HIPPS系统在长输管道压气站的应用

2019-03-11杨旭光胡梅花续大洛

石油工程建设 2019年1期

杨旭光，彭晔，胡梅花，王涛，续大洛

中油国际管道有限公司，北京 100029

压气站工艺区是天然气长输管道重要的组成部分，为防止管道和设备超压，保护站内设施，以前的设计标准中会根据可靠性等级的要求采用过程报警、紧急关断、机械泄放等保护措施。在近年的工程设计中，考虑到工艺优化、主动保护、环境保护等设计理念，采用了一种高压保护系统（HIPPS）。该系统能及时切断引起工艺系统超压的压力源，从而达到保护下游工艺系统的作用，具有很高的安全可靠性。该系统在发达国家油气行业应用较早，目前的海上平台等高集成化油气项目中已经广泛应用该系统[1]，但在压气站的设计中，HIPPS的应用尚不多见。

1 HIPPS组成

HIPPS（High Integrity Pressure Protection System）全称为高完整性压力保护系统，系统主要由3部分组成，如图1所示。

图1 HIPPS系统组成

（1）压力传感器。测定超压压力元件，例如压力开关，根据IEC 61511的要求，压力传感器一般采用3选2的配置，3台传感器采用不同制造商产品，每台传感器均通过SIL2等级认证。

（2）控制器。基于输入的压力信号确定目前的状态是否安全，并将反馈信息传送到执行器。要求采用固态逻辑控制并要获得权威机构的SIL3以上等级认证。

（3）执行器。一种快速关断阀或者紧急放空阀，当执行器起到截断功能时，一般要求2台快速关断阀串联；当执行器起到放空功能时，一般要求2台紧急放空阀并联，自带动力源，配备冗余的阀门电磁阀[2-3]。

2 HIPPS在压气站的应用

HIPPS主要用于安全仪表系统（SIS）中对安全可靠性要求比较高的设备上，在日常生产时，该系统一般只是处于监控状态，不参加过程控制，当压力达到超压临界值时才触发执行器的安全保护动作，作为安全仪表最高可靠等级的保护措施[4]。HIPPS系统的选择与应用是由HAZOP与SIL分析成果对于所分析事项相关的安全仪表回路的可靠等级决定的，当安全仪表回路的可靠等级需要达到SIL3等级时，可考虑选择HIPPS系统[5]。

安全联锁保护系统是保护压气站、防止压气站管道设备超压的重要措施，主要应用于压缩机组进出口、压气站出站口、调压设备压力分界点等位置。以压缩机出口超压联锁系统为例，压力传感器为压缩机出口管道保护仪表，控制器为压缩机UCS，执行器为压缩机燃料气管道出口阀门和紧急放空阀门。当压缩机出口处的压力达到超高压保护值的时候，压缩机组UCS将收到超压信号并判断目前的状态是否安全，并向压缩机燃料气管道的出口阀门发出关闭指令和向放空阀门发出打开的指令，以保证压缩机及时停机，防止压缩机下游管道设备超压，如图2所示。

图2 安全联锁保护系统

根据SIL分析，如果该安全仪表回路失效将造成压缩机出口管道、后空冷器等下游相关设备压力超过设计压力，严重时存在站场设施爆炸的潜在危险。经过SIL分析计算判定该安全仪表回路的等级需达到SIL3，而压缩机自带的UCS以及执行器通常达不到SIL3的可靠性等级[6-7]。为了使压缩机出口及下游设备管道超压的可能性降低到安全生产的要求，有3种途径：

（1）将压缩机下游管道设备提高一个压力等级。

（2）在压缩机出口安装高可靠等级机械压力泄放阀。

（3）将该安全联锁保护系统升级为HIPPS。

提高压缩机下游管道设备压力等级会增加巨额投资；在压缩机出口安装高可靠等级机械压力泄放阀可以解决超压问题，但通过泄放量计算，压力泄放阀在选型上不仅有很大的局限性，泄压时压力泄放阀的开启也会引发压缩机出口压力波动，干扰压缩机的压力控制系统，且天然气放空会造成严重经济损失和对环境的污染；HIPPS虽然价格不菲，但是用于主动切断超压工况的源头，相比被动的压力泄放阀更为合理[8-9]。HIPPS改造后的站场安全工作原理见图3。

图3 HIPPS改造后的站场安全工作原理

在图3中，压缩机出口压力传感器采用3选2的配置，要求每台传感器均通过SIL2等级认证；控制器采用压气站场配置的紧急关断系统，采用固态逻辑控制可靠性在SIL3等级以上；压缩机燃料气管道出口阀门和放空阀门是HIPPS系统的执行器，2台串联压缩机燃料气管道出口阀门：1台是压缩机燃料气关断阀门，1台是站场关断系统燃料气阀门；2台并联放空阀门：1台是压缩机放空阀门，1台是站场关断系统燃料气放空阀门。当压缩机出口处的压力达到高压保护值的时候，压缩机UCS和站场紧急关断的HIPPS系统将会同时接收到信号，HIPPS将独立检测到压力信号并向所有执行器发出操作指令。该系统框架符合SIL3等级的HIPPS系统设计。

3 HIPPS在哈国南线天然气管道的应用

哈国南线天然气管道起自哈萨克斯坦曼彻斯套州的别伊涅乌，经阿克纠宾州的巴佐依和克兹洛尔达州，在南哈萨克州的奇姆肯特与中亚天然气管道哈萨克斯坦段C线相连；将天然气从哈萨克斯坦西部地区的油田输送到该国南部，保证其对天然气的需求，同时通过中亚天然气管道将天然气送到中国市场。管道干线总长1 477 km，管径为1 067 mm，最大年输气能力达150亿m3/a。当输量大于29亿m3/a时需要启动1号压气站，该站配备5台15 MW的压缩机，单台天然气输送能力20亿m3/a。

在该项目最初的安全仪表保护系统配置中，压缩机出口超压保护安全仪表保护系统框架为：压缩机出口管道上配有3台SIL2等级的压力传感器作为检测设备，控制器采用压缩机自带的机组控制系统UCS且可靠性等级仅为SIL2等级，在燃料气管道上仅有1台气液联动阀门。根据HAZOP、SIL分析，防止压缩机出口超压的安全仪表回路必须达到SIL3等级的要求，因此需要对该系统进行优化设计改造。

经过对设计方案的反复比选和对安全设备的优化选型，最终选择将HIPPS嵌入超压保护系统作为优化方案。根据HIPPS系统框架要求，需要配置包括2个最终执行元件和3个检测设备。将燃气轮机燃料气橇中自带的1台紧急关断阀加入功能回路与压气站燃料气管道上组成2台串联紧急切断阀门，这2台阀门为最终执行元件，当每台压缩机出口的3选2压力传感器超压报警，2台安全切断阀关闭。逻辑控制器由双系统组成，由嵌入站场ESD系统的HIPPS和压缩机自带的UCS联合控制，HIPPS为主承担逻辑控制器的全部功能，压缩机UCS为辅助控制，如图4所示。

图4 压缩机出口HIPPS系统架构

根据系统架构计算整个HIPPS的故障失效率，由IEC61508的计算公式：

式中：PFDAVG为失效率的平均值；tCE为单通道平均失效时间；tGE为表决结构平均失效时间；β、βD为公共故障系数；Ti为验证测试周期；MTTR为平均修复时间；λDD为可能检测到危险的故障数，λDU为可能没有检测到危险的故障数；λD为每小时危险失效概率。公共故障系数取最苛刻工况β=βD=0.1、MTTR=8、Ti=8 760 h。

根据供货商提供的数据（见表1），计算得传感器PFDAVG=0.8×10-4。