СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗАЙЦЕВ ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 629.124.74.123.561.12.011.1

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ МОРСЬКОГО ТРАНСПОРТУВАННЯ ГАЗІВ

спеціальність 05.15.12 - розробка морських

родовищ корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Севастополь - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти України

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Казарезов Анатолій Якович, Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, завідувач кафедри морських технологій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Раков Олексій Іванович, Севастопольський державний технічний університет, професор кафедри океанотехніки і кораблебудування

доктор технічних наук, професор Яремейчук Роман Семенович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри морських нафтогазових споруд

доктор технічних наук, професор Бардачев Юрій Миколайович, Херсонський державний технічний університет, ректор

Провідна установа

ВАТ "Український нафтогазовий інститут", Держнафтогазпрому України, м. Київ

Захист відбудеться 25 листопада 1999 р. о 15 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 50.052.01 Севастопольського державного технічного університету, 99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко, СевДТУ

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Севастопольського державного технічного університету

Автореферат розісланий 18 жовтня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Железняк В.Г.

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.

У світовій класифікації Україна займає: по об'ємах транзиту газу через свою територію 1 місце; по об'ємах імпорту газу – 3 місце; по об'ємах газоспоживання – 6 місце; по об'ємах видобутку газу – 25 місце. Розв’язання проблеми розвитку паливо-енергетичного комплексу і задоволення потреб народного господарства України в усіх видах палива та енергії можливо двома шляхами: або розвідкою і збільшенням виробництва власних енергоносіїв, або їхнім імпортом. 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.

Мета пошуку альтернативних джерел енергоресурсів і способів їхньої доставки – забезпечення енергетичної та економічної безпеки і незалежності країни, зменшення витрат на паливо-енергетичний комплекс, створення нових робочих місць і зменшення безробіття. Для України пошук альтернативних джерел енергопостачання – це зниження залежності від Росії і від її цін на газ, за який Україна переплачує біля 2 млрд.USD у рік.

Таким чином, створення в Україні системи морського транспортування газів судами-газовозами – це єдино можливий варіант диверсифікації. Система морського транспортування газу, головним елементом якої є флот газовозів, дозволить у залежності від економічної і політичної доцільності, а також коньюктури цін, змінювати країни-постачальники газу. Для зниження енергетичної залежності України від Росії можливе транспортування газу з родовищ, розташованих на Близькому Сході та Алжирі. При цьому морські суда-газовози є єдино економічно вигідними способами транспортування газу в Україну.

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 судами-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, створення нових робочих місць, одержання великих прибутків від перевалювання і транспортування зрідженого газу, створення Правил класифікації і будівництва газовозів Регістра судноплавства України; можливості доставки газу від бурової установки до берегового сховища або споживача з малою собівартістю і відмови від дорогих морських трубопроводів.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота узагальнює результати досліджень, виконаних автором у рамках таких 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.

Мета роботи. Метою роботи є створення загальних методів теоретичних основ проектування і розрахунків, а також одержання науково – обгрунтованих результатів по принципово новому для української галузевої науки розробки морських родовищ корисних копалин із використанням у системі морського транспортування газів нового в суднобудівній науці типу судна: газовозів із різними типами вантажних танків і їхніх основних елементів на основі розвитку науково – методичного забезпечення для збільшення постачань газу з альтернативних джерел, а також збільшення об'єму транзиту газу через територію України і одержання прибутку.

Досягнення мети базується на аналізі сучасного стану проблеми вантажопотоків і цін на енергоносії, обгрунтуванні доцільності будівництва серії суден – газовозів із різними типами вантажних танків на суднобудівних заводах України, умов роботи і поводження, специфічних тільки для таких суднових конструкцій газовозів.

Задачі дослідження.

1.

1.

1.

1.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше у вітчизняній науці розробки морських родовищ корисних копалин і в суднобудівній науці вирішена важлива прикладна проблема – створено теоретичні основи проектування і розрахунку системи морського транспортування газів, а також принципово нових з точки зору конструктивних і експлуатаційних особливостей головних її елементів: магістральних трубопроводів, берегових сховищ газу, суден-газовозів із різними типами вкладних танків, морських заводів, їхніх пристроїв, а також спеціальних пристроїв суден обслуговування морських трубопроводів. При цьому враховані особливості газів, які транспортуються, вплив випару газу на основні елементи газовозів.

2.

2.

2.

2.

2.

2.

2.

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 судновласницьких 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 її елементів. Застосування комплексу програм дозволить надалі проводити дослідження в області вибору оптимальних характеристик систем морського транспортування газів, характеристик газовозів, експлуатації газовозів і морських заводів, робіт по зменшенню їхньої металоємкості, збільшення 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 і виявляти і використовувати резерви міцності. Практичне застосування результатів дисертаційної роботи відображено в актах впровадження таких підприємств і організацій: ВАТ "Завод Океан" (річна економічна ефективність складає 2,5 млн.USD), Регістр судноплавства України при розробці розділу Правил Регістра судноплавства України "Судна-газовози", ПКБ "Прогрес" при розробці керівного документа РДВ5. 2386-88 "Спуско-піднімальні пристрої автономних підводних технічних засобів. Методика розрахунку міцності", ч.1 і 2, при розробці "Методики розрахунку зусиль у несучих елементах конструкцій СПП" по ХДТ № 848/IV "Розробка методики розрахунку зусиль у несучих елементах конструкцій суднових СПП для автономних підводних апаратів" (річний економічний ефект від впровадження складає 159000 руб.), при виконанні ХДТ № 06.1.П.550/1-85 "Правила будівництва й обгрунтування оптимального архітектурно-конструктивного типу судна-газовоза". Крім того, "Методика розрахунку зусиль у несучих елементах конструкцій СПП" використана при розробці "Додатки до Правил класифікації і будівництва населених підводних апаратів і глибоководних водолазних комплексів Регістра СРСР". Основні матеріали дисертаційної роботи впроваджені в НДР № 2/1280 "Розробка методів розрахунку міцності суден нових типів. Нові підходи до проектування суден-газовозів", у ХДТ № 1368 "Створення Правил класифікації і будівництва суден Регістра судноплавства України". Впровадження методів проектування й експлуатації систем морського транспортування газів, проектування газовозів і їхніх пристроїв, спеціальних пристроїв суден обслуговування морських трубопроводів, пристроїв морських заводів збору і первинного підготування газу до транспортування, в навчальний процес кафедри "Морських технологій" дозволило використовувати їх при виконанні курсових і дипломних проектів, у науково-дослідній роботі студентів, при підготуванні навчальних курсів "Суднові пристрої і системи", "Пристрої сучасних суден", "Перевезення небезпечних вантажів", при написанні 7 навчальних посібників у УДМТУ за спеціальностями 7. 100. 201. і 7. 100. 202.

Особистий внесок дисертанта. Всі положення і висновки, математичні моделі, методики і методи розрахунків, аналітичні й 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 2 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 об'ємом 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 об'ємом 9,1 уч.-вид.л.), 7 навчальних посібників (сумарним об'ємом 29,5 уч.-вид.л, особисто написані Зайцевим В.В. 20 уч.-вид.л.). В статтях, написаних в співавторстві з Коробановим Ю.М., Мартинцем Б.М., Коганом І.М., Ткачевой П.Є., Зайцевим Вал.В., Грибенкіним І.А., Казарєзовим А.Я., Галустовим К.З., Абаджаном К.А., Усачевим І.М., Павловим А.Б., Риловим І.І., автору належать постановка задач, математичні моделі, методи розрахунків, виводи усіх залежностей, аналіз результатів та висновки, що становить 90 % змісту. В авторських свідоцтвах в співавторстві з Коробановим Ю.М., Мартинцем Б.М., Магулой В.Е., Перевезенцевим А.Т., Волоховой Г.С., Городових В.Д., Риловим І.І., Галустовим К.З., Разумним В.В. автору належить матеріал по конструктивним схемам плавучих платформ та пристроям, що становить відповідно 30 % і 20 % їх змісту.

Апробація результатів дисертаційної роботи. 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-технічній 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.), на науково-технічних конференціях МКІ – УДМТУ в 1977 – 1997 р.р., на семінарі департамента кораблебудування СевДТУ і на засіданні кафедри "Морських технологій" УДМТУ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 36 друкованих наукових робіт. Основні результати досліджень викладені в 2 монографіях, 5 навчальних посібниках, 22 статтях в наукових фахових виданнях (із них 2 – у Німеччині, 9 без співавторів), 3 авторських свідоцтвах на винаходи. Основні публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації, включають 2 публікації в матеріалах Міжнародного науково-практичного симпозіуму, 2 навчальних посібника.

Структура й об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів і висновків, яка викладена на 333 сторінках машинописного тексту; містить список літератури з 246 найменувань, 113 малюнків, 15 таблиць, 10 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обгрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, її основну мету, задачі дослідження. Описується наукова новизна отриманих результатів, що виносяться на захист, і їх практичне значення. Вказується особистий внесок дисертанта. Наведені відомості про апробацію роботи, публікаціях автора по її темі, а також про структуру й об'єм роботи.

У першому розділі дисертації проведен аналіз стану транспортування газу морем, перспективи видобутку і транспортування нафти і газу в Україні. Наведено характеристику основних світових родовищ і вантажопотоків. Більш 600 нафтогазоносних районів розвідано у світі на теперішній час, велика частина яких розташована в північній півкулі. При цьому більш половину усіх світових розвіданих ресурсів нафти сконцентровано в країнах Близького і Середнього Сходу. Запаси природного газу розподілені в основному між Росією, Казахстаном, Туркменією, Іраном, США, Канадою, Мексикою, Алжиром і Норвегією. За даними французького вченого П.Ф.Бюроле доказані світові запаси природного газу оцінюються в 85,96 трлн.м3. Однак деякі дослідники оцінюють ресурси природного газу в 250 – 350 трлн.м3. Основна маса запасів природного газу зосереджена у великих і унікальних родовищах із запасами в кожному більш 50 млрд.м3. Таких родовищ у світі усього 274. Загальні запаси газу в них складають 71 трлн.м3.

Значна частка запасів природного газу і нафти зосереджена в морських родовищах, на шельфах яких їх добувають більш 27 % світового видобутку. Промислову розробку нафти і природного газу ведуть на своїх шельфах більш 40 країн. Найбільшим і унікальним є нафтогазоносний район шельфу Перської затоки з прилеглими до нього ділянками суші. Запаси нафти в цьому районі оцінюються в 94 млрд.т, запаси природного газу – майже в 54 трлн.м3.

Запаси нафти і газу на території України разом з акваторіями Чорного і Азовського морів у межах нашої економічної зони до глибин 7 км (умовна межа технічно можливого видобутку нафти і газу) складають 8417,8 млн.т умовного палива. До складу зазначених запасів входять: нафти і конденсату – 1706,2 млн.т (із них нафти – 940 млн.т), газу вільного і розчиненого в нафті – 6711,6 млрд.м3. На початок 1995 р. ресурси України освоєні (добуті і розвідані) усього на 40,5 %. Нерозвідані ресурси складають 5010 млн.т умовного палива. Вони являють собою величезний потенціал для ведення розвідувальних робіт. Крім зазначених запасів, величезні запаси в 12 – 15 трлн.м3 зв'язаного метану розташовані в Донецькому басейні.

Перспективні шельфи Чорного й Азовського морів, ресурси яких перевищують 2,2 млрд.т умовного палива без врахування прогнозованих запасів альтернативних джерел – метано-гідратів дених осадів глибоких зон Чорного моря. За даними газети "Бизнес-Крым" Азово-Чорноморський регіон містить від 1,5 до 2,5 трлн.т умовного палива, 80 % якого – газ. В теперішній час тут відкрито 10 газових і газоконденсатних родовищ із невеликими промисловими запасами. Значні запаси природного газу на Стрелковському підйомі Арабатської стрілки.

Таким чином, Україна має у своєму розпорядженні великі потенційні паливо-енергетичні ресурси. Однак керівники нафтової промисловості й академічної науки Б.Гоцький, Б.Крупський, Н.Марухняк, Р.Окрипкий стверджують, що з виявлених 940 млн.т нафти нафтовики спроможні взяти усього 154,8 млн.т, – 16,47 %. Деякі фахівці стверджують, що українські нафтовики спроможні взяти тільки 46,9 млн.т нафти, тобто менше 5 % із розвіданих геологами 940 млн.т нафти.

Потреба України в нафтопродуктах по різних оцінках складає 24 – 28 млн.т у рік, природного газу – 85 млрд.м3. У 1997 р. в Україну надійшло 61640,9 млн.м3 природного газу. В перспективі Україна буде за рахунок імпорту задовольняти свої потреби в нафті і нафтопродуктах на 80 – 90 %, а в природному газі – більш ніж на 50 %.

Враховуючи потреби України в нафті, нафтопродуктах і природному газі і самі оптимістичні прогнози щодо їхнього власного видобутку, можна констатувати, що Україна залишиться імпортером цих ресурсів і в майбутньому.

Транзит природного газу через територію України здійснює трубопровідним транспортом НАК "Нафтогаз України" (ДК "Укртрансгаз), а скрапленого нафтового газу – залізничним транспортом ДАО "Укрспецтрансгаз. У цілому ж, якщо розглядати світові морські транспортні системи, то по об'ємах перевезених нафти і нафтопродуктів, включаючи перевезення зріджених газів, системи їхнього морського транспортування знаходяться на першому місці (рис. 1).

Далі в розділі описуються властивості газів і особливості їх транспортування в зрідженому стані. В теперішній час більшість промислово-розвинутих країн здійснюють постачання газів трубопровідним, залізничним, автомобільним транспортом і газовозами, що входять у систему морського транспортування газів. Газ, який транспортується, можна розділити на такі типи: природний; зріджений природний (ЗПГ або LNG – Liquefied Natural Gas); скраплений нафтовий (СНГ або LPG – Liquefied Petroleum Gas); аміак. Для безпечного транспортування газів необхідно знати їх хімічні і фізичні властивості. Загальним для всіх газів є те, що вони являють собою вуглеводи.

Доводяться специфічні для газотранспортних систем і їх елементів визначення і пояснення, наведена їх класифікація і характеристика. Описуються конструктивні особливості головного елемента системи – судна-газовоза (рис.2). Приведено класифікацію газовозів, описані різні їх типи.

Розглянуто постановку задачі дослідження в дисертаційній роботі і зазначено, що математичне моделювання прибуткового функціонування системи морського транспортування газів і її основних елементів – найбільш перспективний напрямок дослідження цього найважливішого і наймогутнішого об'єкта паливо-енергетичного комплексу країни. Раціональне сполучення різних методів розв’язання поставленої задачі дослідження відчиняє нові можливості усебічного вивчення проблеми проектування й експлуатації систем морського транспортування газів. Математичне моделювання роботи системи і її елементів дозволяє розробляти нові перспективні напрямки пошуку альтернативних джерел постачань газів, розробляти проекти нових суден-газовозів, як складових елементів системи.

Описується стан досліджуваної проблеми. У зарубіжній літературі відсутні публікації, що всестороннє висвітлюють питання проектування систем морського транспортування газів, проектування, будівництва й експлуатації газовозів, морських заводів збору і первинного підготування газу до транспортування, їх пристроїв і спеціальних пристроїв суден обслуговування морських трубопроводів. В українській науковій літературі взагалі немає відомостей, крім опублікованих автором, про дослідження цього питання. Тому наводиться аналіз нечисленних робіт, проведених ще в Радянському Союзі. Роботи С.І.Логачева, М.М. Миколаєва, І.А.Наумовой, В.К.Козирєва присвячені економічному обгрунтуванню системи морського транспортування газів. Визначенню і дослідженню основних характеристик великотоннажних метановозів і газовозів присвячені роботи В.П.Шостака і В.І.Гершаніка, а також Ф.А.Морейніса, М.Н. Барабановой, М.А.Нахімовського, І.А.Наумовой, К.В.Кохановського, К.В. Ларкіна, І.В.Кошелевой, А.М.Вашедченко, Б.М.Михайлова, Б.А.Цибенко. Залежності, приведені в зазначених роботах, можуть бути використані на початкових стадіях проектування газовозів для визначення масових їх характеристик. Значний внесок у розвиток теоретичних основ розрахунків міцності корпуса і танків деяких типів газовозів внесли В.В.Козляков і В.Віт. Козляков, Ю.П. Качанов. Найбільш помітні в області економічного обгрунтування проектування і будівництва інших типів суден наукові дослідження В.І.Краєва, Н.П.Любушина В.П.Соколова. Корисними можуть бути і роботи Ю.Ю.Верланова, А.Я.Казарезова, В.Е.Астахова, В.С.Горобца, А.І. Максимаджи, Кэмпбелла Р.Макконнелла ,Стэнли Л.Брю, В.П.Грузинова, А.А.Черкесова-Цибізова, В.І.Чекаловєца, Н.Т Примачьова. З наукових досліджень по проектуванню і оптимальному проектуванню морських суден, що можна використовувати при проектуванні газовозів, найбільш вагомі роботи В.В.Ашика, А.В.Бронникова, А.М.Вашедченко, Л.М.Ногида, А.І.Ракова, М.Б.Севастьянова, В.М.Пашина, Л.Ю.Худякова, І.О Мізіна. Загальні методи проектування описані Дж.К.Джонсом.

Проектуванню пристроїв морських суден, у тому числі і газовозів, присвячений довідник М.М.Александрова, Б.А.Бугаєнко, Ю.А.Єршова, Ю.Д. Жукова, В.В.Зайцева, А.Я.Казарєзова, Л.В.Каменчука, Ю.М.Коробанова, В.Е.Магули, А.І.Симоненко. Проектування спеціальних пристроїв суден обслуговування морських трубопроводів приведено в роботах автора, Б.А.Бугаенко, В.Е.Магули. Виводи, отримані в роботах В.А.Светлицького, можуть бути використані при проектуванні зазначених пристроїв. Динаміка морських споруджень, підводно-технічні роботи, системи керування морськими рухливими об'єктами, питання проектування споруджень морського шельфу розглянуті Ю.А. Лукомським і В.С.Чугуновим, Т.Доусоном, Э.Р.Гольдіним, В.П.Козловим, Ф.П. Челишевим, Р.С.Яремейчуком, В.З. Возним, М.К. Ільницьким В.С. Бойко, Р.М. Кондратом.

Доводиться принципова схема методики досліджень у дисертаційній роботі стосовно до системи морського транспортування газів.

В другому розділі розглянуто економічне обгрунтування будівельної вартості газопровідного транспорту. Проведено порівняння таких економічних показників, як питомі капіталовкладення і питомі капіталовкладення на 1 км газопроводу для українських ділянок магістральних газопроводів ("Прогрес", "Союз" і ін.) і запропонованої для будівництва транскаспийскої газопровідної системи по маршруту Туркменбаши Баку Тбілісі Ерзурум. Показано, що питомі капіталовкладення на 1 км першої черги газопроводу діаметром 1420 мм Туркменбаши Баку Тбілісі Ерзурум складають 0,0923 , що майже в 3 рази вище того ж показника для українських ділянок магістральних газопроводів. Далі доводяться техніко-економічні обгрунтування постачань газу трубопроводним транспортом і будівельної вартості ємкостей збору і первинного підготування газу до транспортування в системі морського транспортування газу. Розроблено математичну модель розрахунку міцності циліндричних берегових ємкостей збору і первинного підготування газу до транспортування (рис. 3)

Вихідними даними є: – товщина оболонки сферичної частини, м; – товщина оболонки циліндричної частини, м; – модуль пружності матеріалів оболонок (оболонки виготовлені з однакового матеріалу), Па; – коефіцієнт поперечної деформації; – радіус циліндричної частини оболонки, м; – радіус оболонок сферичних частин, м; – довжина циліндричної частини оболонки, м; – розрахунковий тиск парів газу, Па.

Прийняті позначення: – кінцевий кут для сферичних частин, рад; , – меридіональні зусилля в сфері і циліндрі, Н/м; , – кільцеві зусилля в сфері і циліндрі, Н/м; , – меридіональні моменти в сфері і циліндрі, Н; , – кільцеві моменти в сфері і циліндрі, Н; , – ланцюгові напруження в сфері і циліндрі, Па; , – мембранні напруження в сфері і циліндрі, Па; , , , – згинаючи напруження в сфері і циліндрі, Па; , , , – головні розтягуючи напруження у сфері і циліндрі, Па;, , – головні стискальні напруження в сфері і циліндрі, Па; ; , , , , , , – сталі інтегрування; ; – радіальні переміщення; – кути повороту дотичної до меридіана.

Зовнішнє навантаження (активні сили): рівномірний розрахунковий тиск . Як розрахунковий тиск приймається іспитовий тиск, що перевищує робочий в 1,5 рази, тобто , де .

Прийняті припущення: оболонка вважається тонкою, тобто і ; циліндрична оболонка вважається довгою ; граничні умови на одній кромці циліндричної оболонки не впливають на напружений стан у районі іншої його кромки; форма оболонки і зовнішнього навантаження симетричні щодо подовжній осі, тому напруження і деформації також приймаються симетричними щодо цієї осі; дотичні напруження вважаються малими й у розрахунку не враховуються; при розв'язанні задачі використовуються припущення, які називаються гіпотезами Кірхгофа (прямолінійні волокна оболонки, перпендикулярні до її серединної поверхні, зберігають своє положення щодо неї до і після деформації і не змінюють своєї довжини; нормальні напруження на площадках, паралельних серединної поверхні, малі в порівнянні з іншими розрахунковими напруженнями); основні частини циліндричної і сферичних оболонок знаходяться в безмоментному напружено-деформованому стані; моментно напружено-деформований стан розташовується у вузькій області в районі стикувань циліндричної оболонки зі сферичними; сумарні напруження, зусилля і переміщення складаються із безмоментних складових і складових, викликаних крайовим ефектом; сили тяжіння оболонки ємкості і газу компенсуються рівномірним тиском грунту. Реакції зв'язків і розрахункова схема показані на рис.3.

Система рівнянь містить вісім рівнянь, необхідних для розшуку восьми невідомих , , , , , , , :

; ;

; ; (1)

; ;

; ,

Розв’язання системи рівнянь (1) дає залежності для визначення сталих інтегрування:

; ; ; ; ,

де

; ; ; ; ;

; ; ;

; ; ; ;

; ; ; ; ;

; ; ; ; .

Результати розв’язання задачі наведено в графічному виді.

Приведено метод визначення контрактної ціни берегових ємкостей збору і первинного підготування газу до транспортування. Розроблено програмне забезпечення розрахунків їхньої міцності і контрактної ціни. Наведені графіки контрактної ціни берегового сховища, що складається з 10 ємкостей збору і первинного підготування газу до транспортування, у залежності від середньої вартості 1 норми-години (при вартості 1 н/г рівної 0,25 контрактна ціна сховища, що складається з ємкостей сумарною місткістю 50000 м3, складає 35256000 ).

Розроблено метод економічного обгрунтування системи морського транспортування газів суднами-газовозами на основі залежності:

, (2)

де – приведені витрати на 1000 м3 газу, який транспортується, USD; - собівартість транспортування 1000 м3 нестиснутого газу від місця видобутку до порту вивантаження, /1000 м3; - питомі капіталовкладення в систему, /1000 м3; - 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 , що значно нижче ціни за російський газ. Вперше доведено, що створення в Україні системи морського транспортування газів суднами-газовозами – це єдино можливий варіант диверсифікації. Система морського транспортування газу, до складу якої повинен увійти флот газовозів, дозволить в залежності від економічної і політичної доцільності, а також кон’юктури цін змінювати країни-постачальники газу. Вперше доведено, що для зниження енергетичної залежності України від Росії можливе транспортування газу з родовищ, розташованих на Близькому Сході і в Алжирі.

У третьому розділі наведено диференціальний метод економічної ефективності газовозів у системі морського транспортування газів. Проектування газовозів – складна оптимізаційна задача, що вимагає її поетапного розв’язання з переходами від простої логіко-математичної моделі до більш складних моделей. На кожному етапі уточнюються головні розміри судна, форма його корпуса, тип і потужність енергетичної установки, швидкість тощо. При цьому метою проектування є визначення таких параметрів газовозів, що дозволяли б при мінімальних витратах сукупного суспільного продукту забезпечувати їх ефективну експлуатацію.

Засобом досягнення мети є техніко-економічний аналіз (ТЕА), що включає добір і узгодження з замовником критерію оптимальності проекту, розробку логіко-математичної моделі судна, отримання оптимального вирішення. Питання економіки транспортних суден завжди знаходяться в центрі уваги при їхньому проектуванні, будівництві й експлуатації. Як справедливо зауважив економіст Г. Бенфорд “гроші – це найбільш універсальний інструмент для оцінки інженерної якості. Судна будуються не для того, щоб продемонструвати удосконалену форму корпуса, наприклад, а для того, щоб приносити прибуток". Одним із шляхів розвитку ТЕА є диференціальний метод оцінки економічної ефективності транспортних суден, розроблений автором стосовно до газовозів.

Диференціальний метод оцінки економічної ефективності газовозів дозволяє на будь-якій стадії їх проектування оцінювати вплив тієї або іншої корисної функції судна на приведені витрати, визначати в цілому найбільш економічний варіант проекту, що відповідає цим функціям. При обгрунтуванні ефективності будівництва та експлуатації таких вузькоспеціалізованих суден, як газовози, потрібно враховувати те, що для стабільного транспортування газу необхідний цілий комплекс засобів, що включає в себе завод скраплення газу, сховище газу на березі, газопровід, портові спорудження та інше.

Приведені витрати розглянуті як деяка функція шести незалежних змінних ( ), вважаючи всі інші величини заданими, тобто що мають постійне значення для всіх розглянутих варіантів даного газовоза. Вибір саме цих шести параметрів як незалежних змінних пояснюється наступними розуміннями. Насамперед, необхідність дослідження впливу змін на величину обумовлена тим, що вибір оптимальної швидкості – першочергова задача проектувальника системи морського транспортування газів. Дослідження впливу в чисельнім виді зміни інших перемінних величин на не входить у перелік задач дисертаційної роботи. Це задача подальших досліджень, що дозволять кількісно оцінити з погляду економічної доцільності значимість зусиль, спрямованих на виконання таких заходів: полегшення конструкції судна за рахунок більш раціонального компонування загального розташування, застосування нових матеріалів, впровадження розрахункових методів визначення розмірів конструкцій тощо ( ); удосконалювання форми обводів і підвищення ефективності рушіїв ( ); скорочення стояночного часу за рахунок будівництва нових причалів, удосконалювання конструкції судна, модернізації суднових і берегових вантажних систем ( ); переведення головних суднових двигунів на більш дешеві важкі палива ( ); розширення і зміцнення ремонтної бази флоту газовозів, застосування криголамів у портах , що замерзають, зміна конструкції льодових підкріплень ().

Диференціал економічної ефективності газовоза:

, (3)

де приведені витрати в гривнях на 1 т річної провізної спроможності судна

, (4)

;

; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Значення часткових похідних в диференціалі (3) будуть такими:

,

де ;

;

;

;

;

,

– експлуатаційна швидкість газовоза в системі морського транспортування; – коефіцієнт утилізації водотоннажності по дедвейту; – дедвейт; – адміралтейський коефіцієнт; – стояночний час у портах навантаження і вивантаження; , – вартісті 1 т палива та мастила відповідно; – тривалість експлуатаційного періоду газовоза; – будівельна вартість газовозу; – річні експлуатаційні витрати газовоза; – галузевий нормативний коефіцієнт ефективності капітальних вкладень у морський транспорт; – протяжність лінії, яка дорівнює подвоєній відстані між портами навантаження і вивантаження; – потужність головних двигунів газовоза; – маси екіпажу з багажем і постачання; – чиста вантажопідйомність газовозу; – кількість газу з врахуванням його випару, перевезеного за один рейс у вантажі та баласті; – маса запасів палива, води і мастила з врахуванням того, що газ, який випаровується, використовується в якості палива ЕУ; – провізна спроможність газовоза на рік в системі; – ціна 1 т газу; – питомі витрати палива; , – вимірювачі мас металевого корпусу та обладнання відповідно; – вимірювач маси механічного обладнання, трубопроводів МКВ; , – стояночний час за круговий рейс відповідно в портах навантаження і вивантаження; – число рейсів газовозу за рік; – тривалість кругового рейсу; – коефіцієнт витрати палива на загальносуднові потреби на ходу і стоянці газовоза; – коефіцієнт витрати мастила ( і відповідно для дизельних і паротурбінних установок); , – коефіцієнти, які враховують випар газу за добу в вантажі та у баласті відповідно (; ); – коефіцієнт витрати палива, води та мастила на загальносуднові потреби на ходу і стоянці газовоза; , , , – коефіцієнти відповідно амортизації, витрат на постачання одного судна на добу, витрат на екіпаж, навігаційних витрат і витрат на агентування одного судна на добу; – коефіцієнт накладних витрат; – статистичні коефіцієнти ; – час, необхідний для маневрів при проведенні швартовних операцій у портах навантаження і вивантаження, проходу вузькостей; – – статистичні коефіцієнти; – норматив витрат на утримання одного члена екіпажа на добу; г – витрати, зв’язані з заморожуванням оборотних коштів, вкладених у газ на час його транспортування.

Диференціал (3) може бути використаний для з'ясування впливу тих елементів суден, що прийняті як незалежні змінні, на їхні економічні показники. Це може виявитися корисним при встановленні оптимальних головних розмірів газовозів, їхньої швидкості та вантажопідйомності. За допомогою даного методу можна оцінити доцільність повторного зрідження газу, що випаровується, обгрунтувати вибір архітектурно-конструктивного типу газовоза, установити зони раціонального застосування того або іншого типу газовозів з точки зору мінімальних приведених витрат. При розв’язанні оптимізаційних задач приведені витрати , визначені по (4), повинні бути мінімальними, тобто функція шести незалежних змінних повинна мати мінімум. Відповідно до правил визначення мінімуму функції змінних, треба виконати необхідні і достатні умови.

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 наведені на рис. 4 (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 техніко-економічного обгрунтування для недержавних замовників газовозів, коли показником ефективності судна є критерій еквівалентної процентної ставки. Основна ідея цього критерію полягає в можливості визначення наскільки вигідніше вкладати капітал у будівництво і експлуатацію судна в порівнянні з вкладенням цього ж капіталу під складний відсоток у банк. Еквівалентна процентна ставка – це постійний відсоток, що нараховується на залишок вкладеного в судно капіталу. При проведенні техніко-економічного аналізу для оцінки вигідності капіталовкладення необхідно порівняти еквівалентну процентну ставку з відсотком, що виплачував би банк вкладнику. Потім еквівалентну процентну ставку порівнюють із реальною процентною ставкою, яка чисельно дорівнює різниці між банківською процентною ставкою, виплачуваної вкладникам, і річним відсотком інфляції. Реальна процентна ставка – це реальний відсоток прибутку на капітал, вкладений у банк і який не знаходиться в обороті. Еквівалентна процентна ставка повинна бути вище реальної, як мінімум, на величину підприємницького ризику. Сума еквівалентної процентної ставки і відсотка підприємницького ризику можна умовно назвати підприємницькою ставкою. Такий підхід дозволяє проводити техніко-економічний аналіз у цінах на день проведення розрахунку. Чим вище виявиться шукана еквівалентна ставка, тим краще замовлений проект газовоза. Шукана еквівалентна процентна ставка визначається розв’язанням рівняння

,

де - річний прибуток судновласника відповідно до законів України; – ціна транспортування 1 м3 зрідженого газу; – термін експлуатації судна.

За допомогою методу техніко-економічного обгрунтування при проектуванні, будівництві та експлуатації газовозів для недержавних замовників у системі морського транспортування газів проведено розрахунок оптимальної швидкості газовоза, яки й 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. 5. Як параметр прийнято контрактну ціну газовоза ( USD, USD, USD, USD). З ростом контрактної ціни газовоза еквівалентна процентна ставка зменшується, а оптимальна швидкість при цьому практично не змінюється. Оптимальна швидкість газовоза, визначена для недержавного замовника ( вуз.) більше, ніж для державного ( вуз). Створено програмне забезпечення.

Доводяться спеціальні вимоги, які пред'являються до конструкцій, матеріалів корпусів газовозів і танків, а також до їхньої ізоляції, приведено характеристики матеріалів танків. Описано принципову технологію виготовлення і