Clayton A. Francis, Zeeco Inc, USA, discute des exigences des systèmes modernes de détection des pilotes de torche.
Dans une usine, que ce soit pour la production, le transport ou le traitement des hydrocarbures, une torche est un dispositif de sécurité obligatoire. Les torchères ont pour fonction de brûler les gaz inflammables et toxiques qui sont évacués en urgence afin de protéger la sécurité de l'usine et des personnes à proximité. Un composant impératif du système de torche est le pilote, car un pilote allumé garantit l'allumage correct de ces dispositifs de secours. Sans pilote fiable, les rejets peuvent s'échapper dans l'atmosphère, avec des conséquences sur l'environnement, la sécurité du personnel et l'explosion. Déterminer l'état du pilote de la torche est d'une importance critique et, dans de nombreuses installations dans le monde, c'est également un mandat légal.
Défauts de la technologie de détection pilote existante
Avant l'avènement de la détection fiable par fibre optique, l'industrie pétrolière et gazière s'appuyait sur les thermocouples pour déterminer l'état de la combustion. Cette approche s'est généralement avérée fiable pour les tâches habituelles, mais il existe de nettes lacunes lorsque les thermocouples sont utilisés pour détecter les flammes pilotes. Les utilisateurs finaux des équipements de combustion ont identifié plusieurs défis liés aux technologies traditionnelles de détection des flammes pilotes. En raison de ces inconvénients, les critères pour une nouvelle solution de pilote de torche sont remontés à la surface. Cet article aborde ces critères plus en détail.
Discrimination précise entre les flammes individuelles des pilotes
Les vendeurs de torches sophistiqués positionnent le thermocouple de manière à ce qu'il réponde le mieux à la flamme du pilote de la torche, distincte de la flamme générale de la torche. De cette façon, un statut de pilote exclusif est relayé au système de contrôle dans la plupart des opérations. Cependant, comme les thermocouples détectent la chaleur, même les systèmes les plus compétents sont sujets à des indications de pilote faussement positives du côté aval de la torche lorsque le pilote peut devenir saturé de chaleur par l'impact de la flamme. La sécurité du fonctionnement de la torche est mieux assurée par l'identification discrète de l'état de chaque pilote individuel, mais, parfois, cela n'est tout simplement pas possible avec les thermocouples.
Une solution robuste ou maintenable qui dure entre deux révisions
Bien que les thermocouples soient l'une des technologies les plus robustes utilisées pour la détection des pilotes, ils restent en fin de compte une technologie consommable. Zeeco protège et préserve l'intégrité d'un thermocouple grâce à un puits thermométrique intégré dans le boîtier du pilote, à un placement stratégique, à un blindage et à une isolation. Cependant, de nombreuses usines repoussent les délais d'exécution au-delà de cinq ans, de sorte que même avec ces mesures de protection, les thermocouples devront statistiquement être remplacés à l'intérieur de la fenêtre. La plupart des thermocouples sont de type fixe et ne peuvent être entretenus que lorsque la torche (et donc l'usine desservie par la torche) est arrêtée et improductive. Les systèmes de thermocouples rétractables permettent de surmonter en grande partie le problème de l'entretien et de l'accessibilité des thermocouples, mais ils n'existent que dans une petite minorité de toutes les installations de torches.
Signal instantané de flamme/pas de flamme par pilote
La demande de détection instantanée de l'état de la veilleuse s'est accrue au fil des ans. Un pilote peut s'éteindre et, même en l'absence d'une flamme de torche, il peut s'écouler plusieurs minutes avant que le puits thermométrique et le bouclier du pilote ne refroidissent en dessous du point de commutation du thermocouple, ce qui ne fait que signaler à l'opérateur l'absence de flamme de pilote. Si la torche utilise un gaz de purge combustible, le thermocouple du pilote sous le vent peut potentiellement ne jamais refroidir suffisamment pour enregistrer un pilote non fonctionnel. Même avec une programmation de la pente, des points de commutation multiples ou une transmission analogique du signal de température, le thermocouple du pilote n'indique pas immédiatement le véritable état du pilote. Si cet inconvénient est largement compris et a été accepté par l'industrie dans le passé, les conséquences potentielles sur la sécurité et l'environnement d'un signal retardé sont désormais une préoccupation croissante.
Discrimination précise entre la flamme pilote et la flamme de torche
D'autres technologies sont appliquées dans le but de surmonter les défauts perçus des thermocouples, mais celles-ci, à leur tour, introduisent d'autres problèmes opérationnels et fonctionnels. Il est arrivé qu'une torche perde la plupart ou la totalité de ses signaux pilotes de thermocouples plusieurs mois ou années avant qu'un arrêt de maintenance planifié ne permette de remplacer l'équipement endommagé. Comme mesure provisoire pour obtenir une indication de la présence du pilote, les opérateurs peuvent installer un moniteur infrarouge (IR), monté au niveau du sol. Bien que le signal de flamme soit instantané et que l'équipement soit facile à entretenir lorsque la torche est en marche, le signal ne fait souvent pas la distinction entre les pilotes ou entre les flammes des pilotes et celles de la torche. Une indication générale de flamme est donnée, mais un ou plusieurs des pilotes peuvent ne pas fonctionner. L'opérateur a un faux sentiment de sécurité en raison de la lecture faussement positive.
Qu'en est-il des barres d'ionisation de flamme ?
Les tiges d'ionisation de flamme peuvent être appliquées à des pilotes de torche individuels, et ce faisant, un signal de pilote individuel discret et instantané est donné. Cependant, l'environnement ouvert d'une torche est une application plus sévère pour les tiges de flamme que l'installation de chauffage typique, et l'expérience de l'industrie a généralement indiqué que les tiges de flamme ne peuvent pas fonctionner de manière fiable entre les possibilités d'arrêt. D'autres techniques moins courantes existent, mais elles peuvent ne pas atteindre l'objectif complet d'une détection rapide, précise et très durable des pilotes.
Conception de systèmes à fibres optiques
Presque tout le monde connaît aujourd'hui la facilité de prendre une photo avec un smartphone. En fait, la qualité et la clarté des photos amateurs prises aujourd'hui via un smartphone peuvent rivaliser avec celles des équipements professionnels portables d'il y a 30 ans. La technologie de la fibre optique - qui utilise des impulsions de lumière se déplaçant le long d'un câble ou d'une fibre à âme en verre ou en plastique - est utilisée depuis des décennies pour transmettre des données sur de longues distances.
L'utilisation de la technologie de détection optique pour la détection des flammes pilotes n'est pas une pratique rare. Toutefois, les systèmes actuels "surveillent" généralement la flamme de la torche à distance et ont du mal à distinguer les flammes pilotes de la flamme de la torche. Pour relever ce défi, le système de surveillance de la flamme pilote par fibre optique Zeeco VerifEYE utilise la technologie de la fibre optique, montée de manière intégrée dans la flamme pilote, pour relayer l'état d'allumage de chaque flamme pilote unique à un moniteur au sol en temps réel. Un capteur optique dans le moniteur discerne l'état du pilote et contrôle l'allumage et le fonctionnement du pilote.
Une grande partie de l'effort de développement pour réussir à utiliser la technologie de la fibre optique de cette manière a dû être concentrée sur les 10 pieds supérieurs critiques situés dans la zone affectée par la chaleur (HAZ) de la torche. Tout équipement situé dans la ZAC doit résister aux températures extrêmes présentes lors de la détection de la flamme pendant une durée de vie importante. Les ingénieurs ont résolu ce défi en centrant l'assemblage de la fibre optique dans la tuyauterie de pré-mélange air-gaz (Figure 1). Le flux continu d'air et de gaz pendant le fonctionnement crée une barrière thermique contre les températures de combustion. Contrairement à d'autres technologies telles que les thermocouples et les tiges de flamme, les fibres optiques ne sont pas en contact avec la flamme car l'extrémité réceptrice de la fibre se termine en toute sécurité avant l'extrémité du gaz. Même si l'assemblage du capteur est protégé de la zone à risque, des fibres et des céramiques spécialisées garantissent que l'équipement peut résister à la chaleur, ainsi que le pilote lui-même.
Figure 1. Trajet de la fibre optique (ligne rouge) à travers l'assemblage du pilote, montrant la barrière thermique fournie par le flux d'air et de gaz vers le pilote. L'extrémité "collectrice" du capteur se trouve à une distance protégée de la zone de combustion.
Des fixations et des connecteurs mécaniques ont été sélectionnés pour ce système de surveillance pilote par fibre optique, en tenant compte de l'étanchéité au gaz, du mouvement thermique et de l'assemblage sur le terrain pour garantir la durabilité et la facilité d'utilisation. Le système utilise un assemblage modulaire de segments de câble en fibre durable pour la robustesse, l'abordabilité et la facilité d'installation du câble dans la torche (Figure 2). L'effet cumulé de ces aspects de conception crée un système de surveillance pilote qui ne nécessite aucune maintenance régulière ou anticipée entre les arrêts de l'usine. L'électronique de maintenance est au niveau du sol, hors de la zone dangereuse, et facilement accessible lorsque la torche est en service.
Figure 2. Pile de torches, montrant le montage d'un ensemble contenant des faisceaux de câbles à fibres optiques intégrés.
L'angle de vue étroit de la fibre se concentre sur l'arrière de la buse pilote où la flamme pilote est stabilisée. Toute la vue de la fibre est saturée d'énergie IR, qui est collectée et transmise au niveau du sol. La quantité totale de signal IR disponible pour le capteur au niveau du sol est supérieure de trois ordres de grandeur au volume minimal du point de commutation, ce qui signifie que la dégradation normale de l'équipement au fil du temps n'empêchera pas le système de déterminer l'état du pilote. En plus du capteur à fibre optique qui se concentre sur les pilotes individuels, le moniteur au sol intègre une technologie de scintillement de la flamme pour distinguer la flamme du pilote de celle de la torche. Étant donné que la flamme du pilote est prémélangée avec de l'air et qu'elle sort par de petits orifices, elle présente un "scintillement" de fréquence rapide perceptible par le détecteur optique, qui diffère de la pulsation plus lente de la flamme de la torche. Un logiciel intégré au moniteur optique élimine alors le scintillement de plus basse fréquence et peut faire la distinction entre les flammes pilotes et les flammes de torche. Aucun signal pilote faussement positif n'est émis et les opérateurs sont alertés des problèmes potentiels avant qu'ils ne se manifestent par une flamme éteinte.
Figure 3. La vérification de la flamme pilote par le système à fibre optique se fait en 4 secondes. La vérification de la flamme pilote par thermocouple se fait en 1 min. 26 sec.
Figure 4. Le système à fibre optique vérifie les multiples défaillances du pilote et les rallumages réussis. Le thermocouple n'atteint pas le point de commutation de consigne pendant les défaillances intermittentes. Le système enregistre la défaillance finale 0,166 sec. après qu'elle se soit produite et le thermocouple enregistre une défaillance 23 min. après que la défaillance finale se soit produite.
Conclusion
La technologie de pointe est ce que les consommateurs attendent de l'électronique, et c'est ce que les industries de transformation devraient exiger des équipements de sécurité. Un signal de flamme pilote précis, durable et instantané est possible grâce à la nouvelle génération de technologie de détection des pilotes.
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