Гидравлический проектный расчет судовой балластно-осушительной системы

Выбор эффективных технологий и разумных стратегий для обеспечения соответствия более строгим международным правилам в отношении балластных вод — это вопросы, на которых необходимо сосредоточить внимание [1]. В частности, вспомогательные расходы, связанные с применением правил, могут стать значительным бременем для операторов судов, особенно тех, у кого старые суда, где затраты на техническое обслуживание высоки. Из-за этих ограничений на морской транспорт, который считается конкурентной альтернативой для других видов транспорта, директивным органам в области морского транспорта в каждой стране, возможно, потребуется проявлять осмотрительность при принятии решений. Тем не менее, в немногих исследованиях оценивались существующие альтернативы, которые могут снизить риск вторжения из-за сброса балластных вод, и еще меньше было разработано общих систем для определения оптимальной технологии. Соответственно, в исследовании [1], проводится эмпирический анализ, фокусирующийся на альтернативах систем обработки балласта, рассматриваемых корейскими судоходными компаниями. В качестве основного подхода проводятся опросы и интервью для изучения того, как реальные направления реагирования корейских судоходных компаний помогают справиться с Международной конвенцией по контролю судовых балластных вод и осадков и управлению ими. Результаты показывают, что среди 15 подкритериев, рассматриваемых корейскими судоходными компаниями для принятия мер реагирования, одобрение является наиболее значительным фактором. Кроме того, в ходе анализа описаний корейских судоходных компаний была замечена разница в реагировании в зависимости от размера фирмы и возраста судов.

Результаты этого исследования содержат предложения по разработке государственной политики в области управления балластными водами в судоходной отрасли [1].

Морская отрасль играет жизненно важную роль в развитии национальной экономики. Увеличение количества судов приносит все больше и больше пользы экономике. Напротив, морское экономическое развитие постепенно оказывает влияние на морскую среду, особенно на водную среду океана. Авторы [2] предлагают некоторые современные решения по очистке сточных вод для ограничения поступления океанской воды из морской промышленности и судостроения. Результаты исследований имеют большое значение для науки об окружающей среде и земле, в частности, для морской индустрии.

Целью работы [3] является разработка тематического исследования для улучшения управления балластными водами в портах Черного моря. Дается подробное объяснение основных вопросов, связанных с контролем интродукции морских некоренных видов через балластные воды, сбрасываемые судами во время их операций в портах. Дается количественная оценка балластной воды, сбрасываемой в основных портах Черного моря, и количества вторгшихся видов, которые могли бы достичь этих портов. Хотя, с глобальной точки зрения, проблема управления балластными водами является реальностью, но не все страны Черноморского бассейна приняли Международную конвенцию об управлении судовыми балластными водами и осадками. Она также известна как Конвенция об управлении водным балластом, образующимся в результате судоходной деятельности. В ней содержатся положения, касающиеся управления водным балластом, посредством общего набора правил [3].

Случайное попадание неродственных водных видов обычно происходит при транспортировке через балластные воды. По всему миру разрабатываются и внедряются планы управления балластными водами для предотвращения распространения неродственных водных видов. Однако для управления морской средой учет мнений заинтересованных сторон при разработке и формулировании планов управления является ключом к достижению успешной реализации. В исследовании [4] использовались качественные интервью и обоснованная теория, чтобы выявить влияющие факторы и концептуальную модель восприятия заинтересованными сторонами вопросов управления балластными водами. Взаимодействие концептуальной мо- дели "давление–состояние–реакция", основанной на обоснованной теории, было создано для уточнения восприятия заинтересованных сторон. Результаты исследования показали, что местное управление балластными водами требует развития технической компетентности и комплексного контроля со стороны государства, конкретного порта. Международный торговый порт может быть использован в качестве площадки для демонстрации эффективности и потенциальных преимуществ внедрения управления балластными водами благодаря его возможности подключения к международным сетям. Законодательство, геодезия, мониторинг, институциональный потенциал, информационно-пропагандистская деятельность, образование являются основополагающими площадками для организации борьбы с морскими биоинвазиями. Инициирование мер по управлению балластными водами в рамках портового менеджмента, направлено на укрепление потенциала по борьбе с загрязнением морской среды, в том числе, с биологическим вторжением в морскую среду [4].

Материалы и методы

В [5] предложен метод определения гидравлических параметров судовых трубопроводных систем. Так как постановка задачи выполнена в широком диапазоне задаваемых условий, нет возможности решить поставленную задачу аналитически. Для ее решения использован специально разработанный численный метод.

В данной статье рассмотрим проектную задачу при следующих ограничениях:

• -    область гидравлического сопротивления трубопровода квадратичная (автомодельная),

• -    рабочая часть расходно-напорной характеристики насоса, описывается двучленом:

H P ( Q ) = H 0 + a∙Q ²,             (1)

где    H P ( Q ) – напор насоса, м;

• Q – подача насоса, м³/с;

H 0 , a – размерные эмпирические константы, определяемые по экспериментальным данным.

В [6, 7] было показано, что для моделирования зависимости H P ( Q ) во всем диапазоне подач необходимо использовать квадратный трехчлен, а в отдельных случаях – даже полином третьей степени. Однако в узком диапазоне подач вполне приемлемую точность аппроксимации дает двучлен (1), как, например, в [8].

Гидравлическая характеристика трубопровода может быть записана:

H T ( Q ) = H C + b∙Q ²,          (2)

где    H С – статический напор трубопровода,

м;

b – размерный коэффициент сопротивления трубопровода, с²/м⁵, определяется по формуле:

b = 8(λ∙ L/d + m∙ ζ BP + ζ 0 )/(π² d ⁴ g ),  (3)

где g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

L – длина трубопровода, м;

d – внутренний диаметр трубопровода, м;

m – количество поворотов трубопровода (на 90 градусов);

ζ BP = 1,4 – коэффициент потерь напора в каждом повороте;

ζ 0 – суммарный коэффициент потерь напора в других местных сопротивлениях, например, вентилях;

λ = 0,11(∆/ d )^0,25 – коэффициент потерь напора по длине трубопровода в автомодельной области сопротивления.

В рабочей точке насосной установки H P ( Q ) = H T ( Q ). Приравнивая правые части формул (1) и (2), получим подачу насоса в рабочей точке:

Q pt = . I H 0 - H C ,           (4)

b - a где b рассчитывается по формуле (3). Величина b будет постоянной, если в трубопроводе реализована квадратичная область гидравлического сопротивления.

В качестве примера рассмотрим гидравлический расчет балластно-осушительной системы самоходного сухогрузного судна проекта АО РЦПКБ «Стапель» (табл.) [9].

Таблица 1 – Данные проекта

Длина габаритная, м	111,3	Объем грузовых трюмов, м3	6269
Ширина габаритная, м	16,5	Грузоподъемность в реке, т.	3000
Высота борта, м	5,8	Осадка в реке по ЛГВЛ, м	3,6
Водоизмещение порожнем, т	1941	Грузоподъемность в море, т	5000
Осадка порожнем, м	1,24	Осадка в море по ЛГВЛ, м	4,3
Мощность гл. двигателей, кВт	2х720	Автономность плавания, сут.	13
Скорость хода, узл.	11	Экипаж, чел.	12

Тип судна – самоходное сухогрузное судно с тремя грузовыми трюмами, оборудованными водонепроницаемыми люковыми закрытиями съемного типа, с машинным отделением и надстройкой в корме.

Назначение судна – перевозка минерально-строительных материалов, тарно-штучных, навалочных и генеральных грузов, включая зерно и опасные грузы (уголь и сера в упаковке).

Перевозка груза на крышках грузовых трюмов не предусматривается. Перемещение крышек выполняется судовым козловым краном.

Грузоподъемность – 3500 тонн в реке, 5000 тонн в море.

Класс судна – + М-СП 4,5 (лед 10) А.

Проект судна выполнен с учетом требований РС для целей дальнейшей переклассификации на класс РС «КМ * R2-RSN(4.5)AUT3»

Результаты исследования

Согласно указанному проекту в системе предусмотрены два самовсасывающих вертикальных центробежных электронасоса 200CLZ-12 производительностью 250 м3/час (или 0,06944 м3/с) каждый при напоре 30 м. На рис. 1 представлена расходно-напорная характери- стика этого насоса. Точками показаны экспериментальные данные производителя из Китая [10]. Линия – результат расчета по формуле (1). Найденные значения эмпирических констант:

H 0 = 45,5 м; a =–3,429∙10³ с²/м⁵.

На рис. 2 представлена зависимость затраченной мощности N насоса 200CLZ-12 от подачи. Для аппроксимации экспериментальных точек получен квадратный трехчлен:

N ( Q ) = 20,1 + 103,2 ∙Q – 331,3 ∙Q ². (5)

Рисунок 1 – Расходно-напорная характеристика насоса 200CLZ-12 : Точки экспериментальные данные [10], линия – расчет по формуле (1)

По формулам (3), (4) рассчитаем подачу насоса в рабочей точке. По рис. 3 видно, как с увеличением диаметра трубопровода растет подача. При увеличении количества поворотов расход заметно падает.

Рисунок 2 - Зависимость затраченной мощности насоса 200CLZ-12 от подачи : Точки экспериментальные данные [10], линия – расчет по формуле (5)

Рисунок 3 - Зависимость расхода в рабочей точке от диаметра трубопровода при L= 200 м, Δ=0,2 мм и различном количестве поворотов : 1 – m =10, 2 – m =25, 3 – m =50

Подставляя QH PТ в формулу (1) получим напор насоса в рабочей точке (рис. 4), а в формулу (5) – затраченную мощность насоса в рабочей точке (рис. 5). Увеличение сила m приводит к увеличению как напора, так и затраченной мощности насоса.

Рисунок 4 - Зависимость напора в рабочей точке от диаметра трубопровода при различном количестве поворотов: 1 - m =10, 2 - m =25, 3 - m =50

Заключение и обсуждение

В проектных расчетах по предложенным формулам могут быть подобраны и другие параметры трубопроводных систем. Так на рис. 6 представлена зависимость расхода в рабочей точке от длины трубопровода при различной абсолютной шероховатости. Увеличение длины трубопровода и Δ ведет к заметному снижению подачи в рабочей точке.

Рисунок 5 - Зависимость затраченной мощности насоса в рабочей точке от диаметра трубопровода при различном количестве поворотов: 1 - m =10, 2 – m =25, 3 – m =50

Рисунок 6 - Зависимость расхода в рабочей точке от длины трубопровода при d= 150 мм, m =25 и различной абсолютной шероховатости : 1 – Δ=0,1 мм, 2 – Δ=0,2 мм 3 – Δ=0,4 мм