CC BY
107
УДК 629.123
М. П. Петров, В. Н. Лубенко
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА ЧЕЛНОЧНЫХ ТАНКЕРОВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ УГЛЕВОДОРОДОВ РОССИЙСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАСПИЙСКОГО ШЕЛЬФА
Введение
Для решения задачи выбора оптимального транспортировочного состава морской техники для обслуживания углеводородных месторождений российского шельфа Северного Каспия строится математическая модель, которая представляет собой программу численного эксперимента, производящую расчёт по трём направлениям. Рассчитываются: оптимальные основные характеристики, количественный состав и экономические издержки на постройку и эксплуатацию флота челночных танкеров для обслуживания российских углеводородных месторождений; оптимальные параметры подводного магистрального трубопровода; параметры состава несамоходного наливного челночного флота. Выбор оптимального варианта проводится по экономическому критерию приведённых затрат.
Исходными данными являются: средняя удалённость месторождений от порта Астрахань, составляющая для блока северных месторождений 200 км; длительность навигационного периода -260 дней для Северного Каспия; интенсивность нефтедобычи - 2,3 млн т нефти в год [1]. Принято ограничение по осадке танкера в 5 м, для возможности прохода по Волго-Каспийскому каналу.
Анализ характеристик танкеров
В качестве переменных варьируемых величин выступают грузоподъёмность танкера и его эксплуатационная скорость. Множество рассчитываемых вариантов представляет собой совокупность танкеров с диапазоном грузоподъёмности 2 500-11 000 т, с шагом приращения 500 т и диапазоном средней эксплуатационной скорости 9-15 узлов с шагом приращения 1 узел.
На основании статистического анализа характеристик 94 современных танкеров, подходящих по своим параметрам для эксплуатации на севере Каспия, были построены графики функциональных зависимостей основных характеристик танкеров от дедвейта (рис. 1).
Рис. 1. Функциональные зависимости основных характеристик танкеров, полученные на основании статистической обработки массива прототипов
Анализ графиков на рис. 1 даёт возможность получить аналитические зависимости основных элементов танкера и дедвейта (ОЩ) вида
X =/ОЩ. (1)
Следующие зависимости получены на основании метода наименьших квадратов с помощью программы 8ШІ8І;іса 7.0:
- длина между перпендикулярами, м:
Ьпп = 64,3 • ОЩ029;
- длина максимальная, м:
ширина, м:
- высота борта, м:
- осадка, м:
водоизмещение порожнем, м:
т = і і •/ ■ 7 2-
-^шах -^пп ' 5^5
В = 10,4 • ОЩ°’25; Н = 2,2 • ОЩ1’61 ; Т = 3,9 • ОЩ°’29; О0 = 0,9 • ОЩ0,66;
- отношение В/Т, м:
- отношение Н/Т:
В/Т = 1,9 + 0,023 • 10-3 • ОЩ
Н/Т = 6,34 • Кбл2 - 3,79 • Кбл + 1,96
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
Щр танков.
где Кбл - коэффициент, отражающий соотношение между объёмом балластных Жбл и грузовых
(10)
Водоизмещение полное Б, тыс. т, определяется по формуле [2, 3]:
Б = Д, + БЖ.
Длина танкера определяется по формуле [4]:
Ь = кП1/3 • у1/3,
(11)
где Б - полное водоизмещение, т; V - эксплуатационная скорость танкера, уз; к - коэффициент, зависящий от дедвейта.
Коэффициент общей полноты определяется по формуле [5]:
5 = 1,106 - 1,68 • Бг,
где Бг - число Фруда танкера.
Осадка определяется из уравнения плавучести [2, 3]:
Т =
О
5-у-к • Ь •
В ’ Т
(12)
(13)
где у - плотность воды, т/м3; к - коэффициент, учитывающий выступающие части.
Ширина В, осадка Т и высота борта Н танкера определяются из системы уравнений (1 )-(3). Блок-схема расчёта главных размерений танкеров на основании исходных данных представлена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема расчётов главных размерений челночных танкеров Зависимость количества рейсов от грузоподъемности
За время ведения погрузочных операций на одном танкере остальные танкеры должны совершить пробег в грузу до базового порта, произвести разгрузочные операции, совершить пробег в балласте до месторождения, выполнить маневры при подходе к месту проведения погрузочных операций в районе месторождения [6].
Время полного рейса танкера составляет:
Тр = Тход + Тпогр + Тразг + 2 • ^порт (14)
где Тход - ходовое время в прямом и обратном рейсах, сут; Гп0гр - время проведения погрузочных операций; Тразг - время проведения разгрузочных операций, сут; Тпорт - время, расходуемое в порту на прочие операции. Учитывается бункеровка, простои, проводка лоцманом и т. д.
Тход = Я/(24 • уэ), (15)
где Я - расстояние между месторождением и базовым портом, км; уэ - эксплуатационная скорость танкера, км/ч:
Тпогр Ргр/Qпогр, (16)
где Ргр - грузоподъёмность танкера, т; 2погр - производительность погрузочных насосов нефтехранилища, т/сут:
Тразг = Ррр/бразг, (17)
где еразг - производительность разгрузочных насосов танкера, т/сут.
Число рейсов, совершаемых танкером за навигацию, определяется по формуле
Пр = Тэ/Тр, (18)
где Тэ - эксплуатационный период, сут.
Провозоспособность танкера 2грг°д определяется по формуле
бгргод = Ргр •Пр. (19)
Число танкеров, необходимое для обслуживания месторождения, вычисляется по формуле
пт = е/бгргод, (20)
где Q - интенсивность нефтедобычи на месторождении, т/год.
Определение себестоимости постройки танкера
На первой стадии проектирования, как правило, завод-строитель ещё не известен, технические характеристики нового судна определены приближёнными методами. Поэтому в этот период стоимость судна целесообразно оценивать по уравнениям регрессии, в которых в качестве факторов выступают основные характеристики судна.
Уровень цены нового судна определяется по формуле [7]:
Ц = СД1 + Рс) квр, (21)
где С7 - себестоимость 7-го серийно освоенного судна; Рс - норматив отношения рентабельности к себестоимости судна; квр - коэффициент, учитывающий повышение стоимости строительства судов в перспективный период.
Индивидуальная себестоимость любого судна до серийно освоенного определяется комбинированным методом:
С = [20Смг + 20СИ- + тан ■ ґ(1 + ^н.р)]^Спец, (22)
где Смі - затраты на материалы, покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты и услуги предприятий, тыс. руб.; Скі - затраты на контрагентские поставки и работы, тыс. руб.; Ті - трудоёмкость постройки судна, тыс. чел.-ч; кн - коэффициент выполнения норм выработки; ґ - средняя часовая тарифная ставка, руб.; кнр - коэффициент учёта накладных расходов; кспец -коэффициент, учитывающий величину затрат по статье «Износ инструментов и приспособлений
целевого назначения и прочие специальные расходы».
Для танкеров См7, Ск7, Т7 рассчитываются по формулам:
Сж = 109,7 + 289,0Д> + 65,3Д>/7 + 156,95э; (23)
Си = 177,5 + 364,6Д> + 153,4Д)/7 + 130,1^8 + 2597,15: - 1701,552 + 1360,0 5з; (24)
Т = 18,8 + 119,9Д) + 411,1/7 - 3 5 9,1 52 - 5 09,1 53, (25)
где О0 - водоизмещение порожнем, тыс. т; і - порядковый номер серийно освоенного судна; 51, 52, 53 - коэффициенты, зависящие от знака автоматизации судна и его водоизмещения; - суммарная производительность грузовых насосов, тыс. м3/ч.
Анализ эксплуатационных доходов
Эксплуатационные расходы С складываются из трех основных составляющих: так называемых постоянных расходов С1, подсчитываемых сразу за весь навигационный период, и расходов на топливо и смазочные материалы на ходу С2 и на стоянке в портах С3, определяемых за каждый круговой рейс [8]:
С = Сі + (С2 + Сз) пр, (26)
где пр - количество рейсов за навигацию.
Расчёт годовых постоянных расходов осуществляется следующим образом:
Сі = 5 + 5 + 5з, (27)
где 51 - содержание экипажа (с накладными расходами), руб.; 52 - амортизационные отчисления, затраты на текущий ремонт и снабжение; 53 - навигационные расходы на пресную воду, дегазацию, дератизацию, дезинфекцию, технический осмотр судна и т. п.
Суммарные приведенные затраты по танкерам для обслуживания месторождений рассчитываются следующим образом:
З = пт - (С + Е1 - Ц), (28)
где пт - необходимое число танкеров для обслуживания месторождений; С - годовые эксплуатационные расходы по танкеру; Ц - строительная стоимость танкера; Е1 - отраслевой нормативный коэффициент. Принято считать, что Е1 = 0,15 [4].
В соответствии с приведенным алгоритмом была создана компьютерная программа на языке БеірЬі для определения необходимого числа танкеров, основных элементов проектируемого танкера и необходимых затрат на постройку и эксплуатацию танкеров для обслуживания месторождений Каспия. Блок-схема данной программы приведена на рис. 3.
Вбод исходных данных
♦ ~
Определение оснобнах элементоб танкероб
♦ ~
Расчет количест&а танкероб на линии
♦ ~
Расчет строительной стоимости танкероб
1 ~
Расчет эксплуатационных расходоб танкероб
1 ~
Расчет суммарных приведенных затрат
I ~
Выбор оптимального состаба танкероб
♦ ~
Уточненный расчет характеристик оптимального состава танкероб
Рис. 3. Блок-схема подпрограммы расчёта оптимальных характеристик и состава челночных танкеров для обслуживания месторождений Северного Каспия
Заключение
На основании расчётов по вышеизложенному алгоритму, выполненных подпрограммой, установлено, что для обслуживания российских месторождений северного блока шельфа Каспия оптимальным будет использование одного челночного танкера грузоподъёмностью
7 500 т с эксплуатационной скоростью 13 узлов. Основные характеристики оптимального танкера: длина максимальная L = 145 м, ширина B = 17 м, высота борта H = 7,5 м, осадка T = 5 м, мощность СЭУ N = 4 000 кВт. Суммарные приведённые затраты постройки и эксплуатации судна 240 млн руб. Для транспортировки нефти по танкерному варианту необходимо также оборудование точечного рейдового причала и плавучего нефтехранилища в районе месторождения. Столь малое количество танкеров объясняется тем, что в расчётах в качестве исходных данных были приняты официальные сведения об ожидаемых объёмах нефтедобычи с месторождений Северного Каспия, обустраиваемых и вводимых в строй в ближайшее время. С ростом добычи нефти на морских месторождениях, разработкой новых мест добычи и удалением их от базового порта ожидается рост числа челночных танкеров и их грузоподъёмности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лукойл представляет результаты геологоразведки в акватории Северного Каспия // Пресс-релиз ОАО «ЛУКОЙЛ», 2004.
2. Ашик В. В. Проектирование судов. - Л.: Судостроение, 1985. - 320 с.
3. Бронников А. В. Проектирование судов. - Л.: Судостроение, 1991. - 321 с.
4. Бронников А. В. Разработка основных технико-эксплуатационных требований на проектирование морского судна. - СПб.: СПбГМТУ, 1997. - 38 с.
5. Ногид Л. М. Проектирование морских судов - Л.: Судостроение, 1976. - 286 с.
6. Марковский Р. Р. Технология морских перевозок наливных грузов. - СПб.: Выбор, 2002. - 42 с.
7. Гинзбург А. И. Экономическое обоснование проекта судна - Л.: ЛКИ, 1982. - 54 с.
8. Векслер А. А. Некоторые вопросы проектирования танкеров. - Л.: Судостроение, 1967. - 260 с.
Статья поступила в редакцию 20.11.2010
MATHEMATICAL MODELING OF THE OPTIMAL STRUCTURE OF SHUTTLE TANKERS FOR TRANSPORTATION OF RUSSIAN CASPIAN SEA DEPOSITS HYDROCARBONS
M. P. Petrov, V. N. Lubenko
The basic principles of creating the mathematical model of definition of the optimum parameters and quantity of shuttle tankers for Russian hydrocarbon deposits maintenance in the Northern Caspian Sea are given. On the basis of the statistical analysis of 94 tankers suitable for exploitation in the Northern Caspian Sea the curve of dependence of the main tankers’ elements on their deadweights like X = f (DW) is drawn. Based on the economic calculations the choice of the optimum type of transportation is made. The general block scheme of the calculation algorithm of the optimum characteristics of the shuttle tankers and their quantity in the overhead costs’ criteria is presented.
Key words: ship design, shuttle tanker, marine oil transportation, Caspian Sea shelf, mathematical modeling.
