Focus sui piloti Flare

Clayton A. Francis, Zeeco Inc., USA, illustra i requisiti dei moderni sistemi di rilevamento pilota della torcia.

All'interno di un impianto, che si tratti di produzione, trasporto o lavorazione di idrocarburi, una torcia è un dispositivo di scarico di sicurezza necessario. Le torce hanno la funzione di bruciare i gas infiammabili e tossici che vengono scaricati in caso di emergenza per proteggere la sicurezza dell'impianto e delle persone che si trovano nelle vicinanze. Un componente essenziale del sistema di torce è il pilota, perché un pilota acceso garantisce la corretta accensione dei dispositivi di scarico di emergenza delle torce. Senza un pilota affidabile, i rilasci potrebbero potenzialmente sfogarsi nell'atmosfera, con conseguenze per l'ambiente, la sicurezza del personale e l'esplosione. Determinare lo stato del pilota della torcia è di fondamentale importanza e in molti impianti di tutto il mondo è anche un obbligo di legge.

Carenze della tecnologia di rilevamento pilota esistente

Prima dell'avvento dell'affidabile rilevamento a fibre ottiche, l'industria petrolifera e del gas si affidava alle termocoppie per determinare lo stato della combustione. Questo approccio si è rivelato in genere affidabile per le attività tipiche, ma esistono delle lacune evidenti quando le termocoppie vengono utilizzate per rilevare le fiamme pilota. Gli utenti finali delle apparecchiature di combustione hanno identificato diverse sfide relative alle tecnologie tradizionali di rilevamento delle fiamme pilota. A causa di questi inconvenienti, sono emersi i criteri per una nuova soluzione di pilotaggio della torcia. In questo articolo si discuterà di questi criteri in modo più dettagliato.

Discriminazione accurata tra le fiamme dei singoli piloti

I fornitori di torce più sofisticati posizionano la termocoppia in modo che risponda al meglio alla fiamma pilota della torcia, separata dalla fiamma generale della torcia. In questo modo, nella maggior parte delle operazioni, viene trasmesso al sistema di controllo uno stato di pilotaggio esclusivo. Tuttavia, poiché le termocoppie rilevano il calore, anche i sistemi più competenti sono soggetti a false indicazioni di pilotaggio positive sul lato sottovento della torcia, quando il pilota può diventare saturo di calore a causa dell'impingement della fiamma. Il funzionamento sicuro della torcia è garantito al meglio dall'identificazione discreta dello stato di ogni singolo pilota, ma a volte questo non è possibile con le termocoppie.

Una soluzione robusta o manutenibile che duri tra un intervento e l'altro

Sebbene le termocoppie siano una delle tecnologie più robuste applicate per il rilevamento dei piloti, in ultima analisi sono ancora una tecnologia consumabile. Zeeco protegge e preserva l'integrità di una termocoppia attraverso un pozzetto integrato nell'alloggiamento del pilota, un posizionamento strategico, una schermatura e un isolamento. Tuttavia, molti impianti stanno spingendo i turnaround oltre i cinque anni, quindi anche con queste misure di protezione, le termocoppie dovranno statisticamente essere sostituite all'interno della finestra. La maggior parte delle termocoppie è di tipo fisso e può essere sottoposta a manutenzione solo quando la torcia (e quindi l'impianto servito dalla torcia) è spenta e improduttiva. I sistemi di termocoppie retrattili superano ampiamente la sfida della manutenzione e dell'accessibilità delle termocoppie, ma esistono in una piccola minoranza di tutte le installazioni di torce.

Segnale istantaneo di fiamma/assenza di fiamma per pilota

La richiesta di un rilevamento istantaneo dello stato del pilota è aumentata nel corso degli anni. Un pilota può spegnersi e, anche senza la presenza di una fiamma della torcia, possono essere necessari diversi minuti perché il pozzetto e lo scudo del pilota si raffreddino al di sotto del punto di commutazione della termocoppia, che solo allora segnala all'operatore l'assenza di fiamma pilota. Se la torcia utilizza un gas di spurgo combustibile, la termocoppia pilota sottovento potrebbe non raffreddarsi mai abbastanza da registrare un pilota non funzionante. Anche con la programmazione della pendenza, i punti di commutazione multipli o la trasmissione analogica del segnale di temperatura, la termocoppia pilota non indica immediatamente il vero stato del pilota. Sebbene questo inconveniente sia ampiamente compreso e accettato dal settore in passato, le potenziali conseguenze per la sicurezza e l'ambiente di un segnale ritardato sono oggi una preoccupazione crescente.

Discriminazione accurata tra fiamma pilota e fiamma pilota

Nel tentativo di superare le carenze percepite delle termocoppie, vengono applicate altre tecnologie che però, a loro volta, introducono altri problemi operativi e funzionali. A volte, una torcia ha perso la maggior parte o tutti i segnali di pilotaggio delle termocoppie diversi mesi o anni prima che un'interruzione programmata della manutenzione potesse sostituire l'apparecchiatura danneggiata. Come misura provvisoria per ottenere qualche indicazione sulla presenza del pilota, gli operatori possono installare un monitor a infrarossi (IR), montato a livello. Sebbene il segnale di fiamma sia istantaneo e l'apparecchiatura sia facilmente manutenibile con la torcia in funzione, il segnale spesso non discrimina tra i piloti o tra le fiamme dei piloti e quelle della torcia. Viene fornita un'indicazione generale di fiamma, ma uno o più piloti potrebbero non essere effettivamente funzionanti. L'operatore riceve un falso senso di sicurezza dalla lettura di un falso positivo.

Che dire delle barre a ionizzazione di fiamma?

Le barre di ionizzazione di fiamma possono essere applicate a singoli piloti di torcia, fornendo così un segnale di pilotaggio individuale discreto e istantaneo. Tuttavia, l'ambiente aperto di una torcia è un'applicazione più severa per le barre a fiamma rispetto alla tipica installazione di un riscaldatore e l'esperienza del settore ha generalmente indicato che non ci si può aspettare che le barre a fiamma funzionino in modo affidabile tra le opportunità di spegnimento. Esistono altre tecniche meno comuni, che però non raggiungono l'obiettivo completo di un rilevamento rapido, accurato e altamente duraturo del pilota.

Progettazione di sistemi in fibra ottica

Quasi tutti oggi conoscono la facilità di scattare una foto con uno smartphone. In effetti, la qualità e la nitidezza delle foto amatoriali scattate oggi tramite smartphone possono rivaleggiare con quelle delle apparecchiature professionali portatili di 30 anni fa. La tecnologia delle fibre ottiche - che utilizza impulsi di luce che viaggiano lungo un sottile cavo o fibra con anima in vetro o plastica - viene utilizzata da decenni per trasmettere dati su lunghe distanze.

L'impiego della tecnologia di rilevamento ottico per il rilevamento delle fiamme pilota non è una pratica rara. Tuttavia, questi sistemi oggi "osservano" la fiamma della torcia da lontano e hanno difficoltà a discriminare tra le fiamme pilota e la fiamma della torcia. Per affrontare questa sfida, il sistema di monitoraggio del pilota in fibra ottica Zeeco VerifEYE utilizza una tecnologia a fibre ottiche, montata integralmente nel pilota della torcia, per trasmettere in tempo reale lo stato di accensione di ogni singola fiamma pilota a un monitor a bordo campo. Un sensore ottico nel monitor riconosce lo stato del pilota e ne controlla l'accensione e il funzionamento.

Gran parte dello sforzo di sviluppo per impiegare con successo la tecnologia a fibre ottiche in questo modo si è dovuto concentrare sui 10 piedi superiori critici situati all'interno della zona termicamente influenzata (HAZ) del brillamento. Qualsiasi apparecchiatura posizionata nella ZTA deve resistere alle temperature estreme presenti durante il rilevamento della fiamma per un periodo di tempo significativo. Gli ingegneri hanno risolto questa sfida centrando il gruppo di fibre ottiche nella tubazione di premiscelazione aria-gas (Figura 1). Il flusso continuo di aria e gas durante il funzionamento crea una barriera termica contro le temperature di combustione. A differenza di altre tecnologie, come le termocoppie e le barre di fiamma, le fibre ottiche non sono a contatto con la fiamma, poiché l'estremità ricevente della fibra termina in modo sicuro al di sotto della punta del gas. Anche se il gruppo del sensore è protetto dalla ZTA, fibre e ceramiche speciali assicurano che l'apparecchiatura sia in grado di resistere al calore, così come il pilota stesso.

Figura 1. Percorso della fibra ottica (linea rossa) attraverso il gruppo pilota, che mostra la barriera termica fornita dal flusso di aria e gas verso il pilota. L'estremità di "raccolta" del sensore si trova a una distanza protetta dalla zona di combustione.

Per questo sistema di monitoraggio pilota in fibra ottica sono stati scelti dispositivi di fissaggio e connettori meccanici, tenendo conto della tenuta al gas, del movimento termico e dell'assemblaggio sul campo per garantire durata e facilità d'uso. Il sistema impiega un assemblaggio modulare di segmenti di cavo in fibra resistente per garantire la robustezza, l'economicità e la facilità di installazione del cavo lungo il camino della torcia (Figura 2). L'effetto complessivo di questi aspetti progettuali crea un sistema di monitoraggio pilota che non richiede alcuna manutenzione regolare o anticipata tra le fermate dell'impianto. L'elettronica manutenibile si trova a livello, al di fuori della ZTA, ed è facilmente accessibile mentre la torcia è in servizio.

Figura 2. Pila di razzi, che mostra il montaggio di un gruppo contenente fasci di cavi in fibra ottica integrati.

Lo stretto angolo di visione della fibra si concentra sul retro dell'ugello pilota, dove la fiamma pilota viene stabilizzata. L'intera visuale della fibra è satura di energia IR, che viene raccolta e trasmessa al grado. La quantità totale di segnale IR disponibile per il sensore al grado è di tre ordini di grandezza superiore al volume minimo del punto di commutazione, il che significa che il normale degrado dell'apparecchiatura nel tempo non inibisce la capacità del sistema di determinare lo stato del pilota. Oltre al sensore a fibre ottiche che si concentra sui singoli piloti, il monitor di livello incorpora una tecnologia di sfarfallamento della fiamma per distinguere tra la fiamma pilota e quella della torcia. Poiché la fiamma pilota è premiscelata con l'aria e fuoriesce attraverso piccoli orifizi, presenta un "sfarfallio" a frequenza rapida, percepibile dal rilevatore ottico, che differisce dalla pulsazione più lenta della fiamma di brillamento. Il software all'interno del monitor ottico elimina lo sfarfallio a bassa frequenza e può discriminare tra fiamma pilota e fiamma di brillamento. Non viene emesso alcun segnale pilota falso positivo e gli operatori vengono avvisati di potenziali problemi prima che si manifestino con una fiamma di brillamento spenta.

Figura 3. La verifica del sistema a fibre ottiche della fiamma pilota avviene in 4 secondi. La verifica della fiamma pilota tramite termocoppia avviene in 1 min. 26 sec.

Figura 4. Il sistema a fibre ottiche verifica i guasti multipli del pilota e le riaccensioni riuscite. La termocoppia non raggiunge il punto di commutazione impostato durante i guasti intermittenti. Il sistema registra il guasto finale 0,166 secondi dopo che si è verificato e la termocoppia registra un guasto 23 minuti dopo il guasto finale.

Conclusione

Il progresso tecnologico è ciò che i consumatori si aspettano dall'elettronica ed è ciò che le industrie di processo dovrebbero pretendere dalle apparecchiature di sicurezza. Un segnale di fiamma pilota preciso, duraturo e istantaneo è possibile grazie alla tecnologia di rilevamento pilota di nuova generazione.