Comprendamos la cuantificación de imágenes ópticas de gas

La detección óptica de gas cuantitativa ofrece a los operadores de la industria del gas y del petróleo una herramienta para la optimización de la seguridad de los trabajadores, una mayor protección ambiental y una operación más rentable.

Por Craig R O’Neill, FLIR

Una tecnología relativamente reciente, la detección óptica de gas cuantitativa (qOGI), está demostrando rápidamente ser una alternativa viable a los analizadores de vapores tóxicos y los muestreadores Bacharach Hi Flow® como herramienta para que los operadores de la industria del petróleo y el gas natural cuantifiquen las fugas de gas. Este artículo describe la qOGI, cómo funciona, sus aplicaciones y el equipo necesario para su uso. El artículo también detalla cómo la qOGI se compara con tecnologías alternativas de cuantificación de fugas.

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¿QUÉ ES LA DETECCIÓN ÓPTICA DE GAS CUANTITATIVA?

La visualización óptica de imágenes de gas cuantitativa es la capacidad de utilizar las imágenes ópticas de gas, específicamente, las imágenes ópticas de gas (Optical Gas Imaging, OGI) de hidrocarburo refrigerado, combinada con una solución algorítmica, para cuantificar las fugas de gas invisibles a simple vista.

Estas son fugas que normalmente se pueden visualizar en la cámara de OGI. Históricamente, las cámaras de OGI se han limitado a análisis cualitativos que indican que se está produciendo una fuga, pero que dan poca indicación de su dimensión. Ahora, sin embargo, al combinar una cámara de OGI existente con una solución de qOGI, puede visualizar y cuantificar dichas fugas en unidades de tasas de fugas volumétricas y de masa, así como la concentración sobre la longitud de trayectoria (ppm-m).

QOGI FRENTE A TECNOLOGÍAS ALTERNATIVAS

En términos de capacidad, ni un analizador de vapor tóxico (TVA, comúnmente denominado detector) ni un muestreador Bacharach Hi Flow® (BHFS) pueden cuantificar una variedad de fugas de gases con tasa de fugas de masa y tasa de fugas volumétricas y tampoco la longitud de trayectoria de concentración. Un TVA ofrece análisis de concentración, pero no medición del flujo. Un BHFS es capaz de medir tanto el flujo como la concentración.

Tanto los dispositivos de TVA como los BHFS pueden dar diferentes interpretaciones de la misma fuga, dependiendo de dónde y cuándo se realice el muestreo de la fuga, y también de cómo se coloque el dispositivo. Esta deficiencia es el resultado de la funcionalidad de estos dispositivos: proporcionan una instantánea de fuga puntual, mientras que un sistema de qOGI proporciona una tasa de fuga promedio continua con el tiempo.

Además, los dispositivos TVA y BHFS tienen una capacidad limitada para cuantificar ciertos gases que puedan encontrar los inspectores. Un sistema de qOGI tiene la capacidad de identificar y cuantificar más de 400 compuestos químicos. Además, dado que un sistema de qOGI analiza información de una fuente de cámara de OGI grabada, el usuario tiene evidencia visual para ayudar a confirmar el análisis del sistema. Ninguna otra tecnología ofrece tanta seguridad.

Sin embargo, la seguridad del inspector podría ser la mayor ventaja de la qOGI. Considere la naturaleza de los dispositivos TVA y BHFS aplicados a dispositivos difíciles de monitorear
(DTM): posibles fuentes de fugas ubicadas a una distancia suficiente del medidor que plantean desafíos para su cuantificación.

En el mejor de los casos, pueden montarse andamios, con la esperanza de que su construcción no sea demasiado costosa ni consuma mucho tiempo. Luego, un inspector, con el obstáculo de un arnés de seguridad y el equipo de protección personal adecuado, debe escalar peligrosamente cerca de la columna de escape de gas o, en algunos casos, dentro de esta en un intento de cuantificar la fuga.

En otros casos, la posible fuga puede ser completamente inaccesible para un inspector por motivos de seguridad o falta de espacio operativo.

Incluso cuando se descubre una fuga (o se sospecha de esta) en un lugar más accesible, un sistema de qOGI proporciona una facilidad de uso superior. Un TVA requiere una calibración frecuente utilizando un kit de calibración de campo y funciona solo “en el momento”.

Mientras tanto, el uso y mantenimiento de un BHFS requiere mucho trabajo. Su uso exige que el inspector selle la fuga lo mejor que pueda, utilizando una mezcla de cinta y plástico, para permitir la lectura más precisa posible. Aunque estos dispositivos son capaces de ofrecer una alta precisión, deben calibrarse semanalmente y su verificación es diaria.

También se debe tener en cuenta cómo las condiciones ambientales afectan estos dispositivos. Si bien la lectura de un TVA puede verse afectada por la humedad, la temperatura y los contaminantes, el viento puede tener el efecto más dramático, dado que la tecnología podría pasar por alto una fuga (Fig. 1); las limitaciones ambientales de un BHFS dependen de su sensor particular; las lecturas de un sistema de qOGI pueden verse afectadas por la temperatura (esto se analiza a continuación) y la velocidad del viento, lo cual se tiene en cuenta en los parámetros de entrada de la tableta.

Figura 1: Efecto perjudicial del viento en las mediciones del analizador de vapores tóxicos (TVA)

¿CÓMO FUNCIONA LA QOGI?

La capacidad de cuantificar el tamaño de la fuga sin estar cerca de la columna de gas es el mayor diferenciador entre qOGI y las tecnologías de la competencia, así como la mayor ventaja de la qOGI. Cuando se utilizan cámaras de OGI a distancia, tres factores permiten que la cámara visualice el gas (Fig. 2).

Figura 2: Factores que afectan a la imagen de gas en una cámara de OGI

Absorción IR — α(λ) — En primer lugar, el gas que se va a detectar debe tener un pico de absorción IR que se superponga con la ventana espectral de la cámara de OGI. Los factores de respuesta (RF) se han desarrollado para casi 400 compuestos; estos RF, indicativos de las longitudes de onda con las que diferentes gases absorben energía, permiten al usuario evaluar si un compuesto químico puede ser capturado por una cámara IR específica. También se pueden utilizar para ajustar los resultados de un método de qOGI, lo que permite aplicar una única calibración con un solo gas a la medición de varios gases.
El RF también especificará la sensibilidad de un compuesto específico en comparación con el químico de referencia. Por ejemplo, el RF para propano es 1. Si un valor de RF para otro compuesto es 0.3, significa que el compuesto tiene el 30 % de la sensibilidad del propano. Si un producto químico tiene un RF inferior a 0.1, es probable que el producto químico no sea visible por las cámaras de OGI en las mismas condiciones que el producto químico de referencia.

Temperatura delta — ΔT — Debe existir suficiente diferencial de temperatura entre la columna de gas y el fondo. Una ΔT más alta dará lugar a una columna más visible en la pantalla de la cámara de OGI. Para la qOGI, una ΔT alta significa una mayor relación señal/ruido, lo que crea mejores datos de medición.

Los usuarios de qOGI deberán ver la fuga en varios ángulos para garantizar la mayor ΔT posible. Como mínimo, se busca una diferencia de temperatura de 2° C entre el aire ambiente cerca de la fuga de gas y la temperatura aparente en el fondo de la imagen. ΔPor lo general, la T debe considerarse el factor más importante para obtener una lectura precisa.

Imagen de una fuga de gas que muestra los efectos de Delta T a medida que el gas pasa de un fondo caliente (la pared) a un fondo que tiene temperatura ambiente (la cerca)

Presencia de gas — ɠ — Puede haber gas presente en la imagen que sea superior al límite mínimo de detección del sistema.

Dado que debe haber suficiente gas presente en una escena para la imagen, la función de qOGI es estandarizar el efecto de los otros dos factores — α(λ) y ΔT — para permitir la cuantificación del gas presente. Esta medición será coherente en diferentes condiciones de medición (p. ej., la misma lectura arrojará el mismo resultado incluso cuando la ΔT sea diferente debido a diferentes condiciones de medición).

La QOGI puede arrojar dos tipos de resultados:

1. longitud de trayectoria de concentración, expresada como ppm-m a nivel de píxel, y
2. tasa de fuga volumétrica o de masa (p. ej., gramos/h o litros/min).

Figura 3: Ejemplos de propano con longitudes de trayectoria de concentración variables

La tasa de fuga volumétrica o de masa requiere un proceso algorítmico adicional para agregar las mediciones a nivel de píxeles en el efecto de la fuga en su conjunto. El algoritmo también tiene en cuenta la distancia y el estado del viento que afectan la medición de la tasa de fuga volumétrica o de masa.

Una solución de qOGI ofrece dos modos de funcionamiento: uso en tiempo real y funcionamiento en modo Q.

En el campo (uso en tiempo real), solo tiene que enchufar una tableta reforzada, que contenga el software que cuantifica el gas del que se generan las imágenes, directamente en su cámara FLIR OGI (GF320, GFx320 o GF620) y comenzará de inmediato a cuantificar la vista en vivo de la fuga.

Cámara óptica de imágenes de gas FLIR GFx320

En el modo Q, puede almacenar el video en la cámara para su uso posterior. A continuación, puede descargar los archivos en la tableta, lo que le permite cuantificar las fugas después de ocurridas.

La propia tableta incluye tecnología estándar, diseñada y fabricada a fin de que esté lista para usarse con cámaras FLIR OGI (un cable USB conecta los dispositivos durante el uso en campo y la tarjeta SD de la cámara se puede retirar para la operación en modo Q) y no requiere calibración regular. Por lo tanto, es fácil implementar la qOGI para los usuarios de cámaras de OGI existentes.

Además, la tableta no está sujeta al mismo deterioro de componentes que experimentan los sistemas de TVA y BHFS expuestos regularmente a gases tóxicos. Aunque los componentes de repuesto para los TVA pueden estar disponibles, los dispositivos de BHFS no se han fabricado desde 2016.

Por último, tenga en cuenta que, como la qOGI permite a los usuarios visualizar fugas como parte del proceso de cuantificación, el movimiento puede ser perjudicial para su rendimiento (como con cualquier cámara). Por lo tanto, los usuarios deben estabilizar la cámara mediante trípode.

CONCLUSIONES

Dado que la qOGI es una tecnología reciente, no existe ninguna regulación de EE. UU. que exija su uso, pero sus méritos como herramienta para fines internos son claros. De hecho,
un líder en la industria del petróleo y del gas ha probado la tecnología, explorando su viabilidad para cuantificar todo, desde solicitudes de recopilación de información (Information Collection Request, ICR) aguas arriba y emisiones de tanques hasta componentes de detección y reparación de fugas (Leak Detection and Repair, LDAR) de DTM (aguas abajo) y monitoreo de mantenimiento/fiabilidad.
Además de sus evidentes beneficios de seguridad sobre los métodos alternativos de cuantificación de gas, la qOGI ha pasado por rigurosas pruebas de terceros de CONCAWE3 y ha demostrado ser más fácil, rápida y precisa que tecnologías como el TVA. La QOGI también es rentable como complemento de las cámaras de OGI existentes y posiciona a los operadores de petróleo y gas para que estén a la vanguardia de la conciencia ambiental en las comunidades donde operan.

SOBRE EL AUTOR

Craig R O’Neill ha trabajado para FLIR durante más de 17 años y ha participado de manera activa en el mercado de OGI desde la introducción de las cámaras de detección óptica de gas comerciales en junio de 2005. En la actualidad, tiene la responsabilidad global de la línea de negocio de imágenes ópticas de gas y la estrategia de las soluciones de FLIR en la industria del petróleo y del gas. En esta función, es el vínculo entre clientes, partes interesadas del sector, socios estratégicos y muchos aspectos integrados verticalmente de la División de Instrumentos de FLIR, incluidas las ventas, mercadotecnia, ingeniería y gestión de productos. Su objetivo es garantizar la alineación de FLIR para ofrecer soluciones de detección que satisfagan las necesidades de la industria del petróleo y del gas.

ACERCA DE FLIR SYSTEMS INC.

Fundada en 1978 y con sede en Wilsonville, Oregón, FLIR Systems es un fabricante líder mundial de sistemas de sensores que mejoran la percepción y brindan mayor información, ayudando a salvar vidas, mejoran la productividad y protegen el ambiente. Gracias a sus casi 3500 empleados, la visión de FLIR es ser “el sexto sentido del mundo” aprovechando la termografía y las tecnologías adyacentes para proporcionar soluciones innovadoras e inteligentes para la seguridad y la vigilancia, el monitoreo del entorno y de las condiciones, la recreación al aire libre, la visión artificial, la navegación y la detección avanzada de amenazas. Para obtener más información, visite www.flir.com o síganos en @flir.

Recursos

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

Para obtener más información sobre las imágenes ópticas de gas, visite www.FLIR.com/ogi