Повышение эффективности использования флота в шлюзованных системах
На правах рукописи
Шишкин Александр Алексеевич
повышение эффективности использования флота
в шлюзованных системах
Специальность 05.22.19 – Эксплуатация водного
транспорта, судовождение
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» (ФГОУ ВПО «ВГАВТ»), г.Н. Новгород.
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор
Малышкин Александр Георгиевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
Липатов Игорь Викторович
кандидат технических наук,
Ничипорук Олег Игнатьевич
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций
Защита состоится «26»_апреля_ 2011 г. в 14:00 часов в аудитории _231_ на заседании диссертационного совета Д 223.001.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» по адресу: 603950 г.Нижний Новгород, ул. Нестерова, д.5 А.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «ВГАВТ».
Автореферат разослан « 25 » _марта__ 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор А.Н.Ситнов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Мировой опыт создания шлюзованных систем показывает, что соединение смежных речных бассейнов с помощью каналов и шлюзов объяснялось достижением наименее затратного способа доставки грузов, осуществлением внешнеэкономических связей, решением оборонных проблем. Периоды наиболее интенсивного строительства искусственных водных путей совпадают со знаковыми вехами исторического развития государств. В истории Европы период со второй половины XVIII в. до первой трети XIX в. называли эпохой каналов. Бурное развитие промышленного производства в XVIII в. сопровождалось высокими темпами роста объемов перевозимых грузов, с которыми гужевой транспорт справиться не мог. В отсутствии железных дорог основную работу приняли на себя реки и каналы.
Подобное происходило и в истории России. Петр Первый понимал, что без надежной транспортной связи столицы (Санкт-Петербург) с внутренними территориями страны закрепиться на берегах Балтики Россия не сможет. Поэтому им было принято решение о создании системы сквозных водных коммуникаций, соединяющих бассейны Волги и Невы. Император лично контролировал проектные и строительные работы, в результате в сравнительно короткие сроки с применением исключительно ручного труда были построены основные сооружения системы (каналы, плотины, водохранилища, шлюзы) и в 1709 г. началось сквозное движение судов из района Верхней Волги в Санкт-Петербург.
В Советском Союзе начавшаяся с конца 20-х годов прошлого века промышленная революция (индустриализация) также потребовала строительство каналов и шлюзованных систем (ШС). В 1933 г. вступил в эксплуатацию Беломоро-Балтийский канал (ББК), в 1937 г. - канал им.Москвы (КиМ), начались подготовительные работы по строительству Волго-Донского судоходного канала (ВДСК), но помешала II Мировая война. Сразу после войны началось и в 1952 г. завершилось строительство ВДСК. А в 1964 г. большегрузные суда пошли по Волго-Балтийскому водному пути (ВБВП).
В современной России после 2000 г. началась стабилизация, а затем и устойчивый рост производства по сравнению с депрессией 90-х годов. Это вызвало рост перевозок на речном транспорте страны в целом, а по ВБВП и ВДСК в особенности. Предстоящее вступление России в ВТО и последующее за этим открытие внутренних водных путей для иностранных судов приведет к увеличению грузопотоков по ВБВП и ВДСК, как звеньям международных транспортных коридоров.
В 2010 г. пропускная способность ВБВП превысила проектную величину на 18,7%, но это сопровождалось увеличением простоев флота в ожидании шлюзования и преодоления однопутных участков. Потери судоходной компании (СК) «Волжское пароходство», связанные с ожиданием шлюзования, ежегодно составляют до 4 млн.тоннаже-суток и (11-12)% от общей суммы доходов, получаемых компанией за перевозки грузов по ВБВП. Из-за увеличения времени оборота, вызванного простоями флота, освоение некоторых грузопотоков по ВБВП становится не рентабельным.
Государство принимает определенные меры по повышению пропускной способности ШС: в 2010 г. началось строительство второй нитки Нижне-Свирского шлюза (НСШ), как наиболее узкого места в системе пропускной способности ВБВП; выполняются технико-экономические обоснования по строительству вторых ниток шлюзов №№1-6 на ВБВП и параллельной трассы ВДСК; исследуется возможность строительства альтернативного ВДСК соединения Черного и Каспийского морей судоходным каналом по Кума-Манычской впадине. Но все это – стройки отдаленного будущего и они потребуют огромных капиталовложений. В диссертации обосновываются оперативные решения по улучшению организации судопропуска и сокращению простоев флота при шлюзовании и преодолении лимитирующих участков ШС.
Цели и задачи исследования. Целью научного исследования и практических экспериментов, выполненных в рамках диссертационной работы, является повышение эффективности использования флота, осуществляющего перевозки по шлюзованным системам в условиях отсутствия резервов их пропускной способности.
Для достижения этой общей цели диссертант решал следующие задачи:
- проанализировать методы расчета пропускной способности лимитирующих участков водных путей, отдельных шлюзов и шлюзованных систем;
- исследовать влияние различных факторов на эффективность использования флота в шлюзованных системах;
- проанализировать причины и последствия задержек флота при прохождении шлюзованных систем;
- обосновать критерий оценки пропускной способности шлюзованных систем и предложить методику его расчета;
- разработать методику расчета оплаты за прохождение шлюзованных систем отечественными и иностранными судами;
- дать оценку техническим и организационным мероприятиям, выполняемым Государственным бассейновым управлением «Волго-Балт» по совершенствованию судопропуска;
- обосновать комплекс первоочередных мер по совершенствованию судопропуска и сокращению простоев флота при прохождении ВБВП.
Объектом исследования является шлюзованная система Волго-Балтийский водный путь, по которой проходит более половины всех грузов, перевозимых флотом СК «Волжское пароходство».
Предметом исследования стала пропускная способность шлюзованных систем, простои флота в ожидании шлюзования, мероприятия по совершенствованию судопропуска.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- предложен метод расчета пропускной способности ШС по критерию «тонны тоннажа, пропущенного через ШС в единицу времени»;
- предложено аналитическое выражение для расчета продолжительности шлюзования группы судов;
- разработан метод расчета пропускной способности однопутного участка при различных графиках судопропуска;
- проведены натурные испытания управляемости груженых и порожних толкаемых составов; по результатам испытаний определены условия их безопасной эксплуатации;
- предложена методика расчета нормативов оплаты за прохождение ШС отечественными и зарубежными судами.
Практическая значимость исследований:
- результаты теоретических исследований и натурных испытаний толкаемых составов на ВБВП позволили безопасно эксплуатировать составы с определенными габаритами, создавая при этом резерв пропускной способности ШС за счет увеличения средней грузоподъемности шлюзуемых судов;
- разработанная методика расчета нормативов оплаты за прохождение ШС отечественными и иностранными судами может быть использована при открытии российских ШС для иностранных судов;
- при проектировании новых ШС и модернизации действующих методы обоснования пропускной способности, предложенные в диссертации, могут быть использованы в расчетах при обосновании плановой пропускной способности ШС в целом и отдельных однопутных участков;
- по результатам натурных испытаний толкаемых составов на ВБВП разработаны и утверждены надзорными органами «Мероприятия по обеспечению безопасности плавания нетиповых составов на участке Череповец – С.Петербург».
Апробация работы. Результаты теоретических исследований подтверждены натурными испытаниями толкаемых составов на ВБВП, докладывались и обсуждались на Международном научно-практическом форуме «Великие реки» (2009-2010 гг.), на научно-методических конференциях ФГОУ ВПО «ВГАВТ» (2005 г., 2009 г.), на совещаниях в Минтрансе и Федеральном агентстве морского и речного транспорта.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано пять работ, в том числе две в журнале «Речной транспорт XXI век», входящем в рекомендуемый список ВАК. Всего диссертантом опубликовано восемь печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 83 наименования. Основное содержание работы изложено на 139 страницах, включая 21 рисунок и 24 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований.
В первой главе освещена история создания шлюзованных систем в России, странах Европы и США. Отмечено, что проектирование и строительство ШС производилось под контролем государства и за счет государственных средств. Все сооружения шлюзованных систем принадлежат государству и эксплуатируются за счет государственного бюджета. Судоходные компании, осуществляющие перевозки по шлюзованным системам Европы вносят плату за пользование каналами и шлюзами. Судоходные компании США освобождены от этой платы и при этом платят низкий подоходный налог.
Протяженность каналов на внутренних водных путях ФРГ и Франции составляет около 1/3 общей протяженности водных путей. Основные грузопотоки (примерно 75%) – минерально-строительные грузы, нефтегрузы, руда, металлолом, уголь, кокс. С конца XX века ежегодно растут перевозки генеральных грузов, освобождая перегруженные автобаны. По данным Минтранса ФРГ более половины грузов, поступающих в морские порты на перевалку, доставляются в речных судах.
Речные судоходные компании работают рентабельно благодаря поддержке государства. Министерство транспорта ФРГ, как государственный орган, устанавливает не только плату за пользование каналами и шлюзами, но и регулирует тарифы на перевозку основных грузов, обеспечивающие прибыльность работы СК и не подрывающие рентабельность предприятий, пользующихся услугами речного транспорта.
Опыт эксплуатации водных путей в Западной Европе и США показывает, что каналы всегда были спутниками промышленной революции. Они соединяли промышленные центры с месторождениями сырья, топлива, с рынками сбыта готовой продукции. Сегодня, когда автомобильные фуры заполонили автобаны промышленно развитых стран, сводя к минимуму запасы пропускной способности автодорог и максимально загрязняя окружающую среду, внутренние водные пути приобретают особо важное значение как транспортные магистрали. Рассматриваются проекты строительства новых каналов с целью переключения грузопотоков с автомобильного на более дешевый и экологически чистый водный транспорт. Развиваются транспортно-логистические системы доставки автофургонов на грузовых судах (паромах) параллельно перегруженным направлениям автобанов.
Подобные тенденции в развитии внутреннего водного транспорта ожидают и Российскую Федерацию. Поэтому проблемы совершенствования судопропуска по шлюзованным системам, поиска резервов их пропускной способности, актуальные сегодня, будут актуальными и в перспективе.
В этой же главе проанализировано влияние различных факторов на организацию работы флота в шлюзованных системах вообще и флота СК «Волжское пароходство» в шлюзованной системе ВБВП в частности.
Создание в 50-60 годы XX века крупных водохранилищ, каналов и шлюзов, объединенных в единую глубоководную систему Европейской части России, сыграло серьезную положительную роль в развитии речного транспорта страны. Повышение гарантированной глубины до 3,5-4,0 м позволило эксплуатировать грузовые теплоходы и танкеры грузоподъемностью 5000 т и толкаемые составы из несамоходных судов общей грузоподъемностью 15,0-20,0 тыс.тонн. Изменение путевых условий позволило повсеместно перейти на вождение судов методом толкания и снять экипажи с несамоходных судов. Все это в комплексе способствовало повышению роли речного транспорта в единой транспортной системе страны, снижению себестоимости перевозок и повышению производительности труда на перевозках в 2,0-2,5 раза.
Но объективности ради стоит отметить, что шлюзы стали определенными «ловушками» для флота. По мере увеличения объемов перевозок по ШС запас пропускной способности шлюзов стал снижаться, а простои флота в ожидании шлюзования стали расти в геометрической прогрессии.
Проблемы, возникающие у СК «Волжское пароходство» при организации перевозок по шлюзованным системам, определяются масштабами этих перевозок. В 2005 г. из общего объема перевозимых судоходной компанией грузов 53,2% транспортировались по ШС, а в 2010 г. доля этих перевозок достигла 86,1%. В 90-е годы продолжительность рейса Череповец – С.Петербург для теплохода «Волго-Дон» составляла 3 сут., к 2008 г. достигла 5 сут., а в отдельный период навигации при интенсивном движении туристических судов даже превышала 6 сут. Общие простои флота в ожидании шлюзования и прохождения однопутных участков составляли от 2 до 4 млн.тнж.-сут. в навигацию, потери доходов в 2010 г. составили 12,5% от общей суммы доходов, получаемых судоходной компанией от перевозки всех грузов по трассе Волго-Балта. Увеличение времени оборота привело к увеличению расходов, относимых на себестоимость перевозок. На некоторых грузопотоках себестоимость сравнялась с тарифом или превысила его, перевозки отдельных грузов стали нерентабельными.
Следует отметить, что публикации по оптимизации использования флота в ШС в отечественной научной литературе стали появляться лишь в 60-е годы XX в. До этого рассматривались лишь частные вопросы прохождения одиночных шлюзов и засемафоренных участков (Борисов И.Г., Калинович Б.Ю., Союзов А.А.). В 60-е годы с завершением строительства ВБВП и появлением первых признаков недостатка пропускной способности ВДСК, научные исследования по совершенствованию судопопуска по ШС активизировались (Головников В.И., Михайлов А.В., Пьяных С.М.). Позже, когда из-за отсутствия резервов пропускной способности ШС задержки флота в ожидании шлюзования стали обычным явлением, к этой проблеме обратились многие ученые и практики (Баланин В.В., Галкин В.А., Зернов Д.А., Клюев В.В., Клементьев А.Н., Кривошей В.А., Малышкин А.Г., Николаев В.К., Фролов Р.Д.). В последние годы появились интересные публикации молодых ученых, владеющих математическими методами управления транспортными процессами и современной вычислительной техникой (Гусев Д.Е., Миронов С.Ю., Мудрова О.М.). Но в целом проблема оптимизации судопропуска остается острой, перевозки по ШС растут, затраты флота на прохождение ШС не снижаются. По этой причине научные исследования и практические рекомендации по оптимизации судопропуска по ШС остаются востребованными.
Вторая глава посвящена анализу современных методов расчета пропускной способности водного пути и разработке методики расчета пропускной способности шлюзованных систем.
Под шлюзованными системами автор понимает совокупность лимитирующих судоходство участков водного пути, включающих каналы, шлюзы и незарегулированные участки рек с ограничениями движения судов по скорости и по возможности расхождения и обгона.
В учебной и технической литературе пропускная способность водного пути оценивается в тоннах груза, пропущенного через лимитирующий участок пути в единицу времени (навигацию). При этом учитываются технические характеристики флота и лимитирующего участка, а также технология судопропуска. В оценке пропускной способности в тоннах груза заинтересовано государство. Именно для доставки грузов оно сооружает шлюзованные системы и содержит водные пути. Для администрации ШС более предпочтительна оценка в единицах судов, так как не имеет принципиального значения способ и продолжительность шлюзования судна большей или меньшей грузоподъемности, груженого или порожнего. Судоходным компаниям предпочтительнее оценивать пропускную способность в тоннах тоннажа, так как количество перевезенного груза при одинаковом количестве прошлюзованного тоннажа зависит от направления грузопотоков (загрузки обратного направления). Кроме того, затраты флота на преодоление лимитирующих участков (в тоннаже-сутках) напрямую определяют расходы судоходной компании на эти цели. По этой причине в диссертации в качестве критерия оценки пропускной способности ШС используются тонны тоннажа.
Алгоритм расчета пропускной способности шлюза очень прост: определяем продолжительность одного шлюзования, затем расчетный период (сутки, месяц, навигация) делим на продолжительность одного шлюзования и получаем число шлюзований в расчетный период. В зависимости от того, сколько тонн тоннажа (тонн груза, число судов) в среднем находится в одной шлюзуемой группе, рассчитывается пропускная способность.
Продолжительность одиночного шлюзования в однокамерном шлюзе (tшл, мин.) включает три составляющие
 , | (1) |
где 
- продолжительность ввода судна в камеру шлюза, мин.;
- технические операции в камере (открытие-закрытие ворот, швартовка-отшвартовка, наполнение-опорожнение камеры), мин.;
- продолжительность вывода судна из камеры шлюза, мин.
Статистика показывает, что продолжительность технических операций в камере при шлюзовании одиночного судна (состава) практически не зависит от типа судна и составляет в среднем для Единой глубоководной системы европейской части России 16-18 мин. Продолжительность ввода-вывода зависит от способа судопропуска (односторонний или двусторонний), характеристик самого шлюза и шлюзуемых объектов.
В практике эксплуатации флота в шлюзованных системах, в особенности при малом резерве пропускной способности (большой занятости шлюзов по времени) одиночное шлюзование случается редко, оператор шлюза старается сформировать шлюзуемую группу из нескольких судов. При шлюзовании группы продолжительность технических операций в камере остается такой же, как и при шлюзовании одиночного судна, разница будет лишь в продолжительности ввода-вывода последовательно входящих в камеру и выходящих из нее судов шлюзуемой группы.
Нами предложено следующее эмпирическое выражение для расчета продолжительности шлюзования группы судов (tшл гр ):
 , | (2) |
где n - число судов в шлюзуемой группе;
tшл i - продолжительность одиночного шлюзования каждого судна из группы, мин.
Если оператор шлюза сформировал шлюзуемую группу из трех теплоходов грузоподъемностью по 2000 т, то загрузка камеры увеличивается в три раза по сравнению с одиночным шлюзованием, а продолжительность шлюзования возрастает лишь на 30%.
Объективность выражения (2) нами проверена путем натурных наблюдений в шлюзах Волго-Балта и анализа продолжительности одиночных и групповых шлюзований в Городецких шлюзах. В шлюзах №№ 1-6 Волго-Балта, среднее число судов в шлюзуемой группе составляет 1,80-1,86 ед., в Нижне-Свирском шлюзе 1,20-1,28 ед. Для судоходной компании важна продолжительность времени судопропуска, то есть общего времени перемещения судна из одного бьефа в другой, включающее время ожидания шлюзования. Последнее зависит от многих факторов, но главным образом от степени занятости шлюза по времени. В 2010 г. средняя занятость шлюзов ВБВП судопропуском () составила 0,712 (71,2%), а в период интенсивного движения туристических судов (июнь-август) достигала 0,8 (80%).
Согласно теории массового обслуживания в одноканальной системе (шлюз, причал) простои заявок на обслуживание начинают заметно возрастать при превышении занятости системы обслуживания значения 50% (>0,5), а при >0,8 начинается обвальный рост времени ожидания обслуживания.
На рис.1 приведена зависимость коэффициента ожидания шлюзования от степени занятости шлюзов ВБВП (Нижне-Свирского и шлюзов №1 и №6 Северного склона), а также теоретическая кривая (
).
 |
Рис.1. Зависимость коэффициента ожидания шлюзования () от степени занятости шлюза ()  ;  |
Фактические значения получены в результате анализа данных о шлюзовании за ряд лет. Обращает на себя внимание принципиальная схожесть фактических данных с теоретической кривой, а также меньшее значение коэффициента для Нижне-Свирского шлюза. Последнее объясняется влиянием «человеческого фактора». Как отмечают наши судоводители, диспетчерский аппарат Нижне-Свирского шлюза работает очень четко и в большей степени, чем на других шлюзах, влияет на упорядочение движения флота на подходах к шлюзу, в результате шлюзуемый судопоток превращается из стихийного в регулируемый, простои в ожидании сокращаются.
В главе 2 рассмотрен также порядок расчета суточной пропускной способности однопутных участков. За основу был принят подход проф.А.А.Союзова, учитывающий протяженность участка, время следования судна (состава) по участку (tсл, ч), интервал попутного следования судов по участку (tи, ч). Кроме того, нами учтено, что в расчетный период участок проследуют суда, отправленные в конце периода, предшествующего расчетному, и перейдут на последующий период часть судов, отправленных в конце расчетного периода. В диссертации этот расчет иллюстрирован рисунком 2.2. Из рис. видно, что число судов, полностью проследующих лимитирующий участок в течение суток, определится по выражению (nсут., ед.)
 . | (3) |
Кроме того, участок проследуют частично суда, переходящие из одного расчетного периода (суток) в другой. С учетом этого максимальная суточная пропускная способность лимитирующего участка (Псут, тонн тоннажа) определится по выражению
 , | (4) |
где 
- средняя грузоподъемность судна, поступившего на рассматриваемый лимитирующий участок для проследования в прямом и обратном направлениях, т.тнж.;
- затраты времени на проследование «средним» судном участка соответственно в прямом и обратном направлениях, ч;
- интервал следования судов по участку при движении соответственно в прямом и обратном направлениях, ч.
По физическому смыслу первые две скобки в (4) представляют собой количество «средних» судов, полностью проследующих участок за сутки. Третья и четвертая скобки позволяют оценить количество «переходящих» судов с одних суток на другие.
Показатель пропускной способности чутко реагирует на изменение условий судоходства: скорость движения судов по участку, время, выделяемые на движение пассажирских судов и спецобъектов, неравномерность поступления судов к участку, средняя грузоподъемность судов, продолжительность навигации, способ судопропуска (одиночный или серийный), число судов в серии и др.
 |
| Рис.2. Зависимость суточной пропускной способности лимитирующего участка от скорости движения судов по участку |
В диссертации исследовано влияние этих факторов, приведены графики зависимости пропускной способности от протяженности участка, скорости движения судов, числа судов в серии и т.д. (рис.2). Проанализировано влияние ожидания шлюзования и снижения скорости судов на однопутных участках на итоговый показатель использования флота, эксплуатируемого на ВБВП. Оказалось, что показатель валовой производительности по этим причинам снижается на 24,9%.
В третьей главе проанализированы итоги натурных испытаний толкаемых составов на ВБВП и дана оценка их управляемости и возможности безаварийной эксплуатации на затрудненных для судоходства участках.
Выше уже отмечалось, что на речном флоте РФ обозначилась тенденция замены самоходных грузовых судов (по мере их износа и списания) толкаемыми составами. ВБВП проектировался из расчета эксплуатации самоходных грузовых судов типа «Волго-Дон» и «Волгонефть», грузоподъемностью 5000 т, с габаритами в плане 140 х 16,5 м и осадкой 3,5 м. Выход судоходных компаний на ВБВП с большегрузными толкаемыми составами вызвал негативную реакцию надзорных органов, обеспокоенных безопасностью плавания.
СК «Волжское пароходство», прежде чем выйти с предложением об эксплуатации на ВБВП толкаемых составов, провела опытные рейсы составов, сформированных из головной секции типового состава пр.1787 с толкачами мощностью 1500 и 2000 л.с., а затем поручила ФГОУ ВПО «ВГАВТ» провести натурные испытания нетиповых составов (в табл.1 №№ 3, 4 5), сформированных из головных секций составных грузовых теплоходов с толкачами мощностью 1500-2400 л.с. В опытных рейсах и испытаниях участвовали наблюдатели от ГБУ «Волго-Балт» и судоходной инспекции Северо-Западного бассейна. Характеристики составов приведены в табл.1.
Таблица 1
| Параметры | Значения параметров для составов | ||||
| № 1 | № 2 | № 3 | № 4 | № 5 | |
| Толкач пр.428 секция пр.1787 | Толкач пр.Р153 секция пр.1787 | Толкач пр.Н3291 секция пр.05074 | Толкач пр.428 секция пр.156 | Толкач пр.Р153 секция пр.81060 | |
| Мощность, л.с. | 2000 | 1500 | 2400 | 2000 | 1500 |
| Грузоподъемность, т | 3750 | 3750 | 5100 | 4970 | 4500 |
| Длина расчетная, м | 142,4 | 137,4 | 168,7 | 159,7 | 149,9 |
| Ширина расчетная, м | 14,0 | 14,0 | 16,5 | 14,0 | 14,0 |
| Осадка, м в грузу | 3,5 | 3,5 | 3,6 | 3,7 | 3,7 |
| в балласте | 0,50 | 0,50 | 1,40 | 0,72 | 0,63 |
| Водоизмещение, м3 | 4938 | 5030 | 6246 | 5454 | 5301 |
Типовые составы с секциями пр.1787 по техническим характеристикам мало отличаются от самоходных грузовых теплоходов «Волго-Дон». После опытных рейсов для этих составов были определены условия их безопасной эксплуатации по скорости движения, по скорости и направлению ветра, по возможности расхождения с другими судами и составами на затруднительных для судоходства участках.
Нетиповые составы (№№ 3, 4, 5 в табл.1) отличаются от типовых большей длиной (следовательно, большей парусностью), другими соотношениями грузоподъемности-мощности, большей грузоподъемностью и водоизмещением. А эти параметры существенно влияют на управляемость, особенно при движении в ветренную погоду порожнем (в балласте). Это потребовало провести натурные испытания нетиповых составов, рассчитать для них значения гидро- и аэродинамических характеристик, коэффициента парусности, относительное расстояние ДРК от центра масс и других параметров, влияющих на показатели управляемости. Полученные в результате натурных испытаний значения критериев управляемости сравнивались с теоретическими значениями и показателями типового состава-прототипа № 1.
В качестве допустимой скорости ветра принята скорость опасного направления, при которой состав способен двигаться в условиях ограниченного судового хода с установленной или рекомендованной скоростью. Допустимый угол ветрового дрейфа на прямолинейных участках определялся в соответствии с требованиями РТМ 212.0216.86 «Нормы управляемости грузовых и пассажирских судов…» (1986 г.). Предельные значения угла ветрового дрейфа принято равным 200.
На рис.3 приведена графическая зависимость соответствия осадки секции нетипового состава № 4 (мощность2000 л.с., грузоподъемность 4970 т) осадке секции типового состава № 1 (мощность 2000 л.с., грузоподъемность 3750 т). Из рис.3 видно, что нетиповой состав, следующий порожнем (в балласте), будет иметь те же значения критериев управляемости, что и типовой с осадкой 0,6 м, если осадка его секции будет равна 0,9 м (соответственно 0,7 и 1,05 м, 0,9 и 1,3 м и др.).
 |
| Рис.3. Кривая соответствия осадки секции опытного толкаемого состава № 4 осадке секции типового состава № 1 (в балласте или порожнем) |
На рис.4 приведена зависимость допустимой скорости ветра опасного направления от осадки секции нетипового состава № 4 и ширины ходовой полосы при скорости состава 7 км/ч (в диссертации приведены зависимости для других составов и других значений скорости).
 |
| Рис.4. Зависимость допустимой скорости ветра от осадки секции состава № 4 и габаритной ширины ходовой полосы (скорость движения состава 7,0 км/ч) |
На основании этих исследований установлены участки ВБВП, лимитирующие движение составов по ветровому режиму.
С точки зрения судоводителей управление порожним судном (составом) в стесненных путевых условиях представляется более сложным, нежели груженым. Но своя опасность существует и при управлении груженым судном. Имеется ввиду просадка судна при движении на мелководье. Опасность этого явления заключается в том, что при определенных соотношениях между осадкой судна и глубиной пути, площадью поперечного сечения судна и речного русла, скоростью течения и скоростью судна происходит увеличение фактической осадки судна, следствием чего может случиться касание днищем судна грунта на судовом ходу. Судоводители исключают это явление уменьшением скорости судна.
Анализ гидродинамических процессов взаимодействия корпуса судна с ограниченным по глубине и по площади поперечного сечения русловым потоком на судовом ходу позволил отечественным ученым получить аналитические выражения для определения величины просадки судна. Диссертант не ставил перед собой цель уточнить известные формулы для расчета просадки судов в условиях Волго-Балта. Нами были выполнены расчеты безопасной скорости движения толкаемых составов для некоторых участков ВБВП по формулам, полученным учеными Новосибирской академии водного транспорта (С.Н.Коротковым и Т.В.Горнушкиной) (см.параграф 3.3 диссертации). Расчеты показали, что существующие ограничения скорости большегрузных судов и составов 7-ю, 10-ю и 12-ю км/ч для различных участков водораздельного канала, реки Ковжи и реки Свирь обеспечивают их безопасное движение, так как величина динамической просадки очень незначительна, а запас воды под днищем достаточен.
В четвертой главе рассмотрены конкретные меры по повышению эффективности использования флота в шлюзованных системах. Одним из шагов в этом направлении является повышение средней грузоподъемности судов. Классическая формула расчета пропускной способности шлюза (П, тонн груза или тонн тоннажа за расчетный период) имеет вид
 , | (5) |
где 
- среднее число шлюзований в сутки, шл./сут.;
- средняя загрузка камеры в одном шлюзовании, тонн груза или тоннажа/шл.;
- расчетный период, сут.
Для администрации шлюза не принципиально, какое судно прошлюзовать: «Волго-Дон» с загрузкой 5000 т или «Калининград» с загрузкой 2000 т. Затраты времени на одиночное шлюзование в обоих случаях будут практически одинаковы, а размер судового потока «Волго-Донов» в 2,5 раза меньше, чем теплоходов «Калининград». Соответственно окажется меньше и занятость шлюзов, и время ожидания шлюзования.
Некоторые специалисты принимают эту истину не безоговорочно, ссылаясь на явление, называемое «поршневым эффектом». Суть этого явления заключается в том, что при отношении площади миделя шлюзуемого судна к площади поперечного сечения камеры шлюза (коэффициент стеснения) более 0,7 сопротивление движению судна в камере растет гиперболически. Преодоление «поршневого эффекта» возможно путем снижения скорости ввода судна в камеру шлюза, то есть увеличения времени судопропуска. Не возражая в принципе против наличия «поршневого эффекта», отметим, что для каскада шлюзов № 1 - № 6 (площадь поперечного сечения 81 м2) указанное отношение равно 0,7 для теплоходов типа «Волго-Дон», 0,57 для судов типа «Сормовский», 0,43 для судов типа «Калининград» и 0,61 для составов с секцией пр.Р-156. То есть коэффициент стеснения для основных типов судов и составов находится в докритических пределах.
Натурные испытания, проведенные научными сотрудниками ФГОУ ВПО «ВГАВТ», а также выполненные по нашей просьбе капитанами судов замеры скорости (времени) ввода судов в камеру показали, что время ввода зависит от расстояния с места отстоя до ворот шлюза, метеорологических условий, времени суток, наличия встречных судов, квалификации вахтенного начальника и практически не зависит от грузоподъемности судов, эксплуатируемых в настоящее время на шлюзованных системах.
Изложенное выше позволяет нам считать, что увеличение грузоподъемности шлюзуемых грузовых теплоходов с 2,0 до 5,0 тыс.т не влияет на продолжительность шлюзования одиночного судна, но увеличивает пропускную способность шлюза пропорционально росту грузоподъемности.
С начала XXI века средняя грузоподъемность прошлюзованных на ВБВП судов ежегодно растет на (2,0-2,5)%: 2570 т в конце 90-х годов и 3100 в 2008 г. Одновременно растет примерно теми же темпами и пропускная способность шлюзованной системы: с 15,5 млн.т (2000 г.) до 18,4 млн.т (2008 г.) грузов в навигацию.
Автор не склонен утверждать, что рост пропускной способности зависит только от роста средней грузоподъемности шлюзуемых судов. Важное влияние на это оказывают проводимые администрацией Волго-Балта мероприятия по модернизации сооружений, строительству новых причальных стенок у шлюзов, расширению судового хода на однопутных участках и др. Но факт тесной зависимости между пропускной способностью ВБВП и средней грузоподъемностью судов неоспорим. Так в 2003 г. на ВБВП стали эксплуатироваться три толкаемых состава СК «Волжское пароходство» грузоподъемностью 5000 т, они заменили на перевозках грузовые теплоходы грузоподъемностью 2000 т. В целом средняя грузоподъемность проходящих по ВБВП транзитных судов в 2003 г. возросла по сравнению с 2002 г. на 3%, а пропускная способность на 4,3%. При этом гидрометеорологические условия в навигацию 2003 г. на Волго-Балте были гораздо хуже среднестатистических, что не способствовало улучшению судоходства. Остается констатировать, что на повышении пропускной способности ВБВП в 2003 г. сказалось влияние роста средней грузоподъемности судов за счет толкаемых составов.
В отдельном параграфе главы 4 дана оценка эффекту расширения судового хода в межшлюзовых бьефах Новинковских шлюзов №№ 3, 4 и 5. До 2010 г. расхождение крупнотоннажных судов и составов в межшлюзовых бьефах было запрещено местными Правилами плавания, а малотоннажные могли расходиться только по указанию диспетчера шлюза.
По-существу, Новинковские шлюзы пропускали крупнотоннажные грузовые суда, составы и пассажирские 3-х и 4-х дечные в режиме одного многокамерного шлюза. Цикл шлюзования для двух встречных судов (двухсторонний пропуск) исчислялся с момента входа одного судна в камеру шлюза №5(№3) до момента выхода встречного судна из камеры того же шлюза.
С целью ускорения судопропуска через каскад Новинковских шлюзов администрацией ГБУ «Волго-Балт» было принято решение о расширении судового хода в бьефах до 80 м и строительстве причальных стенок. В навигацию 2010 г. строительство стенки в бьефе шлюзов №3 и №4 было завершено и начато в бьефе шлюзов №4 и №5.
По инициативе и при участии специалистов СК «Волжское пароходство» в июле 2010 г. были проведены эксперименты по расхождению судов и составов в межшлюзовых бьефах. Эксперименты показали, что безопасное расхождение как грузовых теплоходов, так и составов вполне возможно. В случае неблагоприятных метеоусловий (ветер) одно из судов может отшвартоваться у стенки в межшлюзовом бьефе и пропустить встречное судно.
Возможность расхождения судов в межшлюзовых бьефах принципиально меняет схему судопропуска на каскаде Новинковских шлюзов. Если судопропуск осуществляется в режиме многокамерного шлюза, то затраты времени на двусторонний пропуск составят 200 мин., а при расхождении в межшлюзовых бьефах за это время может быть пропущено 6 судов (составов).
При одновременном подходе к шлюзу № 5(№ 3) двух большегрузных грузовых судов (составов) одно из них в варианте без возможности расхождения в межшлюзовых бьефах будет ожидать судопропуска в течение цикла шлюзования, то есть 200 мин (3,3 часа). В варианте с возможностью встречного движения в бьефах время ожидания сокращается до 60 мин. (1 час). Для теплохода «Волго-Дон» это эквивалентно экономии 480 тоннаже-суток. Напомним, что одни тоннаже-сутки содержания в эксплуатации т/х «Волго-Дон» обходятся судовладельцу в 1 доллар США (30 руб.).
Исходя из вышеизложенного, следует признать решение о расширении судового хода и строительстве причальных стенок в межшлюзовых бьефах Новинковских шлюзов вполне оправданным. Опыт расширения судового хода на однопутных участках должен быть использован и далее, особенно это касается водораздельного канала, где на отдельных перегонах могут быть созданы «карманы» для расхождения судов.
В связи с предполагаемым вступлением России в ВТО и открытием внутренних водных путей для иностранных судов автором был исследован вопрос об оплате за прохождение ШС отечественными и иностранными судами. Для этого был изучен опыт работы администрации Кильского канала по организации судопропуска и формирования ставки оплаты. Ставка оплаты зависит от валовой вместимости судов (GT, м3) и «привязана» к альтернативному пути проследования из Балтийского в Северное море по открытым для международного судоходства проливам Каттегат и Скагеррак.
На рис.5 приведена зависимость размера сборов (тариф) за прохождение Кильского канала (Т, тыс. €) от валовой вместимости судна (GT, тыс. м3). Зависимость получена нами по результатам обработки табличных данных администрации Кильского канала. Кривая (1) демонстрирует зависимость от валовой вместимости канального сбора, т.е. той суммы, что идет на счет администрации канала. Кривая (2) отражает общую сумму сборов, выплачиваемых судовладельцем, включая оплату лоцману, рулевому и администрации канала. Зависимость (1) апроксимируется степенной функцией Т=898 (GT)0.586, а зависимость (2) также степенной функцией Т=2329(GT)0.437.
Тариф, тыс.€  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 GT, тыс.м3 |
| Рис.5. Зависимость размера сборов за прохождение Кильского канала (Т, тыс.€) от валовой вместимости судна (GT, тыс.м3) |
1 - канальный сбор
2 - канальный сбор плюс оплата лоцману и рулевому
Отечественные ШС (ВДСК и ВБВП) не имеют альтернативы, их нельзя миновать по параллельным или обходным водным трассам. Поэтому, принимая за основу методику формирования ставки оплаты за прохождение Кильского канала при обосновании оплаты за прохождение отечественных ШС, следует внести коррективы на их безальтернативность, другую по сравнению с Кильским каналом протяженность, большее число шлюзов. А размер норматива оплаты (в евро за 1 т дедвейта или 1 м3 GT) подлежит согласованию не только с иностранными судовладельцами, но, возможно, и с правительствами стран-партнеров России, с учетом взаимных интересов.
Для отечественных судовладельцев сумму оплаты предлагаем рассчитывать с учетом грузоподъемности (Qp, тонн т-жа), средней стоимости содержания судна в эксплуатации (
, руб./тнж-сут.) и нормативного времени прохождения трассы ШС (tпрх., сут). Произведение этих трех составляющих определит затраты (Э, руб.) судовладельца за плановое (нормативное) время нахождения судна в пределах трассы ШС
 , | (6) |
Так для теплохода типа «Сормовский» (Qр=3000 тонн, 
= 30 руб./тнж-сут., нормативное время прохождения ВБВП от Череповца до С.Петербурга tпрх=3,5 сут.), расходы равны:
тыс.руб.
Ставка оплаты должна определяться в % от Э. Определение процентного размера ставки не является предметом научного исследования, скорее это предмет договоренности администрации ШС с судовладельцами. Но размер договорной ставки должен быть утвержден Минтрансом или Федеральной службой по тарифам (ФСТ), тогда она будет иметь статус закона.
В заключении диссертации дана оценка выполненных исследований и экспериментов:
- В качестве критерия оценки пропускной способности шлюзованных систем предложено количество прошлюзованного тоннажа.
2. Предложена методика расчета пропускной способности шлюзов и однопутных участков по критерию «тонн тоннажа».
3. Исследовано влияние средней грузоподъемности шлюзуемых судов на пропускную способность ШС.
4. Проанализированы причины и последствия задержек флота в ожидании шлюзования на производственные и экономические показатели использования флота в ШС.
5. Предложена методика расчета оплаты за прохождение ШС отечественными и иностранными судами.
6. Проведены натурные испытания толкаемых составов на ВБВП и даны рекомендации по их безопасной эксплуатации.
7. Даны рекомендации по улучшению технического состояния объектов ВБВП и очередности мероприятий по их реализации.
РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Всего автором диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 5 по теме диссертации.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
- Шишкин, А.А. Как решить проблему Волго-Балта / А.А. Шишкин, В.И. Астахов, А.Г. Малышкин // Журн. Речной транспорт XXI век. – 2005. - №3. – с.30-32.
- Шишкин, А.А. Проблемы судоходной компании «Волжское пароходство» при организации перевозок по Волго-Балту / А.А. Шишкин // Журн. Речной транспорт XXI век. – 2011. - №1. – с.
Прочие публикации
- Шишкин, А.А. Проблемы пропуска судов СК «Волжское пароходство» через Волго-Балтийский водный путь / А.А. Шишкин // Великие реки - 2009 : тез. докл. на межд. фор. - Н.Новгород, 2009.
- Шишкин, А.А. О пропускной способности шлюзованных систем / А.А. Шишкин // Великие реки - 2010 : тез. докл. на межд. фор. - Н.Новгород. - 2010.
- Шишкин, А.А. Обоснование безопасных условий эксплуатации крупнотоннажных толкаемых составов на ВБВП / А.Н. Клементьев, А.А. Шишкин // Вестник ВГАВТ. - Н.Новгород – 2010. – № 29. – с.3-7.
