Широкое использование природного газа привело к созданию двух основных дополняющих друг друга видов его транспортировки - разветвленной системы трубопроводов и морских судов-газовозов для перевозки этого вида топлива. Наиболее активно в настоящее время развита система перевозки морским транспортом. Что сегодня представляет собой эта система и какие суда существуют в арсенале российских компаний?
При создании инфраструктуры для транспортировки природного газа (ПГ) в России до недавнего времени ориентировались преимущественно на трубопроводные системы, в результате чего была создана самая протяженная в мире сеть магистральных трубопроводов, а производство оборудования для трубопроводных систем было полностью локализовано в России. В то же время, в области морских перевозок ПГ в России существует определенное отставание, как в части объемов перевозок природного газа в сжиженном виде (СПГ), так и в части производственно-технологической базы: подавляющее большинство оборудования, необходимого для создания судов-газовозов СПГ и береговой инфраструктуры по сжижению и регазификации, не имеет отечественных аналогов.
Однако транспортировка природного газа водными средствами имеет ряд важных преимуществ, к которым относятся: отсутствие технической привязки поставщика к получателю, меньшая зависимость от географических препятствий на маршруте доставки, высокая экономическая эффективность при перевозках на большие расстояния, меньшая уязвимость от геополитических факторов и региональной нестабильности, масштабируемость поставок. Все это предопределило активное развитие зарубежного флота судов-газовозов, численность которых начиная с 1959 года стабильно растет и в настоящее время составляет почти 400 судов, а доля природного газа, перевозимого морским транспортом, в общей доле мирового экспорта составляет ок. 30%. В России эта доля составляет ок. 13% благодаря запущенному в 2009 проекту «Сахалин». Однако, несмотря на известные экономические трудности, технология перевозки СПГ водным транспортом имеет большие перспективы дальнейшего активного развития в нашей стране. Можно выделить целый ряд направлений развития СПГ-проектов в России, которые характеризуются различными объемами перевозок и техническими аспектами использования СПГ:
· экспорт СПГ от месторождений замерзающих морей (проект «Ямал СПГ» по освоению Южно-Тамбейского ГКМ) в том числе по трассам Северного морского пути [1,3],
· внутренние и экспортные перевозки СПГ судами смешанного «река-море» плавания [2],
· использование СПГ в качестве моторного топлива для судов [4].
Внешний вид перспективных судов-газовозов СПГ показан на рис.1.
Не останавливаясь детально на каждом из направлений, отметим лишь общую для них проблематику: в условиях России практически все проекты по перевозке СПГ водным транспортом оказываются уникальными, а требуемые суда-газовозы – нетипичными для мирового флота. Этот факт обусловлен природными и инфраструктурными особенностями России: арктические месторождения покрыты тяжелыми льдами, единая глубоководная система имеет жесткие габаритные и скоростные ограничения, потенциальные потребители СПГ удалены на большие расстояния и т.д.
Создание нетипичных транспортных систем требует особенного внимания на этапе их концептуальных проработок и технико-экономического анализа и характеризуется повышенной ценой проектных ошибок. Это связано не только с высокой стоимостью объектов СПГ-инфраструктуры, но и с тем, что неверно заданное число и эксплуатационные качества арктических судов судов-газовозов СПГ не могут быть компенсированы за счет фрахтового рынка, т.е. в «свободном найме» просто отсутствуют суда необходимого ледового класса или вместимости. Таким образом, отечественные системы водной транспортировки СПГ должны тщательно исследоваться на этапе их проектирования с учетом множества технических и экономических факторов.
Основная проблематика исследования и оптимизации морских транспортных систем (МТС) и систем водного транспорта в целом состоит в необходимости учета взаимодействия и взаимовлияния всех элементов систем (транспортные суда, ледоколы, береговое хранилище и т.п.), работающих в условиях нестационарных внешних условий (ледовые условия, окна погоды работы терминалов и т.п.).
Первое поколение компьютерных систем исследования и оптимизации МТС предполагало использование т.н. «статической модели», при этом главный акцент делался не столько на проектировании транспортной системы, сколько на оптимизации основных характеристик судна, а сама статическая модель являлась функционалом для определения технико-экономических параметров работы различных вариантов судов и выбора среди них оптимального. Необходимо сказать, что статическая модель позволяет достаточно хорошо описывать моделируемую систему при отсутствии в ней время-зависимых факторов и при простой логике движения и взаимодействия объектов системы (табл. 1). Однако достоверное описание, например, работы судов и ледоколов в ледовых условиях с помощью таких моделей фактически невозможно.
Преодолеть недостатки статической модели в полной степени позволяет парадигма имитационного моделирования, под которой в данной статье понимаются не только традиционные методы стохастического моделирования, но и появившиеся в последние годы (благодаря развитию объектно-ориентированного программирования) агентные имитационные модели. В результате использования таких моделей принципиально увеличиваются возможности моделирования, существенно повышается качество и достоверность получаемых результатов (табл.1). Использование агентной имитационной модели для исследования и оптимизации МТС является основной идеей разработанного во ФГУП «Крыловский государственный научный центр» в 2012-2014 годах программного комплекса (ПК) «МТС-модель».
Идея создания ПК «МТС-модель» заключается в интеграции в рамках единого программного обеспечения решений из различных предметных областей, имеющих отношение к исследованию МТС и проектированию и оптимизации судов в их составе, а именно:
· геоинформационные среды (ГИС);
· судостроительные дисциплины (СД);
· динамические имитационные модели (ИМ).
Интеграция трех указанных направлений на основе объектно-ориентированного подхода сделала возможной программную реализацию следующего принципа исследования МТС: суда представляются как самостоятельные объекты, движущиеся и взаимодействующие в геоинформационной среде под управлением логических блоков динамической имитационной модели. Применение такого подхода позволило получить качественно новый инструмент проектирования судов и исследования МТС, отличающийся как широтой спектра решаемых задач, так и числом натурных факторов, учитываемых при выполнении исследований.
Посредством ГИС учитываются такие факторы, как береговая черта и батиметрические условия, фарватеры, закрытые акватории, вероятностные данные о ветре и волнах, условия видимости, параметры льда и ледовых сжатий – все те параметры, которые необходимы для выбора маршрута движения судов, расчета скорости и расходов топлива. Необходимо отметить, что в ПК «МТС-модель» реализован механизм поиска оптимального пути следования судов на чистой воде и во льдах («роутинг»), который позволяет не только определить путь, соответствующий минимальному времени следования, но и найти оптимальный объем ледокольного сопровождения с учетом условной «стоимости» привлечения ледокола. Также реализована технология создания географических регионов, для которых могут быть заданы различные правила исчисления налогов и сборов, предоставления услуг в зависимости от характеристик судна, времени года и параметров груза. В итоге, за счет использования ГИС обеспечивается практическая возможность реализации реалистичной логики движения и взаимодействия судов, которая неразрывно связана с геоинформационным пространством.
Судостроительные дисциплины представлены в ПК «МТС-модель» тремя основными направлениями:
· Расчет ходовых качеств судов в эксплуатационных условиях любого типа (программный модуль «Механик»). Выполняются расчеты параметров движения судна по тихой воде, в условиях ветра и волнения (с учетом принудительного снижения скорости), с учетом влияния ограниченной глубины, обрастания корпуса, самостоятельное движение в ледовых условиях, движение в караване за ледоколом, движение в смерзающемся ледовом канале и др. для судов с различными типами энергоустановок, типом и числом движителей.
· Определение основных характеристик судов различных типов (программные модули «Расчетные модели судов»). На основе ограниченного числа входных параметров (грузовместимость, ледовый класс, скорость хода, ледопроходимость и др.) определяется полный перечень требуемых для моделирования и оптимизации МТС характеристик судов различных типов (танкеры, газовозы LNG и LPG, многоцелевые контейнерные суда, рудовозы и т.п.) в разных состояниях загрузки. Особенностью разработанных моделей является учет влияния ледового класса на размерения, ходовые качества и весовую нагрузку судна.
· Технико-экономический анализ, учитывающий методы определения строительной стоимости судов, фрахтовой ставки, портовых сборов, а также алгоритмы определения интегральных экономических показателей МТС с учетом береговой инфраструктуры, различных схем владения флотом, кредитования строительства судов и т.п.
Динамическая имитационная модель, учитывающая логику движения и взаимодействия судов, реализована в среде AnyLogic®. В настоящее время логика ИМ в составе ПК «МТС-модель» позволяет моделировать линейные перевозки СПГ и других грузов по прямой и перевалочной схемам. Существует принципиальная возможность описания логики работы морских систем другого типа, например, включающих буровые, рыболовные, исследовательские и другие суда. Помимо логики работы флота в ИМ реализован такой важный аспект как комплекс динамических моделей условий функционирования МТС. Принципиальным отличием таких моделей от ГИС-пространства, параметры которого (ветер, волнение, лед и т.п.) также изменяются во времени, является то, что состояние объектов, описываемых с помощью моделей условий функционирования, подвержено влиянию других объектов МТС. Типичными примерами являются: модель зарастания ледового канала в припае и модель испарения сжиженного природного газа в танках судна-газовоза. Например, на параметры ледового канала в припае оказывают влияние характеристики проходящего судна или каравана, общее число проходов судов по каналу, интервал времени до предыдущего прохода, температура воздуха и другие параметры, которые могут быть описаны только в рамках вычислительного эксперимента со всей динамической моделью.
Как правило, каждая задача исследования МТС имеет свою специфику, однако опыт выполненных работ позволил выделить три типа вычислительных экспериментов, в которые укладыва.тся большинство задач исследования МТС, в том числе относящихся и к транспортировке СПГ :
· определение интегральных параметров движения судов на маршрутах (время рейса, затраты на топливо, сборы, время ледокольного сопровождения и т.п.);
· оптимизация основных характеристик судов, входящих в МТС и определение их количества;
· исследование работы МТС на основе имитационного эксперимента, в котором присутствует временная ось и реализована логика работы МТС.
В соответствии с этим разделением в ПК «МТС-модель» реализованы три самостоятельных функциональных модуля для решения каждой из задач («Маршрутные затраты», «Оптимизационный блок» и «Имитационная модель» соответственно). Управление последовательностью расчетов, задание всех статических и динамических сущностей рассматриваемой МТС, а также последующий анализ результатов осуществляется в отдельном модуле-оболочке – «Конструкторе сценариев», основные элементы которого показаны на рис.2. Принципиальная структура ПК «МТС-модель» показана на схеме рис.3, где стрелками показана типовая последовательность расчетов. Не останавливаясь подробно на деталях работы «Конструктора сценариев», расчетах маршрутных затрат и особенностях «Оптимизационного блока» скажем лишь о том, что их использование позволяет получить некую конкретную конфигурацию исследуемой системы – «Вариант МТС». Вариант МТС содержит однозначное описание всех объектов МТС (типы судов, параметры портов и т.п.) и может быть далее исследован на основе имитационной модели. В случае использования «Оптимизационного блока» основные характеристики судов, входящих в текущий вариант МТС, будут удовлетворять некоему критерию оптимальности. Если оптимизация характеристик судов не выполнялась, то на основе ИМ может быть исследована любая произвольная конфигурация МТС.
С помощью ПК «МТС-модель» в 2014 году был выполнен ряд практических работ, среди которых – исследование технико-экономических параметров МТС по вывозу углеводородов из района мыса Каменный (Обская губа) до порта Мурманск в условиях смерзающегося ледового канала в припае Обской губы. В рамках работы на основе имитационной модели МТС:
· выполнена оценка необходимого числа ледовых каналов в припае и ориентировочных дат их прокладки,
· обоснована вместимость берегового резервуарного парка арктического терминала в ледовых условиях различной степени тяжести (рис.4),
· определен объем и сроки необходимой ледокольной поддержки танкеров в тяжелых и экстремально тяжелых условиях,
· определены показатели работы транспортной системы по временной схеме, когда основные танкеры еще не введены в строй, а перевозки осуществляются с помощью существующих судов малого дедвейта и слабого ледового класса (рис.5).
· определены технико-экономические показатели всего жизненного цикла МТС.
В результате работы выявлено значительное влияние протяженного ледового канала на показатели МТС, что позволило получить вывод о необходимости обеспечения максимально возможной регулярности перевозок, т.к. в этом случае параметры ледового канала оказываются наиболее благоприятными и пиковых уровень наполнения берегового хранилища имеет минимальные значения (рис.6). Сформулированы условия, при которых возникает риск переполнения хранилища. Данные результаты могли быть получены только с помощью динамических имитационных моделей, что подтверждает принципиальную правильность примененного в ПК «МТС-модель» подхода.
В заключение хотелось бы отметить, что вопросам исследования морских транспортных систем в настоящее время не уделяется должного внимания: проектанты судов, как правило, сосредотачиваются на проектируемом судне, лишь предполагая его роль в работе транспортной системы, а операторы флота, наоборот, сосредотачиваясь на управлении транспортной системой, не имеют возможности подробно проработать и оценить альтернативные варианты судов. Комплексный же учет вопросов оптимизации судов и задач управления работой флота позволяет существенно повысить качество проектирования систем транспортировки СПГ, в особенности – новых и нетипичных. Программный комплекс «МТС-модель», синтезирующий на базе объектно-ориентированного подхода такие направления, как геоинформационные системы, судостроительные дисциплины и динамические имитационные модели, предназначен для решения таких задач, находящихся на стыке «проектирования» и «эксплуатации» МТС. Получаемые результаты исследования параметров МТС являются основой для принятия решений на всех стадиях жизненного цикла, от разработки проектов судов и объектов береговой инфраструктуры и заканчивая их эксплуатацией.
Литература
1. Крестьянцев А.Б., Луцкевич А.М., Таровик О.В. Суда-газовозы на трассах СМП // Морской флот № 06/1504, 2012, с. 14-19
2. Крестьянцев А.Б., Луцкевич А.М., Таровик О.В. Транспортировка сжиженных газов с использованием судов смешанного плавания // Neftegas.ru № 1-2, 2013, с. 42-48
3. Таровик О.В., Косьмин М.С Имитационное моделирование морских транспортных систем, работающих в ледовых условиях с соблюдением графика поставок // Судостроение №1, 2014 (812), с. 9-14
4. Крестьянцев А.Б., Луцкевич А.М., Скуднев С.А. Внедрение LNG как бункерного топлива на водном транспорте // Труды Крыловского государственного научного центра, вып. 74 (358), 2013, с. 25-48
