книги из ГПНТБ / Краев В.И. Экономические обоснования при проектировании морских грузовых судов

тому уменьшение расходов по любой из этих статей в два раза ока­ зывает примерно одинаковое влияние на относительную эффек­ тивность повышения скорости судна.

Влияние LM на величину оптимальной скорости судна неве­ лико из-за большого базисного значения коэффициента ходового времени. Подробнее эта зависимость была рассмотрена на примере танкеров. Следует отметить, что при большом значении kx отно­

ними и сравнительную эффективность вариантов судна с разной скоростью. Зависимость величины оптимальной скорости контей­ неровоза от уровня эксплуатационных расходов и дальности рейса

приведены на рис. 11.12.

Все расчеты, результаты которых приведены на рис. 11.6—11.12,

зов — 8 сут. При расчете приведен­ ных затрат по лайнеру и контейне­ ровозу принято, что цена груза со­ ставляет 1000 руб/т.

Таким образом, выбор опти­ мальной скорости, как и других ос­ новных эксплуатационных харак­ теристик судна, должен произво­ диться на основе следующих прин­ ципов:

1. Критерий оптимальности выбирается с учетом эксплуата­ ционного назначения судна (Зп, Зі/, Зпп).

2.В расходы на перевозку включаются только те сопутствую­ щие и сопряженные затраты, величина которых зависит от варьи­ руемой характеристики судна, в частности, при выборе скорости судна должны учитываться оборотные средства в грузах.

3.Тщательное и обоснованное определение темпов изменения всех исходных нормативов, в первую очередь строительной стои­ мости, при изменении варьируемой характеристики судна. При­ нятые темпы изменения нормативов в основном и определяют расчетную величину оптимальной скорости судна.

4.В качестве базисной характеристики судна, для которого выбирается оптимальная скорость следует принимать чистую гру­ зоподъемность при одинаковой для всех сравниваемых вариантов удельной грузовместимости. Для судов, предназначенных под пере­ возки особых кубатурных генеральных грузов, в качестве основной

158

характеристики провозной способности может быть принята грузо­ вместимость.

5. Все сравниваемые варианты судов должны иметь оптималь­ ные эксплуатационно-технические характеристики при данном зна­ чении варьируемой характеристики.

§ 12. ОБОСНОВАНИЕ

ТИПА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Тип судовой энергетической установки (ЭУ) ока­ зывает существенное влияние на экономические показатели транс­ портировки груза, определяя, с одной стороны, уровень строитель­ ной стоимости и текущих эксплуатационных затрат по содержанию

Рис. 12.1. Изменение доли стоимости энергетической установки в строительной стоимости балкеров в за­ висимости от различных дедвейта и скорости.

судна, с другой стороны,— его провозную способность за опреде­ ленный календарный период. Влияние типа энергетической уста­ новки на затраты по транспортировке груза в дальнейшем будет возрастать в связи с тенденцией роста скорости судов.

Доля затрат на энергетическую установку в общей строительной стоимости и эксплуатационных расходах колеблется в широком диапазоне в зависимости от скорости судна, его назначения и раз­ меров. На рис. 12.1 и 12.2 приведены данные, характеризующие из­ менение доли затрат на традиционные установки в строительной стоимости и стоимости суточного содержания балкер?в перспектив­ ной постройки при различных дедвейте и скорости.

Аналогичные зависимости можно наблюдать и по грузовым

20—35% от общей строительной стоимости и расходов на стоянке, 40—60% — от стоимости содержания судов на ходу.

Однако, такой широкий диапазон колебаний доли энергетиче­ ской установки в затратах характерен для расчетных вариантов.

159

г. е. тогда, когда выбирают грузоподъемность и особенно скорость судов.

Диапазон колебаний доли энергетической установки для судов различного назначения с соответствующими современному уровню скоростями (на рис. 12.1—12.4 — заштрихованная площадь) значи­ тельно уже указанного (табл. 12.1).

Рис. 12.2. Изменение доли затрат на энергетическую установку в общей стоимости суточного содержания балкеров в зависимости от различных дедвейта и скорости: а — на ходу судна; б — на стоянке судна.

В предыдущих главах отмечались мировые тенденции строитель­ ства судов большой грузоподъемности и с высокой скоростью. Если увеличение грузоподъемности судов не приводит к значительному изменению доли затрат на ЭУ (рис. 12.3), то увеличение скорости свыше 20 уз вызывает увеличение расходов на топливо и строитель­ ной стоимости установки (рис. 12.4). Так, увеличение дедвейта танкера почти в два раза, с 80 до 150 тыс. т, приводит к измене­ нию доли стоимости установки в общих затратах судна на ходу всего на 2,5% (с 52,0 до 49,5%), в то время как при увеличении скорости сухогрузного линейного судна с 21 до 25 уз (на 20%) доля стоимости энергетической установки в общих затратах судна

160

на ходу возрастает с 57 до 68%. Такое положение предопределяет особую тщательность выбора и обоснования типа энергетической установки в процессе проектирования судов с повышенной скоро­ стью.

В эксплуатационных расходах судна за рейс или год доля за­ трат на установку будет зависеть от назначения судна и, следова­ тельно, от соотношения ходового и стояночного времени рейса. Так, для сухогрузных судов универсального назначения при коэф­

Приведенные данные с достаточной полнотой характеризуют влияние типа энергетической установки на общие экономические показатели работы проектируемого судна: очевидно, что эффектив­ ность его использования будет в значительной мере определяться экономичностью энергетической установки.

К энергетической установке морского судна как средства, обе­ спечивающего транспортировку грузов из порта отправления в порт назначения на значительные расстояния в сложных гидрометеоро­ логических условиях, предъявляются особые, повышенные требо­ вания. Прогрессивность, экономичность ЭУ судна зависит от ее технических и эксплуатационных характеристик, оказывающих

прогрессивности и экономичности судовой энергетической установки может быть получена, когда упомянутые характеристики опреде­ лены для установки в целом, а не по отдельным ее элементам, например главному двигателю. Основные характеристики уста­ новки зависят от параметров входящих в нее машин, механизмов, оборудования и тесно взаимосвязаны между собой. Так, при улуч­ шении рабочих параметров главного двигателя вес и объем его на единицу мощности уменьшается, однако может повысится строи­ тельная стоимость и снизиться надежность. Применение более де­ шевых сортов топлива позволяет снизить затраты на топливо за рейс, но вызывает необходимость на судне дополнительного обору­ дования для топливоподготовки и увеличение веса и объема за­ паса топлива. Широкое внедрение средств автоматизации повы­ шает строительную стоимость судна, но при этом сокращается чис­ ленность экипажа и повышается надежность ЭУ. В свою очередь надежность установки судна обусловливается безотказностью, ре­ монтопригодностью, а также долговечностью входящих в нее ма­ шин, механизмов, оборудования.

Высокие темпы технического прогресса в области энергетики и, в частности, судовой энергетики, сложные взаимосвязи основных характеристик судна (грузоподъемности, скорости) и энергетиче­

162

ской установки предопределяют необходимость экономико-эксплу­ атационных обоснований выбора типа энергетической установки в процессе проектирования морских судов различного эксплуата­ ционного назначения, грузоподъемности, с разной скоростью. Та­ кое обоснование должно включать анализ эксплуатационно-техни­ ческих характеристик современных судовых ЭУ и тенденций их развития, оценку влияния прогнозируемого изменения характери­ стик на эксплуатационно-экономические показатели работы судна, сравнительную эффективность различных типов установок.

Не все из перечисленных выше характеристик судовых энерге­ тических установок изучены в равной мере и могут быть в на­ стоящее время оценены с достаточной полнотой. Если длительная эволюция паротурбинных и дизельных установок достаточно полно обеспечивает базу для прогнозирования веса и объема установки, сорта и расхода топлива, затрат на ремонты, то этого нельзя ска­ зать о газотурбинных, атомных и некоторых типах комбинирован­ ных установок. Значительную сложность представляет также со­ поставимая оценка стоимости установок различных типов ввиду различий в производственных условиях их изготовления, серий­ ности выпуска, освоенности производства и т. п., а также оценка безотказности, ремонтопригодности, долговечности, возможности обеспечения и величины затрат при комплексной автоматизации. Значения этих характеристик по различным типам современных и особенно перспективных установок в значительной мере дискус­ сионны и оцениваются различно.

Мощность энергетической установки судна зависит от водо­ измещения, скорости хода, главных размерений, формы корпуса. Суммарная мощность главных двигателей на современных грузо­ вых судах изменяется в диапазоне от нескольких сотен до 100

иболее тыс. л. с. В перспективе с увеличением грузоподъемности

искорости судов верхний предел потребной мощности судовых

энергетических установок значительно возрастает — до 150— 200 тыс. л. с. Такой широкий диапазон потребной мощности судо­ вых энергетических установок, специфические особенности кон­ струкции и условий эксплуатации судов различного назначения предопределяют использование на морском флоте ЭУ разных ти­ пов, отличающихся способом превращения тепловой энергии в ме­ ханическую и способом передачи энергии от двигателя к дви­ жителю.

На эксплуатируемых, строящихся и проектируемых морских грузовых судах применяются следующие основные типы ЭУ: паро­ силовые, дизельные, газотурбинные и атомные. В качестве глав­

генераторами газа, в атомных — паровая турбина. Вырабатываемая главными двигателями судов энергия передается к винту непо­ средственно через вал (малооборотные ДВС, паровые машины)

или с применением редукторной или электрической передачи (па­ ровые и газовые турбины, среднеоборотные и быстроходные ДВС); в последние годы на морских судах начинает применяться и гид­ равлическая передача.

Вопросам обоснования типов судовых энергетических устано­ вок уделяется много внимания как в СССР, так и за рубежом: ежегодно публикуется не один десяток статей, выпущены специ­ альные учебные курсы и монографии. Несмотря на это, не суще­ ствует полного единства взглядов на некоторые принципиальные положения методики сравнительной оценки эффективности ЭУ, в том числе и по такому важному вопросу, как обеспечение сопо­ ставимости вариантов.

Многие авторы считают, что сравнение различных типов энер­ гетических установок в целях обеспечения сопоставимости следует производить при сохранении постоянными:

назначения и условий эксплуатации судна, принятых для рас­ чета (линия, состав грузов, интенсивность грузовых работ и т. п.); условий производства главных двигателей и комплектующего оборудования (среднеотраслевые цены, освоенность, технический

уровень изготовления); главных размерений, обводов корпуса и скорости судов, кото­

рые приняты для расчета и применительно к которым исследуется эффективность различных типов ЭУ.

Если первое условие не вызывает сомнений, то другие тре­ буют внимательного рассмотрения.

Напомним еще раз, что цели экономических обоснований ос­ новных характеристик морских грузовых судов различаются на разных стадиях проектирования.

Применительно к выбору типа ЭУ эти цели могут быть сфор­ мулированы следующим образом:

на стадии поисковых исследований и эскизного проектирова­ ния— обоснование рациональных сфер применения различных ти­ пов ЭУ по назначению судов и мощности главного двигателя, прин­ ципиальной тепловой схемы и основных ее параметров, системы управления и уровня автоматизации;

на стадии технического проектирования — обоснование типа и числа главных двигателей и движителей, типа передачи и способа реверсирования, общей комплектации установки, способа обес­ печения энергией вспомогательных механизмов и прочих потреби­

с учетом параметров конкретных, реально обеспечиваемых постав­ ками машин, механизмов, приборов, материалов и т. п.

Исходя из целей экономических обоснований могут быть пра­ вильно сформулированы условия обеспечения сопоставимости срав­ нения различных типов ЭУ.

Первое требование (постоянство условий эксплуатации судна) обязательно на всех стадиях проектирования. Требование иден­

164

тичности условий производства применимо только на стадии по­ исковых исследований и эскизного проектирования; при техниче­ ском и рабочем проектировании цены, освоенность, технический уро­ вень изготовления, а следовательно, характеристики и параметры основных компонентов ЭУ (главного двигателя, котлов, передачи, движителей) должны приниматься применительно к конкретным условиям производства.

Особое значение имеет требование сохранения постоянства главных размерений и обводов корпуса, а также скорости судна. Неправильное толкование данных требований может привести к существенным ошибкам, особенно при сравнении энергетиче­ ских установок, значительно различающихся по удельному весу, габаритам и запасам топлива. Для правильного решения этого сложного вопроса нужно исходить из материалистического пони­ мания движущих сил развития техники.

При проектировании судов потребности общества формулиру­ ются в виде спроса-заказа на морское грузовое судно, обладаю­ щее определенной потенциальной провозной способностью, выра­ женной через количество принимаемого груза и скорость переме­ щения судна. Поэтому задача обоснования типа энергетической установки в общем виде состоит в выборе экономически наиболее эффективного варианта установки для судна с фиксированными, заранее заданными значениями грузоподъемности и скорости, на­ пример «обосновать оптимальный тип ЭУ контейнеровоза вмести­ мостью 1200 контейнеров со скоростью 27 уз», или линейного су­ хогрузного судна грузоподъемностью 10 000 т со скоростью 25 уз, или парома вместимостью 40 железнодорожных четырехосных ва­ гонов со скоростью 20 уз и т. п. В этом общем случае скорость судна при варьировании типов ЭУ должна быть постоянной; вы­ полнение же требования сохранения постоянства главных разме­ рений и обводов означало бы, что потребность общества прояв­ ляется в виде заказа на какой-то конкретный корпус судна, про­ возная способность которого будет изменяющейся величиной.

Частными случаями будут такие, в которых имеются ограниче­ ния, накладываемые габаритами морских путей или возможно­ стями выбора ЭУ из конкретного ряда.

Исходя из изложенного для обеспечения сопоставимости раз­ личных типов ЭУ на разных стадиях проектирования морских грузовых судов необходимо принимать:

на стадии поисковых исследований и эскизного проектирова­ ния: грузоподъемность и скорость судна постоянными, размере­ ния и обводы корпуса — переменными;

на стадии технического проектирования при отсутствии огра­

переменными.

Методика экономических обоснований типов судовых ЭУ имеет свои специфические особенности, которые наиболее наглядно мо­ жно рассмотреть применительно к стадии поисковых исследований

165

и эскизного проектирования. С учетом целей и задач экономи­ ческих обоснований на данной стадии выполняется детальное изучение и проработка всех технических, эксплуатационных и эко­ номических нормативов, определяющих сравнительную эффектив­ ность разных типов ЭУ. При этом должны быть применены совре­ менные методы прогнозирования научно-технического прогресса с учетом времени практической реализации нововведений, обоб­ щены достижения фундаментальных наук, перспективы развития энергетики в промышленности и на транспорте, установлены общие тенденции и закономерности изменения основных характеристик и параметров разных типов энергетических установок.

Вес установки и запасов. Тщательно прогнозируются возмож­ ности дальнейшего совершенствования теплового цикла традици­ онных установок, обосновываются весовые параметры новых уста­ новок; определяются технически и экономически рациональные объемы замены традиционных материалов новыми, в том числе син­ тетическими, обладающими повышенными механическими качест­ вами, меньшей стоимостью и затратами на эксплуатацию и ремонт; определяются перспективы снижения веса установок благодаря рациональной комплектации, применения прогрессивных методов производства, использования новых средств защиты. Подробному анализу должны быть подвергнуты все основные составляющие ЭУ, включая запасы топлива, смазочных материалов, воды, зап­ частей и т. п. Устанавливается влияние веса установки на обес­ печение остойчивости судна и условия балластировки.

Габариты установки. Анализируется влияние габаритов уста­ новки на место расположения ее на судне в зависимости от экс­ плуатационных требований к конструктивному типу (например, воз­ можности расположения установки ниже главной палубы на судах с горизонтальной погрузкой, устройства машинно-котельного отде­ ления в носу судов-лихтеровозов и т. п.). Учитываются прогрессив­ ные принципы расположения оборудования на платформах или в несколько ярусов; при этом особое внимание обращается на удоб­ ства и снижение трудоемкости обслуживания и ремонта всех ком­ понентов установки.

При среднем и промежуточном расположении машинно-котель­ ного отделения должны быть учтены наличие тоннеля гребного вала и связанные с его устройством потери вместимости судна.

Мощность главного двигателя, потребная для обеспечения за­ данной скорости движения судна определенной грузоподъемности, зависит от типа главного двигателя, типа передачи, пропульспвных качеств установки, источников обеспечения энергией судовых по­ требителей. Сложная взаимосвязь перечисленных факторов, специ­ фические особенности разных типов установок и режима их эксплу­ атации предопределили то обстоятельство, что до настоящего вре­ мени не утвердилась четкая регламентация понятий мощности, несмотря на существование ведомственных нормативных докумен­ тов. Поэтому излагаемые ниже определения даются нами исходя из целей и задач экономических обоснований типа ЭУ.

166

на фланце ДВС или ТЗА как в условиях испытательного стенда, так и в условиях установки на судне.

Как правило, номинальная мощность принимается в качестве спецификационной мощности главного двигателя, значение кото­ рой, оговаривается в спецификации.

Эксплуатационная мощность главного двигателя — долевая от номинальной мощность на фланце ДВС или турбозубчатого агре­ гата (ТЗА), рекомендуемая в качестве основного режима работы в процессе длительной эксплуатации. С некоторой степенью до­ пущения при экономических обоснованиях можно принимать экс­ плуатационную мощность равной проектной.

В практике экономических обоснований цены и нормативы стои­ мости главного двигателя, а также нормативы стоимости всех про­ чих элементов судовых энергетических установок чаще всего при­ нято выражать на единицу номинальной мощности главного дви­ гателя.

Иное дело, когда определяются затраты на топливо и смазоч­ ные материалы: в этом случае расходы рассчитываются примени­ тельно к эксплуатационной мощности главного двигателя. Это обстоятельство подлежит обязательному учету, так как установки с разными типами главных судовых двигателей обладают разными коэффициентами использования номинальной мощности. Так, если эксплуатационная мощность паровой турбины практически равна номинальной, то у малооборотного ДВС коэффициент использова­ ния максимальной продолжительной мощности в эксплуатации со­ ставляет только 0,9, а иногда и 0,85. Следовательно, для обеспе­ чения равной скорости судна с заданной чистой грузоподъемностью номинальная мощность главного двигателя ЭУ с малооборотным двигателем должна быть значительно выше номинальной мощности ЭУ с паровой турбиной.

Отметим, что в особых случаях экономических обоснований перспектив развития судовых ЭУ (например, среднеоборотных дви­ гателей) оптимизация выполняется при условии изменения трех параметров: скорости вращения гребного винта, цилиндровой мощ­ ности и частоты вращения вала двигателя.

Мощность главного двигателя зависит также и от способа обес­ печения энергией производственно-бытовых нужд судна. В слу­ чаях, при которых принимается схема отбора мощности для вспо­ могательных генераторов от главного двигателя через редуктор или валопровод, мощность главного двигателя при прочих равных условиях должна быть увеличена. Учет этих факторов характерен именно для стадии поисковых исследований и эскизного проекти­ рования.

Кроме того, должны быть тщательно изучены и обоснованы способы утилизации тепла главного двигателя, в том числе с при­ менением абсорбционных холодильных машин, возможности ис­ пользования гидроприводов для ряда механизмов МКО от глав­

167