Kamery termowizyjne do optycznego wykrywania

Kamery termowizyjne do optycznego wykrywania

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
dostępna jest metoda detekcji zapachu (sniffing) określona w normie EN 15446
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
30oC) 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.
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 350oC 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.
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 500oC. 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.
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 (8.0–8.6 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 www.flir.eu.
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” 3.8 – 4.05 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 1500oC.
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.