УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ
УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ
ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ АДМІРАЛА
МАКАРОВА
ЗАЙЦЕВ ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ
УДК 629.5.01+629.5.023
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ
МОРСЬКОГО ТРАНСПОРТУВАННЯ ГАЗІВ
спеціальність 05.08.03 – механіка та
конструювання суден
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
МИКОЛАЇВ - 2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Українському державному
морському технічному університеті імені адмірала
Макарова Міністерства освіти і науки України
Науковий консультант доктор технічних наук,
професор Казарезов Анатолій Якович, Миколаївська
філія Національного університету "Києво-Могилянська академія",
завідувач кафедри економіки та економетрії
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Воробйов Юрій Леонідович,
Одеський державний морський університет, ректор
доктор технічних наук, професор Сізов Віктор Григорович,
Одеська державна морська академія, професор
кафедри теорії та устрою судна
доктор технічних наук Соломенцев Олег Іванович,
Український державний морський технічний університет
імені адмірала Макарова, головний науковий співробітник
Провідна установа
Севастопольський державний технічний університет
Міністерства освіти і науки Украйни, м. Севастополь
Захист відбудеться "15" жовтня 2001 р. о 14 годині 30 хвилин
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 Українського
державного морського технічного університету імені адмірала
Макарова за адресою:
54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9, ауд. 360.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці
Українського державного морського технічного
університету імені адмірала Макарова за адресою:
54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9,
Автореферат розісланий "11" вересня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор Квасницький В.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Розпад Радянського Союзу привів до того, що для України джерела енергоносіїв залишилися за кордоном – у Росії, Туркменії, Азербайджані, Казахстані. За даними Мінекономіки, Україна імпортує 15 % вугілля, 80 % природного газу, 90 % нафти, практично все паливо для АЕС.
Залежність України від імпорту енергоносіїв породжує в теперішній час найгострішу проблему диверсифікації зовнішніх джерел їхніх постачань, і в першу чергу нафти і газу. Національна програма видобутку і переробки нафтопродуктів "Нафта і газ України до 2010 року" і Постанова "Про Національну енергетичну програму України до 2010 року" передбачає створення нових шляхів постачань нафтопродуктів з альтернативних джерел. Створення в Україні системи морського транспортування газів судами-газовозами – це один з можливих варіантів диверсифікації.
Відсутність досвіду проектування, будівництва та експлуатації суден-газовозів, а також теоретичних основ проектування системи морського транспортування газів в Україні вказує на актуальність теми. Крім того, актуальність теми полягає в можливості створення в Україні системи морського транспортування газів суднами-газовозами і передумов для вітчизняної бази її проектування, експлуатації і будівництва, а також проектування і будівництва серії газовозів і забезпечення транспортного коридору через територію України з метою постачання зрідженого російського газу в Європу і Туреччину; можливості завантаження українських суднобудівних верфей, одержання великих прибутків від перевалки і транспортування зрідженого газу, створення Правил класифікації і побудови газовозів Регістра судноплавства України; можливості доставки газу від бурової установки до берегового сховища або споживача з малою собівартістю і відмови від дорогих морських трубопроводів, можливості використання існуючих морських газопроводів і берегових сховищ газу України в системі морського транспортування газів.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота узагальнює результати досліджень, виконаних автором у рамках наступних планів: загального плану наукових досліджень по розробці методів розрахунку міцності суден нових типів Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова; Державного координаційного плану: "Енергоресурси і енергозбереження на водному транспорті України"; плану наукового напрямку "Розробка нормативної документації" під керівництвом Президента Академії наук суднобудування, ректора УДМТУ, д.т.н., професора Романовського Г.Ф; у рамках госпдоговірних тем і держбюджетних науково-дослідних робіт на замовлення суднобудівних підприємств:
ГДТ № 848/IV "Розробка методики розрахунку зусиль у несучих елементах конструкцій суднових СПП для автономних підводних апаратів" (№ ДР 01870001756); науковий керівник – автор, яким особисто розроблені зазначені розрахункові методики.
ГДТ № 06.1.П.550/1-85 "Правила побудови і обґрунтування оптимального архітектурно-конструктивного типу судна-газовоза" (№ ДР 77060823), відповідальний виконавець – автор, що виконав обґрунтування і проект Правил класифікації і побудови суден-газовозів із призматичними вкладними танками.
Держбюджетної НДР № 2/1280 "Розробка методів розрахунку міцності суден нових типів. Нові підходи до проектування суден-газовозів" (№ ДР 0197U012955); науковий керівник – автор, яким особисто сформульовані і розроблені нові підходи до проектування суден-газовозів і методи розрахунків міцності вантажних танків і корпусних конструкцій суден-газовозів.
ГДТ № 1368 "Створення Правил класифікації і побудови суден Регістра судноплавства України"; виконавець – автор, що особисто створив розділ Правил Регістра судноплавства України "Судна-газовози".
Мета і задачі дослідження. Мета дослідження – створення загальних методів теоретичних основ проектування і розрахунків, а також одержання науково-обґрунтованих результатів по принципово новій для української галузевої суднобудівної науки системи морського транспортування газів і її основних елементів з використанням у ній нового типу судна – газовозів з різними типами вантажних танків для збільшення постачань газу з альтернативних джерел, а також збільшення обсягу транзиту газу через територію України й одержання прибутку.
Задачі дослідження.
Створення стосовно до систем морського транспортування газів прикладних методів їхнього проектування і розрахунку.
Створення методів, математичних моделей, методик розрахунку і проектування, що враховують вплив на параметри систем морського транспортування газів, її головних елементів: суден-газовозів і особливостей їхньої конструкції і проектування; швартовних пристроїв; пристроїв захисту від ушкоджень корпусів газовозів і морських заводів збору і первинної підготовки газу до транспортування; спеціальних пристроїв суден обслуговування морських трубопроводів, які забезпечують їх ремонт, надійну і безпечну їхню експлуатацію з врахуванням специфічних зовнішніх навантажень.
Створення методів визначення маси і контрактної ціни циліндричних ємкостей берегових сховищ зрідженого газу, сферичних танків газовозів і морських заводів збору і первинної підготовки газу до транспортування.
Створення методів техніко-економічного обґрунтування систем морського транспортування газів для замовників з різними формами власності.
Створення методу розрахунку оптимальної швидкості газовозів у системі морського транспортування газів.
Розробка методів розрахунку міцності і алгоритмів чисельного дослідження напружено-деформованого стану основних елементів вантажних танків газовозів і морських заводів зрідження газу.
Розробка пакета прикладних програм, що дозволяють проводити машинне проектування системи морського транспортування газів у цілому і окремих його елементів.
Створення розділу Правил Регістра судноплавства України "Судна-газовози".
Розробка загальної концепції проектування систем морського транспортування газів і практичних рекомендацій з їхнього проектування.
Об'єктом дослідження є проблема диверсифікації постачань газу в Україну.
Предметом дослідження є системи морського транспортування газів різних конфігурацій і складові їхні елементи.
Методи дослідження прийняті аналітичні. Для досягнення поставленої в роботі мети використані наступні методи і теорії.
Теорія і методи оцінки ефективності проектних рішень у суднобудуванні, а також теорія ефективності капіталовкладень – при розробці в другому розділі техніко-економічних питань проектування системи морського транспортування газів і в третьому розділі при розробці техніко-економічного обґрунтування можливості і доцільності проектування, побудови і експлуатації суден-газовозів.
Моментна і безмоментна теорії і метод кінцевих елементів розрахунку оболонок обертання – при розробці методики визначення контрактної ціни циліндричної оболонки ємкості збору і первинної підготовки газу до транспортування в другому розділі; при розробці методів врахування впливу маси і вартості сферичних вкладних танків морського заводу, оцінки впливу надійної і безпечної експлуатації сферичних вкладних танків газовозів на параметри системи морського транспортування газів у шостому розділі.
Математико-обчислювальні методи теорії оптимізації суден – при розробці теоретичних основ проектування систем морського транспортування газів різних конфігурацій у четвертому, шостому і сьомому розділах.
Теорія і методи дослідницького проектування кораблів – при розробці методів врахування особливостей конструкції і проектування газовозів з різними танками в четвертому і п'ятому розділах дисертації.
Теорія і методи проектування систем – при розробці теоретичних основ проектування систем морського транспортування газів різних конфігурацій у четвертому, шостому і сьомому розділах.
Теорія і методи розрахунків міцності, втомливої довговічності, стійкості конструкцій корабля – при розробці проекту Правил Регістра судноплавства України в п'ятому розділі.
Теорія і методи розрахунку гнучких зв'язків – при розробці теоретичних основ проектування системи морського транспортування газу з конфігурацією сухопутний газопровід – газовози – морський плавучий завод регазифікації – морський газопровід – підземне сховище газу – сухопутний газопровід у сьомому розділі дисертації.
Теорія і методи розрахунку суднових пристроїв – при розробці теоретичних основ проектування систем морського транспортування газів з конфігураціями: плавуча бурова установка – газовози – сухопутний газопровід у шостому розділі; сухопутний газопровід – газовози – морський плавучий завод регазіфікації – морський газопровід – підземне сховище газу – сухопутний газопровід у сьомому розділі дисертації.
Наукова новизна отриманих результатів.
Вперше у вітчизняній суднобудівній науці вирішена важлива прикладна проблема – створено теоретичні основи проектування і розрахунку систем морського транспортування газів різних конфігурацій, а також принципово нових з точки зору конструктивних і експлуатаційних особливостей головних їхніх елементів. При цьому враховані особливості газів, які транспортуються, вплив їх випару на основні елементи газовозів. Відмінність отриманих результатів від відомих раніше в тому, що створено теоретичні основи проектування систем морського транспортування газів, яких не було раніше. Вони дозволяють враховувати вплив багатьох факторів на параметри системи. В окремих розрізнених зведеннях у зарубіжній і вітчизняній літературі при дослідженні систем морського транспортування враховувалися тільки деякі фактори, що впливають на параметри системи, і при цьому вони були зафіксовані.
Вперше у вітчизняній суднобудівній науці вирішені питання комплексного з'єднання окремих етапів проектування системи морського транспортування газів і головних її елементів у єдиний автоматизований послідовний ланцюг методів і програм, що дозволяють об'єднати зусилля різних фахівців у пошуках оптимального проекту як системи в цілому, так і головного її елемента – газовоза, з точки зору економіки й оптимальної витрати сировини. Відомі раніше результати не дозволяли створювати автоматизовану систему проектування, не оптимізувались параметри системи.
Удосконалено диференційний метод оцінки економічної ефективності суден-газовозів у системі морського транспортування газів. Раніше такий метод не застосовувався в теорії проектування суден-газовозів.
Вперше отримані емпіричні залежності для визначення основних характеристик газовозів. Раніше в основному існували тільки графічні залежності.
Розроблено і науково обґрунтовано метод оптимізації параметрів
флоту газовозів з урахуванням специфіки його експлуатації та метод оптимізаційних розрахунків головних елементів суден-газовозів у системі морського транспортування для замовників з різними формами власності, що раніше не досліджувалося.
Вивчено і обґрунтовано на основі техніко-економічного аналізу і умов роботи закономірності вибору маршруту системи морського транспортування газу, типу танків і місткості газовозів, доцільність застосування в системах як основного елемента або газовозів, або морських трубопроводів, доцільність використання в системах, які були побудовані раніше, підземних сховищ газу. При цьому проведено врахування властивостей газів, які перевозяться, вантажопотоків, можливості конкуренції з газопровідним транспортом. Раніше такі дослідження не проводилися.
Удосконалено математичні моделі, методи проектування і розрахунку швартовних пристроїв і пристроїв захисту корпусів газовозів і морського заводу від ушкоджень. Набуло подальшого розвитку математичні моделі, методи проектування і розрахунку пристроїв, що забезпечують експлуатацію і ремонт морських трубопроводів. Раніше ці питання в теорії проектуванні систем морського транспортування не враховувалися.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методи розрахунку і проектування систем морського транспортування газів і газовозів з різними танками та їх пристроїв, а також спеціальних пристроїв суден обслуговування морських трубопроводів можуть бути використані в проектних і конструкторських організаціях, на суднобудівних заводах, у комерційних фірмах, у судовласницьких компаніях, газотранспортних організаціях і студентами вищих навчальних закладів у навчальному процесі. Практична цінність роботи зв'язана з вирішенням важливого науково-виробничого завдання методичного забезпечення розрахункового проектування систем морського транспортування газів і найважливіших їх елементів. Застосування розробленого комплексу програм відкриває ряд нових можливостей для досліджень в області вибору оптимальних характеристик систем морського транспортування газів, характеристик газовозів, експлуатації газовозів і морських заводів, зменшенню їхньої металоємкості, збільшенню виробничих можливостей суднобудівних заводів і проектних організацій, раціонального транспортування розроблювальних на родовищах корисних копалин. Результати досліджень, які отримані в роботі, надають можливість інженерам, конструкторам, проектувальникам і студентам проводити аналіз напружено-деформованого стану танків газовозів, виявляти і використовувати резерви міцності. Практичне застосування результатів дисертаційної роботи відображено в актах впровадження таких підприємств і організацій: ВАТ "Завод Океан" (попередня річна економічна ефективність складає 2,5 млн.USD, акт про впровадження додається), Регістр судноплавства України при розробці розділу Правил Регістра судноплавства України "Судна-газовози" (акт про впровадження додається), ПКБ "Прогрес" при розробці керівного документа РДВ5.2386-88 "Спуско-підйомні пристрої автономних підводних технічних засобів. Методика розрахунку міцності", ч.1 і 2, при розробці "Методики розрахунку зусиль у несучих елементах конструкцій СПП" по ГДТ № 848/IV (річний економічний ефект від впровадження складає 159000 руб., довідка про впровадження додається), при виконанні ГДТ № 06.1.П.550/1-85. Крім того, "Методика розрахунку зусиль у несучих елементах конструкцій СПП" використана при розробці "Додатка до Правил класифікації і побудови населених підводних апаратів і глибоководних водолазних комплексів Регістра СРСР". Основні матеріали дисертаційної роботи впроваджені в НДР № 2/1280 (акт додається), у ГДТ № 1368. Впровадження методів проектування систем морського транспортування газів, проектування газовозів і їхніх пристроїв, спеціальних пристроїв суден обслуговування морських трубопроводів, пристроїв морських заводів у навчальний процес кафедри морських технологій дозволило використовувати їх при виконанні курсових і дипломних проектів, у НДР студентів, при підготовці навчальних курсів "Суднові пристрої і системи", "Пристрої сучасних суден", "Перевезення небезпечних вантажів", "Техніко-економічне обґрунтування проектно-конструкторських рішень", при написанні 7 навчальних посібників у УГМТУ за спеціальностями 7.100.201 і 7.100.202 (акт додається).
Особистий внесок дисертанта. Всі положення і висновки, математичні моделі, методики і методи розрахунків, аналітичні і емпіричні залежності, програми розрахунків і їхні результати, які виносяться на захист, розроблені і належать особисто автору. З робіт, опублікованих у співавторстві, на захист виносяться тільки ті частини, що розроблені особисто автором. Основні результати досліджень викладені в двох монографіях: Зайцев В.В., Коробанов Ю.Н. Суда-газовозы. (ISBN 5-7355-0192-5, тираж 1400 прим.) – Л.: Судостроение, 1990. – 304 с. (особисто написані Зайцевим В.В. глави 2, 4, 5 обсягом 8,52 уч.-вид. л.); Судовые устройства. Справочник // Под. ред. М.Н. Александрова. (ИСБН ББК 39.42 С89, тираж 10000 прим.) – Л.: Судостроение, 1987. – 656 с. (особисто написані Зайцевим В.В. глави 8, 9 обсягом 9,1 уч.-вид. л); 7 навчальних посібників (сумарним обсягом 29,5 уч.-вид.л., особисто написані Зайцевим В.В. 20 уч.-вид.л.). У статтях, написаних у співавторстві з Коробановим Ю.М., Мартинцем Б.М., Коганом І.М., Ткачьовой П.Є., Зайцевим Вал.В., Грибьонкіним І.А., Казарезовим А.Я., Галустовим К.З., Абаджаном К.А., Усачевим І.М., Павловим А.Б., Риловим І.І., Романовським Г.Ф., Квасницьким В.Ф., Яремійчуком Р.С. автору належать постановка задач, математичні моделі, методи розрахунків, виводи всіх залежностей, аналіз результатів і висновки, що становить 90 % змісту. В авторському свідоцтві у співавторстві з Коробановим Ю.М., В.Д., Риловим І.І., Галустовим К.З., Разумним В.В. автору належить матеріал по конструктивним схемам плавучих платформ.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертації були апробовані на Міжнародному Ростокському суднобудівному технічному симпозіумі "Schiffbauforschung, Wissenschaftlich – technische mitteilungen: Fortschritte der Schiffstechnik in Theorie – Experiment – Praxis, 3. bis 6 Oktober 1989 in Rostock an der Sektion Schiffstechnik" (Німеччина, Росток, 3 – 6 жовтня 1989 р.), Міжнародному науково-практичному симпозіумі "Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення" (Україна, Миколаїв, 8 – 10 жовтня 1997 р.), Науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу УДМТУ (Миколаїв, 20 – 24 квітня 1998 р.), на Міжнародній конференції по математичному моделюванню "Фізико-технічні і технологічні додатки математичного моделювання" (Україна, Херсон, 3 – 6 вересня 1998 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні керуючі системи і технології" (Україна, Миколаїв, 8 – 11 вересня 1998 р.), науково-технічних конференціях МКІ – УДМТУ, СевДТУ в 1977 – 1997, 1999 р.р., на II Міжнародній конференції "Тектоніка і нафтогазоносність Азово-Чорноморського регіону в зв'язку з нафтогазоносністю пасивних окраїн континентів" (Україна, Крим, Гурзуф, 5 – 8 вересня 2000 р.), на 6 Міжнародній науково-практичної конференції "Нафта і газ України" (Україна, Івано-Франківськ, 31 жовтня – 3 листопада 2000 р.), на 4 Міжнародній виставці-симпозіумі "TransUkraine'2000" (Україна, Одеса, 17 – 20 жовтня 2000 р.), на семінарі департаменту кораблебудування СевДТУ (Севастополь), на засіданнях кафедри морських технологій і НТР по кораблебудуванню УДМТУ (Миколаїв).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 41 друковану наукову працю. Основні результати дослідження викладені в 2 монографіях, 7 навчальних посібниках, 25 статтях у наукових спеціальних виданнях (з них 13 – без співавторів), 1 авторському свідоцтві на винахід, 6 публікаціях в матеріалах Міжнародних науково-практичних симпозіумов (з них 2 – у Німеччині).
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел з 246 найменувань, 11 додатків і містить 353 сторінки машинописного тексту, з них – 319 сторінок основного тексту, 125 рисунків, 17 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, її зв'язок з науковими програмами, планами, темам, вказується роль автора у виконанні науково-дослідних робіт і тем. Формулюються мета і задачі дослідження. Описуються об'єкт, предмет і методи дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, що виносяться на захист. Вказується особистий внесок дисертанта. Наведено відомості про апробацію результатів роботи, публікації автора по її темі.
У першому розділі дисертації проведено аналіз стану транспортування газу морем, перспективи видобутку і транспортування нафти і газу в Україні. Наведено характеристику основних світових родовищ і вантажопотоків. Показано, що незважаючи на великі потенційні паливно-енергетичні ресурси, Україна і у майбутньому залишиться їхнім імпортером.
Якщо розглядати світові морські транспортні системи, то по обсягам перевезених нафти і нафтопродуктів, включаючи перевезення зріджених газів, системи їхнього морського транспортування знаходяться на першому місці (рис.1). На їхню частку приходиться біля половини усіх світових морських перевезень. Наводяться дані по довжині морських ділянок основних світових систем морського транспортування газів і щорічні обсяги перевезень газовозами на них.
Описано фізичні і хімічні властивості газів, особливості їхнього транспортування в зрідженому стані. Газ, що транспортується, можна розділити на такі типи: природний; зріджений природний (ЗПГ або LNG – Liquefied Natural Gas); зріджений нафтовий (ЗНГ або LPG – Liquefied Petroleum Gas); аміак. Приводяться специфічні для газотранспортних систем і їхніх елементів визначення і пояснення, наведено їх класифікацію і характеристику:
газотранспортна система – система транспортування природних і нафтових газів, а також аміаку від місця їхнього видобутку до споживача в зрідженому або газоподібному стані, до складу якої входить два або більше видів транспорту;
система морського транспортування газів – газотранспортна система, коли уся вона або її частина проходить через морську перешкоду;
судно-газовоз – спеціалізоване океанське, морське або річкове судно, що перевозить природні і нафтові гази, а також аміак наливом у зрідженому стані. Надалі ці судна будуть позначатися терміном "газовоз".
Системи морського транспортування газів можуть бути таких конфігурацій:
сухопутний газопровід – газовози – сухопутний газопровід;
сухопутний газопровід – газовози – сухопутний газопровід – газовози – сухопутний газопровід;
сухопутний газопровід – морський газопровід – сухопутний газопровід;
морський газопровід – сухопутний газопровід;
залізничний транспорт – газовоз – сухопутний газопровід;
залізничний транспорт – газовоз – залізничний транспорт;
плавуча бурова установка (ПБУ) – морський завод збору і первинної підготовки газу до транспортування (морський завод зрідження і збереження газу) – газовоз – сухопутний газопровід;
сухопутний газопровід – газовоз – морський плавучий завод регазифікації – морський газопровід – підземне сховище газу – сухопутний газопровід.
Описуються конструктивні особливості головного елемента системи – газовоза (рис.2). Приведено класифікацію газовозів, описані різні їх типи.
Розглянуто постановку задачі дослідження в дисертації. Описується стан досліджуваної проблеми. Приводиться принципова схема методики досліджень.
В другому розділі виконано порівняльний техніко-економічний аналіз транспортування газу з району видобутку або з порту навантаження в Україну газопроводами і газовозами. Проведено техніко-економічне обґрунтування будівельної вартості газопровідного транспорту і виконано техніко-економічне обґрунтування постачань газу трубопровідним транспортом.
Розглянуто питання попереднього техніко-економічного обґрунтування проектування системи морського транспортування газів, що складається з таких елементів: газопроводу від місця видобутку до заводу зрідження газу, заводу зрідження газу (заводу первинної підготовки газу до транспортування), перевальної бази в порту навантаження (сховищ, які складаються з ємкостей збору і первинної підготовки газу до транспортування), портових споруджень, флоту газовозів, сховищ у порту вивантаження, установки (заводу) регазифікації в порту вивантаження.
Одним з головних елементів у системі морського транспортування газів є сховища газу в портах навантаження і вивантаження. Найчастіше берегові сховища виготовляють з 9 % нікелевої сталі і встановлюють або на поверхні землі, або під її поверхнею. Споруджуються сховища з циліндричних ємкостей місткістю від 2 до 5 тис.м3 зрідженого газу. Розрахунок таких ємкостей і розглянуто у роботі.
На основі моментної і безмоментної теорій розрахунку оболонок обертання розроблені математична модель і програма в системі Mathcad розрахунку міцності циліндричних берегових ємкостей, розташованих під поверхнею землі. Результати розв'язання задачі представлено в графічному виді для оболонки ємкістю 5000 м3 при таких вихідних даних: м; м; (тут позначено: . – товщина оболонки сферичної частини, м; . – товщина оболонки циліндричної частини, м; . – модуль пружності матеріалів оболонок, Па; – коефіцієнт поперечної деформації; . – радіус циліндричної частини оболонки, м; . – радіус оболонок сферичної частини, м; . – довжина циліндричної частини оболонки, м; . – розрахунковий тиск парів газу, Па). Максимальні головні розрахункові напруження – 397,5 МПа.
За допомогою методу кінцевих елементів розроблені математична модель і проведено розрахунок наземної оболонки ємкості сховища газу (рис.3). Ємкість навантажена розрахунковим тиском парів газу, гідростатичним тиском зрідженого газу, силою тяжіння ємкості.
Для розв'язання розглянутої задачі використовується параметричне твердотільне моделювання, підтримуване програмою розрахунку за МКЕ. Твердотільна модель – це циліндрична оболонка з напівсферичними кінцевостями, що представляє собою сполучення 56 поверхонь. Опори розташовані посередині довжини ємкості і симетрично середині в місці стикувань циліндричної її частини зі сферичними частинами. В якості кінцевого елемента приймається 8-вузловий оболонковий кінцевий елемент. Після розбивки твердотільної моделі на кінцеві елементи отримано її кінцево-елементний аналог для розрахунку міцності з такими характеристиками: кількість кінцевих елементів – 2207; кількість вузлових точок – 6623; характерний розмір кінцевих елементів – 1000 мм.
Використовуючи вихідні дані по кінцево-елементному аналогу твердотільної моделі, дані по зовнішніх силах і обмеженням, накладених на кінцево-елементний аналог, виконано розрахунок міцності. При виконанні розрахунків використовується роз'вязувальне рівняння статичного аналізу, записане у вигляді
де . – матриця жорсткості; . – вектор переміщень; . – компоненти вектора сил.
Отримано напруження, деформації і переміщення в кожній вузловій точці і кожному кінцевому елементі. Рішення задачі отримано при таких вихідних даних: ширина опор, м). Максимальні напруження, що виникають у конструкції: На рис.4 показано напруження ., Па, які отримано в результаті розрахунку.
Приведено метод визначення контрактної ціни берегових ємкостей збору і первинної підготовки газу до транспортування. Розроблено програмне забезпечення розрахунків їхньої контрактної ціни. Наведено графіки контрактної ціни берегового сховища, що складається з 10 ємкостей, у залежності від середньої вартості 1 норми-години (при вартості 1 н/г, яка дорівнює 0,25 ., контрактна ціна сховища сумарною місткістю 50000 м3, складає 35256000 .).
Розроблено метод економічного обґрунтування системи морського транспортування газів газовозами на основі залежності:
де . – приведені витрати на 1000 м3 газу, що транспортується, USD; . – собівартість транспортування 1000 м3 нестиснутого газу від місця видобутку до порту вивантаження, ./1000 м3; .– питомі капіталовкладення в систему, – галузевий нормативний коефіцієнт ефективності капітальних вкладень у систему морського транспортування газу, що враховує річний банківський відсоток за надані банком кредити; . – витрати, зв'язані з заморожуванням оборотних коштів, вкладених у газ на час його транспортування в системі, ./1000 м3.
Доведено, що якщо доставка газу в системі морського транспортування буде здійснюватися газовозами українського державного пароплавства, то при 25 % прибутку в ціні транспортування, регазифікації і збереження в порту вивантаження на лінії Алжир – Південний, ціна газу в порту Південний складе .
У третьому розділі представлено уточнене техніко-економічне обґрунтування можливості і доцільності проектування, побудови і експлуатації газовозів в Україні для замовників з різною формою власності. Для державних замовників розроблено диференціальний метод економічної ефективності газовозів у системі морського транспортування газів.
Диференціальний метод оцінки економічної ефективності газовозів дозволяє на будь-якій стадії їхнього проектування оцінювати вплив тієї або іншої корисної функції судна на приведені витрати, визначати в цілому найбільш економічний варіант проекту, що відповідає цим функціям.
Диференціал економічної ефективності газовоза:
(1)
де . приведені витрати в гривнях на 1 т річної провізної спроможності судна; . експлуатаційна швидкість газовоза в системі морського транспортування; коефіцієнт утилізації водотоннажності за дедвейтом; адміралтейський коефіцієнт; стоянковий час у портах навантаження і вивантаження; вартість 1 т палива; тривалість експлуатаційного періоду газовоза.
Приведені витрати в (1) розглянуто як деяка функція шістьох незалежних змінних ( ). За допомогою диференціального методу оцінки економічної ефективності газовозів у системі морського транспортування газів проведено розрахунок оптимальної швидкості газовоза, що перевозить аміак, із вкладними призматичними танками місткістю 37000 м3 на лінії протяжністю 3300 миль. Результати розрахунку оптимальної швидкості газовоза в системі морського транспортування газів представлено на рис. 5 (приведені витрати наведені в гривнях, швидкість – у вузлах). Приведено результати розрахунків для газовозів місткістю 22000 м3, 57000 м3, 75000 м3, 100000 м3 на лінії протяжністю 3300 миль. Наведено аналіз отриманих результатів. Зростання швидкості ходу газовозів у системі морського транспортування визначається зростанням їх вантажомісткостей, що підтверджується статистичними даними. Таким чином, підтверджена достовірність отриманих результатів. Створено програмне забезпечення.
Розроблено метод уточненого техніко-економічного обґрунтування при проектуванні, побудові і експлуатації газовозів для недержавних замовників, коли показником ефективності судна є критерій еквівалентної процентної ставки. Чим вище еквівалентна ставка, тим краще проект газовоза, що замовляється. Шукана еквівалентна процентна ставка . визначається розв'язанням рівняння
(2)
де .– річний прибуток судновласника відповідно до законів України; . – ціна транспортування 1 м3 зрідженого газу; . – термін експлуатації судна.
За допомогою даного методу проведено розрахунок оптимальної швидкості газовоза, який перевозить аміак, із вкладними призматичними танками місткістю 37000 м3 на лінії протяжністю 3300 миль, виходячи з еквівалентної процентної ставки .. Результати розрахунку оптимальної швидкості газовоза в системі морського транспортування газів наведено на рис. 6. Як параметр прийнято контрактну ціну газовоза Із зростанням контрактної ціни газовоза еквівалентна процентна ставка зменшується, а оптимальна швидкість при цьому практично не змінюється. Оптимальна швидкість газовоза, яка визначена для недержавного замовника (. уз), більше, ніж для державного (. уз). Створено програмне забезпечення.
Приводяться спеціальні вимоги, які пред'являються до конструкцій, матеріалів корпусів газовозів і танків, а також до їх ізоляції, дані з матеріалів танків. Описано принципову технологію виготовлення і монтажу сферичного танку. Розглянуто можливості і перспективи побудови газовозів на верфях України та основні проблеми і особливості їхнього проектування в системі морського транспортування газів.
У четвертому розділі розроблені теоретичні основи проектування системи морського транспортування газу з конфігурацією сухопутний газопровід – газовози – сухопутний газопровід. Розроблено метод оптимізації елементів флоту газовозів у системі морського транспортування газів для державного замовника, що враховує такі особливості газовозів: випар вантажу під час переходу; витрати газу на забезпечення баластового переходу, використання його в ЕУ та в установках повторного зрідження; конструкцію вантажоутримувальної зони; високу вартість танків. Описано математичну модель, що реалізує постановку і розрахункові залежності задачі визначення таких оптимальних параметрів флоту газовозів як елемента системи морського транспортування газу, який перевозить зріджений газ на заданій лінії: . – кількість суден у складі флоту газовозів; . – розрахункова вантажомісткість кожного судна, м3; головні елементи газовоза вантажомісткістю ( ); . – приведені витрати для флоту газовозів, грн./м3; – експлуатаційна швидкість ходу суден, уз.
У якості вихідних даних прийняті властивості газу, який перевозиться, і всі необхідні величини, які характеризують особливості системи морського транспортування газів і газовозів для державних замовників (всього 57 вихідних даних). Змінні величини: ., уз; . – річна кількість рейсів кожного судна; – об'єм зрідженого газу за один рейс, який вивантажується одним судном, м3; . – ходовий час одного судна за рейс, доба; . – довжина між перпендикулярами, м; . – ширина, м; . – осадка, м; . – висота борту до верхньої палуби, м; . – коефіцієнт загальної повноти судна; – узагальнене позначення всіх змінних величин.
Основні обмеження:–
рівняння плавучості , де – вагова водотоннажність судна, т; – складові вагового навантаження, т;–
рівняння місткості, що забезпечує вимогу вибору мінімальної висоти борту газовоза з умови заданої вантажомісткості – мінімальна висота борта, м; – функція місткості;–
рівняння остійності, виражене у вигляді необхідного максимально можливого з умов припустимої качки відношення : , де – максимально можливе відношення .;–
рівняння забезпечення плавності качки газовоза , де – значення , що знаходиться з умови плавності качки газовоза; . – початкова метацентрична висота, – рівняння (ходовості), що зв'язує довжину газовоза і його швидкість (число Фруда Fr) з коефіцієнтом загальної повноти система чотирьох рівнянь з чотирма невідомими де – річний вантажопотік кожного судна флоту, м3; . – продуктивність вантажної системи газовоза, – об'єм газу, залишений на баластовий перехід, – час стоянки судна в порту навантаження, доба; – річний вантажопотік зрідженого газу, м3.
Додаткові обмеження: до основних критеріїв необхідно додати обмеження необхідної потужності енергетичної установки ., кВт, деякої максимально можливою величиною а також . Специфікаційна швидкість газовоза не повинна перевищувати . Проектування газовозів, їхніх корпусних конструкцій і призматичних танків до них допускається по розробленому методу для суден довжиною від 90 до 500 м при: . В якості критеріїв задачі розглядаються приведені витрати де . Отримано шукану систему дев'яти рівнянь з дев'ятьма невідомими з урахуванням додаткових обмежень і критерію.
Розв'язується задача змішаного типу. У якості варійованих параметрів обрані: і . Для кожного сполучення величини , ., (з врахуванням випару газу під час рейсу і залишків газу, необхідного для баластового переходу газовоза), . знаходяться з аналітичного розв'язання системи чотирьох рівнянь з чотирма невідомими
Далі всі залежності, що входять у систему дев'яти рівнянь, записуються у функції від і виводяться з врахуванням вимог законодавства України.
Розв'язання задачі проводиться в наступній послідовності:–
задаються вихідні дані;–
при заданому сполученні визначаються – задається інтервал;–
для всього інтервалу швидкостей з врахуванням обмежень розв'язується система рівнянь і визначається для кожного значення швидкості з даного інтервалу п'ять невідомих основних елементів газовоза: ;–
для кожної групи, визначених розв'язанням рівнянь основних елементів, обчислюються приведені витрати і , а також визначаються оптимальна . для точки, у якій – для . визначаються ;
обчислюються інші елементи газовоза, який проектується;
проводиться побудова розрахункових графіків;
для отриманого набору значень приведених витрат флоту, що відповідають варійованим параметрам {Wз , Nф} визначаються оптимальні шукані параметри флоту газовозів або зона припустимих значень цих параметрів близьких до оптимальних;
здійснюється аналіз отриманих результатів.
Розроблено програмне забезпечення. Результати розрахунку оптимальних параметрів флоту газовозів, які експлуатуються у системі морського транспортування газів "Алжир – Південний" при м3, наведені на рис. 7 – 11.
Як видно з рис. 9, для розглянутої лінії і розглянутого діапазону кількості газовозів, які експлуатуються у системі морського транспортування, оптимальний флот повинен складатися з 6 суден вантажомісткістю 105000 м3 (точка А). Приводяться оптимальні елементи кожного з цих суден. Збільшення кількості суден у складі флоту з одночасним зменшенням їхньої вантажомісткості приводить до зростання приведених витрат і збільшенню надійності експлуатації системи морського транспортування. Лінія ABCD – це лінія мінімальної вантажомісткості кожного із суден флоту при їхній максимальній кількості. Мінімальна вантажомісткість газовоза в цій системі – 37000 м3 при 20 суднах, які експлуатуються на лінії. Приводяться оптимальні елементи кожного із суден цієї серії. Трикутник на графіку рис. 9, обмежений ізолінією 281,84 грн./т, осями . і .з точками на них відповідно 9 суден і місткістю 58000 м3 – область відсутності розв'язання оптимізаційної задачі.
Розроблено метод оптимізації елементів флоту газовозів при його експлуатації в системі морського транспортування газів для недержавного замовника, який враховує вплив контрактної ціни, величини еквівалентної процентної ставки, банківського проценту, очікуваної інфляції, підприємницького ризику. Як і в попередньому випадку вирішена задача змішаного типу.
У якості вихідних даних прийняті властивості газу, який перевозиться, і всі необхідні величини, що характеризують особливості системи морського транспортування газів і газовозів для недержавних замовників (всього 64 вихідних даних). Змінні величини: еквівалентна процентна ставка, %; – узагальнене позначення змінних величин.
До основних обмежень, які описані у попередній задачі, додається рівняння (2), що визначає еквівалентну процентну ставку .. Додаткові обмеження аналогічні попередній задачі. В якості критерію задачі розглядається величина ., ; , де – величина, що характеризує перевищення еквівалентної процентної ставки над реальною процентною ставкою; . – банківська процентна ставка, % . – річний відсоток інфляції, %; Розв'язання задачі, що складається із системи десяти рівнянь з десятьма невідомими, проводиться в тій же послідовності як для державного замовника. Створено програмне забезпечення, результати приведені на рис. 12. В якості параметра прийнята контрактна ціна газовоза Як видно з рис. 12, із зростанням контрактної ціни газовоза величина . зменшується, а оптимальна швидкість при цьому практично не змінюється. Оптимальна швидкість газовоза, що визначена для недержавного замовника більше, ніж для державного ( уз). З перевищенням контрактної ціни величина . стає менше 1, а значить вкладати гроші в будівництво такого газовозу не має сенсу. Приводяться оптимальні головні елементи газовоза W = 37000 м3.
Виконано врахування, відповідно до розробленої автором методики, особливостей конструкції і проектування газовозів із призматичними вкладними вантажними танками в задачі оптимізації елементів флоту газовозів при його експлуатації в системі морського транспортування газів. Створено програмне забезпечення. Приводяться розраховані відповідно до розробленого методу головні елементи газовоза місткістю 37000 м3.
Автором отримані на підставі обробки статистичних даних ряд аналітичних залежностей для перевірки і уточнення головних елементів газовозів різних типів, які експлуатуються у системі морського транспортування газів, з урахуванням особливостей їхньої конструкції і проектування:–
довжина між перпендикулярами, м, для газовозів при
;
довжина між перпендикулярами, м, для метановозів при
;
ширина, м, для газовозів при
;–
ширина, м, для метановозів при
;–
висота борту, м, для газовозів:
при ;
при ;–
висота борту, м, для метановозів і этиленовозів:
при ;
при ;
коефіцієнт загальної повноти в залежності від числа Фруда :
при ;
при ;
при .
Крім того, отримані аналітичні залежності для: маси металевого корпуса , і обладнання ; коефіцієнта утилізації за дедвейтом . для газовозів і метановозів; адміралтейського коефіцієнта .; коефіцієнта питомої потужності , коефіцієнта , відносної осадки газовозів і метановозів; ширини газовозів від їхньої довжини і осадки ; висоти борту газовозів від їхнього осадки і довжини ; коефіцієнта для метановозів з мембранними і сферичними танками, для великих і малих газовозів; визначення маси танків метановозів і суден, що перевозять ЗНГ (виготовлених із хромомарганцевої і 9 % - нікелевої сталі, з алюмінієво-магнієвих сплавів), і ізоляції .
Розроблено методи врахування особливостей конструкції і проектування газовозів зі сферичними і мембранними танками, а також врахування впливу місткості баластових цистерн газовозів на їх головні розміри і параметри системи в задачі оптимізації елементів флоту газовозів при його експлуатації в системі морського транспортування газів. Отримано залежність для визначення сумарної місткості баластових цистерн газовозів. Розглянуто можливість врахування місткості, геометрії і розмірів баластових цистерн газовозів на їх головні розміри і параметри системи морського транспортування газів для різних замовників. Проведено порівняльну оцінку конструкцій газовозів.
У п'ятому розділі розроблені математичні моделі розрахунків міцності танків газовозів, що забезпечують надійну і безпечну їхню експлуатацію, і які дозволяють проводити уточнене врахування масових і міцносних характеристик корпусу і танків у задачі оптимізації елементів флоту газовозів в системі морського транспортування газів.
Розглянуто розрахункові статичні і динамічні навантаження, що виникають при експлуатації газовозів і морських заводів збору і первинної підготовки газу до транспортування. Розглянуто питання підсумовування навантажень, приведено визначення допустимих
