Выбор оптимального режима эксплуатации судна по критерию максимальной прибыли с учетом характеристик судовой энергетической установки и внешних условий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЕМ_

УДК 656.614.03: 629.12.03

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДНА ПО КРИТЕРИЮ МАКСИМАЛЬНОЙ ПРИБЫЛИ С УЧЕТОМ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ

© 2012 г. ФА. Васькевич, О.Д. Калинин, С.В. Смольников

Новороссийская морская государственная академия

Novorossiysk Maritime State Academy

Представлена методика расчета скоростного режима эксплуатации судна, дающая максимальную прибыль судовладельцу. Методика позволяет учесть не только «стандартные» элементы рейса (дальность хода, тарифы, стоимость топлива и смазки, навигационные расходы), но и техническое состояние силовой установки судна (через удельные расходы топлива, масла), а также внешние условия (через параметр скольжения винта и степень утяжеления винтовой характеристики).

Ключевые слова: судно; силовая установка; скорость хода; доход; расход; прибыль.

The principles of the ship velocity calculation are given that permit to receive maximum profit for shipowner. By this procedure may be fore see not only "standard" voyage conditions (voyage distance, tariff, cost of fuel and lubricating oil, navigation expenditure), but ship power plant technical state(with the help of specific fuel and lubricating oil consumptions) and outer conditions (with the help of parameter "Slip " and the screw characteristic heavy degree).

Keywords: ship; power plant; velocity; income; expenditure; profit.

При назначении режимов эксплуатации отечественных судов морского флота в период до 80-х гг. прошлого века основное требование было - каждое судно должно выполнять плановую скорость, установленную на уровне полного хода [1]. Практика эксплуатации отечественного флота потребовала решения вопросов оптимизации скоростных режимов эксплуатации. В начале 80-х гг. было предложено решать вопросы оптимизации на основе критерия максимальной прибыли за рейс [2]. Несколько позже появились руководящие документы, в которых вопросы оптимизации решались на основе критерия минимальных приведенных затрат, а то и просто снижением на фиксированную величину плановой скорости судна [3 -5]. Без сомнения, эти меры дали свой экономический эффект. Тем не менее анализ сегодняшней практики эксплуатации судов под Российским управлением позволяет утверждать - и на настоящем этапе при назначении режимов эксплуатации судов сохранился старый подход. Такое положение нельзя признать нормальным.

Нами поставлена цель - дать береговым операторам инструмент, позволяющий для каждого судна в каждом рейсе задавать скоростной режим эксплуатации судна с учетом текущего технического состояния его энергетической установки, корпуса и максимальным учетом внешних условий таким образом, чтобы судно приносило максимальную прибыль за оговоренный период времени. В основу такого подхода положены идеи, высказанные в работе [2]. Рассмот-

рим алгоритм оценки оптимального режима эксплуатации судна применительно к крупнотоннажному танкеру с тем, чтобы наметить конкретные задачи исследования для достижения поставленной цели.

Основная цель любого объекта хозяйствования -это получение прибыли Пр, являющейся разностью между полученным доходом Д и понесенными расходами Рас; для морского судна будем считать эти составляющие в размерности - доллары США в год (и£0/год) :

Пр = Д - Рас.

При наличии тарифа на перевозку груза доход судна определится равенством:

Д = к Гр Тар.

где к - количество рейсов за год; Гр - количество перевозимого груза за рейс (грузоподъемность), т; Тар - тариф на перевозку груза в рейсе, USD/т.

Тариф на перевозку груза принимается постоянным, не зависящим от скорости хода. Количество рейсов судна за год зависит от скорости хода, принимается равным:

к Тгод /Tрейс,

где Тгод - эксплуатационный период судна за год, сут /год; Трейс - длительность одного рейса, сут.

Длительность рейса может быть представлена в виде суммы составляющих:

Трейс =(Гр + Т + ГгрУз + ТПоТ) / 24 , сут,

где Гр и Т° - время хода судна в грузу и в балласте в период одного рейса, ч; Ггруз - время на грузовые операции (погрузку и выгрузку груза), ч; Гпот - потерянное время (время на оформление документов, ожидание погрузки / выгрузки, ожидание лоцмана, маневренные операции, др.), ч.

Приняв для хода в грузу и в балласте одинаковую скорость, найдем общее ходовое время за рейс как

Гр + Г6 = (1гр+1б) / V , ч,

где Lгр и Lб - расстояние, проходимое судном за рейс соответственно в грузу и в балласте, миль; V - средняя скорость судна за рейс, узлов.

При наличии повременной оплаты эксплуатации судна (к примеру, при оговоренной скорости движения судна V,!, за 1 сут ходового времени платится фиксированная сумма Д1 = 60000 USD/сут) для решения задач оптимизации целесообразно эту сумму представить в виде тарифа. Тариф за перевозку 1 т груза за рейс будет равным:

Тар= Д1 ^гр +Lб) / (24 Vф Гр), USD/т.

Расходы судна за год можно представить как сумму:

Расх = к (Рт +Рм +Н) + Рпост , USD/год,

где Рт, Рм, Н - расходы судна на топливо, смазочное масло и навигационные расходы за один рейс, USD/рейс^; Рпост - постоянная статья расходов судна за год, принятая независящей от скорости хода (зарплата экипажу, расходы на запасные части, снабжение, амортизационные отчисления, др.), USD/год.

Расходы топлива складываются из расходов на ходу, в ожидании грузовых операций (в период времени Гпот) и при грузовых операциях: Рт =

(Рт.гд+Рт.дг+Рт.впк)ход+(Рт.гд+Рт.дг+Рт.впк)пот+(Рт.дг+Рт.впк)гр,

USD/рейс.

Здесь обозначено индексами: гд - главный двигатель; дг - дизель-генератор; впк - вспомогательный паровой котел и генератор инертных газов (если он установлен на судне). Расходы на топливо для главного двигателя составят для хода в грузу и в балласте:

Рт.гд Рт.гдгр + Рт.гдб (§е Легр Г + §е Леб Т') Цт 10 ,

USD/рейс, где ge - удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт-ч); в первом приближении примем -параметр ge одинаков для всех скоросных режимов; Легр и Леб - эффективные мощности главного двигателя в грузу и в балласте, кВт; для упрощения выкладок примем, что при равной скорости хода судна мощность главного двигателя в грузу и в балласте одинакова: Легр=Леб=Ле (что в полной мере справедливо для танкера DW = 100 - 150 тыс. т); Цт - цена топлива, USD/т.

Эффективная мощность главного двигателя связана с частотой вращения кубичной зависимостью:

Ле =с п3 , кВт.

Здесь с - постоянный для данной винтовой характеристики коэффициент. Чтобы учесть влияние погодных условий, состояние корпуса судна и винта на величи-

ну мощности главного двигателя при разной скорости движения, воспользуемся понятием «скольжение винта» («Slip»), равном:

Sl = 1-(1852 v)/(60 nS),

где 1852 м/милю - переводной коэффициент; v - скорость хода, уз; n - частота вращения винта, об/м; S -шаг винта, м.

Тогда частота вращения связана со скоростью хода зависимостью:

n = 1852 v/(60 S (1 - Sl)).

Расходы на топливо для главного двигателя на ходу определятся зависимостью:

Рт.гд =ge cn3 (Гр + T5) Цт 10-3 , USD/рейс.

Расходы на топливо для дизель-генераторов рассчитаем при условиях - дизель-генераторы работают на том же топливе, что и главный двигатель; мощность электростанции одинакова при ходе как в грузу, так и в балласте. Тогда

Рт.дг = G№ сут (Гр + T5) Цт /24, USD/рейс,

где сут - суточный расход топлива на дизель-генераторы на ходу судна, т/сут.

Расходы на топливо на вспомогательный паровой котел (генератор инертного газа) на ходу танкера в обычном рейсе определяются расходом топлива на подсиговку грузовых танков Р^ и на подогрев груза Рподогр (здесь же может быть учтено некоторое увеличение расходов на топливо на электростанцию при работе СИГ и ВПК):

Рт впк = Рин + Рподогр , USD/рейс.

Расходы на подсиговку могут быть найдены как

Рин =(Гр /24 1 Цт , USD/рейс,

где t0 - периодичность подсиговки, сут; G^ 1 - расход топлива на одну подсиговку, т.

Расходы на подогрев груза за рейс определяются температурой груза при погрузке и выгрузке и скоростью остывания груза при транспортировке. В общем случае можно записать:

Рподогр = Тпод ^^под 1 Цт , USD/рейс,

где Тпод - продолжительность работы системы подогрева, сут/рейс; Gncn 1 - расход топлива на вспомогательный котел и дополнительный расход топлива на дизель-генератор при подогреве груза на ходу за сутки, т/сут.

Расходы судна на топливо на периоде Тпот (стоянка в ожидании погрузки/выгрузки, ожидание и переход с лоцманом, маневры, другие потери времени) рассчитаем при условии - расходов топлива на инер-тизацию танков и подогрев груза нет, эти расходы учтены выше. Расходы Рпот включают в себя расход топлива на главный двигатель, на электростанцию и на вспомогательный котел:

Рпот (Рт.гд + Рт.дг + Рт.впк)пот , USD/рейC.

Расходы на топливо для главного двигателя за этот период могут быть найдены в виде (удельный расход топлива ge считаем таким же, как и на ходу судна): Рт.та = (L лоц c плоц Цт10-3 + GMSH Цт,

USD/рейс, где L^ - расстояние, проходимое за рейс с лоцманом, миль; плоц - средняя частота вращения при ходе судна с лоцманом, об/м^ман - расход топлива на маневры за рейс, т/рейс.

Расходы на топливо на дизель-генераторы примем из условия суточного расхода такими же, как и на ходу (считаем, что энергетическая установка - в постоянной готовности):

Рт.дг = (Тпот /24) GдГ СуТ Цт , USD/рейс.

Расходы на топливо для вспомогательного котла найдем как

Рт.впк =(Тпот /24) Gвпк сут Цт , USD/рейс,

где G^ сут - среднесуточный расход топлива на вспомогательный паровой котел на стоянке, т/сут.

Расходы судна на топливо в период грузовых / балластных операций танкера определяются только расходами на дизель-генераторы и вспомогательный паровой котел (газогенератор):

Ргр = (Р

т.дг + Рт.впк)гр , USD/рейс.

Расходы на дизель-генераторы можно найти как Рт.дг =((Тр.пр/24) Gw Сут + Gдг выг + Gдг бал) Цт , USD/рейс, где Тгрпр - время приема груза, ч/рейс; Gдг сут - расходы топлива при погрузке, т/сут; считаем, что при погрузке расход топлива на электростанцию такой же, как на ходу судна; Gдг выг - расход топлива на выгрузку, т/рейс. При возрастании времени выгрузки расход топлива на дизель-генератор возрастает аналогично росту расхода топлива на вспомогательную котельную установку (см. далее); Gдг бал - расход топлива на дизель-генераторы на балластные операции, т/рейс.

Расходы на топливо для вспомогательного котла при грузовых и балластных операциях можно найти с помощью зависимости: Ртвпк =((Тгр.пр/24) Gвпк сут + + Gвпк выг + Gвпк бал) Цт , USD/рейс, где Gвпк сут - расходы топлива на котел при погрузке. При погрузке суточный расход может быть принят таким же, как на стоянке судна; Gвпк выг - расход топлива на выгрузку. Согласно опытным данным, при выгрузке расход топлива на паровой котел возрастает примерно пропорционально возрастанию длительности выгрузки, может быть рассчитан по формуле:

Gвпк выг Gнор выг (Твыг / Тнор выгХ т.

Здесь Gнор выг , т, и Тнор выг , ч, - норма расхода топлива на выгрузку и времени выгрузки, установленные оператором судна; Твыг - реальное время выгрузки; Gвпк бал - расход топлива на ВПК при балластных операциях (прием, замена, выдача балласта), т/рейс.

При оценке расходов судна на смазочное масло примем во внимание, что расходы масла на дизель-генераторы зависят от количества часов наработки агрегата и практически не зависят от режима эксплуатации судна (скорости хода). Поэтому эти расходы

можно отнести к постоянной составляющей расходов Рпост. От скорости хода зависят лишь расходы смазки на главный двигатель. При этом можно выделить два варианта расчетов в зависимости от конструкции лубрикаторов цилиндровой смазки:

- стандартный «нерегулируемый» лубрикатор; при принятых допущениях расходы на смазку составят:

Рм = ((1гр+Г)/(24 V)) Q (и/ис) Цц +

лоц /24Vлоц) Q (и/и лоц ) Цц + Сц ман Цц +

+ (!гр+1б)/(24 V) бцирк (и/ис) Ццирк , USD/рейс,

где Qц и бщрк - суточные расходы цилиндрового и циркуляционного масла на главный двигатель на режиме полного хода, м3/сут; ввиду малости расходом циркуляционного масла на маневрах пренебрегаем; Цц и Цщрк - цены цилиндрового и циркуляционного масла, USD/м3; ис - частота вращения полного хода судна, об/м.

- регулируемый лубрикатор, обеспечивающий постоянный удельный расход цилиндровой смазки независимо от скоростного режима:

Рм= (((¿гр+ L6)/v)(gM/p)cn3 +

лоц

3) 1С-6 Цц + Оц

Цц +

+ (!гр+ !б)/(24 V) QЦирк (V/Vс) Ццирк , USD/рейс,

где gм - удельный расход цилиндровой смазки, г/(кВт-ч); р - плотность цилиндрового масла, г/см3 .

Навигационные расходы Н за рейс (оплата лоцмана, буксиров, портовые сборы, оплата места стоянки, др.) считаются неизменными для одного рейса, не зависящими от скорости хода. Эти данные должны быть приняты по действительным данным выполненных ранее рейсов.

Установка постоянной статьи расходов судна за год Рпост требует порой значительных рутинных затрат времени. Однако величина этих расходов не влияет на оценку «оптимального» режима эксплуатации, может не учитываться при определении оптимальной скорости судна. Нами принимается Рпост =0. Найденная прибыль судна без учета составляющей Рпост названа «условной». Действительная прибыль будет меньше на величину Рпост.

Общая расчетная формула для определения «условной» прибыли судна за год Пр(у) применительно к танкеру со стандартным регулированием цилиндровой смазки на главный двигатель примет вид:

ПрМ = (24 Тгод /((¿гр + +

+ Тгр + Тпот)){ Гр Тар -[ge с и3 10"3 (!гр + Ьб)Ь + +Gдг,ут(Lгр + Lб)/24v +GиH.1(Lгр/24v tс) +

+ОподТпод +(—лоц/Улоц)^е С Илоц

+(Одг сут+ Овпк сут) Тш

т/24 +

+

+(Сдг сут +Свпк сут) Тпогр/24 + (Gдг выг +Gвпк выг) + + Твыг/Гнор выг +Gдr бал + Gвпк бал]Цт

-[0Ц (п/п0) (Lгр + Lб)/24v + (Lлоц /24Vлоц) 0ц (п/плоц) + + Gц ман ]Цц - 0цир Ццир (П/П0) (Lгр+Lб)/24v - Н}, USD/год.

Для нахождения «оптимальной» скорости судна vопx, приносящей максимальную прибыль, необходимо приведенную формулу представить в удобном виде, взять первую производную по V, приравнять ее 0 и решить полученное уравнение относительно V. В упрощенном виде приведенная зависимость имеет вид:

ПрМ =А / (В+Сv)] (А1 V2 + В^ + С1), USD/год.

Здесь А, В, С, А1, В1, С1 - постоянные величины.

Первая производная этой функции

Пр(v)'=[(А(В+Сv -АvС)/(В+Сv)2]x

x(А1v2+В1/v+C1)+[Аv/(В+Сv)](2А1v - В1/v2).

Как видно, конечные расчетные зависимости имеют довольно сложную форму. Поэтому в настоящей работе ставятся основные задачи:

1) составить программу расчета, чтобы с ее помощью решать практические задачи оценки оптимального скоростного режима;

2) дать анализ влияния принятых в расчете допущений (кубичная зависимость мощности главного

двигателя от скорости хода, неизменность удельного эффективного расхода топлива независимо от режима, неизменность тарифов, др.);

3) оценить влияние отдельных эксплуатационных факторов на величину оптимальной скорости (качества регулировки двигателя, влияющего на показатель ge, степени обрастания корпуса и винта (параметр «с»), погодных условий (через параметр «slip» -скольжение винта) и изменение экономических показателей судна в зависимости от эксплуатационных факторов);

4) при получении положительных результатов обеспечить внедрение продукта исследований в практику эксплуатации.

Литература

1. Брухис Г.Е. Лущан Н.А. Коммерческая эксплуатация морского транспорта. М., 1985. 264 с.

2. Васькевич Ф.А. Нечитайленко П.Ф. Когда не нужен полный ход // Морской флот. 1982. №12. С. 44 - 45.

3. Методика определения оптимальной скорости судов, зафрахтованных на условиях тайм-чартера. РД 31.21.1182. М., 1983. 24 с.

4. РД 31.21.12-83 Типовая инструкция по организации работы судов на экономичных режимах хода / письмо ММФ СССР от 18.05.83 № 57.

5. Стандарт Новороссийского морского пароходства СТП 335.014-83 «КСУКП. Организация работы судов на экономичных режимах хода».

Поступила в редакцию 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.

Смольников Сергей Владимирович - AP MOLLER-MAERSK, 4-й механик. TER Avenue, A.Moriset, 92100, Boylongne-Billancourt, Paris, France. Тел. (8-8617)-215-415.

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.

Smolnikov Sergey Vladimirovich - AP MOLLER-MAERSK, 4-th Engineer, 35 TER Avenue, A.Moriset, 92100, Boylongne-Billancourt, Paris, France. Ph. (8-8617)-215-415.