Визначення основних елементів суден, що обслуговують морські споруди та нафтодобувні промисли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.08.03 - Конструювання та будування суден

Визначення основних елементів суден, що обслуговують морські споруди та нафтодобувні промисли

Фам Суан Нгок

Миколаїв 2008



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Некрасов Валерій Олександрович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри теорії та проектування суден.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Некрасов Валерій Олександрович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри теорії та проектування суден,

доктор технічних наук, професор Коробанов Юрій Миколайович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри конструкції корпусу корабля,

кандидат технічних наук, доцент Баскаков Сергій Миколайович Одеський Національний морський університет, доцент кафедри теорії та проектування корабля.

Вчений секретар спеціалізованої ради доктор технічних наук, професор Радченко М.І.



Анотація

судно нафтогазовий платформа

Фам Суан Нгок. Визначення основних елементів суден, які обслуговують морські споруди та нафтові промисли. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.08.03 - конструювання та будування суден - Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2008.

Метою дисертаційної роботи є вдосконалення процесу проектування суден постачання бурових платформ на основі створення принципово нової методики визначення їх основних елементів та характеристик на початкових стадіях проектування. Для цього створені математичні моделі функціонування судна постачання бурових платформ, виконано формулювання та розв'язок відповідних задач функціонування. При цьому функціональні операції, які виконує СПБП, змодельовані марківськими випадковими функціями. Показники функціональної ефективності СПБП отримані в результаті розв'язку відповідних задач функціонування. Показники економічної ефективності СПБП визначені за формулами, що відображають складові тайм-чартерного еквівалента та оперативні витрати. Розглянуті вони на проміжку часу, що дорівнює життєвому періоду судна.

В основу розробленої методики визначення основних елементів судна постачання нафтогазових промислів на початкових стадіях його проектування покладено рішення задачі пошуку екстремуму відносної вартості виконання судном постачання безлічі своїх основних функціональних операцій. Розроблено математичну модель судна постачання бурових платформ, алгоритм та програму вирішення оптимізаційної задачі визначення його основних елементів.

Ключові слова: судно постачання бурових платформ, функціональні операції, імовірність, основні елементи, ефективність, рейс, вартість, методика, оптимізація.



Аннотация

Фам Суан Нгок. Определение основных элементов судов, обслуживающих морские сооружения и нефтяные промыслы. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.03 - конструирование и постройка судов - Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2008. Целью диссертационной работы является совершенствование процесса проектирования судов снабжения буровых платформ на основе создания принципиально новой методики определения их основных элементов и характеристик на начальных стадиях проектирования.

Для реализации цели созданы математические модели функционирования судна, снабжения буровых платформ, сформулированы и решены соответствующие задачи функционирования. При моделировании рассматриваемых функциональных операций использованы марковские случайные функции. Показатели функциональной эффективности ССБП получены на основе решения соответствующих задач функционирования. Проведен анализ структуры общего потока финансовых средств от грузоотправителя к фрахтователю и к судовладельцу. При этом показатели экономической эффективности ССБП вероятностные характеристики стоимости создания судна снабжения и стоимости его эксплуатации рассмотрены на промежутке времени, равном жизненному периоду судна, и определены по формулам, отражающим основные составляющие тайм-чартерного эквивалента.

В основу разработанной методики определения основных элементов судна снабжения нефтегазовых промыслов на начальных стадиях его проектирования положено решение задачи поиска экстремума относительной стоимости выполнении судном снабжения множества своих основных функциональных операций. Разработаны математическая модель ССБП, алгоритм и программа решения оптимизационной задачи определения основных элементов судна снабжения, которые образовали программный комплекс "PlatformSupplyVessel", предназначенный для выбора основных элементов и характеристик ССБП на начальных этапах его проектирования.

Ключевые слова: судно снабжения буровых платформ, функциональные операции, вероятность, основные элементы, эффективность, рейс, стоимость, методика, оптимизация.



Annotation

Pham Xuan Ngoc. Determination of platform supply vessels principal dimensions. ? Manuscript.

The dissertation on the competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences on speciality 05.08.03 - designing and building of ship - National University of Shipbuilding named after admiral Makarov, Nikolaev, 2008. The purpose of this dissertation is to develop the designing process of platform supply vessels (PSVs) on the basis of creation of principle new method of determination of their principal dimensions for the initial stages of designing.

Development of mathematical models of functioning of PSV. The implementation of functional operations are simulated as markovian random functions and for their description the algorithms of multidimension random continuous markovian processes are used. Indexes of economy of PSV are determined on an interval time, equal to the vessel's life-cycle, and executed by formulas, to reflecting the main components of time charter equivalent.

In basis of the developed method of determination of PSV's principal dimensions on the initial stages of her designing the problem solution of extremum searching of relative cost of performance ship's main operations has been supposed. The mathematical model of PSVs, algorithm and program of decision of optimization problems of determination of PSV's principal dimensions were developed.

Keywords: platform supply vessels, functional operations, probability, principal dimensions, efficiency, trip, cost, method, optimization.



1. Загальна характеристика роботи

Актуальність дослідження. Бурхливе освоєння шельфу обумовило появу відповідних тенденцій в розвитку морської техніки. Сучасне технічне забезпечення робіт по розвідці та добуванню нафти і газу на шельфі потребує створення комплексу спеціалізованих технічних засобів, що забезпечують в цілому весь цикл робіт по освоєнню відкритого морського родовища. Саме цей чинник впливає на зростаючу необхідність будівництва суден для обслуговування морських нафтових промислів в цілому, у тому числі і суден постачання нафтогазових бурових платформ (СПБП). У зв'язку з цим подальший розвиток та технічне вдосконалення суден постачання нафтогазових бурових платформ стає однією з актуальних проблем теорії проектування суден цього типу та обумовлює актуальність теми дослідження. Як показує статистика, тема дослідження актуальна для усіх морських країн, зокрема, для України та В'єтнаму.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація включає результати досліджень, що отримані при виконанні фундаментальної д/б науково-дослідної роботи "Вирішення сучасних проблем функціонування суден" № 0103U001795 і прикладної д/б науково-дослідної роботи "Розробка методики проектування суден для умов ринкової експлуатації" № 0107U000718 Міністерства освіти і науки України. Вона також виконана відповідно до державної програми "Розвиток океанської економіки та будівництва суден В'єтнаму", в рамках науково-дослідної роботи "Створення систем автоматизованого проектування сучасних суден В'єтнаму".

Предметом дослідження є техніко-експлуатаційні показники та параметри суден постачання нафтогазових бурових платформ, що забезпечують оптимальну комбінацію показників їх функціональної та економічної ефективності.

Мета наукового дослідження. У зв'язку з відсутністю систематичних досліджень, що присвячені розгляду особливостей функціонування суден постачання нафтогазових бурових платформ та розробці взаємно зв'язаних показників їх функціональної та економічної ефективності, метою даного дослідження є розробка методики визначення головних елементів та характеристик СПБП на початкових стадіях їх проектування на основі формулювання та розв'язку відповідних задач функціонування та оптимізації.

Основні задачі наукового дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Виконати аналіз стану морського нафтовидобутку у світі, на шельфі України та В'єтнаму.

2. Проаналізувати особливості суден флоту обслуговування нафтогазовидобувних промислів, особливо техніко-експлуатаційні характеристики суден постачання бурових платформ.

3. Створити модель функціонування СПБП в заданому районі обслуговування та підібрати метод розв'язку задач функціонування, орієнтований на визначення загального та окремих показників ефективності виконання судном всієї сукупності основних функціональних операцій.

4. Розробити спосіб оцінювання ефективності виконання судном своїх основних функціональних операцій з урахуванням витрат на його створення та експлуатацію, і підібрати відповідний критерій ефективності.

5. Сформулювати та розв'язати оптимізаційну задачу визначення основних елементів та характеристик СПБП, що забезпечують виконання критерію ефективності.

6. Розробити методику вибору основних проектних характеристик СПБП на початкових стадіях проектування.

Методи дослідження. Теоретичною та методологічною основою дослідження є теорія корабля та теорія проектування суден. При формулюванні та розв'язку задач функціонування та визначення показника ефективності СПБП були використані інструменти дослідження складних динамічних систем з випадковими характеристиками, що знаходяться в умовах випадкових дій, теорія випадкових функцій та теорія імітаційного моделювання. Для пошуку екстремуму показника ефективності СПБП застосовані методи нелінійного програмування, при цьому система обмежень оптимізаційної задачі пошуку екстремуму побудована за допомогою методу зовнішніх штрафних функцій.

Наукові результати та їх новизна:

1. Виконаний систематичний відбір та теоретична постановка основної сукупності задач функціонування СПБП і використаний новий метод їх розв'язання.

2. При розв'язку задач функціонування СПБП застосовано апарат теорії безперервних марківських процесів та імітаційного моделювання, що дозволило визначити ефективність виконання судном сукупності його основних функціональних операцій в районі обслуговування з урахуванням впливу реальних факторів, що супроводять побудову та експлуатацію судна.

3. Розроблена нова методика розрахунку імовірнісних характеристик вартості СПБП в проміжку часу, рівному його життєвому періоду. В основу методу покладені співвідношення, що відображають основні складові тайм-чартерного еквівалента. Через отримане представлення вартості виражені витрати на утримання судна, необхідні для розв'язку оптимізаційної задачі його проектування.

4. Виходячи з особливостей функціонування СПБП, що розкриваються витратами на побудову та утримання судна, як критерій ефективності вибрана така форма критерію “вартість-ефективність”, яка мінімізує витрати на виконання функціональних операцій. У зв'язку з цим метою оптимізаційної задачі проектування даного типу суден стає мінімізація відношення витрат до корисного ефекту.

5. Розроблена математична модель СПБП, що відображає основні його морехідні та експлуатаційні якості.

6. У процесі розв'язку оптимізаційної задачі пошук екстремуму цільової функції чергується з розв'язком задач функціонування судна, що були сформовані на основі використання апарату теорії марківських процесів. Застосування апарату цієї теорії дозволяє зробити оцінку параметричної надійності судна як його здатності протистояти дії негативних факторів експлуатації. На цій основі досягаються дві основні мети проектування суден - забезпечення необхідного рівня ефективності та безпеки функціонування об'єкту.

7. Розроблені алгоритм та програма розв'язку оптимізаційної задачі визначення основних елементів СПБП, які утворили програмний комплекс "PlatformSupplyVessel", призначений для вибору основних характеристик СПБП на початкових етапах його проектування.

Практична цінність роботи включає наступне:

отримані у роботі формули можуть бути використані на етапах розробки основних техніко-експлуатаційних вимог та техніко-експлуатаційних обґрунтувань сучасних СПБП;

створений комплекс програм "PlatformSupplyVessel" забезпечує проведення дослідження ефективності СПБП та отримання розв'язку конкретної задачі вибору основних елементів та характеристик СПБП на початкових стадіях проектування. Результати розрахунку, виконаного за допомогою комплексу програм, можуть бути використані в проектно-конструкторських та науково-дослідних організаціях для обґрунтування вибору проектних характеристик СПБП та вибору найбільш ефективних варіантів перспективних СПБП.

Обґрунтованість і достовірність результатів дослідження забезпечена коректною постановкою задач функціонування СПБП, оцінки його ефективності й визначення головних елементів; коректним використанням для їх розв`язання методів теорії корабля, теорії багатомірних марківьких процесів, апарата імітаційного моделювання й нелінійного програмування; близькістю результатів визначення значень характеристик суден, що перебувають у цей час в експлуатації, за допомогою побудованих математичних моделей морехідних й інших їх інженерних якостей.

Впровадження результатів дисертації. Розроблений комплекс програм "PlatformSupplyVessel" та методика вибору основних елементів СПБП упроваджені та використані в порядку дослідної експлуатації на ОАО “Черноморсудопроект”, “Дизайн-центрі Української суднобудівної компанії”, в учбовому процесі Національного університету кораблебудування (м. Миколаїв, Україна), а також в Кораблебудівному науково-технологічному інституті "SSTI" (м. Ханой) і В'єтнамському морському університеті (м. Хайфон, В'єтнам). Конкретна особиста участь автора в одержанні наведених у дисертації наукових результатів полягає в розробці математичних моделей функціонування СПБП, формуванні алгоритмів визначення ефективності й вартості цього судна за весь його життєвий період, створенні математичної моделі СПБП, що відображає основні його морехідні та експлуатаційні якості, формулюванні оптимізаційної задачі визначення головних елементів СПБП, дослідженні чутливості результатів оптимізації до варіацій основних характеристик судна, розробці алгоритму й методики визначення його головних елементів.

Апробація роботи. Результати дисертаційної роботи докладалися та отримали позитивну оцінку на науково-технічній конференції Національного університету кораблебудування (26-28 квітня 2006 р.), на міжнародній науково-технічній конференції “Безпека мореплавання та її забезпечення при проектуванні та будуванні суден” (БМС-2007) (25-26 жовтня 2007 р.) та на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу НУК (23-25 квітня 2008 р.).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 4 наукові роботи, з них 3 статті без співавторів в збірках наукових праць НУК видання, що рекомендується Переліком ВАК України, і 1 теза доповіді у співавторстві в збірнику матеріалів міжнародної науково-технічної конференції БМС-2007.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел, літератури та чотирьох додатків. Дисертація містить 167 сторінок основного матеріалу, 30 рисунок, 8 таблиць, 150 найменувань літературних джерел. Об'єм додатків - 34 сторінок.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, визначені цілі та задачі дослідження, показана наукова новизна та практична значущість роботи, приведені положення, що виносяться на захист. У першому розділі приведений аналіз стану морського нафтовидобутку в світі, на шельфі України та В'єтнаму. Розглянутий сучасний стан флоту суден обслуговування нафтогазовидобувних промислів у всьому світі, в Україні та у В'єтнамі, їх експлуатаційні особливості та особливості функціонування, основні тенденції розвитку суден цього флоту.

Побудова методик та алгоритмів дисертаційної роботи виконується таким чином, щоб з відносно невеликими уточненнями вони були використані з усіма типами суден наведеного переліку. Разом з тим, найбільш повно розглядаються судна обслуговування нафтогазових промислів. В практиці експлуатації СПБП звичайно класифікуються за наступними ознаками: площами вантажної палуби, вантажопідйомності, типам і місткості цистерн, довжині вантажної палуби. При аналізі основних елементів сучасних СПБП останніх років побудови показано, що головні елементи цих суден та їх співвідношення істотно залежать від умов експлуатації, габаритів та маси вантажів, що перевозяться. Їх значення підпорядковані насамперед вимогам проведення високоефективних функціональних операцій в районі обслуговування.

Під час виконання роботи створена база даних сучасних СПБП, що побудовані у період з 1980 по 2007 рр., яка налічує більше 100 суден. За допомогою аналізу залежностей основних елементів СПБП від дедвейту отримані наступні формули для наближеного визначення основних характеристик СПБП.

L_max = 1,087L + 1,012; L = 45,51e^0,000114DW; B = 1,305DW^0,317;

H = 1,936Ln(DW) 8,516; T = 0,55DW^0,293;

A_ва.п = 22,04L 779,56; Ne = 2057,06e^0,000237DW

де L_max - довжина найбільша, м; L - довжина по конструктивній ватерлінії, м; B -ширина, м; H - висота борту, м; T - осадка, м; A_ва.п - площа вантажної палуби, м²; Ne - потужність головної установки, кВт.

У цьому розділі також розглянуті публікації, які присвячені проектуванню СПБП, і на основі цього розгляду вибрані основні напрями дослідження.

У другому розділі представлена загальна постановка задачі визначення і оптимізації основних елементів СПБП, приведений вибір функції мети, розглянуті показники економічної та функціональної ефективності, основні задачі функціонування судна постачання бурових платформ.

У якості цільової функції оптимізаційної задачі визначення основних елементів СПБП використаний спеціалізований критерій “вартість-ефективність”, а саме:

, (1)

де C ресурсний показник (показник вартості СПБП); I_E показник ефективності виконання судном постачання сукупності основних функціональних операцій.

Оптимізаційна задача визначення основних елементів СПБП сформульована як задачі нелінійного програмування: при заданих початко-вих даних, що визначені безліччю параметрів завдання на проектування судна, тобто при заданому векторі U(u₁, u₂,…, u_m), необхідно визначити таку безліч характеристик судна - вектор незалежних змінних X(x₁, x₂,…, x_n) - яке надає мінімальне значення критерію відносної вартості (1). Підсумком оптимізації основних елементів СПБП стає рішення: , яке задовольняє тривіальним (i = 1,…, n) і функціональним (j = 1,…, m) обмеженням на характеристики і властивості СПБП, що обумовлюються особливостями його створення та експлуатації і виявляються при розв'язку сукупності задач функціональної ефективності та безпеки плавання -параметричної надійності судна.

У наведених виразах - відповідно нижня та верхня допустимі межі значень i-й незалежної змінної; a_j - норми або рівні допустимих значень характеристики j-ї якості судна; n, m - кількість незалежних змінних та обмежень оптимізаційної задачі. У дисертації приведена загальна схема потоку фінансових коштів від вантажовідправника до фрахтувальника та судновласника, що використовується в судновій експлуатаційно-економічній практиці.

За допомогою цієї схеми вартість одного рейса вантажоперевезення судна визначається за формулою:

при цьому

де f фрахтова ставка;

Q_р кількість вантажу за один рейс судна;

Ч - тайм-чартерный еквівалент (ТЧЕ);

Ц - ціна палива, що витрачається; g_см = (1,02…1,04) - коефіцієнт обліку змащувальних матеріалів;

q_тхk, q_тстk - норми витрат палива на ходу та при стоянці на k-ї ділянці водного шляху [k (0, N)];

N - число елементарних ділянок шляху (між базою та буровими платформами); t_p - тривалість кругового рейсу судна;

t_хk час ходу судна на кожній елементарній ділянці;

часи стоянок судна під завантаженням та вивантаженням вантажів відповідно на кожному пункті призначення;

C_р змінні витрати фрахтувальника за винятком витрат на паливо, що включають в себе навігаційні витрати, вартість вантаження/розвантаження, портові збори та інші витрати, пов'язані з виконанням рейсу;

- прибуток фрахтувальника до оподаткування надходжень від одного рейсу перевезення вантажів.

З метою об'єднання оптимізаційних задач експлуатації суден та їх проектування у дисертаційної роботі використано представлення витрат C формулі (1) за допомогою співвідношень, прийнятих в оптимізаційних задачах експлуатації суден. У зв'язку з цим показник вартості судна на проміжку часу, рівному життєвому періоду судна, визначений за формулою, що відображає основні складові тайм-чартерного еквіваленту:

, (2)

де m_p кількість рейсів обслуговування, виконаних за час життєвого циклу СПБП; умовний тайм-чартерный еквівалент, в який входять всі витрати добового утримання судна: прямі E_пр та непрямі E_кос, за винятком змінних витрат в рейсі, а саме:



;

[P_ср] добовий прибуток судновласника до оподаткування надходжень від одного рейсу перевезення вантажу; E_ущб збиток від простою ПБУ через погану якість обслуговування СПБП.

Аналіз існуючих СПБП показав, що до складу оперативних задач судна постачання бурових платформ входять: навантаження на судно необхідних вантажів, перевезення їх на бурові платформи, розвантажування-завантажування на платформах, повернення в порт базування і виконання додаткових операцій судном в районі нафтопромислу, що забезпечують безпеку експлуатації промислу гасіння пожеж, ліквідація аварійних розливів нафти, порятунок людей і т.д.

Показником ефективності СПБП при цьому є імовірність успішного виконання основної сукупності функціональних операцій в районі обслуговування, які супроводжуються завантаженням-розвантаженням судна в порту базування, підходом СПБП до бурових платформ, здійсненням вантаження - розвантаження вантажів, що доставляються та підвозяться, та виконанням виникаючих додаткових обов'язків. Як сценарій використання СПБП вибирається умовний рейс, що включає основні функціональні операції судна.

Загальний показник ефективності - імовірність I_E = P(CY) виконання судном всієї сукупності основних функціональних операцій - визначається за допомогою результатів розв'язку окремих задач функціонування та формули повної імовірності:

,

,

.



, (3)

, , , ,

p₂₁, p₂₂ відповідно імовірності доставки вантажів; виконання додаткових обов'язків; транспортування вантажів на бурові платформи та повернення СПБП в порт базування; виконання вантажних операцій; гасіння пожеж; виконання операцій по ліквідації аварійних розливів нафти (ЛРН).

Задача визначення загального показника економічної ефективності С зводиться до находження закону розподілу цієї характеристики судна як функції початкових даних - вартостей складових судна та витрат на виконання його функціональних операцій, віднесених до категорії випадкових величин. У роботі для реалізації цього перетворення пропонується використовувати метод статистичного моделювання. Таким чином, при формулюванні та розв'язку задачі проектування СПБП перспективним є використання моделей функціонування судна, що будуються на основі застосування методів теорії марківських процесів, та методів перетворення характеристик випадкових величин. За допомогою застосування цих методів оптимізаційна задача проектування судна постачання зводиться до визначення екстремуму співвідношення його імовірнісних характеристик економічної та функціональної ефективності.

У третьому розділі будується модель функціонування СПБП та пропонується метод комплексної оцінки його функціональної ефективності P(CY). При визначенні P(CY) загальними початковими даними є характеристики: вантажопотоку в районі обслуговування, самого району обслуговування, погодних умов в районі обслуговування. До характеристик вантажопотоку відносяться: кількість та види вантажів, розміри, маси, партіонність та рівномірність перевезень. При цьому вантажі об'єднуються в такі групи: труби, штучно-тарні, сипучі та рідкі. До характеристик обслуговуваного району відносяться: розміщення ПБУ, тип експлуатації (розвідувальне буріння або промислове); види, частоти та рівні появи ситуацій, пов'язаних з додатковими обов'язками СПБП (пожежами на платформах, на судах; розливами нафти і т. д.).

Характеристики погодних умов в районі обслуговування задаються довгочасними режимними розподілами середніх швидкостей вітру та відповідними характерними висотами хвилювання h_3%. За допомогою розглянутих початкових даних формулюються та вирішуються наступні задачі функціонування:

1. Задача транспортування вантажів. Рух СПБП організовується послідовними переміщеннями між платформами. Процес переходу СПБП між буровими платформами та базою описується за допомогою системи рівнянь руху:

,, (4)

де X_k - технічні характеристики СПБП, v_k - швидкість руху; S_k - відстань між СПБП та платформою; Z_k - характеристики погодних умов на переходах району обслуговування; (v_k,t) - пульсаційна складова прискорення судна постачання, обумовлена хитавицею судна.

Процеси v_k(t) і S_k(t) представляються компонентами безперервного марківського випадкового процесу. Визначення щільності імовірності f_k(v_k,S_k,t) цих процесів та їх статистичних моментів виконується за допомогою відповідного кінетичного рівняння, яке розв'язується при визначених граничних та початкових умовах. Однак, при введенні спрощуючих припущень: відносній малості ділянок розгону та гальмування СПБП, лінеаризації опору руху судна, прямолінійності руху, русі судна на хвилюванні заданої інтенсивності з постійною середньою швидкістю, часу ясної погоди значно більшого часу рейсу та т.д., задача визначення характеристик переміщення СПБП між буровими платформами та базою суттєво спрощується. В цьому випадку перший статистичній момент часу, яке необхідне для переміщення судна постачання між буровими платформами та базою, визначається за формулою .

Круговий рейс СПБП представляє собою завершений цикл переміщення вантажів між портами та заданими платформами за певний час. Середня тривалість кругового рейса визначається підсумовуванням середнього часу завантаження та розвантаження в порту та на платформах, часу переходу судна між ними та часу на підготовки до нового рейсу. Ця величина обчислюється за формулами:

; (5)

; ;

; ,

де M кількість обслуговуваних бурових платформ; N=(M+1) - число елементарних ділянок шляху (між базою та буровими платформами); т - кількість типів вантажів, що перевозяться; t_в стоянковий час під вивантаженням вантажів; t_пр - стоянковий час під завантаженням вантажів; t_доп - додатковий час. Підставив значення і в (5) отримаємо наступне загальне розрахункове рівняння середнього часу кругового рейсу:

(6)

Імовірність успішного виконання рейсу без урахування аварій на переходах та на ПБУ обчислюється за формулою , де кількість рейсів за рік з урахуванням штормової погоди; N₂ кількість рейсів за рік без урахування штормової погоди; імовірність штормів, інтенсивність яких пошкоджує виконання вантажних операцій на платформах (визначається за допомогою довгочасного розподілу характеристик вітру та хвилювання в районі обслуговування судна); Т_эк річний експлуатаційний період, визначений з урахуванням часу знаходження судна в ремонтах.

2. Задача виконання вантажних операцій. Імовірність виконання вантажної операції обчислюється за формулою:

, (7)

де f(h) щільність імовірності висот хвиль 3%-й забезпеченості довгочасного розподілу характеристик хвилювання в районі обслуговування судна; максимальна інтенсивність режиму хвилювання, при якому допускається виконання вантажних операцій кранами.

3. Задача гасіння пожежі на аварійній платформі. Для допомоги в гасінні пожеж на ПБУ або на судах СПБП оснащуються потужними протипожежними засобами. При визначенні ефективності цих засобів досить розглянути співвідношення:

при гасінні пожеж розпорошеними струменями води ;

при пінотушінні ,

де F_wa і F_pea - випадкові величини "площ пожежі" (площ пожежі або еквівалентних, перерахованих на площу, об'ємів пожеж) при піно- та водогасінні на аварійних платформах; F_pe і F_w "площі" піно- і водогасіння, що покриваються протипожежними засобами СПБП.

Площа, що покривається засобами пінотушіння, визначається за формулою , де n_pe - кількість засобів (стовбурів) пінотушіння; q_pe - кількість піни, що вироблюється одним засобом пінотушіння; k - кратність піни; a - коефіцієнт, що враховує процентний вміст піноутворювача у водному розчині; - розрахунковий час пінотушіння; i_pe - інтенсивність подачі води. Для визначення площі водогасіння використовується вираз: , де n_w - кількість засобів (стовбурів) водогасіння; q_w - витрата води через пожежний стовбур; i_w - інтенсивність подачі води. Імовірність гасіння пожежі на буровій платформі протипожежними засобами СПБП визначається за формулою:

, (8)

де і - імовірність пожеж на бурових платформах, при яких застосовуються засоби піно- та водогасіння; і - щільність імовірності випадкових величин і .

4. Задача ліквідації аварійних розливів нафти. Задача збору розливів нафти формулюється аналогічно завданню гасіння пожеж. Існує аналогія між площею пожежі та площею плями розливу нафти, потужністю пожежних насосів та потужністю насосів по закачуванню всередину судна нафтоутримуючих вод, об'ємом відсіків для пінно-водного розчину та об'ємом цистерн на судні для прийому нафтоутримуючих вод. Максимальний об'єм цих цистерн визначає максимальній об'єм плям розливів нафти, що ліквідуються.

Задача часткової механічної ліквідації аварійних розливів нафти вирішується за типом задачі геометричної імовірності - безліч площ розливів нафти порівнюється з площею плями, яка може бути охоплена бонною огорожею:



, (9)

де S - площа плями розливу нафти; f(S) - щільність імовірності площ плям розливів нафти, яка визначається за статистичними даними по розливах нафти; S_max - площа плями розливу нафти, яке охоплюється бонною огорожею.

Четвертий розділ присвячений розробці математичної моделі морехідних і інженерних властивостей судна та розв'язанню задачі оптимізації основних елементів СПБП. Блок-схема розробленої математичної моделі морехідних та експлуатаційних якостей СПБП. Як незалежні змінні оптимізаційної задачі проектування СПБП прийняті наступні параметри: x₁ = L - довжина; x₂ = B - ширина; x₃ = H - висота борту; x₄ = T - осадка; x₅ = C_b - коефіцієнт загальної повноти; x₆ = v_k - швидкість ходу. Безліч цих змінних утворює вектор X = (x₁, x₂,…, x_n), на компоненти якого накладаються двосторонні обмеження, що отримані за статистичними даними сучасних існуючих СПБП. Область допустимих значень елементів судна визначається системою рівностей і нерівностей, що виражають вимоги до місткості корпусу, площі вантажної палуби, плавучості, безпеки експлуатації по початковій остійності, придатності до життя, остійності при великих кутах крену по параметрам діаграми статичної остійності, критерію погоді, та іншими. З врахуванням послідовності виконання функціональних операцій розроблена імітаційна модель СПБП, що дозволяє повністю враховувати імовірнісний характер експлуатаційних та економічних даних.

Розрахунок головних елементів судна при виборі початкової точки задачі оптимізації визначається за формулами:

; ;

; .



Задача визначення економічних показників СПБП розв'язується як задача перетворення законів розподілу цін на складові тайм-чартерного еквівалента, пальне та мастило, навігаційні витрати, портові стягнення и т. д. При формуванні тайм-чартерного еквіваленту враховуються прямі витрати судна за добу (витрати на проектування, амортизацію, ремонт та технічне обслуговування, утримання екіпажу, постачання, страхування, утилізацію) та непрямі витрати. Як метод визначення імовірнісних характеристик вартості СПБП використовується метод стохастичного моделювання (метод Монте-Карло). Апроксимація законів розподілу цін на початкові складові і підсумкову загальну вартість СПБП визначається за допомогою кривих розподілу Пірсона. Знаходження мінімального значення целевої функції min {П_Е} здійснюється за допомогою методу нелінійного програмування (методу Пауелла), при цьому основні обмеження задачі виконуються шляхом використання методу штрафних функцій. Загальна блок-схема алгоритмів розв'язку задачі складається з трьох блоків. Першим є блок початкових даних, в якому розміщуються параметри завдання на проектування, незалежні змінні, та основні обмеження. Другим є блок моделі СПБП, в якому вирішується система рівнянь проектування (плавучості, мас, місткості, ходовості, остійності, морехідності і т. д.), обчислюються головні розміри судна, параметри форми його корпусу та інші характеристики проекту. Розрахунки показника ефективності I_E, математичного очікування витрат С та інших імовірнісних характеристик витрат обчислюється за допомогою методу Монте-Карло. Вслід за цим розраховується критерій оптимальності . Третім блоком є блок оптимізації.

На основі створеної сукупності алгоритмів розв'язку оптимізаційної задачі визначення основних елементів СПБП розроблений прикладний програмний пакет "PlatformSupplyVessel", призначений для вибору основних елементів СПБП на початкових стадіях проектування. У п'ятому розділі приведені результати перевірки адекватності та чутливості розробленої моделі, а також достовірності результатів, що утримуються за допомогою розробленої на її основі методики визначення головних розмірів СПБП. У цьому розділі також приведений приклад рішення задачі визначення головних елементів СПБП за допомогою розробленої методики. Результати цих розрахунків головних елементів СПБП приведені у таблиці 1.

У додатках приведені алгоритм розрахунку потужності головного двигуна, розрахунок втрати швидкості на хвилюванні, аналіз алгоритмів пошуку оптимуму, результати розрахунків показників ефективності СПБП, акти про впровадження результатів роботи.

Таблиця 1. Результати розв'язку оптимізаційної задачі

Найменування	Розрахунок оптимального СПБП для району Cuu Long	Норвезьке СПБП проекту P106
Кількість обслуговуваних ПБУ	6
Довжина L, м	70,54	69,20
Ширина B, м	17,09	16,00
Висота борту H, м	6,87	7,50
Осадка Т, м	4,94	5,00
Коефіцієнт загальної повноти Cb	0,571
Дедвейт, т	2206	3503
Водотоннажність, т	3485
Площа вантажної палуби, м2	770	690
Палубний вантаж, т	1785	1600
Місткість цистерн, м3: - палива - прісної води - бурового розчину - сухих вантажів	473 475 542 253	854 480 794 253
Потужність головного двигуна Ne, кВт	1940	5703
Швидкість ходу (економічна), уз	12,8	12,0
Екіпаж	12	12
Імовірність транспортування Р11	0,83
Імовірність гасіння пожеж Р21	0,46
Імовірність виконання ЛРН Р22	0,38
Критерій оптимальності ПЕ	207



Висновки

1. Створено базу даних сучасних СПБП. За допомогою аналізу їх основних елементів та методу найменших квадратів отримані формули, що відображають залежності між головними елементами та основними техніко-експлуатаційними характеристиками суден постачання.

2. Виконано аналіз основних функціональних операцій судна постачання бурових платформ. Запропоновано метод комплексної оцінки його ефективності на основі обчислення імовірності виконання судном кожної з його основних функціональних операцій окремо та імовірності виконання всієї сукупності функціональних операцій судна.

3. Розроблено метод вирішення задач функціонування та визначення показників функціональної ефективності СПБП із застосуванням апарату теорії безперервних марківських процесів та імітаційного моделювання, що дозволило визначити ефективність виконання судном сукупності своїх основних функціональних операцій в районі обслуговування з урахуванням впливу випадковості чинників експлуатації.

4. Проведено аналіз структури загального потоку фінансових коштів від вантажовідправника до фрахтувальника та судновласника. При цьому показники економічної ефективності СПБП - імовірнісні характеристики вартості судна постачання та вартості його експлуатації - визначені на проміжку часу, рівному життєвому періоду судна, та отримані за формулами, що відображають основні складові тайм-чартерного еквіваленту.

5. В основу розробленої методики визначення основних елементів судна постачання нафтогазових промислів на початкових стадіях його проектування покладено рішення задачі пошуку екстремуму відносної вартості виконання судном постачання безлічі своїх основних функціональних операцій.

6. Розроблено математичну модель судна постачання, що відображає основні морехідні та експлуатаційні якості цього типу суден.

7. Розроблені алгоритм та програма розв'язання оптимізаційної задачі визначення основних елементів судна постачання, які утворили прикладний програмний пакет "PlatformSupplyVessel", призначений для вибору основних елементів та характеристик СПБП на початкових етапах його проектування.

8. Методика розв'язку оптимізаційної задачі випробувана на задачах проектування СПБП для районів Чорного моря (Україна) та для морських нафтогазоносних басейнів “Cuu Long” та “Nam Con Son” В'єтнаму.



Публікації по темі дисертації

1. Фам Суан Нгок. Задача исследовательского проектирования судов, обслуживающих морские нефтегазодобывающие платформы // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2007. - № 3. (414) - С. 17-25.

2. Фам Суан Нгок. Модель функционирования судна снабжения нефтегазовых буровых платформ // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2008. - № 2. (419) - С. 38-44.

3. Фам Суан Нгок. Решение оптимизационной задачи определения основных элементов судна снабжения нефтегазовых платформ // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2008. - № 3. (420) - С. 12-21.

4. Фам Суан Нгок. Определение главных элементов судна снабжения нефтепромыслов на начальных стадиях проектирования / Некрасов В.А., Фам Суан Нгок // Материалы междунар. науч.-техн. конф. "Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов" (БМС-2007). - Николаев: НУК, 2007. - С. 57-59.

Размещено на Allbest.ru

...