Geri Dön

Gemi turboşarjır sisteminin risk ve enerji verimliliğinindeğerlendirilmesi

Evaluation of risk and energy efficiency of marine turbocharger system

PDF İndir

  1. Tez No: 797255
  2. Yazar: ÇAĞATAY SERÇE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Denizcilik, Marine
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 93

Özet

Dünya tarihinde, sanayi devrimi sonrası yaşanan gelişmelerle birlikte taşımacılığa olan talep artmıştır. Özellikle geçtiğimiz on yıllarda yaşanan büyük teknolojik gelişmeler, toplumsal refah seviyelerini yükselttiği gibi ihtiyaçların da artmasına neden olmuştur. İhtiyaçlar arttıkça hammadde çıkarılması, üretim ve tüketim oranlarında bir anda çok yüksek artış gerçekleşmiştir. Bu da aynı zamanda taşımacılığa ve özellikle deniz taşımacılığına olan talebin artması anlamına gelmektedir. Ticari gemiler, başlangıçta buhar ve gaz tahrik sistemli makineler kullanırken bu durum zamanla dizel makinelerin kullanılmasına dönüşmüştür. Ancak bu makinelerde kullanılan yakıtlar genellikle atmosfere zarar veren gazların salınmasına neden olan ve zararlı maddeler içeren fosil yakıtlar olmaktadır. Deniz taşımacılığına olan talebin zamanla daha da artacağı öngörülmektedir ve böylece bu düşük kaliteli yakıtların yakılmasında da artış kaçınılmaz olacaktır. Bu durumun özellikle kıyı ve liman bölgeleri başta olmak üzere dünya çapında hava kirliliğine neden olacağı düşünülmektedir. Egzoz gazının içerisinde bulunan ve atmosfere zarar veren başlıca bileşikler SOx, NOx ve PM ile sera gazları kombinasyonu olan CO2, CH4 ve N2O olarak bilinmektedir. Sera etkisi yaratan bu gazların atmosfere verdiği zararlar son yıllarda artan hava kirliliği nedeniyle sıklıkla gündeme gelmektedir. Sera gazlarının; küresel iklim değişikliği, atmosferde ısı tutma etkisi gibi olumsuz etkilerinin bilinmesinin yanı sıra insan sağlığına zararlı etkileri olduğuna dair çok sayıda çalışma mevcuttur. Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) ve onun alt komiteleri, gemilerden kaynaklanan kirliliği azaltmak için MARPOL 73/78 Sözleşmesi (Gemilerden Kaynaklanan Kirliliği Engellemeye Yönelik Uluslararası Sözleşme) ve onun içeriğinde bulunan hava kirliliğini engellemeye yönelik kuralları içeren Ek IV'yı kabul etmiş ve yürürlüğe sokmuştur. Bu kurallar başta kullanılan yakıt cinslerini, sülfür oranı gibi içeriklerinin kontrol altına alınmasını ve belirli bölgelerde kullanılmasının sınırlandırılması gibi önlemleri içermektedir. Ancak IMO'nun 2020,2030 ve 2050 yılları için koyduğu hedefler, eş zamanlı olarak çok sayıda önlem alınması stratejisinin geliştirilmesini sağlamıştır. Bu stratejinin en önemli elemanlarından biri de enerji verimliliğinin geliştirilmesidir. İçten yanmalı makinelerin özgül yakıt tüketimi (SFOC), egzoz salınımıyla doğru orantılı olarak değişmektedir. Bu durumda enerji verimliliği arttırılarak özgül yakıt tüketimi ve dolayısıyla egzoz salınımları azaltılabilecektir. IMO'nun deniz çevresini korumaktan sorumlu alt komitesi tarafından; Enerji Verimliliği Dizayn Endeksi (EEDI), Gemilerin Enerji Verimliliğini Yönetme Planı (SEEMP) ve Enerji Verimliliği İşletme Endeksi (EEOI) gibi uygulamalar geliştirilmiştir. Bu uygulamalar, bir geminin enerji verimliliğini arttırarak daha az kirletici olmasını amaçlamaktadır. Mevcut gemiler ve yeni inşa edilecek gemiler için dizayn aşamasından işletme aşamasına kadar enerji verimliliğini arttırmaya yönelik yaklaşım sunulmasını sağlayan bu uygulamalar ile yakıt tüketimin azaltılması ve takip edilmesini sağlayan araçlar geliştirilmektedir. Turboşarjır sistemi, egzoz gazının atık enerjisini kullanarak dışarıdan başka hiçbir enerji almadan süpürme ve yanma havasının silindirlere basılmasını sağlamaktadır. Dizel makinesinin silindirleri içinde yanma sonucu oluşan egzoz gazları, egzoz manifoldu ve boruları ile turboşarjır sistemine iletilmektedir. Egzoz gazları üzerindeki enerji ile tahrik edilen türbin kanatları dönerek bağlı bulunduğu mili de döndürmektedir. Aynı mil üzerinde bulunan kompresör (blover) kanatları da bu etkiyle dönerek, dışarıdan yanma için gerekli olan havayı turboşarjır sistemine emerek silindirlere basılmasını sağlamaktadır. Enerjinin geri dönüştürülmesi prensibinden yararlanarak makine verimi arttıran turboşarjır aynı zamanda hava-yakıt oranındaki havanın ağırlığını yükselterek yanmanın verimini arttırmada da büyük bir rol oynamaktadır. Enerji verimliliğinin optimum seviyelerde sürekli olabilmesi, turboşarjır sisteminin optimum çalışmasına doğrudan bağlı olacaktır. Bu nedenle turboşarjır sisteminde oluşacak herhangi bir hata veya sorun istenmemektedir. Bu tez çalışması kapsamında gemi turboşarjır sisteminin optimum çalışmasını engelleyecek olan risklerin değerlendirilmesi ve önleyici çalışmaların geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu risklerin en doğru ve güvenilir şekilde belirlenebilmesi için Bulanık Hata Ağacı Analizi (FFTA) yöntemi kullanılmıştır. Gemi makineleri işletme ve operasyonu konusunda hem deniz hem de kara tecrübesi olan uzman mühendisler ile yürütülen çalışmalar sonucunda, turboşarjır sisteminde bir hata veya sorunun gerçekleşmesine neden olabilecek 33 olay belirlenmiştir. Bu olaylar, tepe olay olarak belirlenmiş olan turboşarjır sisteminde hata veya sorunna neden olabilecek temel olaylardır. Temel olaylar dışında tepe olayın gerçekleşmesine doğrudan etkisi olmayan 12 ara olay da hata ağacı analizi için belirlenmiştir. Böylece 33 temel olay, 12 ara olay ve 1 tepe olay ile bunların arasındaki ilişkilerin 'VEYA' kapılarıyla gösterildiği hata ağacı modeli kurulmuştur. Seçilen uzmanların, eğitim durumları, kara ve deniz tecrübeleri gibi karakteristik özellikleri göz önüne alınarak ağırlıklı değerlendirme dereceleri belirlenmiştir. Uzmanlardan alınan sözel değerlendirmeler ile hata ağacına ait veriler elde edildikten sonra uzmanların ağırlık puan hesabı da yapılarak bulanık yamuk sayıları olarak toplanan veriler birleştirilmiştir. Bir sonraki adımda belirsiz değerler olarak görülen bu bulanık sayılar durulaştırılarak kesin sayısal değerler elde edilmiştir. Böylece temel olayların olasılık değerleri elde edilmiş olur. Daha sonra tepe olaya götüren en yüksek olasılıklı yolu belirlemek için kesim kümelerinin önemini ölçme işlemi 'Vesely-Fussel Importance Measure (V-FIM)' uygulanmıştır. Son olarak, bulunan bütün değerler hata ağacı modelindeki mantık kapılarına göre tekrar hesaplanmıştır. Sonuç olarak hem tepe olayın oluşma ihtimali hem de temel olayların oluşma ihtimalleri ayrı ayrı hesaplanmıştır. Elde edilen analiz verilerine göre, tepe olayın oluşmasına neden olabilecek temel olaylar, gerçekleşme ihtimallerine göre sıralanarak; bu olasılığı 0,02'den yüksek olan temel olaylar belirlenmiştir. Bu 5 temel olay için önleyici ve düzeltici çalışmalar belirlenmiş ve gerekli önermeler yapılmıştır. FFTA uygulaması sonucunda bu 33 temel olayın, turboşarjır sorununa neden olma olasılıkları belirlenmiş ve gerçekleşme ihtimali en yüksek olan beş temel olay için önleyici ve düzeltici çalışmalar üzerinde durulmuştur. Bu çalışmalar; PMS sisteminde yapılacak düzenlemeler, personel eğitim programlarının geliştirilmesi, personel eğitimlerinin tazeleme periyodlarının sıkılaştırılması, tool-box toplantılarının etkili bir şekilde yapılması ve personelde genel bir emniyet bilincinin oluşturulması gibi önermeler içermektedir. Yapılan bu çalışma ile bir gemi turboşarjır sisteminin optimum çalışmasını engelleyebilecek riskler belirlenmiş, sıralanmış ve karşı tedbirler önerilmiştir. Böylece gemi turboşarjır sisteminin daha verimli çalışması ile enerji verimliliğinin arttırılması ve gemilerden kaynaklanan çevre kirliliğinin azaltılması konusunda bir yöntem geliştirilmesi ve farkındalık yaratılması amaçlanm

Özet (Çeviri)

In world history, the demand for transportation has increased with the developments after the industrial revolution. Especially the great technological developments in the past decades have increased the social welfare levels as well as increased needs. As the needs increased, there was a sudden increase in raw material extraction, production and consumption rates. At the same time, this means an increase in the demand for transportation and especially maritime transportation. Commercial ships originally had steam and gas propulsion systems and this has evolved over time to the use of diesel engines. However, most of the fuels used in these engines are fossil fuels, which result in the release of waste gases that pollute the atmosphere and contain potentially harmful chemicals. It is expected that the demand for maritime transportation will increase over time, causing an increase in the consumption of these low-quality fuels will be inevitable. It is thought that this situation will cause global air pollution, especially in coastal and port areas. The main compounds in exhaust gas that harm the environment are known as SOx, NOx, and PM, as well as CH4 and N2O, which are a combination of greenhouse gases. The damage caused by these greenhouse gases to the atmosphere is frequently on the agenda due to the increasing air pollution in recent years. In addition to knowing the negative effects of greenhouse gases such as global climate change and the effect of heat retention in the atmosphere, many studies are showing that it has harmful effects on human health. The International Maritime Organization (IMO) and its subcommittees have adopted and implemented Annex IV, which includes the MARPOL 73/78 Convention (International Convention for the Prevention of Pollution from Ships) and the rules for preventing air pollution contained therein, to reduce pollution from ships. These rules include measures such as types of fuel used, controlling their content such as sulfur content and limiting their use in specific regions. However, the IMO targets for the years 2020, 2030 and 2050 have enabled the development of a variety of actions that can be taken concurrently. Improving energy efficiency is one of the most important aspects of this strategy. The Specific Fuel Oil Consumption (SFOC) of internal combustion engines varies in direct proportion to the exhaust emission. In this case, increasing energy efficiency means reducing specific fuel consumption and therefore exhaust emissions. By the IMO's subcommittee responsible for protecting the marine environment; Applications such as the Energy Efficiency Design Index (EEDI), the Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) and the Energy EfficiencyOperational Index (EEOI) have been developed. These applications aim to increase the energy efficiency of a ship and make it less polluting. With these applications, which provide an approach to increase energy efficiency from the design stage to the operation stage for existing ships and newly built ships, tools are developed to reduce and monitor fuel consumption. The turbocharger system uses the waste energy of the exhaust gas and ensures that the scavenging and combustion air is pressed into the cylinders without any other energy from outside. Exhaust gases produced as a result of combustion in the row machine's cylinders are funnelled to the turbocharger system through the exhaust manifold and pipes. The turbine blades, driven by the energy in the exhaust gases, turn and rotate the shaft to which they are attached. Compressor (blower) blades on the same shaft rotate with this effect, absorbing the air required for combustion from the outside into the turbocharger system and allowing it to be pressed into the cylinders. The turbocharger, which increases the efficiency of the machine by utilizing the energy recycling principle, also plays a major role in increasing the efficiency of combustion by increasing the weight of the air in the air-fuel ratio. The continuity of energy efficiency at optimum levels will directly depend on the optimum operation of the turbocharger system. Therefore, any fault or incident in the turbocharger system is not desired. Within the scope of this thesis, it is aimed to evaluate the risks that will prevent the optimum operation of the ship turbocharger system and to develop preventive studies. Fuzzy Fault Tree Analysis (FFTA) method was used to determine these most accurately and reliably. As a result of the study, which was performed with expert engineers who have both onboard and shore experience in the operation and maintenance of ship machinery, 33 Basic Events (BE) that may cause turbocharger faults or incidents. These are the main events determined as Top Event (TE), which can cause faults or incidents in the turbocharger system. Except for the basic events, 12 Intermediate Events (IE) that do not have a direct effect on the occurrence of the peak event were also determined for the fault tree analysis. As a result, the fault tree model was developed which illustrates the relationships between 33 basic events and 11 intermediate events, and 1 top event employing 'OR' gates. Weighting factors were determined by considering the characteristics of the selected experts, such as their educational background, and onboard and shore experiences. After obtaining the data of the fault tree with the linguistic evaluations taken from the experts, the weighting factor calculation of the experts was also performed and the data collected as fuzzy trapezoidal numbers were combined. In the next step, these fuzzy numbers, which are seen as uncertain values, are clarified and precise numerical values are obtained. Thus, the probability values of the basic events were obtained. The Vesely-Fussel Importance Measure (V-FIM) was then applied to measure the importance of cut sets to determine the most probable path leading to the top event. Finally, all values studied were recalculated by using logic gates in the fault tree model. As a result, both the probability of occurrence of the top event and the probability of occurrence of the basic events are calculated separately. According to the analysis data obtained, the main events that may cause the top event to occur are listed according to their probability of occurrence; key events with this probability greater than 0,02 were identified. Preventive and corrective studies were conducted for these 5 basic events and necessary recommendations were made. As a result of the FFTA application, the probabilities of these 33 basic events to cause turbocharger troubles were determined, and preventive and corrective studies were emphasized for the five main events with the highest probability of occurrence. These studies; the commitments to be made in the Planned Maintenance System (PMS) include suggestions such as the development of personnel training programs, increasing the refresher periods of personnel training, and conducting tool-box meetings effectively creating general safety awareness among personnel. In this study, the risks that may prevent the optimum operation of a marine turbocharger system are determined, and listed and preventive measures are recommended. As a result, it is aimed to develop a method and raise awareness about more efficient operation of the marine turbocharger system, increasing the energy efficiency and reducing the environmental pollution caused by ships.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    733020

    Gemi kompresör sisteminin FMEA yöntemi ile risk analizi ve önleyici faaliyetlerin belirlenmesi

    Risk analysis and determination of preventive activities of ship compressor system with FMEA method

    HAYDAR BACIOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU

  2. Tez No

    397757

    İki zamanlı bir gemi dizel ana makinesi'in modeli ve simülasyonu

    Modelling and simulation of two stroke marine diesel engine

    ÇAĞLAR DERE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. İSMAİL ÇİÇEK

  3. Tez No

    441696

    Dizel motor hava akış sisteminin ortalama değer modeli ve EGR-VGT sistemlerinin model öngörülü kontrolü

    Mean value modelling of diesel engine airpath and model predictive control of EGR-VGT systems

    ŞAFAK CEMAL KARAKAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ SALİM SÖĞÜT

  4. Tez No

    528162

    Isıl sistemlerin ileri eksergoekonomik performans analizi için ölçütler geliştirilmesi

    Developing criteria for advanced exergoeconomic analysis of the thermal systems

    TURGAY KÖROĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ SALİM SÖĞÜT

  5. Tez No

    444114

    Effects of variable valve timing on the exhaust thermal management of a turbocharged & intercooled diesel engine

    Değişken valf zamanlamasının türboşarjlı & arasoğutuculu bir dizel motorun egzoz ısıl yönetimi üzerindeki etkileri

    HASAN ÜSTÜN BAŞARAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL

Geri Dön