Fiabilidad en la Detección de Gases Combustibles y Tóxicos

La detección industrial permanente de gases combustibles y/o tóxicos tradicionalmente se efectúa mediante la instalación de sensores puntuales con diversas tecnologías que se activan cuando el gas les rodea, o bien, para los gases inflamables, una barrera formada por un emisor de rayos infrarrojos captados por un receptor a distancia, el cual emite una señal cuando la nube de gas la cruza, sistema detector denominado de haz abierto. Normalmente se utiliza la combinación de ambos sistemas detectores en grandes superficies.

En este artículo se describen, en primer lugar de forma resumida, las características de los equipos tradicionalmente instalados y las tecnologías de sensor que normalmente incorporan, conforme al gas a detectar, señalando su fiabilidad, controles y mantenimiento que requieren.

A continuación, especifico con mayor detalle, un novedoso sistema detector de gases que incorpora sensores con avanzada tecnología, cuya principal característica es su fiabilidad e inmunidad a condiciones ambientales adversas, con mantenimiento prácticamente nulo y vida indefinida.

Finalmente, reseño dos instalaciones dotadas del novedoso sistema detector de gases, adjuntando datos comparativos con los actuales sistemas de detección, a fin de resaltar las ventajas operativas y el gran nivel de seguridad que se obtiene con el nuevo sistema de detección reseñado.

Los sistemas que se han elegido corresponden a la última generación de equipos detectores, proporcionando una monitorización continua del gas en el aire ambiente que envuelve al sensor. La carcasa antideflagante que contiene la electrónica se alimenta por 24V, con una señal de salida de 4 a 20 mA e incorpora una pantalla LCD de fácil lectura (muestra la medida y el tipo de gas) con LEDs de estado y/o relés de salida opcionales. Se dispone de dos modelos, conforme a la tecnología del sensor incorporado:

Modelo A, apto para sensores de combustibles, tóxicos y la deficiencia de oxígeno (Ver Figura 1)

• Sensor de combustibles, cuya tecnología se basa en la combustión catalítica del gas o vapor para detectar su presencia en el aire hasta el Límite Inferior de Explosividad del gas (LIE). El sensor está formado por dos elementos hermanados, un detector con catalizador y un compensador con recubrimiento sin catalizador. Los gases se oxidan solo sobre el detector, donde el calor aumenta la resistencia del filamento de platino, generando una señal proporcional a la concentración de gas. El filamento del compensador minimiza los cambios en la temperatura ambiente, la presión y la humedad.

• Sensores electroquímicos, usados para detectar una amplia variedad de gases tóxicos en el rango de ppm. Los electrodos separados por electrolitos se encierran en una cápsula de plástico y se conectan al circuito electrónico externo. El gas se difunde a través de una membrana permeable, generando una pequeña corriente por reacción electroquímica. Puesto que la entrada de gas viene controlada por la difusión en la membrana, la corriente es proporcional a la concentración del gas.

Modelo B, con sensores de infrarrojos solamente para gases combustibles (Ver Figura 2)

• Sensor de infrarrojos, numerosos gases absorben luz infrarroja en determinadas longitudes de onda, siendo el espectro de absorción característico para cada gas. El sensor dispone de una fuente de radiación IR modulada electrónicamente en dos longitudes de onda, una típica para el gas a medir, mientras que en la otra no se produce absorción por los gases atmosféricos. Las señales de ambos detectores se amplifican y procesan en un microcomputador generando una señal de salida proporcional a la concentración de gas (Figura 3)

NOTAS: Para la sustitución de sensores no se precisa desconectar el monitor. Los sensores de combustibles y tóxicos tienen una vida de 2/3 años y la deriva de cero/span es < 10% anual, siendo preciso una calibración periódica 2/3 veces al año

Sistema de detección con haz abierto IR

El sistema de detección con haz abierto y sensor de infrarrojos, permite la monitorización continua de hidrocarburos con rango de sensibilización tanto para fugas pequeñas (ppm x m) como grandes (LIE x m). El sistema consta de un equipo emisor del haz IR y un equipo receptor a una distancia de hasta 150 m, cuyo funcionamiento es similar al modelo B descrito anteriormente. (Figura 4)

Al ser un conjunto cuya óptica y haz operan en entornos adversos, incluye un control automático de ganancia que compensa las lentes sucias, la lluvia y la niebla, así como una mejora en el rechazo de alarmas falsas mediante la autocomprobación continua del funcionamiento.

NOTAS: la unidad de medida LEI x m es la integral de la concentración de gas a lo largo del haz óptico, expresadas en unidades de concentración, multiplicadas por la distancia.

Nuevo Sistema detector con haz abierto Laser

No es algo inusual que en unas instalaciones para la detección de gas con haz abierto IR (OPGD) convencional se produzcan demasiados fallos, falsas alarmas y llamadas nocturnas a los operarios de la sala de control. Un sistema más avanzado para la detección de gas, corresponde a la novedosa tecnología patentada de espectroscopia mejorada de diodo láser (ELDS) de Senscient. La ELDS elimina las falsas alarmas, al tiempo que ofrece una detección más rápida y fiable de los gases peligrosos, mejorando así la seguridad del lugar de trabajo a la vez que se reducen los costes operativos.

Las principales ventajas que ofrece la ELSD frente a la espectrografía IR convencional son las siguientes:

• Elimina falsas alarmas, al utilizar un laser sintonizable para producir una única huella armónica específica para el gas a detectar. Los sistemas convencionales NDIR no pueden distinguir entre los hidrocarburos y gases interferentes tales como alcoholes, aminas y vapor de agua
• Inmunidad atmosférica, el diodo modulable de los laser es 1500 veces más específico que el haz IR típico, al generar una resolución óptica de 0,1nm, permitiendo excluir longitudes de onda que interfieran con el vapor de agua. Los filtros ópticos del haz IR solo permiten una resolución de 150nm, origen de las interferencias con niebla, bruma, lluvia y nieve.
• Detección de gases tóxicos, al contrario que los sistemas convencionales IR , la detección con ELSD permite, con idéntica fiabilidad, detectar gases inflamables y una amplia gama de gases tóxicos

NOTAS: La integridad del sistema se auto controla totalmente cada 24 horas de forma automática, por lo cual no precisa calibración periódica, siendo indefinida la vida útil del sensor

Sistema con ELSD instalado en el buque Terra Nova FPSO

Originalmente el buque Terra Nova FPSO (unidad flotante de producción, almacenamiento y descarga) disponía de un sistema de detección mixto, a base de sensores puntuales y de haz abierto IR. Cuando en el yacimiento de extracción se detectó SH2, tuvo que efectuarse un complejo estudio para adecuar o sustituir el sistema existente para la detección y presencia del peligroso gas. Por sus ventajas se eligió un sistema ELSD y se adaptó a las características de los diversos sectores en que se parceló el buque (Figura 5), de acuerdo con el correspondiente análisis de riesgos, basado en la diversos escenarios de las posibles fugas, condiciones de ventilación, dispersión de la fuga y una serie de parámetros relativos a la geometría del buque para vientos en una y contrapuesta dirección

Se realizaron pruebas onshore de un sistema dual ELSD para detectar metano y SH2 en condiciones simuladas de niebla (mediante agua pulverizada), lluvia (chorros de agua sobre las lentes) así como cubierto con 25 mm de nieve. Tras dos semanas de pruebas los resultados obtenidos fueron totalmente satisfactorios. Este sistema dual solamente se instaló en el módulo  M04, zona donde se procesa y trata el gas.

Se instalaron un total de158 sistemas ELSD, planificando la sustitución de los sistemas IR, en una primera fase, por 78 unidades (en áreas clave) y el resto en los próximos viajes durante 12 meses. Los nuevos sistemas se ajustaron para detectar hidrocarburos con valores límite de 0,2 LEL x m / 1 LEL x m (baja/alta alarma) en lugar de 1 LEL x m / 2,5 LEL x m. como permitían los antiguos sistemas IR. Este aumento en sensibilidad significa que la detección de cualquier nube de gas es cinco veces mayor, lo cual se traduce en que la prealarma del sensor alerta mucho antes que la nube de gas alcance un volumen peligroso y además la concentración de SH2 se reduce, con lo cual la seguridad del personal queda igualmente incrementada

Con relación a la fiabilidad operativa de los sistemas instalados, se efectuó un análisis de las órdenes de trabajo para mantenimiento entre los años 2009 a 2013, con los sistemas de detección primarios, resultando un promedio de 234 por año, mientras que con el nuevo sistema se precisaron solamente 13, durante el primer año. Además del mayor coste en repuestos y mano de obra, se pierde producción en cada situación de emergencia y el paro/arranque de los equipos no situados en Zona 1 (generadores y compresores) produce un desgaste prematuro, tanto o más oneroso que el mantenimiento en los sensores.

Sistema con ELSD instalado en Planta Química

Una planta química situada en Holanda deseaba mejorar la seguridad del personal y equipos, mediante un nuevo sistema de detección de ClH, originado por fugas esporádicas en el tanque de almacenamiento externo. Actualmente disponía de más de un centenar de detectores puntuales distribuidos en toda la factoría, que requieren calibración y mantenimiento ¾ veces al año, lo cual representaba cuantiosos costes materiales (gas patrón), de mano de obra y administrativos (permiso trabajo y registros)

El nuevo sistema de detección debía medir y registrar la frecuencia y magnitud de las posibles fugas de ClH en el depósito, así como asegurar concentraciones de gas no peligrosas para el personal y evitar las corrosiones en los equipos de la instalación.

Al analizar las soluciones que ofrecía el mercado, se selecciono un sistema detector de haz abierto para ClH que utiliza la espectroscopia mejorada de diodo laser (ELSD), con carcasa de acero 316L resistente a corrosión, que proporciona una velocidad de respuesta de 3 s, frente a los 120/300s de los sensores electrolíticos, ajustando las alarmas a 10ppm x m y 20ppm x m. Se colocaron dos sistemas a los lados del tanque (Figura 7), con distancia Emisor/Detector de 60 m, a una altura de 1,8m del suelo, con lo cual cualquier fuga hacia la planta debe cruzar una o ambas barreras detectoras. La instalación similar con sensores puntuales precisaría 12 equipos (6 puntos por cada barrera). Ventajas que ofrece el nuevo sistema detector:

• Interferencias por sensibilidad cruzada, al contrario de los sensores electroquímicos el nuevo sistema es específico para ClH e inmune a falsas alarmas, vapor de agua, niebla y lluvia
• Información funcional del estado/diagnóstico, el sistema de haz abierto debe disponer de libre conexión emisor/receptor, por lo cual cualquier obstrucción o anomalía se transmite a sala de control para su reparación
• Seguridad funcional y mensajes operativos, la autocomprobación cada 24 h del nuevo sistema y la capacidad de comunicación inalámbrica es fundamental, frente a la inseguridad y falta de información que ofrecían los sensores puntuales. La eliminación del mantenimiento que precisan las periódicas calibraciones y  la reposición de sensores, comportan una notable reducción en el coste a la propiedad durante el ciclo de vida de la instalación.

El nuevo sistema se instaló en 2013 y está funcionando conforme a las condiciones especificadas, sin interrupciones y proporcionando resultados confiables.

Bibliografía

• Documentación y figuras on line en internet
• Publicación “Gas detection upgrade on the Terra Nova FPSO” por Rajat Barua en Water OIL
• Case Study “Chemical Plant” de Senscient

Leyenda en pies de Figuras que se mencionan en el Texto

Figura 1,- Monitor del modelo A que incorpora sensores de gases combustibles, tóxicos y deficiencia de O2

Figura 2.- Monitor del modelo B, solamente apto para sensores de hidrocarburos

Figura 3.- Esquema del funcionamiento de un sensor puntual IR

Figura 4.- Esquema de un sistema detector de haz abierto IR, para distancias de hasta 150m, entre Emisor y el Receptor

Figura 5.- Ilustración gráfica del buque Terra Nova, indicando las áreas clave en que se ha seccionado, basado en la evaluación de riesgos

Figura 6.-Simulación de una gran fuga de gas en el módulo M09 (sala de máquinas del buque), para indicar el azul el volumen de gas con 50% del LIE y en rojo la zona con concentraciones dentro del LSE (límite superior de explosividad). Este es uno de los 1400 escenarios de fugas que se simularon, durante el análisis de riesgos

Figura 7.- Detalle de la instalación de los módulos emisores y detectores en las barreras de haz óptico que cubren las fugas de ClH hacia la planta

Fuente: El nuevo sistema se instaló en 2013 y está funcionando conforme a las condiciones especificadas, sin interrupciones y proporcionando resultados confiables.

Fuente: http://www.proteccion-laboral.com/fiabilidad-la-deteccion-gases-combustibles-toxicos/