Gemi turboşarjır sisteminin risk ve enerji verimliliğinindeğerlendirilmesi
Evaluation of risk and energy efficiency of marine turbocharger system
Yazar: ÇAĞATAY SERÇE
Danışman: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Denizcilik = Marine

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

Abstract:
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.