HIPPS在FSRU上的應(yīng)用

孫 攀，黎 翔，于佳敏

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司LNG技術(shù)研究所，上海 200129）

0 引 言

浮式液化天然氣存儲(chǔ)及再氣化裝置（Liquefied Natural Gas Floating Storage Regasification Unit，LNG-FSRU）是一種具有LNG存儲(chǔ)和再氣化功能的海上浮式接收站，LNG 經(jīng)增壓氣化升溫至常溫之后，通過(guò)壓力控制閥減壓輸入陸地管網(wǎng)。在早期的FSRU 項(xiàng)目中，安全閥或爆破片通常作為再氣化工藝系統(tǒng)的最后一級(jí)安全保護(hù)屏障，將超壓介質(zhì)泄壓排放至安全區(qū)域。為防止因上游高壓系統(tǒng)壓力控制閥失靈或下游堵塞而造成下游低壓系統(tǒng)超壓，需配備數(shù)量較多的安全閥或等效安全設(shè)施，系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本較高，控制難度較大。

近年來(lái)，隨著安全生產(chǎn)要求的提高，以及降低投資成本和保護(hù)環(huán)境的設(shè)計(jì)理念的深入，高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS）開(kāi)始廣泛應(yīng)用于油氣開(kāi)發(fā)高度集成化的海洋工程項(xiàng)目中。HIPPS是一種基于安全儀表保護(hù)的獨(dú)立控制系統(tǒng)，在日常生產(chǎn)中，該系統(tǒng)一般只處于監(jiān)控狀態(tài)，不參加過(guò)程控制，一旦系統(tǒng)的工作壓力達(dá)到超壓臨界值，及時(shí)觸發(fā)執(zhí)行器的安全保護(hù)動(dòng)作，從而達(dá)到防止下游工藝系統(tǒng)超壓、有效避免大量油氣經(jīng)壓力安全閥泄壓排放的目的，減少對(duì)環(huán)境的污染，保證人員的安全。

本文在介紹HIPPS的應(yīng)用條件和組成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)HIPPS在FSRU上的應(yīng)用方案進(jìn)行研究，為今后HIPPS在FSRU上應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 HIPPS的應(yīng)用條件和組成

1.1 HIPPS的應(yīng)用條件

安全儀表系統(tǒng)由傳感器、邏輯解算器和執(zhí)行設(shè)備組成，是專(zhuān)門(mén)用于保障安全的控制系統(tǒng)。安全完整性等級(jí)（Safety Integrity Level，SIL）是安全儀表系統(tǒng)運(yùn)行水平的衡量指標(biāo)。根據(jù)IEC 61508 和IEC 61511 的定義，SIL分為4 個(gè)等級(jí)，其中：SIL4 的等級(jí)最高；SIL1 的等級(jí)最低。表1 為典型的安全儀表系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的SIL。

表1 典型的安全儀表系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的SIL

HIPPS的選擇和應(yīng)用由風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果對(duì)與所分析事項(xiàng)相關(guān)的安全儀表回路的可靠性等級(jí)決定，當(dāng)安全儀表回路的可靠性等級(jí)需達(dá)到SIL3 或SIL3 以上時(shí)，需考慮采用HIPPS。

在采用HIPPS時(shí)，應(yīng)注意以下要求：

1）系統(tǒng)中所有儀表的控制完全獨(dú)立于管道工藝關(guān)斷系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)或其他控制系統(tǒng)。2）系統(tǒng)采用故障安全型設(shè)計(jì)。

3）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和操作程序都必須獲得第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。

4）系統(tǒng)需定期檢測(cè)維護(hù)，包括閥門(mén)及其驅(qū)動(dòng)裝置等，以使其一直滿(mǎn)足快速響應(yīng)連鎖關(guān)斷的要求，降低危險(xiǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。維護(hù)操作需參照廠家規(guī)定的程序執(zhí)行，也可參照IEC 61511 推薦的方案執(zhí)行。

5）應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)定合理的HIPPS 閥門(mén)關(guān)斷壓力設(shè)定值，以保證工藝系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

6）系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備在收到指令之后，一般要在2 ～5 s內(nèi)完成關(guān)閉操作。

1.2 HIPPS組成

HIPPS主要由3 部分組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 HIPPS組成示意圖

1）壓力傳感器與閥組管匯。根據(jù)IEC 61511 的要求，壓力傳感器采用2oo3 表決架構(gòu)，由3 臺(tái)相同配置的壓力傳感器組成串聯(lián)應(yīng)用，并通過(guò)閥組管匯安裝在工藝管道上，每臺(tái)傳感器都具備SIL3 安全等級(jí)認(rèn)證。

2）邏輯解算器。作為HIPPS 的核心構(gòu)件，邏輯解算器對(duì)輸入的壓力信號(hào)進(jìn)行安全邏輯運(yùn)算，并將決策信息反饋給執(zhí)行設(shè)備。邏輯解算器基于固態(tài)邏輯控制系統(tǒng)，采用故障安全型和模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具備SIL4 安全等級(jí)認(rèn)證。在目前的行業(yè)市場(chǎng)中，典型的邏輯解算器產(chǎn)品有日本橫河公司的ProSafe-SLS系統(tǒng)和美國(guó)艾默生公司的DeltaV SIS-CHARM系統(tǒng)。

3）執(zhí)行設(shè)備。HIPPS的執(zhí)行設(shè)備一般由2 臺(tái)關(guān)斷閥串聯(lián)組成，關(guān)斷閥包括閥體、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電磁閥等，其整體具備SIL3 認(rèn)證，能在規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成關(guān)斷動(dòng)作。

2 HIPPS在FSRU上的應(yīng)用

HIPPS在FSRU上的應(yīng)用取決于危險(xiǎn)性和可操作性分析結(jié)果，結(jié)合再氣化系統(tǒng)的SIL 要求，本文介紹HIPPS在FSRU上的2 種實(shí)際工程應(yīng)用方案，并從設(shè)計(jì)特點(diǎn)、系統(tǒng)配置和成本等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

1）案例一，HIPPS應(yīng)用在新建FSRU項(xiàng)目上，再氣化模塊包含3 個(gè)處理鏈條，每個(gè)再氣化鏈條包含2 臺(tái)LNG增壓泵、2 臺(tái)LNG氣化器、1 臺(tái)印刷電路板式換熱器和1 臺(tái)揮發(fā)氣冷凝器。當(dāng)3 個(gè)再氣化鏈條并行作業(yè)時(shí)，峰值氣化輸出能力為750 mmscfd（mmscfd表示100 萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每天，1 英尺=0.304 8 m），LNG增壓泵出口壓力最大為16.15 MPa，要求的外輸氣體壓力最大為11.0 MPa。HIPPS布置在高壓氣體外輸集管上。

2）案例二，HIPPS應(yīng)用在改裝FSRU項(xiàng)目上，再氣化模塊包含3 個(gè)處理鏈條，每個(gè)再氣化鏈條僅包含1臺(tái)LNG增壓泵、1 臺(tái)LNG氣化器、1 臺(tái)印刷電路板式換熱器和1 臺(tái)揮發(fā)氣冷凝器。當(dāng)3 個(gè)再氣化鏈條并行作業(yè)時(shí)，峰值氣化輸出能力為375 mmscfd，LNG增壓泵出口壓力最大為16.15 MPa，要求的外輸氣體壓力最大為12.0 MPa。HIPPS布置在LNG增壓泵出口管道上。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)試情況，2 個(gè)案例中HIPPS要求的關(guān)斷時(shí)間均為2 s。

2.1 案例一：HIPPS布置在高壓氣體外輸集管上

圖2為案例一HIPPS 原理示意圖，HIPPS 布置在高壓氣體外輸集管上，獨(dú)立于再氣化模塊。關(guān)斷閥上游管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為17.0 MPa，最大操作壓力為16.15 MPa，管道通徑為DN500；關(guān)斷閥下游管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為12.5 MPa，最大操作壓力為11.0 MPa，管道通徑為DN500。HIPPS 關(guān)斷閥連鎖關(guān)斷壓力設(shè)定值為11.0 MPa。3 臺(tái)壓力傳感器將檢測(cè)到的管道壓力信號(hào)輸送給邏輯解算器，邏輯計(jì)算器基于2oo3 表決架構(gòu)進(jìn)行安全邏輯控制，當(dāng)管道壓力達(dá)到或超過(guò)關(guān)斷壓力設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)連鎖關(guān)斷信號(hào)，2 臺(tái)閥門(mén)在收到執(zhí)行指令的2 s內(nèi)同時(shí)關(guān)斷，隔離上下游工藝系統(tǒng)。在整個(gè)HIPPS中，3 臺(tái)壓力傳感器串聯(lián)形成2oo3 架構(gòu)，邏輯解算器采用智能診斷及容錯(cuò)冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作為執(zhí)行設(shè)備的2 臺(tái)關(guān)斷閥串聯(lián)形成1oo2 架構(gòu)，且每臺(tái)閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)裝置均配備2 臺(tái)電磁閥串聯(lián)結(jié)構(gòu)（組成1oo2 架構(gòu)）。整個(gè)HIPPS的選型配置可靠性較高，且獲得了第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)德國(guó)TUV的認(rèn)證，確保了其滿(mǎn)足SIL3 安全等級(jí)設(shè)計(jì)要求。

圖2 案例一HIPPS原理示意圖

2.2 案例二：HIPPS布置在LNG增壓泵出口管道上

圖3為案例二HIPPS原理示意圖，HIPPS集成在再氣化模塊內(nèi)部，安裝在再氣化鏈條每個(gè)LNG增壓泵出口管道上。關(guān)斷閥上游管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為17.0 MPa，最大操作壓力為16.15 MPa，管道通徑為DN150；關(guān)斷閥下游管道設(shè)計(jì)壓力為12.5 MPa，最大操作壓力為12.0 MPa，管道通徑為DN150。HIPPS關(guān)斷閥連鎖關(guān)斷壓力設(shè)定值為12.0 MPa。當(dāng)任意一個(gè)再氣化鏈條內(nèi)的3 臺(tái)壓力傳感器檢測(cè)到管道壓力達(dá)到或超過(guò)關(guān)斷壓力設(shè)定值時(shí)，該鏈條的HIPPS自動(dòng)觸發(fā)連鎖關(guān)斷，對(duì)應(yīng)的2 臺(tái)閥門(mén)在2 s內(nèi)同時(shí)關(guān)斷。HIPPS 各組成部件的安全設(shè)計(jì)等級(jí)要求與案例一的要求一致。

圖3 案例二HIPPS原理示意圖

2.3 2 種HIPPS應(yīng)用方案對(duì)比分析

1）管道介質(zhì)不同。案例一，HIPPS應(yīng)用在高壓氣體外輸集管上，管道介質(zhì)為常溫高壓天然氣，因此關(guān)斷閥等系統(tǒng)部件無(wú)需滿(mǎn)足低溫設(shè)計(jì)要求；案例二，HIPPS布置在LNG增壓泵出口管道上，管道介質(zhì)為低溫高壓LNG，關(guān)斷閥等系統(tǒng)部件需滿(mǎn)足低溫設(shè)計(jì)要求。

2）HIPPS配置不同。案例一僅需配置1 套HIPPS；案例二需在每個(gè)再氣化鏈條的LNG增壓泵出口管道上安裝1 套HIPPS，共需3 套。

3）系統(tǒng)安裝和空間布置方式不同。案例一，關(guān)斷閥通徑為DN500，外型尺寸巨大，其驅(qū)動(dòng)裝置的長(zhǎng)度就有4.1 m，單個(gè)閥門(mén)的質(zhì)量高達(dá)13 t左右，系統(tǒng)安裝難度高，需為其設(shè)計(jì)獨(dú)特的支撐結(jié)構(gòu)和維修操作平臺(tái)，但閥門(mén)上下游管道布置基本上不受空間的影響，可最大限度地采用直管段布置型式，有效降低管道應(yīng)力和延程壓力損失；案例二，關(guān)斷閥通徑為DN150，與案例一所用關(guān)斷閥的尺寸差異明顯，安裝難度相對(duì)較低，但受再氣化模塊內(nèi)部空間的限制，管道布置必須在低溫管應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化改進(jìn)，直至滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工藝的要求。

4）經(jīng)濟(jì)成本不同。案例一所用常溫高壓關(guān)斷閥通徑為DN500，價(jià)格昂貴；案例二所用低溫高壓關(guān)斷閥通徑為DN150，單個(gè)閥門(mén)的采購(gòu)成本較低。在2 種方案的再氣化模塊的處理能力一致的情況下，即峰值氣化輸出能力均為750 mmscfd，案例二HIPPS的總采購(gòu)成本低于案例一。

綜上所述，案例一需配備1 套滿(mǎn)足常溫設(shè)計(jì)要求的HIPPS，但關(guān)斷閥尺寸巨大，安裝難度較高，船廠的直接采購(gòu)成本和額外的設(shè)計(jì)建造成本較高；案例二需配備3 套滿(mǎn)足低溫設(shè)計(jì)要求的HIPPS，關(guān)斷閥尺寸較小，安裝難度較低，經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低，但對(duì)再起化模塊內(nèi)部空間布置的要求較高。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了HIPPS的適用條件和功能組成，并結(jié)合工程實(shí)例分析了HIPPS在FSRU上的2 種應(yīng)用。

1）HIPPS適用于FSRU項(xiàng)目中SIL要求為SIL3 的工藝系統(tǒng)，主要為高壓輸出管道。

2）HIPPS關(guān)斷時(shí)間越短，下游低壓系統(tǒng)達(dá)到的平衡壓力越低。因此，在下游低壓系統(tǒng)平衡壓力小于其設(shè)計(jì)壓力的前提下，盡可能地延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間，以降低因快速關(guān)斷而產(chǎn)生的氣錘或水錘危害。在示例工程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際調(diào)試情況，將關(guān)斷時(shí)間設(shè)定為2 s。但是，在今后的工程應(yīng)用中，建議采用動(dòng)態(tài)模擬軟件進(jìn)行定量計(jì)算，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和管道布置，分析不同關(guān)斷時(shí)間對(duì)工藝系統(tǒng)的影響，從而確定合適的設(shè)定值。

3）當(dāng)在FSRU上應(yīng)用HIPPS時(shí)，其系統(tǒng)配置需綜合考慮項(xiàng)目特點(diǎn)、空間布局、經(jīng)濟(jì)成本和施工難度等多方面因素，選擇最適合的方案。