Clayton A. Francis, Zeeco Inc., EUA, discute os requisitos dos modernos sistemas de detecção de piloto de flare.
Dentro de uma fábrica, seja para a produção, transporte ou processamento de hidrocarbonetos, uma chama é um dispositivo de alívio de segurança necessário. As chamas funcionam para queimar gases inflamáveis e tóxicos, sendo aliviadas de forma emergencial para proteger a segurança da planta e das pessoas próximas. Um componente imperativo do sistema de chama é o piloto, pois um piloto acendido assegura a ignição adequada desses alívio de chama de emergência. Sem um piloto confiável, as liberações podem potencialmente se desprender para a atmosfera - com conseqüências ambientais, de segurança do pessoal e explosivas. Determinar o status do piloto de chama é de importância crítica, e em muitas instalações ao redor do mundo também é um mandato legal.
Deficiências existentes na tecnologia de detecção de pilotos
Antes do advento da detecção confiável da fibra ótica, a indústria de petróleo e gás dependia de termopares para determinar o estado de combustão. Esta tem sido geralmente uma abordagem confiável para a tarefa típica, mas existem deficiências distintas quando os pares termoelétricos são usados para detectar chamas piloto. Os usuários finais dos equipamentos de combustão identificaram vários desafios relacionados às tecnologias tradicionais de detecção piloto. Devido a estes inconvenientes, os critérios para uma nova solução piloto de chama foram peneirados para a superfície. Este artigo discutirá este critério com mais detalhes.
Discriminação precisa entre as chamas-piloto individuais
Vendedores sofisticados de tochas posicionam o termopar para que ele seja mais sensível à chama piloto de tochas como separado da chama geral. Desta forma, um status piloto exclusivo é retransmitido ao sistema de controle na maioria das operações. Entretanto, como os termopares detectam calor, mesmo os sistemas mais competentes estão sujeitos a falsas indicações piloto positivas no lado do vento para baixo da chama quando o piloto pode se tornar saturado de calor pelo impacto da chama. A operação segura da chama é melhor assegurada pela identificação discreta de cada status piloto individual, mas, às vezes, isso simplesmente não está disponível com termopares.
Uma solução robusta ou manejável que perdure entre as reviravoltas
Embora os termopares sejam uma das tecnologias mais robustas aplicadas para detecção de piloto, eles ainda são, em última análise, uma tecnologia consumível. O site Zeeco protege e preserva a integridade de um termopar por meio de um poço termométrico integrado no alojamento do piloto, posicionamento estratégico, blindagem e isolamento. No entanto, muitas fábricas estão empurrando os turnarounds para além de cinco anos, portanto, mesmo com essas medidas de proteção, os termopares estatisticamente precisarão ser substituídos dentro da janela. A maioria dos termopares é do tipo fixo, que só pode passar por manutenção quando o flare (e, portanto, a planta atendida pelo flare) está desligado e improdutivo. Os sistemas de termopares retráteis superam amplamente o desafio da manutenção e da acessibilidade dos termopares, mas eles existem em uma pequena minoria de todas as instalações de flare.
Sinal Instantâneo de Chama/ Sem Chama por Piloto
A chamada para a detecção instantânea do status de piloto tem crescido ao longo dos anos. Um piloto pode se apagar e, mesmo sem a presença de uma chama, pode levar vários minutos para que a cápsula térmica e o escudo piloto esfriem até abaixo do ponto de chaveamento do termopar, o que só então sinaliza "nenhuma chama piloto" para o operador. Se a chama estiver utilizando um gás de purga combustível, o termopar piloto para baixo do vento potencialmente nunca poderia esfriar o suficiente para registrar um piloto que não funciona. Mesmo com a programação de declive, múltiplos pontos de chaveamento ou transmissão analógica do sinal de temperatura, o termopar piloto não indica imediatamente o verdadeiro estado do piloto. Embora este inconveniente seja amplamente compreendido e tenha sido aceito na indústria no passado, as conseqüências potenciais de segurança e ambientais do sinal retardado é agora uma preocupação crescente.
Discriminação precisa entre o piloto e a chama em chamas
Outras tecnologias são aplicadas num esforço para superar as deficiências percebidas dos termopares, mas estas, por sua vez, introduzem outros problemas operacionais e funcionais. Ocasionalmente, uma chama perdeu a maior parte ou a totalidade de seus sinais piloto de termopares vários meses ou anos antes que uma interrupção de manutenção planejada pudesse substituir o equipamento danificado. Como uma medida de interrupção para obter alguma indicação da presença do piloto, os operadores podem instalar um monitor infravermelho (IR), montado na classe. Enquanto o sinal de chama é instantâneo e o equipamento é facilmente mantido com a chama online, o sinal muitas vezes não discrimina entre os pilotos ou entre as chamas dos pilotos e a chama da chama. É dada uma indicação geral de chama, mas um ou mais dos pilotos podem não estar funcionando de fato. O operador recebe uma falsa sensação de segurança através da leitura falsa positiva.
E as Varas de Ionização por Chama?
As hastes de ionização de chama podem ser aplicadas a pilotos de chama individuais e, ao fazer isso, é dado um sinal piloto individual discreto e instantâneo. Entretanto, o ambiente aberto de uma chama é uma aplicação mais severa para as hastes de ionização de chama do que a instalação típica de um aquecedor, e a experiência da indústria tem geralmente indicado que não se pode esperar que as hastes de ionização de chama funcionem de forma confiável entre as oportunidades de desligamento. Existem outras técnicas menos comuns, mas estas podem ficar aquém do objetivo completo de uma detecção piloto rápida, precisa e altamente durável.
Projeto do Sistema de Fibra Óptica
Quase todos hoje estão familiarizados com a facilidade de tirar uma foto com um smartphone. Na verdade, a qualidade e a clareza das fotos amadoras tiradas hoje em dia via smartphone podem rivalizar com as de equipamentos profissionais portáteis de 30 anos atrás. A tecnologia de fibra ótica - usando pulsos de luz descendo por um cabo ou fibra fina de vidro ou plástico - tem sido usada há décadas para transmitir dados a longas distâncias.
O emprego da tecnologia de detecção óptica na detecção de chama piloto não é uma prática incomum. No entanto, esses sistemas atuais normalmente "observam" a chama do sinalizador à distância e têm dificuldade em distinguir entre as chamas piloto e a chama do sinalizador. Para enfrentar esse desafio, o sistema de monitoramento de piloto de fibra óptica Zeeco VerifEYE usa tecnologia de fibra óptica, montada integralmente no piloto do flare, para retransmitir o status de ignição de cada chama piloto exclusiva para um monitor em nível em tempo real. Um sensor óptico no monitor discerne o status do piloto e controla a ignição e a função do piloto.
Muito do esforço de desenvolvimento para empregar com sucesso a tecnologia de fibra ótica desta forma teve que ser focalizado na parte superior crítica de 10 pés localizada dentro da zona afetada pelo calor da chama (HAZ). Qualquer equipamento localizado na HAZ deve resistir às temperaturas extremas que estão presentes enquanto detecta a chama ao longo de uma vida útil significativa. Os engenheiros resolveram este desafio centralizando o conjunto de fibra ótica na tubulação de pré-mistura de ar-gás (Figura 1). O fluxo contínuo de ar e gás durante a operação cria uma barreira térmica contra as temperaturas de combustão. Ao contrário de outras tecnologias como termopares e hastes de chama, a fibra óptica não está em contato com a chama, uma vez que a extremidade receptora da fibra termina com segurança a extremidade da ponta do gás. Mesmo que o conjunto sensor esteja protegido do HAZ, fibras e cerâmicas especializadas garantem que o equipamento possa suportar o calor, bem como o próprio piloto.
Figura 1. Caminho de fibra óptica (linha vermelha) através da montagem do piloto, mostrando a barreira térmica fornecida pelo fluxo de ar e gás para o piloto. Isto mostra a extremidade de 'coleta' do sensor a uma distância protegida da zona de combustão.
Foram selecionados fixadores e conectores mecânicos para este sistema de monitoramento piloto de fibra óptica, levando em consideração a vedação a gás, o movimento térmico e a montagem em campo para garantir durabilidade e facilidade de uso. O sistema emprega um conjunto modular de segmentos de cabos de fibra duráveis para garantir robustez, acessibilidade econômica e facilidade de instalação para encaixar o cabo na pilha de flare (Figura 2). O efeito agregado destes aspectos de projeto cria um sistema piloto de monitoramento que não requer manutenção regular ou antecipada entre as paradas da fábrica. A eletrônica de manutenção está em grau, fora do HAZ, e facilmente acessível enquanto o flare está em serviço.
Figura 2. Pilha de flare, mostrando a montagem do conjunto contendo feixes integrados de cabos de fibra óptica.
O ângulo de visão estreito da fibra concentra-se na parte traseira do bico piloto onde a chama piloto é estabilizada. Toda a visão da fibra é saturada com energia IV, que é coletada e transmitida para a classe. A quantidade total de sinal IR disponível para o sensor na classe é três ordens de magnitude maior do que o volume mínimo do ponto de comutação, o que significa que a degradação normal do equipamento ao longo do tempo não inibirá a capacidade do sistema de determinar o status do piloto. Além do sensor de fibra óptica focalizado em pilotos individuais, o monitor na classe incorpora tecnologia de flame flicker para discernir entre o piloto e o flare flame. Uma vez que a chama piloto é pré-misturada com ar e sai por pequenos orifícios, ela tem uma rápida freqüência de "cintilação" discernível pelo detector óptico, que difere da pulsação mais lenta da chama da chama. O software dentro do monitor ótico elimina a cintilação de baixa freqüência e pode discriminar entre chama piloto e chama de chama. Nenhum sinal piloto falso positivo é dado, e os operadores são alertados sobre possíveis problemas antes que eles possam se manifestar como uma chama extinta.
Figura 3. A verificação do sistema de fibra ótica da chama piloto acontece em 4 segundos. A verificação do termopar da chama piloto acontece em 1 min. 26 seg.
Figura 4. O sistema de fibra ótica verifica múltiplas falhas piloto e re-iniciações bem sucedidas. O termopar não alcança o ponto de comutação ajustado durante as falhas intermitentes. O sistema registra a falha final 0,166 seg. após sua ocorrência e o termopar registra uma falha 23 min. após a falha final.
Conclusão
A tecnologia avançada é o que os consumidores passaram a esperar da eletrônica, e é o que as indústrias de processo devem exigir dos equipamentos de segurança. Um sinal de chama piloto preciso, durável e instantâneo é possível através da próxima geração de tecnologia de detecção piloto.
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