Проектирование морской транспортной системы для обслуживания нефтяных месторождений северного каспия

На правах рукописи

ПЕТРОВ МАКСИМ ПЕТРОВИЧ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОРСКОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ Специальность 05.08.03 – “Проектирование и конструкция судов”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань – 2010 1

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Лубенко Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ваганов Александр Борисович кандидат технических наук, доцент Рабазов Юрий Иванович Ведущее предприятие: ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Защита состоится 17 марта 2011 г. в 1600 в ауд. 1252 Нижегородского госу дарственного технического университета на заседании диссертационного совета Д.212.165.08 по специальности 05.08.03 – Проектирование и конструкция судов.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять Ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 603600, ГСП-41, г. Н.Новгород, ул. Минина, 24. Факс: (8312) 36-94-75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского госу дарственного технического университета.

Автореферат разослан «_» февраля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.165.08, д.т.н., профессор Грамузов Евгений Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нефть занимает основополагающее место в мировой энергетике. Доходы от продажи углеводородов являются основой бюджета России.

Сухопутные месторождения нефти истощаются, и фронт нефтедобычи вс больше сдвигается на морские шельфы. В конце 1990-х – начале 2000 годов на шельфе Кас пийского моря были открыты ряд перспективных углеводородных месторождений, геологоразведочные работы продолжаются. Актуальными задачами ближайшего будущего становятся определение оптимальной транспортной системы морской техники для облуживания каспийских шельфовых месторождений. Каспийское мо ре является внутренним, и практически весь обслуживающий флот необходимо бу дет строить на заводах прибережных городов Каспия и Волги.

Цель работы. Создание цифровой математической модели, обеспечивающей выбор наиболее эффективного варианта транспортной системы для вывоза нефти с северных и центральных месторождений российского шельфа Каспийского моря, т.е. комплекса программ для ЭВМ, производящих расчт количественных и массо габаритных характеристик требуемого комплекса морской техники на основании введнных исходных величин.

В ходе решения основной цели работы необходимо также решить следующие задачи:

1. Произвести теоретический анализ существующего состояния углеводородной индустрии на Каспии;

оценить значимость Каспийских месторождений в россий ских и мировых масштабах, а также рассмотреть принципы математического моде лирования технических систем.

2. Изучить факторы, обуславливающие выбор морских транспортировочных комплексов, а также существующие транспортные схемы Каспийского региона, на основании чего произвести выбор основных транспортных маршрутов с последую щим указанием самого оптимального.

3. Сформировать выборку характеристик существующих танкеров, точечных рейдовых причалов и трубоукладочных судов, пригодных для использования в ус ловиях Северного Каспия. На основе статистического анализа выявить функцио нальные зависимости вида y = х (DW) основных массогабаритных характеристик танкеров от дедвейта для возможности их определения в первом приближении на ранних стадиях проектирования судна.

4. На основании существующей теории, стандартов и принципов проектирова ния танкеров, баржевых составов, трубоукладочных судов, магистральных трубо проводов и точечных рейдовых причалов сформировать оптимальную расчтную методологию для условий Каспия, предназначенную для определения основных ха рактеристик вышеобозначенной морской техники в первом приближении. На осно вании данной методологии составить алгоритмы и блок-схемы цифровой математи ческой модели морской транспортной системы.

5. Предложить теоретические принципы оценки экономической эффективности вариантов и произвести соответствующую оценку оптимального маршрута транс портировки по нескольким вариантам составов танкеров. Определить срок окупае мости этих вариантов и выбрать оптимальный из них.

Объектом исследования являются комплексы морской техники для транспор тировки жидких углеводородов в условиях северной и центральной части шельфа Каспийского моря.

Предметом исследования сравнение и выбор оптимального комплекса мор ской техники для транспортировки жидких углеводородов, определение их массо габаритных характеристик в первом приближении.

Методы исследования. В работе были применены научные методы моделиро вания и сравнения на теоретическом уровне научного познания, произведена обра ботка эмпирических данных характеристик танкеров, судов-трубоукладчиков и то чечных рейдовых причалов, пригодных для эксплуатации в районе Северного Кас пия, выполнена их статистическая обработка, обобщение и анализ, а также приме нены методы математического программирования на языке Delphi. В процессе оп ределения оптимальных характеристик судов был использован метод вариаций тео рии проектирования судов.

Теоретической основой диссертации являются научные работы по дисципли нам проектирования и оптимизации судов Ашика В.В, Бронникова А. В., Богданова Б.В., Гайковича А. И., Зуева В. А., Князькова В.В, Семенова Ю. Н., Логачева С. И. и др. а также исследования по проблемам проектирования комплексов технических средств освоения Мирового океана, изложенные в работах Борисова, Р. В., Семено ва Ю. Н., Челпанова И. В., Бадасена В. А., Рыжковой Е. Н. и др.;

труды Бреслава Л.

Б., Ковалева В. В. в области экономической теории;

нормативные документы в об ласти проектирования судов и проектирования нефтепроводов;

Научная новизна исследования заключается в том, что:

- получены функциональные зависимости основных характеристик морской техники от различных аргументов на основе анализа методом наименьших квадра тов множества значений соответствующих характеристик выборок танкеров, точеч ных рейдовых причалов и судов-трубоукладчиков применимых в условиях Каспий ского моря, - составлены расчтные алгоритмы для определения основных весогабаритных и количественных характеристик транспортной морской техники, соответствующей условиям морских месторождений шельфа Каспия, - на основании сформированных алгоритмов составлена программа численного эксперимента, производящая автоматизированный расчт по нескольким направле ниям на основании исходных данных по шельфовому месторождению и выбираю щая оптимальный вариант транспортировки в критерии наименьших приведнных затрат, - с помощью полученной программы на основании технико-экономических критериев оптимизации был произведн выбор оптимального транспортного соста ва морской техники для обслуживания северных и центральных блоков нефтяных месторождений Каспия.

Практическая значимость. Полученная математическая модель позволяет осуществить в первом приближении расчт количественного состава и типов средств транспортного обслуживания шельфовых месторождений Каспийского мо ря. Заложенные в основу математической модели приближенные статистические за висимости позволяют получить в первом приближении основные характеристики танкеров, трубоукладочных судов и точечных рейдовых причалов для обслужива ния углеводородных месторождений Северного Каспия.

Предмет защиты. Обобщнная теория и методология проектирования транс портной морской техники для условий шельфовых месторождений Каспия, изло женная в соответствующих главах диссертации и в положенная в основу программы численного эксперимента для ЭВМ.

Достоверность полученных результатов подтверждается посредством ана лиза тенденций в начальном формировании инфраструктуры транспортировки неф ти Каспийского региона в настоящее время и соответствия параметров вводимых в эксплуатацию танкеров, ветвей магистральных трубопроводов, точечных рейдовых причалов, плавучих нефтехранилищ и других единиц морской техники полученным в диссертации результатам. Также производился анализ современных тенденций и достижений в области постройки и проектирования каспийских танкеров и другой шельфовой техники, их архитектурно-конструктивных особенностей, что осущест влялось посредством обоснования конструктивных групп нагрузки масс, необходи мой программной математической модели для определения их основных характери стик, использованием компьютерных программных продуктов и известных методов для решения задачи формирования транспортировочной системы для обслуживания Каспийских нефтяных месторождений.

Апробация работы. Доклад и обсуждение диссертационной работы произво дились на следующих научных конференциях:

1. LI научная конференция профессорско-преподавательского состава АГТУ (Астрахань, 2007 г.).

2. LII научная конференция профессорско-преподавательского соста ва АГТУ (Астрахань, 2008 г.).

3. Всероссийская научно-техническая конференция посвящнная 75 летию факультета морской и авиационной техники НГТУ (Нижний Нов город, 2009 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в семи науч ных статьях, в том числе пять статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, за ключения, списка литературы (163 источников) и трех приложений.

Работа изложена на 223 страницах текста, 30 страницах приложений, содержит 46 таблиц и 72 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи иссле дования, доказаны научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе производится анализ современного состояния мировой нефтя ной индустрии. Определена значимость Каспийских углеводородных месторожде ний. Нефтепродукты занимают доминирующую значимость (более 40%) в мировой энергетике.

В Мировом океане в настоящее время действует свыше 30 тыс. различных ус тановок для бурения скважин и хранения углеводородов, в том числе более плавучих буровых установок.

Россия добывает около 0,5 млрд. т. нефти в год, экспортируя из них более 60%, что составляет в два с лишним раза меньше экспорта из Саудовской Аравии и со поставимо с иранским экспортом.

Углеводородные месторождения Каспийского шельфа занимают достаточно значимое место в мире, составляя порядка 3% мировых извлекаемых запасов угле водородов (см. рис. 1), основной вклад в которые вносит группа крупнейших место рождений «Кашаган». Российские углеводородные месторождения шельфа Каспия составляют по разным прогнозам 500-1000 млн. т. извлекаемых запасов и хотя и не относятся к крупнейшим в мире или регионе, но вносят определнный значимый вклад в топливно-энергетический потенциал страны (см. рис. 2).

Печорское Карское (без Баренцево 5% заливов и губ) 26% 38% Каспийское 3% Карское (заливы и Восточно- Лаптевых губы) 3% Охотское 9% Сибирское 7% 6% Чукотское Прочие 3% 1% Рис. 1. Распределение прогнози Рис. 2. Сравнение стран и регионов руемых запасов шельфов морей с крупнейшими запасами нефти.

России.

Во второй главе осуществляется анализ углеводородной индустрии Каспий ского моря, существующих и недавно открытых шельфовых месторождений нефти и газа, возможностей существующей транспортной инфраструктуры региона для отгрузки возрастающих объмов добываемых углеводородов, а также политическая ситуация в сфере лимитации шельфа Каспия между прилегающими странами.

В конце 1990-х – начале 2000-х годов на шельфе Каспийского моря были от крыты ряд значительных углеводородных месторождений, совокупные запасы ко торых оцениваются в 3% от общемировых. Самая значительная группа месторож дений расположена на шельфе Казахстана - «Кашаган» - самое крупное нефтяное месторождение, открытое в мире за последние тридцать лет с прогнозируемыми за пасами нефти 4 – 6 млрд. т. нефти.

На российском шельфе Каспия открыты месторождения Хвалынское, «170 км», им. Ю.Корчагина, Ракушечное, Сарматское и им. В. Филановского, образующие се верный блок месторождений, а также Центральное месторождение, открытое в г. Совокупные прогнозные запасы российских шельфовых месторождений Каспия составляют более 1 млрд. т. нефти (см. рис. 3).

Рис. 3. Основные месторождения нефти северной части Каспийского моря Очевидно, что разработка новых месторождений очень благоприятно влияет на благосостояние южного региона России. Необходимость постройки нефтяной тех ники привлекает заказы на российские судостроительные заводы прикаспия, созда т новые рабочие места, привлекает инвестиции в развитие инфраструктуры края.

Благодаря наличию ряда значительных месторождений на суше (Тенгиз) и шельфе в районе г. Баку, Каспийский регион располагает довольно развитой транспортной инфраструктурой, в том числе рядом уже существующих, строящихся и проекти руемых магистральных трубопроводов.

В третьей главе теоретически обосновывается разработанная матмодель, рас сматриваются факторы, влияющие на выбор оптимальной схемы транспортировки.

Обосновывается транспортное обслуживание и маршруты транспортировки для двух российских блоков Каспийских углеводородных месторождений, а также осу ществляется анализ и выбор типов технического оснащения транспортных маршру тов (танкеров, баржевых составов, магистральных трубопроводов, рейдовых прича лов, трубоукладочного судна и плавучего нефтехранилища).

Для решения задачи определения оптимального способа транспортировки вы бирается метод моделирования. В качестве предпосылки для создания расчтной математической модели послужил анализ факторов, так или иначе влияющих на не. Были рассмотрены физико-географические, технологические, экономические, политические и экологические. Основные ограничивающие физико-географические факторы: мелководье и ледообразование на северной части Каспийского моря на период с ноября по март. Это накладывает ограничение для судов транспортных маршрутов в Астрахань, составляющее по осадке 4,5 м, а также ограничение дли тельности навигации в северной части Каспия, составляющее около 260 суток в год.

Экономические факторы были включены в математическую модель в виде расчт ных методик по определению капитальных и эксплуатационных стоимостей по стройки судов, трубопроводов и сопутствующего оборудования. Политические и экологические факторы были рассмотрены в общем виде и не были включены в расчтную математическую модель ввиду их многоаспектности и сложности фор мализации.

Российские месторождения Каспийского моря расположены в пределах двух блоков: северного в районе 44°30’ с. ш., 48° в. д. и центрального в районе 43° с. ш., 49° в. д. Соответствующей морской транспортно-добывающей инфраструктурой необходимо обеспечить каждый из этих блоков. Всего было рассмотрено восемь ва риантов транспортировки (см. рис. 8).

В главе был обоснован выбор двухэтапной схемы загрузки транспортных на ливных судов. Были рассмотрены достоинства и недостатки танкерной, баржевой и трубопроводной схем транспортировки. Среднестатистические танкеры, эксплуати рующиеся в Каспийском море, относятся к среднетоннажным, их дедвейт находится в промежутке 5 - 13 тыс. т., длина 90 - 150 м., ширина 9,5 - 17 м., высота борта 3 - м., осадка 2,5 - 7 м.

Танкерная схема характеризуется эксплуатационной гибкостью, сравнительной дешевизной, малой долей потерь, возможностью обслуживать несколько портов, не лежащих на одной прямой. Е недостатками являются: гидрометеорологическая за висимость, прерывистость работы и сравнительно высокий риск экологической ка тастрофы.

Толкаемые составы классифицируются по форме корпуса грузовых судов со става, их количеству и размещению в составе, наличию энергетической установки, по типу сцепного устройства, назначению состава и конструктивному типу корпуса, принципу эксплуатации и району плавания. Проектирование несамоходного нефте наливного флота, так же, как и сухогрузного, ведтся на основании научно обоснованных сеток типов транспортных судов.

Таблица Моделируемые схемы транспортировки нефти с Северных и Центральных месторождений российского шельфа Каспия Протяженность морского участ- Необходимая морская техника и осна Маршрут ка, км щение Состав танкеров или барж, плавучее Сев. месторождения 200 нефтехранилище, рейдовый причал.

Астрахань Подводный трубопровод, состав танке Сев. месторождения – ров или барж, плавучее нефтехранили Махачкала ще, рейдовый причал.

Сев. месторождения - Подводный трубопровод до сущест Новороссийск вующего берегового трубопровода.

Центр. месторождения – Состав танкеров или барж, плавучее Махачкала нефтехранилище, рейдовый причал.

Центр. месторождения – Подводный трубопровод до сущест Махачкала - Новорос- вующего берегового трубопровода.

сийск Альтернативой танкерной и баржевой транспортировкам выступает транспор тировка морскими магистральными трубопроводами. Их достоинства: оптималь ность по протяжнности маршрута, не требуют сопутствующего технического ос нащения (причалов, нефтехранилищ), всесезонность, практическая независимость от влияния климатических факторов, невысокие экологические риски. Недостатка ми подводных трубопроводов являются: невозможность изменения маршрута, тру домкость и дороговизна постройки.

В четвёртой главе производится обоснование структуры математической мо дели, выбор методологии, формул и зависимостей, по которым осуществляется рас чт в программе численного эксперимента. Соответствующее методологическое обоснование расчтных алгоритмов приводится последовательно для танкеров, баржевых составов, подводного трубопровода, точечного рейдового причала, пла вучего нефтехранилища, трубоукладочного судна.

Математическое моделирование состава челночных танкеров. На первом этапе расчта по танкерам был произведн статистический анализ массива нефтена ливных судов с характеристиками, пригодными для эксплуатации на северном и центральном Каспии для установления функциональных зависимостей вида X = f (DW). При формировании базы данных танкеров предпочтение было отдано как можно более современным судам, а также танкерам, наиболее точно соответствую щим эксплуатации в условиях северной части Каспийского моря, т.е. среднетон нажным танкерам водоизмещением не более 25 тыс. т., построенным в период – 2009 г. Анализ и установление зависимостей осуществлялись по методу наимень ших квадратов в программе Statistica. Полученные формулы были заложены в мат модель для определения характеристик танкеров в первом приближении. Были по лучены следующие зависимости:

Длина между перпендикулярами, м (см. рис. 5):

L = 64,3 DW0,29 (1).

Длина максимальная, м:

(2).

Lmax = 1,1 Lпп - 7, Ширина, м:

B = 10,4 DW0,25 (3).

Высота борта, м:

H = 2,2 DW0,61 (4).

Осадка, м:

T = 0,67 DW + 1,21 при 0 DW 6,6 (5).

T = 3,9 DW0,29 при DW 6,6 (6).

Водоизмещение порожнем, м (см. рис. 5):

D0 = 0,9 DW0,66 (7).

Отношение B/T, м (см. рис. 5):

B/T = 5,1 – 0,36 DW при 0 DW 8,7 (8).

B/T = 1,9 + 0,023 DW при 8,7 DW 19,8 (9).

B/T = 3,06 – 0,03 DW при DW 19,8 (10).

Отношение H/T, м (см. рис. 5):

H/T = 1,96 + Kбл(6,34 Kбл – 3,785) (11), где Kбл - коэффициент, отражающий соотношение между объмом балластных Wбл и грузовых Wгр танков.

После получения значений вышеперечисленных характеристик для рассматри ваемого варианта танкера, производится последующий расчт массово-габаритных характеристик танкера, их уточнение во втором приближении, определение требуе мого количества танкеров, а также экономический расчт стоимости приведнных затрат. Уточнение основных характеристик производится на основании уравнения масс.

Существует ряд приближенных зависимостей для определения коэффициента общей полноты в первом приближении. Принимаем следующую зависимость, как подходящую для определения мало- и среднетоннажных танкеров.

= 1,11 - 1,68 Fr, (11) где: Fr – число Фруда.

Необходимое число танкеров nт для обслуживания месторождения вычисляется на основании принятой интенсивности нефтедобычи каждого из блоков месторож дений и годовой провозоспособности рассматриваемого варианта танкера.

Далее производится расчт экономических характеристик по каждому рассмат риваемому направлению. На ранней стадии проектирования, когда завод-строитель ещ не определн, технические характеристики нового судна определяются при ближнными методами. Поэтому в этот период стоимость судна целесообразно оценивать по уравнениям регрессии, в которых в качестве факторов выступают ос новные характеристики судна.

Рис. 4. Графики функциональных зависимостей, полученные на основании ста тистического анализа массива характеристик танкеров.

Выбор оптимального варианта производится на основании расчта суммарных приведенных затрат, искомого критерия оптимизации:

З = nт (С + Е1 Ц) (12), где: nт – необходимое число танкеров для обслуживания месторождений;

С – годовые эксплуатационные расходы, млн. руб.

Е1 – отраслевой нормативный коэффициент.

Ц – стоимость постройки танкера, млн. руб.

В соответствии с приведенным алгоритмом автором была создана программа на языке Delphi для определения необходимого числа танкеров, главных размерений проектируемого танкера и необходимых затрат на постройки танкеров для обслу живания месторождения и их годовых эксплуатационных расходов. С помощью этого программного обеспечения можно осуществить выбор оптимального состава танкеров для транспортировки нефти с морских месторождений Каспия на базовые порты.

Математическое проектирование наливного баржевого состава. В обшир ных мелководных северных районах Каспийского моря транспортировка добытой нефти возможна и целесообразна баржевыми составами. Условия эксплуатации баржевых составов в отдельных мелководных районах Северного Каспия сравнимы с озрными или в крупных водохранилищах, что делает составы применимыми в летнее (нештормовое) время в Северном Каспии. Основные задачи

, решаемые ма тематической моделью – выбор оптимальных главных размерений, грузоподъмно сти и состава несамоходного флота на основании критерия приведнных затрат и сравнение их с аналогичными значениями приведнных затрат танкерного флота и прокладки и эксплуатации подводного магистрального трубопровода.

Принятая последовательность расчта аналогична методике расчта танкерного варианта, а именно последовательное определение массогабаритных, рейдовых, ко личественных и экономических характеристик составов. На первом этапе произво дится определение водоизмещения баржи с грузом по уравнению плавучести. Рас чт массы одной порожней баржи производиться путм определения отдельных статей нагрузки с помощью статистических измерителей масс. Масса металличе ского корпуса Р1 секции или баржи определяется по существующим аппроксими рующим диаграммам.

Для определения толкача требуемой мощности для рассматриваемого варианта производится расчт скорости и сопротивления воды движению баржевого состава.

Сопротивление изолированной груженой баржи, кН Rб = 3,94 10-2 Sc1 ( тр + ос) v2, (13), где: Sc1 – смоченная поверхность баржи с грузом, м2, тр – коэффициент сопротивления трения, ос – коэффициент остаточного сопротивления одной баржи.

Полное сопротивление воды движению изолированного (без толкача) гружено го баржевого состава, кН:

одной баржи в составе:

Rс = 0,95 10-2 Rб (14), состава с формулой счала 1+1:

Rс = 1,8 10-2 Rб (15), состава с формулой счала 1+1+1:

Rс = 2,55 10-2 Rб (16), состава с формулой счала 2+2:

Rс = 3,96 10-2 Rб (17), состава с формулой счала 2+2+2:

Rс = 5,57 10-2 Rб (18).

Согласно полученным величинам производится выбор толкача оптимальной мощности для конкретного баржевого состава.

Расчт экономических показателей для каждого варианта баржевого состава выполняется по методологии, применнной для вычисления аналогичных характе ристик по танкерному направлению, с применением соответствующих измерителей.

На основании приведнной методики были создана программа численного экс перимента, которая реализует расчт для различных вариантов несамоходных со ставов (формул счала) на маршруте транспортировки от северных месторождений до Астрахани. Программа определяет по критерию приведнных затрат оптималь ный состав барж, главные размерения одной баржи, скорость движения состава в грузу и порожнем, требуемый для состава тип толкача и его мощность.

Математическое моделирование магистрального транспортного трубопро вода. Небольшие значения глубин северной и центральной частей Каспийского мо ря позволяют рассматривать укладку морского магистрального трубопровода как целесообразный вариант транспортировки сырой нефти. Одним из преимуществ трубопроводного способа транспортировки в условиях Каспийского моря является наличие существующего нефтепровода Баку-Новороссийск на западном берегу Каспия. При прокладке ветвей подводного трубопровода и подключении их к суще ствующему сухопутному нефтепроводу можно существенно сократить общую про тяжнность маршрутов транспортировки по сравнению с судовыми схемами.

Выбранная расчтная методология определяет диаметр и толщину стенки тру бопровода, потери напора и количество насосных станций. Потери напора опреде ляются по формуле:

vТ L Н= (19), DВН 2g где: vт – скорость движения нефти, м/с;

Dвн – внутренний диаметр трубопровода, мм;

L – длина трубопровода или рассматриваемого участка, мм;

g – ускорение свободного падения, м2/с;

- коэффициент гидравлического сопротивления;

Поддержание в трубопроводе определенного давления по длине достигается ус тановлением промежуточных насосных станций, необходимое число которых опре деляется следующим образом:

iL h n (20), H расч hдоп где: i – величина гидравлического уклона, т.е. потери напора на трение.

L – длина трубопровода или рассматриваемого участка, м;

h – разность геодезических отметок, м;

Hрасч – расчтный напор насосной станции, тыс.м3/час;

hдоп – дополнительный напор, тыс. м3 / час.

Расчет трубопровода на прочность и устойчивость проводился по методу пре дельных состояний в соответствии с положениями СНиП 2.05.06-85. В работе при ведены номограммы, позволяющие получить численные значения величин напря жений и сопротивлений в трубопроводе, удовлетворяющих требованиям наджно сти.

Последующий экономический расчт включает в себя определение стоимости покупки и укладки труб, стоимости формирования инфраструктуры, эксплуатаци онные расходы и результирующую приведнных затрат.

На основании вышеизложенной методики была написана подпрограмма расч та и выбора основных характеристик трубопровода и его приведнных затрат на ос новании данных о протяжнности маршрута и интенсивности нефтедобычи.

Математическое моделирование одноточечного рейдового причала. Одним из технических средств, обеспечивающих танкерную и баржевую схемы транспор тировки нефти с морских месторождений шельфа Каспийского моря является пере даточный рейдовый причал. В качестве наиболее приемлемого для условий шельфа Каспия принимаем многоякорный рейдовый причал плавучего типа. Так как конст рукция швартовного устройства причала не имеет принципиальных конструктив ных отличий от подобных устройств швартовных був, применяем аналогичную расчтную схему. В расчтной программе производится расчт габаритов буя при чала, а также калибра и длины якорных цепей в зависимости от силы течения, ветра и глубины установки причала.

Максимальное швартовное усилие нагруженной цепи равно:

Тшв = Rв + Rт (21), где: Rв – усилие от ветра, действующее на танкер;

Rт – усилие от течения, действующее на танкер.

Исходными данными для выполнения расчета являются: скорость ветра, скорость течения в месте стоянки и максимальная глубина места постановки прича ла. Расчетное значение усилия от ветра Rв, Н, можно определить по формуле:

Rв = kв Sп v2эф (22), где: kв – коэффициент ветрового сопротивления, kв = 1 Н с м.

2 - Sп – приведнная площадь парусности, м2;

Усилие от течения находят по формуле:

vТ RТ (23), где:

- безразмерный коэффициент сопротивления, вычисляемый методами теории корабля, vТ - скоростной напор, - площадь смоченной поверхности, м2.

F – сила трения якорного каната о грунт:

(24), F=qaf где: f – коэффициент трения якорного каната о грунт.

a – длина лежащей на грунте якорной цепи, м.

q – интенсивность нагрузки якорного каната, Н/м;

Объмное водоизмещение погруженной части причала определяется из уравне ния равновесия причала:

V = Pб + Р ц (25), где: V - объмное водоизмещение погруженной части причала, м ;

- массовая плотность морской воды, = 1,025 т/м3;

Рб – водоизмещение причала, т.;

Рц – суммарная нагрузка от провисающих цепей причала, т;

Высота, диаметр и осадка буя причала вычисляются с помощью приближнных зависимостей, полученных статистическими методами:

(26), Hп = 0,44 dп (27), tп = 0,23 dп dп = 1,77 V (28).

На основании данной методики была создана расчтная подпрограмма, которая на основании исходных данных (параметров плавучего нефтехранилища) определя ет основные характеристики точечного рейдового причала.

Математическое моделирование плавучего нефтехранилища. Одним из технических средств реализации танкерной и баржевой схем транспортировки неф ти с шельфа Каспийского моря является морское нефтехранилище. В качестве наи более приемлемого принимаем нефтехранилище плавучего типа, получаемое путм переоборудования танкера необходимой грузовместимости, срок эксплуатации ко торого приближается к окончанию. Вместимость танкера-претендента может быть рассчитана по формуле:

0,07) Кзп q (29), Wт = (1 0,07) Wхр = ( где: Wхр – необходимая мкость нефтехранилища, м ;

q – объм суточной добычи нефти, м3/сут;

Кзп – коэффициент запаса, зависящий от района установки хранилища. Для рай она морских месторождений Каспия принимаем Кзп = 3.

На основании полученного значения грузовместимости программа численного эксперимента производит выбор требуемого по характеристикам танкера из масси ва, заложенной в ней базы данных. Далее производится уточняющий перерасчт значения полного водоизмещения. В связи с тем, что переоборудование танкера в нефтехранилище влечт за собой демонтаж части оборудования и систем, а также монтаж нового оборудования, значение полного водоизмещения будет отлично от исходного. К числу демонтируемого оборудования относятся: главный двигатель, валопровод, винт и т. п. Вновь устанавливаемое оборудование и системы включает в себя: усиления корпусной конструкции, дополнительную катодную защиту, уст ройства швартовки, грузовые насосы, вертолтную площадку и прочее. Расчт каж дой дополнительной или снимаемой нагрузки осуществляется с помощью статисти ческих измерителей масс. Таким образом, полное водоизмещение Dхр переоборудо ванного нефтехранилища определяется по формуле:

Dхр = D0т – Руст. об. – Рсн. об. + Рсн + Wт н, (30) хр где: D0 – водоизмещение порожнем танкера-претендента, т;

Руст. об. – масса дополнительно устанавливаемого оборудования, т;

Рсн. об. – масса снимаемого оборудования, т;

Рсн – масса снабжения (экипаж, провизия, пресная вода и т. п.), т;

н – плотность нефти, т/м3;

В соответствии с приведнным алгоритмом было создано расчтная программа для определения основных элементов плавучего нефтехранилища.

Математическое моделирование трубоукладочного судна. В качестве наибо лее целесообразного трубоукладчика для освоения мелководных морских месторо ждений Северного Каспия принято несамоходное трубоукладочное судно водоиз мещающего типа. Обычно оно представляет собой прямоугольный в плане понтон с вырезом в ДП на части длины для установки стингера (см. рис. 5).

Рис. 5. Схема функционирования типичного трубоукладочного судна.

1 – укладываемый трубопровод, 2 – судно-трубоукладчик, 3 – вспомогательное суд но для завоза якорей, 4 – якорь.

В объме математической модели расчт главных размерений трубоукладочно го судна осуществляется по статистическим приближенным зависимостям. Выбор остальных характеристик судна и уточнение главных размерений основывается на совместном решении уравнений плавучести, масс и остойчивости, а также на расч те основных статей нагрузки от соответствующих статистических измерителей. Та ким образом, имея численные значения всех составляющих нагрузок судна можно вычислить величину водоизмещения судна во втором приближении, а следователь но уточнить значения главных размерений.

В соответствии с приведенным алгоритмом была создана расчтная программа для определения основных элементов трубоукладочного судна водоизмещающего типа.

В пятой главе производится обоснование структуры и последовательности расчтов, составление алгоритмов и программных блок-схем. Также в главе осуще ствляется анализ полученных данных по каждому из рассматриваемых вариантов и выбор оптимального из них Укрупннная блок-схема алгоритма проектирования технических средств транспортировки нефти с морских месторождений Каспия представлена на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема программы численного эксперимента для определения опти мального способа транспортировки углеводородов Каспийского шельфа.

Программа выполняет расчт по трм направлениям: танкерному, баржевому и трубопроводному. Оптимальный вариант из них выбирается в критерии приведн ных затрат. В случае признания оптимальным танкерного или баржевого варианта, происходит переход к блокам расчта основных характеристик точечного рейдового причала и плавучего нефтехранилища. В случае признания оптимальным трубопро водного варианта происходит переход к блоку расчта основных характеристик трубоукладочного судна. После всех расчтных блоков, следует вывод всех резуль татов расчта на экран с возможностью их отправки на устройство печати.

В качестве исходных данных для математической модели были приняты интен сивности нефтедобычи Q с каждого из блоков месторождений и протяжнности маршрутов транспортировки R. Для судовых маршрутов при расчте оптимума варьировались габаритные характеристики, а также скорости и грузоподъмности.

Для каждого из этих вариантов было получено конечное значение критерия опти мизации, значение стоимости приведнных затрат. По данному критерию был вы бран оптимальный состав флота и характеристики каждого судна (танкера или бар жи). Также производится расчт стоимостей трубопроводных маршрутов в соответ ствии с введнной исходной величиной протяжнности подводного трубопровода R и интенсивности нефтедобычи Q. Интерфейс программы численного эксперимента представлен на рис. 7.

Рис. 7. Интерфейс программы численного эксперимента для определения оптималь ного способа транспортировки углеводородов Каспийского шельфа.

Для танкерного варианта величина эксплуатационной скорости варьируется в пределах 7-14 узлов, величина грузоподъмности варьируется от 4 до 6,5 тыс. т. По следнее диктуется малыми глубинами Северного Каспия. Сравнительно небольшой диапазон величин грузоподъмностей рассматривался в связи с ограничением по осадке для плавучих транспортировочных средств по маршруту от блока северных месторождений до Астрахани, которое составляют 4 м.

Расчёт для блока Северных месторождений был осуществлён для пяти ва риантов транспортировки (см. рис. 8):

1. Танкерная схема транспортировки по маршруту в порт Астрахань.

- объм годовых грузоперевозок: 7,8 млн. т. в год - средняя удалнность блока месторождений от порта Астрахань: 200 км.

- диапазон значений скоростей 7 - 14 узлов - диапазон значений дедвейта 4 - 6,5 тыс. т. с шагом 150 т.

- ограничение по осадке 4 м.

2. Трубопроводно-танкерная схема транспортировки по маршруту в порт Ма хачкала – от промысла до плавучего причала по трубопроводу, от плавучего прича ла до Махачкалы танкерами:

- объм годовых грузоперевозок: 7,8 млн. т. в год - протяженность танкерного маршрута до плавучего причала: 175 км.

- протяженность подводного трубопровода: 63 км.

- диапазон значений скоростей танкеров 7-14 узлов - диапазон значений дедвейта 6-26 тыс. т. с шагом 1200 т.

3. Баржевая схема транспортировки по маршруту в Астрахань - объм годовых грузоперевозок: 7,8 млн. т. в год - средняя удалнность блока месторождений от порта Астрахань: 200 км.

- диапазон значений длины одной баржи в составе: 50-110 м.

- диапазон значений ширины одной баржи в составе 8-16 м.

- ограничение по осадке 4 м.

Рис. 8. Рассматриваемые варианты транспортировки российской нефти Каспийского моря. 1 – Северные месторождения – Астрахань, 2 – Северные месторождения – Махачкала, 3 – Центральные месторождения – Махачкала, 4 – Северные месторож дения – Новороссийск, 5 - Центральные месторождения – Махачкала – Новорос сийск.

4. Трубопроводно-баржевая схема транспортировки по маршруту в порт Ма хачкала:

- объм годовых грузоперевозок: 7,8 млн. т. в год - протяженность подводного трубопровода: 63 км.

- протяженность баржевого маршрута: 175 км.

- диапазон значений длины одной баржи в составе: 50-110 м.

- диапазон значений ширины одной баржи в составе 8-16 м.

- диапазон значений высоты борта одной баржи в составе 4-6 м.

5. Трубопроводная схема транспортировки от промысла до берегового терми нала в районе порта Махачкала:

- объм годовой транспортировки: 7,8 млн. т.

- протяжнность трубопровода: 127 км по дну, 38 км. по суше.

Оптимальным вариантом транспортировки нефти с Северного блока морских месторождений Каспия со средней интенсивностью нефтедобычи 7,8 млн. т. в год является транспортировка по подводному магистральному трубопроводу в северной части Каспийского моря с последующим подключением к существующему магист ральному трубопроводу Баку-Новороссийск, проходящему вблизи западного побе режья Каспийского моря общей длиной 163 км., диаметром 530 мм.

Таблица Оптимальный танкерно-трубопроводный вариант транспортировки нефти с блока Северных морских месторождений Каспия по маршруту в порт Махач кала(Q=7,8 млн. т./год) Участок транспортировки танкерами (R=175 км) Дедвейт т. Длина между перпендикулярами м 155, Длина максимальная м 164, Ширина м 22, Осадка м 9, Высота борта м 14, Водоизмещение в полном грузу т. Коэффициент общей полноты - 0, Скорость уз. 8, Мощность ГЭУ кВт Время кругового рейса сут. 2, Число рейсов за навигацию ед. Достаточное количество танкеров на линии ед. Суммарные капитальные затраты млн. руб. Суммарные эксплуатационные затраты млн. руб. 98, Суммарные приведнные затраты млн. руб. 844, Участок трубопровода (R=63 км) Длина трубопровода км Наружный диаметр трубопровода мм Толщина стенки мм 9, Суммарные капитальные затраты млн. руб. Суммарные эксплуатационные затраты млн. руб. 98, Суммарные приведнные затраты млн. руб. Итого Удельные приведённые затраты руб./т. 156, Таблица Оптимальный трубопроводный вариант транспортировки нефти с блока Северных морских месторождений Каспия (Q=7,8 млн. т./год) Длина подводной части трубопровода км Длина части трубопровода на суше км Наружный диаметр трубопровода мм Толщина стенки мм Суммарные капитальные затраты млн.руб. Суммарные эксплуатационные затраты млн.руб. 257, Суммарные приведнные затраты млн.руб. 891, Удельные приведённые затраты руб./т. 114, В связи с прохождением подводного трубопровода вблизи заповедных зон и возможной недопустимости проекта реализации его постройки и ввода в строй, сре ди анализируемых результатов также рассматривается второй вариант по минимуму значения критерия приведнных затрат, а именно трубопроводно-танкерный вари ант транспортировки, включающий себя монтаж подводного трубопровода длиной 63 км до плавучего причала, установленного на границе зоны зимнего ледообразо вания с последующей транспортировкой нефти двумя танкерами дедвейтом 19200 т.

в порт Махачкала.

Расчёт для центрального блока месторождений был осуществлён для трёх маршрутов транспортировки (см. рис. 9).

1. Танкерная схема транспортировки по маршруту в порт Махачкала.

- объм годовых грузоперевозок: 4,3 млн. т. в год - средняя удалнность блока месторождений от порта Астрахань: 120 км.

- диапазон значений скоростей 7-14 узлов - диапазон значений дедвейта 6-26 тыс. т. с шагом 1200 т.

2. Баржевая схема транспортировки по маршруту в Астрахань.

- объм годовых грузоперевозок: 4,3 млн. т. в год - средняя удалнность блока месторождений от порта Астрахань: 120 км.

- диапазон значений длины одной баржи в составе: 50-110 м.

- диапазон значений ширины одной баржи в составе 8-16 м.

3. Трубопроводная схема транспортировки.

- объм годовой транспортировки: 4,3 млн. т.

- протяжнность трубопровода: 112 км по дну, 8 км. по суше.

Рис. 9. Зависимость суммарных Рис. 10. Зависимость числа танке приведнных затрат от дедвейта ров от их дедвейта на маршруте от танкеров на маршруте от блока блока Северных месторождений до Северных месторождений до пор порта Махачкала та Махачкала Оптимальным вариантом транспортировки по критерию приведнных затрат является танкерный. В отличие от блока Северных месторождений, рассматривае мые маршруты центрального блока и судовые, и трубопроводный - примерно равны по протяжнности. Анализируя экономические результаты расчтов, заметна суще ственная дороговизна постройки и эксплуатации трубопроводного варианта по сравнению с судовыми. Также заметны более низкие величины приведнных затрат на судовые варианты транспортировки по сравнению с аналогичными величинами для Северного блока месторождений (см. рис. 9, 10), что можно объяснить боль шими глубинами центральной части Каспийского моря и возможностью использо вания меньшего количества танкеров большей грузовместимости, по сравнению с мелководной северной частью Каспия.

Характеристики оптимального танкера из множества рассмотренных приведе ны в табл. 4. Резкое падение величины приведнных затрат на графике рис. 9 в рай оне дедвейтов 10000 – 15000 т. объясняется возможностью использования меньшего количества танкеров с возрастанием их грузовместимости. Дешевизна низкоскоро стных судов по сравнению с более скоростными объясняется возможностью эконо мии на использовании менее мощной главной силовой установки и меньшими рас ходами топлива, а также сравнительно небольшой протяжнностью маршрута ( км), при заданной интенсивности нефтедобычи.

Рис. 11. Зависимость суммарных Рис. 12. Зависимость числа танке приведнных затрат от дедвейта ров от их дедвейта на маршруте от танкеров на маршруте от блока блока Центральных месторожде Центральных месторождений до ний до порта Махачкала порта Махачкала В качестве оптимумов получаем два танкера дедвейтом 19200 т. для северных месторождений и один танкер дедвейтом 13200 т. для южных промыслов. Предпо лагая, что сравнительно небольшой по объму заказ на постройку будет осуществ ляться на одном заводе, из соображений серийности, снижения капитальных затрат и ускорения постройки был также рассмотрен вариант на постройку трх танкеров, равных по своим характеристикам (см. рис. 13). Далее в диссертации был произве дн расчет экономической эффективности этих двух вариантов для выбора опти мального из них и для определения срока окупаемости проекта.

Данный расчт реализовывался с помощью экономическому методу оценки по суммарной дисконтированной прибыли (NPV). Этот метод основан на сопоставле нии величины исходной инвестиции (I) с общей суммой дисконтированных чистых денежных поступлений NPV, генерируемых ею в течение прогнозируемого срока:

tn S t (1 r ) I NPV = (31), t где: St – поток реальных денег в год t (приток имеет знак «+», отток – знак «-», ден. ед.

n – срок действия проекта (горизонт расчта), годы;

r – ставка дисконта (относительные единицы);

I0 = S0 – первоначальные инвестиции, ден. ед.

Таблица Оптимальный танкерный вариант транспортировки нефти с блока центральных морских месторождений Каспия по маршруту в порт Махачкала (R=120 км., Q=4,3 млн. т./год) Дедвейт т. Длина между перпендикулярами м 139, Длина максимальная м 146, Ширина м 20, Осадка м 8, Высота борта м 11, Водоизмещение в полном грузу т. Коэффициент общей полноты - 0, Скорость уз. Мощность ГЭУ кВт Время кругового рейса сут. 1, Число рейсов за навигацию ед. 222, Достаточное количество танкеров на линии ед. Суммарные капитальные затраты млн. руб. Суммарные эксплуатационные затраты млн. руб. 89, Суммарные приведнные затраты млн. руб. 244, Удельные приведнные затраты руб./т. 56, Вариант Вариант Рис. 13. Зависимость суммарных Рис. 14. Динамика суммарной дис приведнных затрат для двух ли контированной прибыли для двух ний транспортировки от дедвейта вариантов транспортировки танкера Экономическая оценка эффективности проекта танкерного флота для транспор тировки нефти с морских месторождений в базовые порты производится на сле дующих условиях:

- расчты выполнены на тридцатилетний период, с 2010 - 2040 г., в двух вари антах состава танкерного флота. Вариант 1: два танкера дедвейтом 19200 т. и 1 тан кер дедвейтом 13200 т. Вариант 2: 3 танкера дедвейтом 18 тыс. т.

- момент приведения разновременных инвестиций – начало 2010 г. и 2016 г.

- объм годовых перевозок нефти составляет 12,1 млн. т., перевозки нефти про изводятся круглосуточно;

Графическое представление результатов расчтов основных показателей эко номического сравнения двух вариантов приведены на рис. 14. Результаты расчтов показывают, что в перспективе наивысшей экономической эффективностью облада ет реализация первого проекта танкерного флота для транспортировки нефти с мор ских месторождений Каспия. Инвестиции по первому и второму вариантам начи нают окупаться через 10 и 14 лет соответственно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Обоснована схема транспортировки нефти с российских морских месторож дений Каспия. Проанализированы особенности судов и технических средств транс портировки нефти с морских месторождений.

2. Созданы базы данных по современным танкерам, одноточечным многоякор ным рейдовым причалам плавучего типа и трубоукладочным судам водоизмещаю щего типа. Анализируя их основные элементы методом наименьших квадратов, по лучены формулы для определения основных характеристик танкеров, одноточечных рейдовых причалов и трубоукладочных судов.

3. Разработаны математические модели проектирования танкера, баржевого со става и сети подводных трубопроводов для транспортировки нефти с российских морских месторождений Каспия. Построен алгоритм выбора оптимального вариан та транспортировки нефти с морских месторождений из трех вариантов – танкера ми, баржевыми составами и по подводным нефтепроводам.

4. Разработана математическая модель проектирования одноточечного рейдово го причала плавучего типа. Построен алгоритм определения основных характери стик одноточечного рейдового причала.

5. Разработана математическая модель проектирования плавучего нефтехрани лища. Построен алгоритм определения основных характеристик плавучего нефте хранилища.

6. Разработана математическая модель проектирования трубоукладочного судна водоизмещающего типа. Построен алгоритм определения основных характеристик трубоукладочного судна водоизмещающего типа для прокладки трубопровода на северном шельфе Каспийского моря.

7. На базе разработанных матмоделей созданы соответствующие подпрограм мы, которые скомпилированы в прикладную программу численного эксперимента.

8. С помощью программы получены основные параметры рассмотренных транспортировочных маршрутов и осуществлн выбор оптимальных. Для северного блока морских месторождений с учтом нахождения его в зоне ледообразования оп тимальным вариантом транспортировки нефти является монтаж подводного маги стрального трубопровода общей длиной 163 км, диаметром 530 мм с подключением к существующему трубопроводу Баку – Новороссийск. Учитывая, что трасса проек тируемого нефтепровода проходит вблизи морских заповедных зон, также был про анализирован второй по инвестиционной привлекательности проект для обслужи вания блока Северных месторождений, а именно вариант транспортировки нефти двумя танкерами дедвейтом 19200 т. в порт Махачкала. Оптимальным вариантом обслуживания блока Центральных месторождений является транспортировка с ис пользованием одного танкера дедвейтом 13200 т. в порт Махачкала.

9. Рассматривая обслуживание всех месторождений танкерами одного проекта, был выявлен оптимальный вариант единого танкера дедвейтом 18000 т., достаточ ное количество танкеров на всех линиях: 3 ед.

10. Сформулированы рекомендации по применению современных методов оценки проектов для экономической оценки танкерного флота для транспортировки нефти с морских месторождений на базовые порты. Выполнена экономическая оценка эффективности танкерного флота для транспортировки нефти с российских морских месторождений Каспия на базовые порты на перспективу. Расчеты выпол нены на тридцатилетний период, с 2010 до 2040 года, в двух вариантах состава тан керного флота. Вариант 1: два танкера дедвейтом 19200 т. и один танкер дедвейтом 13200 т. Вариант 2: три танкера дедвейтом 18000 т.

11. Результаты расчетов показывают, что в перспективе наивысшей экономиче ской эффективностью обладает реализация варианта проекта танкерного флота для транспортировки нефти с морских месторождений по двум транспортировочным маршрутам в порт Махачкала.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях Перечня ВАК РФ:

1. Петров М. П., Лубенко В. Н. Перспективы морской добычи нефти и газа на шельфе Северного Каспия и возможные способы их транспортировки // Вестник АГТУ. – Астрахань, 2008. – №2 (43). – С. 222-227.

2. Петров М. П., Лубенко В. Н. Факторы, влияющие на выбор оптимальной схемы транспортировки углеводородов шельфа Каспийского моря // Вестник АГТУ.

Серия морская техника. – Астрахань, 2009 г. - №1. – С. 13-17.

3. Петров М. П., Лубенко В. Н. Математическое моделирование определения оптимальных характеристик и состава челночных танкеров для транспортировки углеводородов российских месторождений Каспийского шельфа // Вестник АГТУ.

Серия морская техника. – Астрахань, 2010. - №1 – С. 13-18.

4. Пичугин Д. А., Петров М. П., Лубенко В. Н. Определение состава судов снабжения морских буровых установок на Северном Каспии // Вестник АГТУ. Се рия морская техника. – Астрахань, 2010. – С. 25-29.

5. Петров М. П., Лубенко В. Н. Характеристики современных челночных тан керов, пригодных для обслуживания углеводородных месторождений Северного Каспия // Вестник АГТУ. Серия морская техника. – Астрахань, 2010. - №2– С. 21-24.

Прочие публикации:

6. Петров М. П., Пичугин Д. А., Лубенко В. Н. Математическое моделирова ние определения оптимального типа и состава морских транспортных средств для обслуживания углеводородных месторождений Северного Каспия // Доклады все российской научно-технической конференции, посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники НГТУ. – Нижний Новгород, 2009 г. – Сборник докладов. – С. 59-64.

7. Петров М. П., Лубенко В. Н. Математическое моделирование процесса про ектирования плавучего нефтехранилища // Журнал публикаций аспирантов и докто рантов. – Курск, 2010 г. - №5. – С. 119-120.

_ Подписано в печать..2010 г. Формат 60х84/16.

Уч.-изд. л. 1,4. Тираж_экз. Заказ №_ Издательство Типография_