Nuove alternative agli strumenti DPD online per la misurazione TRO nei BWMS
Il sensore amperometrico DPI (Direct Pipe Insertion) di Halogen Systems offre un’alternativa senza reagenti e senza membrane agli strumenti DPD online per la misura dell’ossidante residuo totale nei sistemi di gestione dell’acqua di zavorra. Validato dall’Alliance for Coastal Technologies (ACT) e supportato dall’approvazione di tipo DNV, con oltre 2.000 sensori installati su navi dal 2014.
Questo documento presenta dati di valutazione di terze parti, test di indipendenza dal flusso, risultati di robustezza alla torbidità, confronti dei costi e dati di test sul campo che dimostrano 1,2 anni di funzionamento a bordo senza manutenzione.
Principali punti di forza prestazionali
1. Contesto
Halogen Systems, Inc. è stata avviata nel 2012 per commercializzare la propria tecnologia di sensori multiparametrici. Fin dall’inizio ha cercato di eliminare i problemi dei sensori amperometrici esistenti e sviluppare una piattaforma di sensori alternativa e robusta con applicazioni in molti settori. Il suo sensore è radicalmente diverso dagli altri sensori, da cui il nome DPI (Direct Pipe Insertion, inserimento diretto in tubazione) amperometrico.
Questo nuovo sensore amperometrico è stato finanziato, in parte, da contratti Small Business Investment Research (SBIR) dell’Office of Naval Research (ONR) degli Stati Uniti[DoD, 2020]. Dal 2014, questo sensore ha ricevuto miglioramenti e perfezionamenti costanti.
2. Sintesi esecutiva
Il sensore amperometrico DPI è una nuova alternativa agli strumenti DPD online. Quando utilizzata nei sistemi di gestione dell’acqua di zavorra (BWMS), questa alternativa elimina potenziali problemi di conformità con caratteristiche uniche:
Risposta rapida
Misura diretta del TRO nella tubazione dell’acqua di zavorra per letture in meno di 45 secondi.
Funzionamento in porti fangosi
Funzionamento robusto e accurato a livelli di TSS 20× superiori a quelli richiesti dall’ETV (1.000 ppm), senza filtri.
Elevata tolleranza al DOC
Funzionamento accurato a livelli di carbonio organico disciolto 6 volte superiori a quelli delle prove di sollecitazione dei BWMS.
Indipendente dalla portata
Funzionamento accurato con velocità di flusso da 0 a 3,73 m/s, senza effetti sulla misurazione.
Salinità e pH integrati
Il sensore di salinità integrato elimina uno strumento separato. Il sensore pH resiste a 10 bar.
Modelli per aree pericolose e non pericolose
Disponibile per aree pericolose Zona 1 Gruppo IIC, ponte scoperto, flusso laterale e tubazione di zavorra.
Vantaggi di installazione e manutenzione
Ampia validazione di terze parti
3. Valutazione di terza parte (ACT)
Alliance for Coastal Technologies (ACT) ha condotto una valutazione degli strumenti TRO per acqua di zavorra con la tecnologia attualmente disponibile[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. Sebbene ACT non abbia confrontato direttamente i sensori, da questi rapporti emergono diversi punti chiave:
Risultati dei test di precisione
I due strumenti DPD nuovi, installati da personale di fabbrica, erano entrambi al di fuori delle rispettive specifiche del 5% (sotto 6 ppm). L’accuratezza di DPD1 durante il test di precisione era ±15%, mentre quella di DPD2 era ±32%. Il sensore Halogen rientrava ampiamente nella propria specifica, con ±4%. Il suo coefficiente di variazione (2,5%) era migliore di quello del metodo di riferimento DPD (2,6%).
Risultati delle prove di accuratezza
Uno strumento DPD non ha funzionato correttamente durante due delle prove di accuratezza, quindi non è stato possibile raccogliere dati. Nelle prove di accuratezza, il sensore Halogen (HSI) ha fornito prestazioni simili o migliori degli strumenti DPD nelle prove per cui erano disponibili dati. Numeri più vicini a 1,00 indicano un’accuratezza migliore.
Tabella 1: confronto della precisione — Tre strumenti valutati da ACT
| Campione | Metodo di riferimento | DPD2 | DPD1 | HSI (Halogen) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3.55 | 2.3 | 3.02 | 3.45 |
| 2 | 3.56 | 2.41 | 3.1 | 3.45 |
| 3 | 3.48 | 2.39 | 3.01 | 3.4 |
| 4 | 3.53 | 2.39 | 3.01 | 3.34 |
| 5 | 3.49 | 2.29 | 3.05 | 3.34 |
| 6 | 3.5 | 2.3 | 2.93 | 3.35 |
| 7 | 3.47 | 2.31 | 2.92 | 3.33 |
| 8 | 3.41 | 2.33 | 2.91 | 3.28 |
| 9 | 3.38 | 2.32 | 2.85 | 3.27 |
| 10 | 3.45 | 2.3 | 2.83 | 3.24 |
| 11 | 3.33 | 2.32 | 2.79 | 3.22 |
| 12 | 3.27 | 2.27 | 2.68 | 3.2 |
| Media | 3.45 | 2.33 | 2.93 | 3.32 |
| Deviazione standard | 0.09 | 0.04 | 0.12 | 0.08 |
| CV (%) | 2.60% | 1.90% | 4.20% | 2.50% |
| Accuratezza relativa % | — | -32% | 15% | 4% |
Fonte: rapporti di valutazione Alliance for Coastal Technologies (ACT). Rapporti completi disponibili su act-us.info
Tabella 2: pendenze della regressione lineare riportate da ACT
Risultati delle prove di accuratezza a diversi livelli di salinità. I valori più vicini a 1,00 indicano una accuratezza migliore.
| Salinità PSU | HSI (Halogen) | DPD1 | DPD2 |
|---|---|---|---|
| 0.2 | 0.809 | 0.829 | 1.072 |
| 0.2 | 0.962 | 0.879 | 0.728 |
| 0.2 | 0.814 | 0.924 | 0.777 |
| 15 | 0.779 | — | 0.762 |
| 15 | 0.825 | 0.783 | 0.458 |
| 15 | 0.793 | 0.859 | 0.635 |
| 30 | 0.756 | — | 0.746 |
| 30 | 0.818 | 0.747 | 0.456 |
| 30 | 0.717 | 0.787 | 0.603 |
| 15 | Non testato | 0.814 | 0.585 |
| 16 | 0.778 | 0.794 | 0.665 |
Fonte: rapporti di valutazione Alliance for Coastal Technologies (ACT). Rapporti completi disponibili su act-us.info
4. Risposta rapida grazie all’installazione diretta in tubazione
Questo sensore viene installato direttamente nella tubazione di zavorra per letture TRO rapide (meno di 1 minuto). Gli strumenti DPD in linea alimentati da lunghe linee di campionamento dell’acqua introducono una potenziale contaminazione del campione e un ritardo — spesso da 3 a 8 minuti su alcune navi — prima che il BWMS riceva una lettura aggiornata. Un circuito di processo ritardato causa spesso problemi di controllo accurato, provocando oscillazioni tra sovraclorazione e sottoclorazione. Le lunghe linee di campionamento sono spesso responsabili anche della contaminazione del campione.
5. Funzionamento robusto in porti fangosi
I sistemi BWMS sono valutati con un livello di prova di 50 ppm di solidi sospesi totali (TSS)[EPA, 2010]. Tuttavia, alcuni porti presentano concentrazioni molto più elevate di solidi sospesi e l’acqua può persino apparire “fangosa”. Per dimostrare la robustezza di questo sensore, è stato valutato utilizzando 40 volte il livello di TSS richiesto (2.000 ppm)[HSI ISO15839, 2020].
Metodo DPD influenzato dalla torbidità — Sensore amperometrico non influenzato
Livelli elevati di TSS hanno influito negativamente sul metodo DPD (spettrofotometro), producendo misure inferiori. Per ottenere letture DPD accurate, il campione richiedeva: (1) reazione con il reagente, (2) filtrazione (5 micron) per rimuovere i TSS, quindi (3) misura. Le misure DPD filtrate e non filtrate hanno iniziato a divergere a 200 ppm di TSS, indicando che l’acqua sporca interferisce con gli spettri nel metodo di misura DPD.
A livelli inferiori di TRO allo scarico, come la critica concentrazione massima ammissibile allo scarico (MADC) di 0,1 ppm, la riduzione della accuratezza del DPD è ancora più significativa. Il sensore amperometrico non risente di questi livelli di torbidità.
6. Le variazioni di portata non influiscono sull’accuratezza della misurazione
Gli altri sensori amperometrici sono estremamente sensibili alle variazioni di portata. Il sensore Halogen ha dimostrato indipendenza dalla portata. Durante questo test, la velocità del flusso è variata da 0 a 1.93 m/s a 3.73 m/s. L’accuratezza del sensore è stata verificata utilizzando uno spettrofotometro da laboratorio (Hach DPD) per la misura del cloro totale[HSI 06, 2020].
Tabella 3: prova di flusso — Hach DPD a confronto con il sensore Halogen
| Portata | Hach DPD (ppm) | Sensore Halogen (ppm) | Accuratezza |
|---|---|---|---|
| 0 GPM | 8.98 | 8.96 | 0% |
| 0 GPM | 8.83 | 9.05 | 2% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.49 | 9.06 | -4% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.48 | 9.04 | -5% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.02 | 8.94 | -1% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.64 | 8.99 | 4% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 9.06 | 8.89 | -2% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.87 | 8.92 | 1% |
| 0 GPM | 9.26 | 8.92 | -4% |
| 0 GPM | 9.23 | 8.82 | -4% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 8.9 | 8.77 | -1% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.29 | 8.91 | -4% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.04 | 8.77 | -3% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.9 | 8.8 | -1% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 9.02 | 8.91 | -1% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.78 | 8.84 | 1% |
| 0 GPM | 8.61 | 8.78 | 2% |
| 0 GPM | 9.05 | 8.75 | -3% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 8.77 | 8.7 | -1% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 8.82 | 8.63 | -2% |
| 120 GPM (3,73 m/s) | 9.14 | 8.61 | -6% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.96 | 8.67 | -3% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 8.71 | 8.71 | 0% |
| 62 GPM (1,93 m/s) | 9.07 | 8.55 | -6% |
| 0 GPM | 8.8 | 8.63 | -2% |
| 0 GPM | 8.77 | 8.48 | -3% |
Da questi dati risulta chiaro che le condizioni di flusso hanno un effetto trascurabile sull’accuratezza del sensore tra 0 e 3,73 m/s di velocità del flusso.
7. Basso costo operativo
Non sono necessari reagenti chimici o membrane, con conseguenti minori costi operativi e di manodopera per la manutenzione svolta dall’equipaggio della nave. È necessaria solo la sostituzione del kit delle parti soggette a usura ogni due anni. Secondo KRS, gli strumenti DPD richiedono anche ulteriori operazioni di manutenzione[KRS].
Tabella 4: confronto dei costi — DPI amperometrico rispetto a DPD
| Servizio | DPI amperometrico | DPD |
|---|---|---|
| Reagenti | Nessuno | Ogni 30–60 giorni di funzionamento |
| Parti soggette a usura | 24 mesi | N/A |
| Costo annuo | $120 USD | circa $600 USD |
| Annuale | N/A | Revisione della pompa (corrosione chimica/da acqua di mare) |
| Mensile | N/A | Controlla e pulisci il filtro a T |
| Trimestrale | N/A | Controlla e pulisci la valvola e i tubi della pompa |
| Semestralmente | N/A | Pulizia dell’elettrovalvola a due vie |
8. Intervallo lungo tra i cicli di manutenzione
Seguendo la metodologia ISO 15839 per un “test sul campo”, i sensori Halogen hanno funzionato 24 ore al giorno, per un totale di 33 cicli in 80 giorni, senza richiedere manutenzione o calibrazione. Ciò corrisponde a 66 settimane o 1.2 anni di funzionamento a bordo e a oltre 792 ore di funzionamento effettivo del sensore[HSI 04, 2020].
Tabella 5: ipotesi della prova sul campo — Periodo tipico di manutenzione BWMS
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Viaggio tipico | 14 giorni |
| Tempo di zavorramento per viaggio | 10 ore |
| Tempo di zavorramento al mese | 21,4 ore |
| Intervallo di verifica della calibrazione | 60 giorni |
| Funzionamento del sensore in 60 giorni | 42,9 ore |
Durante un tipico viaggio di due settimane si verifica un ciclo di zavorramento/dezavorramento in cui i sensori funzionano per circa 8 ore e rimangono spenti per il resto del viaggio. Il sensore sarebbe stato ricalibrato se in qualsiasi momento si fosse discostato dalla lettura DPD del 15% o più. Non è stata necessaria alcuna ricalibrazione per l’intero periodo di prova.
9. Costo di installazione
I costi di installazione del sensore Halogen sono molto inferiori a quelli degli strumenti DPD, poiché non vi sono linee di campionamento, linee di scarico, valvole remote, condizionamento del campione o pompe. Il risparmio stimato supera $2.200 per strumento.
Tabella 6: confronto dei costi di installazione
| Articolo | Strumento DPD | Sensore amperometrico |
|---|---|---|
| Pompa | $909 | $0 |
| Valvole | $1,763 | $0 |
| Posa delle tubazioni dell’acqua (a bordo) | (incl.) | $0 |
| Montaggio su skid | (incl.) | $0 |
| Condizionamento e filtrazione del campione | (incl.) | $0 |
| Valvola di inserzione in pressione ed estrattore | N/A | $450 |
| Costo totale aggiuntivo di installazione | $2.672 stimati | $450 stimati |
* Dati dei clienti
10. Facilità di manutenzione
La valvola Halogen Hot Tap consente di montare facilmente il sensore in una tubazione di zavorra e può essere dotata di uno strumento di rimozione per il fissaggio permanente o la manutenzione intermittente. Il processo in quattro fasi comprende: (1) chiudere la valvola, (2) ritrarre il sensore tramite il punto di rimozione, (3) sfilare il sensore dalla piastra di rimozione e (4) scollegare i morsetti a sella dalla scatola di giunzione per una rapida sostituzione.
11. Modelli per aree pericolose e non pericolose
Sono disponibili quattro modelli di sensori. Sono disponibili modelli sia per aree pericolose (Zona 1, Gruppo IIC) sia per aree non pericolose, con tre opzioni di montaggio: nella tubazione (inserzione in pressione), a flusso laterale e su ponte aperto.
In tubazione (inserzione in pressione)
Installazione diretta nella tubazione dell’acqua di zavorra tramite valvola di inserzione in pressione. Ingombro minimo, risposta più rapida.
Flusso laterale
Nessuna regolazione di pressione o flusso necessaria. Può utilizzare la differenza di pressione per far circolare l’acqua attraverso la camera.
Ponte scoperto
Tutti i modelli possono essere installati sul ponte scoperto delle navi dove l’installazione sottocoperta non è praticabile.
Le dimensioni ridotte del sensore e la sua rapida rimozione lo rendono adatto a essere tenuto a bordo come ricambio, riducendo i potenziali tempi di fermo. Il sensore si separa facilmente dalla scatola di giunzione per una rapida sostituzione o manutenzione.
12. Autopulizia
Il sensore è coperto da sette brevetti statunitensi e cinque brevetti esteri. La pompa integrata aumenta la velocità sulle superfici degli elettrodi del sensore e aumenta il segnale, incrementando così il rapporto segnale/rumore (S:N). Questa caratteristica rende inoltre possibile la pulizia costante degli elettrodi.
Le sfere di pulizia sono trattenute in una cavità all’interno del sensore; il flusso le muove in modo da esercitare un’azione abrasiva sugli elettrodi. Questa pompa è azionata da un motore con una durata di 20.000 ore. Oltre al TRO, il sensore misura salinità, temperatura, ORP e pH. Tre di questi parametri vengono utilizzati per compensare le variazioni del segnale nell’acqua dolce e salmastra.
13. Sensore di salinità integrato
Tutti i sensori includono un sensore di salinità integrato. Questo può ridurre la necessità di un altro strumento (risparmio di oltre $3.000). Questa funzione consente la compensazione del sensore nei porti d’acqua dolce.
14. Conclusione
«I sensori amperometrici non sono comunemente utilizzati nei BWMS, ma offrono alcuni potenziali vantaggi rispetto ad altri strumenti. I sensori amperometrici sono senza reagenti e, se applicati ai BWMS, consentirebbero l’immersione diretta del sensore in una presa di campionamento, eliminando la necessità di pompe di campionamento e reagenti associati agli analizzatori DPD in linea.»
— Tamburri et al., Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]
Progettato specificamente per applicazioni di tipo BWMS, il sensore amperometrico Halogen è una combinazione unica di tecnologie che serve le applicazioni per l’acqua di zavorra in modo economicamente efficiente, eliminando alcuni potenziali problemi di conformità.
Riferimenti
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