Metoda kontroli zużycia paliwa na statku śródlądowym, na przykładzie programu SkuNav

Transkrypt

1 Emilia Skupień 1, Jan Kulczyk 2 Politechnika Wrocławska Metoda kontroli zużycia paliwa na statku śródlądowym, na przykładzie programu SkuNav 1. WSTĘP Polskie statki śródlądowe, to w większości jednostki wybudowane przed 1980 rokiem. Z tego powodu nie były one fabrycznie wyposażane w komputery pokładowe. Nie da się zatem w sposób bezpośredni wyznaczać zużycia paliwa. Zużycie paliwa przez statki śródlądowe zależy od oporów ruchu, te z kolei zależą bezpośrednio od głębokości drogi wodnej. Ze względów ekonomicznych i eksploatacyjnych ważne jest utrzymywanie stabilnych warunków nawigacyjnych. Na polskich drogach śródlądowych głębokości tranzytowe są zmienne. Zarówno w czasie, jak i wraz z kilometrażem. Przykładem takiego stanu jest Odra. Odra Swobodnie Płynąca, to odcinek od Brzegu Dolnego do Szczecina. Na całej długości notuje się klasy żeglowności od II do Vb. Jest to droga o bardzo zróżnicowanych parametrach nawigacyjnych. Głębokości uzależnione są od naturalnych przepływów uzupełnianych z 6 dużych zbiorników retencyjnych. Zbiorniki te magazynują na ten cel niemal 350 milionów m3 wody, co nie wystarczy, niestety, do utrzymania minimalnej głębokości tranzytowej (1,30 m) przez cały okres żeglugowy, szczególnie na odcinku od Brzegu Dolnego do ujścia Warty. Sytuację pogarsza zły stan budowli regulacyjnych, co przy ograniczonych zasobach wodnych powoduje dalsze skracanie okresu żeglugowego. [1] Kilkakrotnie w ciągu roku RZGW przeprowadzają sondowania profilu wzdłużnego koryta rzek, poprzez pomiar głębokości w nurcie rzeki co m. Pomiary dokonywane w korycie Odry swobodnie płynącej pokazały, że na całej sondowanej długości rzeki Odry, wartości głębokości minimalnych pojawiają się w różnych miejscach i nie wykazują żadnych tendencji trudno jest przewidzieć ich pojawienie się. Na krótkich odcinkach obserwuje się duże wahania głębokości (rys. 1). Rys. 1. Przykładowe wyniki sondowań dla rzeki Odry km 310 do 370 Źródło: opracowanie własne 1 emilia.skupien@pwr.edu.pl 2 jan.kulczyk@pwr.edu.pl Logistyka 4/

2 Zmienność warunków nawigacyjnych, występujących na Odrzańskiej Drodze Wodnej w ciągu roku oraz w zależności od kilometrażu, determinuje konieczność podejmowania działań i analiz, niepotrzebnych dla dróg wodnych ze stałymi parametrami. [2] Zmiany warunków nawigacyjnych, czyli zmiana głębokości drogi wodnej lub prędkości prądu, pociągają za sobą zmiany w oddziaływaniu: statek droga wodna. Zmienia się charakter opływu wody wokół kadłuba, co pociąga za sobą zmianę oporu ruchu statku i współczynników oddziaływania: pędnik kadłub. Opór kadłuba statku na wodzie ograniczonej można wyznaczać poprzez metody przybliżone, badania modelowe oraz obliczenia z zastosowaniem wspomagania komputerowego CFD. Metody przybliżone bazują na uogólnionych wynikach badań modelowych kształtów podobnych. Metoda ta jest szybka, jednak obarczona trudnym do określenia błędem. Badania modelowe są dokładne, ale czasochłonne i kosztowne. Obliczenia CFD to metoda stosunkowo szybka i tania, jednak nadal w fazie rozwoju. Problematyczne pozostaje tu odpowiednie przygotowanie danych. W [3] zaproponowano metodę obliczania oporów ruchu statku na wodzie ograniczonej. Metoda ta opiera się na wzorach przybliżonych i pozwala na uzyskiwanie wyników w czasie płynięcia jednostki. Znając wartość oporu jednostki pływającej na określonej drodze wodnej, możemy wyznaczyć napór, jaki powinien wytworzyć pędnik, aby statek uzyskał określoną prędkość. Na podstawie charakterystyki osiągów pędnika, określana jest prędkość obrotowa, przy której wytwarzany jest odpowiedni napór. Wartość obrotów służy już bezpośrednio do określenia wartości zapotrzebowanego paliwa. Zużycie paliwa podawane jest przez producentów silników, w postaci charakterystyk. Zwykle jest to jednostkowe zużycie paliwa Ge w funkcji obrotów. Na podstawie takiej charakterystyki, wyznaczane są wartości zużycia paliwa dla różnych obciążeń układu napędowego, różnych prędkości obrotowych. 2. ALGORYTM DZIAŁANIA PROGRAMU SKUNAV Pierwszym krokiem doboru parametrów pracy układu napędowego statku śródlądowego przy zmiennej głębokości drogi wodnej, jest zdefiniowanie jednostki, którą dokonywany ma być transport. Przyjmuje się, że w warunkach Odrzańskiej Drogi Wodnej może to być zestaw pchany złożony z pchacza i jednej lub dwóch jednakowych barek pchanych lub barka motorowa. Do przeprowadzenia obliczeń konieczne jest wskazanie następujących parametrów wybranej konfiguracji jednostki: wymiary charakteryzujące geometrię, wartości opisujące układ napędowy, charakterystyka zużycia paliwa, ładowność statku i jego zanurzenie, jeśli znane: osiągi pędnika, krzywe oporu statku. Kolejnym krokiem jest zdefiniowanie parametrów drogi wodnej. Przede wszystkim ważne jest odróżnienie rozważań teoretycznych (na znanym odcinku drogi wodnej) od obliczeń przeprowadzanych na bieżąco, dla dynamicznie zmieniających się parametrów drogi wodnej. W obu przypadkach ważne jest podanie (lub wczytanie z urządzeń pomiarowych): długości odcinka (o stałych parametrach) jeśli jest znany, głębokości drogi wodnej oraz prędkości prądu. W przypadku, kiedy wynikiem obliczeń ma być minimalny koszt przewozu, ważne jest też wskazanie dobowego czasu pracy śluz (tam gdzie występują) i/lub dobowego czasu pracy załogi. Następnie przeprowadza się obliczenia oporu i naporu (jeśli nie zostały zdefiniowane). Celem obliczeń może być wskazanie parametrów pracy układu napędowego, najkorzystniejszych pod względem całkowitych kosztów przewozu. Koszty przewozu liczone są jako sumaryczna wartość poszczególnych składowych zależnych od czasu pracy statku lub ilości przepłyniętych kilometrów czy ilości śluzowań. Głównym składnikiem kosztów są koszty paliwa liczone na podstawie krzywej zużycia paliwa 958 Logistyka 4/2015

3 wprowadzanej przez użytkownika (udostępnianej przez producenta silnika) i wg odpowiednich zależności. W takim przypadku, konieczne jest wskazanie kosztów jednostkowych. Ostatnim krokiem jest wskazanie zakresu prędkości, w którym może poruszać się statek. Jest to konieczne dla zawężenia zakresu przeprowadzanych obliczeń. Na podstawie wszystkich zebranych danych analizowane są koszty paliwa lub jego zużycie, w zadanych warunkach nawigacyjnych dla wskazanego zakresu prędkości. Wynikiem obliczeń jest wskazana najkorzystniejsza prędkość płynięcia statku. Obliczenie najkorzystniejszej prędkości statku śródlądowego z uwzględnieniem głębokości drogi wodnej, dla kryterium minimalizacji zużycia paliwa, przeprowadzana jest iteracyjnie. Metodą iteracji przeprowadzane są obliczenia kosztów przewozu, dla prędkości z zadanego zakresu ze skokiem 1/100 km/h. Z powstałego w ten sposób zbioru danych wyszukiwane jest minimum i stanowi ono rozwiązanie. Obliczenia dla zakresu prędkości 10 km/h (np. od 4 km/h do 14 km/h) trwają około 2s (w zależności od sprawności komputera). Wyniki wskazują prędkości zapewniające najniższe zużycie paliwa w wybranym zakresie prędkości. 3. PREZENTACJA PROGRAMU I WYNIKÓW Do prezentacji wyników wybrano zestaw pchany złożony z pchacza typu Bizon i dwóch barek BPP500. Przeprowadzono obliczenia dla różnych zanurzeń (0,7 m, 1,0 m i 1,6 m) i dla różnych warunków panujących na drodze wodnej (głębokość drogi wodnej h=1,9 m oraz h=3,5 m, oraz wartości prędkości prądu Vpr=0 km/h i Vpr=1,9 km/h). Obliczenia wykonane zostały dla danych wprowadzanych do programu przez użytkownika, dla założonych warunków. Z tego powodu obliczenia te można nazwać teoretycznymi. Podczas ruchu statku na wodzie ograniczonej proces pozyskiwania danych będzie wyglądał podobnie. Założenia nie będą wprowadzane przez użytkownika, tylko będą sczytywane z odpowiednich czujników. W ten sposób możliwe jest uzyskiwanie optymalnych prędkości dla warunków chwilowo panujących na drodze wodnej. Celem programu SkuNav jest zautomatyzowanie obliczeń parametrów pracy układu napędowego statku śródlądowego w zmiennych warunkach nawigacyjnych pod kątem minimalizacji zużycia paliwa. Program został napisany w środowisku Eclipse i można go uruchomić na komputerach z zainstalowanymi Java Runtime Library. Okno programu podzielone jest na dwie części. Po lewej stronie zamieszczone są zakładki prowadzące do poszczególnych kart. Karty te to: Zestaw pchany. Służy zdefiniowaniu wybranej jednostki i parametrów jej układu napędowego. Błędy. Pozwala określić błędy wykonania śruby napędowej i przedstawia ich wpływ na napór, moment i sprawność, Droga wodna. Służy zdefiniowaniu drogi wodnej, Dane statystyczne. Zakładka ta przedstawia prawdopodobieństwo wykonania założonych przewozów, Koszty. Tu użytkownik definiuje koszty jednostkowe, następnie przedstawiane są koszty całkowite i koszty pracy przewozowej, Optymalizacja kosztów. W tej karcie przeprowadzane są obliczenia optymalnych parametrów pracy układu napędowego pod kątem minimalizacji zużycia paliwa. Program, w każdym koniecznym do zdefiniowania oknie ma wpisane dane domyślne. Są to dane z bibliotek, wynikające z praktyki lub będące rezultatem badań. Jeśli użytkownik posiada inne dane może je zmienić. Jeśli nie, może polegać na założeniach przyjętych przez autora programu. Po uruchomieniu programu, użytkownik w pierwszej kolejności definiuje jednostkę, dla której mają być przeprowadzane obliczenia. Panel służący wprowadzeniu danych jednostki przedstawia rysunek 2. Logistyka 4/

4 Rys. 2. Screen programu. Definicja jednostki pływającej Po wybraniu: czy jednostką przewożącą ładunek będzie zestaw pchany czy barka motorowa, użytkownik może wybrać z listy (rys. 3) pchacz i barkę pchaną lub barkę motorową. Wtedy dane jednostki zostaną wprowadzone z biblioteki. Rys. 3. Screen programu. Lista wyboru pchaczy Parametry jednostki i jej układu napędowego, koniczne do zdefiniowania, są widoczne na rysunku 2 i 4, 5 i Logistyka 4/2015

5 Rys. 4. Screen programu. Definicja jednostki pływającej jednostkowe zużycie paliwa Rys. 5. Screen programu. Definicja jednostki pływającej opór i wymagany napór Logistyka 4/

6 Rys. 6. Screen programu. Definicja jednostki pływającej osiągi pędnika Kolejna zakładka (rys. 7) służy zdefiniowaniu drogi wodnej. Możliwe jest wybranie z listy odcinków Odrzańskiej Drogi Wodnej lub samodzielnego wprowadzenia nazw odcinków oraz ich danych charkaterystycznych (długość, głębokość, prędkość prądu i ew. czas śluzowania). Rys. 7. Screen programu. Droga wodna Kolejny etap, to zdefiniowanie kosztów jednostkowych. Przedstawia to rys. 8. Definiowanie kosztów jednostkowych nie jest konieczne do przeprowadzania obliczeń optymalizacyjnych wystarczy wskazanie jednostkowych kosztów paliwa. Wprowadzenie kosztów jednostkowych umożliwia jednak obliczenia koszów pracy przewozowej. 962 Logistyka 4/2015

7 Rys. 8. Screen programu. Koszty Ostatnim krokiem jest wskazanie zakresu dopuszczalnych prędkości przemieszczania się statku. Najniższa prędkość nie powinna być niższa od prędkości umożliwiającej bezpieczne manewrowanie statku. Górna granica prędkości nie jest zdefiniowana, jednak wiadomo, że po przekroczeniu prędkości krytycznej krzywa kosztów przewozu pójdzie gwałtownie w górę i wykres nie będzie czytelny. Przykładowy wykres kosztów przewozu w funkcji prędkości statku widać na rys. 9. Rys. 9. Screen programu. Optymalizacja kosztów W oknie programu widać prezentację wyników: prędkość gwarantującą najniższe koszty rejsu okrężnego. Wynik można też rozdzielić na poszczególne odcinki analizowanej trasy, dokonując wyboru odcinka. Logistyka 4/

8 Streszczenie Ze względu na często zmieniające się warunki nawigacyjne na polskich drogach śródlądowych, często zmieniają się warunki pracy układów napędowych statków śródlądowych. Polscy armatorzy posiadają głównie flotę starszego typu. Statki eksploatowane w Polsce nie mają komputerów pokładowych. Z tego powodu bieżące zużycie paliwa przez statki śródlądowe jest trudne do określania. Artykuł opisuje możliwości programu do wspomaganiu transportu śródlądowego: SkuNav. Przy pomocy tego programu można szacować koszty transportu śródlądowego na drodze wodnej o zmiennej głębokości. Program może być używany przy planowaniu tras oraz w czasie rejsu, w celu zmniejszenia kosztów zużycia paliwa. Słowa kluczowe: żegluga śródlądowa, koszty transportu, komputerowe wspomaganie transportu Inland ship's fuel consumption control method, on the example of SkuNav program Abstract Due to the frequently changing navigation conditions at the Polish waterways, also inland ships propulsion systems operating conditions often change. Polish operators have mostly older fleet. Ships operated in Poland does not have on-board computers. Therefore, the current fuel consumption by inland vessels is difficult to determine. This paper describes the capabilities to assist the inland transportation by program: SkuNav. With the help of this program one can estimate the costs of inland transport on the waterway with a variable depth. The program can be used for route planning and during the voyage, in order to reduce the fuel costs. Key words: inland navigation, transportation costs, computer aid transportation LITERATURA [1] Kulczyk J., Poprawa warunków nawigacyjnych na Odrzańskiej Drodze Wodnej; Problemy Hydrotechniki Modelowanie i hydroinformatyka oraz wybrane zagadnienia ochrony przeciwpowodziowej, praca zbiorowa pod redakcją Stanisława Kosteckiego, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2006 [2] Skupień E., Warunki hydrotechniczne a przepustowość dróg wodnych, Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Szczecińskiego [3] Skupień E., Prokopowicz J., Methods of calculating ship resistance on limited waterways. Polish Maritime Research. 2014, vol. 21, nr Logistyka 4/2015