HIPPS系統(tǒng)在長(zhǎng)輸管道壓氣站的應(yīng)用

楊旭光，彭 曄，胡梅花，王 濤，續(xù)大洛

中油國(guó)際管道有限公司，北京 100029

壓氣站工藝區(qū)是天然氣長(zhǎng)輸管道重要的組成部分，為防止管道和設(shè)備超壓，保護(hù)站內(nèi)設(shè)施，以前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中會(huì)根據(jù)可靠性等級(jí)的要求采用過(guò)程報(bào)警、緊急關(guān)斷、機(jī)械泄放等保護(hù)措施。在近年的工程設(shè)計(jì)中，考慮到工藝優(yōu)化、主動(dòng)保護(hù)、環(huán)境保護(hù)等設(shè)計(jì)理念，采用了一種高壓保護(hù)系統(tǒng)（HIPPS）。該系統(tǒng)能及時(shí)切斷引起工藝系統(tǒng)超壓的壓力源，從而達(dá)到保護(hù)下游工藝系統(tǒng)的作用，具有很高的安全可靠性。該系統(tǒng)在發(fā)達(dá)國(guó)家油氣行業(yè)應(yīng)用較早，目前的海上平臺(tái)等高集成化油氣項(xiàng)目中已經(jīng)廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)[1]，但在壓氣站的設(shè)計(jì)中，HIPPS的應(yīng)用尚不多見(jiàn)。

1 HIPPS組成

HIPPS（High Integrity Pressure Protection System）全稱(chēng)為高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由3部分組成，如圖1所示。

圖1 HIPPS系統(tǒng)組成

（1）壓力傳感器。測(cè)定超壓壓力元件，例如壓力開(kāi)關(guān)，根據(jù)IEC 61511的要求，壓力傳感器一般采用3選2的配置，3臺(tái)傳感器采用不同制造商產(chǎn)品，每臺(tái)傳感器均通過(guò)SIL2等級(jí)認(rèn)證。

（2）控制器?；谳斎氲膲毫π盘?hào)確定目前的狀態(tài)是否安全，并將反饋信息傳送到執(zhí)行器。要求采用固態(tài)邏輯控制并要獲得權(quán)威機(jī)構(gòu)的SIL3以上等級(jí)認(rèn)證。

（3）執(zhí)行器。一種快速關(guān)斷閥或者緊急放空閥，當(dāng)執(zhí)行器起到截?cái)喙δ軙r(shí)，一般要求2臺(tái)快速關(guān)斷閥串聯(lián)；當(dāng)執(zhí)行器起到放空功能時(shí)，一般要求2臺(tái)緊急放空閥并聯(lián)，自帶動(dòng)力源，配備冗余的閥門(mén)電磁閥[2-3]。

2 HIPPS在壓氣站的應(yīng)用

HIPPS主要用于安全儀表系統(tǒng)（SIS）中對(duì)安全可靠性要求比較高的設(shè)備上，在日常生產(chǎn)時(shí)，該系統(tǒng)一般只是處于監(jiān)控狀態(tài)，不參加過(guò)程控制，當(dāng)壓力達(dá)到超壓臨界值時(shí)才觸發(fā)執(zhí)行器的安全保護(hù)動(dòng)作，作為安全儀表最高可靠等級(jí)的保護(hù)措施[4]。HIPPS系統(tǒng)的選擇與應(yīng)用是由HAZOP與SIL分析成果對(duì)于所分析事項(xiàng)相關(guān)的安全儀表回路的可靠等級(jí)決定的，當(dāng)安全儀表回路的可靠等級(jí)需要達(dá)到SIL3等級(jí)時(shí)，可考慮選擇HIPPS系統(tǒng)[5]。

安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)是保護(hù)壓氣站、防止壓氣站管道設(shè)備超壓的重要措施，主要應(yīng)用于壓縮機(jī)組進(jìn)出口、壓氣站出站口、調(diào)壓設(shè)備壓力分界點(diǎn)等位置。以壓縮機(jī)出口超壓聯(lián)鎖系統(tǒng)為例，壓力傳感器為壓縮機(jī)出口管道保護(hù)儀表，控制器為壓縮機(jī)UCS，執(zhí)行器為壓縮機(jī)燃料氣管道出口閥門(mén)和緊急放空閥門(mén)。當(dāng)壓縮機(jī)出口處的壓力達(dá)到超高壓保護(hù)值的時(shí)候，壓縮機(jī)組UCS將收到超壓信號(hào)并判斷目前的狀態(tài)是否安全，并向壓縮機(jī)燃料氣管道的出口閥門(mén)發(fā)出關(guān)閉指令和向放空閥門(mén)發(fā)出打開(kāi)的指令，以保證壓縮機(jī)及時(shí)停機(jī)，防止壓縮機(jī)下游管道設(shè)備超壓，如圖2所示。

圖2 安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)

根據(jù)SIL分析，如果該安全儀表回路失效將造成壓縮機(jī)出口管道、后空冷器等下游相關(guān)設(shè)備壓力超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，嚴(yán)重時(shí)存在站場(chǎng)設(shè)施爆炸的潛在危險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)SIL分析計(jì)算判定該安全儀表回路的等級(jí)需達(dá)到SIL3，而壓縮機(jī)自帶的UCS以及執(zhí)行器通常達(dá)不到SIL3的可靠性等級(jí)[6-7]。為了使壓縮機(jī)出口及下游設(shè)備管道超壓的可能性降低到安全生產(chǎn)的要求，有3種途徑：

（1）將壓縮機(jī)下游管道設(shè)備提高一個(gè)壓力等級(jí)。

（2）在壓縮機(jī)出口安裝高可靠等級(jí)機(jī)械壓力泄放閥。

（3）將該安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)為HIPPS。

提高壓縮機(jī)下游管道設(shè)備壓力等級(jí)會(huì)增加巨額投資；在壓縮機(jī)出口安裝高可靠等級(jí)機(jī)械壓力泄放閥可以解決超壓?jiǎn)栴}，但通過(guò)泄放量計(jì)算，壓力泄放閥在選型上不僅有很大的局限性，泄壓時(shí)壓力泄放閥的開(kāi)啟也會(huì)引發(fā)壓縮機(jī)出口壓力波動(dòng)，干擾壓縮機(jī)的壓力控制系統(tǒng)，且天然氣放空會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)環(huán)境的污染；HIPPS雖然價(jià)格不菲，但是用于主動(dòng)切斷超壓工況的源頭，相比被動(dòng)的壓力泄放閥更為合理[8-9]。HIPPS改造后的站場(chǎng)安全工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 HIPPS改造后的站場(chǎng)安全工作原理

在圖3中，壓縮機(jī)出口壓力傳感器采用3選2的配置，要求每臺(tái)傳感器均通過(guò)SIL2等級(jí)認(rèn)證；控制器采用壓氣站場(chǎng)配置的緊急關(guān)斷系統(tǒng)，采用固態(tài)邏輯控制可靠性在SIL3等級(jí)以上；壓縮機(jī)燃料氣管道出口閥門(mén)和放空閥門(mén)是HIPPS系統(tǒng)的執(zhí)行器，2臺(tái)串聯(lián)壓縮機(jī)燃料氣管道出口閥門(mén)：1臺(tái)是壓縮機(jī)燃料氣關(guān)斷閥門(mén)，1臺(tái)是站場(chǎng)關(guān)斷系統(tǒng)燃料氣閥門(mén)；2臺(tái)并聯(lián)放空閥門(mén)：1臺(tái)是壓縮機(jī)放空閥門(mén)，1臺(tái)是站場(chǎng)關(guān)斷系統(tǒng)燃料氣放空閥門(mén)。當(dāng)壓縮機(jī)出口處的壓力達(dá)到高壓保護(hù)值的時(shí)候，壓縮機(jī)UCS和站場(chǎng)緊急關(guān)斷的HIPPS系統(tǒng)將會(huì)同時(shí)接收到信號(hào)，HIPPS將獨(dú)立檢測(cè)到壓力信號(hào)并向所有執(zhí)行器發(fā)出操作指令。該系統(tǒng)框架符合SIL3等級(jí)的HIPPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 HIPPS在哈國(guó)南線(xiàn)天然氣管道的應(yīng)用

哈國(guó)南線(xiàn)天然氣管道起自哈薩克斯坦曼徹斯套州的別伊涅烏，經(jīng)阿克糾賓州的巴佐依和克茲洛爾達(dá)州，在南哈薩克州的奇姆肯特與中亞天然氣管道哈薩克斯坦段C線(xiàn)相連；將天然氣從哈薩克斯坦西部地區(qū)的油田輸送到該國(guó)南部，保證其對(duì)天然氣的需求，同時(shí)通過(guò)中亞天然氣管道將天然氣送到中國(guó)市場(chǎng)。管道干線(xiàn)總長(zhǎng)1 477 km，管徑為1 067 mm，最大年輸氣能力達(dá)150億m3/a。當(dāng)輸量大于29億m3/a時(shí)需要啟動(dòng)1號(hào)壓氣站，該站配備5臺(tái)15 MW的壓縮機(jī)，單臺(tái)天然氣輸送能力20億m3/a。

在該項(xiàng)目最初的安全儀表保護(hù)系統(tǒng)配置中，壓縮機(jī)出口超壓保護(hù)安全儀表保護(hù)系統(tǒng)框架為：壓縮機(jī)出口管道上配有3臺(tái)SIL2等級(jí)的壓力傳感器作為檢測(cè)設(shè)備，控制器采用壓縮機(jī)自帶的機(jī)組控制系統(tǒng)UCS且可靠性等級(jí)僅為SIL2等級(jí)，在燃料氣管道上僅有1臺(tái)氣液聯(lián)動(dòng)閥門(mén)。根據(jù)HAZOP、SIL分析，防止壓縮機(jī)出口超壓的安全儀表回路必須達(dá)到SIL3等級(jí)的要求，因此需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改造。

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的反復(fù)比選和對(duì)安全設(shè)備的優(yōu)化選型，最終選擇將HIPPS嵌入超壓保護(hù)系統(tǒng)作為優(yōu)化方案。根據(jù)HIPPS系統(tǒng)框架要求，需要配置包括2個(gè)最終執(zhí)行元件和3個(gè)檢測(cè)設(shè)備。將燃?xì)廨啓C(jī)燃料氣橇中自帶的1臺(tái)緊急關(guān)斷閥加入功能回路與壓氣站燃料氣管道上組成2臺(tái)串聯(lián)緊急切斷閥門(mén)，這2臺(tái)閥門(mén)為最終執(zhí)行元件，當(dāng)每臺(tái)壓縮機(jī)出口的3選2壓力傳感器超壓報(bào)警，2臺(tái)安全切斷閥關(guān)閉。邏輯控制器由雙系統(tǒng)組成，由嵌入站場(chǎng)ESD系統(tǒng)的HIPPS和壓縮機(jī)自帶的UCS聯(lián)合控制，HIPPS為主承擔(dān)邏輯控制器的全部功能，壓縮機(jī)UCS為輔助控制，如圖4所示。

圖4 壓縮機(jī)出口HIPPS系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算整個(gè)HIPPS的故障失效率，由IEC61508的計(jì)算公式：

式中：PFDAVG為失效率的平均值；tCE為單通道平均失效時(shí)間；tGE為表決結(jié)構(gòu)平均失效時(shí)間；β、βD為公共故障系數(shù)；Ti為驗(yàn)證測(cè)試周期；MTTR為平均修復(fù)時(shí)間；λDD為可能檢測(cè)到危險(xiǎn)的故障數(shù)，λDU為可能沒(méi)有檢測(cè)到危險(xiǎn)的故障數(shù)；λD為每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率。公共故障系數(shù)取最苛刻工況β=βD=0.1、MTTR=8、Ti=8 760 h。

根據(jù)供貨商提供的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），計(jì)算得傳感器PFDAVG=0.8×10-4。

表1 傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)

對(duì)于邏輯控制單元數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2），計(jì)算得控制器 PFDAVG=4.19×10-5。

表2 控制器實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)

對(duì)于最終執(zhí)行元件，根據(jù)供貨商提供的數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3），計(jì)算得執(zhí)行器PFDAVG=1.19×10-4。

表3 執(zhí)行機(jī)貨商數(shù)據(jù)

總失效率平均值PFDAVG（TOT）=0.80×10-4+4.19×10-5+1.19×10-4=2.4×10-4。

根據(jù)SIL分級(jí)，采用HIPPS系統(tǒng)后，壓縮機(jī)出口超壓保護(hù)系統(tǒng)的可靠性等級(jí)從原來(lái)的低于SIL2提升至高于SIL3，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并極大降低了天然氣管道超壓的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于壓氣站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的保護(hù)具有重要意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

HIPPS系統(tǒng)在輸氣站場(chǎng)的應(yīng)用，給安全儀表系統(tǒng)提供了更多選擇性。高安全等級(jí)的HIPPS在工藝系統(tǒng)中可以替代被動(dòng)保護(hù)的安全閥或者泄放閥作為系統(tǒng)安全的最后一級(jí)保護(hù)，可降低工程的投資和運(yùn)行難度。隨著設(shè)計(jì)理念的更新和SIL的安全完整性升級(jí)，系統(tǒng)將更加可靠高效，輸氣站場(chǎng)安全性將進(jìn)一步提高。