HIPPS 在天然气计量检定站的应用

闫海明

（国家管网集团西气东输分公司武汉计量研究中心，湖北武汉 430073）

0 引言

天然气计量检定站被检流量计的口径、压力等级、流量范围等参数不同，导致检定过程需要不同的介质压力条件，且每台流量计检定过程中需要调节不同的流量点，尤其在切换标准表支路的过程中可能由于误操作造成标准涡轮流量计超速运行，因此需要设置快速高效的安全手段，以确保设备的安全。

在天然气计量检定站的设计过程中，通过工艺流程切换以满足被检流量计的压力等级和标准涡轮流量计的量程要求，改变工艺条件易发生危险状况，需要一种安全可靠的超压超速保护系统。

HIPPS（High-Integrity Pressure Protection System，高完整性压力保护系统）在发达国家的油气行业应用较早，海上平台等高集成化的油气项目中已广泛应用，但在天然气计量检定站的设计中，HIPPS 的应用尚未涉及[1]。

1 HIPPS 系统原理

HIPPS 是一个完整的闭环系统，属于SIS（Safety Related System，安全仪表系统），其保护原则也与SIS 类似，在场站工艺流程正常运行时，HIPPS 起到实时监控的作用，不影响现场生产。当HIPPS 监控到设定的危险状态实际发生时，会立即做出反应，触发设定动作，实现现场设备的安全防护[2]。

HIPPS 可在压力过高或者流量过大的情况下进行员工、环境和设备的安全防护，减少和避免有毒介质的排放。

2 HIPPS 的组成

典型的HIPPS 要求SIL3 等级，防护等级不低于IP65，防爆等级不低于EExdⅡAT3。主要由压力变送器、控制器和执行器3个安全部分组成，对SIL 的影响分别为30%、10%和60%[3]。

（1）压力变送器：根据IEC 61511 的要求进行3 选2 配置，满足单体SIL2 等级认证。

（2）逻辑控制器：对压力变送器监测的介质压力值作出判断后，将动作信号传至执行器。逻辑控制器通常要求不低于SIL3，或者选用固态逻辑控制器。

（3）执行器：单体满足SIL3 认证，配置弹簧关的执行机构，安全切断阀可快速关闭，整个回路响应时间≤2 s。2 台安全切断阀串联配置，安全等级SIL-4；3 个压力变送器和2 个电磁阀均基于冗余式的安全设计。

3 HIPPS 在计量检定站的应用

3.1 系统架构

天然气计量检定站的工艺流程主要由进出站区、过滤分离区、电加热器区、大压差调节、稳压调节、标准台位、检定台位和流量调节区组成。2 台安全切断阀串联设置在大压差调节区域前，3 台压力变送器和涡轮流量计均设置在稳压调节之后，计量检定站HIPPS 架构如图1 所示。

图1 计量检定站HIPPS 架构

安全切断阀无需阀前取压，避免因管道取气而采用干燥、过滤、减压和加热模块，系统简单、故障率低；管道投产时，管道未进气也可采用液压手泵开启阀门。中控室的控制系统通过3 个压力变送器实时监控调压后的管道压力，检定系统实时监测标准台位的涡轮流量计的流量值。

调压单元可实现介质压力在4.5～10 MPa 范围内调节，根据检定台位被检流量计的压力等级设置产生阀门关断信号的压力值，控制系统实时监测调压单元后的压力值，若3 个压力变送器中的任2 个（包括3 个）报警时，HIPPS 控制器将产生关断信号，2 个安全切断阀立即关闭。

标准台位共有6 条DN200、4 条DN100 和1 条DN80 标准涡轮流量计，根据流量计的量程分别设置产生阀门关断信号的流量值为1920 m3/h、480 m3/h 和192 m3/h，检定系统实时监测各流量计的瞬时流量，若任一流量计的流量超过设定值，HIPPS控制器将产生关断信号，2 个安全切断阀立即关闭。

3.2 安全切断阀

3.2.1 阀门结构

安全切断阀执行机构为弹簧关式气缸执行机构，在气缸下方有一个小型隐蔽式液压缸，液压缸自带液压手动泵，固定在执行器侧面；液压管路装有2 个24 V 电磁阀，电磁阀带电时关闭。安全切断阀配有机械阀位指示窗口，操作人员可在现场直接观察阀门开关位置，同时配有限位开关，供远传至系统显示阀门开关状态。安全切断阀的结构如图2所示。

图2 mokveld 安全切断阀结构

若需要紧急关闭阀门，系统给电磁阀断电，此时液压旁路被打开，阀门执行机构在弹簧的作用下被快速关闭；若需要重新打开阀门，确认现场流程安全后，系统重新给电磁阀供电，操作人员现场利用手动按钮将电磁阀复位，液压旁路再次闭锁，现场操作手动泵打开安全切断阀。

3.2.2 阀杆泄漏测试单元

阀杆泄漏测试单元用于检查阀门内部的活塞杆密封圈是否泄漏，如图3 所示，测试单元的设计压力为1.0 MPa，泄压阀设定值为0.9 MPa，放空管线的最大背压为0.7 MPa。测试时需要将球阀短时间关闭，长期关闭会影响阀门的压力平衡，导致阀门无法正常运行。测试过程观察压力表的示值增长速度，超过0.1 MPa/h，需对阀门进行全面维修。

图3 阀杆泄漏测试单元

3.2.3 阀门特征

（1）轴流式：全压力平衡阀芯，流通能力高且压降低，流体在阀体内部均匀分布，减少紊流和噪声。

（2）可靠性：线性的活塞式弹簧关执行机构，多层弹簧关闭动作具有高的安全可靠性。

（3）切断时间快：短行程，小于36 英寸的阀门2 s 内切断，小于12 英寸的阀门1 s 内切断。

（4）执行机构：运动部件的重量轻，不需要任何外部动力源的活塞式弹簧关自驱式执行机构，保证阀门动作的安全性和可靠性，并且节能环保。

4 维护保养

为保证HIPPS 的正常运行，需定期进行维护保养。主要包括以下内容：

4.1 月度检查

月度检查主要包括外观检查和泄漏检查两部分。

（1）外观检查：检查是否有腐蚀或松动；修补受损的阀体涂层或保护层；紧固阀门或者执行机构松动的螺栓。

（2）泄漏检查：对阀门与管道法兰的连接处进行验漏，有泄漏需更换法兰垫片，垫片更换时需将阀门从管线上拆下。阀杆泄漏测试单元测试活塞杆的密封是否完好。

4.2 季度检查

季度检查的主要内容是阀门功能测试。

（1）阀门必须定期进行功能测试（通常6 个月一次），但实际间隔时间需根据可靠报告（SIL 计算）制定。

（2）检查时需停止输送介质，确保介质停输不会影响测试过程，按下测试按钮，使用秒表测量阀门关闭时间，检查测试时间是否小于最大允许时间。

4.3 年度检查

（1）每5 年必须对阀门内部进行一次彻底检修，从管线上拆下阀门，将阀门中残余的介质吸掉、抽走或排干，仔细清洗阀门内部，清除污垢。

（2）检查阀体内表面是否有腐蚀、冲蚀，测量受压部分壁厚，检查零件是否松动。

（3）检查阀内表面及涂层是否有破坏。检查所有零部件外部，尤其是密封圈是否损坏或腐蚀。

4.4 预防性维护措施

（1）从阀门上拆除执行机构和仪表，彻底解体阀门，检查所有阀内件，记录部件上的备件号，更换磨损的部件。更换密封圈和润滑油后组装阀门，验漏后安装阀杆泄漏测试单元。

（2）拆下执行机构的全部仪表，检查是否需要更换或采取特殊的措施，更换的仪表零件要与原装的完全相同，重新组装并校对。执行机构安装完成后，若液压单元的压力小于0.3 MPa（3 bar），则需要增加到1.2～1.5 MPa（12～15 bar）。

（3）所有的仪表已校对并正常运行后，将阀门重新安装在管线上，进行升压验漏。在阀门开启状态下对阀杆测试单元进行验漏后安装测试单元。在管线带压的情况下测试阀门的操作功能。

5 结语

国家石油天然气大流量计量站武汉分站为高压天然气计量检定站，于2016 年投产运行，该站采用HIPPS 对调压后的流量计进行超压和超速保护，在建标测试和日常生产的检定工作中，由于误操作等原因导致出现超压和超速的情况发生，HIPPS 瞬间作出反应，及时切断了危险源，保证了流量计的安全。