オンラインDPD機器の新たな代替手段 BWMSのTRO測定用
Halogen SystemsのDPI（Direct Pipe Insertion：配管直接挿入）電流測定式センサーは、バラスト水管理システムの全残留酸化剤測定において、オンラインDPD機器に代わる試薬不要・膜不要の選択肢です。Alliance for Coastal Technologies（ACT）による妥当性確認を受け、DNV型式承認を取得しており、2014年以降、船舶に2,000台以上が導入されています。
本論文は、第三者評価データ、流量非依存性試験、濁度への耐性の結果、費用比較、および船上で1.2年間の保守不要運転を実証した現場試験データを提示します。
主な性能の特長
1. 背景
Halogen Systems, Inc.は、マルチパラメータセンサー技術を商用化するため、2012年に設立されました。当初から、既存の電流測定式センサーの問題を解消し、多くの業界で使用できる堅牢な代替センサープラットフォームの開発を目指しました。そのセンサーは他のセンサーとは根本的に異なるため、DPI（Direct Pipe Insertion：配管直接挿入）電流測定式と名付けられました。
この新しい電流測定式センサーは、米国Office of Naval Research（ONR）からのSmall Business Investment Research（SBIR）契約によって一部の資金提供を受けました[DoD, 2020]。2014年以来、このセンサーは継続的に改良・強化されてきました。
2. 要旨
DPI電流測定式センサーは、オンラインDPD装置の新しい代替です。バラスト水管理システム（BWMS）で使用すると、独自の機能により潜在的なコンプライアンス問題を解消します。
高速応答
バラスト配管内でTROを直接測定し、45秒未満で測定値を取得。
泥の多い港での運転
ETVで要求されるTSSレベルの20倍（1,000 ppm）で、フィルターなしで堅牢かつ正確に動作します。
高DOCへの耐性
BWMSの試験で用いられる溶存有機炭素の負荷濃度の6倍でも正確に動作します。
流量に非依存
流速0～3.73 m/sで正確に動作し、測定に影響しません。
塩分・pHを統合
内蔵塩分センサーにより、別の計器が不要になります。pHセンサーは10 barに耐えます。
危険場所用・非危険場所用モデル
Zone 1 Group IICの危険場所、露天甲板、側流、バラスト配管に対応。
設置・保守の利点
広範な第三者検証
3. 第三者評価（ACT）
Alliance for Coastal Technologies（ACT）は、現在利用可能な技術を用いたバラスト水TRO装置の評価を実施しました[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]。ACTはセンサーを直接比較していませんが、これらの報告からいくつかの重要な点が明らかです。
精密さ試験の結果
メーカーの担当者が設置した新品のDPD計器2台は、いずれもそれぞれの仕様である5%（6 ppm未満）から外れていました。精密度試験中のDPD1の正確度は±15%、DPD2は±32%でした。Halogenセンサーは±4%で、仕様範囲に十分収まっていました。その変動係数（2.5%）はDPD基準法（2.6%）より良好でした。
正確さの試験結果
DPD装置1台が正確さ試験のうち2回で正常に動作しなかったため、データを収集できませんでした。データが得られた正確さ試験では、Halogen（HSI）センサーはDPD装置と同等以上の性能を示しました。数値が1.00に近いほど、正確さが高いことを示します。
表1：精密さの比較 — ACTが評価した3台の装置
| 試料 | 基準測定方法 | 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 |
| 平均 | 3.45 | 2.33 | 2.93 | 3.32 |
| 標準偏差 | 0.09 | 0.04 | 0.12 | 0.08 |
| CV（%） | 2.60% | 1.90% | 4.20% | 2.50% |
| 相対正確さ（%） | — | -32% | 15% | 4% |
出典：Alliance for Coastal Technologies（ACT）の評価報告。 完全な報告書はact-us.infoで入手可能
表2：ACTが報告した線形回帰の傾き
塩分濃度を変えた正確さの試験結果。1.00に近い値ほど、正確さが高いことを示します。
| PSU塩分 | 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 | 未試験 | 0.814 | 0.585 |
| 16 | 0.778 | 0.794 | 0.665 |
出典：Alliance for Coastal Technologies（ACT）の評価報告。 完全な報告書はact-us.infoで入手可能
4. 管内直接設置による迅速な応答
このセンサーはバラスト配管に直接設置され、1分未満で迅速にTROを測定します。長い採水配管から給水されるオンラインDPD装置では、試料汚染の可能性とともに、BWMSが更新された測定値を受け取るまでの遅延が生じます。一部の船舶では、多くの場合3～8分です。プロセスループの遅延は、正確な制御に問題を起こし、過剰塩素処理と塩素処理不足の間を行き来する振動を生じさせます。長い採水配管は試料汚染の原因になることもよくあります。
5. 濁った港湾水でも堅牢に動作
BWMSシステムは、総浮遊物質（TSS）50 ppmの負荷条件で評価されます[EPA, 2010]。ただし、港によっては浮遊物質がはるかに多く、水が「泥状」に見えることさえあります。このセンサーの堅牢性を示すため、要求TSS濃度の40倍（2,000 ppm）で評価しました[HSI ISO15839, 2020]。
濁度の影響を受けるDPD法 — 電流測定式センサーは影響を受けない
高濃度のTSSはDPD法（分光光度計）に悪影響を与え、測定値を低下させました。正確なDPD測定値を得るには、試料について（1）試薬と反応させる、（2）ろ過（5ミクロン）してTSSを除去する、（3）測定する、という手順が必要でした。ろ過したDPD測定値と未ろ過の測定値はTSS 200 ppmから乖離し始め、汚れた水がDPD測定法のスペクトルに干渉することを示しています。
重要な最大許容排出濃度（MADC）である0.1 ppmのような低いTRO排出濃度では、DPDの正確さの低下がさらに顕著になります。電流測定式センサーは、これらの濁度レベルの影響を受けません。
6. 流量の変化は測定の正確さに影響しません
他の電流測定式センサーは流量変化に非常に敏感です。Halogenのセンサーは流量に依存しないことを実証しています。この試験では、流速は0から1.93 m/s、さらに3.73 m/sへと変化しました。センサーの精度は、全塩素測定用の実験室用分光光度計（Hach DPD）で確認されました[HSI 06, 2020]。
表3：流量試験 — Hach DPDとHalogenセンサーの比較
| 流量 | Hach DPD（ppm） | Halogenセンサー（ppm） | 正確さ |
|---|---|---|---|
| 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% |
これらのデータから、流速0～3.73 m/sの範囲では、流れの条件がセンサーの正確さに与える影響は無視できるほど小さいことが明らかです。
7. 低い運用費
化学試薬や膜が不要なため、運転費用と船員による保守作業の人件費が低くなります。必要なのは2年ごとの摩耗部品キット交換だけです。KRSによると、DPD機器には追加の保守作業も必要です[KRS].
表4：費用比較 — DPI電流測定式とDPDの比較
| サービス | DPI電流測定式 | DPD |
|---|---|---|
| 試薬 | なし | 運転30～60日ごと |
| 摩耗部品 | 24か月 | N/A |
| 年間費用 | $120 USD | 約600米ドル |
| 年間 | N/A | ポンプのオーバーホール（薬品／海水による腐食） |
| 毎月 | N/A | T型ストレーナーの点検・洗浄 |
| 四半期ごと | N/A | バルブとポンプチューブの点検・洗浄 |
| 半年ごと | N/A | 二方電磁弁の洗浄 |
8. 長い保守間隔
ISO 15839の「フィールド試験」の方法に従い、Halogenセンサーは1日24時間、80日間で計33サイクル稼働しましたが、保守も校正も必要ありませんでした。これは66週間、すなわち船上での1.2年間の運転に相当し、センサーの実稼働時間は792時間を超えます[HSI 04, 2020]。
表5：現場試験の前提 — 一般的なBWMS保守期間
| 測定項目 | 値 |
|---|---|
| 標準的な航海 | 14日 |
| 1航海当たりのバラスト注水時間 | 10時間 |
| 月間バラスト注水時間 | 21.4時間 |
| 校正確認間隔 | 60日 |
| 60日間のセンサー運転 | 42.9時間 |
通常の2週間の航海では、バラスト注水／排水のサイクルがあり、センサーは約8時間稼働し、残りの航海中は停止します。いずれかの時点でDPD測定値から15%以上ずれた場合は、センサーを再校正することになっていました。試験期間全体を通じて、再校正は不要でした。
9. 設置費用
Halogenセンサーは、採水配管、排水配管、遠隔操作弁、試料調整、ポンプがないため、DPD計器より設置費用が大幅に低くなります。推定削減額は計器1台当たり2,200ドルを超えます。
表6：設置費用の比較
| 項目 | DPD計器 | 電流測定式センサー |
|---|---|---|
| ポンプ | $909 | $0 |
| 弁 | $1,763 | $0 |
| 水配管の敷設（船上） | （付属） | $0 |
| スキッド取り付け | （付属） | $0 |
| 試料調整とろ過 | （付属） | $0 |
| 不断水挿入用バルブ・取り外し装置 | N/A | $450 |
| 追加設置費用の合計 | 推定$2,672 | 推定$450 |
* 顧客からのデータ
10. 保守の容易さ
Halogen Hot Tap Valveはバラスト配管への容易なセンサー取り付けを可能にし、常設または随時の保守用に取り外し工具を装備できます。手順は4段階です。（1）バルブを閉じる、（2）取り外し点からセンサーを引き戻す、（3）取り外しプレートからセンサーを滑らせて抜く、（4）ジャンクションボックスからサドルクランプを外して迅速に交換する。
11. 危険場所用および非危険場所用モデル
4つのセンサーモデルを用意しています。危険区域用（Zone 1、Group IIC）と非危険区域用の両方に、配管内（不断水挿入）、側流、開放甲板の3つの取り付け方法があります。
配管内（不断水挿入）
不断水挿入バルブを介してバラスト配管に直接設置。最小の設置面積、最速の応答。
側流
圧力・流量の制御は不要です。差圧を使用してチャンバー内に水を循環させられます。
デッキを開く
甲板下への設置が現実的でない船舶では、すべてのモデルを露天甲板に設置できます。
センサーは小型で迅速に取り外せるため、船内の予備品として携帯しやすく、潜在的な停止時間を減らします。ジャンクションボックスから簡単に分離でき、迅速な交換や保守が可能です。
12. 自動洗浄
センサーは7件の米国特許と5件の外国特許で保護されています。内蔵ポンプがセンサー電極表面の流速を高め、信号を増大させることで、信号対雑音比（S:N）を向上させます。この機能は電極の連続洗浄も可能にします。
洗浄ビーズはセンサー内の空洞に保持され、水流によって動いて電極を研磨します。このポンプは寿命20,000時間のモーターで駆動されます。センサーはTROに加えて、塩分、温度、ORP、pHを測定します。このうち3項目が、淡水および汽水での信号変化の補正に使用されます。
13. 内蔵塩分センサー
すべてのセンサーには塩分センサーが内蔵されています。これにより、別の計器が不要になる可能性があります（$3,000超の節約）。この機能によって、淡水港でのセンサー補正が可能になります。
14. 結論
「電流測定式センサーはBWMSで一般的には使用されていませんが、ほかの計器に対していくつかの潜在的な利点があります。電流測定式センサーは試薬不要であり、BWMSに適用すれば、採水入口にセンサーを直接浸漬でき、DPDオンライン分析計に伴う採水ポンプと試薬が不要になります。」
— Tamburriほか、 Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]
BWMS用途向けに特別に設計されたHalogenの電流測定式センサーは、独自の技術の組み合わせにより、バラスト水用途に費用効率よく対応し、適合性に関する潜在的な問題の一部を解消します。
参考資料
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