SISTEMA DE TOCHA ( flare)
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Índice
1-
Introdução
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2-
Sistemas de despressurização despress urização e alívio
4
3-
Sistema de tocha de alta pressão
6
4-
Sistema de tocha de baixa pressão
6
5-
Combustão
10
6-
Tipos de tocha
13
7-
Componentes de sistemas de tocha
23
8-
Problemas freqüentes
29
9-
Procedimentos Procediment os de monitoração operacional
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Índice
1-
Introdução
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2-
Sistemas de despressurização despress urização e alívio
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3-
Sistema de tocha de alta pressão
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4-
Sistema de tocha de baixa pressão
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5-
Combustão
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6-
Tipos de tocha
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7-
Componentes de sistemas de tocha
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Problemas freqüentes
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Procedimentos Procediment os de monitoração operacional
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Introdução O sistema de tocha, conhecido também como sistema de f l a r e, tem a função de descartar, com segurança, o gás não aproveitado nas plataformas, evitando a formação de nuvem inflamável que poderia provocar explosão ou incêndio. O prazo de uma intervenção em f l a r e varia de 10 a 20 dias, utilizando o método convencional de montagem off-shore , o que representa uma perda de receita significativa e a mobilização de grandes recursos de logística e de montagem. A ocorrência de várias paradas de intervenção em sistemas de tocha incentivou a elaboração desta apostila, que tem o objetivo de auxiliar na redução d as causas operacionais dos problemas.
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Sistemas de despressurização e alívio O gás direcionado ao flare pode ter origem em um evento normal, como a parada de um compressor ou em um evento de segurança, como a abertura de uma válvula de alívio de pressão de um vaso. O sistema de tocha é geralmente subdividido em duas partes: tocha de alta pressão e tocha de baixa pressão. O gás dos equipamentos cuja pressão de operação consiga vencer uma resistência de até 5 psig nos orifícios de saída de gás no queimador é coletado por uma rede de dutos denominada sistema de despressurização e alívio de baixa pressão. Analogamente, os equipamentos cu ja pre ss ão de opera ção seja compatível com pressão superior a 5 psig nos orifícios de saída de gás no queimador, são assistidos pelo sistema de despressurização e alívio de alta pressão. A instalaçã o das duas redes de coleta é va ntajosa porq ue a pre ss ão disponível no sistema de despressurização e alívio pode ser convertida em velocidade de saída de gás no queimador, para aumentar a mistura de ar do ambiente e melhorar a combustão. Se considerarmos que a vazão do flare de alta é muito maior que a vazão de flare de baixa a vantagem da segregação fica evidente. O dimensionamento do sistema de despressurização e alívio leva em conta, além das vazões produzidas por paradas normais de equipamentos, outras vazões produzidas por situações de emergência como: fogo em áreas selecionadas, erro de manobra ou despressurização total de planta. No último evento, para não aumentar demasiadamente o diâmetro das linhas e a capacidade da tocha, as linhas de alívio das BDV (blow down valves ) são equipadas com orifícios de restrição. Os sistemas de despressurização e alívio são projetados segundo a norma API RP-521, de tal forma que nenhuma PSV (pressure safety valve) tenha sua capacidade de alívio diminuída devido à contra pressão existente ou desenvolvida. O sistema de vent é outra rede de dutos que coleta os vapores de tanques e os descarta na atmosfera sem queima devido seu volume reduzido. Geralmente a extremidade de sistema de v e n t está localizada no meio da estrutura de suporte do sistema de tocha. As linhas do sist ema de v e n t e dos sistemas de despressurização e alívio devem ter caimento para ao vaso do flare. Os pontos baixos, que possibilitem o acúmulo de líquido, devem ser equipados com válvula de drenagem.
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Sistema de tocha de alta pressão O sistema é constituído pelo vaso do flare que tem a função de separar as partículas líquidas carreadas pelo gás e por uma tocha com um ou mais queimadores de gás. As partículas líquidas podem ser produto da condensação do gás ou do arraste de petróleo da planta. A queima deste líquido representa, além do não aproveitamento de hidrocarboneto, a produção maior de fumaça e de radiação térmica. A alta temperatur a gerada pelo poder calorífico do líquido encurta a vida útil do queimador. O petróleo arrastado pode coquear e obstruir os orifícios de saída de gás dos queimadores. O sistema de tocha tem a fu nção de queimar o gás sem produzir fumaça e com níveis de radiação térmica e ruído baixos. Devido à grande diferença entre as vazões de operação máxima e mínima, é difícil atender todos os requisitos com um único queimador. As plataformas mais recentes são equipadas com tochas de múltiplos queimadores que otimizam a combustão.
Sistema de tocha de baixa pressão O sistema de baixa pressão também é constituído por um vaso de
flare e por uma tocha com um ou mais queimadores de gás.
Devido à pressão baixa do seu sistema de despressurização e alívio, esta tocha produz mais fumaça, e sua chama é, relativamente, mais radiante que a chama de alta pressão, devido ao maior peso molecular do gás de baixa pressão.
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Vaso de tocha e Manifold de estágio
Tocha
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Combustão A combust ão é uma reação entre um co mbust íve l e oxigênio que produz: calor, CO2, vapor de água e outros produtos como SO2 e NOx. O oxigênio da reação vem do ar. A fumaça na tocha é produto da co mbust ão incompleta de hidrocarboneto. Uma causa de produção de fumaça é a mistura em proporções inadequadas de ar e gás. A mistura de ar é regulada pela turbulência provocada pela velocidade de saída do gás no queimador. Existe uma velocidade limite superior que provoca o descolamento da chama e o apagamento da tocha. Cada gás tem um limite de velocidade que está relacionado à velocidade de propagação da chama neste gás. O ruído produzido pelo flare está relacionado à velocidade de saída do gás. Os sistemas de tocha que operam em regime sônico, têm o comprimento da lança definido pelos projetos de radiação térmica e de nível de ruído. Outra causa de produção de fumaça na tocha é a queima do líquido arrastado que requer mais ar que o disponível e a pulverização do líquido. Parte do calor gerado pela queima de hidrocarboneto incide sobre a plataforma por radiação. Os produtos de combustão que emitem radiação são: CO2, H2O e, principalmente, as partículas de carbono (fuligem) que dão a tonalidade vermelha à chama. Uma chama avermelhada é mais radiante que uma azulada. A radiação térmica incidente na plataforma depende da composição do gás, que determina o poder calorífico e a fração de calor ra diante, e depende também do formato da chama porque quanto maior a imagem da chama visual izada por um observador, maior a radiação incidente sobre ele.
Influência da velocidade do gás na combustão
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Combustão de gás natural
Combustão de propileno
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Radiação térmica do flare em relação a um observador
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Tipos de tocha As platafor mas da UN-B C sã o equipadas com os seguintes tipos de tocha: 1 - Pipe flare ou Utility flare – É a tocha mais simples, composta por um tubo aberto. É suscetível a emitir fumaça devido à baixa velocidade de saída de gás, sua chama é longa e instável, com nível de radiação elevado. É equipada com os seguintes acessórios: - retentor de chama (flame retention ring ) - é um anel composto por vários defletores instalado no interior da extremidade da tocha que tem a função de estabilizar a chama, criando uma zona de baixa pressão, para onde migra uma corrente permanente de gás, assegurando a “ancoragem” da chama. - defletor de vento ( windshield ) - é uma estrutura que tem a função de proteger a extremidade da tocha, afastando a chama que é atraída pela zona de baixa pressão na face abrigada do vento. - selagem de ar (purg e re ducti on seal ) – é um equipamento que reduz a vazão de gás necessária para evitar a entrada de ar para o interior da tocha. Existem dois tipos de selagem: •
•
O selo fluídico é uma redução do diâmetro interno do queimador que provoca um incremento de velocidade do gás, que arrasta o ar para fora da tocha. O selo molecular é um equipamento que provoca duas mudanças de sentido na corrente de gás, criando um bolsão de gás que obstrui a entrada de ar.
Este tipo de tocha está instalado em plataformas antigas como: PNA-1, PNA-2, PCH-1 e PCH-2. Nas plataformas onde não existe a separação do sistema de despressurização e alívio de alta pressão do de baixa pressão, o desempenho do equipamento é ainda mais prejudicado devido à baixa velocidade de saída de gás.
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Pipe flare
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Defletor de vento
Retentor de chama
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Selo fluídico
Selo molecular
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2 - Multiponto ou Multiflare – A tocha é composta de vários conjuntos de queimadores denominados estágios. Um sinal de processo, geralmente pressão, é interligado ao painel de controle da tocha que abre as válvulas dos estágios adequados para uma faixa de vazão de gás. Cada válvula de estágio tem no seu by-pass uma válvula de alívio de pressão, do tipo pino de cisalhamento. Devido ao ajuste da velocidade do gás no queimador, captura e mistura ar do ambiente, produzindo queima sem fumaça, e devido ao arranjo de queimadores que modela a chama, tem radiaçã o térmica baixa. Instalado em plataformas mais recentes como: P-25, P-31, P-35 e P-37.
Flare multiponto
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Configuração de multiflare
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Pressão
P3 P2 P1
1o Estágio + 2o Estágio
1o Estágio + 2o Estágio + 3o Estágio
1o Estágio
Q1
Q2
Estagiamento de multiflare
Queimador de multiflare
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Q3
Vazão
3 - Multiponto com tulipa móvel – É uma tocha cujo estagiamento é feito pela calibração das molas das tulipas móveis. A área na base da tulipa por onde sai o gás é variável de acordo com a vazão, porque a tulipa se move de acordo com a resultante das forças peso e de empuxo de gás na mola que a sustenta. O formato da tulipa produz o efeito Coanda na corrente de gás, que em vez de adquirir uma direção tangencial, percola pela sua superfície, criando uma extensão da zona de velocidade alta que aumenta a mistura ar do ambiente na corrente de gás. O sistema necessita pressão de operação maior que o multiflare. Apresenta as seguintes características: dimensões reduzidas, peso baixo, rapidez de instalação, montagem opcional com helicóptero. Instalado nas plataformas P-19, P-20 e P-33. 4 – Multiponto com gás de assistência – É utilizado como queimador de gás de baixa pressão. Tem a configuração de um multiponto acrescido de uma saída de gás do sistema de alta pressão junto a cada um dos queimadores. O gás de alta pressão aumenta a mistura de ar e melhora a combustão.
Flare multiponto com tulipas móveis e Flare multiponto com gás de assistência
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Flare multiponto com tulipa móvel
Efeito Coanda em tulipa de flare 18
Flare multiponto com gás de assistência
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Componentes de sistemas de tocha Piloto - É uma chama permanentemente acesa que assegura a ignição de todo gás direcionado ao flare. É composto por uma linha de gás suprida pelo sistema de gás combustível, equipada com um filtro e um ejetor na extremidade próxima da tocha, que tem a finalidade de adicionar ar ao gás, formando uma mistura inflamável. Para plataformas com queima de gás intermitente e aquelas sujeitas a ventos fortes que apagam o flare, é necessário ter pilotos confiáveis em redundância.
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Piloto
Detalhe do piloto
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Sistema de acendimento de piloto - É um gerador da fonte de calor que causa a ignição do piloto. O sistema mais simples é formado por uma vela instalada na linha do piloto. Outra configuração, conhecida como “bola de fogo”, é composta por um painel instalado na base da lança do flare, que abriga, entre outros, uma linha de gás combustível equipada com uma válvula reguladora de pressão, e uma linha de ar comprimido equipada com uma válvula reguladora de pressão. A função das válvula s reguladoras de pressão é facilitar a dosagem manual de uma mistura inflamável que preenche uma linha de ignição interligada à extremidade da linha do piloto. Uma vela instalada no painel provoca a ignição da mistura e uma frente de chama se propaga até o piloto para acendê-lo. Como um sistema de flare tem vários pilotos, cada um deles tem sua linha de ignição no painel, de onde é possível direcionar a “bola de fogo” através de um jogo de válvulas. O sistema de vela t em vida útil menor que a “b ola de fogo” por estar mais exposto à radiação. O sistema de “bola de fogo” pode ser vida útil grande quando as linhas de ignição são de aço inoxidável e o líquido condensado nestas linhas é drenado periodicamente.
Sistema “bola de fogo”
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Sistema de monitoramento do piloto - É um sensor da chama do piloto. O
sistema mais usado é o termopar. O termopar é um circuito formado por dois fios condutores feitos de metais diferentes, no qual circula uma corrente proporcional à diferença de temperatura entre as junções. A junta quente é instalada de modo a sentir o calor sem se expor à chama do piloto, o que poderia reduzir sua vida útil. O termopar é interligado ao painel de controle que indica a falha do piloto quando a temperatura cai abaixo de um valor definido. Existem outros métodos de monitoramento do piloto como o sensor ótico do infravermelho da chama, o sensor da ionização dos produtos de combustão e o sensor acústico da crepitação da chama. Geralmente um destes métodos é utilizado em conjunto com o termopar, como monitoração redundante.
Sensor de Infravermelho
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Sensor de som
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Painel de controle e alarme – É um painel que contém os cartões de controle de estágio, as luzes indicativas da situação de cada piloto, as válvulas reguladoras de pressão de gás combustível para o piloto e para o sistema de acendimento do piloto, a válvula reguladora de pressão de ar comprimido para o sistema de acendimento do piloto, e as válvulas manuais de dosagem da “bola de fogo”.
Painel de controle e alarme
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Problemas freqüentes Os principais problemas operacionais são: 1 - Arraste de líquido O problema está relacionado com o descontrole de nível ou da injeção de antiespumante em separador. Como o nível muito alto no vaso de flare fecha os poços, a operação é tentada a “administrar” a situação queimando o óleo arrastado enquanto busca debelar a causa do problema. Esta prática ameaça a segurança e o meio ambiente, havendo registros de fogo na superfície do mar e de corrente de fogo pela lança, e ainda, danifica os queimadores devido ao tamponamento de seus orifícios, provocado pelo coqueamento do petróleo arrastado. A queima de líquido também deforma queimadores e estrutura secundária devido à alta temperatura gerada pelo seu poder calorífico. Outra prática é verter o líquido do vaso do flare no seu skid. Este procedimento ameaça a segurança, porque cria um acúmulo de material inflamável em espaço aberto.
Queima de petróleo
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Distribuidor (header) deformado após queima de petróleo
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2 – Estagiamento de tochas multiponto O problema operacional mais importante relacionado ao estagiamento de multiflare é a ocorrência de um surto de pressão, por exemplo, na parada de um compressor de gás, que não é respondida pelo controle de estágio com a rapidez necessária e a conseqüente abertura de uma válvula de pino de cisalhamento. Caso a operação não perceba este evento, teremos um número excessivo de queimadores de gás em serviço, após a partida do compressor. Nesta situação, a chama se aproxima dos queimadores, provocando sua degradação precoce devido à alta temperatura. Outros problemas que provocaram intervenções em sistemas de tocha como: descumprimento de plano de manutenção, uso de material inadequado e erro de projeto, tiveram as causas diagnosticadas e a repetição bloqueada pelas melhorias de práticas de manutenção, de procedimentos de fiscalização e de especificação técnica.
Queima com estágios abertos
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Painel de controle
Válvula de estágio 29
Procedimentos de monitoração operacional O SINPEP da UNBC contempla os procedimentos de monitoração operacional de sistemas de tocha abaixo: PE-27-01851-A – Procedimentos para monitoração operacional de sistemas de tocha do tipo KMI PE-27-01852-A – Procedimentos para monitoração operacional de sistemas de tocha do tipo pipeflare PE-27-01853-A – Procedimentos para monitoração operacional de sistemas de tocha do tipo multiflare
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Procedimentos para monitoração operacional de sistemas de tocha do tipo Multiflare 1 Objetivo Estabelecer procedimentos para o acompanhamento de parâmetros operacionais de sistemas de tocha do tipo Multiflare.
2 Documentos complementares - Relatório do GT Flare
3 Definições M u l t i f l a r e –
tocha constituída por vários conjuntos de queimadores denominados estágios, que são acionados de acordo com a vazão de gás.
T i p –
extremidade da tocha, que contem a abertura por onde sai o gás.
LSH – “ level switch high ” - chave de nível alto, ligado ao um sinal de alarme desta situação no sistema de supervisão operacional da platafo rma. CFTV – circuito fechado de televisão. FFG – “fire front generator” - sistema de acendimento de piloto composto por um painel que abriga uma linha de gás combustível equipada com uma válvula reguladora de pressão, e uma linha de ar comprimido equipada com uma válvula reguladora de pressão. A função das válvulas reguladoras de pressão é dosar uma mistura inflamável que preenche uma linha de ignição interligada à extremidade da linha do piloto. Uma vela provoca a ignição da mistura e uma frente de chama se propaga até um piloto para acendê-lo. HP – “high pressure” - pressão alta ECOS - Estação Central de Operação e Supervisão 4 Aplicação
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Nas plataformas equipadas com sistemas de tocha de alta pressão do tipo Multiflare. 5 Parâmetros operacionais e periodicidade de monitoração Os itens de monitoração estão listados no fluxo de processo anexado abaixo: Anexo 1 - Fluxo de Processo de Multiflare.xls
6 Planilha de acompanhamento operacional A evidência do acompanhamento operacional deverá ser o preenchimento diário da planilha abaixo: Anexo2 - Planilha Multiflare.doc
7 Fluxo de informação O resumo da situação do sistema de tocha, registrada nas planilhas de acompanhamento operacional, ressaltando os desvios deverá ser informado no Boletim Diário de Produção (BDP) da plataforma, e servirá como atestado do cumprimento diário da rotina de acompanhamento.
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FLUXO DE PROCESSO PARA MULTIFLARE O QUE fumaça
POR QUE evidência de queima de líquido arrastado ou velocidade de gás baixa (estágios em excesso)
QUEM operador de produção
ONDE na área operacional ou na sala de controle (CFTV)
QUANDO duas vezes por dia
COMO análise visual
cor de chama
evidência de queima de líquido arrastado
operador de produção
na área operacional ou na sala de controle (CFTV)
duas vezes por dia
análise visual
distância entre chama e
associado à vazão de gás (regular a vazão gás de purga)
operador de produção
na área operacional ou na sala de controle (CFTV)
duas vezes por dia
análise visual
névoa ou gotejamento de petróleo pressão no vaso do flare
evidência de arraste de líquido evidência de vazão de gás baixa (regular a vazão de gás de purga)
operador de produção
na área operacional
duas vezes por dia
análise visual
operador de produção
na área operacional ou na sala de controle (ECOS)
duas vezes por dia
manômetro ou tela da ECOS
piloto aceso
assegurar queima de gás
operador de produção
na área operacional ou na sala de controle (CFTV)
duas vezes por dia
análise visual
operador de produção
na área operacional
duas vezes por dia
medidor de vazão ou verificação de alinhamento de gás
operador de produção
na sala de controle (ECOS)
permanente, com a consolidação dos dados duas vezes por dia
monitoração na ECOS
tip
vazão de gás de purga
evitar o retorno de chama ou regular a distância entre chama e tip frequência de evidência de operação da arraste de bomba do líquido vaso de flare
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frequência do alarme de nível alto do vaso de flare
evidência de arraste de líquido
operador de produção
na sala de controle (ECOS)
permanente, monitoração na com a ECOS consolidação dos dados duas vezes por dia
estado da chave de nível muito alto do vaso do flare (não inibir) estagiamento
evitar a queima de líquido
operador de produção
na sala de controle (ECOS)
uma vez por monitoração na dia ECOS
assegurar a operação correta do sistema de tocha
operador de produção
na área operacional ou na sala de controle (ECOS)
duas vezes por dia
identificar os estágios em operação e verificar a curva de operação da tocha (gráfico pressão x vazão)
válvulas de pino de flambagem
assegurar a operação correta do sistema de tocha
operador de produção
na área operacional
uma vez por dia
verificar o estado dos pinos de flambagem(reparar os desvios imediatamente)
drenagem da linha de acendimento de piloto (FFG)
assegurar a operação do sistema de acendimento de piloto
operador de produção
no painel de piloto do flare
uma vez por semana
acionamento da válvula de drenagem do sistema FFG
supervisor de operação e operador de produção
no painel de piloto do flare
a cada seguir os embarque da procedimentos equipe de acendimento
supervisor de operação, técnicos de manutenção e de instrumentação
na área operacional
treinamento praticar os de procedimentos acendimento de de piloto acendimento (FFG) de flare teste funcional de válvula de estágio
assegurar o serviço do equipamento e planejamento de manutenção
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uma vez por semestre
abrir e fechar a válvula
