HIPPS在FSRU上的应用

孙 攀，黎 翔，于佳敏

（沪东中华造船（集团）有限公司LNG技术研究所，上海 200129）

0 引 言

浮式液化天然气存储及再气化装置（Liquefied Natural Gas Floating Storage Regasification Unit，LNG-FSRU）是一种具有LNG存储和再气化功能的海上浮式接收站，LNG 经增压气化升温至常温之后，通过压力控制阀减压输入陆地管网。在早期的FSRU 项目中，安全阀或爆破片通常作为再气化工艺系统的最后一级安全保护屏障，将超压介质泄压排放至安全区域。为防止因上游高压系统压力控制阀失灵或下游堵塞而造成下游低压系统超压，需配备数量较多的安全阀或等效安全设施，系统运行维护成本较高，控制难度较大。

近年来，随着安全生产要求的提高，以及降低投资成本和保护环境的设计理念的深入，高完整性压力保护系统（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS）开始广泛应用于油气开发高度集成化的海洋工程项目中。HIPPS是一种基于安全仪表保护的独立控制系统，在日常生产中，该系统一般只处于监控状态，不参加过程控制，一旦系统的工作压力达到超压临界值，及时触发执行器的安全保护动作，从而达到防止下游工艺系统超压、有效避免大量油气经压力安全阀泄压排放的目的，减少对环境的污染，保证人员的安全。

本文在介绍HIPPS的应用条件和组成的基础上，重点对HIPPS在FSRU上的应用方案进行研究，为今后HIPPS在FSRU上应用的优化设计提供参考。

1 HIPPS的应用条件和组成

1.1 HIPPS的应用条件

安全仪表系统由传感器、逻辑解算器和执行设备组成，是专门用于保障安全的控制系统。安全完整性等级（Safety Integrity Level，SIL）是安全仪表系统运行水平的衡量指标。根据IEC 61508 和IEC 61511 的定义，SIL分为4 个等级，其中：SIL4 的等级最高；SIL1 的等级最低。表1 为典型的安全仪表系统及对应的SIL。

表1 典型的安全仪表系统及对应的SIL

HIPPS的选择和应用由风险分析结果对与所分析事项相关的安全仪表回路的可靠性等级决定，当安全仪表回路的可靠性等级需达到SIL3 或SIL3 以上时，需考虑采用HIPPS。

在采用HIPPS时，应注意以下要求：

1）系统中所有仪表的控制完全独立于管道工艺关断系统、应急关断系统或其他控制系统。2）系统采用故障安全型设计。

3）系统的设计、安装和操作程序都必须获得第三方权威机构的认证。

4）系统需定期检测维护，包括阀门及其驱动装置等，以使其一直满足快速响应连锁关断的要求，降低危险失效的风险。维护操作需参照厂家规定的程序执行，也可参照IEC 61511 推荐的方案执行。

5）应根据工艺系统的运行特点，设定合理的HIPPS 阀门关断压力设定值，以保证工艺系统安全、平稳运行。

6）系统执行设备在收到指令之后，一般要在2 ～5 s内完成关闭操作。

1.2 HIPPS组成

HIPPS主要由3 部分组成（见图1）。

图1 HIPPS组成示意图

1）压力传感器与阀组管汇。根据IEC 61511 的要求，压力传感器采用2oo3 表决架构，由3 台相同配置的压力传感器组成串联应用，并通过阀组管汇安装在工艺管道上，每台传感器都具备SIL3 安全等级认证。

2）逻辑解算器。作为HIPPS 的核心构件，逻辑解算器对输入的压力信号进行安全逻辑运算，并将决策信息反馈给执行设备。逻辑解算器基于固态逻辑控制系统，采用故障安全型和模块化的设计结构，具备SIL4 安全等级认证。在目前的行业市场中，典型的逻辑解算器产品有日本横河公司的ProSafe-SLS系统和美国艾默生公司的DeltaV SIS-CHARM系统。

3）执行设备。HIPPS的执行设备一般由2 台关断阀串联组成，关断阀包括阀体、驱动机构和电磁阀等，其整体具备SIL3 认证，能在规定的响应时间内完成关断动作。

2 HIPPS在FSRU上的应用

HIPPS在FSRU上的应用取决于危险性和可操作性分析结果，结合再气化系统的SIL 要求，本文介绍HIPPS在FSRU上的2 种实际工程应用方案，并从设计特点、系统配置和成本等方面进行对比分析。

1）案例一，HIPPS应用在新建FSRU项目上，再气化模块包含3 个处理链条，每个再气化链条包含2 台LNG增压泵、2 台LNG气化器、1 台印刷电路板式换热器和1 台挥发气冷凝器。当3 个再气化链条并行作业时，峰值气化输出能力为750 mmscfd（mmscfd表示100 万标准立方英尺每天，1 英尺=0.304 8 m），LNG增压泵出口压力最大为16.15 MPa，要求的外输气体压力最大为11.0 MPa。HIPPS布置在高压气体外输集管上。

2）案例二，HIPPS应用在改装FSRU项目上，再气化模块包含3 个处理链条，每个再气化链条仅包含1台LNG增压泵、1 台LNG气化器、1 台印刷电路板式换热器和1 台挥发气冷凝器。当3 个再气化链条并行作业时，峰值气化输出能力为375 mmscfd，LNG增压泵出口压力最大为16.15 MPa，要求的外输气体压力最大为12.0 MPa。HIPPS布置在LNG增压泵出口管道上。

根据工程经验和实际调试情况，2 个案例中HIPPS要求的关断时间均为2 s。

2.1 案例一：HIPPS布置在高压气体外输集管上

图2为案例一HIPPS 原理示意图，HIPPS 布置在高压气体外输集管上，独立于再气化模块。关断阀上游管道系统设计压力为17.0 MPa，最大操作压力为16.15 MPa，管道通径为DN500；关断阀下游管道系统设计压力为12.5 MPa，最大操作压力为11.0 MPa，管道通径为DN500。HIPPS 关断阀连锁关断压力设定值为11.0 MPa。3 台压力传感器将检测到的管道压力信号输送给逻辑解算器，逻辑计算器基于2oo3 表决架构进行安全逻辑控制，当管道压力达到或超过关断压力设定值时，触发连锁关断信号，2 台阀门在收到执行指令的2 s内同时关断，隔离上下游工艺系统。在整个HIPPS中，3 台压力传感器串联形成2oo3 架构，逻辑解算器采用智能诊断及容错冗余结构设计，作为执行设备的2 台关断阀串联形成1oo2 架构，且每台阀门的驱动装置均配备2 台电磁阀串联结构（组成1oo2 架构）。整个HIPPS的选型配置可靠性较高，且获得了第三方权威机构德国TUV的认证，确保了其满足SIL3 安全等级设计要求。

图2 案例一HIPPS原理示意图

2.2 案例二：HIPPS布置在LNG增压泵出口管道上

图3为案例二HIPPS原理示意图，HIPPS集成在再气化模块内部，安装在再气化链条每个LNG增压泵出口管道上。关断阀上游管道系统设计压力为17.0 MPa，最大操作压力为16.15 MPa，管道通径为DN150；关断阀下游管道设计压力为12.5 MPa，最大操作压力为12.0 MPa，管道通径为DN150。HIPPS关断阀连锁关断压力设定值为12.0 MPa。当任意一个再气化链条内的3 台压力传感器检测到管道压力达到或超过关断压力设定值时，该链条的HIPPS自动触发连锁关断，对应的2 台阀门在2 s内同时关断。HIPPS 各组成部件的安全设计等级要求与案例一的要求一致。

图3 案例二HIPPS原理示意图

2.3 2 种HIPPS应用方案对比分析

1）管道介质不同。案例一，HIPPS应用在高压气体外输集管上，管道介质为常温高压天然气，因此关断阀等系统部件无需满足低温设计要求；案例二，HIPPS布置在LNG增压泵出口管道上，管道介质为低温高压LNG，关断阀等系统部件需满足低温设计要求。

2）HIPPS配置不同。案例一仅需配置1 套HIPPS；案例二需在每个再气化链条的LNG增压泵出口管道上安装1 套HIPPS，共需3 套。

3）系统安装和空间布置方式不同。案例一，关断阀通径为DN500，外型尺寸巨大，其驱动装置的长度就有4.1 m，单个阀门的质量高达13 t左右，系统安装难度高，需为其设计独特的支撑结构和维修操作平台，但阀门上下游管道布置基本上不受空间的影响，可最大限度地采用直管段布置型式，有效降低管道应力和延程压力损失；案例二，关断阀通径为DN150，与案例一所用关断阀的尺寸差异明显，安装难度相对较低，但受再气化模块内部空间的限制，管道布置必须在低温管应力计算的基础上不断优化改进，直至满足设计工艺的要求。

4）经济成本不同。案例一所用常温高压关断阀通径为DN500，价格昂贵；案例二所用低温高压关断阀通径为DN150，单个阀门的采购成本较低。在2 种方案的再气化模块的处理能力一致的情况下，即峰值气化输出能力均为750 mmscfd，案例二HIPPS的总采购成本低于案例一。

综上所述，案例一需配备1 套满足常温设计要求的HIPPS，但关断阀尺寸巨大，安装难度较高，船厂的直接采购成本和额外的设计建造成本较高；案例二需配备3 套满足低温设计要求的HIPPS，关断阀尺寸较小，安装难度较低，经济成本相对较低，但对再起化模块内部空间布置的要求较高。

3 结 语

本文介绍了HIPPS的适用条件和功能组成，并结合工程实例分析了HIPPS在FSRU上的2 种应用。

1）HIPPS适用于FSRU项目中SIL要求为SIL3 的工艺系统，主要为高压输出管道。

2）HIPPS关断时间越短，下游低压系统达到的平衡压力越低。因此，在下游低压系统平衡压力小于其设计压力的前提下，尽可能地延长关断时间，以降低因快速关断而产生的气锤或水锤危害。在示例工程中，根据经验和实际调试情况，将关断时间设定为2 s。但是，在今后的工程应用中，建议采用动态模拟软件进行定量计算，根据系统的运行特点和管道布置，分析不同关断时间对工艺系统的影响，从而确定合适的设定值。

3）当在FSRU上应用HIPPS时，其系统配置需综合考虑项目特点、空间布局、经济成本和施工难度等多方面因素，选择最适合的方案。