скоростного режима судна и параметров эксплуатации главного дизеля с учетом характеристик судовой энергетической установки и внешних условий.
2.2.1. Расчет одного перехода судна при заданном времени на переход.:.
2.2.2. Расчет одного рейса судна при заданной скорости хода.
2.2.3. Расчет оптимального режима эксплуатации судна по Критерию максимальной прибыли.
2.3. Программы для выбора режима эксплуатации судна и его силовой установки.
2.3.1. Программа «Trip» расчета одного перехода судна.
2.3.2. Программа «Voyage» расчета одного рейса судна при заданной скорости хода.
2.3.3. Программа «Optima» расчета одного рейса судна по критерию максимальной прибыли.
2.4. Оценка влияния внешних факторов на параметры оптимального режима по стандартным данным танкера
Dw=150 ООО тонн.
Выводы по главе 2.
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.
3.1.1. Цели и процедура применения малых ходов судна.
3.1.2. Технические аспекты при длительной работе на малых нагрузках.
3.1.3. Рекомендации по эксплуатации главных дизелей
Wartsila RTA.
3.1.4. Рекомендации по эксплуатации главных дизелей MAN
Diesel & Turbo МС и МС-С.
3.2. Эксплуатационные испытания танкера «Литовский проспект».
3.2.1. Задачи эксплуатационных испытаний.
3.2.2. Краткая характеристика танкера «Литовский проспект» и его силовой установки.
3.2.3. Особенности конструкции главного дизеля.
3.2.4. Измерительная аппаратура, погрешности измерений.
3.3. Результаты испытаний главного дизеля 5S70MC-C.
Выводы по главе 3.
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.
4.2. Оценка влияния параметров работы энергетической установки и внешних факторов на параметры оптимального режима эксплуатации танкера «Литовский проспект».
4.3. Разработка стандартных решений по режимам эксплуатации главных двигателей крупнотоннажных танкеров.
4.3.1. Основные факторы, определяющие погрешность оценки параметров оптимального режима работы силовой установки.
4.3.2. Оценка численной величины погрешности, вносимой основными допущениями при расчете стандартного рейса.
4.3.3. Оптимальные режимы эксплуатации отечественных судов танкерного флота на основных направлениях плавания.
4.3.4. Оценка экономического эффекта от оптимизации скоростных режимов судов по критерию максимальной прибыли.
Выводы по главе 4.
Сложившимся типом энергетической установки современного транспортного судна является дизельная установка, включающая в себя главный дизель (или дизели) в качестве основного силового агрегата, вспомогательные дизель-генераторы для производства электрической энергии и парогенераторы для производства пара на вспомогательные и технологические нужды. При этом в отечественной практике эксплуатации под термином «силовая установка» понимается главный дизель — основной объект настоящего исследования. Такая же терминология принята и в международном морском флоте — «Ship power plant» имеет дословный перевод «Судовая силовая установка». Вынося в название диссертации этот термин, автор хотел подчеркнуть именно — его основной интерес направлен на исследование режимов эксплуатации главного силового агрегата судна.
Оптимизировать режим эксплуатации главного дизеля судна можно по разным критериям. В качестве критерия оптимизации могут быть приняты: минимальный эффективный или индикаторный расходы топлива на главный дизель, минимальный расход топлива на милю пути, минимальный критерий приведенных затрат судна, максимально возможная скорость судна при оговоренных пределах по механической и тепловой напряженности цилиндров. В настоящем исследовании в качестве критерия оптимизации режимов эксплуатации главного дизеля выбран критерий максимальной прибыльности судна в каждом рейсе с учетом всех возможных факторов.
Такой подход предполагает решение задачи в 2 этапа: 1) определение скоростного режима судна, обеспечивающего максимальную его прибыльность за оговоренный промежуток времени и 2) по найденной скорости хода устанавливается скоростной режим эксплуатации главного дизеля, потребности в топливе и смазки на рейс. Разработанная методика оптимизации работы судов морского флота и выбора режимов эксплуатации главного дизеля оказалась востребованной практикой в той сложной ситуации, в которой оказался мировой транспортный флот после начала кризиса в 2008 году.
Снижение активности мировой экономики, наблюдаемое в эти годы, отразилось на активности работы мирового морского транспорта и на его экономических показателях. С начала мирового спада в экономике объем перевезенных грузов мирового морского флота в расчете на тонну дедвейта снизилась в 2008 году по сравнению с 2007 годом: нефтеналивные танкеры на 4,7%, балкеры на 1,8%, остальной флот на 4,2% [52]. Снижение объема перевозок продолжалось в 2009 году по сравнению с 2008 годом: нефтеналивные танкеры на 5,6%, балкеры на 5,5%, остальной флот на 18,3% [53]. С 2009 года пошло увеличение объема морских перевозок. Объем морских перевозок увеличился в 2010 году на 7% по сравнению с 2009 годом. Производительность флота по показателю объема перевезенных грузов в расчете на тонну дедвейта изменилась в 2010 году по сравнению с 2009 годом: нефтеналивные танкеры увеличили объемы на 4,2%, сухогрузный флот, включая контейнеровозы — на 8,4% [54]. Подобные параметры грузооборота сохранялись и в 2011 году, что казалось бы. должно возвратить условия работы флота на докризисный уровень. Однако этого не произошло из-за влияний других факторов — значительного излишка тоннажа, в том числе поступающего из новостроя по старым контрактам, роста цен на топливо и снижения тарифов на перевозку грузов.
В настоящий период цены на бункерное топливо Ш0−380 — основное топливо для энергетических установок крупнотоннажных 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 Ш/т [59]. 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 [51]. Все это не могло не сказаться на прибыльности отрасли морского транспорта не только России, но и всего мирового морского флота.
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. Основная статья эксплуатационных затрат любого судна — это расходы на топливо. Известно, что для судов транспортного флота количество топлива, потребного для исполнения рейса, примерно пропорционально квадрату скорости движения (при снижении скорости хода в 2 раза расходы топлива на рейс снижаются примерно в 4 раза).
Сложившаяся ситуация привела к массовому снижению скоростей транспортировки грузов. Так, в 2012 году по сравнению с 2011 -м годом крупнотоннажный мировой танкерный флот снизил скорость хода на 10,7%, контейнеровозы — на 13,0% [55]. При этом снижение скорости хода судов устанавливается операторами скорее интуитивно, без серьезного экономического обоснования, учета конкретных особенностей судна и его силовой установки, внешних условий. Во всяком случае, нам неизвестны какие-либо нормативные документы, направленные на решение задач оптимизации скоростных режимов эксплуатации отечественных судов ни под российским, ни под зарубежными флагами. Как показал анализ, такой «интуитивный» подход к назначению режима эксплуатации судов морского флота и их главных дизелей неминуемо приводит к снижению экономического эффекта от эксплуатации судна. Экономический эффект оценивается прибылью. При подобном подходе нельзя гарантировать получения максимально возможного уровня прибыли с учетом наиболее существенных внутренних и внешних факторов, что определяет актуальность проблемы.
Целью настоящей работы является создание методики, которая позволила бы прежде всего судовладельцам, а также фрахтователям в случае их оплаты расходов на топливо зафрахтованных судов решать проблему оптимизации скоростных режимов эксплуатации — назначать такие скорости движения судна и режимы эксплуатации его силовой установки, которые обеспечили бы максимальную прибыльность судна (в крайнем случаеминимальные убытки). Для решения этой проблемы необходимо решить задачи:
— 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 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.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждена использованием теоретических положений, имеющих широкую апробацию при научных исследованияхприменением методов статистической обработки исходных данных с получением подтверждения сходимости теоретических и экспериментальных зависимостейпрактической реализацией результатов исследований, подтвержденной актом внедрения (Приложение 1) в одной из ведущих операторских компаний отечественного морского танкерного флота «SCF Unicom».
Научная новизна исследований — впервые применены положения оценки экстремума функции для решения практических задач назначения наиболее обоснованного режима эксплуатации судна и его силовой установки, обобщены результаты статистических исследований по различию нагрузки силовой установки в грузу и в балласте и выданы рекомендации по практическому применению, найденны аналитические закономерности изменения удельных расходов топлива главного судового дизеля.
Практическая ценность работы определяется:
— возможностью оператора обоснованно и однозначно назначить режим эксплуатации судна и его силовой установки на одном переходе или в каждом конкретном рейсе, оценить его результаты с использованием разработанной программы счета на ЭВМ;
— 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 численно потерю от изменения каждого параметра, обосновать необходимость очистки корпуса, регулирования главного дизеля, др.;
— использованием на действующих судах разработанных положений, направленных на обеспечение надежности эксплуатации главных судовых дизелей на сниженных частотах вращения.
Апробация работы. Итоги исследований внедрены в производственную деятельность компании «SCF Unicom», активно используются при назначении режимов эксплуатации судов Совкомфлотапо итогам работы делались сообщения на Техническом Совете «SCF Unicom», публикация в корпоративном издании Совкомфлота, работа освещена на расширенном заседании кафедры «Судовые тепловые двигатели» Судомеханического факультета Морского государственного университета имени адмирала Ф. Ф. Ушакова.
По материалам исследований опубликовано 5 статей, в том числе 2 — в периодических изданиях, поименованных в перечне ВАК, получено одно свидетельство о государственной регистрации программы расчета оптимального режима эксплуатации (Приложение 2).
Выводы по главе 4.
1. Анализ численных значений замеренных параметров экономичности главного дизеля показал — текущие расходы топлива на режимах полных нагрузок на 7%, на частичных режимах — на 15,5% больше, чем при сдаточных испытаниях судна, что можно объяснить различием средств контроля параметров рабочего процесса при сдаточных испытаниях и в процессе эксплуатации. i 2. Завышенные удельные расходы топлива как при сдаточных испытаниях, так и в процессе эксплуатационных испытаний, а также снижение надежности в работе цилиндро-поршневой группы на сниженных ходах вероятнее всего определяются конструктивными особенностями установленной производителем топливной аппаратуры (ТНВД, форсунок).
3. Выполненные экспериментальные исследования позволили:
— получить действительные данные по расходам топлива главного дизеля на различных скоростных режимах эксплуатации;
— убедиться в достаточной корректности принимаемого допущения о взаимосвязи параметра скольжения винта и степени утяжеления винтовой характеристики;
— оценить изменение расхода топлива на главный дизель при ходе в грузу и в балласте;
— получить обоснованные действительные данные по коммерческой деятельности танкера «Литовский проспект» на линии Приморск — Рам?1еу в конкретном рейсе;
— оценить, что дает изменение внешних факторов (погода, уровни цен и оплат) на результаты работы судна на этой линии.
4. Выполненный анализ позволил выяснить основные характерные параметры, задаваемые оператором, пределы их изменения и погрешности при их использовании при назначении режима эксплуатации судна и его силовой установки.
5. Параметры рейсов на стандартных направлениях плавания отечественных танкеров, рассчитанные по конкретным примерам, позволили получить обоснованный уровень оптимальных режимов эксплуатации, оценить экономическую эффективность разработанных предложений по оптимизации работы современного флота.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В результате выполненных исследований решена научная проблема оптимизации работы судов морского флота и назначения режимов эксплуатации их силовых установок с учетом характеристик судна, его силовой установки, технического состояния главного двигателя, тарифов на перевозку грузов, внешних и погодных условий. Созданная методика расчета и ее программная реализация позволяет однозначно решать вопросы назначения режимов эксплуатации судов, что особенно актуально для современного развития мировой экономики и рынка транспортных услуг, требующего работы флота на сниженных скоростях хода. Так, для танкера Dw=115 ООО тонн в зимний период эксплуатации на линии Приморск-Faw/ey максимальная прибыль обеспечивается при скорости хода 9,0 узлов (на 2,6 млн. USD в год больше, чем на скорости полного хода 14 узлов). В летний период оптимальная скорость возрастает до 10.8 узлов при росте прибыли на 1,28 млн. USD в год по сравнению с режимом полного хода судна. Такие результаты оказались возможными благодаря развитию идеи оптимизации работы флота, впервые высказанной в 1982 году [3]- это развитие включило в себя:
1) созданную методику расчета оптимального режима эксплуатации по критерию максимальной прибыли с использованием понятия «условная» прибыль, включающего в себя все статьи финансового баланса (доходов и расходов), зависящие от скорости хода судна;
2) программы в системе Borland С++ для расчетов «условной» прибыли, параметров рейса и силовой установки судна при 2-ух вариантах счета: а) в широком диапазоне изменения скоростей хода от полного до самого малого с шагом скорости 0,5 узла и б) на оптимальной скорости, найденной методом последовательных приближений с шагом скорости 0,1 узла;
3) экспериментальные исследования силовой установки танкера «Литовский проспект», выполненные в условиях производственного рейса, которые позволили получить исходные данные для количественной оценки влияния степени расхождений паспортных и текущих эксплуатационных параметров по расходам топлива, смазки на параметры оптимального режима эксплуатации суднаэкспериментальные данные по расходам топлива научно обработаны, представлены в аналитическом виде;
4) данные по степени утяжеления на 7,5% винтовой характеристики исследуемого судна в грузу по сравнению с ходом в балласте получены на основе статистической обработки значительного массива наблюденийнайденное соотношение может быть использовано при решении вопросов оптимизации скоростных режимов эксплуатации судов аналогичного класса;
5) разработанные положения по обеспечению надежности эксплуатации главных судовых дизелей на сниженных частотах вращения учитывают как рекомендации ведущих производителей, так и опыт эксплуатации, предостерегают судовой персонал от возможных неверных решений;
6) найденные в процессе экспериментальных исследований параметры регулирования топливной аппаратуры и параметры топливоподачи позволили предположить причины повышенных износов цилиндро-поршневой группы двигателя и высоких расходов топлива, инициировать меры по устранению негативных явлений;
7) экспериментальные исследования главного дизеля танкера «Литовский проспект» позволили выполнить численный моделирование, дать анализ влияния возможных отклонений исходных параметров на параметры оптимального режима эксплуатации, подтвердили возможность использования паспортных данных судна для решения задач оптимизации;
8) численное моделирование режимов эксплуатации крупнотоннажных танкеров отечественного морского флота на основных направлениях плавания подтвердило возможность существенного повышения прибыльности судов при оптимизации их скорости эксплуатации (т/х «Литовский проспект» при летнем варианте — на 257 599 USD/год по сравнению с режимом 13 узла, «SCF Aldan» — на 305 971 USD/год, «SCF.
Caucasus" - прибыль возрастает по итогам расчета 2-ух рейсов до 1 836 053 и 1 165 132 USD/год)-,.
9) численный анализ показателей работы судна и его силовой установки на основе разработанной методики с использованием экспериментальных данных дает возможность оценить не только влияние каждого фактора на финансовые результаты (тарифов на перевозку груза, цены топлива и смазки, плохой погоды, обрастания корпуса, технического состояния дизеля, навигационных расходов, качества груза, т.д.), но и выявить весомые факторы, которые целесообразно оперативно устранить (регулировка топливной аппаратуры, лубрикаторов цилиндровой смазки, подводная очистка корпуса и винта, устранение неплотности системы инертных газов на танкере).