Ý TƯỞNG THIẾT kế tàu sử DỤNG nước dằn tự DO

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Ý TƯỞNG THIẾT KẾ TÀU SỬ DỤNG NƯỚC DẰN TỰ DO Nguyễn Thị Hải Hà , Trần Ngọc Tú , Hoàng Thị Mai Linh , Trần Việt Hà Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Hải Phòng Viện kỹ thuật Hải Quân, Hải Phòng TĨM TẮT: Cơng ước Quốc tế Kiểm soát Quản lý nước dằn cặn lắng nước dằn tàu – BWM, 2004 đưa quy định liên quan đến việc xử lý nước dằn tàu trước xả mơi trường nhằm mục đích đảm bảo tính bền vững cho mơi trường biển Để đáp ứng yêu cầu Công ước này, đòi hỏi cần thiết phải trang bị cho tàu hệ thống xử lý nước dằn Tuy nhiên, việc trang bị thêm hệ thống làm gia tăng đáng kể giá thành đóng tàu chi phí khai thác cho tàu Chính vậy, ý tưởng thiết kế tàu sử dụng nước dằn tự để trang bị hệ thống xử lý nước dằn tàu nhà thiết kế tàu quan tâm nghiên cứu Chính báo trình bày ý tưởng thiết kế tàu sử dụng nước dằn tự do, nguyên lý hoạt động loại tàu việc đảm bảo tư thế, ổn định… cho tàu So sánh đặc trưng kinh tếkỹ thuật loại tàu so với tàu truyền thống (tàu sử dụng nước dằn) Từ khóa: Nước dằn, Cơng ước BMW - 2004, môi trường biển, thiết kế tàu, dằn tự GIỚI THIỆU Như biết, nước dằn có vai trò đặc biệt quan trọng việc đảm an tồn nâng cao tính hiệu cho tàu q trình khai thác, tham gia vào việc [1]: - Đảm bảo điều chỉnh tư cần thiết cho tàu; - Điều chỉnh tính ổn định cần thiết cho tàu; - Giảm ứng suất thân tàu; - Nâng cao hiệu suất thiết bị đẩy tính hành hải tàu Mặt khác theo thống kê IMO [3], m3 nước dằn có chứa khoảng 7000 lồi thủy sinh vật khác Chính vậy, q trình khai thác, việc nhận xả dằn tàu khơng kiểm sốt quản lý chặt chẽ kéo theo việc nhận xả loài thủy sinh vật độc hại ngoại lai, loài vi khuẩn gây bệnh cặn lắng có nước dằn từ đe dọa đến việc bảo tồn khai thác bền vững đa dạng sinh học hệ sinh thái ven bờ biển [2], từ tác động tiêu cực đến kinh tế xã hội Chính vậy, nhằm ngăn ngừa, giảm thiểu tiến đến loại trừ hồn tồn rủi ro cho mơi trường, sức khỏe người, tài sản tài nguyên việc lan truyền loài thủy sinh độc hại nguồn gây bệnh, IMO đưa Trang 390 yêu cầu Kiểm soát, quản lý nước dằn cặn lắng tàu (công ước BWM 2004) [2] Theo đó, yêu cầu tất tàu biển phải trang bị hệ thống sử lý nước dằn để xử lý nước dằn trước xả môi trường Tuy nhiên, việc trang bị hệ thống xử lý nước dằn làm tăng giá thành đóng tàu chi phí khai thác (việc trang bị hệ thống làm cho giá thành đóng tàu tăng lên – 7%) Như nói, với tình hình thị trường vận tải biển suy giảm việc Cơng ước BWM 2004 có hiệu lực thách thức lớn chủ tàu doanh nghiệp vận tải biển giới nói chung Việt Nam nói riêng Vì vậy, câu hỏi đặt liệu có giải pháp thay cho việc sử dụng nước dằn khơng mà đảm bảo an tồn cho tàu trình khai thác? Vấn đề nhà thiết kế, đóng tàu, khai thác tàu nước quốc tế quan tâm nghiên cứu Thực tế, xuất nhiều ý tưởng thiết kế tàu không sử dụng nước dằn [4]: Ý tưởng thiết kế tàu sử dụng khối dằn rắn; Ý tưởng thay tàu thân tàu nhiều thân; Ý tưởng thiết kế tàu sử dụng nước dằn tự HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Đối với ý tưởng thứ nhất: tàu sử dụng khối dằn rắn chứa thùng (có thể dạng thùng container) nhiều cơng sức đưa dằn vào thải dằn bố trí dằn Ngồi ra, khơng dằn cách cẩn thận khối xê dịch tàu bị lắc từ ảnh hưởng đến tư ổn định tàu Chính vậy, giải pháp áp dụng phù hợp tàu container Đối với ý tưởng thứ hai: thay tàu thân tàu hai thân hay nhiều thân, có ưu điểm nâng cao tính ổn định cho tàu, tính biển tốt chạy tốc độ cao, có chiều chìm lớn so với tàu thân với lượng chiếm nước từ giảm việc sử dụng nước dằn việc đảm bảo chiều chìm ổn định cần thiết cho tàu chạy chế độ ballast Tuy nhiên có nhược điểm có lực cản lớn tàu thân chạy tốc độ thấp (tốc độ thường hay gặp tàu hàng), khối lượng tàu lớn tàu thân có lượng chiếm nước từ làm tăng giá thành đóng tàu…Chính vậy, giải pháp chưa thực hiệu Đối với ý tưởng thứ ba: sử dụng nước dằn tự ý tưởng nhiều nhà thiết kế tàu giới nghiên cứu khn khổ báo nhóm tác xin giới thiệu phương pháp NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TÀU SỬ DỤNG NƯỚC DẰN TỰ DO Sự khác nguyên lý hoạt động tàu sử dụng nước dằn truyền thống (nước dằn chứa két bên tàu) tàu sử dụng nước dằn tự thể hình Hình Sự khác nguyên lý hoạt động tàu sử dụng nước dằn truyền thống tàu sử dụng nước dằn tự Nguyên lý hoạt động tàu sử dụng nước dằn tự tàu thiết kế với hệ thống đường ống nằm phía đáy đơi tàu chạy dọc theo chiều dài tàu (từ mũi đuôi tàu) Những đường ống mở biển qua cửa thông mũi đuôi tàu Khi tàu chạy chế độ ballast hệ thống đường ống mở chênh lệch áp suất thủy động mũi đuôi tàu nước biển tự động chảy vào hệ thống đường ống (từ mũi tàu) từ làm tăng chiều chìm cần thiết cho tàu Khi trình dằn kết thúc, đường ống đóng lại hút khô bơm Như vậy, đường ống nước dằn tạo trao đổi liên tục nước dằn với mơi trường xung quanh từ chúng khơng vận chuyển lồi thủy sinh vật ngoại lai từ vùng biển sang vùng biển khác [5] Như vậy, xét chất tàu sử dụng nước dằn tự tàu sử dụng nước dằn để đảm bảo tư ổn định cho tàu theo phương pháp tối ưu an tồn cho mơi trường biển trường hợp không cần phải trang bị hệ thống xử lý nước dằn tàu Tất nhiên, việc thiết kế loại tàu đặt vấn đề nhà thiết kế cần phải tính tốn bố trí hệ thống đường ống mũi tàu để tạo chênh lệch áp suất mũi đuôi tàu, đủ đảm bảo trì dòng nước biển chảy liên tục đường ống tàu chạy vận tốc thiết kế sau khoảng thời gian định lượng nước dằn nhận vào phải xả hết mơi trường Trên sở mô nghiên cứu thực nghiệm số tác giả tính tốn chênh lệch áp suất mũi đuôi tàu cần thiết để đảm bảo tính liên tục dòng chảy Trang 391 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM đường ống nước dằn △Cp =0,033 [5] Trong đó, liệu đo đạc chênh lệch áp suất mũi đuôi tàu cho seri 60 với hệ số béo thể tích CB = 0,6 đưa Toda et al (1990) 0,1314 [5] Như kết thực nghiệm cho thấy, chênh lệch áp suất đạt gấp ba lần chênh lệch áp suất cần thiết nghĩa khả trì dòng nước chảy liên tục đường ống nước dằn nhờ chênh lệch áp suất tạo mũi đuôi tàu hoàn toàn thực Đối với vị trí đặt miệng ống mũi cần nằm vị trí khoảng x/L=0,05 theo chiều dài tàu tính từ đường vng góc mũi độ cao từ 0,2 0,4 đường nước thiết kế Đối với vị trí đặt miệng ống phía tàu cần bố trí vị trí khoảng x/L=0,85 tính từ đường vng góc mũi, nằm đường nước thiết kế 0,5 0,7 [5] SO SÁNH CÁC ĐẶC TRƯNG KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA TÀU SỬ DỤNG NƯỚC DẰN TRUYỀN THỐNG VÀ TÀU SỬ DỤNG NƯỚC DẰN TỰ DO Hình Mặt cắt ngang khoang hàng hai loại tàu cản tàu; hiệu suất thiết bị đẩy; ổn định nguyên Để đánh giá khả áp dụng vào thực tế vẹn; ổn định tai nạn; tính lắc độ bền thân tàu ý tưởng thiết kế tàu sử dụng nước dằn tự do, số kinh tế nhóm thiết kế tàu trường đại học Michigan, Mỹ tiến hành tính tốn so sánh đặc trưng kinh tế kỹ thuật tàu sử dụng nước dằn truyền thống tàu sử dụng nước dằn tự Tàu lựa chọn để tính thử tàu hàng rời với thông chủ yếu thể Bảng Với thơng số đảm bảo cho hai tàu chuyên chở lượng hàng hóa Mặt cắt ngang hai loại tàu thể Hình Ở tác giả Miltiadis Kotinis, Michael G Parsons, Thomas Lamb Ana Sirviente [5,6] tiến hành so sánh đặc trưng kinh tế-kỹ thuật tồn khác hai loại tàu gồm: lực Trang 392 Bảng Bảng thông số chủ yếu hai loại tàu lấy để so sánh Tàu hàng Tàu hàng rời rời sử dụng truyền thống dằn tự LBP (m) Loa (m) Chiều rộng, B (m) Chiều cao, D (m) Mớn nước thiết kế, T (m) CB CP CM LCB (m, nửa mũi) 192,00 200,75 201,25 23,76 15,00 16,00 10,70 0,838 0,841 0,996 5,150 HỘI NGHỊ KH&CN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP H VCB (m, từ sống đáy) Lượng chiếm nước (tấn) tự cao so với tàu loại truyền thống từ dẫn tới nâng cao trọng tâm khối hàng chuyên chở chạy chế độ tồn tải) (xem Hình 2) 5,540 42702 Tính động: Việc thiết kế hệ thống ống dằn đáy tàu tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự dẫn tới xuất dòng chảy ống từ gây tượng tách lớp biên sớm thay đổi cấu trúc lớp biên từ làm thay đổi đặc trưng thủy động tàu (lực cản, hiệu suất chong chóng …) Theo kết thử nghiệm tác giả nêu trên, lực cản tàu sử dụng nước dằn tự lớn khoảng 4,5% so với tàu truyền thống điều giải thích gia tăng diện tích mặt ướt (dẫn đến làm tăng lực cản ma sát) lực cản hình dáng tượng tách lớp biên sớm tàu sử dụng nước dằn tự Tuy nhiên hiệu suất chung tổ hợp thiết bị đẩy tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự lại lớn tàu hàng rời truyền thống 6,7% [6] từ dẫn tới cơng suất u cầu tàu tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự nhỏ so với tàu hàng rời truyền thống 1,6% RT (kN) 850 800 Tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự 750 700 Yêu cầu IMO Vùng từ 0°- 30° (m rad) Vùng từ 0°- 40° df* (m.rad) Vùng từ 30°- 40° df (m rad) GZ ≥ 30° (m) Góc Gzmax( °) GMt (m) Tàu hàng Tàu hàng rời sử rời truyền dụng dằn thống tự ≥ 0,055 0,211 0,078 ≥ 0,090 0,356 0,157 ≥ 0,030 0,145 0,079 ≥ 0,20 0,873 0,486 ≥ 25 43,52 42,69 ≥ 0,30 1,419 0,337 Ổn định tai nạn: Ổn định tai nạn tàu đánh giá thơng qua số phân khoang tính toán A phải tối thiểu số phân khoang theo u cầu R Kết tính tốn cho thấy tàu sử dụng nước dằn tự khơng có cửa ngăn nước nằm dọc theo ống nước dằn khơng thỏa mãn điều kiện chống chìm Nếu bố trí thêm cửa ngăn nước vách kín nước (xem Hình 4) hồn tồn thỏa mãn điều kiện chống chìm theo IMO Ряд1 Ряд2 650 Tàu hàng rời truyền thống 600 Bảng Bảng so sánh thông số ổn định nguyên vẹn hai loại tàu chế độ toàn tải 550 500 14 15 16 17 Tốc độ tàu, knots Hình Đồ thị quan hệ lực cản tốc độ tàu [6] Ổn định ngun vẹn: Kết tính tốn kiểm tra ổn định nguyên vẹn cho hai loại tàu rằng, ổn định nguyên vẹn hai loại tàu thỏa mãn yêu cầu IMO ổn định nguyên vẹn Trên Bảng biểu diễn kết tính toán ổn định nguyên vẹn cho hai loại tàu chế độ toàn tải Từ Bảng ta thấy rằng, ổn định nguyên vẹn tàu hàng rời loại truyền thống tốt loại sử dụng nước dằn tự do, điều giải thích cao độ trọng tâm tàu hàng rời truyền thống thấp so với tàu sử dụng nước dằn (do chiều cao đáy đôi tàu hàng rời sử dụng nước dằn Hình Cửa ngăn nước tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự Tính lắc: Kết tính tốn kiểm tra tính lắc hai tàu thể Hình Từ Hình ta thấy rằng, biên độ lắc tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự nhỏ nhiều so với tàu hàng rời truyền thống, kết hoàn toàn phù hợp với kết tính tốn ổn định ngun vẹn hai tàu nêu (ổn định tốt tính lắc ngược lại) Trang 393 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Biên độ lắc, độ 3,00 2,50 Tàu hàng rời sử dụng dằn truyền thống 2,00 Tàu hàng rời sử dụng dằn tự 1,50 1,00 0,50 0,00 30 60 90 120 150 180 210 Góc hành trình của tàu so với phương trùn sóng, đợ Hình Đồ thị quan hệ biên độ lắc tàu so với phương truyền sóng Độ bền thân tàu: Điểm khác biệt chủ yếu hai tàu chiều cao mạn tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự lớn (do phải đảm bảo dung tích chứa hàng), làm cho mô men uốn chung tàu điều kiện toàn tải lớn so với tàu hàng rời truyền thống Kết tính tốn độ bền cho thấy để đảm bảo độ bền cho tàu chở hàng rời sử dụng nước dằn tự cần phải tăng diện tích hiệu dụng cấu dọc khu vực tàu lên 3,5% so với tàu hàng rời truyền thống Lượng kết cấu tăng thêm coi gần lượng chênh lệch khối lượng toàn thân tàu Sự gia tăng khối lượng thân vỏ chủ yếu ảnh hưởng đến sức chở hàng tàu, giả sử lượng chiếm nước không đổi khối lượng hàng giảm 0.5% Điều này, dễ dàng khắc phục cách tăng hệ số béo thể tích, mà hệ số béo thể tích hai tàu có khác Chỉ số kinh tế: Các kết nghiên cứu số kinh tế hai loại tàu với số giả thiết giá thép thành phẩm 400usd/tấn; giá nhiên liệu 160 usd/tấn… Chi phí đóng tàu sử dụng nước dằn tự nhỏ so với tàu truyền thống 409900 usd (mức trênh chủ yếu tàu trang bị hệ thống sử lý nước dằn tàu truyền thống) Chi phí nhiên liệu tàu sử dụng nước dằn giảm so với tàu thông thường 116920 usd/năm Tổng hợp lại chi phí việc vận chuyển hàng tàu sử dụng nước dằn tự rẻ khoảng 1usd/tấn so với tàu hàng rời truyền thống Trang 394 Bảng Kết tính toán độ bền thân tàu cho hai loại tàu LSC (m) MSW (tấn m) MWS (tấn m) Mwh (tấn m) SM (cm2 m) SMreq (cm2 m) SMreq (m3) Ireq (m4) Tổng diện tích (m2) Chiều cao trục trung hồ so với đường (m) lact (m4) SMact.deck SMact.btm Tàu hàng Tàu hàng rời rời truyền sử dụng nước thống dằn tự 189,64 82,158 73,681 -143,821 -143,851 137,245 137,296 122,926 118,206 128,177 128,203 9,229 9,231 52,555 52,566 2,393 2,476 5,999 6,312 83,371 9,263 13,897 89,534 9,242 14,184 Tuy nhiên, cần phải nói thêm việc tính tốn số kinh tế mang tính chất tham khảo giá thành thép đóng tàu, giá nhiên liệu (2 thành phần có trọng số lớn đóng tàu khai thác tàu) thay đổi liên tục phụ thuộc vào thị trường, yêu cầu IMO vấn đề xử lý nước dằn ngày khắt khe nên giá thành đầu tư chi phí khai thác hệ thống tốn tương lai Chính mối tương quan số kinh tế hai loại tàu thay đổi Bảng Bảng so sánh số kinh tế hai loại tàu Thay đổi giá thành đóng tàu ($): - 409900 Tăng chi phí phần vỏ tàu ($) +86000 Giảm chi phí phần máy tàu ($) -313000 Cửa ngăn nước ($) +260000 Giảm trừ van két dằn -14000 Giảm chi phí đường ống bơm -314000 dằn ($) Giảm chi phí hàn ($) -9500 Thêm vào chi phí đường ống +79000 dằn ($) Thêm vào chi phí hàn ($) +2600 Giảm trừ hệ thống xử lý nước -500000 dằn ($) Thay đổi chi phí vận hành ($) : -116920/năm KẾT LUẬN Trên sở nghiên cứu ý tưởng thiết kế tàu sử dụng dằn tự do, báo thu kết sau: HỘI NGHỊ KH&CN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP H - Đã nêu bật vai trò đặc biệt quan trọng nước dằn khai thác tàu biển ảnh hưởng đến mơi trường - Đã tổng hợp giải pháp thay cho việc sử dụng nước dằn tàu thủy - Đã giới thiệu nguyên lý hoạt động tàu sử dụng nước dằn tự - Đã tổng hợp khác đặc điểm kinh tế-kỹ thuật tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự tàu truyền thống dựa việc trích dẫn ví dụ tính TÀI LIỆU TH M KH O [1] Trần Ngọc Tú, Trần Tuấn Thành Đảm bảo yêu cầu công ước quốc tế nước dằn cặn lắng tàu biển góc độ nhà thiết kế Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải số 49-1/2017 ISSN 1859-316X [2] Công ước Quốc tế kiểm soát quản lý nước dằn cặn lắng tàu, 2004 (công ước BWM 2004) [3] http://www.classnk.or.jp/ (Website Đăng kiểm NK, Nhật Bản) [4] http://www.marineinsight.com [5] Miltiadis Kotinis, Michael G Parsons, Fellow, Thomas Lamb Development and investigation of the ballast- free ship concept University of Michigan Available form website: http://www.sname.org/HigherLogic/System/Do wnloadDocumentFile.ashx?DocumentFileKey= c93fdc2f-2c65-484d-b25e-b5a06b3412c7 [6] Michael G Parsons, Arthur F Thurnau Professor Emeritus Update and plans for ballast-free ship concept development Available form website University of Michigan.http://www.glmri.org/downloads/2009 Reports/affiliatesMtg/Parsons.pdf Trang 395 ... bên tàu) tàu sử dụng nước dằn tự thể hình Hình Sự khác nguyên lý hoạt động tàu sử dụng nước dằn truyền thống tàu sử dụng nước dằn tự Nguyên lý hoạt động tàu sử dụng nước dằn tự tàu thiết kế với... bền thân tàu ý tưởng thiết kế tàu sử dụng nước dằn tự do, số kinh tế nhóm thiết kế tàu trường đại học Michigan, Mỹ tiến hành tính tốn so sánh đặc trưng kinh tế kỹ thuật tàu sử dụng nước dằn truyền... trọng tâm tàu hàng rời truyền thống thấp so với tàu sử dụng nước dằn (do chiều cao đáy đơi tàu hàng rời sử dụng nước dằn Hình Cửa ngăn nước tàu hàng rời sử dụng nước dằn tự Tính lắc: Kết tính