Bu çalışmada, gemilerde performans kaybının sebepleri değerlendirilmiştir. Çalışma yazar olarak benim de aralarında bulunduğum “Determination of performance degradation of a marine diesel engine by using curve based approach” adlı makalemizin büyük ölçüde çevirisini kapsamaktadır. Öneminden dolayı sektörün istifadesine sunmak istiyorum. Hesaplamada hesaplanan maliyet kalemleri günümüzde farklılık gösterebilir.

Tüm makineler belirli çalışma şartlarından sonra performans kaybına uğrarlar. Bu kayıpların bir kısmı çevresel faktörlerden (ortam sıcaklığı, deniz suyu sıcaklığı, ortam nemi, ortam basıncı) bir kısmı ise aşınma, kirlenme, yaşlanma ve mekanik problemlerden kaynaklanmaktadır. Tüm güç üreten ya da tüketen sistem ve makineler, çalışma zamanı arttıkça bakım ve onarım yapılsa dahi fabrika test değerlerinde elde edilen performans değerlerinden uzaklaşırlar (Şekil-1). İşletmeci açısından önemli olan bu performans kaybının hızını bilinçli işletme ve düzenli bakım ve onarım prosedürleriyle yavaşlatmaktır.

Şekil-1. Performansın zaman bağlı değişimi

Bozunum 
Güç ve yakıt sarfiyatında kötüleşmeye neden olan etkiye “bozunum” adı verilmektedir. Bozunuma neden olan faktörleri; işletme esnasında giderilebilecek bozunumlar, bakım ve onarımla giderilebilecek bozunumlar, rehabilitasyonla giderilebilecek bozunumlar ve yıpranma, yaşlanma gibi geri kazanılması daha zor olan bozunumlar olarak sınıflandırmak mümkündür. 

İşletme hatasından ya da periyodik bakımlar arasında doğal olarak oluşan bozunumlar (Kuler tıkanması, hava kulerinin kirlenmesi, yakıt pompa avansının bozulması vs.) bakım ve onarımla rahatlıkla giderilebilir. 

Planlı bakım prosedürlerine uyulmasıyla kaybedilen performans (bozunum) tekrar kazanılabilir. Fakat rehabilitasyonla giderilecek bozunumlar (aşınan silindir, uzayan zincirler, aşınan kemler, aşınan pompa ve enjektörler vs.) kısa bir periyotta gerçekleşmez. Şekil-2 de seyir tecrübesinde alınan basınç değerleriyle mevcut ölçüm değerleri karşılaştırılmıştır.  
 

Şekil-2. Bakımı yapılmış bir silindirde seyir test ve ölçüm değerleri [1]

Şekil incelendiğinde mevcut ölçümlerde motor performansının yeni motora göre önemli ölçüde düştüğü görülmektedir. Bu ölçümlerden sonra yapılması gereken işlem, bozunuma neden olan faktörlerin belirlenmesidir. Performans kötüleşmesine neden olan faktörlerin belirlenmesi bozunumun ne kadarının bakım ve onarım ile geri kazanılabileceğini belirlemek açısından önemlidir.

Bilinmesi gereken en önemli nokta performans kaybına neden olan her faktörün gerçek anlamda bir bozunum olmadığıdır. 

Peki, her performans kaybı ve yakıt tüketim artışını bozunum olarak niteleyebilir miyiz? Çevre şartlarının neden olduğu perfermans kaybı ve yakıt tüketim arışı çevre şartlarına bağlı olarak değiştiğinden “bozunum” olarak niteleyemeyiz. 

Gemi dizel motorlarında teslim öncesi yapılan performans testi eğer iklimlendirme kontrollü odada gerçekleşiyorsa, hem kullanılan yakıt özellikleri hemde çevre şartları (Deniz suyu sıcaklığı, hava sıcaklığı ve basıncı ile ortam nemi) ISO 3046 standartlarına uygun olarak gerçekleştirilebilir. Eğer test ortamı çevresel şartlar için uygun şartlandırmayı sağlamıyorsa bulunan güç ve özgül yakıt sarfiyatları ISO 3046 standartlarında belirtilen şartlar için yeniden hesaplanır ve test raporlarına bu düzeltilmiş değerler de yazılır. Gemi sabit çevre şartlarında çalışmadığına göre, farklı çevre şartlarında seyir yaptığında doğal olarak ana makine ve yardımcı dizel motorların üretecekleri güç ve tüketecekleri yakıt sarfiyatı da farklı olacaktır. Geminin seyri esnasında performansı etkileyen bir diğer husus satın alınan yakıtın alt ısıl değerleridir. İşte bu parametreler işleten tarafından kontrol edilemediğinden fabrika test değerleriyle karşılaştırma yapmak için ölçüm değerlerinin standart değerlere getirilmesi (indirgenmesi) gerekir ve bu hesaplama neticesinde bulunan kötüleşme asıl bozunum değerinden çıkarılır. Bu değerler bazen performansta bozulmaya neden olabilecekleri gibi bazen iyileşmeye de neden olabilirler. ISO 3046-1:2002 normuna göre standart çevre şartlarında deniz suyu ve ortam hava sıcaklığı 25 °C, ortam basıncı ise 1000 mbar olarak alınmaktadır. Ölçülen performansın standart şartlara getirilmesi işlemine indirgenme adı verilmektedir. Tüm makinelerin performans ve yakıt tüketimleri ancak çevresel şartlar ISO 3046 şartlarına getirildiğinde birbirlerine göre karşılaştırılabilir. Ölçüm değerleri birbirine göre karşılaştırıldığında değerlendirme hatası yapmış oluruz. İçten yanmalı motorların güç ve yakıt sarfiyat değerleri standart şartlara aşağıdaki formüller yardımıyla indirgenmektedir. İlk olarak indike güç oranı k,

Burada Po, To ve Tds sırasıyla ölçüm esnasındaki ortam basıncı, sıcaklığı ve deniz suyu sıcaklığını ifade eder. “ref” alt indisi referans değerleri ifade eder. “m, n ve s” değerleri orta devirli aşırı doldurmalı ve ara soğutuculu dört stroklu motorlar için sırasıyla 0,7, 1,2 ve 1 değerlerini alırlar. İki stroklu dizel motorlar için ise üretici firma tarafından verilirler. Güç düzeltme faktörü,

Burada ηm motorun mekanik verim değeridir. Özgül yakıt sarfiyatı (ÖYS) düzeltme faktörü ise aşağıdaki şekilde ifade edilmektedir,

Şekil-3 de yakıt alt ısıl değerine bağlı olarak güç ve ÖYS için düzeltme faktörleri görülmektedir.

Şekil-3. Yakıt alt ısıl değerine göre Güç ve ÖYS düzetmeleri [1]

Ortam şartlarından kaynaklı olarak performansta meydana gelen kötüleşme teknik anlamda bir bozunum değildir. Çevre şartlarından farklı olarak, yakıt alım aşamasında doğru seçimi yapıldığı takdirde yakıt ısıl değeriyle ilgili performans bozunumunun önüne geçilebilir. Aksi durumda düşük alt ısıl değer sahip bir yakıt kullanıldığında ana ve yardımcı dizeller daha fazla yakıt tüketeceklerdir. 

Örnek 2.7 Bir denizcilik firması ucuz olduğu gerekçesiyle A limanından fiyatı 650 $/ton dan 1.000 ton HFO almıştır. Yapılan analizde yakıtın ısıl değerinin 41050 kJ/kg olduğu görülmüştür. Standart yakıtın ısıl değeri 42700 kJ/kg olduğuna göre tüm yakıtın tüketilmesine kadar ana makinenin tükettiği fazla yakıtın maliyetini ve gerçekte firmanın yakıtı kaç USD ye aldığını hesaplayınız. Ana makinenin sabit yükte çalıştığı ve normalde günde 30 ton yakıt tükettiğini kabul ediniz.

Çözüm: Ana makine 41.050 kJ/kg alt ısıl değere sahip yakıt ile çalışması durumunda ÖYS’nin %4 daha fazla olduğu görülmektedir. Bu durumda Ana makine 30 ton yerine 31.2 ton yakacaktır. Diğer bir ifade ile günde 1.2 ton fazla yakıt tüketmiş olacaktır. Ana makinenin aynı yükte çalıştığı ve çevresel şartlar değişmediği kabul edilirse günde 31.2 ton harcamı olan ana makine 1.000 MT yakıtı 32 günde tüketilmiş olmaktadır. Buna göre

a) 32 günlük seyirde ilave masraf =32 gün x 1.2 ton/gün x650 $/ton =24.960 $ 
b) Gerçek yakıt fiyatı Fyakıt=1.04x650$/ton=676 $  

Değerlendirme: Bu hesaplamadan firmaların gemilerini kiraya vermeleri durumunda, kiracıyla günlük yakıt sarfiyatının limitleri belirlenmiş yakıt alt ısıl değerlerini de sözleşmeye ekletmeleri daha uygun lacaktır. FUEL EU uygulamasında, tüketilen yakıt yerine MJ cinsinden enerji tüketimi dikkate alınacak, MJ başına yakıt tüketimi daha anlamlı olacaktır.

Çevresel Faktörlerden Arındırılmış Bozunum
Gerçek bozunum değerinin tespiti için çevresel faktörlerin etkisi diğer bozunumlardan ayrıştırılması gerekir. Motorlar performans testi esnasında ölçülen performans değeri ile çevresel etkilerin arındırılmasıyla bulunan yeni değer bir çizgi ile birleştirildiğinde motorun “Gerçek Performans Eğrisi” çizilmiş olur. Şekil-4’de bir motorun fabrika ve gerçek çalışma şartlarındaki performans eğrisi görülmektedir. Üstteki eğri yeni motorun performans eğrisini, alttaki eğri ise mevcut şartlardaki motor performans eğrisini göstermektedir. Her bir eğri üzerinde iki nokta bulunmaktadır. Sağ alttaki noktalar yeni ve mevcut motorda ölçülen performans değerlerini göstermektedir. Motorda ölçülen değerlerden çevresel etkiler arındırıldığında soldaki iki nokta yeni ve mevcut motorun ISO 3046:2002 şartlarındaki performans değerlerini göstermektedir. Bu nokta aynı zamanda motorun referans değerleridir. Yukarıda da bahsedildiği gibi motorlar bozunum arttıkça performans eğrisi aşağıya doğru kaymaktadır. İşte yeni ve mevcut motor performansının referans noktaya getirildiğinde bulunan performansların farkı motorda meydana gelen bozunumu vermektedir.

Şekil-4. Yeni ve mevcut şartlarda performans eğrisi [1]

Şekil-5 ve Şekil-6 da güç ve ÖYS bozunumlarından çevresel şartların ayrıştırılarak gerçek bozunumun nasıl hesaplandığı gösterilmiştir.  

Şekil-5. M/V İnce İnebolu gemisi ana makine güç bozunum değeri [1]

Şekil-6. İncelenen gemi ana makine ÖYS bozunum değeri [1]

Şekiller incelendiğinde ölçüm değerleriyle ISO 3046 standartlarına göre düzeltilmiş güç değerlerinin ölçüm değerlerinden 93 kW daha yüksek, ÖYS’nın ise 1.9 g/kWh daha düşük olduğu görülmektedir. Bu durumda 5921 kW ölçüm değerinde 204.1 g/kW yakıt harcaması gereken ana makine çevresel etkiler nedeniyle 205 g/KWh yakıt tüketmektedir. Çevresel etkilerden dolayı ana makine verilen örnek için günde 1598.4 kg daha fazla yakıt tüketmektedir. Bu değer içerisine yakıt alt ısıl değerinin etkisi dahil edilmiştir. Çevresel etkiler toplam bozunumdan çıkarıldığında ana makinenin ilk sefere çıktığı zamandan bu yana 26.7 g/kW ÖYS bozunumuna uğradığı, güçteki gerçek bozunumun ise 620 kW olduğu görülmektedir.  

Dikkat edilirse performans değerlendirme performans izlemeden tamamen farklıdır. Performans izleme motora ait işletme parametrelerinin normal değerlerde olup olmadığının izlenmesi iken performans değerlendirme motorda performans değerlerindeki bozunum izlenmektedir. Performans izlemede, veri aktarma süre ve sıklığı önemliyken performans değerlendirmede performans kaybı (bozunum) zamana bağlı olarak gerçekleştiğinden performans kaybını hesaplamak için verilerin belirli aralıklarla alınması yeterli olacaktır. Bu nedenle sürekli veri aktarımına gerek duyulmamaktadır. Motorun aşınma yıpranma gibi doğal performans kayıpları müsaade edilen servis ömrüne kadar hemen düzeltilemese de işletme esnasında yapılacak müdahalelerle azaltılabilir. Şekil 7 de zamana bağlı bozunum oluşumu ve bozunumun geri kazanım mantığı gösterilmektedir.

Şekil-7. Performans bozunum grafiği

Şekilde 1-2 doğrusu planlı bakım periyodunda (t1-t2 zaman aralığı) performansdaki kaybı göstermektedir. Bu süre sonunda yeterli bakım ve onarım yapılmadığı takdirde t3 süresine kadar bozunumdaki artma devam etmektedir.t2 zamanında uygun bakım ve önlem alındığında ise bozunum azalarak 3 noktasına inmektedir. Ancak dikkat edileceği üzere hiçbir zaman 1 noktasındaki performans noktasına geri dönmemektedir. Bakım sonrası t2-t3 periyodunda bozunum yine devam etmekte ancak hiçbir zaman 2-5 çizgisi seviyesine çıkılmamaktadır. Her bakımdan sonra bozunum sıfırlanmış olsa idi bozunum grafiği 1-1’-2’ çizgisini takip edecekti. Ancak bu mümkün değildir. İşletme açısından bakıldığında bozunuma neden olan faktörler ya periyodik bakım süreleri içerisinde oluşan doğal bozunum artışlarından ya da motor tasarım parametrelerinde herhangi bir nedenle meydana gelen kötüleşmelerden kaynaklanmaktadır. Bu faktörlerin yol açacağı bozunumların ekonomik boyutunun da hesaplanması gerekir. Bozunumun ekonomik maliyeti hesaplanarak, bir parça değişimi gerektiriyor ve parça değişimi yapılan risk analizine göre gemi ve personelin seyir emniyetine etkisi bulunmuyor ise kazanç/maliyet oranı metoduna göre bakımdaki gecikmenin neden olduğu maliyetin zamana bağlı değişimi ile yedek parça maliyetleri karşılaştırılır ve bakım için en uygun zamana karar verilebilir. Aşağıda bozunum maliyetlerini belirlemek ve en uygun zamanda parça değişmini sağlayacak yöntem anlatılmaktadır [1].

Bozunumların Maliyetinin Hesaplanması
Özgül yakıt sarfiyatı ve güç değerlerinin saatlik bozunumun maliyeti aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir. 

Burada Cöys özgül yakıt sarfiyatındaki bozunumun maliyetini, Ψöys bozunumun toplam özgül yakıt sarfiyatı bozunumundaki yüzdesel payını, Δbebozunum ve ΔPbozunum özgül yakıt sarfiyatı ve güç bozunumundaki değişimleri, Pölçülen ve beölçülen ölçülen güç ve ÖYS değerlerini, Fyakıt ise birim yakıtın Amerikan doları cinsinden fiyatını ifade eder. Güç ve özgül yakıt sarfiyatı bozunum maliyetleri toplamı ise; 

Olmaktadır. Denklem 2.20’teki bozunum maliyetlerine yakıt fiyatı eskalasyon faktörü eklendiğinde, bozunumun şimdiki değere getirilmiş toplam maliyeti aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir. 

Burada t zamanı, r faiz oranını ey ise yakıt fiyatı eskalasyon oranını ifade eder. 

Bozunumun ekonomik maliyetini hesaplamak için yapılan masraf kalemlerinin belirlenmesi gerekir. Bozunum hesabında kullanılan masraflar şu şekilde sıralanabilir: Bakım-tutum için gerekli parça masraflar, bakım tutum bir tamir ekibi tarafından yapılıyor ise işçilik masrafları ve bozunum bir gecikmeye neden oluyor ise navlun gelir kaybıdır. Masraflar (I) bir matris formunda aşağıdaki şekilde gösterilebilir.

Bu yöntem, bozunumların yakıt eskalasyonu ve faiz oranı dikkate alınarak şimdiki değere getirilmiş toplam maliyetinin, bozunumların iyileştirilmesi için gerekli masrafların maliyeti ile karşılaştırılması esasına dayanmaktadır. Bozunumların maliyeti masrafların maliyetinden büyük olduğu durum (NPV>0) bakım-tutumun yapılması gerekliliğini, küçük olduğu durumda (NPV<0) ise bozunumu gidermek için yapılması gereken masrafların fazlalığı nedeniyle bakım-tutumun ileri bir tarihe ertelenebileceğini göstermektedir. Önerilen algoritma aşağıda özetlenmiştir.

Modeli bir örnek ile açıklamaya çalışalım. Şekil-8 de ana makine ara soğutucu çıkış sıcaklığının fabrika test değerlerine göre 4 0C, 9 0Cve 14 0C fazla olması durumunda ve 4 0C sıcaklık artışı için farklı yakıt fiyat eskalasyon oranlarındaki bozunum maliyetleri görülmektedir.

Şekil-8 Giriş hava sıcaklığındaki artış ve yakıt eskalasyon oranlarının bozunum maliyetine etkisi [1]

Şekilden de görüleceği üzere ara soğutucu bakımı yetersizliği nedeniyle ara soğutucu çıkış sıcaklığındaki artışlar çalışma süresi arttıkça bozunum kaynaklı işletme maliyetlerini önemli ölçüde artırmaktadır. 8000 saat sonra sıcaklık artışı şekilde gösterilen sıcaklıklar kadar olduğu kabul edilirse giriş hava sıcaklığının 4 0C artması durumunda bozunum maliyeti yaklaşık 38.000$, 9 0C artması durumunda 80.000$, 14 0C artması durumunda 120.000$ olmaktadır. Denizcilik piyasasında yakıt fiyatlarının yıldan yıla büyük oynaklık göstermesi yakıt fiyat eskalasyonlarını doğru belirlemeyi güçleştirmektedir. Sağdaki şekil 4 0C sıcaklık artışı için eskalasyon oranı %7 alındığında 38.000$ olan bozunum maliyeti 50.000$ a çıkmaktadır.

Şekil 9’da incelenen gemisi için ana makine hava giriş sıcaklığının 5 °C artması durumunda farklı çalışma saatlerine göre meydana gelen bozunumun maliyetleri gösterilmiştir. Şekil üzerinde aynı zamanda sıcaklık artışını önlemek için yapılması gereken masrafların çalışma saatlerine göre kümülatif toplamları da gösterilmiştir. Tablo-1’de ise hava giriş sıcaklığı üzerinde etkili olabilecek tüm bakımların listesi, bakım-onarım saatleri ve bu bakımların maliyetleri detaylandırılmıştır. Örnek vermek gerekirse, hava soğutucusu hava tarafının bakım tutum periyodu 2000 saattir ve bu bakım tutum için (kirli olması durumunda) yapılacak masraf yaklaşık olarak 500 USD’dir. Tabloda ayrıca ara soğutucu soğutma suyu tarafında soğutucu çıkış sıcaklığı üzerinde etkili olabilecek diğer muhtemel arazılar, bakım saatleri ile parça değişim ve bakım maliyetleri de gösterilmektedir. 8000 $ sonunda hava soğutucusuna yapılabilecek toplam bakım maliyetinin maksimum 5500$ olacağı anlaşılmaktadır. Bu değerler 2016 yılı için gemi işletmecisinden temin edilmiştir. 

Tablo-1. Hava giriş sıcaklığı değişimine bağlı yapılacak bakım-tutum saatleri ve maliyetleri [1]

Şekil-9. Hava giriş sıcaklığındaki 5 °C lik artış için bozunum maliyeti ve masrafların karşılaştırılması [1]

Görüldüğü üzere sıcaklık artışının neden olduğu bozunumu ortadan kaldırmak için 8.000 saate kadar yapılacak tüm bakım-onarım, sarf ve yedek parça değişim masrafları sıcaklık artışının neden olduğu bozunumun 2.000 saatteki değerinin bile altında kalmaktadır. Bu durum, yukarıda açıklanan model çerçevesinden yapılması gereken bakım-onarım işleminin acil olarak hayata geçirilmesi gerektiğini göstermektedir. 

Kaynak:
[1] G. Kökkülünk, A.Parlak, H.H. Erdem, “Determination of performance degradation of a marine diesel engineby using curve based approach”, Applied Thermal Engineering, vol. 108, pp.1136–1146, 2016.