高完整性保護(hù)系統(tǒng)(HIPS)在安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

胡啟輝 王永東 袁助 楊虹

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

高完整性保護(hù)系統(tǒng)( HIPS) 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)壓力源來防止設(shè)施超壓，從而實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)的目的。在設(shè)計(jì)上通過適當(dāng)增加冗余度，可將HIPS的安全性設(shè)計(jì)為等于或高于機(jī)械安全設(shè)施等級(jí)。但是，HIPS的應(yīng)用需要一些特殊的設(shè)計(jì)程序，以確保設(shè)計(jì)出足夠安全的HIPS系統(tǒng)[1]。并且需要特別注意其在運(yùn)行中的維護(hù)、測(cè)試和檢驗(yàn)。HIPS 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)；另一方面可以減小傳統(tǒng)的被動(dòng)安全泄放設(shè)施，如機(jī)械式安全閥，減小安全泄放設(shè)施同時(shí)泄放的概率以及排除某些工況，如再沸器過度熱量輸入導(dǎo)致的大量泄放，從而減小火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模。在目前石油化工裝置規(guī)模日益擴(kuò)大、安全要求日益提高的階段，HIPS系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對(duì)減小火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模、提高火炬系統(tǒng)安全性有著十分重要的意義[2,3]。

1 HIPS系統(tǒng)的組成

HIPS系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)儀表(如傳感器)、邏輯表決裝置(如安全系統(tǒng)邏輯解算器，繼電器等)、最終控制元件、電源和檢查、測(cè)試以及維護(hù)程序。HIPS系統(tǒng)的邊界包含了從傳感器到最終元件的所有方面。HIPS 要求系統(tǒng)所有元器件(從檢測(cè)設(shè)備到邏輯控制器，再到最終執(zhí)行元件以及實(shí)現(xiàn)安全儀表功能的其他設(shè)備，如安全儀表用戶接口、通信和供電等) 均處于事故安全狀態(tài)。

2 HIPS系統(tǒng)應(yīng)用依據(jù)

2.1 失效概率

任何安全設(shè)施對(duì)于系統(tǒng)的保護(hù)均不是百分之百有效的。根據(jù)操作環(huán)境、介質(zhì)特性、檢修狀態(tài)的不同，安全設(shè)施具有不同的失效概率。例如，在酸性腐蝕條件下或介質(zhì)易凝固、粘度大的情況下，機(jī)械安全泄放設(shè)施(安全閥)由于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在被腐蝕、被粘連的情況，使安全閥的失效概率增加。而在安全閥前增設(shè)爆破片、對(duì)安全閥進(jìn)行定期清理和維修，可以減小安全的失效概率，從而提高系統(tǒng)的安全性。

在安全分析過程中被廣泛使用的風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)表見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)表

由表1可以看出，一個(gè)成功設(shè)置并實(shí)施的安全級(jí)別達(dá)到SIL-2的安全儀表系統(tǒng)，在對(duì)裝置的保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)降低程度上等同于設(shè)置了機(jī)械安全泄放設(shè)施(安全閥)。根據(jù)系統(tǒng)冗余設(shè)置的原則，當(dāng)HIPS系統(tǒng)的安全級(jí)別達(dá)到SIL-3或更高時(shí)，其作用可以完全等同于機(jī)械安全泄放裝置。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)支持

2.2.1 美國(guó)API 521-2014 減壓和減壓系統(tǒng)

在《API 521減壓和減壓系統(tǒng)2014版》的附件E中專門討論了HIPS系統(tǒng)在減壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[4]。從HIPS系統(tǒng)的七個(gè)方面詳細(xì)說明了HIPS系統(tǒng)在泄壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，分別為：① 介紹；② 應(yīng)用背景；③ 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；④ HIPS系統(tǒng)的應(yīng)用程序；⑤ HIPS系統(tǒng)的試驗(yàn)間隔；⑥ 應(yīng)提供文件；⑦ 培訓(xùn)。

2.2.2 美國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC VIII

在《美國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC》第八卷，UG-140超壓保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)章節(jié)中，闡述了ASME對(duì)于使用儀表系統(tǒng)替代機(jī)械安全泄放設(shè)施的觀點(diǎn)[5]。

根據(jù)ASME中的相關(guān)表述，在系統(tǒng)壓力為自限壓、并且自限壓力不高于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可以不設(shè)置機(jī)械安全泄放設(shè)施。自限壓可以通過安全儀表系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用的過程中，必須滿足以下要求：① 供貨商必須提出其自限的壓力低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力；② 必須通過HAZOP分析列出所有可能超壓的可能；③ 必須提供在HAZOP列出的所有超壓工況下，系統(tǒng)的壓力均能自我限制的證據(jù)；④ 必須在相關(guān)文件，如操作說明中明確表述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念和所有設(shè)施。達(dá)到以上要求后，ASME認(rèn)為可以使用系統(tǒng)設(shè)計(jì)來代替機(jī)械安全泄放設(shè)施。

3 HIPS系統(tǒng)在安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 從設(shè)計(jì)上消除特定的超壓工況

某項(xiàng)目精餾系統(tǒng)見圖1。

圖1 精餾塔系統(tǒng)HIPS設(shè)計(jì)

在未設(shè)置HIPS系統(tǒng)前，當(dāng)塔頂冷凝器循環(huán)水突然無法供給時(shí)，由于塔釜再沸器熱源供給并未停止，使精餾塔有因循環(huán)水故障而超壓的可能。當(dāng)設(shè)置有HIPS系統(tǒng)后，循環(huán)水流量低會(huì)聯(lián)鎖再沸器熱源供給切斷閥關(guān)閉。由于聯(lián)鎖是高可靠性的，所以消除了精餾塔因循環(huán)水故障而超壓的工況。此時(shí)塔頂設(shè)置的安全閥僅需考慮火災(zāi)工況即可。

3.2 消除特定的機(jī)械安全泄放設(shè)施

反應(yīng)系統(tǒng)見圖2。

圖2 反應(yīng)系統(tǒng)HIPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反應(yīng)器熱源由蒸汽提供，反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)受熱蒸發(fā)后可能引起系統(tǒng)超壓。常規(guī)設(shè)計(jì)中，需在反應(yīng)器頂部設(shè)置安全閥，安全閥的泄放量依據(jù)系統(tǒng)最大熱量輸入條件下，反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)的蒸發(fā)量計(jì)算。 若設(shè)置了HIPS系統(tǒng)，在反應(yīng)器壓力高時(shí)，停止反應(yīng)器熱量供給，在無其他工況的前提下，則可以取消反應(yīng)器頂部設(shè)置的安全閥。

3.3 當(dāng)機(jī)械安全泄放設(shè)施失效時(shí)，對(duì)系統(tǒng)提供額外的保護(hù)

根據(jù)系統(tǒng)冗余設(shè)置原則和系統(tǒng)失效概率，當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置有機(jī)械安全泄放設(shè)施和HIPS系統(tǒng)、且HIPS系統(tǒng)達(dá)到SIL-3及以上級(jí)別時(shí)，可以認(rèn)為HIPS系統(tǒng)的失效概率遠(yuǎn)小于機(jī)械安全泄放設(shè)施。當(dāng)機(jī)械安全泄放設(shè)施失效時(shí)，HIPS可以為系統(tǒng)提供額外的保護(hù)。

3.4 減少幾個(gè)裝置同時(shí)泄放的可能性，從而減小火炬系統(tǒng)的規(guī)模

減小火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，是HIPS系統(tǒng)在泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要應(yīng)用。通過HIPS系統(tǒng)的設(shè)置，可以降低幾個(gè)裝置或同一個(gè)裝置內(nèi)各個(gè)工序的同時(shí)泄放的概率，從而減小火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模，降低投資成本。

某項(xiàng)目火炬泄放能力對(duì)比表見表2。

表2 火炬泄放能力對(duì)比 (kg/h)

火炬系統(tǒng)是多個(gè)泄放點(diǎn)組成的。反應(yīng)單元為明火爐加熱系統(tǒng)，其余為精餾系統(tǒng)和冷凍系統(tǒng)。其各自的泄放量見表2。在未設(shè)施HIPS系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)全廠停電停水工況下，多個(gè)系統(tǒng)共同泄放，泄放總量為336350 kg/h。火炬系統(tǒng)也按照此規(guī)模設(shè)計(jì)。設(shè)置HIPS系統(tǒng)后，在停電停水工況下，所有單元在HIPS系統(tǒng)的作用下，均可切斷進(jìn)料及熱源，減小超壓可能。由于反應(yīng)單元的泄放量在各獨(dú)立系統(tǒng)中最大，裝置的泄放總量需考慮最大獨(dú)立系統(tǒng)的泄放量。即在第一時(shí)間內(nèi)，同時(shí)泄放量由336350 kg/h減小至180250kg/h?；鹁嬖O(shè)計(jì)規(guī)模比未設(shè)置HIPS系統(tǒng)時(shí)有了大幅度的減小。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 應(yīng)用背景

某丙烷脫氫項(xiàng)目，主要裝置包括反應(yīng)單元、產(chǎn)品壓縮單元、脫乙烷、脫丙烷單元、丙烯精餾單元、乙烯冷凍單元。在發(fā)生全廠性公用工程故障，如全廠電力故障、全廠循環(huán)水故障時(shí)，多個(gè)裝置存在同時(shí)泄放的情況。在項(xiàng)目初期確定丙烷脫氫裝置泄放能力時(shí)，根據(jù)專利商的建議設(shè)計(jì)并實(shí)施了高可靠性保護(hù)系統(tǒng)，以降低全裝置在事故工況下的泄放量，從而減小火炬的設(shè)計(jì)規(guī)模。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目HIPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為：① 依托于本項(xiàng)目安全儀表系統(tǒng)，設(shè)置有三取二的壓力、溫度、流量監(jiān)測(cè)單元和高可靠性的切斷及停車執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并且聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全等級(jí)達(dá)到SIL-3；② 對(duì)于每一個(gè)泄放系統(tǒng)，均設(shè)置有壓力控制的調(diào)節(jié)閥和手動(dòng)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥出口通向火炬系統(tǒng)。在正常生產(chǎn)時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥均處于緊密切斷狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥的泄漏等級(jí)為5級(jí)。當(dāng)發(fā)生全廠性故障時(shí)，所有此類壓力調(diào)節(jié)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，在SIS系統(tǒng)的控制下，最先達(dá)到泄放壓力的系統(tǒng)開始向火炬泄壓，其余系統(tǒng)仍處于緊密關(guān)斷的狀態(tài)。當(dāng)裝置泄放總量開始下降時(shí)，由SIS系統(tǒng)控制其余系統(tǒng)開始泄放，使整個(gè)裝置達(dá)到“錯(cuò)峰”泄放，從而減小裝置的最大泄放量；③每個(gè)獨(dú)立的泄放源均設(shè)置有全流量泄放設(shè)施；④裝置的最大泄放量等于不能由HIPS系統(tǒng)削減的排放量加各獨(dú)立系統(tǒng)中排放量的最大值之和。

4.2.1 反應(yīng)單元

發(fā)生全廠性公用工程故障時(shí)，在SIS系統(tǒng)的聯(lián)鎖下，切斷反應(yīng)進(jìn)料，反應(yīng)加熱爐停車，泄放量可減小至0。具體對(duì)比數(shù)據(jù)見表3。

表3 反應(yīng)系統(tǒng)泄放量對(duì)比

4.2.2 脫乙烷單元

當(dāng)丙烯壓縮機(jī)跳車時(shí)，脫乙烷塔再沸器的熱量輸入終止，脫乙烷塔的設(shè)計(jì)壓力高于其在此溫度下的氣化壓力，再沸器無法提供使系統(tǒng)超壓的熱量。剩余熱量來源所能提供的熱量，使系統(tǒng)的最大蒸發(fā)量為1500kg/h。即在HIPS系統(tǒng)成功運(yùn)行時(shí)，此系統(tǒng)有1500kg/h的泄放量。具體對(duì)比數(shù)據(jù)見表4。

表4 脫乙烷單元泄放量對(duì)比

4.2.3 脫油單元

脫油單元為一個(gè)典型的精餾系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生全廠性公用工程事故時(shí)，HIPS系統(tǒng)切斷脫油單元再沸器熱量輸入，并切斷所有排放閥，所有物料均維持在系統(tǒng)內(nèi)，無對(duì)外排放。經(jīng)過HIPS系統(tǒng)的作用，使脫油系統(tǒng)在第一時(shí)間內(nèi)的泄放量減小為0。具體對(duì)比數(shù)據(jù)見5。

表5 脫油單元泄放量對(duì)比

4.2.4 丙烯及乙烯系統(tǒng)

丙烯及乙烯系統(tǒng)均為離心壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生全廠性公用工程故障時(shí)，丙烯及乙烯壓縮機(jī)在HIPS系統(tǒng)的作用下停車，系統(tǒng)壓力達(dá)到壓縮機(jī)的停機(jī)后的平衡壓力，此壓力小于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，無對(duì)外泄放。隨著停車時(shí)間的增加，丙烯和乙烯系統(tǒng)受到外部熱量，如氣溫，太陽輻射等因素的影響，壓力持續(xù)升高，并在SIS系統(tǒng)的控制下，逐步釋放系統(tǒng)壓力。即在公用工程失效時(shí)，第一時(shí)間泄放量均為0，隨著系統(tǒng)壓力的逐漸升高，安全儀表系統(tǒng)控制不同的系統(tǒng)逐步泄放，達(dá)到“錯(cuò)峰”泄放的目的。

4.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

如表2所述，在HIPS系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和保護(hù)作用下，各獨(dú)立泄放系統(tǒng)被切斷超壓來源，或?qū)崿F(xiàn)“錯(cuò)峰”泄放，最大泄放量由336350 kg/h減小至180250 kg/h，實(shí)現(xiàn)了減小火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的目的。

4.4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.4.1 安全閥設(shè)置

根據(jù)本丙烷脫氫項(xiàng)目HIPS的設(shè)計(jì)原則，每個(gè)獨(dú)立的泄放源均設(shè)置有全流量泄放設(shè)施，即在本裝置中，每個(gè)泄放源處的安全閥并未因設(shè)置有HIPS系統(tǒng)而減小或取消。當(dāng)單個(gè)泄放源發(fā)生事故時(shí)，仍能以全流量進(jìn)行泄放而保護(hù)系統(tǒng)。HIPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，僅是減小了多個(gè)安全閥同時(shí)泄放的概率。所以在安全閥設(shè)置上，并未有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4.4.2 火炬系統(tǒng)

在本丙烷脫氫裝置中，由于HIPS系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使本裝置泄放量由336350 kg/h減小至180250 kg/h。全廠火炬的能力由432350 kg/h減少至276250 kg/h?；鹁嫦到y(tǒng)相關(guān)設(shè)施的規(guī)模和投資均有不同程度的減小。兩種情況下火炬系統(tǒng)的規(guī)模及投資對(duì)比見表6。

表6 火炬系統(tǒng)規(guī)模及投資對(duì)比

可見，使用HIPS系統(tǒng)，對(duì)于減小火炬規(guī)模并減小火炬系統(tǒng)投資，有著明顯的作用。

5 結(jié)語

HIPS作為一種特殊的高性能安全系統(tǒng)，將工藝安全保護(hù)方法由傳統(tǒng)的被動(dòng)泄放轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)防御，能夠及時(shí)切斷引起超壓的壓力源，保護(hù)系統(tǒng)避免超壓。在石油化工裝置規(guī)模日益擴(kuò)大、裝置安全要求日益提高的情況下，HIPS系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠減小特定工況下的泄放量，從而減小火炬系統(tǒng)的能力。對(duì)于降低裝置投資，增加系統(tǒng)的安全性有著重要意義。