石油天然氣工程中HIPPS的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任新華

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司北京分公司，北京 100085)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，石油天然氣工業(yè)對(duì)人員和環(huán)境的保護(hù)要求越來越高。近些年，國內(nèi)外陸續(xù)發(fā)生的多起嚴(yán)重的原油、天然氣井噴和泄漏事故，給企業(yè)、政府以及社會(huì)都敲響了警鐘。利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)提高安全保護(hù)水平、優(yōu)化工藝系統(tǒng)、最大限度地降低可能發(fā)生的危險(xiǎn)概率，已成為工程建設(shè)的必然趨勢。

在多數(shù)石油天然氣設(shè)施方面，為了保證生產(chǎn)的安全，目前大都已應(yīng)用了安全儀表系統(tǒng)(safety instrument system，SIS)。但是對(duì)于少數(shù)危險(xiǎn)程度較高的局部區(qū)域，常規(guī)的安全儀表系統(tǒng)無法達(dá)到將危害降低到最低程度的要求，其難以順利通過危險(xiǎn)分析和安全評(píng)估。因此，需要有針對(duì)性地應(yīng)用性能更加可靠的特殊安全系統(tǒng)。

高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)(high interity pressure protection system，HIPPS)技術(shù)在發(fā)達(dá)國家工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用起步較早，并形成了一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估體系，其在國內(nèi)石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用順應(yīng)了特殊安全保護(hù)的需求，是與國際標(biāo)準(zhǔn)和慣例接軌、引進(jìn)吸收國外先進(jìn)安全理念和安全保護(hù)技術(shù)的一項(xiàng)重要成果［1－4］。

1 HIPPS簡介

高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)(HIPPS)屬于安全儀表系統(tǒng)(SIS)中的一種特殊技術(shù)，通常用于安全等級(jí)要求很高的工藝設(shè)施，其主要通過切斷危險(xiǎn)壓力源來防止下游管線和設(shè)施超壓，從而實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)的目的。HIPPS技術(shù)的應(yīng)用一方面可以降低被保護(hù)對(duì)象的承壓等級(jí)，另一方面可以取消傳統(tǒng)的被動(dòng)安全泄放設(shè)施，如機(jī)械式安全閥和放空火炬等。對(duì)于整個(gè)工程來說，這既提高了安全可靠性，又降低了投資成本。

與常規(guī)SIS系統(tǒng)基本保護(hù)原則一樣，工藝系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)HIPPS一般處于監(jiān)控狀態(tài)，并不參與生產(chǎn)過程的控制，只有當(dāng)生產(chǎn)狀況達(dá)到臨界的危險(xiǎn)狀況時(shí)才觸發(fā)安全保護(hù)動(dòng)作。HIPPS與其他工藝及自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)系如圖1所示。

作為最高等級(jí)的安全保護(hù)，HIPPS的應(yīng)用取決于危險(xiǎn)性和可操作性(hazard and operability，HAZOP)與安全完整性等級(jí)(safety integrity level，SIL)研究的結(jié)果，通過HAZOP和SIL研究確定安全保護(hù)回路的安全完整性等級(jí)。當(dāng)級(jí)別達(dá)到SIL3而又不宜采取安全泄放措施時(shí)，考慮采用 HIPPS［5－8］。

圖1 工藝及控制功能層級(jí)關(guān)系Fig.1 Hierarchy levels relationship of process and control functions

2 HIPPS的設(shè)計(jì)

HIPPS系統(tǒng)通常由壓力檢測傳感器、表決器、執(zhí)行元件以及其他附件等構(gòu)成，系統(tǒng)整體需要獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)的SIL3認(rèn)證。典型的系統(tǒng)組成原理如圖2所示。

圖2 典型HIPPS原理圖Fig.2 Typical philosophy of HIPPS

2.1 傳感器

作為高壓保護(hù)的觸發(fā)元件，HIPPS對(duì)壓力檢測傳感器的可靠性要求很高。

壓力檢測傳感器一般選用測量精度較高的壓力變送器。根據(jù)IEC 61511的要求，為達(dá)到回路整體安全等級(jí)SIL3，壓力變送器采用3選2的配置，即只有任意2個(gè)變送器同時(shí)報(bào)警時(shí)才觸發(fā)HIPPS表決器執(zhí)行關(guān)斷動(dòng)作。壓力變送器的輸出信號(hào)應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA模擬信號(hào)。當(dāng)選用智能型壓力變送器時(shí)，需要將其智能通信功能屏蔽，以避免內(nèi)部參數(shù)受到非正常修改。每臺(tái)壓力變送器都需要獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)的SIL2認(rèn)證。為提高可靠性、降低變送器同時(shí)發(fā)生故障的概率，3臺(tái)變送器需要采用不同制造商的產(chǎn)品。壓力變送器被用于HIPPS安全功能時(shí)，不應(yīng)同時(shí)用于其他的基本過程控制功能［9－10］。

為保證壓力檢測的一致性，變送器應(yīng)從同一工藝位置取壓，并配置可靠性很高的互鎖閥組?；ユi閥組需要獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)的SIL3以上認(rèn)證?；ユi閥組可以安裝3臺(tái)變送器，每臺(tái)變送器都應(yīng)允許被獨(dú)立隔斷和放空;互鎖閥組為每個(gè)變送器提供相應(yīng)的隔斷位置檢測，確保至少有2個(gè)變送器處于正常的檢測狀態(tài);互鎖閥組與工藝管道之間需要安裝隔離閥，此隔離閥應(yīng)為雙關(guān)雙泄放(double block and bleed，DBB)閥門。

2.2 表決器

HIPPS控制器為專用的、非可編程的固態(tài)電子邏輯表決器，所有元件的內(nèi)部數(shù)據(jù)應(yīng)是不可更改的，并且要盡量減少操作人員干預(yù)。

工藝系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，HIPPS處于監(jiān)控狀態(tài)，表決器的輸出為邏輯“1”，執(zhí)行元件為勵(lì)磁狀態(tài)。當(dāng)表決器接收到壓力變送器以3選2的方式輸出壓力超高報(bào)警信號(hào)時(shí)，其輸出邏輯將在極短的時(shí)間內(nèi)迅速變?yōu)椤?”，執(zhí)行元件動(dòng)作到安全狀態(tài)。

邏輯表決器需要獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)的SIL3以上認(rèn)證，硬件設(shè)計(jì)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線更換故障部件而不影響正常的安全工作需要。表決器需要為使用者提供操作界面設(shè)備，其中包括必要的指示燈、轉(zhuǎn)換開關(guān)和手動(dòng)按鈕等。表決器需要提供兩種數(shù)據(jù)通信接口，其中一種是用于提供監(jiān)控功能的操作員接口，另一種是用于工程維護(hù)的維護(hù)/工程接口，維護(hù)/工程接口應(yīng)與操作員接口分開。任何通信接口應(yīng)提供密碼保護(hù)，防止控制器內(nèi)的軟件設(shè)置被改變，通信接口的任何失效都不應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)產(chǎn)生影響。

表決器需要設(shè)置現(xiàn)場手動(dòng)復(fù)位功能。系統(tǒng)發(fā)生安全動(dòng)作連鎖后，如果報(bào)警狀態(tài)解除，只能通過人工確認(rèn)手動(dòng)復(fù)位的方式恢復(fù)到正常的監(jiān)測狀態(tài)，不能使用遠(yuǎn)程自動(dòng)復(fù)位?？紤]維護(hù)的需要，表決器需要設(shè)置旁路開關(guān)，旁路開關(guān)應(yīng)加鍵鎖或口令保護(hù)，以屏蔽任何未經(jīng)允許的操作。

2.3 執(zhí)行元件

HIPPS系統(tǒng)的最終執(zhí)行元件可以是緊急關(guān)斷閥或者緊急放空閥，這根據(jù)工藝系統(tǒng)的要求確定。

根據(jù)IEC 61511的要求，終端執(zhí)行元件應(yīng)為冗余配置。當(dāng)執(zhí)行元件執(zhí)行緊急關(guān)斷功能時(shí)，2臺(tái)相同規(guī)格的設(shè)備應(yīng)為串聯(lián);當(dāng)執(zhí)行元件執(zhí)行緊急放空功能時(shí)，2臺(tái)相同規(guī)格的設(shè)備應(yīng)為并聯(lián)。表決器發(fā)出安全連鎖指令時(shí)，2臺(tái)設(shè)備同時(shí)動(dòng)作到安全狀態(tài)，確保工藝系統(tǒng)安全可靠。

在石油天然氣工程中，執(zhí)行元件通常為緊急關(guān)斷/放空閥，包括閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及有關(guān)附件在內(nèi)的緊急關(guān)斷/放空閥應(yīng)整體獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)的SIL3認(rèn)證。

閥體設(shè)計(jì)需遵循管道設(shè)計(jì)的統(tǒng)一要求，壓力等級(jí)應(yīng)與設(shè)計(jì)壓力較高的一側(cè)一致，在閥門上產(chǎn)生的壓降應(yīng)盡可能小，以最大限度地降低壓降對(duì)工藝系統(tǒng)運(yùn)行的影響。作為關(guān)鍵的安全執(zhí)行元件，閥門應(yīng)為防火型并取得API 6FA認(rèn)證，以確保在火災(zāi)情況下閥門也能夠正常安全完成動(dòng)作。閥門關(guān)閉時(shí)的泄漏等級(jí)需達(dá)到ANSI VI標(biāo)準(zhǔn)。工藝環(huán)境為酸性條件時(shí)，閥體的設(shè)計(jì)需要滿足NACE標(biāo)準(zhǔn)的要求。

根據(jù)工程的實(shí)際情況，用作最終執(zhí)行元件的緊急關(guān)斷/放空閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以為氣動(dòng)或者液動(dòng)的。通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的閥門應(yīng)為故障安全型，以保證在失去外部動(dòng)力或控制信號(hào)時(shí)工藝系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)時(shí)，需要為其提供相應(yīng)的儀表風(fēng)或氮?dú)庀到y(tǒng);當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液動(dòng)時(shí)，需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身配備完善的液壓動(dòng)力系統(tǒng)。設(shè)計(jì)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，可以根據(jù)工程的需要考慮部分行程測試。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥門應(yīng)能確保慢開快關(guān)，尤其是關(guān)閉時(shí)間，緊急情況下需要在2 s內(nèi)能夠?qū)㈤y門全部動(dòng)作到失效安全位置。

閥門發(fā)生安全動(dòng)作連鎖后，如果報(bào)警狀態(tài)解除、系統(tǒng)恢復(fù)正常，HIPPS只能通過人工現(xiàn)場確認(rèn)手動(dòng)復(fù)位的方式恢復(fù)到正常狀態(tài)，不能使用自動(dòng)遠(yuǎn)程復(fù)位。

2.4 其他事項(xiàng)

為保證信號(hào)傳輸?shù)陌踩煽?，傳感器、表決器、執(zhí)行元件之間的信號(hào)連接需要采用相互獨(dú)立的電纜硬接線連接，用于信號(hào)連接的電纜需為防火型。

為便于操作人員工作，互鎖閥組狀態(tài)、最終執(zhí)行元件狀態(tài)、變送器的報(bào)警狀態(tài)、電源狀態(tài)等主要信息需要能夠現(xiàn)場指示。

多數(shù)情況下，HIPPS的儀表和設(shè)備需要安裝在室外曠野地區(qū)，并且距離油氣工藝設(shè)備比較近。因此，需考慮必要的防爆和防護(hù)措施以及完善的防浪涌保護(hù)功能。

室外曠野地區(qū)在很多情況下難以提供合適可靠的電源，因此，許多工程中需要考慮太陽能供電系統(tǒng)。

作為一套特殊應(yīng)用的安全保護(hù)系統(tǒng)，HIPPS在完成設(shè)計(jì)、制造、集成之后，需要由權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體SIL認(rèn)證。

3 HIPPS的應(yīng)用

在石油天然氣工程中，HIPPS作為一種特殊的高性能安全設(shè)施，其應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方面:一是用于油氣田高壓油井或氣井的出口;二是用于高壓天然氣遠(yuǎn)距離輸送管道的分輸出口。

當(dāng)HIPPS應(yīng)用于高壓油氣井的出口時(shí)，安裝在集輸管線上的壓力傳感器檢測管線的壓力。當(dāng)壓力超高時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉在采油樹出口設(shè)置的緊急關(guān)斷閥，從而達(dá)到高壓關(guān)斷保護(hù)的目的。兩個(gè)緊急關(guān)斷閥的出口作為高壓和低壓的分界，上游(包括緊急關(guān)斷閥在內(nèi))按照采油樹的關(guān)井壓力考慮，下游的集輸管線壓力等級(jí)降低到正常設(shè)計(jì)水平。如不采用HIPPS系統(tǒng)，根據(jù)安全評(píng)估的原則，下游的集輸系統(tǒng)通常需要按照采油樹的全高壓考慮，并且需要考慮高壓火炬放空系統(tǒng)，這對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)的投資影響巨大。HIPPS的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低投資的目的。

在高壓天然氣遠(yuǎn)距離輸送管道中，干線是高壓的，而分輸支線的輸氣量相對(duì)較小，壓力等級(jí)較低。在分輸站的支線起點(diǎn)設(shè)置HIPPS系統(tǒng)，檢測分輸下游的壓力，壓力超高時(shí)關(guān)斷緊急關(guān)斷閥，保證分輸管線、設(shè)施以及下游用戶的安全。

無論哪種應(yīng)用場合，壓力檢測傳感器均需安裝在被保護(hù)對(duì)象的工藝管道或設(shè)備上，以可靠地檢測被保護(hù)對(duì)象的壓力狀況。

此外，HIPPS在煉油和化工上也常有應(yīng)用，如用于緊急關(guān)斷或緊急放空。

4 結(jié)束語

作為比火炬應(yīng)急放空系統(tǒng)可靠性更高、可用性更強(qiáng)的安全保護(hù)措施，HIPPS系統(tǒng)直接從源頭進(jìn)行安全保護(hù)。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，需具體結(jié)合工藝系統(tǒng)的安全保護(hù)理念，綜合考慮可靠性和可用性，整體評(píng)估工程、社會(huì)、環(huán)境等方面的收益及代價(jià)與投資之間的關(guān)系，選取合理的安全保護(hù)方案。

［1］美國石油學(xué)會(huì).API RP17O-2009 Recommended practice for subsea high integrity pressure protection system(HIPPS)［S］.2009.

［2］ 美國石油學(xué)會(huì).API RP14C Recommended practice for analysis，design，installation，and testing of basic surface safety systems for offshore production platforms［S］.2001.

［3］ 國際電工委員會(huì).IEC 61508-2010 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems［S］.2010.

［4］國際電工委員會(huì).IEC 61511-2003 Functional safety instrumented systems for the process industry sector［S］.2003.

［5］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 21109-2007過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［6］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 20438-2008電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［7］俞曼麗.高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.石油化工自動(dòng)化，2010(5):73－76.

［8］黃文君，何偉挺，邊俊.安全儀表系統(tǒng)的功能安全設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31(7):75 －78.

［9］張雙亮，李慶濤.海洋石油平臺(tái)安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2011，32(9):83 －86.

［10］張雪，李娜，孫文勇.安全儀表系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.安全，2010(12):11－14.