Herramientas de detección óptica de gas para el sector del petróleo y el gas

Visualizar los gases de hidrocarburos ayuda a evitar que se escapen a la atmósfera

Por Craig O’Neill, director de desarrollo comercial estratégico, FLIR

Las cámaras termográficas de infrarrojos (IR) se utilizan desde hace décadas para gran variedad de aplicaciones del petróleo y el gas, lo que incluye inspecciones eléctricas o mecánicas, inspecciones de niveles de depósito e incluso exámenes de la integridad de tuberías dentro del equipamiento de procesos. Los últimos años, se ha desarrollado una nueva tecnología de detección óptica de gas (OGI) que puede «ver» gases de hidrocarburos y compuestos orgánicos volátiles (COV) que se escapan o se fugan a la atmósfera. La OGI puede utilizarse para cumplir con los requisitos normativos de reducción de emisiones, mientras que ayuda a reducir la pérdida de producto, que a su vez ofrece una rentabilidad positiva de la inversión. Las cámaras OGI ahorran muchísimo tiempo en comparación con otras tecnologías de inspección y ofrecen también ventajas para los operadores. Las principales empresas de energía utilizan cámaras OGI como la FLIR GF320 para comprobar rápidamente miles de componentes e identificar posibles fugas de gas en tiempo real.

Tecnologías para reducir emisiones fugitivas en aplicaciones de petróleo y de gas
El sector del gas natural en EE. UU. en su conjunto emitió 162,4 millones de toneladas métricas de CO2 equivalente de metano en 2015.[1]Además de problemas de cumplimiento normativo, esto se traduce en pérdida de producto para los operadores. El sector debe encontrar el método más eficaz para identificar y reparar fugas de gas natural en puntos de escape potencial, como estaciones compresoras, plantas de procesamiento, pozos de fracturación hidráulica y en líneas de transporte.
Antes del desarrollo de las cámaras OGI, la mayoría de instalaciones de petróleo y de gas utilizaban un analizador de vapores tóxicos (TVA, por sus siglas en inglés), también conocido como «olfateador», para analizar niveles de concentración de gases emitidos a la atmósfera. Los TVA son fiables, relativamente baratos y pueden identificar la mayoría de los gases. La desventaja en comparación con una cámara OGI es que el operador debe saber exactamente dónde buscar el fallo y debe tocarlo físicamente. En otras palabras, los olfateadores son como jugar a ponerle la cola al burro, mientras que la detección óptica de gas es el mismo juego, pero sin tener los ojos vendados. Además, la OGI es considerablemente más rápida (5-10 minutos) que un olfateador.
La detección óptica de gas también ofrece varias ventajas de seguridad con respecto a un TVA tradicional. Permite la detección remota de un gas que podría explotar o provocar problemas de salud a quienes lo respiren. Las cámaras OGI permiten a los operadores permanecer a una distancia segura durante las inspecciones. En lugar de permanecer de pie en una nube de gas, pueden quedarse sobre el terreno, señalar a un punto desde una distancia de 3 a 6 metros y determinar si hay fugas de gas a la atmósfera.

Análisis más detallado de la detección óptica de gas
Una cámara de detección óptica de gas puede considerarse una versión muy especializada de una cámara de IR o termográfica. Se compone de una lente, un detector, componentes electrónicos que procesan la señal del detector y un visor o una pantalla para que el usuario vea la imagen generada por la cámara.[2]
La detección óptica de gas puede entenderse como algo parecido a mirar con una cámara de vídeo: el operador ve una columna de gas, que de otra forma resultaría invisible para el ojo humano. Se ve la columna de gas como si saliera de un objeto ardiendo, casi como el humo de un cigarrillo o de un puro.
Para ver esta columna de gas, la cámara OGI utiliza un método exclusivo de filtro espectral que le permite detectar un compuesto gaseoso concreto. El filtro está instalado delante del detector y se refrigera junto con este para evitar el intercambio de radiación entre el filtro y el detector. El filtro restringe las longitudes de onda de la radiación que puede pasar a través del detector a una banda muy estrecha denominada paso de banda. Esta técnica se conoce como adaptación espectral. Consulte la figura 1.




Las cámaras OGI utilizan detectores cuánticos que requieren refrigeración a temperas temperaturas (en torno a 70 °K o -203 °C). Las cámaras de onda media que detectan gases de hidrocarburos como el metano suelen funcionar en un rango de entre 3 y 5 micrómetros (μm) y utilizan un detector de antimoniuro de indio (InSb). Las cámaras de onda larga que detectan gases como el hexafluoruro de azufre suelen funcionar en un rango de entre 8 y 12 μm y utilizan un fotodetector de infrarrojos de pozos cuánticos (QWIP).
Las cámaras OGI aprovechan la naturaleza absorbente de determinadas moléculas para visualizarlas en sus entornos nativos. Las matrices de plano focal (FPA) y los sistemas ópticos de las cámaras se han ajustado de forma específica con rangos espectrales muy restringidos, en el orden de cientos de nanómetros, y, por lo tanto, son ultraselectivos. Solo se pueden detectar los gases absorbentes de la región infrarroja que está delimitada por un filtro de paso de banda estrecho. Para la mayoría de compuestos gaseosos, las características de absorción de infrarrojos dependen de la longitud de onda.
Por ejemplo, la región en amarillo de la figura 2 muestra un filtro espectral diseñado para corresponderse con el rango de longitud de onda en el que la mayoría de energía infrarroja de fondo sería absorbida por el metano.




Si la cámara se dirige a una escena en la que no hay ninguna fuga de gas, los objetos del campo de visión emitirán y reflejarán la radiación de infrarrojos a través del objetivo y el filtro de la cámara. Si hay una nube de gas entre los objetos y la cámara, y el gas absorbe la radiación en el rango de paso de banda del filtro, se reducirá la cantidad de radiación que pasa a través de la nube hasta el detector. Para ver la nube en relación con el fondo, debe haber un contraste radiante entre la nube y el fondo.
En resumen, las claves para conseguir que la nube sea visible son: el gas debe absorber radiación de infrarrojos en la banda de onda que ve la cámara, el gas debe tener un contraste radiante con el fondo y la temperatura aparente de la nube debe ser diferente a la del fondo. Además, el movimiento hace que la nube sea más fácil de ver.
 
Los estándares normativos guían la tecnología utilizada para detectar el gas que se emite a la atmósfera
Varios estándares normativos influyen en que tecnología se utiliza para detectar el gas que se emite a la atmósfera. El olfateador sigue siendo el método necesario para algunas regulaciones de petróleo y de gas, con las cámaras OGI como herramienta secundaria. Para los estándares normativos de EE. UU. del sector del petróleo y del gas, OGI se considera el mejor método y el olfateador es el método secundario.
El método 21 de la EPA (Agencia de Protección Medioambiental de EE. UU.), Determinación de fugas de compuestos orgánicos volátiles, especifica que la tecnología óptica de gas puede considerarse una práctica de trabajo alternativa (AWP, por sus siglas en inglés) para cumplir con este método. (El olfateador era el método especificado originalmente y los operadores deben seguir utilizando el olfateador una vez al año).
En 2016, la EPA emitió Quad Oa, abreviatura de Código de Regulaciones Federales (CFR) 40, parte 60, subparte OOOOa. Estas enmiendas a los estándares de rendimiento de nueva fuente (NSPS) de la EPA definen estándares de emisión para compuestos orgánicos volátiles (COV) y cuantifican las reducciones de emisiones necesarias. Quad Oa incluye regulaciones de metano que requieren instalaciones de petróleo y gas “upstream” para limitar las emisiones. Las regulaciones se aplican principalmente a los pozos y las estaciones de compresión. Para Quad Oa, la detección óptica de gas se considera el mejor sistema de reducción de emisiones (BSER).

Además, el Environment and Climate Change Canada (ECCC, ministerio de medioambiente y cambio climático de Canadá) y Alberta Environment and Parks (AEP, medioambiente y parques de Alberta) han lanzado recientemente nuevas regulaciones que requerirán la inspección de todo el equipamiento con una cámara de detección óptica de gas o un olfateador para 2019.
Es probable que otros países del resto del mundo implementen regulaciones similares a estas regulaciones proactivas norteamericanas de control de emisiones y reducción de metano en los próximos años.
 
Nueva tecnología OGI ideal para aplicaciones de petróleo y de gas
En los últimos años, una nueva tecnología ha llegado al mercado para satisfacer la necesidad de OGI para aplicaciones de petróleo y de gas. Por ejemplo, la FLIR GF320 funciona con Providence Photonics QL320 para brindar a los usuarios la capacidad de reducir las emisiones y cuantificar los beneficios en litros por minuto, o gramos por hora emitidos: información útil para quienes buscan una justificación económica para un programa de detección óptica de gas. No solo puede utilizarse para detener las emisiones y cuantificar la efectividad del programa de detección de fugas, sino que también puede utilizarse para cuantificar y priorizar las reparaciones. Los datos de GPS integrados ayudan a los operadores a identificar la ubicación precisa de los fallos y las fugas para agilizar las reparaciones.

Otra tecnología innovadora de FLIR es la GFx320, una cámara OGI que se ha certificado de forma independiente como intrínsecamente segura para la zona 2 y la clase 1, entornos de Div. 2. La designación de intrínsecamente segura significa que los inspectores pueden trabajar con confianza dentro de zonas de seguridad crítica y en ubicaciones peligrosas.




Además, el detector óptico de gas de FLIR también puede utilizarse para medir la temperatura como parte de las tareas de inspección eléctrica o mecánica más habituales de las cámaras de IR, por lo que las cámaras ofrecen en realidad una funcionalidad de doble propósito.

La detección óptica de gas reduce los costes y mejora la seguridad para las principales empresas de petróleo y de gas
La detección óptica de gas se utiliza para cumplir con las regulaciones, al tiempo que ahorra dinero y mejora la seguridad del operador. Un ejemplo es Jonah Energy, con sede en Wyoming (EE. UU.), que comenzó a utilizar la tecnología de detección óptica de gas en 2005, para encontrar emisiones fugitivas en sus instalaciones de producción.[3] La empresa inspecciona 150 instalaciones al mes y los 1700 pozos en el periodo de un año. Jonah utiliza una cámara de infrarrojos FLIR GF320 para la detección de metano y COV, lo que proporciona confirmación visual de fugas de tan solo 0,8 gramos/hora.

Jonah Energy descubrió que la principal ventaja de FLIR GF320 es su capacidad para explorar grandes áreas y visualizar columnas de gas en tiempo real. Esto ayuda a los inspectores a encontrar la fuente de las emisiones fugitivas y a iniciar el proceso de reparación inmediatamente, lo que hace que las inspecciones con OGI resulten más eficientes que los sondeos con el método 21. De hecho, durante un estudio de campo realizado para la ciudad de Fort Worth, Texas (EE. UU.), los inspectores determinaron que explorar con cámaras de infrarrojos resultaba al menos nueve veces más rápido que realizar exploraciones con el método 21 con el mismo equipamiento en el centro.

La velocidad de las exploraciones con OGI permite a los productores de petróleo y de gas inspeccionar su equipamiento con mayor frecuencia y facilidad. La EPA indica que realizar inspecciones y reparaciones con más frecuencia puede reducir considerablemente las emisiones fugitivas de metano y COV. Por ejemplo, las inspecciones trimestrales pueden reducir las emisiones en un 80 %, mientras que las inspecciones y las reparaciones de supervisión semestral las pueden reducir en un 60 %.

Desde 2010, Jonah ha reducido las emisiones fugitivas en un 75 %. También ha reducido el tiempo de reparación de 705 horas a 106, los costes de mano de obra de 58 369 a 7500 USD y las pérdidas de gas de 348 000 a 20 500 USD. Las emisiones en toneladas de 351 a 31.




Jonah Energy afirma que su programa mensual de detección y reparación de fugas (LDAR, por sus siglas en inglés) mediante tecnología OGI ha resultado eficaz y rentable. Su ahorro acumulado en gas ha superado los 5 millones USD en los últimos seis años, lo que ha cubierto de sobra los costes globales del programa.

Otro ejemplo es ConocoPhillips, que realizó un estudio piloto de detección y medición ópticas de fugas en 22 instalaciones de CPC para probar los procedimientos recomendados de gestión de emisiones fugitivas. Los hallazgos del estudio se utilizaron para evaluar las ventajas de utilizar la tecnología OGI como parte del plan de gestión de emisiones fugitivas para las operaciones canadienses de la empresa.[4]
El estudio identificó 144 componentes con fugas, que en conjunto sumaban alrededor de 358 000 USD en pérdida de producto. Este producto perdido dio lugar a fugas de metano que contribuían en más de 21 000 toneladas al año de equivalente de dióxido de carbono (CO2e) a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). El estudio estimó que el 92 % de las fuentes podrían repararse de forma económica, lo que generaría un ahorro neto de más de 2 millones USD.[3]
Inspectahire, un proveedor internacional líder en tecnología y soluciones de inspección visual remota especializada, confía en la cámara de detección óptica de gas FLIR GF320 para las inspecciones de mantenimiento y detección de fugas de hidrocarburos en las plantas de producción de hidrocarburos o para la inspección de cualquier material que utilice hidrocarburos como combustible. Han comprobado que la cámara GF320 puede explorar un área superior con mucha más rapidez y supervisar áreas que son difíciles de alcanzar con herramientas de medición de contacto.




«Hemos utilizado algunas herramientas de medición con contacto como los detectores láser o los dispositivos olfateadores de fugas», comenta Cailean Forrester, de Inspectahire. «Pero el problema es que hay que ir hasta el objeto, lo que no siempre es seguro o incluso posible. Dicho de otro modo, este enfoque es limitado y no muy preciso. Sin embargo, con una cámara de detección óptica de gas como la GF320, es posible mantener una distancia segura y detectar fugas de gas con una gran precisión».
Ron Lucier, instructor en el Centro de formación en infrarrojos en Nashua, NH (EE. UU.), menciona la importancia de poder revisar las columnas de gas a una distancia segura. «El metano y otros hidrocarburos no solo son inflamables, sino que en altas concentraciones, pueden provocar asfixia», explica Lucier. «Con los dispositivos “olfateadores” de gas TVA, se sabe que hay gas, pero no se sabe cuánto. Los usuarios de OGI puede ver inmediatamente el tamaño de la columna de gas: eso es imposible con un dispositivo olfateador de gas».

Producto innovador que identifica y detiene las emisiones fugitivas de gas
En abril 2018, FLIR recibió el «Technology Innovation Award» (Premio a la innovación tecnológica) por su cámara GF320 en los «Oil and Gas Methane Leadership Awards» (Premios al liderazgo de metano de gas y petróleo), otorgado en el Foro Mundial del Metano en Toronto, Canadá.[5] El premio lo otorgaron el Center for Clean Air Policy (Centro para la política de aire limpio), el Clean Air Task Force (Equipo de trabajo aéreo), Environmental Defence Canada (Defensa medioambiental de Canadá), el Environmental Defense Fund (Fondo de defensa medioambiental de Canadá) y el Instituto Pembina.
Según el Instituto Pembina, «Seleccionamos FLIR por sus soluciones de detección innovadoras, como cámaras portátiles rentables que pueden utilizarse en el sector para identificar y detener las emisiones fugitivas, con lo que se protege el medioambiente y se ahorra dinero». También afirmaron que las organizaciones «han utilizado esta tecnología para identificar la fuente y la magnitud de las emisiones, e informar del desarrollo de políticas».

Referencias

1. Inventario de emisiones y sumideros de gases de efecto invernadero en EE. UU., - https://www.epa.gov/sites/production/files/2018-01/documents/2018_complete_report.pdf, recuperado el 14/06/18, p. 191 (Energy 3-77)
2. La ciencia detrás de la detección óptica de gases, http://www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/OGI_012/OGI_012_US.pdf, recuperado en 11/06/18.
3. La detección óptica de gas supone un ahorro de dinero y recursos para Jonah Energy, http://www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/OGI_014/OGI_014_US.pdf, recuperado el 11/06/18.
4. T. Trefiak, ConocoPhillips, estudio piloto de OGI: detección y medición de fugas, 2006, http://docplayer.net/17797465-Pilot-study-optical-leak-detection-measurement-report-completed-by-terence-trefiak.html
5. Líderes globales de reducción de metano homenajeados en Canadá, https://www.pembina.org/media-release/global-methane-reduction-leaders-honoured-canada, recuperado el 11/06/18.

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