Clayton A. Francis, Zeeco Inc., EE.UU., analiza los requisitos de los sistemas modernos de detección de pilotos de antorcha.
Dentro de una planta, ya sea de producción, transporte o procesamiento de hidrocarburos, una antorcha es un dispositivo de alivio de seguridad necesario. Las antorchas funcionan para quemar los gases inflamables y tóxicos que se liberan en caso de emergencia para proteger la seguridad de la planta y de las personas cercanas. Un componente imperativo del sistema de antorchas es el piloto, ya que un piloto encendido garantiza el correcto encendido de las descargas de emergencia de las antorchas. Sin un piloto fiable, los escapes podrían salir a la atmósfera, con consecuencias medioambientales, de seguridad del personal y explosivas. Determinar el estado del piloto de la antorcha es de vital importancia, y en muchas instalaciones de todo el mundo es también un mandato legal.
Deficiencias de la tecnología de detección de pilotos existente
Antes de la llegada de la detección fiable por fibra óptica, la industria del petróleo y el gas confiaba en los termopares para determinar el estado de la combustión. En general, éste ha sido un enfoque fiable para la tarea típica, pero existen claras deficiencias cuando los termopares se utilizan para detectar las llamas piloto. Los usuarios finales de los equipos de combustión han identificado varios problemas relacionados con las tecnologías tradicionales de detección de llamas piloto. Debido a estos inconvenientes, los criterios para una nueva solución de piloto de antorcha han salido a la superficie. En este artículo se analizarán estos criterios con más detalle.
Discriminación precisa entre las llamas individuales de los pilotos
Los sofisticados proveedores de antorchas colocan el termopar de manera que responda mejor a la llama piloto de la antorcha, separada de la llama general. De este modo, en la mayoría de las operaciones se transmite al sistema de control un estado de piloto exclusivo. Sin embargo, dado que los termopares detectan el calor, incluso los sistemas más competentes están sujetos a indicaciones falsas de piloto positivo en el lado del viento de la antorcha cuando el piloto puede saturarse de calor por el impacto de la llama. El funcionamiento seguro de la antorcha se garantiza mejor mediante la identificación discreta del estado de cada piloto individual, pero, a veces, eso simplemente no está disponible con los termopares.
Una solución robusta o mantenible que dure entre las revisiones
Aunque los termopares son una de las tecnologías más robustas aplicadas a la detección de pilotos, en última instancia siguen siendo una tecnología consumible. Zeeco protege y preserva la integridad de un termopar mediante un termopozo integrado en la carcasa del piloto, una colocación estratégica, blindaje y aislamiento. Sin embargo, muchas plantas están ampliando la vida útil a más de cinco años, por lo que, incluso con estas medidas de protección, los termopares deberán sustituirse estadísticamente dentro de un plazo. La mayoría de los termopares son de tipo fijo y sólo pueden repararse cuando la antorcha (y, por tanto, la planta a la que da servicio) está parada e improductiva. Los sistemas de termopares retráctiles superan en gran medida el reto del mantenimiento y la accesibilidad de los termopares, pero sólo existen en una pequeña minoría de las instalaciones de antorchas.
Señal instantánea de llama/no llama por piloto
A lo largo de los años ha ido aumentando la demanda de detección instantánea del estado del piloto. Un piloto puede apagarse e, incluso sin la presencia de una llama de antorcha, pueden pasar varios minutos hasta que el termopozo y el escudo del piloto se enfríen por debajo del punto de conmutación del termopar, que sólo entonces indica al operador que "no hay llama de piloto". Si la antorcha utiliza un gas de purga combustible, el termopar del piloto a favor del viento podría no enfriarse nunca lo suficiente como para registrar un piloto que no funciona. Incluso con la programación de la pendiente, los múltiples puntos de conmutación o la transmisión analógica de la señal de temperatura, el termopar del piloto no indica inmediatamente el verdadero estado del piloto. Aunque este inconveniente se entiende en gran medida y se ha aceptado en la industria en el pasado, las posibles consecuencias para la seguridad y el medio ambiente de una señal retrasada son ahora una preocupación creciente.
Discriminación precisa entre la llama piloto y la llama de emergencia
Se aplican otras tecnologías en un esfuerzo por superar las deficiencias percibidas de los termopares, pero éstas, a su vez, introducen otros problemas operativos y funcionales. En ocasiones, una antorcha ha perdido la mayor parte o la totalidad de sus señales piloto de termopar varios meses o años antes de que una interrupción de mantenimiento planificada pudiera sustituir el equipo dañado. Como medida provisional para obtener alguna indicación de la presencia del piloto, los operadores pueden instalar un monitor de infrarrojos (IR), montado a nivel. Aunque la señal de la llama es instantánea y el equipo se mantiene fácilmente con la antorcha en línea, la señal a menudo no discrimina entre los pilotos o entre las llamas del piloto y la antorcha. Se da una indicación general de la llama, pero uno o más de los pilotos pueden no estar funcionando realmente. El operador recibe una falsa sensación de seguridad por la lectura falsamente positiva.
¿Qué pasa con las barras de ionización de llama?
Las varillas de ionización de llama pueden aplicarse a los pilotos individuales de las antorchas, y al hacerlo, se da una señal discreta e instantánea del piloto individual. Sin embargo, el entorno abierto de una antorcha es una aplicación más severa para las barras de ionización de llama que la instalación típica de un calentador, y la experiencia de la industria ha indicado generalmente que no se puede esperar que las barras de ionización de llama funcionen de forma fiable entre las oportunidades de apagado. Existen otras técnicas menos comunes, pero pueden no alcanzar el objetivo completo de una detección de pilotos rápida, precisa y altamente duradera.
Diseño de sistemas de fibra óptica
Hoy en día, casi todo el mundo está familiarizado con la facilidad de hacer fotos con un smartphone. De hecho, la calidad y la nitidez de las fotos de aficionados tomadas hoy en día a través de un smartphone pueden rivalizar con las de los equipos profesionales portátiles de hace 30 años. La tecnología de fibra óptica -que utiliza pulsos de luz que viajan por un fino cable o fibra de vidrio o plástico- se utiliza desde hace décadas para transmitir datos a larga distancia.
El empleo de tecnología de detección óptica en la detección de llamas piloto no es una práctica infrecuente. Sin embargo, estos sistemas suelen "observar" la llama de la antorcha a distancia y tienen problemas para distinguir entre las llamas del piloto y las de la antorcha. Para hacer frente a este reto, el sistema de monitorización de pilotos de fibra óptica Zeeco VerifEYE utiliza tecnología de fibra óptica, montada integralmente en el piloto de la antorcha, para transmitir el estado de encendido de cada llama piloto única a un monitor en tiempo real. Un sensor óptico en el monitor discierne el estado del piloto y controla su encendido y funcionamiento.
Gran parte del esfuerzo de desarrollo para emplear con éxito la tecnología de fibra óptica de esta manera tuvo que centrarse en los críticos 3 metros superiores situados dentro de la zona afectada por el calor de la antorcha (HAZ). Cualquier equipo situado en la zona afectada por el calor debe soportar las temperaturas extremas que se dan mientras detecta la llama durante una vida útil significativa. Los ingenieros han resuelto este reto centrando el conjunto de fibra óptica en la tubería de premezcla de aire y gas (Figura 1). El flujo continuo de aire y gas durante el funcionamiento crea una barrera térmica contra las temperaturas de combustión. A diferencia de otras tecnologías, como los termopares y las varillas de llama, la fibra óptica no está en contacto con la llama, ya que el extremo receptor de la fibra termina de forma segura a poca distancia de la punta de gas. Aunque el conjunto de sensores está protegido de la zona de peligro, las fibras y cerámicas especializadas garantizan que el equipo pueda soportar el calor, así como el propio piloto.
Figura 1. Trayectoria de la fibra óptica (línea roja) a través del conjunto del piloto, mostrando la barrera térmica proporcionada por el flujo de aire y gas al piloto. Esto muestra el extremo de "recogida" del sensor a una distancia protegida de la zona de combustión.
Para este sistema de monitorización piloto de fibra óptica se seleccionaron sujetadores y conectores mecánicos, teniendo en cuenta el sellado de gases, el movimiento térmico y el montaje sobre el terreno para garantizar la durabilidad y la facilidad de uso. El sistema emplea un conjunto modular de segmentos de cable de fibra duraderos para conseguir robustez, asequibilidad y facilidad de instalación para ajustar el cable a la pila de antorchas (Figura 2). El efecto agregado de estos aspectos de diseño crea un sistema de monitorización piloto que no requiere un mantenimiento regular o anticipado entre las paradas de la planta. Los componentes electrónicos que se pueden mantener están a nivel, fuera de la zona peligrosa, y se puede acceder a ellos fácilmente mientras la antorcha está en servicio.
Figura 2. Pila de antorchas, mostrando el montaje del conjunto que contiene haces de cables de fibra óptica integrados.
El estrecho ángulo de visión de la fibra se centra en la parte posterior de la boquilla piloto, donde se estabiliza la llama piloto. Toda la vista de la fibra está saturada de energía IR, que se recoge y se transmite al grado. La cantidad total de señal IR disponible para el sensor en el grado es tres órdenes de magnitud mayor que el volumen mínimo del punto de conmutación, lo que significa que la degradación normal del equipo con el tiempo no inhibirá la capacidad del sistema para determinar el estado del piloto. Además de que el sensor de fibra óptica se centra en los pilotos individuales, el monitor en grado incorpora la tecnología de parpadeo de la llama para discernir entre la llama del piloto y la de la antorcha. Dado que la llama del piloto está premezclada con aire y sale a través de pequeños orificios, tiene un "parpadeo" de frecuencia rápida discernible por el detector óptico, que difiere de la pulsación más lenta de la llama de la antorcha. El software del monitor óptico elimina entonces el parpadeo de baja frecuencia y puede discriminar entre las llamas piloto y las de antorcha. No se emite ninguna señal de piloto falsa y los operadores son alertados de los posibles problemas antes de que puedan manifestarse como una llama de antorcha apagada.
Figura 3. La verificación del sistema de fibra óptica de la llama piloto se realiza en 4 segundos. La verificación de la llama piloto mediante termopar se realiza en 1 minuto y 26 segundos.
Figura 4. El sistema de fibra óptica verifica múltiples fallos del piloto y reencendido con éxito. El termopar no alcanza el punto de conmutación establecido durante los fallos intermitentes. El sistema registra el fallo final 0,166 seg. después de producirse y el termopar registra un fallo 23 min. después de producirse el fallo final.
Conclusión
El avance de la tecnología es lo que los consumidores esperan de la electrónica, y es lo que las industrias de procesos deberían exigir de los equipos de seguridad. Una señal de llama piloto de antorcha precisa, duradera e instantánea es posible gracias a la nueva generación de tecnología de detección de pilotos.
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