THE ESTIMATION OF MASS OF LNG CARRIERS AT THE INITIAL STAGES OF DESIGN
Authors:
1.
Admiral Makarov National University of Shipbuilding
Type:
Article
Pages:
from 16
to 22
Status:
Published
Received:
20.11.2015
Accepted:
25.11.2015
Published:
25.11.2015
Subject area:
UDK 629.5.01
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
LNG carrier, similar protypes, statistical data, components of the mass load, coordinates of center of gravity
Abstract (English):
Significant differences between the design of the hull and the main characteristics of LNG carriers with spherical tanks of the type Moss and the hull structure and the main characteristics of LNG carriers with membrane tanks of the type GTT dictate the necessity to examine these two types of LNG carriers separately. On the basis of reconsideration of the data of the close prototypes and processing of statistical data, the formulas for determining the components of the load mass and the coordinates of the centers of gravity of LNG carriers with two types of tanks are obtained. To calculate the mass of the metal hull and the equipment, the cubic unit of LBH vessel and the cubic module of the carrier in 2/3 (LBH)2/3 are used. While determining the weight of the power plant, three types of power plants such as steam-turbine plant, low-speed diesel and dual-fuel (tri-) diesel-electric propulsion system are considered. Longitudinal center of gravity are measured from the midsection (positive value at the location of the nose), while vertical center of gravity - from the main plane.
Significant differences between the design of the hull and the main characteristics of LNG carriers with spherical tanks of the type Moss and the hull structure and the main characteristics of LNG carriers with membrane tanks of the type GTT dictate the necessity to examine these two types of LNG carriers separately. On the basis of reconsideration of the data of the close prototypes and processing of statistical data, the formulas for determining the components of the load mass and the coordinates of the centers of gravity of LNG carriers with two types of tanks are obtained. To calculate the mass of the metal hull and the equipment, the cubic unit of LBH vessel and the cubic module of the carrier in 2/3 (LBH)2/3 are used. While determining the weight of the power plant, three types of power plants such as steam-turbine plant, low-speed diesel and dual-fuel (tri-) diesel-electric propulsion system are considered. Longitudinal center of gravity are measured from the midsection (positive value at the location of the nose), while vertical center of gravity - from the main plane.
Keywords:
LNG carrier, similar protypes, statistical data, components of the mass load, coordinates of center of gravity
LNG carrier, similar protypes, statistical data, components of the mass load, coordinates of center of gravity
Введение Специфика груза, перевозимого на судах-газовозах LNG (liquified natural gas), диктует необходимость установки на этих судах специфических грузовых танков с мощной изоляцией, образующих систему грузовых танков. В настоящее время в мировой практике широко применяются два вида систем грузовых танков, разработанных компаниями «Moss-Rosenberg» и «Gas Transport-Technigaz»: система сферических вкладных танков типа Moss и система мембранных танков типа GTT соответственно. Суда-газовозы LNG со сферическими и мембранными танками значительно отличаются друг от друга по архитектурному типу, конструкции корпуса и другим характеристикам, в связи с чем их следует рассматривать по отдельности. Нагрузка масс судна - это совокупность всех масс, составляющих водоизмещение судна [1]. На этапе предэскизной проработки проекта предварительное определение нагрузки масс имеет большое значение для последующей работы. Вопрос определения нагрузки масс судов-газовозов LNG рассматривался в относительно небольшом количестве научных публикаций в 1966-1990 гг. [2-5]. В последующие годы были построены новые суда-газовозы LNG, в связи с чем задача по определению нагрузки масс таких судов с учетом пополнения их состава является актуальной и в настоящее время. В предлагаемом исследовании зависимости для расчета нагрузки масс судов-газовозов LNG на начальных стадиях проектирования получены на основе перерасчета данных близких прототипов и обработки статистических данных по старым и новым судам. Составляющие нагрузки судна-газовоза LNG Нагрузка масс судна состоит из водоизмещения порожнем и дедвейта: где - водоизмещение порожнем, т; DW - дедвейт судна, т. Водоизмещение порожнем судна-газовоза LNG определяется по следующей формуле, т: , где - масса металлического корпуса, т; - масса оборудования, включая криогенное оборудование, т; - масса грузовых танков. Масса грузовых танков типа Moss включает изоляцию, опорные цилиндры, защитные кожухи и т. д.; масса грузовых танков судов-газовозов типа GTT включает инвар, изоляцию, крепеж, ящики и т.д., т; - масса энергетической установки (ЭУ); - запас водоизмещения, т. Среди составляющих водоизмещения судна порожнем значительная часть общей массы приходится на массу металлического корпуса и массу оборудования. Статистический анализ информации о массах металлического корпуса и массах оборудования затруднен по причине недостаточности опубликованных данных о весовых характеристиках судов-газовозов LNG [6]. В нашем исследовании аккумулированы данные о массах металлического корпуса и массах оборудования судов-газовозов LNG, представленные в [7-10]. Рис. 1, 2 демонстрируют зависимость массы металлического корпуса и массы оборудования от кубического модуля судна LBH и кубического модуля судна в степени 2/3 (LBH)2/3. а б Рис. 1. Зависимость от модуля LBH: а - массы металлического корпуса судна-газовоза типа Moss; б - массы металлического корпуса судна-газовоза типа GTT: - суда, построенные в 1970-1980 гг.; - суда, построенные в последующие годы а б Рис. 2. Зависимость от модуля (LBH)2/3: а - массы оборудования судна-газовоза типа Moss; б - массы оборудования судна-газовоза типа GTT: - суда, построенные в 1970-1980 гг.; - суда, построенные в последующие годы. На основе представленных данных получены следующие регрессионные зависимости для определения Рк и Роб: 1. По массе металлического корпуса, т: - для судов-газовозов типа Moss: ; - для судов-газовозов типа GTT: . 2. По массе оборудования, т: - для судов-газовозов типа Moss: ; - для суднов-газовозов типа GTT: . 3. По массе грузовых танков, т: где - удельный показатель массы конструкции на единицу объёма груза, т/м3; = 0,049 - для танков судна-газовоза типа Moss; = 0,018 - для танков судна-газовоза типа GTT [5]; W - грузовместимость, м3. 4. По массе энергетической установки, т: , где N - максимальная длительная мощность главного двигателя, кВт; - измеритель массы ЭУ, т/кВт, выражение для которого в зависимости от типа установки приведено ниже. Выбор типа ЭУ на судах-газовозах LNG зависит непосредственно от способа обработки испаряющегося газа при транспортировке. В настоящее время существуют два способа обработки испаряющегося газа: использование испаряющегося газа в качестве топлива для ЭУ и его повторное сжижение. Соответственно на судах-газовозах LNG возможна установка трех типов ЭУ: 1) паротурбинных установок (ПТУ), позволяющих сжигать тяжелое масло в котлах вместе с испаряющимся природным газом, в результате чего удается избежать выбросов газа в атмосферу. Такие установки широко использовались на судах-газовозах LNG в качестве ЭУ с 60-х гг. XX в. и до недавнего времени. К числу недостатков ПТУ можно отнести низкий термический КПД и необходимость наличия большого пространства; 2) малооборотных дизелей (МОД) с одновременной установкой повторного сжижения. Идея создания установок повторного сжижения для оснащения судов-газовозов LNG появилась давно, однако осуществить ее, в силу серьезных технических барьеров, удалось лишь недавно. В 2004-2010 гг. для катарской судоходной компании «Nakilat» в Южной Корее было построено порядка 60 судов-газовозов LNG классов Q-Flex и Q-Max. На этих судах установлены малооборотные дизели с одновременной установкой повторного сжижения. С помощью установки повторного сжижения судно может перевозить сжиженный газ в порт назначения в полном объеме. 3) двухтопливных дизель-электрических ЭУ типа DFDE (Dual Fuel Diesel Electric) и трёхтопливных дизель-электрических ЭУ типа TFDE (Tri-Fuel Diesel Electric). Впервые ЭУ типа DFDE была применена в 2004 г. на судне-газовозе LNG «Gaz de France Energy», на котором установлены четыре двухтопливных среднеоборотных дизеля «Wärtsilä», использующие испаряющийся газ и дизель. В скором времени появилась ЭУ типа TFDE, которая в качестве топлива может использовать испаряющийся газ, дизель и тяжёлое масло, что позволило существенно повысить термический КПД ЭУ. Среди судов-газовозов LNG, построенных до 2015 г., 22 % были оснащены ЭУ типа DFDE или TFDE. При определении массы ЭУ нами рассмотрены указанные три типа. Формулы для вычисления измерителя массы ПТУ и МОД предложены в [5]: для ПТУ, для МОД. В результате анализа и обработки данных, представленных компанией «Wärtsilä», получаем для DFDE или TFDE. Запас водоизмещения рассчитываем следующим образом: . Дедвейт определяется по формуле, т: , где - грузоподъемность судна, т; - масса запаса топлива для ЭУ, т; - масса запаса топлива для вспомогательных механизмов; - масса экипажа, провизии и снабжения, т; - дополнительная масса (переменные жидкие грузы, запасы масла и котельная вода и т. д.); - масса жидкого дифферентовочного балласта. В этой формуле грузоподъемность судна определяется выражением, т: , где ρ - плотность перевозимого природного газа в зависимости от химического состава и месторождения, т/м3; - коэффициент, учитывающий неполное заполнение грузовых танков, = 0,98. Масса запаса топлива для ЭУ рассчитывается по следующей формуле, т [4, 1]: , где = 1,1 - коэффициент морского запаса, учитывающий дополнительный расход топлива на случай увеличения продолжительности рейса из-за непогоды, обрастания корпуса, встречных течений и стояночного времени; - удельный расход топлива главного двигателя при эксплуатационной мощности, г (кВт · ч); - эксплуатационная мощность главного двигателя; - дальность плавания, миль; - средняя эксплуатационная скорость судна, уз. К вспомогательным механизмам относятся судовые насосы, вентиляторы, палубные механизмы, сепараторы и т. д. Масса запаса топлива для вспомогательных механизмов определяется выражением . Масса экипажа, провизии и снабжения, т, рассчитывается следующим образом [5]: , где - суммарная продолжительность стоянок судна, ч; - численность экипажа. Главная составляющая дополнительной массы - это запас котельной воды. Для судна с ПТУ необходимая масса запаса котельной воды намного превышает массу запаса котельной воды, необходимой для судна с МОД или DFDE (TFDE). Она определяется выражением , т. В некоторых случаях для улучшения мореходных качеств судна с полным грузом на судно принимают жидкий дифферентовочный балласт, масса которого вычисляется по формуле . Абсциссы и аппликаты центров тяжести составляющих нагрузки судна Находим координаты центра тяжести (ЦТ) судна по известным формулам [11]: , , где , , - составляющие нагрузки судна и их абсциссы и аппликаты ЦТ. Так, рассчитаем абсциссы и аппликаты ЦТ составляющих нагрузки судна-газовоза типа Moss и судна-газовоза типа GTT по имеющимся прототипам. ЦТ, м Абсцисса Аппликата Для судна-газовоза типа Moss Для судна-газовоза типа GTT Для судна-газовоза типа Moss Для судна-газовоза типа GTT Металлического корпуса Оборудования Грузовых танков ЭУ Запаса водоизмещения Перевозимого груза Запаса топлива Запаса топлива для вспомогательных механизмов Экипажа, провизии и снабжения Дополнительной массы Жидкого дифферентовочного балласта Масса жидкого балласта при обратном переходе к порту отправления и координаты её ЦТ находятся по формулам: - для судна-газовоза типа Moss: , , ; - для судна-газовоза типа GTT: , , . Следует отметить, что с целью поддержания низкой температуры в грузовых танках на судах-газовозах LNG для балластного перехода оставляют небольшое количество груза. Величина остатка зависит от времени балластного перехода. Заключение 1. На основе статистических данных судов-газовозов LNG с двумя видами систем грузовых танков различных лет постройки нами получены регрессионные зависимости между нагрузкой их масс и главными размерениями. Аналогичные зависимости для координат ЦТ масс установлены путем пересчета данных близких прототипов. 2. Полученные результаты могут использоваться для составления математических моделей судов-газовозов LNG при решении задачи оптимизации их главных размерений на начальных стадиях проектирования.
1. Ashik V. V. Proektirovanie sudov / V. V. Ashik. L.: Sudostroenie, 1985. 320 s.
2. Logachev S. I. Suda dlya perevozki szhizhennyh gazov / S. I. Logachev, M. M. Nikolaev. L.: Sudostroenie, 1966. 260 s.
3. Kahanovskiy K. V. Proektirovanie gazovozov. Uchebnoe posobie / K. V. Kahanovskiy, Yu. M. Larkin. M.: CRIA «Morflot», 1981. 28 s.
4. Mihaylov B. N. Analiz osnovnyh parametrov i razrabotka matematicheskoy modeli morskih metanovozov so sfericheskimi gruzovymi cisternami: dis. … kand. tehn. nauk. Nikolaev, 1982. 136 s.
5. Zaycev V. V. Suda-gazovozy / V. V. Zaycev, Yu. N. Korobanov. L.: Sudostroenie, 1990. 304 s.
6. Logachev S. I. Mirovoe sudostroenie: sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya / S. I. Logachev, V. V. Chugunov, E. A. Gorin. SPb.: Mor Vest, 2009. 544 s.
7. Moreynis F. A. Issledovanie osnovnyh harakteristik sudov dlya perevozki szhizhennyh prirodnyh gazov / F. A. Moreynis, M. N. Barabanova, M. A. Nahimovskiy, I. A. Naumova // Trudy CNIIMF. Vyp. 209. 1976. S. 44-57.
8. Significant ships of 1997, 1999, 2002, 2004-2011, 2013 / The Royal Institution of Naval Architects.
9. URL: http://www.aukevisser.nl/supertankers/gas-1/.
10. URL: http://www.imarine.cn/thread-106618-1-1.html.
11. Semenov-Tyan-Shanskiy V. V. Statika i dinamika korablya / V. V. Semenov-Tyan-Shanskiy. L.: Sudostroenie, 1973. 607 s.
