CC BY
36
УДК 656.614.03: 629.12.03
ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДНА ПО КРИТЕРИЮ МАКСИМАЛЬНОЙ ПРИБЫЛИ
© 2012 г. ФА. Васькевич, О.Д. Калинин, С.Х. Шмелев
Новороссийская морская государственная Novorossiysk Maritime State
академия Academy
Представлена блок-схема расчета оптимального режима эксплуатации морского судна, параметры и их размерность, даны основные принципы расчета. Алгоритм расчета предусматривает все возможные варианты ситуаций, зависящих как от внешних условий, так и от параметров работы силовой установки (от минимально возможного хода судна до режима полной скорости). Расчет выполняется методом последовательных приближений с шагом скорости 0,1 узла.
Ключевые слова: судно; силовая установка; алгоритм; оптимальный режим; прибыль.
The article consists of the block-scheme of marine ship operational regime calculation, parameters and their dimensions. Calculation's algorithm is foresees of all possible situation variants, which are depended on outer conditions so power plant parameters (from minimum to high velocity). The calculations are carried out step by step method through the 0.1 knot velocity exchanges.
Keywords: ship; power plant; algorithm; optimal regime; profit.
При анализе расчетной зависимости прибыли судна от скорости хода судна выяснилось, что функция (прибыль) находится в сложной зависимости от аргумента (скорости хода); аргумент в первой и второй степени содержится в числителе и в первой степени - в знаменателе функции [1]. Еще более сложная зависимость первой производной функции, что не дает возможности определить экстремум функции прямо. Поэтому было принято решение оценить оптимальный режим методом последовательных приближений - расчетом прибыли при разной скорости хода. Величина скорости
хода судна может варьироваться в пределах от скорости полного навигационного хода до минимально возможной (примерно равной 1/3 от полной) с шагом 0,1 узла. Оптимальным является скоростной режим, при котором прибыль достигает максимума. Блок-схема программы дана на рис. 1. В программе используются константы расчета, обозначенные символами (табл. 1).
Промежуточные и конечные параметры в программе обозначены символами, представленными в табл. 2.
Таблица 1
Символ Размерность Параметр
dw т Грузоподъемность судна
nen кВт Эффективная мощность главного дизеля на полном ходу
ge кг /(кВт-ч) Удельный эффективный расход топлива главного дизеля
nn Об/м Частота вращения главного дизеля на полном ходу
sl Скольжение винта («slip»)
s м Шаг винта
vl Уз Скорость хода с лоцманом
vf Уз Скорость хода по «тайм-чартеру»
co USD/т Тариф на перевозку 1 т груза в рейсе
dr USD/сут Суточная оплата судна по условию «тайм-чартера»
cf USD/т Стоимость топлива за 1 т
ccl USD/м3 Стоимость цилиндрового масла за 1 м3
cl USD/м3 Стоимость циркуляционного масла за 1 м3
h USD/рейс Навигационные расходы за рейс
11 миль Расстояние, проходимое за рейс с грузом
12 миль Расстояние, проходимое за рейс в балласте
13 миль Расстояние, проходимое за рейс с лоцманом
to сут Период эксплуатации судна за год
tl ч Время погрузки судна
Таблица 2
Окончание табл. 1
Символ Размерность Параметр
tul ч Время выгрузки судна
t2 ч Потерянное время за рейс (ожидание, оформление документов)
th сут/рейс Длительность подогрева груза за рейс
tin сут Периодичность «подсиговки» грузовых танков на ходу
gm т/рейс Расход топлива на главный дизель на маневры за рейс
ga1 т/сут Суточный расход топлива на дизель-генератор на ходу судна
ga2 т/рейс Расход топлива на электростанцию на выгрузку
ga3 т/рейс Расход топлива на электростанцию на балластные операции
gb1 т Расход топлива на паровой котел (газогенератор) на 1 подсиговку
gb2 т/сут Суточный расход топлива на паровой котел при подогр. груза
gb3 т/сут Суточный расход топлива на паровой котел на стоянке
gb4 т/рейс Расход топлива на паровой котел на выгрузку
gb5 т/рейс Расход топлива на паровой котел на балластные операции
r г/см3 Плотность цилиндрового масла
gcl г/(кВт-ч) Удельный расход цилиндрового масла на полном ходу судна
ql1 м3/сут Суточный расход циркуляционного масла на полном ходу судна
qclm м3/рейс Расход цилиндрового масла на маневры главного дизеля
Символ Размерность Параметр
x Служебный символ
v[i] уз Переменная скорость движения судна
ne[i] кВт Эффективная мощность главного дизеля, соотвующая скорости у[1]
n[i] об/м Частота вращения главного дизеля на скорости у[1]
Pr[i] USD/год «Условная» прибыль судна за год
c Константа в соотношении Ле=сп3
nl об/м Частота вращения главного дизеля при ходе с лоцманом
t1 сут Длительность одного рейса
к Количество рейсов за год при разной скорости хода
d USD/год Доход судна за год при разной скорости хода
gfm т/рейс Расход топлива на главный дизель за рейс
gfa т/рейс Расход топлива на дизель-генераторы за рейс
gfb т/рейс Расход топлива на вспомогательный котел (газогенератор) за рейс
rf USD/рейс Стоимость топлива, использованного за рейс
qcl м3/рейс Расход цилиндрового масла на главный дизель за рейс
ql м3/рейс Расход циркуляционного масла на главный дизель за рейс
rl USD/рейс Стоимость масла, использованного на главный дизель за рейс
vopt уз Оптимальная скорость по критерию максимальной прибыли
nopt об/м Частота вращения главного дизеля при оптимальной скорости
neopt кВт Мощность главного дизеля при оптимальной скорости
i Символ переменных параметров
Стандартные исходные данные по каждому судну готовятся загодя, при необходимости определения оптимального режима эксплуатации в конкретном рейсе константы дополняются лишь данными этого рейса. В программе предусмотрен расчет условной прибыли судна на режимах от максимальной скорости движения (при максимальной частоте вращения) и ниже с шагом 0,1 уз. На каждом новом шаге счета скорость судна меньше предыдущей на 0,1 уз. Шаг
счета может быть изменен. Конец счета - когда определен экстремум функции Рг = /(уЩ) или если экстремум не найден - когда частота вращения главного дизеля достигла минимальной, равной п[/'] = п[0]/3. Шагов счета предусмотрено тах 100 (тах = 100).
Доходы судна могут быть рассчитаны двумя путями: по заданному тарифу «со» или по суточной оплате <^г». В последнем случае в исходных данных должно быть задано со = 0. Тогда величина со рассчи-
тывается при принятом условии - доход назначен фрахтователем за каждые сутки ходового времени при оговоренной скорости хода у/, величина со остается неизменной при разных расчетных вариантах скорости хода.
Q___Начало___J
, 1_
/ Введение исходных данных: / Dw, ЛТе[0], n[0], S, Sl, vl, vf, o,dr, / cf, ccl, cl, H, 11, 12,13, to, tl, tul, 2, / th, tin, gm, ga, gb, r, gcl, qll, qclm
Рис. 1. Блок-схема расчета оптимального режима эксплуатации
Экстремум функции Рг определяется следующим образом: если при сниженной на 0,1 узла скорости прибыль оказывается больше, чем на предыдущем шаге счета, то следует дальнейшее снижение скорости
на 0,1 узла и повторение расчета Pr. Наконец, когда новое значение Pr окажется меньше, чем на предыдущем шаге счета, - очевидно, что предыдущий скоростной режим является оптимальным. Возможно, что при высоких тарифах первая же расчетная точка (при максимальной скорости движения) даст большую прибыль, чем следующий расчет на сниженной скорости. Это значит, что полный ход обеспечивает максимальную прибыль, экстремум функции Pr(V[i]) находится выше скоростных возможностей судна, режим полного хода принимается за оптимальный. При слишком низких тарифах возможен и другой вариант - частота вращения главного дизеля снижена до 1/3 от частоты полного хода, но экстремум находится ниже. В этом случае в качестве оптимального принимается режим минимальных оборотов главного дизеля.
В расчетах приняты допущения:
- расходы на топливо и смазку оплачиваются судовладельцем;
- тариф на перевозку груза не зависит от скорости хода;
- мощность главного дизеля и частота вращения винта связаны кубичной зависимостью Ne-cn3;
- частота вращения винта определяет скорость движения судна через Slip; стандартной величиной этого параметра принята Slip=0,04 (эта цифра обычно соответствует хорошим погодным условиям); оператор может при рассчете оптимального режима учесть действительные погодные условия конкретного рейса и увеличить Slip (по имеющемуся опыту);
- при каждом увеличении скольжения винта на 1 % сверх стандартных 4 % винтовая характеристика «утяжеляется» также на 1 % (при той же частоте вращения мощность увеличивается на 0,01, что учитывается коэффициентом «с»);
- паровой котел (газогенератор инертных газов), главный и вспомогательные дизели работают на одном и том же сорте топлива (что соответствует сегодняшней практике эксплуатации морского флота);
- удельные эффективные расходы топлива и цилиндрового масла на главный дизель считаются неизменным для всех скоростных режимов;
- суточный расход циркуляционного масла на главный дизель постоянен, не зависит от скорости хода.
Программа дает возможность:
- оценить погрешности, вносимые принятыми допущениями, путем использования экспериментальных данных при проверке методики;
- оценить влияние технического состояния силовой установки, качества регулирования (через удельный расход топлива, расходы цилиндрового и циркуляционного масла) на величину параметров оптимального режима и финансовые потери судна;
- оценить влияние состояния корпуса и винта (обрастания), влияние погодных условий на значение оптимального режима, финансовые потери по сравнению со стандартным вариантом;
- учесть ценовые изменения на фрахтовом, бункерном рынке и на рынке навигационных услуг;
- обеспечить режим эксплуатации судна, дающий максимальную финансовую эффективность с учетом техничечских возможностей судна, погодных условий, ценового уровня навигационного и бункерного рынка и тарифов на перевозку груза.
Программа написана на языке Borland C++ и предназначена для использования в операционной системе Windows 98 и выше.
При использовании программы пользователь имеет возможность вводить и корректировать данные, приведенные в табл. 1. Эти данные запоминаются во вспомогательном бинарном файле и используются при последующем запуске программы. Результаты расчета выдаются на экран и сохраняются в файле.
На рис. 2 приведен пример использования разработанной программы для оценки прибыли танкера грузоподъемностью 150 тыс. т в рейсе, состоящем из двух переходов (в грузу и в балласте) на расстоянии 4000 миль при имеющихся на сегодня фрахтовых ставках (dr = 60000 USD/сут ходового времени) и ценах на топливо (cf = 500 USD/т). Рисунок хорошо иллюстрирует как саму проблему, так и возможности программы. Так, если эксплуатировать танкер на его полной скорости хода (15 узлов), то годовая прибыль судовладельца будет на уровне 6,8 миллионов американских долларов в год. При снижении скорости хода прибыль растет и достигает максимальной (почти на 2 миллиона долларов больше) при скорости хода 10,8 узлов. При дальнейшем снижении скорости прибыль снижается и достигает того же уровня, что и на полном ходу, при скорости хода порядка 6,5 узлов. Оператор не может однозначно решить проблему назначения скоростного режима и тем более оценить свои
Поступила в редакцию
потери без численного анализа, предлагаемого в настоящей работе, который дает возможность учесть все внутренние и внешние факторы, влияющие на эффективность эксплуатации судна.
Рис. 2. Зависимость «условной» прибыли танкера DW = 150000 т от скорости хода
Литература
1. Васькевич Ф.А. Калинин О.Д. Смольников С.В. Выбор оптимального режима эксплуатации судна по критерию максимальной прибыли с учетом характеристик судовой энергетической установки и внешних условий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 2, С. 122 - 125.
11 октября 2011 г.
Васькевич Федор Афанасьевич - д-р техн. наук, доцент, профессор, кафедра «Судовые тепловые двигатели», Новороссийская морская государственная академия. Тел. (88617)-635-761.
Калинин Олег Дмитриевич - соискатель ученой степени канд. техн. наук, Компания СКФ ЮНИКОМ, Кипр, г. Лимассол, технический менеджер. Тел. +3-572-559-11-88.
Шмелев Сергей Харлампиевич - канд. техн. наук, доцент, Новороссийская морская государственная академия. Тел. (8617)21-00-39.
Vaskevich Fedor Afanasevich - Doctor of Technical Sciences, professor department of Ship's heating Engines, Novorossiysk Maritime State Academy. Ph. (88617)-635-761.
Kalinin Oleg Dmitrievich - competitor Candidate of Technical Sciences, SCF Unicom, Cyprus, Limassol, Technical Manager, Ioanni Tsimiski, Tayianna House, Flat 4, 3091, Limassol, Cyprus. Ph. Candidate of Technical Sciences.
Shmelev Sergey Harlampievich - Candidate of Technical Science, sassistant professor, Novorossiysk Maritime State Academy. Ph. (8617)21-00-39.
