온라인 DPD 기기의 새로운 대안 BWMS의 TRO 측정용
Halogen Systems의 DPI(Direct Pipe Insertion) 전류법 센서는 선박평형수 관리 시스템의 총잔류산화제 측정을 위한 온라인 DPD 기기의 무시약·무멤브레인 대안을 제공합니다. Alliance for Coastal Technologies(ACT)의 검증과 DNV 형식 승인을 받았으며, 2014년 이후 선박에 2,000개가 넘는 센서가 배치되었습니다.
이 논문은 제3자 평가 데이터, 유량 독립성 시험, 탁도에 대한 강건성 결과, 비용 비교 및 1.2년간 선상 무보수 운전을 입증하는 현장 시험 데이터를 제시합니다.
주요 성능 특징
1. 배경
Halogen Systems, Inc.는 다중 매개변수 센서 기술을 상용화하기 위해 2012에서 시작되었습니다. 처음부터 기존 전류 측정 센서의 문제를 제거하고 다양한 산업 분야에 응용할 수 있는 강력한 대체 센서 플랫폼을 개발하려고 했습니다. 이 센서는 다른 센서와 근본적으로 다르기 때문에 이름이 DPI(직접 파이프 삽입) 전류 측정입니다.
이 새로운 전류법 센서는 미국 해군연구청(ONR)의 Small Business Investment Research(SBIR) 계약을 통해 일부 자금을 지원받았습니다[DoD, 2020]. 이 센서는 2014년부터 지속적으로 개선되고 향상되었습니다.
2. 요약
DPI 전류 측정식 센서는 온라인 DPD 장비의 새로운 대안입니다. 선박평형수 관리 시스템(BWMS)에 사용하면 다음의 고유 기능으로 잠재적인 규정 준수 문제를 없앱니다:
빠른 응답
45 초 이내에 판독할 수 있도록 밸러스트 파이프의 TRO를 직접 측정합니다.
진흙이 많은 항만에서의 운전
필터 없이 ETV가 요구하는 TSS 수준의 20배(1,000 ppm)에서 견고하고 정확하게 작동합니다.
높은 DOC 내성
BWMS 시험에 적용되는 용존 유기탄소 부하 수준의 6배에서도 정확하게 작동합니다.
흐름 독립적
0에서 3.73 m/s 유속까지 정확한 작동 — 측정에 영향을 주지 않습니다.
통합 염도 및 pH
내장된 염도 센서로 별도의 기기가 필요하지 않습니다. pH 센서는 10 바를 견딜 수 있습니다.
위험 및 비위험 모델
Zone 1 Group IIC 위험 지역, 오픈 데크, 사이드 스트림 및 밸러스트 파이프에 사용할 수 있습니다.
설치 및 정비상의 장점
광범위한 제3자 검증
3. 제3자 평가(ACT)
Alliance for Coastal Technologies(ACT)는 현재 이용 가능한 기술을 사용하는 선박평형수 TRO 장비를 평가했습니다.[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. ACT가 센서를 직접 비교한 것은 아니지만, 이 보고서들에서 몇 가지 핵심 사항을 확인할 수 있습니다:
정밀도 시험 결과
제조사 직원이 설치한 신품 DPD 기기 두 대는 모두 각자의 5%(6 ppm 미만) 사양을 벗어났습니다. 정밀도 시험 중 DPD1의 정확도는 ±15%였고 DPD2는 ±32%였습니다. Halogen 센서는 ±4%로 사양 범위 안에 충분히 들어왔습니다. 변동계수(2.5%)는 DPD 기준 방법(2.6%)보다 우수했습니다.
정확도 테스트 결과
한 DPD 장비는 정확도 시험 두 건에서 제대로 작동하지 않아 데이터를 수집할 수 없었습니다. 데이터가 있는 정확도 시험에서 Halogen(HSI) 센서는 DPD 장비와 유사하거나 더 좋은 성능을 보였습니다. 수치가 1.00에 가까울수록 정확도가 더 높음을 나타냅니다.
표 1: 정밀도 비교 — ACT가 평가한 세 기기
| 시료 | 기준 방법 | 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 |
| 평균 | 3.45 | 2.33 | 2.93 | 3.32 |
| 표준편차 | 0.09 | 0.04 | 0.12 | 0.08 |
| CV (%) | 2.60% | 1.90% | 4.20% | 2.50% |
| 상대 정확도(%) | — | -32% | 15% | 4% |
출처: Alliance for Coastal Technologies(ACT) 평가 보고서. act-us.info에서 전체 보고서 확인 가능
표 2: ACT가 보고한 선형 회귀 기울기
다양한 염도 수준에 대한 정확도 테스트 결과. 1.00에 가까운 값은 정확도가 더 높다는 것을 나타냅니다.
| PSU 염도 | 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 | 시험하지 않음 | 0.814 | 0.585 |
| 16 | 0.778 | 0.794 | 0.665 |
출처: Alliance for Coastal Technologies(ACT) 평가 보고서. act-us.info에서 전체 보고서 확인 가능
4. 배관 직접 설치로 빠른 응답
이 센서는 평형수 배관에 직접 설치하여 빠르게 TRO를 측정합니다(1분 미만). 긴 시료 배관을 통해 물을 공급받는 온라인 DPD 장비는 시료 오염 가능성과 함께 BWMS가 갱신된 측정값을 받기까지 지연을 발생시키며, 일부 선박에서는 흔히 3~8분이 걸립니다. 지연된 공정 루프는 정확한 제어에 문제를 일으켜 과염소 처리와 불충분한 염소 처리 사이의 진동을 유발하는 경우가 많습니다. 긴 시료 배관 역시 시료 오염의 원인이 되는 경우가 많습니다.
5. 진흙이 많은 항구에서도 강력한 작동
BWMS 시스템은 총부유물질(TSS) 50 ppm의 시험 부하 수준에서 평가됩니다[EPA, 2010]. 그러나 일부 항구는 부유물질 농도가 훨씬 높아 물이 “진흙탕”처럼 보일 수도 있습니다. 이 센서의 견고함을 입증하기 위해 요구 TSS 수준의 40배(2,000 ppm)를 사용하여 평가했습니다[HSI ISO15839, 2020].
DPD 방식은 탁도의 영향을 받지만 전류 측정 센서는 영향을 받지 않습니다
높은 TSS 수준은 DPD 방법(분광 광도계)에 부정적인 영향을 미쳐 측정값이 낮아졌습니다. 정확한 DPD 판독값을 얻으려면 샘플에 다음이 필요합니다. 시약과의 (1) 반응, (2) TSS 제거를 위한 (5 미크론) 여과, 그런 다음 (3) 측정. 필터링된 DPD 측정값과 필터링되지 않은 DPD 측정값은 TSS의 200 ppm에서 분기되기 시작했는데, 이는 더러운 물이 DPD 측정 방법의 스펙트럼을 방해함을 나타냅니다.
0.1 ppm이라는 중요한 최대 허용 배출 농도(MADC)와 같이 TRO 배출 농도가 더 낮은 수준에서는 DPD 정확도 저하가 더욱 두드러집니다. 전류법 센서는 이러한 탁도 수준의 영향을 받지 않습니다.
6. 유량 변화는 측정 정확도에 영향을 미치지 않습니다.
다른 전류법 센서는 유량 변화에 매우 민감합니다. Halogen 센서는 유량 독립성을 입증했습니다. 이 시험에서 유속은 0에서 1.93 m/s, 3.73 m/s로 변했습니다. 센서 정확도는 총염소 측정을 위한 실험실 분광광도계(Hach DPD)로 확인했습니다[HSI 06, 2020].
표 3: 유량 시험 — Hach DPD와 Halogen 센서 비교
| 유량 | Hach DPD (ppm) | Halogen 센서(ppm) | 정확도 |
|---|---|---|---|
| 0 GPM | 8.98 | 8.96 | 0% |
| 0 GPM | 8.83 | 9.05 | 2% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 9.49 | 9.06 | -4% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 9.48 | 9.04 | -5% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 9.02 | 8.94 | -1% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 8.64 | 8.99 | 4% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 9.06 | 8.89 | -2% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 8.87 | 8.92 | 1% |
| 0 GPM | 9.26 | 8.92 | -4% |
| 0 GPM | 9.23 | 8.82 | -4% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 8.9 | 8.77 | -1% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 9.29 | 8.91 | -4% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 9.04 | 8.77 | -3% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 8.9 | 8.8 | -1% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 9.02 | 8.91 | -1% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 8.78 | 8.84 | 1% |
| 0 GPM | 8.61 | 8.78 | 2% |
| 0 GPM | 9.05 | 8.75 | -3% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 8.77 | 8.7 | -1% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 8.82 | 8.63 | -2% |
| 120 GPM (3.73m/초) | 9.14 | 8.61 | -6% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 8.96 | 8.67 | -3% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 8.71 | 8.71 | 0% |
| 62 GPM (1.93m/초) | 9.07 | 8.55 | -6% |
| 0 GPM | 8.8 | 8.63 | -2% |
| 0 GPM | 8.77 | 8.48 | -3% |
이러한 데이터를 통해 흐름 조건이 0와 3.73 m/s 유속 사이의 센서 정확도에 무시할 만한 영향을 미친다는 것이 분명해졌습니다.
7. 낮은 운영 비용
화학 시약이나 막이 필요하지 않아 운전 비용과 선원의 유지보수 인건비가 줄어듭니다. 마모 부품 키트를 2년마다 교체하기만 하면 됩니다. KRS에 따르면 DPD 장비에는 추가 유지보수 작업도 필요합니다[KRS].
표 4: 비용 비교 — DPI 전류 측정 방식과 DPD
| 서비스 | DPI 전류 측정 | DPD |
|---|---|---|
| 시약 | 없음 | 30–60 운영일마다 |
| 마모 부품 | 24개월 | N/A |
| 연간 비용 | $120 USD | 약 $600 USD |
| 연간 | N/A | 펌프 분해 정비(화학약품/해수 부식) |
| 매월 | N/A | T스트레이너 점검 및 청소 |
| 분기별 | N/A | 밸브 및 펌프 튜브 점검 및 청소 |
| 반기별 | N/A | 2방향 솔레노이드 밸브 세척 |
8. 유지 관리 주기 사이의 긴 간격
ISO 15839의 “현장 시험” 방법론에 따라 Halogen 센서는 80일 동안 총 33주기에 걸쳐 하루 24시간 작동했지만 유지보수나 교정이 필요하지 않았습니다. 이는 66주 또는 1.2년의 선상 운전과 792시간 이상의 실제 센서 작동에 해당합니다[HSI 04, 2020].
표 5: 현장 시험 가정 — 일반적인 BWMS 유지보수 기간
| 매개변수 | 값 |
|---|---|
| 일반적인 항해 | 14일 |
| 항해 당 밸러스트 시간 | 10시간 |
| 월별 밸러스팅 시간 | 21.4시간 |
| 교정 확인 간격 | 60일 |
| 60일간의 센서 작동 | 42.9시간 |
일반적인 2주간의 항해 동안 센서가 약 8시간 동안 작동하고 나머지 항해 동안 꺼진 상태를 유지하는 밸러스트/밸러스트 제거 주기가 발생합니다. 언제든지 DPD 판독값에서 15% 이상 벗어나면 센서가 재보정되었을 것입니다. 전체 테스트 기간 동안 재보정이 필요하지 않았습니다.
9. 설치비용
Halogen 센서는 시료 배관, 폐수 배관, 원격 밸브, 시료 전처리 또는 펌프가 없으므로 설치 비용이 DPD 기기보다 훨씬 낮습니다. 예상 절감액은 기기당 $2,200를 초과합니다.
표 6: 설치 비용 비교
| 항목 | DPD 장비 | 전류 측정 센서 |
|---|---|---|
| 펌프 | $909 | $0 |
| 밸브 | $1,763 | $0 |
| 급수 배관 설치 (선상) | (포함) | $0 |
| 스키드 장착 | (포함) | $0 |
| 시료 컨디셔닝 및 여과 | (포함) | $0 |
| 핫 탭 밸브 및 리무버 | N/A | $450 |
| 총 추가 설치 비용 | $2,672 예상. | $450 예상. |
* 고객 데이터
10. 정비 용이성
Halogen Hot Tap Valve를 사용하면 평형수 배관에 센서를 쉽게 장착할 수 있으며, 상시 부착 또는 간헐적인 정비용 탈착 도구를 갖출 수 있습니다. 4단계 절차는 (1) 밸브 닫기, (2) 분리 지점을 통해 센서 후퇴시키기, (3) 탈착판에서 센서 밀어 빼기, (4) 빠른 교체를 위해 접속함에서 새들 클램프 분리하기입니다.
11. 위험 구역용 및 비위험 구역용 모델
네 가지 센서 모델이 제공됩니다. 위험 구역용(Zone 1, Group IIC) 및 비위험 구역용 모델 모두 관내 설치(핫탭), 분기 유로 및 개방 갑판의 세 가지 장착 옵션으로 제공됩니다.
배관 내 설치(핫 탭)
핫 탭 밸브를 통한 직접 밸러스트 파이프 설치. 가장 작은 설치 공간, 가장 빠른 응답.
분기 유로
압력이나 유량 조절이 필요하지 않습니다. 압력차를 이용하여 챔버를 통해 물을 순환시킬 수 있습니다.
개방 갑판
갑판 아래 설치가 현실적으로 어려운 선박에서는 모든 모델을 노출 갑판에 설치할 수 있습니다.
센서는 크기가 작고 신속하게 분리할 수 있어 선내 예비품으로 휴대하기에 적합하며, 잠재적인 가동 중단 시간을 줄입니다. 센서는 정션 박스에서 쉽게 분리되어 신속하게 교체하거나 정비할 수 있습니다.
12. 자가 청소
센서는 미국 특허 7건과 해외 특허 5건으로 보호됩니다. 일체형 펌프는 센서 전극 표면을 가로지르는 유속을 높여 신호를 증가시키고, 이에 따라 신호 대 잡음(S:N) 비율을 높입니다. 이 기능은 전극의 지속적인 세정도 가능하게 합니다.
세척 비드는 센서 내부 공간에 가두어져 있으며 흐름에 의해 움직이면서 전극 표면을 문지릅니다. 이 펌프는 수명이 20,000시간인 모터로 구동됩니다. 센서는 TRO 외에도 염도, 온도, ORP 및 pH를 측정합니다. 이 매개변수 중 세 가지는 담수와 기수에서 신호 변화를 보정하는 데 사용됩니다.
13. 통합 염도 센서
모든 센서에는 염분 센서가 통합되어 있습니다. 이렇게 하면 다른 계측기의 필요성이 줄어들 수 있습니다($3,000 이상 절약). 이 기능을 사용하면 담수항의 센서 보상이 가능합니다.
14. 결론
“전류법 센서는 BWMS에서 흔히 사용되지는 않지만 다른 장비보다 몇 가지 잠재적 이점이 있습니다. 전류법 센서는 무시약 방식이며, BWMS에 적용하면 시료 취수구에 센서를 직접 침지할 수 있어 DPD 온라인 분석기에 필요한 시료 펌프와 시약이 필요 없어집니다.”
— Tamburri 외, Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]
BWMS 유형의 적용을 위해 특별히 설계된 Halogen의 전류법 센서는 독특한 기술 조합으로, 일부 잠재적인 규정 준수 문제를 없애면서 비용 효율적으로 선박평형수 적용에 대응합니다.
참고 자료
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