HIPPS在深水高压气田开发中的应用

郝 蕴

中海油研究总院，北京 100027

0 前言

深水高压气田一般具有水深（超过300 m）、关井压力高（超过25 MPa）[1]的特点，为在超压工况下快速有效地隔离高压源，自1997年起，一种高完整性压力保护系统（High-Integrity Pressure Protection System，HIPPS） 被尝试应用于深水高压气田的海上处理平台上[2-3]。中国海洋石油总公司2002年开始使用HIPPS，首先应用于海上油田的处理平台及生产储油轮（FPSO），如番禺4-2/5-1油田DPP平台、南堡35-2平台、曹妃甸FPSO等，所采用的HIPPS压力等级均小于ANSI 600 lb，使用效果良好[4-5]；随后，HIPPS开始进入我国深水高压气田开发领域，预计将有3套HIPPS应用于2014年投产的南海深水气田群的依托处理平台上，其压力等级为ANSI 2500 lb，最大尺寸为22 in.（1 in.=25.4 mm）。HIPPS在深水高压气田的安装位置的选择方案有两种：一是安装在水下井口设施上，HIPPS下游的海底管线采用降压设计；二是安装在依托平台上，水下井口设施和海底管线采用全压设计。方案的选择应根据项目特点，从技术和经济上进行综合比选。在具体设计HIPPS时，其双关断阀设定压力高高值（PSHH）应结合工艺动态模拟软件的计算结果确定。

1 HIPPS基本配置及功能要求

1.1 基本配置

HIPPS主要由触发器、逻辑解算器、最终执行设施三部分组成[6]，见图1。触发器指的是测定超压压力元件；逻辑解算器是HIPPS的核心，通过读取输入的压力信号来判断当前的状态，并根据设定的条件和判定逻辑将决策指令信息送达到最终的执行设施；最终执行设施是一组轴向动作的关断阀门，通常需要其能在收到指令2～5 s内切断上游的高压压力源。

图1 HIPPS的基本配置

1.2 功能要求

作为工艺系统的最后一级安全保护，HIPPS的主要功能是在故障工况下能够在极短的时间内有效切断上游的高压压力源，以保证下游的低压系统不受上游高压源的影响。根据NORSOK STANDARD PROCESS DESIGN(P-001)的规定，HIPPS实现上述功能的基本要求为[7]：整个系统符合DIN 3381标准；HIPPS的设计、安装和操作程序都必须有第三方的认证；为保证HIPPS的安全可靠性，系统中的所有仪表完全独立，不受平台或工厂工艺关断系统、应急关断系统或其他控制系统的控制；一旦缺失仪表风、液压源、电源及仪表信号，HIPPS将故障关闭；HIPPS故障关闭后必须现场复位后才能恢复正常。

2 HIPPS安装位置

2.1 HIPPS设置必要性

深水高压气田从水下设施至依托平台的集输过程中可能出现的超压工况主要由三种事故工况引起：油嘴失灵全开，下游工艺事故引起的平台生产紧急关断，海底管线在输送过程中产生水合物引起堵塞。

考虑到深水高压气田正常操作时的井口压力和关井压力均很高，且深水海床温度较低（海床温度随着水深的加深而逐渐降低），不保温的输气海底管线在输送过程中易产生水合物，发生超压工况的可能性相对较高，对下游低压设施造成危害。为此，有必要在适当的位置设置HIPPS，以便在最短时间内快速有效地将高压源和低压源隔离开。

2.2 安装在水下井口

HIPPS可安装在深水高压气田水下井口的采油树、海底管线终端站（Pipeline End Termination，PLET）和海底管汇上[8]，具体的安装位置取决于水下生产系统的应用型式，即卫星井式、管道串接式、丛式井管汇、集中式管汇等。安装在丛式井管汇上的水下HIPPS示意图见图2。

图2 安装在水下的HIPPS示意图

水下生产设施和HIPPS均采用全压设计（即设计压力≥关井压力），为了防止水下外压和管线轴向运动的影响，在HIPPS下游的部分海底管线需设置加强区（见图2），加强区后的管线设计压力和具体长度需要根据动态流动模拟结果确定。加强区后的海底管线采用降压设计，设计压力为最高流动压力+设计余量。安装在深水高压气田的水下HIPPS井口的优缺点对比，见表1。从表1可看出安装在水下的HIPPS优缺点十分突出，成功地应用需要依靠高SIL等级[9]的安全保证和高水平的安装、维护。

表1 水下HIPPS的优缺点对比

2.3 安装在依托平台

HIPPS若安装在深水高压气田的依托平台上，由于海底管线和立管均采用全压设计，为在超压工况下确保平台低压设施能尽快与高压源隔离开，HIPPS一般安装在海底管线登平台的紧急关断阀ESDV下游、平台的第一个接收/分离容器入口处，见图3。

图3 安装在依托平台上的HIPPS示意图

HIPPS安装在深水高压气田依托平台上，其优缺点对比见表2。从表2中可看出， HIPPS安装在深水高压气田的依托平台上可大大降低平台火炬放空系统的设计规模。

表2 依托平台上HIPPS的优缺点对比

2.4 HIPPS应用的局限性

虽然HIPPS应用在深水高压气田工程领域具有明显的功能优势，但无论安装在水下或依托平台，在实际应用中也有局限性。

2.4.1 价格昂贵

HIPPS价格昂贵，8 in.以上单套动辄超过百万美元，全球范围内具备生产资质和能力的供货商只集中在欧美有限的一、两家大型企业，生产采办中存在独标的风险。

2.4.2 生产关断频繁

由于HIPPS具有很高的安全性和灵敏性，现场微小的故障均能触发HIPPS动作，导致深水高压气田生产的频繁关断，关断后恢复生产需要大量的施工资源和人力，还需应对可能出现的大量段塞流和严重的水合物堵塞等工况，在深水高压气田投产初期生产尚不稳定时尤为突出。需要针对HIPPS的特点进一步完善操作管理流程，并结合软件动态模拟结果，合理地设定HIPPS关断阀设定值，避免频繁启动HIPPS。

3 HIPPS的动态模拟

为更好地研究安装有HIPPS的低压设施在超压工况下压力变化的过程，合理确定HIPPS关断阀设定值，以在建的南海深水气田群项目番禺34-1CEP平台上安装的HIPPS为例，采用HYSYS软件动态模拟番禺35-1段塞流捕集器在超压工况下容器内部压力上升过程。

3.1 项目基本情况

南海深水气田群水深352 m，系中国海洋石油总公司近年来独立开发的第一个深水气田群，拟新建1座海上中心平台番禺34-1CEP，用以接收和处理来自番禺35-1、番禺35-2水下生产设施和番禺34-1自身生产的生产井液。图4为番禺34-1CEP接收番禺35-1水下生产井液的流程图，番禺35-1水下生产系统的井液通过1条6 in.海底管线进入番禺34-1CEP，海管在登平台处设紧急关断阀ESDV，之后进入PY35-1段塞流捕集器进行气液分离，段塞流捕集器入口设HIPPS。以HIPPS第2个SDV下游法兰为界，法兰上游的管线和设施按照海管的设计压力即单井最大关井压力（26 900 kPa，ANSI 2500 lb）进行设计，以下简称高压系统；法兰下游的管线和番禺35-1段塞流捕集器按照最高操作压力（12 030 kPa，ANSI 600 lb）进行设计，以下简称低压系统。

图4 番禺34-1CEP接收水下生产井液工艺流程图

3.2 低压系统超压保护分析

造成低压系统超压的原因有可能是段塞流捕集器气相出口堵塞、下游工艺设施出现事故引起下游其他紧急关断阀ESDV关断等。从图4可以看出，平台上的低压系统设有两层相互独立的超压保护系统，即ESD系统和HIPPS，当低压系统出现超压时：

第一层超压保护，设在段塞流捕集器上的压力传送器达到其高高压力关断PSHH设定值时，将触发清管收球筒上游的SDV关闭；

第二层超压保护，当ESD系统未能成功地切断高压源头，压力继续升高达到HIPPS设在段塞流捕集器入口的3个压力变送器的设定值时，将触发HIPPS的2个SDV的关断。

从上述分析可以看出，HIPPS的设计理念是ESD系统启动在先，HIPPS只有在ESD系统未能及时有效地切断高压源时才会启动，即ESD系统执行动作失败，HIPPS动作。因此，如何合理地设定这两层超压保护系统的设定值十分重要。

3.3 模拟过程

本次动态模拟是基于入口质量流量一定、番禺35-1段塞流捕集器气相出口完全堵塞开始（0 s），35 s内低压系统压力上升过程的模拟。模拟采用Peng-Robinson状态方程，在建立HYSYS动态模型前，首先需要根据图4建立静态模型，根据表3输入主要操作参数，随后调平模型，将收敛后的静态模型转入动态模式，再根据图4和表3添加必要的调节阀和基础数据，其中：入口质量流量采用番禺35-1最大产气量+最大产液量工况；番禺35-1段塞流捕集器的液位取低液位报警值LAH；取HIPPS至番禺35-1段塞流捕集器气相关断阀门之间的管线和设备的气相和液相容积，分别作为低压系统的气体总容积和液体总容积；根据经验，管线公称直径每增加1 in.，对应的SDV阀关闭时间增加1 s，番禺35-1清管球接收器上游的ESDV阀关闭时间即定为6 s。根据HIPPS厂家承诺的关断阀关闭时间为2～5 s，从保守角度考虑，番禺35-1段塞流捕集器入口的HIPPS关断阀的关闭时间定为4 s。

表3 段塞流捕集器入口HIPPS基础数据

动态模型调平后，主要模拟以下两个超压工况：

Case A，低压系统的PT达到PSHH设定值时触发清管球接收器上游的ESDV成功地关闭，HIPPS未启动;

Case B，平台ESD 3级关断未能触发清管球接收器上游的ESDV成功地关闭，HIPPS启动。

3.4 模拟结果分析

35 s内番禺35-1段塞流捕集器气相出口堵塞工况下，Case A和Case B低压系统的压力变化情况见图5。

图5 气相出口堵塞工况下低压系统的压力变化

Case A，番禺35-1段塞流捕集器起始操作压力为12 030 kPa.a，在第12.7 s压力升至PSHH设定值12 600 kPa.a时，引起平台ESD 3级关断，清管球接收器上游的ESDV在第18.9 s开度为0（6.2 s成功关闭），此时段塞流捕集器压力升至12 814 kPa.a并稳定在此压力值上，HIPPS未启动。

Case B，番禺35-1段塞流捕集器起始操作压力为12 030 kPa.a，在第12.7 s压力升至PSHH高高设定值12 603 kPa.a时，引起平台ESD 3级关断，但在第18.9 s清管球接收器上游的ESDV开度仍为100%（未能成功关闭），第21.7 s段塞流捕集器压力持续升至HIPPS的SDV设定值13 000 kPa.a，触发HIPPS的双SDV阀开始减小开度，在第25.9 s HIPPS双SDV阀开度均为0（4.2 s成功关闭），段塞流捕集器压力升至13 147 kPa.a并维持此压力值。

Case A和Case B低压系统的最终压力均小于系统的设计压力值，表明HIPPS双关断阀SDV的压力PSHH高高设定值（13 000 kPa.a）高于紧急关断阀ESDV的PSHH设定值（12 600 kPa.a）3%，低于低压系统安全阀PSV设定值（13 300 kPa.a）2%的设置是合适的。

4 结论

a）HIPPS由于其具有反应快、安全性高的优点，可有效地解决高关井压力带来的安全性差、依托平台火炬放空系统设计规模大、项目投资高等难题，在深水高压气田工程领域应用前景广阔。

b）HIPPS双关断阀SDV的PSHH压力高高设定值建议比紧急关断阀ESDV的压力高高PSHH设定值高3%、比低压系统安全阀PSV设定值低2%。

c）在深水高压气田的开发过程中，应针对项目自身特点，结合工艺软件动态模拟结果，详细研究和判断是否符合HIPPS的适用条件，合理地确定HIPPS安装位置（水下安装或平台安装），以便扬长避短，充分发挥HIPPS的功能特性，更好地应用于海洋石油工程中。

[1]海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程深水油气田开发技术[M].北京：石油工业出版社，2011.Offshore Oil Engineering Design Guidelines Editorial Board. Offshore Deepwater Oil and Gas Field Development of Offshore Oil Engineening[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2011.

[2]Baker L. HIPAA Protects Subsea Production in HP/HT Conditions[J]. Offshore, 2007, 67(6): 72-76.

[3]Redford S. Developing HP/HT Subsea Tiebacks[J].Hart's E&P, 1999, 80(9): 104-107.

[4]冯传令，张 峰，张恩俭. HIPPS在海洋石油工程中的应用研究[J].石油矿场机械，2007, 36(5): 94-97.Feng Chuanling, Zhang Feng, Zhang Enjian. The Classic Using about HIPPS in Offshore Oil Engineering[J]. Oil Field Equipment, 2007, 36(5): 94-97.

[5]郑晓彩.高完整性压力保护系统在NB35-2项目中的应用[J].中国修船，2008, 21(Z1): 57-59.Zheng Xiaocai. Application of HIPPS in Project NB35-2[ J].China Shiprepair, 2008, 21(Z1): 57-59.

[6]董小刚.海洋工程高完整性压力保护系统（HIPPS）生命周期内的管理[J].仪器仪表标准化与计量，2009,16(4): 27-31.Dong Xiaogang. Lifecycle Management of Offshore HIPPS[J]. Instrument Standardization and Metrology, 2009,16(4): 27-31.

[7]NORSOK Standard P-001, Process Design[S].

[8]Patni S, Davalath J. Subsea HIPPS Offers High-Pressure Field Development Option[J]. Offshore, 2005, 65(6): 107-110.

[9]API RP 170, Recommended Practice for Subsea High Integrity Pressure Protection Systems[S].