Evite uma interrupção na produção de energia com a nova tecnologia de detecção de vazamento de hidrogênio

A manutenção de geradores refrigerados por hidrogênio é essencial para a segurança e a eficiência das operações de uma usina de energia. A localização e o reparo de vazamentos de hidrogênio do sistema de refrigeração é um aspecto que pode exigir buscas incessantes em componentes, válvulas, conexões ou outros locais. Os métodos tradicionais de detecção de vazamento de hidrogênio não costumam ser confiáveis para encontrar a origem do vazamento, mas são melhores na hora de encontrar uma área geral em que há a presença de hidrogênio. O advento das câmeras de imagens ópticas de gás aumentou fortemente a eficiência e o desempenho na detecção de vazamentos. Com a adição de uma câmera termográfica dedicada à detecção de vazamento de CO2, os serviços públicos de infraestrutura agora têm uma forma de encontrar com eficiência vazamentos de hidrogênio usando CO2 como gás marcador.

A operação de um gerador de energia elétrica produz grandes quantidades de calor que devem ser removidas para manter a eficiência. Dependendo da capacidade nominal do gerador, podem ser geradores refrigerados a ar, a hidrogênio ou a água, ou nos geradores de maior capacidade, uma combinação de água para enrolamentos do estator e hidrogênio para o rotor. A refrigeração a hidrogênio oferece uma excelente eficiência graças à baixa densidade, alto calor específico e condutividade térmica. No entanto, o hidrogênio é altamente combustível quando misturado com ar e pode ser perigoso se o nível de concentração abrange uma área não desejada. Geradores de turbina irão vazar algum hidrogênio durante a operação normal e dependem de uma ventilação adequada para manter os níveis de hidrogênio longe do risco de segurança e explosão. Portanto, a segurança de gás hidrogênio é fundamental para os operadores de usinas de energia.

As moléculas de hidrogênio são muito leves e pequenas, além de ser difíceis de conter. Entre interrupções na produção, o uso e desgaste de válvulas, vedações e equipamentos podem propiciar grandes vazamentos, e os níveis de hidrogênio podem abranger áreas que podem causar impacto na segurança da unidade fabril. A quantidade de hidrogênio adicionada a cada dia é cuidadosamente monitorada. Um aumento do hidrogênio de reposição precisaria ser investigado para encontrar a origem do vazamento. Métodos tradicionais de Detecção e Reparo de Vazamentos (Leak Detection and Repair, LDAR) tendem a ser lentos e podem não encontrar o vazamento rapidamente o bastante para evitar uma interrupção na produção. Um período de interrupção na produção pode durar de duas a três semanas, com vários dias dedicados apenas à detecção do vazamento. O custo associado a uma interrupção na produção não planejada pode ser de milhões de dólares para uma usina de energia. A indústria iria preferir realizar um procedimento LDAR online para evitar interrupções não planejadas na produção, mas até agora estava limitada na capacidade de encontrar a origem de um vazamento.

Métodos de detecção tradicionais

Métodos para detectar vazamentos usam desde uma solução saponácea para criar bolhas em cada possível componente, até sensores de hidrogênio microeletrônicos (detectores) para detectar hidrogênio em uma área ampla. A solução saponácea é suficiente para verificar um único componente. Contudo, verificar um vazamento em um local desconhecido poderia levar semanas. Do mesmo modo, este método funciona apenas para vazamentos muito pequenos, uma vez que um fluxo excessivo de hidrogênio afastaria a solução sem formar bolhas. O detector é uma sonda manual que produz um sinal audível quando se aproxima de um vazamento. Embora seja um método relativamente barato, o teste de detecção tem algumas desvantagens. Os geradores são bem-ventilados. Isso pode diluir o hidrogênio, a menos que a pessoa esteja muito perto da origem. O fluxo de ar da ventilação também pode mover o hidrogênio um pouco mais para longe da origem, gerando indicações que não identificam corretamente qual componente precisa de reparo. Com os detectores, os operadores não conseguem ver o vazamento. Há sempre alguma especulação e algum tempo perdido na busca da origem do vazamento.

Uma nova abordagem

As câmeras de infravermelho, sendo a mais recente evolução na tecnologia de detecção de gás, vêm se tornando muito mais populares junto das equipes de manutenção. As câmeras de infravermelho ou termográficas, como também são chamadas, têm sido usadas com sucesso para detectar insuficiências de isolamento em edifícios ou para encontrar riscos de segurança baseados no calor em instalações elétricas. As Imagens Ópticas de Gás com câmeras termográficas começaram a ser usadas alguns anos atrás, com o SF6 como gás marcador. Contudo, algumas unidades fabris têm preocupações com o uso de SF6 como gás marcador devido ao custo, Potencial de Aquecimento Global (GWP 23.000) e, em outros casos, às restrições no uso estendido do SF6. A FLIR Systems, em parceria com a indústria, desenvolveu uma nova geração de geradores de imagens ópticas de gás usando um gás marcador que elimina tais preocupações. A nova câmera de imagens ópticas de gás FLIR GF343 usa CO2 como gás marcador, que está disponível facilmente em usinas de energia. O CO2 é barato, possui um GWP muito mais baixo e restrições muito menores em comparação ao SF6. Isso permitirá uma aplicação mais ampla de imagens ópticas de gás (OGI) na busca de vazamentos. Uma vez que somente uma pequena concentração de CO2 (geralmente 3-5%) precisa ser adicionada ao hidrogênio como um gás marcador para deixar visíveis os vazamentos para a câmera de OGI, o nível de pureza do hidrogênio na turbina é mantido, e as operações de geração de energia normais podem continuar. A FLIR GF343 é a nova ferramenta que os engenheiros podem usar para buscar a origem de vazamentos sem uma interrupção na produção.

Como detectar gás marcador CO2

Adicionando uma pequena concentração de CO2 (< 5%) como um gás marcador ao abastecimento de hidrogênio, o gerador ainda vai funcionar com segurança e eficiência. Isso permite que o operador e as equipes de manutenção monitorem e verifiquem vazamentos de hidrogênio durante a operação à máxima capacidade. Durante testes nos EUA e na Itália, comprovou-se que a FLIR GF343 consegue visualizar uma pequena quantidade (cerca de 2,5%) de CO2 como gás marcador no sistema com vazamento, ajudando assim equipes de manutenção a encontrar e identificar vazamentos, marcando os vazamentos para reparo durante as interrupções na produção ou reparos mais imediatos de vazamentos significativos. Os benefícios que a GF343 tem para oferecer comparada a outras tecnologias de detecção, é que a detecção de vazamentos pode ser realizada durante a operação à máxima capacidade, economizando tempo e dinheiro ao reduzir o tempo de interrupção na produção. O tempo de interrupção na produção pode ser reduzido em até dois ou três dias, e para cada dia de interrupção que custa entre USD 80 mil e USD 100 mil (dependendo do tipo e tamanho do gerador), a compensação e o retorno do investimento devido ao uso de CO2 como gás marcador e da câmera FLIR GF343 CO2 são significativos. Mas pequenos vazamentos não são só muito frequentes, podem também se tornar grandes vazamentos. Com a FLIR GF343, as equipes de manutenção conseguem limitar atempadamente a concentração atmosférica de hidrogênio abaixo do limite de explosão.

Como funciona a FLIR GF343

A câmera FLIR GF343 usa um detector de Antimoneto de Índio (InSb) com Matriz de Plano Focal (FPA), que tem uma resposta de detecção de 3-5 μm, e permite a adaptação espectral de aproximadamente 4,3 μm por meio de filtragem a frio, e refrigeração do detector com um motor Stirling para temperaturas criogênicas (entre 70 °K ou -203 °C). A técnica de ajuste espectral ou filtragem a frio é fundamental para a técnica de imagens ópticas de gás e, no caso da FLIR GF343, isso torna a câmera especificamente responsiva e ultrassensível à absorção de infravermelho do gás CO2.

De modo prático, a energia de fundo, como do céu, solo e outras fontes no ângulo de visão da câmera, é absorvida pelo gás. A câmera mostra essa absorção de energia por meio de um contraste térmico na imagem. A câmera mostra a absorção espectral e o movimento do gás, permitindo visualizar o gás como uma pluma de “fumaça”.

A GF343 tem uma técnica de subtração de quadros adicional que destaca o movimento do gás. O Modo de Alta Sensibilidade (HSM) tem sido o alicerce para a detecção dos mais ínfimos vazamentos. O HSM é em parte uma técnica de processamento de vídeo por subtração de imagem que aperfeiçoa, de fato, a sensibilidade térmica da câmera. Uma porcentagem de sinais de pixel individuais dos quadros no streaming de vídeo é subtraída de quadros subsequentes, realçando então o movimento do gás e melhorando a sensibilidade prática geral da câmera e a capacidade de identificar vazamentos de gás CO2 menores, mesmo sem o uso de um tripé.