Entendendo a quantificação de imagens ópticas de gás

A aquisição quantitativa de imagens ópticas de gás oferece aos operadores dos setores de petróleo e gás uma ferramenta para maior segurança do trabalhador, maior gestão ambiental e operação mais econômica.

Por Craig R O’Neill, FLIR

Uma tecnologia relativamente jovem, as imagens ópticas quantitativas de gás (qOGI) estão rapidamente provando ser uma alternativa viável aos analisadores de vapor tóxico e aos Bacharach Hi Flow® Samplers como uma ferramenta para operadores dos setores de petróleo e gás natural quantificarem vazamentos de gás. Este artigo descreve qOGI, como funciona, suas aplicações e o equipamento necessário para seu uso. O artigo também detalha como qOGI se compara a tecnologias alternativas de quantificação de vazamentos.

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O QUE É AQUISIÇÃO DE IMAGENS ÓPTICAS DE GÁS?

Imagens ópticas quantitativas de gás permitem utilizar imagens ópticas de gás — especificamente, OGI de hidrocarboneto resfriado — combinado com uma solução algorítmica para quantificar vazamentos de gás invisíveis a olho nu.

Esses são vazamentos que você normalmente conseguiria visualizar em sua câmera OGI. Historicamente, as câmeras OGI têm sido limitadas à análise qualitativa, indicando que um vazamento está ocorrendo, mas dando pouca indicação de quanto está vazando. Agora, no entanto, combinando uma câmera OGI com uma solução qOGI, você pode visualizar e quantificar tais vazamentos em unidades de massa e taxas de vazamento volumétrico, bem como concentração ao longo do comprimento do caminho (ppm-m).

QOGI VS. TECNOLOGIAS ALTERNATIVAS

Em termos de capacidade, nem um analisador de vapor tóxico (TVA, comumente chamado de “detector”) nem um Bacharach Hi Flow® Sampler (BHFS) podem quantificar diversos vazamentos de gás na taxa de vazamento de massa e na taxa de vazamento volumétrico, bem como no comprimento do caminho de concentração. Um TVA oferece análise de concentração, mas não mede o fluxo. Um BHFS pode medir o fluxo e a concentração.

Os dispositivos TVA e BHFS podem retornar interpretações diferentes do mesmo vazamento, dependendo de onde e quando o vazamento é amostrado, bem como de como o dispositivo é posicionado. Essa deficiência é resultado da funcionalidade desses dispositivos: eles fornecem um instantâneo do vazamento naquele tempo, enquanto um sistema qOGI fornece uma taxa de vazamento média contínua ao longo do tempo.

Além disso, os dispositivos TVA e BHFS têm capacidade limitada de quantificar certos gases que os inspetores podem encontrar. Um sistema qOGI pode identificar e quantificar mais de 400 compostos químicos. Além disso, como um sistema qOGI analisa informações de um feed gravado pela câmera OGI, o usuário tem evidências visuais para ajudar a confirmar a análise do sistema. Nenhuma outra tecnologia oferece tanta garantia.

A segurança do inspetor, no entanto, pode ser a maior vantagem da qOGI. Considere a natureza dos dispositivos TVA e BHFS aplicados a dispositivos difíceis de monitorar
Dispositivos (DTM) — possíveis fontes de vazamento, localizadas a uma distância suficiente do medidor, para representar desafios para sua quantificação.

Na melhor das hipóteses, andaimes podem ser montados com a esperança de que sua construção não seja muito cara ou demorada. Em seguida, um inspetor, utilizando um cinto de segurança e todos os equipamentos de proteção individual apropriados, deve subir perigosamente perto — ou, em alguns casos, dentro — da pluma de gás vazando, na tentativa de quantificar o vazamento.

Em outros casos, o vazamento potencial pode estar completamente inacessível ao inspetor, por motivos de segurança ou falta de espaço operacional.

Mesmo quando um vazamento é descoberto (ou suspeito) em um local mais acessível, um sistema qOGI oferece uma maior facilidade de uso. Um TVA requer calibração frequente, usando um kit de calibração de campo, e funciona apenas “no momento”.

Um BHFS, por sua vez, exige muito trabalho para ser usado e mantido. Seu uso exige que o inspetor vede o vazamento da melhor forma possível, usando uma combinação de fita e plástico, para permitir a leitura mais precisa possível. Embora esses dispositivos tenham alta precisão, eles devem ser calibrados semanalmente, bem como verificados diariamente.

Também é preciso considerar como as condições ambientais afetam esses dispositivos. Embora uma leitura por TVA possa ser afetada pela umidade, temperatura e contaminantes, o vento pode ter o efeito mais significativo, pois a tecnologia pode perder um vazamento (Fig. 1); as limitações ambientais do BHFS dependem de seu sensor específico; as leituras de um sistema qOGI podem ser afetadas pela temperatura (discutido abaixo) e velocidade do vento, que são consideradas nos parâmetros de entrada do tablet.

Figura 1 — Efeito prejudicial do vento nas medições do analisador de vapor tóxico (TVA)

COMO QOGI FUNCIONA?

A capacidade de quantificar o tamanho do vazamento sem estar perto da pluma de gás é o maior diferencial entre qOGI e as tecnologias concorrentes, bem como a maior vantagem da qOGI. Ao usar câmeras OGI à distância, três fatores permitem que a câmera visualize o gás (Fig. 2).

Figura 2 — Fatores que afetam a imagem de gás em uma câmera OGI

Absorção de IV — α(λ) — Primeiro, o gás a ser detectado deve ter um pico de absorção de IV que se sobreponha à janela espectral da câmera OGI. Os fatores de resposta (Response Factors, RFs) foram desenvolvidos para quase 400 compostos; esses RFs, indicativos dos comprimentos de onda em que diferentes gases absorvem energia, permitem que um usuário avalie se um composto químico pode ser fotografado por uma câmera de IV específica. Eles também podem ser usados para ajustar os resultados de um método qOGI, permitindo que uma única calibração com um único gás seja aplicada à medição de vários gases.
O RF também especificará a sensibilidade de um composto específico, em comparação com o produto químico de referência. Por exemplo, o RF para propano é 1. Se um valor de RF para outro composto for 0,3, isso significa que o composto tem 30% da sensibilidade do propano. Se um produto químico tiver um RF inferior a 0,1, é provável que ele não seja visível pelas câmeras OGI nas mesmas condições que o produto químico de referência.

Delta da temperatura — ΔT — Deve haver um diferencial suficiente entre a temperatura ambiente adjacente à pluma de gás e o contexto. Um ΔT mais alto levará a uma pluma mais visível no visor da câmera OGI. Para qOGI, um ΔT alto significa uma relação sinal-ruído mais alta, o que cria melhores dados de medição.

Os usuários do qOGI precisarão visualizar o vazamento em vários ângulos para garantir o maior ΔT possível. No mínimo, a diferença de temperatura entre o ar ambiente próximo ao vazamento de gás e a temperatura aparente do fundo na imagem deve ser de 2 °C. O ΔT geralmente deve ser considerado o fator mais importante na coleta de uma leitura precisa.

Imagem de um vazamento de gás, mostrando os efeitos do Delta T à medida que o gás se move de um fundo quente (a parede) para um fundo com a temperatura ambiente (a cerca)

Presença de gás — ɠ — Deve haver gás presente na imagem, maior do que o limite mínimo de detecção do sistema.

Considerando que deve haver gás suficiente presente em uma cena para gerar a imagem, a função do qOGI é padronizar o efeito dos outros dois fatores — α(λ) e ΔT — para permitir a quantificação do gás presente. Essa medição será consistente sob diferentes condições (por exemplo, a mesma leitura produzirá o mesmo resultado, ainda que ΔT for diferente devido a distintas condições de medição).

QOGI pode produzir dois tipos de resultado:

1. comprimento do caminho da concentração, expresso em ppm-m por pixel, e
2. massa ou taxa de avanço volumétrico (por exemplo, gramas/h ou litros/min).

Figura 3 — Exemplos de propano com comprimentos de caminho de concentração variáveis

A taxa de vazamento volumétrico ou de massa requer um processo algorítmico adicional, para agregar as medições do pixel no efeito do vazamento como um todo. O algoritmo também leva em consideração a distância e a condição do vento, que afetam a medição da massa ou taxa de vazamento volumétrico.

Uma solução qOGI oferece dois modos de operação: uso em tempo real e operação Q-Mode.

No campo (uso em tempo real), basta conectar um tablet robusto — contendo o software que quantifica o gás que está sendo fotografado —diretamente à sua câmera FLIR OGI (GF320, GFx320 ou GF620) e ele começará imediatamente a quantificar a visualização ao vivo do vazamento.

Câmera óptica de imagens de gás FLIR GFx320

Na operação no Q-Mode, você pode armazenar o vídeo na câmera para uso posterior. Você pode então baixar os arquivos para o tablet, permitindo quantificar vazamentos após o fato.

O tablet em si é composto por tecnologia pronta para uso, criada e fabricada para uso plug e play com câmeras FLIR OGI (um cabo USB conecta os dispositivos durante o uso em campo, e o cartão SD da câmera pode ser removido para operação Q-Mode) e não requer calibração regular. Assim, é fácil implementar qOGI para usuários de câmeras OGI.

Além disso, o tablet não está sujeito à mesma deterioração sofrida por TVAs e sistemas BHFS, expostos regularmente a gases tóxicos. Embora os componentes de substituição para TVAs possam estar prontamente disponíveis, os dispositivos BHFS não são fabricados desde 2016.

Por fim, observe que qOGI permite aos usuários visualizarem vazamentos como parte do processo de quantificação, e o movimento pode ser prejudicial ao seu desempenho (como em qualquer câmera). Assim, os usuários devem estabilizar a câmera com um tripé.

CONCLUSÕES

Como qOGI é uma tecnologia jovem, não existe um condutor regulatório nos EUA para seu uso, mas seus méritos como ferramenta para fins internos são claros. De fato,
um líder no setor de petróleo e gás testou2 a tecnologia em campo, explorando sua viabilidade para quantificar tudo, desde solicitações de ICR upstream e emissões de tanques até componentes DTM LDAR (downstream) e o monitoramento da manutenção/confiabilidade.
Além de seus óbvios benefícios de segurança em relação a métodos alternativos de quantificação de gás, qOGI passou por rigorosos testes de terceiros da CONCAWE3 e provou ser mais fácil, mais rápida e mais precisa do que tecnologias como TVA. qOGI oferece economia como um complemento às câmeras OGI existentes e posiciona os operadores de petróleo e gás na vanguarda da consciência ambiental nas comunidades onde operam.

SOBRE O AUTOR

Craig R O’Neill trabalha para a FLIR há mais de 17 anos e está ativamente envolvido no mercado de OGI desde a introdução de geradores de imagens ópticas de gás comerciais, em junho de 2005. Atualmente, ele tem responsabilidade global pela linha de negócios de Imagens Ópticas de Gás e pela estratégia das soluções da FLIR no setor de petróleo e gás. Nessa função, ele é a peça de ligação entre clientes, partes interessadas do setor, parceiros estratégicos e muitos aspectos verticalmente integrados da divisão da FLIR Instruments, incluindo vendas, marketing, engenharia e gestão de produtos. Seu objetivo é garantir o alinhamento da FLIR para fornecer soluções de detecção que atendam às necessidades do setor de petróleo e gás.

SOBRE A FLIR SYSTEMS, INC.

Fundada em 1978 e com sede em Wilsonville, Oregon, a FLIR Systems é fabricante líder mundial de sistemas sensores que aumentam a percepção e elevam a conscientização, ajudando a salvar vidas, melhorar a produtividade e proteger o meio ambiente. Por meio de seus quase 3.500 funcionários, a visão da FLIR é ser “The World’s Sixth Sense”, aproveitando as tecnologias de imagens térmicas e adjacentes para fornecer soluções inovadoras e inteligentes para a segurança e vigilância, monitoramento de condições ambientais, recreação ao ar livre, visão de máquina, navegação e detecção avançada de ameaças. Para obter mais informações, acesse www.flir.com e siga a @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 obter mais informações sobre a geração de imagens ópticas de gás, acesse: www.FLIR.com/ogi