TADEUSZ PASTUSIAK DOI: 10.12716/1002.31.14 Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji WPŁYW WARUNKÓW HYDROMETEOROLOGICZNYCH NA PARAMETRY EKSPLOATACYJNE STATKÓW TYPU PANAMAX W artykule omówiono wpływ warunków hydrometeorologicznych na parametry eksploatacyjne statków typu PANAMAX. Opracowano diagram i wzory matematyczne, umożliwiające cyfryzację procesu obliczeniowego. Przeanalizowano wpływ warunków lodowych na prędkość i dobowe zużycie paliwa statku o stalowym kadłubie bez wzmocnień lodowych klasy lodowej L4. Ustalono związki pomiędzy koncentracją lodu, grubością lodu, prędkością statku i dobowym zużyciem paliwa. Przedstawiona cyfryzacja procesu obliczeniowego powinna zmniejszyć pracochłonność oraz wpływ czynnika ludzkiego na wyniki planowania podróży statku. Słowa kluczowe: prędkość statku, dobowe zużycie paliwa, nawigacja w lodach, warunki pogodowe, planowanie podróży, transport morski. WSTĘP Znajomość parametrów eksploatacyjnych statku odgrywa istotną rolę w procesie planowania podróży. Umożliwia określenie czasu podróży oraz zużycia paliwa. Znajomość zużycia paliwa w zależności od przewidywanych warunków hydrometeorologicznych umożliwia określenie ilości niezbędnego paliwa dla realizacji podróży (wraz z odpowiednim zapasem) oraz zamówienie brakującej na statku ilości paliwa. Prawidłowe oszacowanie potrzebnego paliwa (bez nadmiernej rezerwy) jest istotne w celu określenia ilości przyjmowanego ładunku, która jest jednym z czynników wpływających na wyniki ekonomiczne transportu morskiego. Znajomość parametrów eksploatacyjnych statku w trakcie realizowanej podróży odgrywa istotną rolę w procesie rozliczania efektów ekonomicznych transportu morskiego statkiem względem operatora i czarterującego. Podstawowymi parametrami eksploatacyjnymi są: prędkość wpływająca na czas podróży, czyli koszt czarterowania statku, oraz dobowe zużycie paliwa składające się na łączne koszty eksploatacyjne statku. Warunki hydrometeorologiczne wpływają na wielkość oporów kadłuba, a tym samym na prędkość i dobowe zużycie paliwa. Umowy czarterowe określają wymagania stawiane statkowi, w tym wzajemne zależności warunków hydrometeorologicznych, prędkości i dobowego zużycia paliwa. Spełnienie tych warunków jest kontrolowane za pośrednictwem takich parametrów jak siła i kierunek wiatru, fali wiatrowej, fali martwej, stałego prądu morskiego, prądu pływowego, koncentracji kry lodowej, grubości lodu, prędkości statku, dobowego zużycia paliwa i uślizgu śruby napędowej.
T. Pastusiak, Wpływ warunków hydrometeorologicznych na parametry eksploatacyjne statków typu PANAMAX 139 1. PODSTAWOWE WSKAŹNIKI EFEKTYWNOŚCI STATKU W pierwszej kolejności zwrócono uwagę na te wskaźniki, które często nie zostają dostrzeżone przez nawigatorów. Są to obroty śruby napędowej (silnika napędowego) i uślizg śruby. Obroty śruby okrętowej wykonane w określonym czasie pozwalają określić prędkość statku i przebytą drogę [8]. Na podstawie tabeli właściwości manewrowych statku, zawierającej zależność prędkości statku od obrotów śruby i stanu załadowania, można wykonać użyteczny w praktyce wykres. W celu ustalenia znaczenia uślizgu śruby w ocenie spełnienia wymagań umowy czarterowej przez statek muszą być znane prędkość teoretyczna, prędkość rzeczywista oraz uślizg śruby. Prędkość teoretyczna statku V t, określona wzorem 1, jest to prędkość, jaką miałby statek, gdyby śruba obracała się w ośrodku stałym. Przy jednym obrocie śruby statek przesunąłby się o odległość skoku śruby h. Jeżeli śruba wykonałaby n obrotów w ciągu jednej minuty, to statek przesunąłby się w ciągu godziny na odległość równą n h 60. $# % &# % 60! " =# 1852 (1) Prędkość rzeczywista statku V, określona wzorem 2, jest to prędkość, jaką statek osiągnąłby przy danej liczbie obrotów śruby w warunkach rzeczywistych (np. podczas określania drogi rzeczywistej d w czasie t na poligonie manewrowym mili pomiarowej ). '# % 60!# = # ( (2) Uślizg śruby p %, określony wzorem 3, jest to względna różnica między prędkością teoretyczną V t i prędkością rzeczywistą przy danej liczbie obrotów śruby. ) * #=#! " + #! '# % 1852 #% 100# = #,1 +# -#% 100 (3)! " (# % &# % $ Uogólniając zależności między powyższymi parametrami, można przyjąć, że uślizg śruby przy sprzyjających warunkach hydrometeorologicznych mieści się w przedziale 1,5 3,0%, przy średnich warunkach 7%, w trudnych warunkach pogodowych 12%, a w ekstremalnie trudnych i rzadko spotykanych warunkach wynosi 25%. W związku z wykonywaniem obliczeń statystycznych dla raportów dla operatora statku i czarterującego z przeważającym udziałem czynnika ludzkiego bardzo łatwo popełnić błąd gruby, czyli pomyłkę. Pojawi się wówczas w raporcie niespójność uślizgu śruby z prędkością statku i warunkami hydrometeorologicznymi. Dobrą praktyką, mającą na celu uniknięcie błędu grubego w raportach, jest wielopoziomowa weryfikacja obliczeń i treści raportów przed ich wysłaniem do
140 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, 2016 odbiorców treści. Wielopoziomowa weryfikacja spójności danych sprowadza się do weryfikacji danych, wstępnie opracowanych w dziale maszynowym przez oficera pokładowego odpowiedzialnego za sporządzenie raportu dobowego. Opracowany i sprawdzony raport zbiorczy jest przekazywany do kapitana statku, który przeprowadza ponowną i ostateczną weryfikację. Wątpliwości wyjawione na kolejnych etapach weryfikacji wymagają wyjaśnienia przed zatwierdzeniem raportu do wysyłki. Wzajemnych zależności powyższych parametrów eksploatacyjnych nie można przeważnie doszukać się w dokumentacji technicznej statku. Jeszcze trudniej uzyskać takie informacje na statku przejętym od innego właściciela statku. Takie zależności można określić na podstawie obróbki statystycznej raportów dobowych i raportów rozliczających zakończoną podróż, wysyłanych do operatora statku i czarterującego statek. Dlatego też w dalszej części pracy przedstawiono zależności parametrów eksploatacyjnych, otrzymane metodą statystyczną na przykładzie statków typu PANAMAX. 2. METODA BADAWCZA W pierwszej kolejności ustalono typ statku, którego parametry eksploatacyjne zostaną poddane analizie. Zdecydowano, że będzie to statek typu PANAMAX. Jego parametry były następujące: wyporność D = 83,250 t, długość L = 225 m, szerokość B = 32, zanurzenie statku T w stanie balastowym 7 m, zanurzenie statku T całkowicie załadowanego 12 m, moc silnika napędowego P max = 8,380 kw, obroty maksymalne RPM max = 117 przy maksymalnych obrotach eksploatacyjnych RPM = 155 i prędkość maksymalna V max = 16 w. Certyfikaty okrętowe nie zawierały informacji o klasie lodowej. W następnej kolejności ustalono źródła pozyskiwanych informacji. Umowy czarterowe podają podstawowe wymagania eksploatacyjne stawiane statkowi. Określają one tylko przedziały wartości parametrów wymagających bieżącej kontroli, nie dając możliwości zebrania materiału statystycznego. Kompleksową informację zawierała lista kontrolna dla wymiany informacji między kapitanem i pilotem. Nie obejmowała jednak zużycia paliwa ani nie uwzględniała warunków hydrometeorologicznych. Dużą liczbę danych zawierały raporty z podróży opracowywane dla operatora i czarterującego. Rozliczanie wyników eksploatacyjnych statku w trakcie podróży następowało za pomocą raportów dobowych wysyłanych do operatora statku i czarterującego. Po zakończeniu podróży wysyłano podsumowania takich raportów. Zawierały one szczegółowe dane dotyczące warunków hydrometeorologicznych, prędkości, zużycia paliwa, obrotów silnika napędowego i uślizgu śruby. Raporty z podróży, opracowywane przez dział pokładowy (nawigatorów), nie zawierały danych dotyczących zużycia paliwa, obrotów silnika napędowego ani uślizgu śruby napędowej. Takie dane można było pozyskać na podstawie dobowych i zbiorczych raportów działu maszynowego. Należy nadmienić, że ważne jest, aby raporty działu pokładowego i maszynowego zawierały
T. Pastusiak, Wpływ warunków hydrometeorologicznych na parametry eksploatacyjne statków typu PANAMAX 141 kompletne i spójne dane, dotyczące wszystkich czynników wpływających na ocenę poprawności realizowanej podróży. W związku z tym podstawowymi źródłami informacji poddanymi analizie były: lista kontrolna między kapitanem i pilotem oraz raporty opracowywane dla operatora statku i czarterującego z działów pokładowego i maszynowego. Autor poddał analizie statystycznej raporty z 31 podróży działów pokładowego i maszynowego dla identycznych statków typu PANAMAX. Czas trwania podróży wynosił od 3 do 32 dni. Pominięto w statystyce dni wyjścia z portu i przybycia do portu, ponieważ dane były zakłócone zmianami obrotów silnika (i tym samym prędkości i zużycia paliwa) w czasie, który oficjalnie nadal zaliczał się do podróży morskiej. W celu weryfikacji otrzymanych wyników wykorzystano informacje zawarte w literaturze przedmiotu i zależności matematyczne dotyczące zużycia paliwa i prędkości statku. W raportach zawarto informacje dotyczące wybranych warunków hydrometeorologicznych. Przeważnie były to wiatr, fala wiatrowa i niekiedy fala martwa. Bardzo rzadko wzmiankowano prądy morskie. Statek nie pływał w rejonach zlodzonych, toteż nie było informacji na temat koncentracji ani grubości lodu. Takie informacje autor pozyskał w literaturze tematycznej. 3. WYNIKI DOTYCZĄCE WARUNKÓW POGODOWYCH Raporty z podróży statków zawierały dane dotyczące różnych stanów załadowania i warunków hydrometeorologicznych. Stany załadowania sprowadzały się przeważnie do dwóch statku załadowanego do najwyższej linii ładunkowej oraz statku bez ładunku z pełnym balastem. Warunki hydrometeorologiczne można było podzielić na dwie grupy dobrej pogody charakteryzującej się siłą wiatru do 5 stopni Beauforta, stanem morza do 4 stopni Douglasa i wysokością fali do 1 metra oraz złej pogody cechującej się siłą wiatru powyżej 5 stopni Beauforta, średnio 6 stopni Beauforta, stanem morza powyżej 4 stopni Douglasa, wysokością fali powyżej 1 metra. Podział ten był zgodny z wymaganiami umów czarterowych dla statków. Obroty silnika napędowego i prędkości statku w przeważającej większości dotyczyły przedziału od Całej Naprzód Manewrowej do Całej Naprzód Morskiej. Dla czterech grup załadowania statku i warunków pogodowych opracowano wartości zmian obrotów silnika napędowego, prędkości i dobowego zużycia paliwa. Wyniki przedstawiono za pomocą nomogramu (rys. 1) oraz wzorów (6 13). Należy zwrócić uwagę na graniczne obroty silnika GS, poniżej których statek nie zachowuje sterowności. W przedziale obrotów krytycznych od CR min do CR max silnik napędowy doznaje znacznych nieregularnych wibracji, mogących spowodować jego uszkodzenie, dlatego w tym przedziale nie ustawia się nastawy telegrafu maszynowego, a pilot jest o przedziale obrotów krytycznych informowany za pomocą listy sprawdzającej pomiędzy pilotem i kapitanem statku. Obroty silnika powyżej maksymalnych eksploatacyjnych CN mor służą tylko przeprowadzaniu
142 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, 2016 testów sprawności silnika napędowego. W celach informacyjnych nomogram uzupełniono uzyskiwaną mocą silnika napędowego, odpowiadającą proporcjonalnie obrotom silnika [1]. Należy tu wyjaśnić, że prędkość statku będącego pod presją wymagań umowy czarterowej jest największą możliwą do osiągnięcia w danych warunkach hydrometeorologicznych. Zużycie paliwa na statku w ruchu zależało od oporów kadłuba, a te zależały m.in. od wysokości i kierunku fali. Teoretycznie rozważając, jeżeliby nastawa paliwa pozostawała bez zmian, a warunki pogodowe ulegałyby pogorszeniu (wzrastała wysokość fali), należałoby oczekiwać takiego samego zużycia paliwa przy malejącej prędkości. Jednak to nie znajduje odzwierciedlenia w nomogramie, co wynika z faktu ograniczeń wytrzymałości silnika ze względu na zwiększoną temperaturę oraz przeciążenia mechaniczne silnika i układu napędowego. Informacje o stanie aktualnym i wartościach granicznych tych wielkości znajdują się w siłowniach okrętowych, a tylko na niektórych statkach na mostku nawigacyjnym. Przekroczenie tych wartości granicznych w stanie eksploatacyjnym doprowadziłoby do wystąpienia po pewnym czasie kosztownych uszkodzeń mechanicznych silnika lub układu napędowego. Należało więc nie dopuścić do przekroczenia wartości krytycznych temperatur i obciążeń mechanicznych. Gdy wartości obciążeń mechanicznych albo temperaturowych dochodziły do maksymalnych dopuszczalnych, załoga maszynowa zmniejszała nastawę paliwa, czyli zmniejszała dobowe zużycie paliwa. W ten sposób warunki eksploatacyjne silnika napędowego zawsze były poniżej maksymalnych dopuszczalnych. Należy więc przyjąć, że przedstawione na wykresie zużycie paliwa oznacza przeważnie zużycie paliwa podczas osiągania największych możliwych prędkości statku i obciążeń silnika, bez przekroczenia dopuszczalnych norm. Dobowe zużycie paliwa nie jest stałe, ale zmienia się wraz z prędkością statku, warunkami hydrometeorologicznymi i stopniem porośnięcia podwodnej części kadłuba. Dla prędkości statków typu PANAMAX, wynoszących 11, 12, 13, 14, 15 i 16 węzłów średnie dobowe zużycie paliwa wynosi odpowiednio 14, 19, 24, 30, 36 i 44 tony na dobę [9]. Zauważono, że dla dwóch statków typu PANAMAX dobowe zużycie paliwa może się różnić od 20 do 30%. Zależało to od wieku statków, urządzeń napędowych i stanu kadłuba. Zauważono też, że koszty paliwa obejmują nie tylko dobowe zużycie paliwa, ale w dużym stopniu jego cenę, która zmieniała się znacznie każdego roku, jak również miała bardzo różne wartości w zależności od portu zakupu. Informacje podane przez Počuča [9] są zbieżne z wynikami autora, przedstawionymi w nomogramie (rys. 1), jednak nie zawierają odniesienia do stanu załadowania ani warunków hydrometeorologicznych.
T. Pastusiak, Wpływ warunków hydrometeorologicznych na parametry eksploatacyjne statków typu PANAMAX 143 Rys. 1. Parametry eksploatacyjne statku typu PANAMAX; stan załadowania statku i warunki hydrometeorologiczne: stan balastowy, dobre warunki pogodowe, stan załadowany, dobre warunki pogodowe, stan balastowy, złe warunki pogodowe, stan załadowany, złe warunki pogodowe; obroty silnika napędowego: GS granica sterowności, BWN Bardzo Wolno Naprzód, WN Wolno Naprzód, PN Pół Naprzód, CNman Cała Naprzód (obroty manewrowe silnika), CNmor Cała Naprzód (obroty morskie silnika), CRmin dolna granica obrotów krytycznych, CRmax górna granica obrotów krytycznych Źródło: opracowanie własne.
144 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, 2016 W celu kolejnej weryfikacji dobowego zużycia paliwa F z (rys. 1) opracowano wzór 4 na podstawie pracy Kelareva i in. dla statku załadowanego [3].!"=# $ "%"& ' (4) gdzie: F z dobowe zużycie paliwa statku załadowanego [tony metryczne/dobę], V prędkość statku [węzły], k 1 współczynnik proporcjonalności, k 1 = 0,01312454. Dobowe zużycie paliwa statku bez ładunku (w stanie balastowym) przyjęto o 20% niższe niż dla statku w pełni załadowanego (wzór 5). ("=0,8"%"! (5) gdzie: F b dobowe zużycie paliwa statku w stanie balastowym [tony metryczne/dobę], F z dobowe zużycie paliwa statku załadowanego [tony metryczne/dobę]. Wartości zużycia paliwa, wynikające ze wzorów (4) i (5), są zbieżne z wynikami autora, przedstawionymi w nomogramie (rys. 1), jednak tylko w zakresie morskich prędkości eksploatacyjnych, czyli wyższych od prędkości manewrowych. Poniżej tych prędkości rozbieżności są większe niż podane przez Počuča [9]. Nie można więc przyjąć wzorów (4) i (5) jako miarodajnych w całym zakresie prędkości statku. Przyjęto, że nomogram (rys. 1) jest prawidłowy w całym zakresie obrotów silnika RPM, prędkości, stanów załadowania i dobowego zużycia paliwa dla uogólnionych warunków hydrometeorologicznych. 4. WYNIKI DOTYCZĄCE ŻEGLUGI LODOWEJ Należy też rozważyć kwestię parametrów eksploatacyjnych w specyficznych warunkach hydrologicznych, jakimi są występujące lody morskie. Trzeba tutaj wyróżnić dwie charakterystyczne prędkości [5]. Prędkość osiągalna wynika ze zdolności pełnej mocy napędu statku do pokonania danych warunków lodowych. Prędkość dopuszczalna jest maksymalną bezpieczną, wynikającą z wytrzymałości kadłuba przy występujących warunkach lodowych. W Paszporcie Lodowym (Ice Certificate) naniesione są wykresy prędkości dopuszczalnej i prędkości osiągalnej dla grubości i koncentracji lodu. Najmniejsza prędkość wynikająca z tych wykresów jest traktowana jako możliwa bezpieczna prędkość. Praktyka eksploatacyjna statków w lodach wykazała, że dla samodzielnej nawigacji statku w zwartym lodzie możliwa bezpieczna prędkość jest zawsze osiągalną prędkością. W przypadku samodzielnej nawigacji w drobnej krze (ice cake) o rozmiarach poziomych od 2 do 20 metrów [12] oraz w konwoju za lodołamaczem,
T. Pastusiak, Wpływ warunków hydrometeorologicznych na parametry eksploatacyjne statków typu PANAMAX 145 jak również w dryfujących lodach, ograniczeniem jest możliwa bezpieczna prędkość albo osiągalna prędkość. Podczas samodzielnej żeglugi lodowej ograniczeniem jest możliwa bezpieczna prędkość, określana na podstawie grubości lodu, wypiętrzenia i zwałowania oraz grubości i gęstości warstwy śniegu. W przypadku pływania w asyście lodołamacza stosuje się dodatkowe ograniczenie w postaci bezpiecznej odległości od poprzedzającego statku albo lodołamacza. Wykresy możliwej bezpiecznej prędkości statku samodzielnie prowadzącego nawigację są opracowane w zależności od grubości zwartego lodu (koncentracja 100%) albo w zależności od koncentracji drobnej kry (ice cake) o rozmiarach poziomych od 2 do 20 metrów albo małej kry (small floe) o rozmiarach poziomych od 20 do 100 metrów [12]. Podczas żeglugi w kanale za lodołamaczem kryteria możliwej bezpiecznej prędkości i bezpiecznej odległości uzależnia się od grubości lodu. W związku z tym należało w następnej kolejności ustalić miejsce statku typu PANAMAX, nieposiadającego wzmocnień lodowych wśród statków pływających w rejonach zlodzonych. Instalowana moc napędu statków typu PANAMAX ze wzmocnieniami lodowymi klas 1C, 1B, 1A oraz 1A Super jest porównywalna z mocą napędu takich statków, przeznaczonych dla żeglugi w rejonach wolnych od lodów [6]. Fińsko-szwedzkie przepisy dotyczące nadawania klas lodowych [2] podają, że statki, które posiadają stalowy kadłub, a nie mają wzmocnień lodowych, są konstrukcyjnie zdolne do nawigacji na otwartym morzu, jak również do żeglugi w bardzo lekkich warunkach lodowych z pomocą własnego napędu. Przypisuje się im klasę lodową Category II [2], która jest ekwiwalentem klas L4, LU1, Ice1, ICE-C, 1D [11]. Ta zdolność do nawigacji w lodach została określona jako samodzielna dorywcza żegluga w drobno pokruszonych lodach w przybrzeżnych rejonach mórz niearktycznych [11]. Pojęcie drobno pokruszonego lodu (small ice cake) oznacza bryły lodu o średnicy nieprzekraczającej 2 metrów [12]. Oznacza to, że taki statek w wymienionych warunkach lodowych może prowadzić żeglugę samodzielnie bez asysty lodołamaczy. Statki o klasie lodowej L4 mogą pływać w lodach o koncentracji do 40 50%, średnio 50% oraz grubości pokruszonego lodu do 40 centymetrów [10]. Dla koncentracji kry lodowej nieprzekraczającej 50% opory tarcia kadłuba statku o krę lodową są małe i dopiero powyżej 50% koncentracji lodu opory kadłuba gwałtownie rosną i należy je uwzględniać [4]. Przyjęto więc z pewnym uproszczeniem, że można zastosować zależności obrotów silnika napędowego i śruby napędowej, prędkości statku, dobowego zużycia paliwa, stanu załadowania i oddziaływania warunków pogodowych dla statku klasy lodowej L4 w żegludze lodowej w granicach warunków hydrologicznych dopuszczalnych przepisami, jakie są stosowane dla żeglugi bezlodowej [10]. Takie zależności zostały przedstawione w postaci nomogramu (rys. 1). W celu dogodniejszego i precyzyjniejszego określania dobowego zużycia paliwa statków typu PANAMAX w funkcji obrotów śruby napędowej RPM, prędkości statku, stanu załadowania i warunków hydrometeorologicznych opracowano zależności matematyczne (wzory 6 13). Wartość współczynnika determinacji
146 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, 2016 R 2 dla wzorów mieściła się w przedziale od 0,9967 do 1. Zależności matematyczne były więc bardzo dobrze dopasowane do danych źródłowych. Wzory od 3 do 10 oraz diagram (rys. 1) dotyczą największej możliwej prędkości ze względu na moc napędu statku i ograniczenia bezpieczeństwa układu napędowego i kadłuba statku w opisanych warunkach hydrometeorologicznych. Największa dopuszczalna prędkość statku klasy L4 w lodach wynosi 5 węzłów. Ograniczeniem maksymalnego zużycia paliwa jest więc dopuszczalna bezpieczna prędkość w lodach statku klasy lodowej L4 określona przepisami i wynosząca 5 węzłów [10]. Stan balastowy, dobra pogoda Stan załadowany, dobra pogoda Stan balastowy, zła pogoda Stan załadowany, zła pogoda oraz = +0,0549! " # + 1,0960! $ + 0,0546 % = +0,0027! " # + 1,8706! " + 0,0272 % = +0,0322! " # + 1,8088! " + 0,0011 % = &0,0092! " # + 2,6797! " + 0,2043 (6) (7) (8) (9) Stan balastowy, dobra pogoda % = +0,0005! $ # + 0,2210! $ & 0,0398 (10) Stan załadowany, dobra pogoda % = +0,0002! $ # + 0,2671! $ + 0,0062 (11) Stan balastowy, zła pogoda % = +0,0004! $ # + 0,2410! $ & 0,0112 (12) Stan załadowany, zła pogoda % = +0,0002! $ # + 0,2880! $ + 0,0414 (13) gdzie: y dobowe zużycie paliwa [tony metryczne/dobę], x prędkość statku [węzły], z obroty śruby napędowej [1/minutę], stan balastowy statek bez ładunku, pełne zbiorniki balastowe, stan załadowany statek zanurzony maksymalnie do najwyższej dopuszczalnej linii ładunkowej, dobra pogoda siła wiatru do 5 stopni Beauforta, stan morza do 4 stopni Douglasa, wysokość fali do 1 metra, zła pogoda siła wiatru powyżej 5 stopni Beauforta, średnio 6 stopni Beauforta, stan morza powyżej 4 stopni Douglasa, wysokość fali powyżej 1 metra. Alternatywnym rozwiązaniem oceny możliwej prędkości w sytuacjach nadzwyczajnych, jak np. konieczność przejścia lodów o większej koncentracji lub grubości niż dopuszczalne przepisami [10], byłoby wykorzystanie zależności prędkości statków o różnych klasach lodowych przy zastosowaniu współczynnika korekcyjnego dla klasy lodowej L4 [7]. Wynikiem jest wykres na rysunku 2a. Wyniki należy traktować jako prędkość możliwą ze względu na moc napędu,
T. Pastusiak, Wpływ warunków hydrometeorologicznych na parametry eksploatacyjne statków typu PANAMAX 147 a nie jako dopuszczalną prędkość bezpieczną. Konsekwencją tak otrzymanych prędkości statku w lodzie bez uwzględnienia zwiększonych oporów kadłuba statku w lodach o koncentracji przekraczającej 50% jest zaniżone dobowe zużycie paliwa (rys. 2b). W rzeczywistości należy spodziewać się konieczności pracy silnika napędowego na znacznie wyższych obrotach i przy wyższych obciążeniach, a więc wytwarzania wyższej mocy silnika napędowego, skutkującego wyższym zużyciem paliwa. Rys. 2. Parametry eksploatacyjne statku typu PANAMAX w stanie załadowanym przy dobrych warunkach pogodowych w lodach bez uwzględnienia większych oporów kadłuba w lodach o koncentracji powyżej 50%; a zależność prędkości od koncentracji i grubości lodu, b zależność dobowego zużycia paliwa od koncentracji i grubości lodu Źródło: opracowanie własne na podstawie [7]. Dla porównania należy przytoczyć badania [1] trochę mniejszego typu statku przystosowanego konstrukcyjnie do żeglugi w zwartych lodach o grubości do 2,2 metra w asyście lodołamacza (HANDYSIZE, klasa lodowa 1A ICE, UL-ULA). Statek wykorzystał moc silnika na poziomie poniżej Wolno Naprzód (moc napędu 5923 kw), aby pływać w stanie załadowanym w dobrych warunkach pogodowych poza rejonami pokrytymi przez lód z prędkością eksploatacyjną 15,7 węzła i zużywając na dobę 25 ton paliwa w rejonach całkowicie wolnych od lodów. Pływając samodzielnie albo w asyście lodołamacza w rejonach nieznacznie pokrytych lodami z prędkością średnią 7,4 węzła, dobowe zużycie paliwa wynosiło 27 ton. W rejonach częściowo pokrytych lodami w okresach przejściowych między sezonem zimowowiosennym i jesienno-zimowym (z pominięciem żeglugi bezlodowej) w asyście lodołamacza z wykorzystaniem mocy napędu 10 400 kw (Cała Naprzód Manewrowa) dobowe zużycie paliwa wynosiło od 29 do 35 ton. Pływając w trudnym okresie zimowo-wiosennym w asyście lodołamacza w lodach o grubości od 1,4 do 2,2 metra z pełnym wykorzystaniem mocy napędu 13 000 kw (Cała Naprzód Morska), statek zużywał od 35 do 37 ton paliwa na dobę, mając bardzo duży zapas niewykorzystanej mocy napędu w rejonach niepokrytych lodem. W związku z wysokimi kosztami amortyzacji przyjęto, że nie mógł konkurować na rynku transportowym w rejonach niepokrytych lodem. Podczas pływania z ograniczoną prędkością w asyście lodołamaczy jego zużycie paliwa wzrastało w średnich
148 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, 2016 warunkach lodowych o 24%, a w trudnych zimowo-wiosennych warunkach lodowych w asyście lodołamacza o 44%. Rezerwa mocy napędu na trudniejsze warunki hydrometeorologiczne na statkach nieprzystosowanych konstrukcyjnie do żeglugi w lodach praktycznie nie istnieje. W związku z powyższym prędkości i dobowe zużycie paliwa określone przez autora (rys. 2) mogą być łatwo niespełnione. Im bardziej stan załadowania i warunki pogodowe wskazują na większe opory kadłuba, tym bardziej prawdopodobne jest niespełnienie warunków prędkości i zużycia paliwa wraz z pogarszaniem się warunków żeglugi w lodach. Najmniejszą podatność na zmiany wykazywałaby więc prędkość i zużycie paliwa dla statku pustego pod balastem podczas dobrej pogody. Średnio podatna na zmiany byłaby prędkość oraz zużycie paliwa podczas podróży statku pustego pod balastem podczas złej pogody i statku załadowanego podczas dobrej pogody. Najbardziej podatne byłyby w stanie załadowanym podczas złych warunków pogodowych. Odnosząc wyniki pracy [1] do uproszczonego założenia [4], można przyjąć, że w warunkach żeglugi bezlodowych czyli przy koncentracji kry lodowej poniżej 15 18% statek, niezależnie od wykorzystywanej mocy silnika napędowego i uzyskiwanej prędkości, będzie utrzymywał dobowe zużycie paliwa na poziomie o 8% wyższym niż w rejonach całkowicie wolnych od lodów. Można to uzasadnić nie tyle zwiększonymi oporami tarcia o krę lodową, którego statek powinien unikać, ile zwiększonymi oporami kadłuba, związanymi z częstymi wychyleniami płetwy steru podczas lawirowania, czyli omijania brył kry lodowej w żegludze tylko pozornie bezlodowej. W przypadku pływania w lodach o koncentracji lodu od 15 18% do 50%, w których statek klasy L4 ma prawo pływać, należy oczekiwać zwiększonego zużycia paliwa na poziomie o 24% wyższym niż podczas żeglugi w rejonach całkowicie wolnych od lodu, niezależnie od wykorzystanej mocy napędu i uzyskiwanych prędkości. Tak określone zwiększone zużycie paliwa podczas żeglugi w lodach należałoby uwzględnić we wzorach (6 13). WNIOSKI W pracy omówiono wpływ warunków hydrometeorologicznych na parametry eksploatacyjne statków. Zaliczono do nich obroty silnika napędowego i śruby napędowej, uślizg śruby, dobowe zużycie paliwa, prędkość statku, siłę i kierunek wiatru, falę wiatrową, falę martwą, stały prąd morski, prąd pływowy, koncentrację kry lodowej i grubość lodu. Opracowano diagram wiążący z sobą takie parametry statku typu PANAMAX, jak obroty: silnika napędowego, stan załadowania, warunki pogodowe dotyczące siły wiatru, stanu morza i wysokości fali oraz dobowe zużycie paliwa. Porównanie prędkości statku i dobowego zużycia paliwa w pracach innych autorów potwierdziło poprawność ustalonych zależności. Opracowano zależności matematyczne, umożliwiające cyfryzację procesu obliczeniowego, a tym samym zmniejszenie wpływu czynnika ludzkiego na proces planowania podróży.
T. Pastusiak, Wpływ warunków hydrometeorologicznych na parametry eksploatacyjne statków typu PANAMAX 149 W następnej kolejności przeanalizowano wpływ warunków lodowych na prędkość i dobowe zużycie paliwa, a w szczególności wpływ koncentracji kry lodowej i grubości lodu na prędkość i dobowe zużycie paliwa statku o stalowym kadłubie bez wzmocnień lodowych klasy lodowej L4. Ustalono, że dla koncentracji kry lodowej do 50% można w obliczeniach pominąć opory kadłuba wynikłe podczas żeglugi w lodach. Jednakże statki nieprzystosowane konstrukcyjnie do żeglugi lodowej mogą nie spełnić oczekiwanej w żegludze poza rejonami zlodzonymi prędkości i dobowego zużycia paliwa. Przyjęto, że niezależnie od uzyskiwanych w lodach prędkości statek klasy lodowej L4 będzie zużywał o 8% więcej paliwa podczas żeglugi bezlodowej w lodach o koncentracji poniżej 15 18% oraz o 24% więcej paliwa w lodach o koncentracji od 15 18% i 50% niż podczas żeglugi w rejonach wolnych od lodów. Taką poprawkę powinno się uwzględnić w opracowanym powyżej diagramie i zależnościach matematycznych. Przedstawiona w artykule cyfryzacja procesu obliczeniowego powinna zmniejszyć pracochłonność oraz wpływ czynnika ludzkiego na wyniki procesu planowania i rozliczania podróży statku względem operatora i czarterującego. Tym samym powinno wzrosnąć bezpieczeństwo transportu morskiego w rejonach zlodzonych, jak i w rejonach całkowicie wolnych od lodów. LITERATURA 1. Esa J., Fuel and economic efficiency of an ice-going vessel on the Northern Sea Route, Aalto University School of Engineering, Aalto, Finland 2015. 2. Finnish Maritime Administration, Ice class regulations 2008 (Finnish-Swedish ice class Rules), Bulletin, 2008, no. 10. 3. Kelareva E., Kilby Ph., Thiebaux S., Wallace M., Ship Speed Optimisation with Time- Varying Draft Restrictions, 2014. 4. Kjerstad N., Ice navigation, Tapir Academic Press, Trondheim, Norway 2010. 5. Maksimadzhi A.I., To Captain about the ship's hull strength [in Russian] (Капитану о прочности корпуса судна), Sudostrojenie, Leningrad 1988. 6. MAN Diesel & Turbo, Propulsion trends in tankers, http://marine.man.eu/docs/librariesprovider6/technicalpapers/propulsion-trends-in-tankers.pdf?sfvrsn=20, (dostęp 28.12.2016). 7. Pastusiak T., Accuracy of Sea Ice Data from Remote Sensing Methods, its Impact on Safe Speed Determination and Planning of Voyage in Ice-Covered Areas, [in:] TRANSNAV International Journal of Marine Navigation and Safety of Sea Transportation (ed. A. Weintrit), 2016, no. 2, s. 229 248. 8. Pastusiak T., Podstawy nawigacji morskiej, Wyższa Szkoła Morska w Gdyni, Gdynia 1991. 9. Počuča M., Methodology of Day-To-Day Ship Costs Assessment, Transportation Economics Review, Traffic and Transportation, vol. 18, 2006, no. 5, s. 337 345.
150 PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 31, 2016 10. Russian Maritime Register of Shipping RMRS, Rules for the classification and construction of sea-going ships, vol. 1, Saint-Petersburg 2015. 11. Urząd Morski w Gdyni, Klasy lodowe, Gdynia 2014, http://www.umgdy.gov.pl/wpcontent/uploads/2014/06/kga-klasy-lodowe.pdf, (dostęp 23.12.2016). 12. World Meteorological Organization, Ice Chart Colour Code standard, WMO/TD-No. 1215, JCOMM Technical Report, 2004, no. 24. INFLUENCE OF HYDRO-METEOROLOGICAL CONDITIONS ON OPERATIONAL PARAMETERS OF PANAMAX SIZE VESSELS Summary The influence of hydro-meteorological conditions on operational parameters of PANAMAX type vessels was described in the work. Diagram linking such parameters and mathematical formulas that allow digitization of computational process were elaborated. The influence of ice conditions on speed and daily fuel consumption of the steel hull vessel without ice-strengthening of ice class L4 was studied. The digitization process should reduce computational workload and influence of human factor on results of vessel voyage planning process. Keywords: vessel speed, daily fuel consumption, ice navigation, weather conditions, voyage planning, maritime transport.