Evitar una interrupción con la nueva tecnología de detección de fugas de hidrógeno

El mantenimiento de generadores refrigerados por hidrógeno es vital para el funcionamiento seguro y eficaz de una central eléctrica. La detección y la reparación de fugas de hidrógeno del sistema de refrigeración es un aspecto que puede requerir búsquedas exhaustivas en componentes, válvulas, accesorios u otros lugares. Los métodos tradicionales para la detección de fugas de hidrógeno tienden a ser poco fiables al identificar la fuente de la fuga e ideales para buscar un área general donde haya hidrógeno. Las nuevas cámaras de visualización óptica de imágenes de gas han mejorado mucho la eficacia y el rendimiento de la detección de fugas. Con la adición de una cámara termográfica específica para la detección de fugas de CO2, las empresas de servicios públicos ahora pueden detectar de forma eficaz las fugas de hidrógeno mientras utilizan CO2 como gas trazador.

El funcionamiento de un generador eléctrico produce una gran cantidad de calor que se debe eliminar para mantener la eficiencia. Según la capacidad nominal del generador, este puede ser refrigerado por aire, por hidrógeno, por agua o, en el caso de los generadores de mayor capacidad, por una combinación de agua para los bobinados del estátor e hidrógeno para el rotor. La refrigeración por hidrógeno brinda una eficacia excelente gracias a la conductividad térmica y al alto calor específico de baja densidad. Sin embargo, el hidrógeno es muy inflamable cuando se mezcla con aire y puede resultar peligroso si el nivel de concentración se acumula en un área no deseada. Los generadores de turbina pierden algo de hidrógeno durante el funcionamiento normal y dependen de una ventilación adecuada para que los niveles de hidrógeno no supongan un riesgo de explosión o para la seguridad. Por lo tanto, la seguridad del gas hidrógeno es vital para los operadores de la central eléctrica.

Las moléculas de hidrógeno son muy ligeras y pequeñas, lo que hace que sean difíciles de contener. Durante las interrupciones, el uso y desgaste de las válvulas, los sellos y el equipamiento pueden dar lugar a la aparición de grandes fugas y a la acumulación de niveles de hidrógeno en áreas que pueden afectar a la seguridad de la planta. La cantidad de hidrógeno que se añade cada día se supervisa cuidadosamente. Si aumenta el hidrógeno de reposición, se debe realizar una investigación para encontrar el origen de la fuga. Los métodos tradicionales de detección y reparación de fugas (LDAR) suelen ser lentos y puede que no detecten la fuga con la rapidez suficiente para evitar una parada. Un período de parada puede durar de dos a tres semanas durante las cuales se dedican varios días solo para detectar la fuga. El coste asociado a una parada no programada puede ascender a millones de dólares para una compañía eléctrica. El sector preferiría realizar una detección y reparación de fugas (LDAR) en línea para evitar paradas no programadas, pero hasta la fecha ha habido una limitación en la capacidad para encontrar el origen de una fuga.

Métodos de detección tradicionales

Los métodos para detectar fugas varían desde el uso de una solución jabonosa para crear burbujas en cada componente potencial hasta el uso de sensores de hidrógeno microelectrónicos (dispositivos olfateadores) para detectar el hidrógeno en un área amplia. La solución jabonosa es suficiente para verificar un solo componente, pero la verificación de una fuga en una ubicación desconocida puede tardar semanas. Además, este método solo funciona con fugas pequeñas, ya que un flujo de hidrógeno demasiado elevado apartará la solución hacia un lado y evitará la formación de burbujas. El dispositivo olfateador es una sonda manual que produce una señal de audio cuando se encuentra en las proximidades de una fuga. Aunque es un método de detección relativamente asequible, la prueba del olfateador tiene algunos inconvenientes. Los generadores están ventilados. Esto puede diluir el hidrógeno a menos que uno se encuentre en las proximidades del origen de la fuga. El caudal de aire de ventilación también puede alejar bastante el hidrógeno del origen que provoca la fuga sin delimitar adecuadamente qué componente se debe reparar. Los dispositivos olfateadores no permiten a los operadores ver la fuga, de manera que la inspección siempre implica un trabajo de suposición y una pérdida de tiempo en la búsqueda de la fuente.

Un nuevo enfoque

Las cámaras de infrarrojos, que representan la evolución más reciente en tecnología de detección de gas, han ganado mucha más popularidad entre los equipos de mantenimiento. Las cámaras de infrarrojos o también conocidas como termográficas se han utilizado con éxito para detectar el aislamiento insuficiente en edificios o para encontrar peligros para la seguridad debidos al calor en instalaciones eléctricas. La tecnología de visualización óptica de imágenes de gas con cámaras térmicas se empezó a utilizar hace unos años con SF6 como gas rastreador. Sin embargo, a algunas empresas de servicios públicos les preocupa el uso de SF6 como gas rastreador debido al coste, al potencial de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés, de 23 000) y, en algunos casos, las restricciones sobre el uso extendido de SF6. FLIR Systems colaboró con el sector para desarrollar una nueva generación de visualizadores ópticos de imágenes de gas mediante un gas rastreador que elimina dichas preocupaciones. La nueva cámara de visualización óptica de imágenes de gas GF343 de FLIR utiliza CO2 como gas rastreador, que es de fácil acceso en las estaciones generadoras. El CO2 es económico y tiene un GWP mucho más bajo y muchas menos restricciones en comparación con el uso de SF6. Esto permitirá una aplicación más amplia de la cámara OGI para detectar fugas. Puesto que solo se necesita añadir una concentración pequeña de CO2 (normalmente, del 3 % al 5 %) como gas rastreador al hidrógeno para que las fugas sean visibles en la cámara OGI, se mantiene el nivel de pureza del hidrógeno en la turbina y las operaciones de generación normales pueden continuar. Los ingenieros tienen una nueva herramienta para utilizar en la GF343 de FLIR para buscar el origen de las fugas sin realizar una parada.

Detección de gas rastreador CO2

Mediante la adición de una concentración pequeña de CO2 (<5 %) como gas rastreador al suministro de hidrógeno, el generador seguirá funcionando de manera segura y eficiente. De este modo, el operador y los equipos de mantenimiento pueden supervisar y verificar si hay fugas de hidrógeno a pleno funcionamiento. Durante las pruebas realizadas en Estados Unidos e Italia, se demostró que la GF343 de FLIR puede visualizar una cantidad pequeña (~2,5 %) de CO2 como gas rastreador en el sistema cuando hay una fuga, lo que ayuda a los equipos de mantenimiento a detectar y localizar fugas, y etiquetarlas para repararlas durante una parada o repararlas inmediatamente en el caso de las fugas considerables. Las ventajas que brinda la GF343 respecto a las tecnologías de detección es que la detección de fugas ahora se puede realizar a pleno rendimiento, por lo que se ahorra tiempo y dinero al reducirse el tiempo de parada. El tiempo de parada se puede reducir en dos o incluso tres días, de manera que por cada día de inactividad con un coste de entre 80 000 $ y 100 000 $ (según el tipo y el tamaño del generador), la amortización y la rentabilidad de la inversión al utilizar el CO2 como gas rastreador y la cámara GF343 de FLIR es considerable. Sin embargo, las fugas pequeñas son muy frecuentes y además se pueden convertir en fugas grandes. Con la GF343 de FLIR, los equipos de mantenimiento pueden limitar la concentración de hidrógeno atmosférico por debajo del límite de explosión a tiempo.

Cómo funciona la FLIR GF343

La cámara GF343 de FLIR utiliza un detector de antimoniuro de indio (InSb) con matriz de plano focal (FPA) que tiene una respuesta de detección de 3 a 5 μm y está adaptado espectralmente a unos 4,3 μm mediante el uso de filtrado en frío y la refrigeración del detector con un motor Sterling a temperaturas criogénicas (en torno a 70 °K o -203 °C). La técnica de filtrado en frío o de ajuste espectral es fundamental para la técnica de visualización óptica de imágenes de gas, lo que, en el caso de la cámara GF343 de FLIR, hace que la cámara tenga una respuesta rápida y sea ultrasensible a la absorción de infrarrojos del gas CO2.

Prácticamente, el gas absorbe la energía de fondo como la procedente del aire, del suelo o de otras fuentes del campo de visión de la cámara. La cámara muestra la absorción de energía mediante el contraste térmico en la imagen. La cámara muestra tanto la absorción espectral como el movimiento del gas, por lo que el gas se visualiza como una columna de humo.

La GF343 cuenta con una técnica adicional de sustracción de fotogramas que mejora el movimiento del gas. El Modo de alta sensibilidad (HSM) es la piedra angular de la detección de las fugas más pequeñas. El modo HSM es, en parte, una técnica de procesamiento de vídeo mediante la sustracción de imágenes que mejora la sensibilidad térmica de la cámara de forma eficaz. Un porcentaje de señales de píxeles individuales de fotogramas de la transmisión de vídeo se sustrae de fotogramas posteriores, por lo que mejoran el movimiento del gas, la sensibilidad práctica general y la capacidad de localizar las fugas más pequeñas de gas CO2, incluso sin el uso de un trípode.