Büyük Güçlü Diesel Motorlarında Doğalgazın Kullanılması
Yazan : Yrd. Doç. Dr. Halil İbrahim SARAÇ
Yrd. Doç. Dr. Hasan Rıza GÜVEN
Nedim SÖZBİR
ÖZET
Büyük güçlü diesel motorlarda doğal gazın kullanılması, klasik diesel motorunun çift yakıtlı motora dönüşümü yapılarak mümkün olmaktadır. Bu motorda, hem doğal gaz hem de doğal gazı ateşlemek için diesel yakıt kullanılır. Bu motorda kullanılan yakıtın % 90'nı doğal gaz geri kalan % 10'u diesel yakıttır. Doğal gazın diesel motorunda kullanılması ile CO ve HC miktarlarında önemli ölçüde azalma olacaktır. Dumanda S02. S03 ve NOx emisyonu oluşmayacak.böylece duman azalacaktır. Motor elemanlarının (segman, silindir gömleği, piston vs.) ömrü % 50 kadar uzayacaktır. Motorun onarım maliyetleri böylelikle azalacaktır. Diesel yakıtı ve doğal gaz fiyatları göz önüne alınırsa yakıttan da büyük bir ekonomi sağlanır.
1.GİRİŞ
Doğalgazın diesel motorlarında kullanılması diesel çevriminin özelliği nedeni ile beraberinde çözüm gerektiren bazı problemler getirmektedir. Bunların başında gelen problem, diesel yakıt 330°C sıcaklıkta tutuşurken, doğal gaz ise 650°C sıcaklıkta tutuşmaktadır [1,2]. Doğal gazın sıkıştırma stroku sonunda silindirlere sokulması güçlüğü problemi vardır. Yüksek sıkıştırma oranı (18) vuruntu tehlikesi oluşturur. Doğal gazın emme strokunda emme havası ile birlikte silindire alınması kolayca sağlanabilmektedir. Bu durumda da yakıtın tutuşmaya hazırlık süresi uzadığından vuruntu tehlikesi de artmaktadır. Ancak, doğal gazın oktan sayısının yüksek oluşu (130) uygun bir tutuşma ortamı sağladığından diesel çalışması sırasında vuruntudan kaçınılabilme imkanı da sağlar [3,4], Diesel motorlada doğal gazın kullanılması ile oluşacak problemlere çözüm bulmak için çeşitli ateşleme sistemleri geliştirilmiştir [2,5].
2.ATEŞLEME SİSTEMLERİ
2.1. Tek Yakıt Sistemi
% 100 doğal gazla buji ateşlemen' motor olarak çalıştırılmaktadır. Bu sistem Otto çevrimli bir motorun tüm avantaj ve dezavantajlarına sahiptir. Mevcut Otto çevrimli motorlara adapte edilmiştir. Otto çevrimi verimine sahiptir. Diesel yakıt kullanılmamakta olduğundan diesel motorlara henüz adapte edilememiştir. Yüksek CO, HC ve NOx emisyonları oluşturan bir sistemdir.
2.2.Çift Yakıt Sistemi
Çift yakıt kullanılan bir sistemdir. Doğal gaz ile çalışan diesel motorlarda hava doğal gaz karışımının ilk tutuşması bir pilot püskürtme ile sağlanır. Bu amaçla silindire sokulan toplam enerjinin % 5 - % 10 kadarına karşılık gelen miktarda diesel yakıt sıkıştırma stroku sonunda silindire püskürtülür. Pilot püskürtme demetinin enerjsi buji ile sağlanan enerjisinin 100 - 10000 katı kadardır. Böylece hava fazlalık katsayısının 1.4 ile 2 lik değerlerinde de ilk tutuşma garanti edilmektedir. Pilot püskürtme ile yanma odası şekline uygun püskürtme demeti oluşturularak, ayrıca silindir içinde oluşturulan hava hareketinin yardımı ile yanmanın odanın her noktasında aynı anda başlaması sağlanır. Sıkıştırma oranı 18 olduğunda da vuruntusuz yanma elde edilir. Ateşleme diesel pilot yakıt ile sağlanmakta, rölanti durumunda ise diesel yakıt kullanılmaktadır[2,3,5].
3. ÇİFT YAKITLI DİESEL MOTORLAR
Bir çift yakıtlı diesel motoru, doğal gazın küçük miktarda diesel yakıtla ateşlendiği motorlardır. Klasik diesel motordan biraz farklıdır. Çift yakıtlı diesel motorda iki çalışma modu vardır. Diesel çalışma modu ve çift çalışma mo-dudur. Çift yakıtlı diesel motorla klasik diesel motor arasındaki ana farklar şunlardır [6],
a) Çalışma işlemi : Doğal gaz silindire emme strokunda silindir kafasında bulunan gaz enjeksiyon valfinden verilir. Doğal gaz ve hava birbirine karışır. Sıkıştırma strokunda sıkıştırılır.
Bu karışım sıkıştırma strokunun son aşamasında karışım halindeki gazı ateşlemek için küçük miktarda pilot yakıt püskürtülür. Çift yakıtlı motorun diğer çalışma işlemleri klasik diesel motorda olduğu gibidir. Dört stroklu çift yakıtlı diesel motor için yakıt sistemi Şekil l'de görülmektedir
.b) Hava Yakıt Oranı: Diesel motor geniş bir hava yakıt oranı bölgesinde çalıştırılır. Bir çift yakıtlı motoru, dolgu havasının by pass akışını kontrol ederek doğal gaz karışımına göre hemen hemen sabit bir hava yakıt oranında çalışır.
Egzos gazındaki sıcaklık ve oksijen oranı da bu dolgu havasının çıkışı ile kontrol edilir. Şekil 2'de hava yakıt oranı kontrol sistemi görülmektedir.
c)Pilot Yakıt : Silindirdeki karışımın ateşlenmesi, bir doğal gaz motorunun ateşleme bujisi karşılığı olarak küçük mik'.arJa püskürtülen pilot yakıt ile gerçekleştirilir. Diesel çalışmasında (modunda) pilot yakıtın minumum miktarı, yaklaşık olarak maksimum sıvı yakıt miktarının % 10'u kadardır.
d)Doğal Gaz Valfi : Çift yakıtlı motoru, silindir kafasındaki sıvı yakıt enjeksiyon valfi gibi gaz valfine sahiptir. Bununla doğal gazın silindire akışı kontrol edilir.
e)Çift Yakıtlı Motor Kontrolü: Çift yakıtlı motor ek olarak şu sistemlerle donatılmıştır.
i) Doğal gaz besleme sistemi, ii) Hava akışı kontrol sistemi, iii) Çift yakıt modu ile diesel modu arasındaki dönüşüm sistemidir. Şekil 3'de dört stroklu çift yakıtlı motor rol sisteminin prensibi görülmektedir.
Çift yakıtlı motor ile klasik diesel motorunun karşılaştırmasının yapılmasında fayda vardır, i) Çift yakıtlı diesel motorunun sıkıştırma oranı genellikle klasik diesel moto-runkinden azdır. Bu vuruntuyu önlemek için belli bir seviye ile sınırlandırılmıştır. Bu yüzden çift yakıtlı motorun boyutları ve ağırlığı aynı güce sahip klasik diesel motordan daha büyük olur. ii) Herhangi bir oranda karışan doğal gaz ve sıvı yakıtın, yakıt temini kontrolü, sıvı yakıt modundan çift yakıtlı moda dönerek yapılır veya tersi de geçerlidir, iii) Yakıtın daha az kirli olmasından ötürü, çift yakıtlı mod ile yapılan yanma klasik diesel ile yapılandan daha temiz olmasından dolayı temiz çalışır.
4. ÇİFT YAKITLI MOTORUN TEST SONUÇLARI
Altı silindirli 155 cm stroklu ve 76 cm çapındaki 2 stroklu bir motorda 119d/d, 6600 kW nominal çıkış gücünde (ortalama efektif basınç 8 bar) elde edilen performans sonuçlan şekil 4'de görülmektedir. % 100 yükte elde edilen ısı tüketimi 9137 kJ/kVVh olup, % 5 pilot sıvı yakıt bu değere dahildir [7,8.9].Şekil 4'de türbinden önce düşük eksoz sıcaklığı 330°C olması oldukça ilginçtir. Aynı güçteki diesel motor çalışmasında ölçülen sıcaklıktan 50°C daha azdır. Bu önemli nokta diesel motora göre çift yakıtlı motorun belirli avantajıdır. Her şeyden önce yakıtın temiz olması nedeni ile temiz çalışır. Bundan başka pratik olarak aşındırıcı kül parçalarının olmaması silindirde iki şeyi gösterir. Birincisi piston segmanlarında düşük aşınma ve ikincisi yağlama maliyetinin azalmasıdır. Üçüncü olarak da şu söylenebilir, parlak olmayan alevle nispeten sönük yandığını gösterir. Alev daha düzgün olarak yayılır. Böylece pistondaki sıcak noktalardan kaçınılır. Şekil 5'de tek silindirli 76 cm çapındaki test motorunun diesel çalışması ve doğal gaz ile çalışması esnasındaki piston sıcaklık değerleri görülmektedir. Pistonun tepe noktasında 55°C, piston kenarında ise 155°C sıcaklık farkı oluşmaktadır.Çift yakıtlı motorun çoğunluğu diesel ile doğal gazlı motor arasında bir uyuşma gösterdiği zaman 7 silindirli 90 cm çapındaki çift yakıtlı motor ile 7 silindirli 90 cm çapındaki diesel motorundan daha iyi performans sonuçları elde etmek mümkün olduğu Şekil 6'da görülmektedir. Burada dikkati çeken fark klasik diesel motorda türbin önündeki eksoz sıcaklığı 80°C daha düşüktür. Özgül yakıt tüketimi, %90 yükten sonra çift yakıtlı motorda azalmaktadır.
Klasik diesel motor düşük yüklerde daha iyidir. Duman yüzdesi yük artıkça çift yakıtlı motorda azalmaktadır.
5. SONUÇ
Doğal gaz düşük karbon-hidrojen oranından gelen avantajları ve hava ile karışım yeteneğinden dolayı tam olarak yandığı için reaksiyona giren HC ve CO emisyonları büyük oranda (%35 ile % 50) azalır. Kalan HC atıkları büyük ölçüde reaktif değildir. Böylece duman azalır. Ayrıca yakıttan kaynaklanan S02, S03 ve NOx emisyonları da oluşmaz, temiz yakıttır. Diesel motorlarda doğal gazın kullanılması ile motor elemanlarının (segman, silindir gömleği, piston) ömrü % 50 kadar uzayacak, revizyon peryodu da buna bağlı olarak uzayacaktır. Böylece motora az bakım masrafı gerekecektir. Ayrıca motorda gürültü ve titreşimli çalışma da diesel mo göre oldukça azalır. Büyük güçlü diesel motorlarda doğal gazın kullanılması çift yakıtlı motora dönüşümü yapılarak kullanılmaktadır. Bu motorlar gemilerde ve enerji santrallerinde kullanılır. Çift yakıtlı büyük motorlann enerji santrallerinde kullanılması hem yatırım, hem de enerji üretim maliyeti açısından daha ekonomik olacaktır [10].
KAYNAKLAR
1.Rosen J., "Running on Methane", Mechanical Engineering, May 1990, p 66-71.
2.Yahşi S., Bayka D., Eralp C ve Albayrak K. "Diesel Motorun Doğal Gaza Dönüşümü", Basın bülteni, ODTÜ Mak. Müh. Bölümü.
3.Ergeneman M., Soruşbay C, "Doğal Gazın İçten Yanmalı Motorlarda Kullanımı", Doğal Gaz Dergisi, sayı 6 sayfa 17-22.
4."Yeni Bir Otomotiv Yakıtı İçin Hazır mıyız?", knik ve Uygulama Dergisi, sayı 13, Şubat 1988.
5.Ergeneman M, Arşları E., Soruşbay C ve Safgönül B., "Şehiriçi Ulaşımda Kullanılan Otobüslere Doğal Gaz Uygulaması" I. Uluslararası Doğal Gaz Kullanımı ve Dönüşümü Sempozyumu, 26-29 Kasım 1992, İstanbul.
6."NKK Proposes Dual Fuel Diesel LNGC with Reliquefaction", The Motor Ship, pp 33-35, April 1985.
7.Steiger H.A., "Development and Practical Application of Slow Speed Two-Stroke Crosshead Dual Fuel Engine", Sulzer Rev.
8.Engesser B., Zehnder H., "Sulzer RTA Dual Fuel Marine Engines", Sulzer Rev. p 1-30, September 1985.
9.Smit J.A., Steiger H.A., "Economic Improvements Due to the Utilisation of Slow Speed Dual Fuel Engines for Propulsion of LNG Tankers", Sulzer Rev. pp 1-16.
10.Eyice S., Şahin B., "Doğal Gaz Yakıtlı Diesel Motorlu Elektrik Santrallerinin Teknik ve Ekonomik Etüdü", Türkiye 4. Enerji Kongresi, Endüstriyel Konulu Tebliğler, İzmir 1986, sayfa 167-179.