Quantifizierung der optischen Gasbildgebung verstehen

Die quantitative optische Gasbildgebung bietet Betreibern der Öl- und Gasindustrie ein Werkzeug für eine verbesserte Arbeitssicherheit, einen besseren Umweltschutz und einen kostengünstigeren Betrieb.

Von Craig R O’Neill, FLIR

Als eine relativ junge Technologie erweist sich die quantitative optische Gasbildgebung (qOGI) schnell als praktikable Alternative zu Analysegeräten für toxische Dämpfe und Bacharach Hi Flow® Samplern als Werkzeug für Betreiber der Öl- und Erdgasindustrie zur Quantifizierung von Gaslecks. Dieser Artikel beschreibt qOGI, wie es funktioniert, seine Anwendungen und die für seine Verwendung notwendige Ausrüstung. Der Artikel beschreibt auch, wie qOGI im Vergleich zu alternativen Technologien zur Quantifizierung von Lecks abschneidet.

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WAS IST QUANTITATIVE OPTISCHE GASBILDGEBUNG?

Quantitative optische Gasbildgebung ist die Fähigkeit, optische Gasbildgebung (insbesondere gekühlte Kohlenwasserstoff-OGI) in Kombination mit einer algorithmischen Lösung zu verwenden, um Gaslecks zu quantifizieren, die für das bloße Auge unsichtbar sind.

Dies sind Lecks, die Sie normalerweise auf Ihrer OGI-Kamera sehen können. In der Vergangenheit beschränkten sich OGI-Kameras auf qualitative Analysen – sie zeigten an, dass ein Leck auftrat, gaben aber wenig Aufschluss darüber, wie groß das Leck war. Jetzt können Sie jedoch durch die Kombination einer vorhandenen OGI-Kamera mit einer qOGI-Lösung solche Lecks in Masseneinheiten und volumetrischen Leckraten sowie als Konzentration über die Pfadlänge (ppm-m) visualisieren und quantifizieren.

QOGI VS. ALTERNATIVE TECHNOLOGIEN

In Bezug auf die Leistungsfähigkeit kann weder ein Toxic Vapour Analyzer (TVA, allgemein als „Sniffer“ bezeichnet) noch ein Bacharach Hi Flow® Sampler (BHFS) eine Vielzahl von Gaslecks in Bezug auf Massenleckrate und volumetrische Leckrate sowie Länge des Konzentrationspfads quantifizieren. Ein TVA bietet eine Konzentrationsanalyse, aber keine Durchflussmessung. Ein BHFS kann sowohl Durchfluss als auch Konzentration messen.

Sowohl TVA- als auch BHFS-Geräte können unterschiedliche Interpretationen desselben Lecks zurückgeben, je nachdem, wo und wann das Leck festgestellt wird und wie das Gerät positioniert ist. Dieser Mangel ist auf die Funktionalität dieser Geräte zurückzuführen: Sie liefern eine zeitliche Momentaufnahme des Lecks, während ein qOGI-System eine fortlaufende durchschnittliche Leckrate im Laufe der Zeit liefert.

Darüber hinaus sind TVA- und BHFS-Geräte in ihrer Fähigkeit begrenzt, bestimmte Gase zu quantifizieren, denen Inspektoren begegnen können. Ein qOGI-System kann mehr als 400 chemische Verbindungen identifizieren und quantifizieren. Da ein qOGI-System Informationen aus einem aufgezeichneten OGI-Kamera-Feed analysiert, hat der Benutzer außerdem visuelle Beweise, um die Systemanalyse zu bestätigen. Keine andere Technologie bietet eine solche Sicherheit.

Die Inspektorensicherheit könnte jedoch der größte Vorteil von qOGI sein. Betrachten Sie die Art von TVAs und BHFS-Geräten, die auf schwer zu überwachende Geräte angewendet werden
(DTM)-Geräte – mögliche Leckquellen, die sich in ausreichender Entfernung vom Messgerät befinden, um Herausforderungen für ihre Quantifizierung darzustellen.

Bestenfalls können Gerüste aufgestellt werden, in der Hoffnung, dass der Bau nicht zu kostspielig oder zeitaufwändig ist. Dann muss ein Inspektor, der von einem Sicherheitsgurt behindert wird und eine geeignete persönliche Schutzausrüstung trägt, gefährlich nahe an die oder in einigen Fällen innerhalb der ausströmende(n) Gaswolke klettern, um zu versuchen, das Leck zu quantifizieren.

In anderen Fällen kann das potenzielle Leck aus Sicherheitsgründen oder aus Platzgründen für einen Inspekteur völlig unzugänglich sein.

Selbst wenn ein Leck an einer besser zugänglichen Stelle entdeckt (oder vermutet) wird, bietet ein qOGI-System eine hervorragende Benutzerfreundlichkeit. Ein TVA erfordert eine häufige Kalibrierung mit einem Feldkalibrierungs-Kit und funktioniert nur „im Moment“.

Ein BHFS hingegen ist arbeitsintensiv in der Verwendung und Wartung. Seine Verwendung erfordert, dass der Inspektor das Leck so gut wie möglich mit einem Mischmasch aus Klebeband und Plastik abdichtet, um eine möglichst genaue Ablesung zu ermöglichen. Obwohl diese Geräte eine hohe Genauigkeit aufweisen, müssen sie wöchentlich kalibriert und täglich verifiziert werden.

Man muss auch berücksichtigen, wie sich Umgebungsbedingungen auf diese Geräte auswirken. Während ein TVA-Messwert durch Feuchtigkeit, Temperatur und Verunreinigungen beeinflusst werden kann, kann Wind die dramatischsten Auswirkungen haben, da die Technologie möglicherweise ein Leck übersehen könnte (Abb. 1); die Umweltbeschränkungen eines BHFS hängen von seinem speziellen Sensor ab; die Messwerte eines qOGI-Systems können durch die Temperatur (siehe unten) und die Windgeschwindigkeit beeinflusst werden, die in den Eingabeparametern des Tablets berücksichtigt werden.

Abbildung 1 – Schädliche Wirkung von Wind auf Messungen mit Toxic Vapour Analyzer (TVA)

WIE FUNKTIONIERT QOGI?

Die Fähigkeit, die Leckgröße zu quantifizieren, ohne sich in der Nähe der Gasfahne zu befinden, ist das größte Unterscheidungsmerkmal zwischen qOGI und konkurrierenden Technologien sowie der größte Vorteil von qOGI. Bei der Verwendung von OGI-Kameras aus der Ferne ermöglichen drei Faktoren der Kamera die Visualisierung von Gas (Abb. 2).

Abbildung 2 – Faktoren, die das Gasbild in einer OGI-Kamera beeinflussen

IR-Absorption – α(λ) – Erstens muss das zu detektierende Gas eine IR-Absorptionsspitze haben, die mit dem Spektralfenster der OGI-Kamera überlappt. Reaktionsfaktoren (RFs) wurden für fast 400 Verbindungen entwickelt; Diese RFs, die die Wellenlängen angeben, bei denen verschiedene Gase Energie absorbieren, ermöglichen es einem Benutzer, zu beurteilen, ob eine chemische Verbindung von einer bestimmten IR-Kamera abgebildet werden kann. Sie können auch verwendet werden, um die Ergebnisse einer qOGI-Methode anzupassen, wodurch eine einzige Kalibrierung mit einem einzigen Gas auf die Messung mehrerer Gase angewendet werden kann.
RF gibt auch die Empfindlichkeit einer bestimmten Verbindung im Vergleich zur Referenzchemikalie an. Zum Beispiel ist 1 der RF für Propan. Wenn ein RF-Wert für eine andere Verbindung 0,3 beträgt, bedeutet dies, dass die Verbindung 30 Prozent der Empfindlichkeit von Propan hat. Wenn eine Chemikalie einen RF von weniger als 0,1 hat, ist es wahrscheinlich, dass die Chemikalie von OGI-Kameras unter den gleichen Bedingungen wie die Referenzchemikalie nicht sichtbar ist.

Delta Temperature – ΔT – Zwischen der Gasfahne und dem Hintergrund muss ein ausreichender Temperaturunterschied bestehen. Ein höheres ΔT führt zu einer besser sichtbaren Wolke in der Anzeige der OGI-Kamera. Für die qOGI bedeutet ein hohes ΔT ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch bessere Messdaten erzeugt werden.

QOGI-Anwender müssen das Leck aus verschiedenen Winkeln betrachten, um die höchstmögliche ΔT sicherzustellen. Sie suchen mindestens einen Temperaturunterschied von 2 °C zwischen der Umgebungsluft in der Nähe des Gaslecks und der scheinbaren Temperatur im Bildhintergrund. ΔT sollte im Allgemeinen als der wichtigste Faktor beim Erfassen eines genauen Messwerts angesehen werden.

Bild eines Gaslecks, das die Auswirkungen von Delta T zeigt, wenn sich das Gas von einem heißen Hintergrund (der Wand) zu einem Hintergrund mit Umgebungstemperatur (dem Zaun) bewegt

Gaspräsenz – ɠ – Im Bild muss Gas vorhanden sein, das größer ist als die minimale Nachweisgrenze des Systems.

Angesichts der Tatsache, dass in einer Szene genug Gas vorhanden sein muss, um abgebildet zu werden, besteht die Funktion von qOGI darin, die Wirkung der anderen beiden Faktoren – α(λ) und ΔT – zu standardisieren, um eine Quantifizierung des vorhandenen Gases zu ermöglichen. Diese Messung wird unter unterschiedlichen Messbedingungen konsistent sein (z. B. wird der gleiche Messwert das gleiche Ergebnis liefern, selbst wenn ΔT aufgrund unterschiedlicher Messbedingungen unterschiedlich ist).

QOGI kann zwei Arten von Ergebnissen erzeugen:

1. Konzentrationsweglänge, ausgedrückt als ppm-m auf Pixelebene, und
2. Massen- oder Volumenvorlaufrate (z. B. Gramm/h oder Liter/min).

Abbildung 3 – Beispiele für Propan mit unterschiedlichen Konzentrationsweglängen

Die Masse- oder volumetrische Leckrate erfordert einen weiteren algorithmischen Prozess, um die Messungen auf Pixelebene zu der Wirkung des Lecks als Ganzes zusammenzufassen. Der Algorithmus berücksichtigt auch die Entfernung und die Windbedingungen, die die Messung der Masse oder der volumetrischen Leckrate beeinflussen.

Eine qOGI-Lösung bietet zwei Betriebsmodi: Echtzeit-Nutzung und Q-Modus-Betrieb.

Vor Ort (Echtzeit-Nutzung) schließen Sie einfach einen robusten Tablet-Computer, der die Software zur Quantifizierung des abgebildeten Gases enthält, direkt an Ihre FLIR OGI-Kamera (GF320, GFx320 oder GF620) an und sie beginnt sofort mit der Quantifizierung der Live-Ansicht auf das Leck.

Optische Gasdetektionskamera FLIR GFx320

Im Q-Modus-Betrieb können Sie das Video zur späteren Verwendung in der Kamera speichern. Anschließend können Sie die Dateien auf das Tablet herunterladen, um Lecks im Nachhinein zu quantifizieren.

Das Tablet selbst umfasst handelsübliche Technologie, die für die Plug-&-Play-Nutzung mit FLIR OGI-Kameras entwickelt und hergestellt wurde (ein USB-Kabel verbindet die Geräte während des Einsatzes vor Ort und die SD-Karte der Kamera kann für den Q-Modus-Betrieb entfernt werden) und erfordert keine regelmäßige Kalibrierung. Daher verläuft die Implementierung für bestehende Benutzer von OGI-Kameras übergangslos.

Darüber hinaus unterliegt das Tablett nicht der gleichen Verschlechterung von Komponenten, die TVAs- und BHFS-Systeme erfahren, die regelmäßig toxischen Gasen ausgesetzt sind. Während Ersatzkomponenten für TVAs möglicherweise leicht erhältlich sind, wurden BHFS-Geräte seit 2016 nicht mehr hergestellt.

Beachten Sie schließlich, dass qOGI es Benutzern ermöglicht, Lecks als Teil des Quantifizierungsprozesses zu visualisieren. Bewegung kann sich (wie bei jeder Kamera) nachteilig auf die Leistung auswirken. Daher müssen Benutzer die Kamera über ein Stativ stabilisieren.

FAZIT

Da es sich bei qOGI um eine junge Technologie handelt, gibt es in den USA keinen regulatorischen Treiber für seine Verwendung, aber seine Vorzüge als Werkzeug für interne Zwecke sind unbestritten. Tatsächlich
hat ein führendes Unternehmen der Öl- und Gasindustrie die Technologie im Feld getestet2 und ihre Eignung zur Quantifizierung von allem, von vorgelagerten ICR-Anforderungen und Tankemissionen bis hin zu DTM LDAR-Komponenten (nachgelagert) und Wartungs-/Zuverlässigkeitsüberwachung, untersucht.
Zusätzlich zu seinen offensichtlichen Sicherheitsvorteilen gegenüber alternativen Gasquantifizierungs-Methoden wurde qOGI von CONCAWE3 strengen Tests durch Dritte unterzogen und hat sich als einfacher, schneller und genauer als Technologien wie TVA erwiesen. QOGI ist auch als Add-on zu bestehenden OGI-Kameras kostengünstig und versetzt Öl- und Gasbetreiber in die Lage, in den Gemeinden, in denen sie tätig sind, an der Spitze des zukunftsorientierten Umweltbewusstseins zu stehen.

ÜBER DEN AUTOR

Craig R O’Neill arbeitet seit über 17 Jahren für FLIR und ist seit der Einführung kommerzieller optischer Gasbildkameras im Juni 2005 aktiv am OGI-Markt beteiligt. Derzeit trägt er die weltweite Verantwortung für den Geschäftsbereich Optical Gas Imaging und die Strategie für FLIRs Lösungen in der Öl- und Gasindustrie. In dieser Funktion ist er das Bindeglied zwischen Kunden, Interessenvertretern aus der Industrie, strategischen Partnern und vielen vertikal integrierten Aspekten des Geschäftsbereichs FLIR Instruments, einschließlich Vertrieb, Marketing, Technik und Produktmanagement. Sein Ziel ist es, die Ausrichtung von FLIR sicherzustellen, um Sensorlösungen bereitzustellen, die die Anforderungen der Öl- und Gasindustrie erfüllen.

ÜBER FLIR SYSTEMS, INC.

FLIR Systems wurde 1978 gegründet und hat seinen Hauptsitz in Wilsonville, Oregon, USA. FLIR Systems ist ein weltweit führender Hersteller von Sensorsystemen, die die Wahrnehmung und die räumliche Orientierung verbessern und so dabei helfen, Menschenleben zu retten, die Produktivität zu steigern und die Umwelt zu schützen. Mit seinen gut 3.500 Mitarbeitern verfolgt FLIR die Vision, „The World’s Sixth Sense“ zu sein, indem wir das Potenzial der Wärmebildtechnik und angrenzender Technologien ausschöpfen, um damit intelligente Lösungen für die Sicherheit und Überwachung, die Umgebungs- und Zustandsüberwachung, Outdoor-Freizeitaktivitäten, das maschinelle Sehen, die Navigation und die erweiterte Bedrohungserkennung bereitzustellen. Weitere Informationen finden Sie auf www.flir.com. Folgen Sie uns auf @flir.

Ressourcen

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

Weitere Informationen zur optischen Gasbildgebung finden Sie unter: www.FLIR.com/ogi