Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Природный газ как объект морской транспортировки
Смесевой состав природного газа
Качество природного газа.
Фазовая диаграмма газа
Уравнение состояния газа. Коэффициент (фактор) сжатия газа Z (Z - фактор)
Плотность природного газа
Влагосодержание природного газа. Точка росы газа по влаге
Расчетная модель определения термодинамических характеристик чистых смесевых газов для условий выполнения с ними транспортных операций с использованием CNG-судов
Выводы по главе 1
Глава 2 Обоснование состава и характеристик береговой инфраструктуры и судового оборудования, обеспечивающих проведение морской транспортировки природного газа в сжатом виде CNG-судами
2.1 Комплектация оборудованием погрузочных и разгру зочных терминалов, обеспечивающих морские CNG-технологии
2.2 Организация осушки газа и предотвращения гидратообразования перед загрузкой газа
2.3 Процесс наполнения грузовых баллонов. Определение характеристик процесса наполнения грузовых емкостей природным газом. «Дожатие» природного
газа. Энергетические затраты на сжатие газа в «до-жимных» компрессорах.
2.4 Обоснование характеристик и определение энергопотребления «дожимного» компрессора.
2.5 Выбор оборудования для охлаждения «дожатого» га- 88 за перед его загрузкой в грузовые емкости CNG-судна.
2.6 Комплектация разгрузочного терминала для CNG судов
2.6.1 Применение турбодетандеров на разгрузочном 99
терминале
2.7 Особенности размещения на CNG-судах стыковочного оборудования (турели - mooring turret)
2.8 Компрессорный блок-модуль для «дожатая» загружаемого природного газа на борту CNG-судна
Выводы по главе 2 lwo
Глава 3 Аналитические исследования нормативных требований по проектированию, постройке и эксплуатации CNG-судов
3.1 Общий обзор существующих Правил классификации 110
и постройки и эксплуатации CNG-судов
3.2 Основные требования, предъявляемые к CNG-судам 111
3.2.1. Документы IMO 111
3.2.2. Международный Кодекс постройки и оборудования судов, перевозящих сжиженные газы наливом (Кодекс ЮС)
3.2.3 Конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 года МАРПОЛ
3.2.4. Требования МАКО (IACS) 115
3.2.5 Общий анализ требований классификационных обществ к CNG-судну
Выводы по главе 3 119
Глава 4 Методика определения основных элементов и характеристик CNG-судов
4.1 Архитектурно-конструктивный тип и особенности грузового оборудования CNG-судов
4.1.1. Устройство, оборудование, архитектурно- конструктивный тип и требования к эксплуатации CNG-судов
4.1.2. Анализ существующих проектов CNG-судов 127
4.1.3. Газовые баллоны. Объединение их в кассеты и их размещение на CNG-судне. Определение потребного количества баллонов на судне.
4.2 Выбор главных размерений и обоснование формы 138
судовой поверхности CNG-судов
4.2.1. Определение главных размерений CNG-судов в первом приближении
4.2.2. Определение ширины CNG-судна с учетом 146
требований вместимости
4.2.3. Определение длины CNG-судна 149
4.2.4. Определение располагаемой вместимости CNG-судна из условия размещения укрупненных грузовых мест (кассет)
4.2.5. Длина машинного отделения (МО) 156
4.2.6 Длина форпика 158
4.2.7. Длина ахтерпика 159
4.2.8. Назначение высоты борта CNG-судна по требованиям эксплуатации
4.2.9. Осадка судна 162
4.2.10. Коэффициенты полноты и форма обводов 163
корпуса CNG-судна
4.2.11. Форма носовой оконечности 167
4.2.12. Форма кормовой оконечности 168
4.2.13. Особенности формы корпуса в носу и в корме для CNG-судов ледового плавания
Расчет нагрузки масс и координат центра масс судна 172
4.3.1. Масса CNG-судна порожнем 172
4.3.2. Расчет составляющих дедвейта 176
Проектное обоснование выбора судовой энергетической установки CNG-судов
4.4.1. Движение во льдах. Особенности назначения мощности и состава главной энергетической установки для CNG-судна в ледовых условиях плавания
5 Аварийная посадка и остойчивость CNG-судна 180
4.5.1. Исследование характеристик остойчивости 184 CNG-судна с помощью программного модуля «Диалог-Статика»
6 Разработка алгоритма определения основных проектных характеристик CNG-судна.
7 Программная реализация методики проектирования CNG-судна - компьютерная программа «SHIPSTATE»
8 Тестовый расчет по проектированию CNG-судна и анализ результатов
Выводы по главе 4 208
Заключение и выводы 210
Список литературы
- Уравнение состояния газа. Коэффициент (фактор) сжатия газа Z (Z - фактор)
- Организация осушки газа и предотвращения гидратообразования перед загрузкой газа
- Международный Кодекс постройки и оборудования судов, перевозящих сжиженные газы наливом (Кодекс ЮС)
- Назначение высоты борта CNG-судна по требованиям эксплуатации
Уравнение состояния газа. Коэффициент (фактор) сжатия газа Z (Z - фактор)
Такой технологией является CNG-технология (Compressed natural gas (CNG) сжатый природный газ) или Pressurised Natural Gas (PNG) (такой вариант обозначения принят в публикациях норвежской компании «Knutsen О AS Shipping»). Данная техническая идея активно изучается с середины 70-х годов XX века, базируясь на идее сжатия природного газа до высокого давления 13П25 МПа, что способствует пропорциональному уменьшению занимаемого им объема. Сжатый природный газ предлагается перевозить в специальных сосудах высокого давления, устанавливаемых в трюмах судна.
В отличие от трубопроводного варианта доставки газа, где главную долю стоимости составляет стоимость газопроводов и компрессорных станций, и LNG-технологии, в которой системы сжижения и регазификации газа составляют главную часть инвестиций, основную долю вложений в CNG-системах берут на себя CNG-суда, которые представляют собой «мобильную» инвестицию», менее чувствительную к размерам запасов на разрабатываемом месторождении и не подвергаемую никакому политическому и экономическому диктату, как это имеет место со стороны стран, по территории которых проходят магистральные газопроводы.
Ключевыми преимуществами CNG-технологии являются: масштабируемость; возможность использования уже существующих оборудования и технологий, применяемых в судостроении, производстве средств океанотехники, газовой индустрии и в смежных отраслях промышленности; мобильность инвестиций, заключающаяся в возможности оперативной смены направлений и маршрутов поставок; применимость этого способа транспортировки для доставки попутного (нефтяного) газа с морских нефтедобывающих платформ и FPSO; возможность применения этой технологии в составе глубоководных добычных комплексов. CNG-технология особенно предпочтительна для месторождений с незначительными объемами запасов, а также на маршрутах, где LNG 16 технология экономически нецелесообразна. С ее помощью значительно увеличивается экономическая привлекательность прибрежных и труднодоступных месторождений газа. Морская CNG-транспортировка даёт возможность доставки газа на острова либо на удаленные анклавы, как, например, Калининградская область РФ, а также в районы с небольшим промышленным потреблением газа. Условно говоря, CNG-технологию морской транспортировки природного газа можно рассматривать как мобильный трубопровод, который оперативно может изменить направление и объемы газовых поставок от мест загрузки к практически любому новому приемному терминалу.
Важным преимуществом CNG-технологии является относительно более низкий уровень потерь газа при транспортировке, особенно по сравнению с LNG-технологией: - газопроводами 3-5 %; - CNG-судами - 5-8 % (при загрузке и разгрузке); - LNG-судами - 8-20 % (в зависимости от времени года). Базовая концепция CNG-технологии предполагает перед загрузкой на специализированное судно поступающего из подводящей магистрали или хранилища природного газа его сжатие с помощью специального компрессорного оборудования. С точки зрения эффективности этого способа транспортировки ключевую роль здесь играют два основных параметра загружаемого на судно газа: температура и давление, а также их производная -плотность, увеличение которой прямо пропорционально величине избыточного давления по сравнению с естественными условиями.
CNG-технология морской транспортировки газа включает следующие основные операции с ним: очистка от примесей и дегидрация (абсорбция/адсорбция), сжатие, охлаждение (рефрижерация), загрузка на судно, транспортировка морем и последующая разгрузка с использованием оборудования для снижения давления газа до давления в принимающей магистрали и для подогрева охлаждающегося из-за дроссельного эффекта газа до температуры окружающей среды. На рисунке 10 представлен состав обеспечи 17 вающей подготовку, погрузку и разгрузку газа CNG-инфраструктуры-транспортировки природного газа в сжатом состоянии.
Технологическая схема CNG-транспортировки природного газа с использованием CNG-судов [115]
При этом, как видно из рисунка, перед загрузкой из природного газа должны быть удалены вредные примеси, и он должен быть сжат и охлажден до оптимальных значений его давления и температуры. Конденсаты, жидкости, твердые примеси, содержащиеся в газе, и вода должны быть удалены из добытого газа прежде, чем он будет сжат и закачан в грузовые емкости CNG-судна.
Основным элементом здесь являются CNG-суда. По современным оценкам CNG-комплекс оборудования для загрузки газа (терминал загрузки), состоящий из сепараторов, компрессоров, охладителей и трубопроводной системы, будет стоить от 25 до 60 млн. долл. США. Стоимость одного CNG-судна оценивается не менее чем в 150П500 млн. долл. США (в зависимости от вместимости по объему принимаемого на судно газа), берегового терминала в месте выгрузки (сепараторы, теплообменники) П в 30 50 млн. долл. США. Если предусматриваются не стационарные причалы, а выносные причальные буи, то следует учесть, что стоимость погрузочного и разгрузочного буев оценивается суммой от 20 до 50 млн. долл. США каждый. Это в совокупности меньше общей стоимости заводов по сжижению и по регазифика-ции [130], [131].
За последние десятилетия фирмы США, Канады и Норвегии провели глубокие и капиталоемкие исследования по реализации морской CNG-транспортировки, позволившие решить многие возникающие технические проблемы и разработать значительное количество концептуальных проектов CNG-судов [97], [103], [106], [144], [145], [146], [148], [149]:
Предлагаемая диссертационная работа посвящена созданию методики проектирования CNG-судна и сопутствующих комплексов инфраструктуры, обеспечивающей его функционирование. Преимущественно исследуется концепция норвежской компании Knutsen OAS Shipping («PNG»), как наиболее технологически простая и, что немаловажно, легче всего реализуемая в отечественных условиях, что обосновано в диссертации.
Общая характеристика диссертационного исследования Исследуемая в рамках данной работы проблема создания CNG-судов и морских комплексов транспортировки природного газа в сжатом виде отно 19 сится к числу многоуровневых задач проектирования сложных объектов морской техники. Для ее решения фундаментальное значение имеют идеи многоуровневого системного подхода к процессу проектирования судов изложенный в работах В. В. Ашика [5] и А. В. Бронникова [11]. Важное место занимает и монография В. М. Пашина, в которой предложен аппарат оптимизации и согласования проектных решений, принимаемых на этапах решения внешней и внутренней задач проектирования судов[75]. Немаловажное значение приобрели работы А. И. Гайковича в области создания математических моделей сложных технических систем и объектов морской техники [29].
Развитие методологии исследовательского проектирования судов-газовозов (LNG) для перевозки природного и нефтяного газов отражено в трудах Ф.А. Морейниса, СИ. Логачева, М.Н. Барабановой, А.Н. Вашедченко, Б.Н. Михайлова, В.В. Зайцева, СП. Баскакова, М.А. Нахимовского, В.Г. Макарова и др. [6], [7], [18], [21], [27], [63], [68], [70]..
Характеристики и модели поведения природного и нефтяного газов на стадиях добычи и транспортировки отраженны в трудах К.С. Арнольда, Б.П. Гвоздева, И.И. Костылева, В.К. Козырева, P.P. Марковского, В.А. Петухова и др. [4], [36], [60], [61], [76].
Очевидна актуальность изучения CNG-технологии как альтернативного способа морской транспортировки газа. Помимо обоснования рациональных проектных характеристик CNG-судов и необходимого количественного состава судов на линии, требуется также анализ характеристик газа как объекта перевозки. Подлежат обоснованию и состав, и характеристики береговой инфраструктуры терминалов для погрузки/выгрузки газа.
Организация осушки газа и предотвращения гидратообразования перед загрузкой газа
С эксплуатационной точки зрения наибольшее внимание должно быть уделено величине плотности газа, оказавшегося в баллоне после завершения процесса закачки, поскольку при известном объеме баллона именно она определяет массу принятого к перевозке газа. Как это показано, и для чистого метана, и для любого смесевого состава газа для принятого рабочего давления Р его плотность в значительной мере зависит от его температуры Т.
При загрузке газа процесс наполнения грузовых емкостей характеризуется резко выраженной нестационарностью, значительными перепадами давления и температуры газа, высокими скоростями газовых потоков, способными достигать скорости звука [4], [17], [45], [51]. Из-за дроссельного эффекта в начальный момент заполнения баллона температура входящего газа снижается, однако, в конце подачи сжатого газа в емкость наблюдается повышение его температуры на 50П90 С по сравнению с ее значением у входящего в емкость газа: удельное теплосодержание газа в емкости оказывается заметно выше теплосодержания закачиваемого газа, что и является источником нагрева. Из данных экспериментов по наполнению автомобильных баллонов природным газом, проведенных на заводе ЗИЛ [17], перегрев газа доходил до 80 С. Процесс заполнения емкости может быть описан с использованием законов термодинамики [17], [51]. Из-за термодинамических особенностей этого процесса имеет место эффект «недозаполнения» газом емкости. Вследствие торможения струи входящего в емкость газа и интенсивного теплообмена между конструкционным материалом емкости и подаваемым газом растут его давление и температура, и происходит быстрая передача теплоты от самой емкости к газу. Однако через определенный промежуток времени по мере остывания баллона давление газа в емкости падает, и емкость фактически оказывается недозаполненной. «Недозаполнение» автомобильных баллонов в экспериментах на заводе ЗИЛ составляло 10П15 %. Таким образом, газ в емкость должен дозакачиваться дополнительно [17], [51].
Заполнение емкости рассмотрим как истечение газа из сосуда с температурой Гн и давлением Рн, достигнутым «дожимным» компрессором, в некоторую емкость заданного объема У (рисунок 2.9).
Согласно первому закону термодинамики подводимая теплота за счет энтальпии входящего газа за вычетом отводимого через стенки емкости тепла идет на увеличение внутренней энергии газа в этой емкости. Математически это может быть записано следующим образом: hdM -8Q = d(uM), (2.1) где h - удельная энтальпия поступающего газа, Дж/кг; М- масса газа в наполняемом резервуаре объемом V, м3, кг; 5Q - элементарная теплота, отводимая от газа в окружающую среду за время Ах, Дж; и - удельная внутренняя энергия, Дж/кг. Все термические и калорические величины находим, используя программный комплекс Aspen HYSYS [62]. При этом термическое уравнение состояния будет записываться в виде где а коэффициент теплоотдачи от газа к внутренней поверхности резервуара, Вт/м К; АГ разность температур газа и этой поверхности, К; F площадь внутренней поверхности резервуара, м .
В итоге уравнение (2.1) окончательно принимает вид cpTJM - vATFdz = cvd{TM). (2.6) Интегрируя это выражение на промежутке времени от тх = 0 до т2 = Ат, получаем срТъАМ - aATmFАт = суА(ГМ), (2.7) где AM и А(ТМ) - изменение массы в резервуаре и произведения ее на температуру в интервале времени Ах соответственно; АТт - среднее значение разности температур газа и поверхности резервуара в рассматриваемом интервале времени. Используя термическое уравнение состояния (2.2), можно записать: где / площадь поперечного сечения сопла в самом узком месте; (X коэффициент расхода, учитывающий потерю скорости и сужение струи газа, протекающего через сопло; /?н, рн- давление и плотность газа на входе в резервуар; \/ характеристика истечения [51].
Разработанная методика опробована расчетом для цилиндрической емкости длиной 37,0 м, с наружным диаметром 1,067 м и толщиной стенок 0,035 м (см. далее рис. 4.5). Предполагается, что по трубе диаметром 0,04 м газ с компонентным составом, идентичным поставляемому по газопроводу «Северный поток», при рн = 25 Мпа, Гн = 273 К поступает в емкость. Здесь: V = 28 м3, F =113 м , рн = 229 кг/м . После достижения давления в емкости рн = 25 МПа подача газа прекращается, а затем из-за теплообмена температура и давление газа в емкости падают, что позволяет возобновить процесс её наполнения с целью увеличения массы содержащегося в ней газа.
Согласно расчетам первая «закачка» длилась 150 с, и газа в емкости оказалось Mi=4327 кг с температурой 347 К, остывание до Т2 = 273 К длилось Атохл = 24045 с (6 ч. 40 мин.), давление р2 =15,57 МПа.
Произведя еще три «закачки» с продолжительностью промежуточного остывания, равной в сумме 3 часа 20 мин, удалось довести массу газа в емкости до 6337 кг (максимально возможное значение согласно значениям, полученным в программном комплексе Aspen HASYS 6412 кг). Само время выполнения «до-качек» несущественно. Результаты поэтапного расчета представлены в таблице 2.1.
Международный Кодекс постройки и оборудования судов, перевозящих сжиженные газы наливом (Кодекс ЮС)
На начальных этапах проектирования, найдя D и L и принимая коэффициент 8 согласно данным таблицы 4.1 из интервала 8«0,80-=-0,83, предполагаемое значение В можно получить, используя следующие зависимости:
Это предварительное значение Вх должно быть откорректировано с учетом распределения крупногабаритных кассет по ширине судна, а также необходимости контроля поперечной остойчивости.
Размеры грузового пространства судна в плане по длине и ширине должны учитывать их кратность размерам крупногабаритных грузовых мест, какими являются кассеты с баллонами.
Ширина CNG-судна В определяется в соответствии с требованиями размещения заданного количества грузовых единиц (кассет), которые устанавливаются на судно, но при ее назначении следует учитывать условия обеспечения поперечной остойчивости и минимизации сопротивления движению CNG-судна как судна тихоходного, что требует, в первую очередь, уменьшения ее смоченной поверхности, достигаемого при снижении значений L/B. Уширение судна, как отмечалось, способствует решению проблемы в обеспечении поперечной остойчивости. При выборе ширины судна последнее обстоятельство может оказаться доминирующим (см. рисунок 4.17 и таблицу 4.4), и поэтому, следуя алгоритму назначения ширины судна В, необходимо постоянно обращаться к проверке достаточности остойчивости.
Для определения ширины судна может быть предложена зависимость, рисунок 4.18: где ZJjp - ширина грузового трюма; 5ДВ б - ширина двойного борта; Ьк п - ширина продольной коффердамной переборки, которую в дальнейших расчетах предлагается принимать равной ширине одной грузовой единицы Ьк п = Ьк; Ьк - ширина кассеты (грузовой единицы). Очевидно, что при ширине кассеты, превышающей 3,5 4,0 м, ширину коффердамной переборки нецелесообразно назначать больше этой величины, что потребует внесения соответствующей корректировки в рассматриваемые здесь зависимости для назначения В.
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 (см. рисунок 4.9).
Минимальная ширина второго борта 5ДВ б согласно требованиям Правил А 301, Pt.5, Chpater 15 [111] должна быть 5/15, или 2 м, в зависимости от того, что больше.
Установка продольной коффердамной переборки в 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. Тогда ширина грузового трюма в районе цилиндрической вставки, рисунок 4.18, может быть определена следующей формулой: ширине кассеты; Хх - величина зазора между стенкой кассеты и внутренним бортом или стенками кассеты и продольной коффердамной переборкой (см. рисунок 4.8); Х3 - величина зазора между стенками смежных кассет (см. рисунок 4.8).
В то же время, следует отметить, что по требованиям Правил [96] и [102] наличие двойных бортов у CNG-судов не обязательно, т. е. данные суда можно отнести к конструкции LPG-танкеров, которые перевозят нефтяной газ под давлением. Единственным требованием Правил [96] и [102] является условие обеспечения безопасности при столкновении, чтобы расстояние между стенкой грузовой емкости и обшивкой судна было не менее 760 мм.
Применение Правил [111], требующих наличия двойных бортов, позволяет получить более широкое судно и с меньшей осадкой, по сравнению с судами, создаваемыми в соответствии с требованиями Правил [96] и [102], в то время как высота грузовых емкостей останется прежней. В то же время, должен быть постоянным учет требований обеспечения поперечной остойчивости.
Итак, имея полученное из выражения (4.11) предварительное значение ширины Вь найдем ширину грузового трюма:
Полученное значение пКас.шир должно быть округлено до ближайшего четного целочисленного значения, подставив которое в выражение (4.11), мы найдем откорректированное значение ширины судна В, приемлемость которого после назначения остальных размерении и характеристик судна должна быть проверена на соответствие требованиям поперечной остойчивости.
Принимаемое значение пкасшир даст возможность получить количество поперечных рядов кассет, которые затем должны быть распределены по отсекам нормируемым количеством поперечных переборок, что позволит определить длину грузового пространства, а затем и уточнить действительную длину судна.
Здесь же необходимо отметить, что принимаемое к размещению на CNG-судне количество кассет обязательно должно быть четным.
Предварительное значение длины L, которое, как показано, может быть получено с использованием статистических данных по судам-аналогам, должно быть откорректировано с учетом достаточности места для размещения крупногабаритных кассет по длине, учитывая одновременно необходимость деления грузового пространства на отсеки, а также возможность выделения необходимых длин для обустройства машинного отделения, форпика, ахтерпика и вспомогательных и технологических помещений.
Общая длина CNG-судна L, принимаемая далее как расчетная и отвечающая условиям выполнения требований ТЗ, может быть рассчитана как сумма длин, занятых грузовым пространством, разделенным на отсеки, машинным отделением, коффердамами, фор- и ахтерпиком, технологическим отсеком, обеспечивающим операции погрузки и разгрузки перевозимого газа (если он предусмотрен): где Ці- длина судна, занятая грузом (совокупная длина трюмов); Іо, - длина форпика; La- длина ахтерпика; Z Q - длина машинного отделения; Ц -длина технологического помещения; Ькпп - ширина поперечной коффердам-ной переборки, принимаемая равной двум шпациям; Кп - количество поперечных переборок в грузовом пространстве, их количество, рассчитывается как Ки = [п +l), где Дц,- количество грузовых трюмов.
Совокупная длина грузового пространства судна, формируемого принятым количеством грузовых трюмов, 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 переборок (коффердамных), рисунок 4.18. Длину грузового трюма (при условии кратности числу поперечных рядов кассет в нем) можно определить по формуле Zip = каАас + Кае - ife + 2Х1 С4 16) где 1кас - длина грузовой кассеты, м; гщ .- количество поперечных рядов грузовых кассет, устанавливаемых по длине одного трюма, шт.; Х1 - зазор между стенкой кассеты и конструкциями судна (коффердамной переборки), м; Х2 - технологический зазор между грузовыми кассетами, м.
Длина всего грузового пространства равна сумме длин грузовых трюмов, в которые устанавливаются кассеты. Количество грузовых трюмов определяется регламентируемым количеством поперечных переборок, предписанных Правилами в отношении деления судна на отсеки с учетом особенностей заполнения поврежденных при аварии отсеков забортной водой, действительных коэффициентов проницаемости и наличия двойных бортов и двойного дна [78]. Если оценивать значение коэффициента проницаемости, т.е. степень заполненности трюма грузовыми баллонами, которые можно считать водонепроницаемыми, то он составляет 0,8 от объема грузового трюма в его пространстве до уровня верхней палубы. Длина грузового трюма в случае необходимости корректируется с точки зрения обеспечения требований непотопляемости, например, с использованием кривой предельных длин затопления отсеков. Эта корректировка производится также с учетом кратности целому числу поперечных рядов кассет в отсеке.
Наиболее близкими к CNG-судам по заполнению грузового пространства крупными грузовыми единицами можно считать контейнерные суда, особенно открытого типа. На рисунке 4.19 приведены статистические данные по принимаемым значениям длин грузовых отсеков. Видно, что во всем диапазоне расчетных длин современных контейнеровозов длины их грузовых трюмов лежат в интервале 28 П 30 м с меньшим изменением значений, чем у нефтетанкеров.
Назначение высоты борта CNG-судна по требованиям эксплуатации
Для проверки адекватности разработанной программы был проведен расчет тестовых вариантов судна, при этом варьировалась вместимость судна по газу У = 10, 20, 30 млн.м и годовой объем транспортировки газа от 1 до 5 млрд. м , протяженность линии транспортировки составляла от 250 до 2000 миль. В качестве оценочного критерия была выбрана себестоимость транспортировки газа на CNG-судне. Была изучена динамика изменения себестоимости транспортировки природного газа на CNG-судне по сравнению с альтернативными способами доставки (морской трубопровод, LNG-танкеры), рисунки 4.46D4.53.
Наряду с работоспособностью программы, показана адекватность получаемых данных по известным значениям себестоимости, проверена их чувствительность и устойчивость. Анализ полученных диаграмм позволяет сделать следующие выводы: наименьшая себестоимость транспортировки газа будет в том случае, когда флот CNG-судов имеет минимальное количество судов на линии с максимальной грузоподъемностью; себестоимость транспортировки уменьшается с увеличением грузопотока. Транспортировка природного газа CNG-суднами по сравнению с другими видами транспортировки наиболее предпочтительна на линии с расстоянием, не превышающим 1250 миль. При этом дальнейший рост расстояния транспортировки ведет к удорожанию себестоимости транспортировки и теряет свое конкурентное преимущество в сравнении с другими видами транспорта.
Полученные в программе «ShipState» главные размерения CNG-судов, согласуются с характеристиками существующих проектов CNG-судов (см. Таким образом, компьютерная программа «ShipState» и заложенные в неё алгоритм и зависимости могут быть использованы для исследовательского проектирования CNG-судов на ранних стадиях разработки проектов.
Данная прикладная компьютерная программа ориентирована на разработку проектов CNG-судов, предполагающая следование концепции норвежской компании Knutsen OAS Shipping морской транспортировки природного газа в сжатом виде, с установкой на этих судах вертикально устанавливаемых грузовых баллонов цилиндрической формы (см. Приложение 1).
В перспективе, при доработке программа может быть дополнена вкладками, позволяющими рассчитывать характеристики CNG-судна на соответствие концепциям Sea NG (Coselle), EnerSeaTransport (Votrans), которые предполагают иные принципы проектирования судовых конструкций и другие особенности размещения грузовых баллонов, и способы выполнения грузовых операций с газом.
1. Выполнены анализ и систематизация основных особенностей и характерных признаков архитектурно-конструктивных типов и компоновочных схем CNG-судов. Предложены функциональные зависимости и прикладные программы для определения основных характеристик CNG-судна на ранних стадиях проектирования.
2. Разработана методика определения главных размерений и формирования схемы общего расположения CNG-судна с учетом выполнения требований его вместимости по объему перевозимого газа, условий размещения укрупненных грузовых мест, какими являются кассеты с газовыми баллонами различных типов, и требований обеспечения поперечной остойчивости в условиях чрезвычайно высокого расположения центра тяжести судна из-за специфики размещения вертикально устанавливаемых грузовых баллонов.
3. Предложены методики расчета нагрузки CNG-судна для ее различных состояний. Предложен целый ряд оригинальных зависимостей для определения отдельных составляющих нагрузки, том числе и для грузовой системы, доля которой в общей массе судна здесь достигает 70П75 %.
4. Проведено систематическое исследование показателей поперечной остойчивости в различных состояниях нагрузки и в аварийных ситуациях с выработкой проектных рекомендаций по назначению приемлемых размерений и формы корпуса в обеспечение безопасности.
5. Выполнен анализ рационального типа, состава и мощности энергетической установки CNG-судна, выявлена предпочтительность применения на CNG-судах СЭУ с электродвижением и использованием в качестве основных агрегатов двухтопливных дизельных двигателей. Представлены особенности назначения мощности и состава главной СЭУ для CNG-судна, предназначенного для ледовых условий эксплуатации.
6. Разработана и реализована компьютерная программа «ShipState», позволяющая на начальных стадиях проектирования осуществлять многовариантное исследование как основных характеристик отдельного CNG-судна на соответствие его требованиям ТЗ и нормативам регламентирующих правил, так и модели транспортно-логистического комплекса морской транспортировки природного газа с помощью формируемого в рамках расчетного исследования флота CNG-судов на заданной линии с возможностью сравнения показателей эффективности предлагаемого транспортного комплекса с альтернативными, какими являются морские газопроводы и LNG-суда. Подтверждена работоспособность разработанной методики.