Kamery termowizyjne do optycznego wykrywania wycieków gazów, zgodnie z zaleceniami BAT do dyrektywy 2010/75/UE (BAT) LDAR

Transkrypt

1 Kamery termowizyjne do optycznego wykrywania wycieków gazów, zgodnie z zaleceniami BAT do dyrektywy 2010/75/UE Autorzy: mgr inż. Mieczysław Wilczyński, Zakłady Azotowe Puławy mgr inż. Dariusz Knapek, EC Test Systems sp. z o.o. Decyzja wykonawcza Komisji Europejskiej z dnia 9 października 2014 r. ustanawiająca konkluzje dotyczące najlepszych dostępnych technik (BAT) w odniesieniu do rafinacji ropy naftowej i gazu zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE w sprawie emisji przemysłowych, zaleciła do powszechnego stosowania małe lekkie kamery do obrazowania gazów. Zgodnie z art. 21 ust. 3 dyrektywy 2010/75/UE w terminie czterech lat od publikacji decyzji w sprawie konkluzji dotyczących BAT(najlepsze dostępne techniki) właściwy organ ma ponownie rozpatrzeć i, w razie potrzeby, zaktualizować wszystkie warunki pozwolenia oraz zapewnić zgodność instalacji z tymi warunkami pozwolenia. Oznacza to, że wszystkie zakłady rafinacji ropy naftowej i gazu do 9 września 2018, będą musiały stosować małe lekkie kamery do optycznego obrazowania gazów jako narzędzie diagnostyczne. Artykuł 16 ust. 1 dyrektywy 2010/75/UE stanowi, że określone w pozwoleniu wymogi dotyczące monitorowania, o których mowa w art. 14 ust. 1 lit. c) przedmiotowej dyrektywy, opierają się na wnioskach dotyczących monitorowania opisanych w konkluzjach dotyczących BAT. Niezorganizowane emisje LZO, które nie są odprowadzane za pośrednictwem niektórych punktów emisji takich jak kominy, mogą pochodzić ze źródeł obszarowych (np. zbiorników) lub źródeł punktowych (np. kołnierze rur). Konkluzje dotyczące najlepszych dostępnych technik w sprawie ograniczania emisji przemysłowych zawierają wiele sugestii dotyczących poprawy procesów produkcyjnych. Wśród kolejnych zaleceń można wyróżnić kilka dotyczących szczególnie zastosowania małych lekkich kamer do optycznego wykrywania gazów. BAT 6. W ramach BAT należy monitorować rozproszone emisje LZO do powietrza na terenie całego zakładu z zastosowaniem wszystkich poniższych technik: (i) metoda detekcji zapachu powiązana z krzywymi korelacji w odniesieniu do kluczowego wyposażenia; (ii) techniki optycznego obrazowania gazów; (iii) obliczenia przewlekłych emisji na podstawie czynników emisji weryfikowane pomiarami okresowo (np. raz na dwa lata). BAT 56. Aby ograniczyć emisje do powietrza pochodzące z pochodni w przypadkach, w których spalanie w pochodniach jest nieuniknione, w ramach BAT należy stosować między innymi: monitorowanie i sprawozdawczość, w których systemy optycznego obrazowania gazów stanowią dobre rozwiązanie. Konkluzje BAT do dyrektywy 2010/75/UE zawierają także opis technik służących zapobieganiu emisjom do powietrza i ich kontroli. Do detekcji lotnych związków organicznych (LZO) pojawiających się zarówno przy rafinacji jak i w przemyśle chemicznym, zalecane jest stosowanie programu LDAR (wykrywanie i naprawa wycieków), który jest ustrukturyzowanym podejściem mającym na celu ograniczenie niezorganizowanych emisji LZO poprzez wykrywanie, a następnie naprawę lub wymianę nieszczelnych komponentów. Obecnie do celów wykrywania wycieków

2 dostępna jest metoda detekcji zapachu (sniffing) określona w normie EN oraz metoda optycznego obrazowania gazów (optical gas imaging). W przypadku obrazowania optycznego gazów wykorzystuje się małe ręczne kamery o lekkiej konstrukcji umożliwiające wizualizację przecieków gazu w czasie rzeczywistym, które wraz z normalnym obrazem danego komponentu są widoczne na urządzeniu do zapisu wideo w postaci dymu, pozwalając na łatwą i szybką lokalizację nawet najmniejszych wycieków LZO. Kamery do obrazowania wycieków gazu obecne są na rynku od 2005 roku. Pierwsze modele bazowały na konstrukcji kamery wykorzystywanej w siłach zbrojnych Stanów Zjednoczonych. Model FLIR GasfindIR dedykowany do detekcji wycieków gazów organicznych obsługiwany był lewą ręką i nie posiadał możliwości archiwizacji wyników pracy. Rysunek 1. Pierwszy model kamery obrazującej gazy organiczne FLIR GasfindIR. Ustawiczny rozwój w zakresie obrazowania gazów zaowocował stworzeniem nowej serii kamer FLIR GF. Od 2010 roku dostępne są nowoczesne kamery o znacznie lepszych parametrach. FLIR GF to nowa seria kamer termograficznych, które dzięki optymalizacji toru optycznego pozwalają na wykrywanie wielu gazów stosowanych w przemyśle rafineryjnym, chemicznym a także w energetyce. Zasada działania kamery obrazującej gazy. Podstawą wykrywania gazów jest użycie fotonowego detektora podczerwieni o bardzo wysokiej czułości termicznej. Obecnie najlepszym dostępnym detektorem fotonowym jest InSb (antymonek indu). Posiada on znakomitą czułość termiczną, poniżej 15mK (przy 30 o C) oraz bardzo wysoką stabilność korekcji jednorodności. Cechy te sprawiają, że obraz uzyskany z tego detektora jest wyraźny, stabilny, wręcz bez szumów. Kolejnym kluczowym elementem jest filtr spektralny, który zawęża zakres fal podczerwieni odpowiednio dla wybranej grupy gazów. Kamery obrazujące gazy FLIR GF xxx posiadają tak zwany zimny filtr. Oznacza to, że specjalny filtr optyczny zamknięty jest wewnątrz komory Dewara i stabilizowany termicznie razem z detektorem kamery. Detekcja gazów polega na optymalizacji szerokości pasma przepuszczalnego przez filtr do charakterystyki spektralnej gazu w podczerwieni.

3 Rysunek 2. Zasada działania kamery FLIR GF320. Złożenie własności fizycznych gazu oraz toru optycznego kamery pozwala wybrać optymalny sygnał do obrazowania gazów. Odpowiedni filtr spektralny sprawia, że na ekranie lub okularze kamery widoczny jest obraz poruszającej się smugi dymu. Ta smuga, ciemniejsza lub jaśniejsza to właśnie sygnał pochodzący od gazu. Gaz pojawiający się w atmosferze pomiędzy kamerą a komponentem instalacji, pochłania (lub emituje) pewną część promieniowania w podczerwieni. Odpowiednio dobrany filtr pasmowy pozwala na uchwycenie dokładnie takich długości fal, które pochłaniane są maksymalnie przez poszukiwany gaz. Dla uwypuklenia sygnału pochodzącego od wykrywalnego gazu znajdującego się w atmosferze kamery FLIR GF xxx zostały wyposażone w HSM - specjalny regulowany filtr cyfrowy, który wzmacnia wizualizację ruchu gazu. Elementy nieruchome (takie jak części instalacji) są wygładzane, a ruch gazu jest wzmacniany, dzięki czemu zauważenie nawet najmniejszych wycieków przychodzi bez trudu. Najpopularniejsza obecnie kamera obrazująca gazy organiczne (LZO) FLIR GF320 pracuje w zakresie średniej podczerwieni InSb (3,2 3,4 µm). Kamera posiada dodatkowo kalibrację do pomiaru temperatury w zakresie -20 do 350 o C z dokładnością ±1 C. Czułość termiczna kamer FLIR GF to standardowo 15mK. Tor optyczny kamery pozwala na obrazowanie 19 gazów organicznych: Benzene, Ethanol, Ethylbenzene, Heptane, Hexane, Isoprene, Methanol, MEK, MIBK, Octane, Pentane, 1-Pentene,Toluene, Xylene, Butane, Ethane, Methane, Propane, Ethylene, Propylene. W niezależnym laboratorium przeprowadzono testy wykrywalności wycieków różnych gazów. FLIR GF320 jest wstanie wykryć wyciek 0,8 grama na godzinę metanu lub 2,9 grama na godzinę propylenu. Dzięki tak dużej czułości, kamerą tą możemy pracować na rozległych instalacjach, zawsze mając pewność, że jeżeli istnieje nieszczelność instalacji emitującej LZO termografista wyposażony w GF320 znajdzie ją.

4 Rysunek 3. FLIR GF320 do wykrywania LZO - lotnych związków organicznych. Nowoczesna konstrukcja kamer serii FLIR GFxxx posiada kompaktową i ergonomiczną konstrukcję. Obrotowy uchwyt zapewnia pełną kontrolę nad kamerą jedną ręką. Regulowany kąt wyświetlacza i okularu daje swobodny dostęp do podglądu obrazu zarówno na ziemi jak i wysoko na estakadzie. System zasilania pozwala na 2 godziny ciągłej pracy na jednym akumulatorze. Wyniki pracy można zapisać na karcie pamięci SD, standardowo FLIR GF posiada aż dwa gniazda SD. Ponadto kamera posiada możliwość bezprzewodowego przesyłania obrazu do urządzeń mobilnych poprzez WiFi oraz radiometryczny przesył danych do komputera PC poprzez interfejs USB. Wbudowany odbiornik GPS oraz kolorowa kamera cyfrowa 3.2MPiksela ułatwiają dokumentację wykonanych kontroli. W razie potrzeby obrazy można uzupełnić o notatki głosowe lub tekstowe. Kolejny model to FLIR GF346 (4,52 4,67 µm) to jedyna kamera przemysłowa do wykrywania tlenku węgla (CO). Inne gazy, które również wykrywa to: Nitrous Oxide, Ketene, Ethenone, Butyl Isocyanide, Hexyl Isocyanide, Cyanogen Bromide, Acetonitrile, Acetyl Cyanide, Chlorine Isocyanate, Bromine Isocyanate, Methyl Thiocyanate, Ethyl Thiocyanate, Chlorodimethylsilane, Dichloromethylsilane, Silane, Germane, Arsine. GF346 posiada także kalibrację temperaturową 20 C to +300 C. Emisja dwutlenku węgla (CO2) to coraz poważniejszy problem wielu zakładów produkcyjnych. Dzięki kamerze FLIR GF343 (4,2 4,4 µm) istnieje możliwość śledzenia tego wszechobecnego gazu. Obecnie dąży się do zastąpienia niektórych gazów chłodniczych (R143a) dwutlenkiem węgla (R744). Może on być także stosowany jako gaz śledzący w instalacjach wodorowych celem wykrycia nieszczelności. Na potrzeby monitorowania aparatów w izolacji gazu SF6 oraz wycieków amoniaku stworzona została kamera FLIR GF306. Kamera ta pracuje w zakresie 10,3 10,7 µm zastosowano w niej detektor długofalowy QWIP. Kalibracja temperaturowa pozwala na pomiar od -20 do 500 o C. Poza wyżej wymienionymi gazami GF306 jest wstanie obrazować jeszcze ponad 20 niebezpiecznych gazów pojawiających się w przemyśle chemicznym: Acetyl Chloride, Acetic Acid, Allyl Bromide, Allyl Chloride, Allyl Fluoride, Ammonia (NH3), Bromomethane, Chlorine Dioxide, Ethyl Cyanoacrylate, Ethylene, Furan, Hydrazine, Methylsilane, Methyl Ethyl Ketone, Methyl Vinyl Ketone, Propenal, Propene, R 134a, Tetrahydrofuran, Trichloroethylene, Uranyl Fluoride, Vinyl Chloride, Vinyl Cyanide, Vinyl Ether. Obecnie coraz częściej koszty klimatyzacji i chłodnictwa są znaczącymi częściami budżetu przedsiębiorstwa. Emisja szkodliwych substancji freono-pochodnych HFC powoduje degradację strefy ozonowej chroniącej Ziemię i wzrost efektu cieplarnianego.

5 W myśl dyrektywy 842/2006 zaleca się kontrole szczelności instalacji chłodniczych do 6 lub 12 miesięcy zależnie od jej wielkości. Artykuł 10 rozporządzenia (WE) nr 1516/2007 nakłada na operatorów urządzeń chłodniczych, klimatyzacyjnych i pomp ciepła, w tym ich obiegów oraz systemów ochrony przeciwpożarowej, obowiązek kontroli szczelności nowo zainstalowanych urządzeń natychmiast po ich oddaniu do eksploatacji. Kontrole szczelności obowiązkowe są zarówno do działających jak i tymczasowo wyłączonych z eksploatacji stacjonarnych urządzeń chłodniczych i klimatyzacyjnych oraz pomp ciepła zawierających przynajmniej 3 kg F-gazów. Dla optycznego wykrywania fluorowanych gazów cieplarnianych stworzona została kamera FLIR GF304 ( µm). Specjalnie dobrany filtr optyczny i oprogramowanie kamery pozwalają na wykrywanie obecnie stosowanych czynników chłodniczych: R404A, R407C, R410A, R417A, R422A, R507A, R143A, R125, R134A, R245fa. Rysunek 4. Inspekcja reaktora w rafinerii kamerą FLIR GF309. Źródło Na wielu etapach produkcji petrochemicznych zachodzi potrzeba podgrzania substancji ropopochodnych pod wysokim ciśnieniem w celu uzyskania odpowiednich reakcji chemicznych. Wymienniki ciepła ogrzewane są palnikami zasilanymi gazem ziemnym. Powstałe płomienie wypełniają komorę reformera, aby w tych warunkach odpowiednio przeprowadzić kontrolę stanu rur, stanowiących wymiennik ciepła, potrzebna jest specjalna kamera, która będzie w stanie zwizualizować rozkład temperatury na powierzchni rur. Informacje uzyskane w ten sposób stanowią nieocenioną pomoc dla inżyniera produkcji. Zbyt wysoka temperatura rur może prowadzić do ich przetopienia i wybuchu pieca. Kamera, która może widzieć przez płomienie to FLIR GF309. Posiada ona filtr przez płomienie μm. W celu ochrony operatora przed wysoką temperaturą kamera wyposażona jest w osłonę z oknem termowizyjnym. Ponieważ ściana paleniska jest bardzo gruba, kamerę można wyposażyć w specjalny obiektyw który pozwala na dokładniejszą inspekcję wnętrza pieca. FLIR GF309 poosiada kalibrację -20 do 1500 o C. Nowoczesne lekkie kamery FLIR GF xxx do optycznego wykrywania gazów, dostrojone do zakresu spektralnego lotnych związków organicznych lub innych niebezpiecznych gazów spotykanych w przemyśle, przynoszą wiele korzyści dla przedsiębiorstwa. Dzięki nim praca staje się bezpieczniejsza, wzrastają oszczędności surowców i można lepiej kontrolować proces hydrokrakingu. Obecne regulacje BAT do dyrektywy 2010/75/UE wymagają dostosowania procedur kontroli emisji LZO. Kamera FLIR GF320 jest rozwiązaniem spełniającym wymagania najlepszych dostępnych technik monitorowania i raportowania emisji gazów węglowodorowych w warunkach przemysłowych.