Foco em Flare Pilotos

Clayton A. Francis, Zeeco Inc., EUA, discute os requisitos dos modernos sistemas de detecção de pilotos do flare .

Em uma fábrica, seja para produção, transporte ou processamento de hidrocarbonetos, o flare é um dispositivo de alívio de segurança obrigatório. Os flares funcionam para queimar gases inflamáveis e tóxicos que estão sendo aliviados de forma emergencial para proteger a segurança da fábrica e das pessoas próximas. Um componente essencial do sistema flare é o piloto, pois um piloto aceso garante a ignição adequada desses alívios de emergência flare . Sem um piloto confiável, as liberações poderiam ser liberadas para a atmosfera, com consequências ambientais, de segurança do pessoal e explosivas. A determinação do status do piloto do flare é de importância fundamental e, em muitas instalações em todo o mundo, é também uma exigência legal.

Deficiências existentes na tecnologia de detecção de pilotos

Antes do advento da detecção confiável por fibra óptica, o setor de petróleo e gás contava com termopares para determinar o status da combustão. Em geral, essa tem sido uma abordagem confiável para a tarefa típica, mas existem deficiências distintas quando os termopares são usados para detectar chamas piloto. Os usuários finais de equipamentos de combustão identificaram vários desafios relacionados às tecnologias tradicionais de detecção de piloto. Devido a essas desvantagens, os critérios para uma nova solução de piloto flare vieram à tona. Este artigo discutirá esses critérios em mais detalhes.

Discriminação precisa entre as chamas-piloto individuais

Os fornecedores sofisticados do flare posicionam o termopar de modo que ele responda melhor à chama do piloto do flare , separadamente da chama geral do flare . Dessa forma, um status de piloto exclusivo é transmitido ao sistema de controle na maioria das operações. No entanto, como os termopares detectam calor, até mesmo os sistemas mais competentes estão sujeitos a indicações de piloto falso positivo no lado do vento do flare quando o piloto pode ficar saturado de calor pelo impacto da chama. A operação segura do flare é mais bem garantida pela identificação discreta do status de cada piloto individual, mas, às vezes, isso simplesmente não está disponível com os 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) estiver 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 do flare .

Sinal Instantâneo de Chama/ Sem Chama por Piloto

A necessidade de detecção instantânea do status do piloto vem aumentando ao longo dos anos. Um piloto pode se apagar e, mesmo sem a presença de uma chama flare , pode levar vários minutos para que o poço termométrico e a proteção do piloto esfriem até ficarem abaixo do ponto de comutação do termopar, o que só então sinaliza "sem chama piloto" para o operador. Se o flare estiver utilizando um gás de purga combustível, o termopar do piloto a favor do vento pode nunca esfriar o suficiente para registrar um piloto que não esteja funcionando. Mesmo com programação de inclinação, vários pontos de comutação ou transmissão analógica do sinal de temperatura, o termopar do piloto não indica imediatamente o verdadeiro status do piloto. Embora essa desvantagem seja amplamente compreendida e tenha sido aceita no setor no passado, as possíveis consequências ambientais e de segurança do sinal atrasado são agora uma preocupação crescente.

Discriminação precisa entre a chama piloto e a chama Flare

Outras tecnologias são aplicadas em um esforço para superar as deficiências percebidas dos termopares, mas elas, por sua vez, introduzem outros problemas operacionais e funcionais. Ocasionalmente, um site flare perdeu a maioria ou todos os seus sinais piloto de termopar vários meses ou anos antes que uma parada de manutenção planejada pudesse substituir o equipamento danificado. Como medida paliativa para obter alguma indicação da presença do piloto, os operadores podem instalar um monitor de infravermelho (IR), montado no nível. Embora o sinal de chama seja instantâneo e o equipamento seja facilmente mantido com o flare on-line, o sinal geralmente não discrimina entre os pilotos ou entre as chamas do piloto e a chama do flare . É dada uma indicação geral de chama, mas um ou mais pilotos podem não estar funcionando de fato. O operador fica com uma falsa sensação de segurança devido à leitura de falso positivo.

E as Varas de Ionização por Chama?

As barras de ionização de chama podem ser aplicadas a pilotos individuais do flare e, dessa forma, é emitido um sinal de piloto individual discreto e instantâneo. No entanto, o ambiente aberto de um flare é uma aplicação mais severa para as hastes de chama do que a instalação típica de aquecedores, e a experiência do setor geralmente indica que não se pode esperar que as hastes de chama funcionem de forma confiável entre as oportunidades de desligamento. Existem outras técnicas menos comuns, mas elas podem ficar aquém do objetivo completo de detecção de 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. Entretanto, esses sistemas atuais normalmente "observam" a chama do flare à distância e têm dificuldade em discriminar entre as chamas piloto e a chama do flare . Para enfrentar esse desafio, o sistema de monitoramento de piloto de fibra óptica Zeeco VerifEYE usa tecnologia de fibra óptica, montada integralmente no piloto 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.

Grande parte do esforço de desenvolvimento para empregar com sucesso a tecnologia de fibra óptica dessa forma teve de se concentrar nos 10 pés superiores críticos localizados na zona afetada pelo calor (HAZ) do site flare. Qualquer equipamento localizado na HAZ deve suportar as temperaturas extremas presentes ao detectar a chama durante uma vida útil significativa. Os engenheiros resolveram esse desafio centralizando o conjunto de fibra óptica na tubulação de pré-mistura de ar e gás (Figura 1). O fluxo contínuo de ar e gás durante a operação cria uma barreira térmica contra as temperaturas de combustão. Diferentemente de outras tecnologias, como termopares e hastes de chama, a fibra óptica não está em contato com a chama, pois a extremidade receptora da fibra termina em segurança antes da ponta do gás. Embora o conjunto do sensor esteja protegido da HAZ, as fibras e as cerâmicas especializadas garantem que o equipamento possa suportar o calor, assim 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.

Fixadores e conectores mecânicos foram selecionados para esse sistema de monitoramento piloto de fibra óptica, levando em consideração a vedação de gás, o movimento térmico e a montagem em campo para garantir durabilidade e facilidade de uso. O sistema emprega uma montagem modular de segmentos de cabos de fibra duráveis para oferecer robustez, preço acessível e facilidade de instalação para encaixar o cabo na pilha flare (Figura 2). O efeito agregado desses aspectos de projeto cria um sistema de monitoramento piloto que não requer manutenção regular ou antecipada entre as paradas da planta. Os componentes eletrônicos passíveis de manutenção estão no nível, fora da HAZ, e são facilmente acessados enquanto o flare estiver em serviço.

Figura 2. Flare stack, mostrando a montagem de um conjunto contendo feixes de cabos de fibra óptica integrados.

O ângulo de visão estreito da fibra se concentra na parte traseira do bocal piloto, onde a chama piloto é estabilizada. Toda a visão da fibra é saturada com energia IV, que é coletada e transmitida para o nível. A quantidade total de sinal de IV disponível para o sensor no nível 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 de o sensor de fibra óptica se concentrar em pilotos individuais, o monitor de nível incorpora a tecnologia de oscilação de chama para discernir entre a chama piloto e a chama flare . Como a chama do piloto é pré-misturada com ar e sai por pequenos orifícios, ela tem uma frequência rápida de "cintilação" discernível pelo detector óptico, que difere da pulsação mais lenta da chama do flare . O software no monitor óptico elimina a cintilação de frequência mais baixa e pode discriminar entre as chamas piloto e flare . Nenhum sinal de piloto falso positivo é emitido e os operadores são alertados sobre possíveis problemas antes que eles possam se manifestar como uma chama flare 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

O avanço da tecnologia é o que os consumidores esperam dos produtos eletrônicos e é o que os setores de processo devem exigir dos equipamentos de segurança. O sinal de chama piloto preciso, durável e instantâneo do flare é possível por meio da próxima geração de tecnologia de detecção de piloto.