Проектирование арктических судов снабжения с учетом структуры грузопотока транспортной системы

Размещено на http://allbest.ru

ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

Проектирование арктических судов снабжения с учетом структуры грузопотока транспортной системы

А.А. Кондратенко, О.В. Таровик

Санкт-Петербург, Российская Федерация



Аннотация

Выполнено исследование влияния структуры грузопотока и распределения вместимости судна на эффективность флота снабжения в Арктике. Для этого разработаны детализированная проектная модель судна снабжения и алгоритм ситуационного планирования рейсов. В качестве расчетного примера рассмотрена система круглогодичного снабжения группы платформ в Карском море.

Обоснован вывод о необходимости учета структуры грузопотока как в процессе анализа работы самой системы, так и при проектировании отдельных судов снабжения.

Ключевые слова: суда снабжения, арктический флот, проектирование судов, планирование работы флота, структура грузопотока, оптимизация флота.



Введение

В настоящее время в мире накоплен значительный опыт проектирования и эксплуатации судов снабжения, а также планирования их работы в условиях чистой воды.

Однако перед отечественной нефтегазодобывающей отраслью стоит проблема освоения месторождений арктического региона со сложными ледовыми условиями.

Имеющийся отечественный опыт проектирования и эксплуатации судов снабжения в ледовых условиях Баренцева и Каспийского морей весьма ограничен, кроме того, ледовые условия этих регионов являются относительно легкими. Поэтому вопросы проектного анализа арктических судов снабжения и моделирования их эксплуатации требуют дальнейшего исследования. арктический снабжение море судно грузопоток

Одна из основных методических сложностей, возникающих при анализе систем снабжения, заключается в возможности судов одновременно перевозить разнотипные грузы.

При решении задач проектирования судна это ставит вопрос о наиболее рациональном распределении полезной вместимости корпуса по разным грузовым пространствам, а при планировании загрузки судов в рейсах, определении состава флота и моделировании его работы вынуждает учитывать множественность типов грузов. Очевидно, что структура грузопотока снабжения оказывает существенное влияние на результаты решения этих задач. Вместе с тем распределение грузопотока снабжения по типам грузов может варьироваться для различных месторождений. Приведем показательный пример, относящийся к технологии производства и транспортировки бурового раствора (табл. 1).



Таблица 1. Альтернативные технологии производства и транспортировки бурового раствора

Характеристика	Перевозка жидкого бурового раствора	Перевозка сухих компонентов для бурового раствора
Конфигурация снабжаемых платформ	Множество компактно расположенных платформ в регионе с одинаковыми условиями бурения	Отдельно расположенная платформа, снабжаемая индивидуально
Удаление от берега	70--100 миль	100--1000 миль
Место производства бурового раствора	Централизованное производство на береговом заводе	Производство на платформе из воды и сухих компонентов
Способ транспортировки бурового раствора	В жидком виде в танках судов снабжения	В контейнерах на палубе судна снабжения
Особенность грузопотока	Умеренное количество палубных грузов	Повышенное количество палубных грузов
Утилизация грузовых пространств существующих судов снабжения	Нормальная	Неэффективная

Типичная для мировой практики система снабжения обеспечивает работу множества платформ (5--15 единиц), расположенных компактно и находящихся на небольшом удалении от берега. Условия бурения и добычи в пределах такого региона практически идентичны, а суда работают на коротком плече, совершая круговой рейс за несколько дней.

Это позволяет производить буровой раствор централизованно на береговом заводе и затем доставлять его на платформы судами снабжения в специализированных подпалубных танках. Такая логистическая схема обусловлена тем, что береговое производство дешевле морского, а короткое плечо перевозок и стабильное время рейса по чистой воде гарантируют сохранение свойств бурового раствора до момента его доставки на платформу без применения специальных мер.

Однако для большинства удаленных месторождения российской Арктики характерны существенные отклонения от описанной типовой схемы. Значительные расстояния между морскими нефтегазовыми объектами и различные геологические условия районов добычи, большие дистанции до базы снабжения и возможность увеличения длительности рейса из-за ледовых условий -- все это приводит к тому, что буровой раствор рациональнее производить на платформе. В этом случае сухие компоненты для производства бурового раствора упаковываются на базе снабжения в контейнеры, которые доставляются судами на платформу. Это вызывает значительный рост количества грузов, перевозимых на палубе, и влияет на утилизацию грузовых пространств судна и эффективность флота в целом.

В настоящей статье описан подход к проектированию арктической системы снабжения с учетом не только ледовых условий, но и структуры грузопотока, а также приведен расчетный пример вариантной оптимизации состава флота. В качестве варьируемых факторов помимо структуры грузопотока рассматриваются: распределение полезного пространства судна по типам грузов, класс ледовых усилений, дедвейт и тип судна (PSV -- снабженец или AHTS -- буксир завозчик якорей). Актуальность рассмотрения типа судна как варьируемого параметра заключается в том, что для выполнения функций судов снабжения в отечественной и мировой практике зачастую используются завозчики якорей, что обусловлено условиями фрахтового рынка. При этом с технической точки зрения завозчики якорей, как и любое универсальное средство, уступают по транспортной эффективности специализированным снабженцам. В условиях чистой воды преимущества PSV проявляются наиболее очевидно: мощность двигателя AHTS, выбираемая из условия буксировки якорей, может в несколько раз превышать мощность PSV с таким же водоизмещением, негативно отражаясь на полезной вместимости.



Описание подхода к проектированию и анализу систем снабжения

Анализ исследований в области проектирования судов снабжения и моделирования их работы представлен в [1], где сделан вывод, что в настоящее время отсутствуют подходы, позволяющие анализировать влияние структуры грузопотока снабжения и распределения вместимости судна на эффективность работы флота.

Для выполнения такого анализа в рамках данного исследования была создана специальная модель, объединяющая элементы из различных областей -- детализированную параметрическую модель судна и алгоритм ситуационного логистического планирования. Это позволило исследовать как судостроительные, так и логистические аспекты работы системы снабжения, что необходимо для корректного учета влияния структуры грузопотока.

Рис. 1. Схема вычислительного процесса при проектировании системы снабжения

Fig. 1. General flow-chart of the calculation process of supply system design

На рис. 1 показаны основные этапы вычислений предлагаемого подхода. Входными параметрами являются:

• динамика потребления грузов на платформе;

• оптимизируемые характеристики судов снабжения;

• вместимости платформы по типам грузов;

• дистанция от базы снабжения до платформы;

• параметры ледовых условий на маршруте движения;

• динамика длительности операций судов снабжения в порту и у платформы в течение года. Описание грузопотока производится с учетом динамики его изменения по каждому типу груза в течение всего моделируемого периода работы системы. Для описания площадных грузов был принят подход на основе условного контейнера [2], масса, площадь и объем которого являются усредненными величинами, которые отображают соотношение типов реально используемой тары и структуру грузопотока (трубы в связках, шламовые, рефрижератор- ные и офшорные контейнеры, контейнеры для твердых бытовых отходов и др.). Также были выделены четыре обобщенных типа массовых грузов: порошковые грузы, буровой раствор, топливо и вода. Для перевозки каждого из них используется только одна определенная группа грузовых пространств судна. В настоящей работе для определения состава флота используется грузопоток в направлении «на платформу», поскольку обратный грузопоток всегда оказывается меньше и обеспечивается автоматически.

В качестве оптимизируемых параметров выступают основные характеристики судна, которые являются входными данными при генерации информационных моделей альтернативных вариантов судов. Флот снабжения полагается состоящим из судов одного проекта. Объект обслуживания описывается через его грузовые пространства, характеризуемые вместимостями и площадями для размещения грузов различных типов. В рамках настоящей работы рассматривается снабжение одной платформы, поскольку это наиболее характерно для российской Арктики и позволяет упростить модель. Маршрут до платформы характеризуется только дистанцией и ледовыми условиями, так как влиянием ветра и волнения на средние скорости движения в Арктике можно пренебречь. Особенности ветро-волновых условий в районе платформы, а также ограничения ее доступности по погоде учтены косвенно путем задания динамики изменения длительности операций судна в порту и у объекта обслуживания в течение года.

Вторым этапом вычислительной схемы на рис. 1 является создание информационных моделей для всех вариантов рассматриваемых судов снабжения на основе заданных значений основных характеристик. Для этого используется специализированная расчетная модель судна, имеющая высокую степень детализации и учитывающая все важные качества судна как сложной технической системы. Создание модели судна с высокой детализацией обусловлено необходимостью учета большого количества факторов при оценке влияния основных характеристик судна на его интегральные проектные показатели (вместимости, площадь грузовой палубы, расходы топлива, грузоподъемность), которые определяют эффективность работы судна в составе транспортной системы. Использование непрерывной расчетной модели позволяет построить ряд судов в широком диапазоне изменения их основных характеристик для дальнейшего анализа.

Полученные информационные модели передаются на третий этап вычислительной схемы, на котором для каждого рассматриваемого типоразмера определяется потребное количество судов. Для решения этой задачи был разработан оригинальный эвристический алгоритм планирования работы флота и формирования расписаний рейсов судов снабжения. Необходимость создания собственного алгоритма обусловлена тем, что существующие подходы к планированию учитывают только палубные грузы, кроме того, они базируются на допущении о регулярной работе флота согласно недельному расписанию [1]. Это ограничивает их применение в случае необходимости учета структуры грузопотока и неравномерности длительности рейса в течение года.

На завершающем этапе вычислительной схемы для каждой конфигурации флота выполняется оценка экономической эффективности, что позволяет выбрать компоновку флота с наилучшими показателями.



Проектная модель для определения характеристик судов снабжения

Перед разработкой расчетной модели была собрана и проанализирована база данных, содержащая более 100 параметров для 115 оригинальных (только одно судно из серии) современных (постройки 1997--2017 гг.) проектов PSV и AHTS. Эти данные послужили основой для формирования проектной модели судна.

Перечень входных параметров модели и диапазоны их варьирования представлены в табл. 2.

Таблица 2. Перечень входных параметров расчетной модели судна

№	Параметр	Символ	min	max
1	Тип судна	PSV/AHTS
2	Длина между перпендикулярами, м	L рр	50	100
3	Ширина на миделе, м	B	13	25
4	Осадка в грузу, м	D	4	9
5	Высота борта на миделе, м	D	5	13,5
5	Скорость на чистой воде, уз	V S	8	0,35-- 0,5144
7	Класс ледовых усилений	C	--	Arc8
8	Ледопроходимость, м		0	2,5
9	Коэффициент общей полноты	Cb	0,58	0,78
10	Распределение полезной вместимости по типам груза
11	Наличие вертолетной площадки

Расчетная модель позволяет определять характеристики как PSV, так и AHTS. Минимальные и максимальные значения главных размерений (L_pp, B, d, D) приняты на основании характеристик существующего флота. Максимальное значение проектной скорости хода на чистой воде V_S соответствует числу Фруда Fn = 0,35.



Рис. 2. Схема расчетной модели судна снабжения Fig. 2. Flow-chart of the PSV calculation model

Классы ледовых усилений C задаются согласно Правилам Российского морского регистра судоходства (РС); для каждого класса предусмотрен характерный диапазон допустимых значений ледопроходимости.

Рис. 3. Примеры теоретических чертежей судов-прототипов с низким (слева) и высоким (справа) ледовым классом Fig. 3. Examples of lines drawings of prototype ships with low (on the left) and high (on the right) ice class



Первым шагом после анализа корректности ввода данных является проверка выполнения требований к высоте надводного борта по Правилам о грузовой марке. Генерация теоретического чертежа производится интерполяционным методом путем перестроения обводов судов-прототипов. На рис. 3 представлены примеры теоретических чертежей судов-прототипов.

После генерации теоретического чертежа для судов с высоким ледовым классом выполняется проверка соответствия геометрии корпуса рекомендациям Правил РС, причем полагается, что не прошедшие такую проверку суда далее не рассматриваются. Затем путем численного интегрирования таблицы ординат производится расчет гидростатических кривых, площадей шпангоутов, ватерлиний и смоченной поверхности, а также объемов и площадей внутри корпуса, которые необходимы для последующих вычислений.

Далее производится оценка основных характеристик движительно-рулевого комплекса (ДРК) и подруливающих устройств (ПУ). Все существующие суда обеспечения имеют два винта, что и принимается в модели по умолчанию, однако при необходимости обеспечения высокой ледопроходимости применяется трехвинтовая схема.

Таблица 3. Регрессионные коэффициенты в зависимостях (4)

Коэффициент	Значения коэффициента a..	Диапазон чисел Фруда
	a- г3	a2	ап	ao
k1	0	-222,7	100,6	-4,800	0,10 < Fn < 0,20
	0	-113,5	37,21	5,500	0,20 < Fn < 0,35
k2	-12,06	-0,756	1,162	0,226	0,10 < Fn < 0,35
k3	37,15	35,04	-15,16	-1,081
k4	-0,006	-97,95	34,38	2,133
k5	0	0	-0,705	-0,063	0,10 < Fn < 0,15
	0	0,282	1,859	-0,454	0,15 < Fn < 0,25
	0	-0,222	0,200	-0,008	0,25 < Fn < 0,35
k6	0	0	10,88	0,976	0,10 < Fn < 0,15
	0	1,130	-29,45	7,000	0,15 < Fn < 0,25
	0	7,539	-5,575	0,630	0,25 < Fn < 0,35
k7	0	0	-56,52	-5,184	0,10 < Fn < 0,15
	0	-22,05	150,1	-35,68	0,15 <Fn < 0,25
	0	-51,92	37,11	-5,567	0,25 < Fn < 0,35
k8	0	0	98,09	10,28	0,10 < Fn < 0,15
	--	52,54	-249,1	61,17	0,15 < Fn < 0,25
	--	99,23	-71,19	13,77	0,25 < Fn < 0,35

Рис. 4. Типовая схема общего расположения судна снабжения, принятая в модели Fig. 4. Typical general arrangement of PSV taken in the model

Последним этапом расчета является проверка остойчивости с учетом посадки судна при наиболее опасном состоянии загрузки, которое возникает при размещении на верхней палубе груза с максимально возможной массой.

Посадка судна обеспечивается приемом балласта в минимально необходимом количестве до выполнения ограничений по отсутствию дифферента и обеспечению метацентрической высоты h > 0,115.

Для этого в модели реализован итеративный алгоритм, осуществляющий последовательное наполнение различных балластных цистерн.

Все они разделены на три группы: носовую, центральную и кормовую, а их вместимости определены на основе статистических данных и составляют 33%, 15% и 52% общего объема балластных танков соответственно.

В расчетах учитывается изменение центра тяжести балластной воды при изменении уровня наполнения цистерн.

Таблица 4. Зависимости для определения координат центра тяжести составляющих нагрузки масс судна порожнем

Для подтверждения достоверности разработанных алгоритмов и соответствия модели проектной практике была выполнена ее верификация на основе 10 построенных судов, имеющих различные размерения, тип, ледовый класс и ледопроходимость.

Для верификации были выбраны три параметра, которые оказывают наибольшее влияние на эффективность судна (полезная площадь палубы, полезный объем для размещения грузов WC и дедвейт судна DW) и являются результатом сложного взаимовлияния множества подсистем судна.

Результаты верификации приведены на рис. 5 и демонстрируют соответствие модели реальной проектной практике для всего ряда рассматриваемых судов.

Рис. 5. Сопоставление расчетных и фактических значений параметров судов снабжения Fig. 5. Comparison of calculated PSV parameters and full-scale values

Наибольшее соответствие наблюдается по дедвейту судна, для которого погрешность в большинстве случаев не превышает 4--5%, что говорит о достоверности алгоритмов расчета составляющих нагрузки судна порожнем. Для площади S_D и объема WC среднее отклонение составляет около 5,5%.

Алгоритм ситуационного планирования рейсов судов снабжения

Основная идея ситуационного алгоритма планирования рейсов заключается в последовательном удовлетворении критических потребностей платформы в грузах различного типа. Алгоритм осуществляет планирование на основании заданного грузопотока и для каждого шага планирования выбирает наилучшее судно-исполнитель.

В результате работы алгоритма ситуационного планирования для каждого варианта конфигурации флота формируется подробный перечень операций судов (перемещение, операции на платформе и в порту).

Основные принципы функционирования алгоритма подробно описаны в [2; 14] и кратко представлены на рис. 6.

Рис. 6. Основные особенности и атрибуты алгоритма планирования

Fig. 6. Key features and attributes of the planning algorithm

Пример исследования системы снабжения, работающей в ледовых условиях

В качестве примера рассмотрена задача обслуживания группы платформ в Карском море. Снабжение осуществляется с береговой базы на плавучее хранилище, расположенное на расстоянии 300 морских миль от берега. Суммарный годовой грузопоток -- 160 000 т. Объемы и площади для хранения различных грузов на плавучем хранилище приняты из расчета размещения снабжения на 10 суток при средней интенсивности доставки грузов снабжения. В рамках расчетного примера производится вариантный анализ влияния на эффективность транспортной системы следующих факторов: структуры грузопотока, дедвейта, ледового класса и ледопроходимости, типа судна (PSV/AHTS) и распределения полезной вместимости судна по типам грузов.

Рассмотрены два варианта грузопотока (табл. 5), различающиеся по структуре. В первом случае (СТР-1) буровой раствор транспортируется с берега в специализированных цистернах судна, во втором случае (СТР-2) производство раствора производится на платформе, а компоненты перевозятся в контейнерах.

Таблица 5. Варианты структуры грузопотока

Тип груза и размерность грузопотока	Плотность, площадь или масса	Грузопоток
		СТР-1	СТР-2
Порошковые грузы, м3	2,0 т/м3	3 616	3 616
Буровой раствор, м3	2,5 т/м3	10 265	0
Топливо, м3	0,85 т/м3	17 390	17 390
Вода, м3	1,0 т/м3	83 320	90 550
Условный контейнер, шт.	7,3 м2, 3,38 т	8 580	14 040

Рис. 7. Параметры ледовых условий расчетного примера

Fig. 7. Parameters of ice conditions in a case study

Расчетные значения параметров ледовой обстановки в рассматриваемом регионе для всех месяцев года представлены на рис. 7 и приблизительно соответствуют средней степени тяжести ледовых условий.

Характеристики альтернативных вариантов судов снабжения приведены в табл. 6 и включают суда класса Arc7 и Arc8 с двумя вариантами ледопроходимости в широком диапазоне варьирования дедвейта.

Таблица 6. Характеристики рассматриваемых вариантов формирования флота

№	C	h , пр м	Главные размерения, м	Мощность ЭУ, МВт	Дедвейт, т	Площадь палубы, м2	Грузо- подъем- ность, т
			L рр	B	D	d	Cb	PSV	AHTS	PSV	AHTS	PSV	AHTS	PSV	AHTS
1	Arc7	2	73,3	18,0	11,2	8,3	0,59	29,4	30,1	1670	1540	590	470	970	825
2			78,0	17,82	10,0	8,25	0,6	27,4	28,1	2280	2160	622	500	1630	1485
3			79,5	20,95	11,0	8,5	0,6	30,9	31,6	2780	2680	900	830	2000	1855
4			88,0	21,0	11,2	8,29	0,59	30,3	31,0	2800	2700	1070	990	2005	1860
5			95,0	19,5	10,3	8,05	0,6	28,0	28,7	3080	2980	1100	1020	2340	2195
6			95,0	21,0	11,0	8,4	0,6	29,7	30,4	3470	3360	1170	1080	2660	2515
7			94,0	23,8	11,2	8,5	0,59	32,4	33,1	3830	3720	1410	1310	2930	2785
8			100,0	23,0	11,2	8,43	0,6	31,7	32,5	4050	3940	1450	1350	3145	2995
9			88,8	21,0	11,2	9,0	0,64	31,4	32,2	4240	4140	1470	1360	3410	3260
10			97,0	23,0	11,0	8,7	0,62	32,1	32,9	4630	4520	1510	1400	3740	3590
11			100,0	25,0	11,0	8,7	0,62	34,2	35,0	5280	5170	1600	1490	4310	4160
12	Arc8	2,5	88,0	21,0	11,2	8,29	0,59	44,5	45,2	1960	1860	1070	990	920	770
13			95,0	19,5	10,3	8,05	0,6	41,9	42,6	2250	2150	1100	1020	1270	1125
14			95,0	21,0	11,0	8,4	0,6	44,5	45,2	2550	2450	1170	1080	1500	1350
15			94,0	23,8	11,2	8,5	0,59	47,4	48,1	2850	2750	1410	1310	1710	1560
16			100,0	23,0	11,2	8,43	0,6	46,6	47,3	3050	2940	1450	1350	1900	1750
17			100,0	23,4	11,2	8,7	0,61	47,5	48,2	3610	3500	1490	1380	2440	2290
18			100,0	24,5	11,0	8,7	0,62	49,6	50,4	4070	3960	1570	1455	2870	2720

Суда Arc7 характеризуются большим диапазоном изменения дедвейта, чем суда Arc8, поскольку последние ограничены допустимыми пределами значений главных размерений.

Параметры среднестатистического распределения вместимости судна по типам грузов приведены в табл. 7, где также указаны варианты распределения, адаптированного под грузопотоки СТР-1 и СТР-2.

Таблица 7. Распределение вместимости судна по типам груза для различных случаев

Тип грузового пространства	Доля полезной вместимости судна
	по статистике	для СТР-1	для СТР-2
Порошковые грузы (Свс)	0,05	0,023	0,024
Буровой раствор (CMB)	0,20	0,066	0,000
Топливо как груз + судовое топливо (CFO)	0,22 + 0,02 = 0,240	0,350	0,350
Буровая/балластная вода (CDW)	0,350	0,536	0,601
Пресная вода (C)	0,135
Другие негрузовые пространства (Caux)	0,025	0,025	0,025

Адаптация распределений вместимости судна выполнена прямо пропорционально объемной доле грузов каждого типа в расчетном грузопотоке. Единственным исключением является топливо, объем которого принят исходя из условий арктической эксплуатации равным 35% от WC.

На рис. 8 приведен пример расчета необходимого числа судов снабжения типа PSV и суммарных затрат при периоде эксплуатации 10 лет и среднестатистических вместимостях грузовых пространств судна. Как видно, исходя из заданного типоразмерного ряда, для обеспечения перевозок требуется не менее двух судов.

Далее для удобства приводятся не точечные значения показателей критерия эффективности, а усредненная кривая.



Рис. 8. Показатели эффективности системы снабжения. Грузопоток СТР-1. Период эксплуатации - 10 лет. Суда типа PSV, ледовый класс Arc7, среднестатистические вместимости грузовых пространств

Fig. 8. Feasibility characteristics of the supply system. Cargo-flow STR-1. Operation period - 10 years. Vessel type - PSV, ice class Arc 7, average distribution of capacity per cargo types

Результаты комплексного анализа эффективности различных конфигураций флота приведены на рис. 9.

На рис. 9а--9г показаны суда со среднестатистическим распределением полезной вместимости по типам груза, на рис. 9д и 9е -- с адаптированным под грузопотоки СТР-1 и СТР-2 соответственно.

На рис. 9а приведены результаты расчетов для систем снабжения на основе судов типа PSV при грузопотоке СТР-1 и сроке эксплуатации 10 лет. Наилучшими экономическими показателями в данном случае обладают суда ледового класса Arc7 с дедвейтом в диапазоне 3200--4000 т. Увеличенная ледопроходимость судов класса Arc8 и соответствующее увеличение скорости хода во льдах не компенсируют негативного влияния уменьшенной полезной вместимости и высокой стоимости судов этого класса.

При переходе ко второй структуре грузопотока (см. рис. 9б), где доля контейнеров выше, ситуация существенно меняется. Эффективность судов класса Arc7 заметно падает, поскольку в случае грузопотока СТР-2 большие вместимости корпуса становятся бесполезными, а суда класса Arc8, напротив, практически не изменяют своих показателей и на некотором диапазоне дедвейтов (2500--3500 т) начинают превосходить суда класса Arc7, что наблюдается также и для других расчетных случаев. Однако наилучшие показатели эффективности наблюдаются для судов класса Arc7 при дедвейте 4500--5000 т.

Рис. 9. Значения критерия эффективности для различных конфигураций флота Fig. 9. Values of the efficiency criterion for various fleet configurations

Важным эффектом является слабая чувствительность судов класса Arc8 к изменениям структуры грузопотока. Это обусловлено тем, что из-за высоких расходов топлива и ограниченной вместимости топливных танков судов класса Arc8 (24% от WC) определяющим типом груза в этом случае становится топливо. В результате снижается чувствительность к другим составляющим грузопотока и его структуре в целом. Ситуация, при которой один тип груза определяет необходимое число рейсов и показатели

эффективности всей системы, достаточно характерна. Традиционно роль такого груза выполняет площадной груз. Основная же идея настоящей работы заключается в балансировании степени влияния грузов разного типа и повышении за счет этого транспортной эффективности системы в целом.

Одновременно данный расчетный пример подтверждает необходимость учета структуры грузопотока при проектировании флота снабжения, поскольку если бы в случае с судами Arc8 был применен традиционный подход и в качестве определяющего типа груза был принят площадной, результаты были бы ошибочными.

На рис. 9в и 9г приведено сопоставление затрат для четырех различных вариантов формирования флота и двух вариантов грузопотока (СТР-1 и СТР-2) за 20 лет.

В рассмотрение включены суда типов PSV и AHTS ледовых классов Arc7 и Arc8. Для судов класса Arc7 при грузопотоке СТР-1 (рис. 9в) использование AHTS вместо PSV с аналогичным дедвейтом приводит к росту затрат приблизительно на 5%. Для судов с малым дедвейтом (до 3000 т) класса Arc8 затраты AHTS существенно превышают аналогичные показатели PSV, что связано с недостатком вместимости AHTS. Наилучшие результаты показывают конфигурации судов PSV класса Arc7 с дедвейтом 3500--5000 т.

На рис. 9г представлено аналогичное сопоставление, отлична лишь структура грузопотока (СТР-2). Как видно, для судов класса Arc7 увеличение доли генеральных грузов в структуре грузопотока приводит к снижению эффективности судов AHTS на всем диапазоне значений: разница в затратах по сравнению с судами PSV достигает 15%. Показатели судов типа PSV и AHTS, имеющих класс Arc8, практически не изменяются при варьировании структуры грузопотока, как это наблюдалось и в прошлом расчетном случае. Наилучшие показатели имеют конфигурации флота PSV Arc7 с дедвейтом 4000--5000 т.

На рис. 9д и 9е приведено сравнение конфигураций флота судов PSV классов Arc7 и Arc8, имеющих среднестатистическое и адаптированное под соответствующие грузопотоки распределение полезной вместимости (см. табл. 7). Суда класса Arc7 оказались нечувствительными к изменению соотношения вместимостей их грузовых пространств при всех вариантах грузопотока. Это обусловлено тем, что определяющим типом груза для них является площадной, а объемы корпуса судна достаточны для перевозки всех прочих грузов.

Напротив, для судов класса Arc8 с малым дедвейтом (до 3000 т) характерен недостаток вместимости корпуса, поэтому в данном случае предложенные изменения конфигурации грузовых пространств позволяют уменьшить затраты более чем на 10% как для грузопотока СТР-1, так и для грузопотока СТР-2.



Заключение

Структура грузопотока может оказывать существенное влияние на эффективность системы снабжения, поэтому ее необходимо учитывать как в процессе анализа работы самой системы, так и при проектировании отдельных судов. Если определяющим типом груза является площадной, то наилучшим способом повышения эффективности системы является минимизация доли контейнерных грузов в структуре грузопотока.

Однако при нетипичной структуре грузопотока или при недостатке вместимости корпуса судна за счет высокого ледового класса в роли определяющего груза могут выступать и другие составляющие грузопотока, например топливо. В этом случае оптимизация грузовых пространств судна под заданную структуру грузопотока будет иметь наибольший эффект.

В качестве отдельного вывода можно отметить, что с технической точки зрения использование судов типа AHTS вместо специализированных PSV приводит к снижению эффективности системы снабжения на 5--15% за счет меньших значений площади палубы, вместимости и грузоподъемности судна.



Литература

1. Kondratenko A. A., Tarovik O. V. Cargo flow oriented designof supply vesseloperating in ice conditions //Proc. of OMAE-2017. -- 2018. -- OMAE2018-77802. -- 10 p.

2. Таровик О. В., Топаж А. Г., Крестьянцев А. Б. и др. Комплексная имитационная модель морской транспортно-технологической системы платформы «Приразломная» // Арктика: экология и экономика. -- 2017. -- № 3 (27). -- С. 86--103.

3. Гайкович А. И. Теория проектирования водоиз- мещающих кораблей и судов: В 2 т. -- Т. 1: Описание системы «Корабль». -- СПб.: НИЦ МОРИНТЕХ, 2014-- 819 с.

4. Holtrop J., Mennen G. G. J. An Approximate Power Prediction Method // Intern. Shipbuilding Progress. -- 1982. -- Vol. 29 (335). -- P. 166--170.

5. Каштелян В. И., Рывлин А. Я., Фаддеев О. В., Ягод- кин В. Я. Ледоколы. -- Л.: Судостроение, 1972. -- 280 с.

6. Войткунский Я. И. и др. Справочник по теории корабля: В 3 т. -- Т. 1. -- Л.: Судостроение, 1985. -- 768 с.

7. Капранцев С. В., Полтавец П. А., Фролова И. Г. Разработка серии гребных винтов фиксированного шага для судов ледового класса // Тр. центр. на- уч.-исслед. ин-та им. академика А. Н. Крылова. -- 2012. -- № 69 (353). -- С. 16--22.

8. Гайкович А. И. Теория проектирования водоиз- мещающих кораблей и судов: В 2 т. -- Т. 2: Анализ и синтез системы «Корабль». -- СПб.: НИЦ МОРИН- ТЕХ, 2014. -- 872 с.

9. Lindqvist G. A straightforward method for calculation of ice resistance of ships // Proc. of the 10th POAC. -- Lulea, Sweden, 1989. -- P. 722--735.

10. Сазонов К. Е. Теоретические основы плавания судов во льдах. -- СПб.: ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2010. -- 274 с.

11. Zahalka P. Bollard Pull. -- Hamburg: Association of Hanseatic Marine Underwriters, 2010. -- 10 p.

12. Мацкевич В. А., Мацкевич А. В. Практическое проектирование транспортных судов: В 2 ч. -- Ч. 1. --М.: Недра, 2015. -- 194 с.

13. Таровик О. В. Методика определения масс конструкций ледовых усилений транспортных судов на ранних стадиях проектирования: Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Крылов. гос. науч. центр. -- СПб., 2015-- 22 с.

14. Кондратенко А. А. Планирование работы флота на континентальном шельфе // Мор. интеллект. технологии. -- 2017. -- Т. 1, № 1 (35). -- С. 29--38.



Abstract

Arctic supply vessel design taking into account the cargo flow structure of the transport system

Kondratenko A. A., Tarovik O. V. Krylov State Research Centre (St. Petersburg, Russian Federation)

Recent developments in the area of Arctic oil and gas fields' exploration put into the agenda the problem of supply fleet sizing and composition.

The state of the art contains many studies that are generally focused on the impact of ice conditions on the design of platform supply vessels (PSV).

However, the structure of cargo flow affects the supply system significantly, since it defines the level of utilization of vessel capacities and determines transport efficiency.

This is especially relevant in the case of Arctic supply systems because of non-typical technology for the production and logistics of brine/mud cargoes.

This paper describes an approach to optimize the supply fleet configuration using the criterion of total costs and considering both the non-stationary ice conditions and the structure of cargo flows.

The proposed design concept incorporates the detailed calculation model of PSVs and the special tactical planning algorithm. The latter generates the voyage plan and estimates the size of supply fleet considering the structure of cargo flow. As the test example, we examined the task of servicing the group of platforms in the Kara Sea.

We performed the analysis of impact of various factors on fleet efficiency. The considered factors are the structure of cargo flow, ice class and deadweight, type of vessel (PSV or AHTS) and distribution of vessel capacity by cargo types.

The case study showed that cargo flow structure highly influence the efficiency of supply fleet, while a widespread “deck-cargo” approach is unable to consider the true nature of the process.

Therefore, this factor should be taken into account when solving fleet sizing and composition tasks, as well as PSV design problems.

Keywords: supply vessels, Arctic fleet, ship design, planning of fleet operation, scheduling, structure of cargo flow, sizing of supply fleet.



References

1. Kondratenko A. A., Tarovik O. V. Cargo flow oriented design of supply vessel operating in ice conditions. Proc. of OMAE-2017, 2018, OMAE2018-77802, 10 p.

2. Tarovik O. V., Topazh A. G., Krest'yantsev A. B. et al. Kompleksnaya imitatsionnaya model' morskoi trans- portno-tekhnologicheskoi sistemy platformy “Prira- zlomnaya”. [Comprehensive Simulation Model of Marine Transport and Support System for “Prirazlomnaya” Platform]. Arktika: ekologiya i ekonomika, 2017, no. 3 (27), pp. 86--103. (In Russian).

3. Gaikovich A. I. Teoriya proektirovaniya vodoizmesh- chayushchikh korablei i sudov. V 2 t. Vol. 1. Opisanie sistemy “Korabl'”. [Design theory for water displacing ships and vessels. Vol. 1. “Ship” System Description]. St. Petersburg, NITs MORINTEKh, 2014, 819 p. (In Russian).

4. Holtrop J., Mennen G. G. J. An Approximate Power Prediction Method. Intern. Shipbuilding Progress, 1982, vol. 29 (335), pp. 166--170.

5. Kashtelyan V. I., Ryvlin A. Ya., Faddeev O. V., Yagodkin V. Ya. Ledokoly. [Icebreakers]. Leningrad, Sudostroenie, 1972, 280 p. (In Russian).

6. Voitkunskii Ya. I. et al. Spravochnik po teorii korablya. V 3 t. T. 1. [Ship Theory Handbook. Vol. 1]. Leningrad, Sudostroenie, 1985, 768 p. (In Russian).

7. Kaprantsev S. V., Poltavets P. A., Frolova I. G. Raz- rabotka serii grebnykh vintov fiksirovannogo shaga dlya sudov ledovogo klassa. [Development of the fixed pitch propeller series for ice class vessels]. Tr. tsentr. nauch.-issled. in-ta im. akademika A. N. Krylova, 2012, no. 69 (353), pp. 16--22. (In Russian).

8. Gaikovich A. I. Teoriya proektirovaniya vodoizmesh- chayushchikh korablei i sudov. V 2 t. T. 2. Analiz i sintez sistemy “Korabl'”. [Design theory for water displacing ships and vessels. Vol. 1. “Ship” System Analysis and Synthesis]. St. Petersburg, NITs MORINTEKh, 2014, 872 p. (In Russian).

9. Lindqvist G. A straightforward method for calculation of ice resistance of ships. Proc. of the 10th POAC. Lulea, Sweden, 1989, pp. 722--735.

10. Sazonov K. E. Teoreticheskie osnovy plavaniya su- dov vo l'dakh. [Theoretical bases of navigation in ice]. St. Petersburg, TsNII im. akad. A. N. Krylova, 2010, 274 p. (In Russian).

11. Zahalka P. Bollard Pull. Hamburg, Association of Hanseatic Marine Underwriters, 2010, 10 p.

12. Matskevich V. A., Matskevich A. V. Prakticheskoe pro- ektirovanie transportnykh sudov. V 2 ch. Ch. 1. [Practical design of transport ships. Pt. 1]. Moscow, Nedra, 2015, 194 p. (In Russian).

13. Tarovik O. V. Metodika opredeleniya mass kon- struktsii ledovykh usilenii transportnykh sudov na ran- nikh stadiyakh proektirovaniya. [Methods for determination of the mass of ice transport vessel structures in the early stages of the project design]. Avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. Krylov. gos. nauch. tsentr. St. Petersburg, 2015, 22 p. (In Russian).

14. Kondratenko A. A. Planirovanie raboty flota na kontinental'nom shel'fe. [Planning of offshore fleet operation]. Mor. intellekt. tekhnologii, 2017, vol. 1, no. 1 (35), pp. 29--38. (In Russian).

Размещено на Allbest.ru

...