ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СПАСАТЕЛЬНЫХ СУДОВ И ПОПОЛНЕНИЯ СПАСАТЕЛЬНОГО ФЛОТА ВЬЕТНАМА
Авторы:
1.
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
Тип:
Статья
Страницы:
с 34
по 45
Статус:
Опубликован
Получено:
20.10.2013
Одобрено:
25.10.2013
Опубликовано:
25.10.2013
Классификаторы:
УДК 629.566(597)
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 39.425.83(5Вье)
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 39.425.83(5Вье)
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
оптимизация, проектные характеристики, спасательный флот, спасательные суда, спасательные буксиры, Вьетнам
Аннотация (русский):
За последнее время во Вьетнаме произошло много штормовых катастроф, наносящих колоссальный урон, в связи с чем модернизация спасательного флота становится для Вьетнама все более актуальной. Предложен алгоритм решения задачи по оптимизации характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама. Приведен также расчет определения результатов задачи и выполнена оценка ее достоверности.
За последнее время во Вьетнаме произошло много штормовых катастроф, наносящих колоссальный урон, в связи с чем модернизация спасательного флота становится для Вьетнама все более актуальной. Предложен алгоритм решения задачи по оптимизации характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама. Приведен также расчет определения результатов задачи и выполнена оценка ее достоверности.
Ключевые слова:
оптимизация, проектные характеристики, спасательный флот, спасательные суда, спасательные буксиры, Вьетнам
оптимизация, проектные характеристики, спасательный флот, спасательные суда, спасательные буксиры, Вьетнам
Введение Вьетнам – страна, находящаяся на берегу Южно-Китайского моря, имеющая большой потенциал для развития морского транспорта. В последние годы, в связи с развитием водного транспорта, увеличивается количество морских происшествий в территориальных водах Вьетнама. Таким образом, обеспечение безопасности морского плавания является актуальной проблемой для Вьетнама. Для обеспечения безопасности на море, помимо повышения мореходных качеств судов и установления на них спасательных средств, значительную роль играет спасательный флот. В состав флота входят спасательные суда различных типов, которые могут выполнять следующие операции: спасение людей на судах, терпящих аварию; тушение пожаров на судах; снятие аварийного судна с мели; буксировка аварийного судна на базу и т. д. Во Вьетнаме в 1996 г. был создан государственный комитет по поиску и спасению пострадавших. В настоящее время во Вьетнаме существуют 4 центра по поиску и спасению пострадавших, расположенные в городах Хайфон, Дананг, Вунгтау и на островах Спратли. Однако аварийно-спасательному флоту Вьетнама до сих пор присущи некоторые недостатки: малое количество спасательных судов, невысокая скорость движения, небольшая дальность и недостаточная автономность спасательных судов. Кроме этого, они не способны выполнять сложные спасательные операции и оказывать помощь большим аварийным судам. Итак, модернизация спасательного флота современными судами становится необходимым требованием для судостроительной промышленности Вьетнама. О расчетной эффективности эксплуатации спасательных судов можно говорить только условно, поскольку при использовании этих судов по их прямому назначению не только размеры доходов, получаемых спасательным судном, но и сама возможность их получения зависят от случайных обстоятельств. В качестве отчетного экономического показателя эксплуатации спасательного судна может быть использован любой из показателей, принятых для оценки деятельности судов транспортного флота [1]. Во Вьетнаме государство обеспечивает финансирование спасательного флота, поэтому при его создании выбирается критерий приведенных затрат для оценки эффективности спасательных судов. Задача оптимизации характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама может решаться по схеме, показанной на рис. 1 [2]. Рис. 1. Схема решения задачи пополнения спасательного флота Вьетнама Анализ аварийности во Вьетнаме. Формулировка задач флота В [3] проведен анализ морской аварийности во Вьетнаме за последние 3 года и сделаны следующие выводы: количество аварийных случаев, происходящих на водной территории Вьетнама, достигло 159 (в 2011 г.); спасательные суда Вьетнама в настоящее время могут оказать помощь примерно только в 25 % случаев от общего количества аварий; большинство аварийных судов во Вьетнаме – это промысловые суда длиной 20–25 м (около 80 %); грузовые суда составляют 20 %; аварийные происшествия происходят в условиях ветра силой в 4–6 баллов, иногда 8 баллов; морские аварии происходят в конце и начале года чаще, чем в середине года; количество последовательных аварий, происходящих в период до 4 дней, составляет около 40 % от общего количества в год; среднее расстояние от места аварии до ближайшей базы спасательного флота составляет около 170 миль; основной причиной морских происшествий является потеря управляемости судна (ошибка при эксплуатации главного двигателя). Другие причины – скорая медицинская помощь, утопление судна, потеря связи, падение людей в воду. На основе анализа аварийных случаев на море во Вьетнаме в качестве задачи для спасательного флота Вьетнама предлагается дополнительно провести 120 спасательных операций по типам, показанным в табл. 1. Таблица 1 Задачи спасательного флота Вьетнама Задача Составляющие, % Количество операций Оказание помощи судам, теряющим управляемость или ход 40 48 Оказание медицинской помощи людям или экипажам судов 20 24 Оказание помощи аварийным судам при их утоплении, потопляемости, посадке на мель и пожаре 22 26 Поиск людей, попавших в воду, и судов, пропавших без вести 18 22 Расчет проектных характеристик Одной из особенностей спасательного судна является наличие 3 разных скоростей: максимальная скорость, экономическая скорость при свободном ходе и скорость при буксировке аварийных объектов. Это означает, что энергетическая установка спасательного судна работает в разных режимах. Как правило, при аварийной скорости и буксировке аварийного объекта главный двигатель работает на максимальной мощности. Предполагается, что при скорости свободного хода главный двигатель работает на 50 % от максимальной мощности; а при режиме обслуживания – 15 % от максимальной мощности. При мощности энергетической установки в режиме свободного хода, равной 50 % ее максимальной мощности, скорость свободного хода может определяться по следующей формуле: Скорость при буксировке объекта зависит от мощности энергетической установки спасательного судна, тягового усилия спасательного судна, самого буксируемого объекта, условий погоды и. т. д. Практика показывает, что скорость буксировки аварийного объекта находится в диапазоне от 5 до 7 узлов, т. к. при скорости меньше 5 узлов трудно управлять судном и противостоять непогоде, а при больших значениях скорости требуется большая мощность энергетической установки спасательного судна. Кроме того, во Вьетнаме буксировка малых промысловых траулеров при высокой скорости невозможна. Для расчетов в первом приближении пополнения спасательного флота Вьетнама принимаем . В первом приближении мощность энергетической установки спасательного судна определяется по адмиралтейской формуле где – полное водоизмещение судна, т; – скорость судна, уз; – адмиралтейский коэффициент, определенный по статическим данным или по судну-прототипу. Тяга буксирного устройства является одной из важных характеристик спасательного судна и может определяться по следующей форме: , где – удельная тяга спасательного судна, кН/кВт, находящая в диапазоне 0,10–0,15. Водоизмещение порожнем спасательных судов в зависимости от их полного водоизмещения показано на рис. 2 и определяется приближенно по формуле Итак, дедвейт спасательного судна определяется по формуле . Рис. 2. Зависимость водоизмещения порожнем спасательного судна от его полного водоизмещения Запас топлива спасательного судна в зависимости от его дедвейта продемонстрирован на рис. 3 и определяется по формуле Рис. 3. Зависимость запаса топлива спасательного судна от его дедвейта Расчет длительности рейсов Проведение спасательных операций является сложной процедурой, включающей много аспектов. Общая схема выполнения спасательной операции показана на рис. 4. Рис. 4. Схема проведения спасательной операции В общем длительность рейса при выполнении i-й операции можно определить так [4]: , где – время подготовки к рейсу; – время пути к аварийному месту; время поиска цели; – время проведения спасательных работ; – время возвращения на базу; – время после рейса для проведения работ: малый ремонт. Время выполнения работ рейса при оказании разных задач определяется по формулам и рекомендациям в [3]. Время выполнения всех рейсов флота рассчитывается по формуле . Расчет периода эксплуатации Период эксплуатации судна за год можно определить по формуле , где – среднегодовая продолжительность стоянки судна на ремонте и доковании; – коэффициент нагрузки, рассматривающий вероятность аварийных случаев за короткий период времени. При пополнении спасательного флота Вьетнама, как сказано выше, принимаем коэффициент [3]. Расчет требуемого количества судов в составе флота Требуемое количество спасательных судов в составе флота может быть определено по формуле . Расчет строительной стоимости судна Проведение спасательных работ на море может осуществляться двумя способами: экспедиционное проведение спасательных работ и проведение спасательных работ с участием одного большого спасательного судна. Как отмечалось выше, во Вьетнаме среднее расстояние от места происшествия до базы спасательного флота составляет около 170 миль и аварии происходят чаще всего с малыми промысловыми судами, поэтому при создании спасательного флота для Вьетнама оптимальным является второй способ проведения спасательных работ. Это позволяет снизить расходы на постройку серийных спасательных судов. Строительная стоимость спасательного судна рассчитывается по рекомендации А. В. Бронникова, с учетом увеличения стоимости постройки судов по сравнению с 1997 г. [2]. Строительная стоимость серийно освоенного судна где – стоимость корпуса с оборудованием; – стоимость главного двигателя; – стоимость механического оборудования, т. е. остальной части судовой энергетической установки; – коэффициент, учитывающий прочие затраты при постройке судна и сдаче судна заказчику; – поправочный коэффициент, зависящий от категории ледовых усилений корпуса судна. Стоимость корпуса с оборудованием Стоимость главного двигателя Стоимость механического оборудования Значение коэффициента : . Поправочный коэффициент для судов без ледовых усилений принят . Среднесерийная стоимость постройки судов, входящих в серию, в зависимости от их количества N может определяться по формуле где – коэффициент перехода от серийно освоенного судна к любому судну серии, ; – стоимость серийно освоенного судна; – стоимость n-го судна в серии; – стоимость проектирования судов; – стоимость оснастки и приспособлений для постройки судов. Стоимость проектирования судов рассчитывается по формуле Стоимость оснастки и приспособлений для постройки судов рассчитается по формуле Для проектируемых малых судов . Расчет эксплуатационных затрат судна Суммарные затраты C при эксплуатации судна за год рассчитываются по формуле [5]: где – расходы на оплату труда экипажа; – отчисление во внебюджетные фонды; – расходы на питание экипажа; – расходы на охрану труда; – затраты на топливо и смазочные материалы; – затраты на ремонт судна; – прочие расходы. Расходы на оплату труда экипажа где – численность экипажа, в первом приближении может быть принята равной 25; – средняя зарплата одного члена экипажа в сутки при эксплуатации, долл. США/сут; – средняя зарплата одного члена экипажа в сутки при неэксплуатации, долл. США/сут, принята равной 70 % от средней зарплаты одного члена экипажа в сутки при эксплуатации; – время эксплуатации судна в год. Отчисления во внебюджетные фонды составляют 30 % от расходов на оплату экипажа. . Расходы на питание экипажа: где – суточная норма питания на одного человека в эксплуатационное время; – суточная норма питания на одного человека в неэксплуатационное время. Расходы на охрану труда составляют 1,6 % от суммы расходов на оплату труда экипажа и отчисления во внебюджетные фонды: . Затраты на топливо и смазочные материалы где – годовой расход топлива, т; – цена одной тонны дизельного топлива, долл. США /т; – цена одной тонны смазочного масла, долл. США /т. Годовой расход топлива спасательного судна можно определить по формуле где – годовой расход топлива в режиме свободного хода; – годовой расход топлива в режиме аварийности; – годовой расход топлива в режиме буксировки; – годовой расход топлива в режиме обслуживания (подготовка к рейсу, проведение спасательных работ, малый ремонт). Годовой расход топлива в режимах хода определяется по формуле где – коэффициент морского запаса; – коэффициент, учитывающий увеличение расхода топлива на работы вспомогательных механизмов, на запасы смазки и питательной воды, на стоечные режимы; – мощность спасательного судна при j-м режиме хода; k – количество задач спасательного флота; – суммарная продолжительность эксплуатации спасательного судна при j-м режиме хода; – удельный расход топлива, на 1 кВт в час, кг/(кВт ∙ ч). Затраты на ремонт судна где – строительная стоимость спасательного судна; – норматив ремонта, принимаемый равным 0,01 для спасательного судна. Прочие расходы Для спасательного судна прочие расходы принимаются в размере 7 % от суммы всех вышеперечисленных затрат. Тогда годовые затраты при эксплуатации судна С равны: . Расчет приведенных затрат флота Приведенные затраты могут быть определены по следующей формуле и должны быть минимальными [6]: где – среднесерийная стоимость постройки спасательного судна; – годовые эксплуатационные расходы спасательного судна; – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; – количество спасательного судна в составе флота. Проверка условий и ограничений При решении задачи должны быть выполнены следующие условия и ограничения. 1. Условие по запасам топлива: где – максимальный расход топлива при выполнении спасательных задач в случае среднего расчета; – коэффициент, учитывающий увеличение расхода топлива по сравнению с расходом топлива в случае среднего расчета. В этом случае автономность и дальность плавания проектируемого судна должны быть достаточными для того, чтобы судно оказалось способным выполнять длительные спасательные операции. Практика проведения спасательных работ в морской зоне Вьетнама показывает, что автономность должна достигать 10–12 суток, а дальность плавания – 3000–4000 миль. Дальность плавания судна при экономической скорости может быть определена по формуле где – запас топлива судна, т; – мощность спасательного судна при свободном ходе; – удельный расход топлива на один кВт в час, кг/(кВт ∙ ч); υсв.х – скорость свободного хода,уз. Автономность судна при экономической скорости может быть определена по формуле . 2. Условие по времени пребывания спасательного судна на месте происшествия , где – время поддержки человека в морской воде при температуре 20–25 °С. 3. Граничные значения входных величин: 4. Требование по тяге буксирного устройства: где – фактическое тяговое усиление буксирного устройства, кН; – требуемое тяговое усиление буксирного устройства, принятое равным 150 кН по рекомендации [7] при буксировке корабля водоизмещением 4 400 т при скорости 5 узлов в условиях волнения на море в 5 баллов. 5. Количество спасательных судов должно быть целым и не меньше 4, т. к. каждый центр по поиску и спасению пропавших должен иметь хотя бы одно спасательное судно. Выбор оптимальных характеристик судна С помощью функции поиска решения в пакете Microsoft Excel при введении исходных данных, указанных в табл. 2, найдены результаты решения задачи оптимизации характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама (табл. 3). Таблица 2 Исходные данные задачи пополнения спасательного флота Вьетнама Название Обозначение Значение Размерность Оказание помощи судам, терпящим управляемость или хода (задачи типа I) – 48 – Оказание медицинской помощи людям или экипажам на судне (задачи типа II) – 24 – Оказание помощи аварийным судам при их утоплении, потопляемости, посадке на мель и пожаре (задачи типа III) – 26 – Поиск людей, попавших в воду, и судов, пропавших без вести (задачи типа IV) – 22 – Среднее расстояние от места происшествия к ближайшей базе спасательного флота S 170 Мили Среднегодовая продолжительность стоянки судна на ремонте Tрем 30 Дни Коэффициент нагрузки, рассматривающий вероятность аварийных случаев за короткий период времени kнаг 0,4 – Период эксплуатации судна в год Tэ 134 Дни Скорость дрейфа аварийного объекта Vдрейф 1 Узлы Путь поиска объекта Sпоиск 960 Мили Адмиралтейский коэффициент Са 136 – Удельный расход топлива на один кВт в час pт 0,19 кг/(кВт.ч) Коэффициент снижения скорости спасательного судна kпог 0,9 – Вероятность перевозки больных людей к берегу при оказании медицинской помощи pбол 0,8 – Вероятность необходимости поиска пропавших людей при оказании помощи аварийным судам при их утоплении, потопляемости, посадке на мель и пожаре pпоиск 0,4 – Вероятность необходимости отбуксировки аварийного судна в базу при поиске людей, попавших в воду, и судов, пропавших без вести pбук 0,2 – Время поддержки человека в морской воде при температуре 20–25 °С Tчел 12 ч Требуемая тяга Tтягатре 150 кН Минимальное количество судов Nмин 4 – Коэффициент, учитывающий увеличение расхода топлива по сравнению с расходом топлива в случае среднего расчета kтоп 2 – Таблица 3 Результаты задачи пополнения спасательного флота Вьетнама Элемент Обозначение Значение Размерность Оптимальное водоизмещение судна D 503 Т Оптимальная аварийная скорость судна Vавар 15,7 уз Количество судов N 4 – Экономическая скорость судна Vсв.х 12,6 уз Скорость судна при буксировке аварийного объекта Vбук 5,0 уз Мощность при аварийной скорости судна Neавар 1 815 кВт Мощность при скорости свободного хода судна Neсв.х 929 кВт Мощность при скорости при буксировке аварийного объекта Neбук 1 815 кВт Приведенные затраты F 5 504 928 Долл. США Среднесерийная стоимость постройки судов Кср.с 5 513 313 Долл.США Годовые затраты при эксплуатации судна С 714 635 Долл. США Автономность при экономической скорости A 11,5 Сутки Дальность плавания при экономической скорости R 3 476 Мили Оценка достоверности и проверка устойчивости задачи Известно, что полученные характеристики спасательных судов при решении задачи пополнения спасательного флота Вьетнама немного отличаются от следующих построенных судов: спасательный буксир Bars (флаг: СВГ, год постройки: 2010), спасательное судно Da Tuong (флаг: Вьетнам, год постройки: 1986), спасательный буксир «Квитекс» (год постройки: 1965). Рассмотрим результаты задачи при изменении ее некоторых исходных данных. При изменении общего количества аварий, происходящих в морской зоне Вьетнама, с сохранением составляющих аварий по 4 типам, очевидно, что оптимальные характеристики спасательных судов не изменены, а изменено требуемое количество судов в составе флота. При увеличении общего количества аварий на 130, 160 и 190 случаев в год требуется 5, 6 и 7 спасательных судов соответственно. Это значит, что в будущем, при учащении случаев морских аварий, администрация флота может заказать новые спасательные суда такого типа, чтобы проводить все необходимые мероприятия. При изменении численности экипажа оптимальные характеристики спасательных судов не изменяются, меняются только эксплуатационные затраты судна, т. е. приведенные затраты. Эксплуатационные и приведенные затраты судна при разной численности экипажа показаны на рис. 5. Рис. 5. Приведенные затраты флота и годовые эксплуатационные затраты спасательного судна при разной численности экипажа: Аналогично для ценовых коэффициентов (стоимость топлива и смазочных материалов, зарплата одного члена экипажа, суточная норма питания на одного человека и пр.) оптимальные характеристики спасательных судов остаются неизменными, меняются только эксплуатационные и приведенные затраты. Оптимальные характеристики спасательных судов зависят от характеристик аварий во Вьетнаме (распределение аварийных случаев по типам задач, среднее расстояние от места происшествия к базе флота, длительность пути поиска целей); от коэффициента, учитывающего увеличение расхода топлива по сравнению с расходом топлива в случае среднего расчета; от требуемой тяги для спасательного судна. Рассмотрим задачу пополнения спасательного флота Вьетнама при изменении требуемой тяги. При увеличении требуемой тяги, т. е. повышении способности буксировки спасателя, требуется спасательное судно, обладающее большой мощностью энергетической установки, при этом водоизмещение и аварийная скорость судна увеличиваются. На табл. 4 приведены изменения водоизмещения и аварийной скорости судна при увеличении требуемой тяги судна. Таблица 4 Характеристики оптимального спасательного судна при изменении требуемой тяги Параметр Обозначение Размерность Tтягатре = = 150 кН Tтягатре= = 200 кН Tтягатре= = 250 кН Tтягатре= = 300 кН Оптимальное водоизмещение судна D т 503 503 524 566 Оптимальная аварийная скорость судна Vавар уз 15,7 15,7 16,1 16,8 Мощность при аварийной скорости судна Neавар кВт 1 815 1 815 2 000 2 400 Автономность при экономической скорости A Сутки 11,5 11,5 11,3 10,8 Дальность плавания при экономической скорости R Мили 3 476 3 476 3 483 3 496 При выборе расхода топлива (или затрат на расход топлива) вместо приведенных затрат в качестве целевой функции оптимизации пополнения спасательного флота Вьетнама, очевидно, что результаты задачи не изменяются. Рис. 6. Состав приведенных затрат спасательного флота Среднесерийная стоимость постройки спасательного судна и годовые расходы на топливо и смазочные материалы значительно зависят от характеристик проектируемого судна. Расходы на топливо и смазочные материалы составляют около 25 % от приведенных затрат флота. На рис. 6 приведен состав приведенных затрат флота. Для пополнения спасательного флота в простых условиях мы можем принимать расход топлива в качестве целевой функции. Но для Вьетнама мы выбираем приведенные затраты, поскольку расчеты затрат на постройку и эксплуатационных затрат флота необходимы для модернизации флота. Кроме того, в некоторых случаях имеются ограничения по капиталовложению пополнения флота. Выводы 1. В данной работе предложен и обоснован алгоритм решения задачи оптимизации характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама. 2. Произведен расчет определения оптимальных проектных характеристик спасательных судов и их количества в составе флота. 3. Выполнена оценка достоверности и проверка устойчивости задачи оптимизации характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама.
1. Гурович А. Н. Проектирование спасательных и пожарных судов / А. Н. Гурович, А. А. Родионов. Л.: Судостроение, 1971. 288 с.
2. Бронников А. В. Разработка основных технико-эксплуатационных требований на проектирование морского судна / А. В. Бронников. СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 1997. 56 с.
3. Май Ван Куан. Анализ аварийных ситуаций в морской зоне Вьетнама / Май Ван Куан // Журнал университета водных коммуникаций. СПб.: ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова. 2013. Вып. 2. С. 115-122.
4. Зуев В. А. Оптимизационные задачи проектирования судов / В. А. Зуев: учеб. пособие; Нижегород. политехн. ин-т. Нижний Новгород, 1991. 73 с.
5. Нгуен Зуй Бак. Обоснование проектных характеристик портовых буксиров для Социалистической Республики Вьетнам / Нгуен Зуй Бак: автореф. дис. … канд. техн. наук. Калининград, 2010. 24 с.
6. Ашик В. В. Проектирование судов / В. В. Ашик: учеб. Л.: Судостроение, 1985. 320 с.
7. Руководство по буксировке кораблей, судов обеспечения, плавучих объектов и сооружений Военно-Морского Флота. М., 2009. 152 с.
