La quantificazione della rilevazione ottica di gas

La rilevazione ottica quantitativa di gas offre agli operatori del settore petrolifero e del gas uno strumento per migliorare la sicurezza dei dipendenti, una maggiore gestione ambientale e un funzionamento più economico.

Di Craig R O’Neill, FLIR

Tecnologia relativamente giovane, la rilevazione ottica quantitativa di gas (qOGI), si sta rapidamente rivelando un’alternativa praticabile agli analizzatori di vapori tossici e ai campionatori Bacharach Hi Flow® come strumento per gli operatori del settore petrolifero e del gas naturale per quantificare le perdite di gas. Questo articolo descrive la qOGI, come funziona, le sue applicazioni e le apparecchiature necessarie per il suo utilizzo. L’articolo fa inoltre un confronto dettagliato tra la qOGI e le tecnologie alternative di quantificazione delle perdite.

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RILEVAZIONE OTTICA QUANTITATIVA DI GAS

La rilevazione ottica quantitativa di gas è la capacità di utilizzare l’imaging ottico di gas – specificamente, OGI di idrocarburi raffreddati– combinata con una soluzione algoritmica, per quantificare le fughe di gas invisibili a occhio nudo.

Si tratta di perdite che normalmente si possono visualizzare sulla termocamera OGI. Storicamente, le termocamere OGI sono state limitate all’analisi qualitativa – a indicare che si sta verificando una perdita, ma dando poche indicazioni sulla relativa quantità. Ora, tuttavia, combinando una termocamera OGI esistente con una soluzione qOGI, è possibile visualizzare e quantificare le perdite in unità di massa e velocità di perdita volumetrica, nonché la concentrazione sulla lunghezza del percorso (ppm-m).

QOGI RISPETTO A TECNOLOGIE ALTERNATIVE

In termini di capacità, né un analizzatore di vapori tossici (TVA, comunemente chiamato “sniffer”) né un campionatore ad alto flusso® Bacharach (BHFS), possono quantificare una varietà di perdite di gas nella portata di perdita di massa e nella portata volumetrica, nonché la lunghezza del percorso di concentrazione. Un TVA offre l’analisi della concentrazione, ma nessuna misurazione del flusso. Un BHFS è in grado di misurare sia il flusso che la concentrazione.

Sia i dispositivi TVA che BHFS possono fornire interpretazioni diverse della stessa perdita, a seconda di dove e quando la perdita viene campionata, nonché del posizionamento del dispositivo. Questa carenza è il risultato della funzionalità di questi dispositivi: forniscono un’istantanea delle perdite nel tempo, mentre un sistema qOGI fornisce un tasso medio di perdite nel tempo.

Inoltre, i dispositivi TVA e BHFS sono limitati nella loro capacità di quantificare determinati gas che gli ispettori possono riscontrare. Un sistema qOGI è in grado di identificare e quantificare oltre 400 composti chimici. Inoltre, poiché un sistema qOGI analizza le informazioni da un feed di termocamera OGI registrato, l’utente dispone di prove visive per confermare l’analisi del sistema. Nessun’altra tecnologia offre tale sicurezza.

La sicurezza degli ispettori, tuttavia, potrebbe essere il vantaggio principale della qOGI. Considerare la natura dei dispositivi TVA e BHFS applicati a dispositivi difficili da monitorare
Dispositivi (DTM): possibili fonti di perdita situate a una distanza sufficiente dal misuratore per rendere problematica la loro quantificazione.

Nella migliore delle ipotesi, le impalcature possono essere montate, con la speranza che la loro costruzione non sia troppo costosa o dispendiosa in termini di tempo. Quindi, un ispettore, gravato da un’imbracatura di sicurezza e che indossa tutti gli indumenti di protezione individuale appropriati, deve arrampicarsi pericolosamente vicino – o, in alcuni casi – all’interno del pennacchio di gas che fuoriesce nel tentativo di quantificare la perdita.

In altri casi, la potenziale perdita può essere completamente inaccessibile da un ispettore per motivi di sicurezza o mancanza di spazio operativo.

Anche quando si scopre (o si sospetta) una perdita in un luogo più accessibile, un sistema qOGI offre una maggiore facilità d’uso. Un TVA richiede una calibrazione frequente mediante un kit di calibrazione sul campo e funziona solo “al momento.”

Un BHFS, d’altro canto, richiede molto lavoro per l’uso e la manutenzione. Il suo utilizzo richiede che l’ispettore sigilli la perdita nel modo migliore possibile, utilizzando un misto di nastro e plastica, per consentire la lettura più accurata possibile. Sebbene questi dispositivi siano in grado di garantire un’elevata precisione, devono essere calibrati settimanalmente e verificati quotidianamente.

È inoltre necessario considerare in che modo le condizioni ambientali influiscono su di essi. Mentre la lettura di un TVA può essere influenzata da umidità, temperatura e contaminanti, il vento può avere l’effetto più drammatico, poiché la tecnologia potrebbe potenzialmente non rilevare una perdita (Fig. 1); le limitazioni ambientali BHFS dipendono dal suo particolare sensore; le letture di un sistema qOGI possono essere influenzate dalla temperatura (discussa di seguito) e dalla velocità del vento, che sono considerate nei parametri di ingresso del tablet.

Figura 1 - Effetto nocivo del vento sulle misurazioni dell’analizzatore di vapori tossici (TVA)

COME FUNZIONA LA QOGI?

La capacità di quantificare le dimensioni delle perdite senza trovarsi vicino al pennacchio di gas è il principale elemento di differenziazione tra la qOGI e tecnologie concorrenti, nonché il maggior vantaggio della qOGI. Quando si utilizzano termocamere OGI a distanza, sono tre i fattori che consentono alla termocamera di visualizzare il gas (Fig. 2).

Figura 2 - Fattori che influenzano l’immagine del gas in una termocamera OGI

Assorbimento IR — α(λ) — Innanzitutto, il gas da rilevare deve avere un picco di assorbimento IR che si sovrapponga alla finestra spettrale della termocamera OGI. I fattori di risposta (RF) sono stati sviluppati per quasi 400 composti; tali RF, indicativi delle lunghezze d’onda alle quali i diversi gas assorbono energia, consentono all’utente di valutare se un composto chimico può essere acquisito da una specifica termocamera. Possono anche essere utilizzati per affinare i risultati di un metodo qOGI, consentendo di applicare una singola calibrazione con un singolo gas alla misurazione di più gas.
Gli RF specificheranno anche la sensibilità di un composto specifico rispetto alla sostanza chimica di riferimento. Ad esempio, il fattore di risposta per il propano è 1. Se un valore RF per un altro composto è 0,3, significa che il composto ha il 30% della sensibilità del propano. Se una sostanza chimica ha un fattore di risposta inferiore a 0,1, è probabile che la sostanza chimica non sia visibile dalle termocamere OGI nelle stesse condizioni della sostanza chimica di riferimento.

Temperatura delta — ΔT — Deve esistere un differenziale di temperatura sufficiente tra il pennacchio di gas e lo sfondo. Un valore ΔT più alto determinerà un pennacchio più visibile nel display della termocamera OGI. Per qOGI, un valore ΔT elevato significa un rapporto segnale-rumore più alto, che crea dati di misurazione migliori.

Gli utenti QOGI dovranno visualizzare la perdita a varie angolazioni per garantire il valore ΔT più alto possibile. Sono auspicabili almeno 2°C di differenza di temperatura tra l’aria ambiente vicino alla perdita di gas e la temperatura apparente dello sfondo nell’immagine. ΔIl valore T, generalmente, deve essere considerato il fattore più importante nella raccolta di una lettura accurata.

Immagine di una perdita di gas che mostra gli effetti di Delta T mentre il gas passa da uno sfondo caldo (la parete) a uno sfondo a temperatura ambiente (la recinzione)

Presenza di gas—: — deve essere presente gas nell’immagine superiore al limite minimo di rilevamento del sistema.

Dato che in una scena deve essere presente una quantità sufficiente di gas, la funzione di qOGI è quella di standardizzare l’effetto degli altri due fattori — α(λ) e ΔT — per consentire la quantificazione del gas presente. Questa misurazione sarà coerente in diverse condizioni di misurazione (ad es., la stessa lettura produrrà lo stesso risultato anche quando ΔT è diverso a causa di diverse condizioni di misurazione).

La QOGI può produrre due tipi di risultati:

1. lunghezza del percorso di concentrazione, espressa come ppm-m a livello di pixel e
2. velocità di piombo di massa o volumetrica (ad es. grammi/ora o litri/min).

Figura 3 - Esempi di propano con lunghezze di percorso di concentrazione variabili

Il tasso di perdita di massa o volumetrica richiede un ulteriore processo algoritmico per aggregare le misurazioni del livello di pixel nell’effetto della perdita nel suo complesso. L’algoritmo prende anche in considerazione la distanza e le condizioni del vento che influenzano la misurazione della massa o della velocità di perdita volumetrica.

Una soluzione qOGI offre due modalità di funzionamento: uso in tempo reale e funzionamento Q-Mode.

Sul campo (uso in tempo reale) è sufficiente collegare un tablet rinforzato – contenente il software che quantifica il gas che viene acquisito – direttamente nella termocamera FLIR OGI (GF320, GFx320 o GF620) e inizierà immediatamente a quantificare la vista in diretta della perdita.

Termocamera per la rilevazione ottica di gas FLIR GFx320

Durante il funzionamento in Q-Mode è possibile memorizzare il video nella termocamera per un utilizzo successivo. È quindi possibile scaricare i file sul tablet, con la possibilità di quantificare le perdite dopo l’evento.

Il tablet stesso comprende una tecnologia pronta all’uso, progettata e prodotta per l’uso plug and play con le termocamere FLIR OGI (un cavo USB collega i dispositivi durante l’uso sul campo e la scheda SD della termocamera può essere rimossa per il funzionamento in Q-Mode) e non richiede una calibrazione regolare. Pertanto, è facile implementare la qOGI per gli utenti di termocamere OGI esistenti.

Inoltre, il tablet non è soggetto allo stesso deterioramento dei componenti sperimentati dai sistemi TVA e BHFS regolarmente esposti a gas tossici. Anche se i componenti di ricambio per i TVA possono essere prontamente disponibili, i dispositivi BHFS non sono stati fabbricati dal 2016.

Infine, si noti che, poiché la qOGI consente agli utenti di visualizzare le perdite nell’ambito del processo di quantificazione, il movimento può essere dannoso per le sue prestazioni (come con qualsiasi termocamera). Pertanto, gli utenti devono stabilizzare la termocamera tramite un treppiede.

CONCLUSIONI

Poiché la qOGI è una tecnologia giovane, negli Stati Uniti non esiste alcuna norma che ne disciplini l’utilizzo, ma i suoi meriti come strumento per scopi interni sono chiari. In effetti,
un leader nel settore petrolifero e del gas ha testato sul campo la tecnologia, esplorandone la fattibilità per quantificare tutti gli aspetti, dalle richieste ICR a monte e le emissioni dei serbatoi ai componenti LDAR DTM (a valle) e il monitoraggio di manutenzione/affidabilità.
Oltre ai suoi evidenti vantaggi in termini di sicurezza rispetto ai metodi alternativi di quantificazione del gas, l’qOGI è stata sottoposta a rigorosi test di terze parti di CONCAWE3 e si è dimostrata più facile, rapida e accurata rispetto a tecnologie come quelle del TVA. La qOGI offre un rapporto costo-efficacia come componente aggiuntivo alle termocamere OGI esistenti e posiziona gli operatori del settore petrolifero e del gas all’avanguardia nella consapevolezza ambientale nelle comunità in cui operano.

INFORMAZIONI SULL’AUTORE

Craig R O’Neill lavora per FLIR da oltre 17 anni ed è stato attivamente coinvolto nel mercato OGI sin dall’introduzione degli Optical Gas Imager commerciali, nel giugno 2005. Attualmente è responsabile a livello globale del ramo d’azienda Optical Gas Imaging e della strategia per le soluzioni FLIR nel settore petrolifero e del gas. In questo ruolo, è il pezzo di collegamento tra clienti, stakeholder del settore, partner strategici e molti aspetti verticalmente integrati della divisione FLIR Instruments, tra cui vendite, marketing, ingegneria e gestione dei prodotti. Il suo obiettivo è garantire l’allineamento di FLIR per fornire soluzioni di rilevamento che soddisfino le esigenze del settore petrolifero e del gas.

INFORMAZIONI SU FLIR SYSTEMS, INC.

Fondata nel 1978 e con sede a Wilsonville, Oregon, FLIR Systems è il leader mondiale nella produzione di sistemi basati su sensori che migliorano la conoscenza ed il livello di consapevolezza, contribuendo a salvare vite umane, a migliorare la produttività ed a proteggere l'ambiente. I suoi 3.500 dipendenti condividono e alimentano la visione FLIR “Worlds Sixth Sense (Il sesto senso del mondo)” sfruttando l’imaging termico e le tecnologie complementari per fornire soluzioni innovative e intelligenti per la sicurezza e la sorveglianza, il monitoraggio ambientale e delle condizioni, le attività ricreative all’aperto, la machine vision, la navigazione e la rilevazione avanzata di minacce. Per maggiori informazioni, visitate www.flir.com e seguiteci su @flir.

Risorse

1. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_fa557e034d654f54865a63902fb93d6e.pdf

2. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_0b8501e272274446a9aceda959ff5565.pdf

3. https://www.concawe.eu/wp-content/uploads/2017/01/rpt_17-2.pdf

Per ulteriori informazioni sulla rilevazione ottica di gas, visitare il sito www.FLIR.com/ogi