HIPPS 在天然氣輸送管線中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

中國(guó)石油管道局工程有限公司

在LNG 接收站項(xiàng)目中，安全閥或爆破片通常作為最后一級(jí)安全保護(hù)措施，將超壓介質(zhì)泄放至安全區(qū)域或火炬系統(tǒng)來(lái)避免因超壓而產(chǎn)生潛在安全危害。但針對(duì)可燃、易燃介質(zhì)的工藝系統(tǒng)，采用安全閥作為安全保護(hù)措施的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可操作性較差，原因如下[1～2]：

（1）上游管線系統(tǒng)和下游管線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力差別較大。結(jié)合工程項(xiàng)目的建設(shè)投資，下游管線的設(shè)計(jì)壓力不按照上游高壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，正常運(yùn)行通過(guò)壓力控制閥減壓，但下游堵塞工況時(shí)極易造成下游低壓系統(tǒng)的超壓，因此應(yīng)設(shè)置安全閥或等效安全設(shè)施。通常泄放量按照全流量考慮，安全閥數(shù)量多，安裝困難，同時(shí)運(yùn)行維護(hù)期間的成本較高、難度較大。

（2）對(duì)于改擴(kuò)建工程，低壓系統(tǒng)可能需接入新的上游高壓壓力源，下游低壓設(shè)施已有的安全閥等設(shè)施不足以應(yīng)對(duì)潛在新增的大量烴類物流泄放，環(huán)境友好性差。

（3）在排放量極大的場(chǎng)合，若將工藝氣體排放至火炬系統(tǒng)，會(huì)增加火炬系統(tǒng)的處理能力，導(dǎo)致整個(gè)火炬系統(tǒng)的投資急劇增大。

因此，采用安全閥或爆破片作為泄放設(shè)施并不適用于上述場(chǎng)合，需從安全性和可靠性上考慮可替代的方法，高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第127 條規(guī)定“安全泄放裝置用于防止管道系統(tǒng)發(fā)生超壓事故，其控制儀器儀表和事故連（聯(lián)）鎖裝置不能代替安全泄放裝置作為系統(tǒng)的保護(hù)措施。在不允許安裝安全泄放裝置情況下，并且控制儀表和事故連（聯(lián)）鎖裝置的可靠性不低于安全泄放裝置時(shí)，則控制儀器儀表和事故連（聯(lián)）鎖裝置可以代替安全泄放裝置作為系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)施”，高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)完全符合監(jiān)察規(guī)程的要求，可作為替代安全泄放裝置的保護(hù)措施，既節(jié)省投資，又保證了閥門可靠的關(guān)斷。

高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS）在石油化工、油氣儲(chǔ)運(yùn)、海洋平臺(tái)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。IEC61508[3]標(biāo)準(zhǔn)將HIPPS 定義為高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)，是一種基于安全儀表保護(hù)的獨(dú)立的控制系統(tǒng)，通常用于安全等級(jí)要求很高的工藝設(shè)施[4]，一方面降低了被保護(hù)對(duì)象的設(shè)計(jì)壓力，另一方面可以作為主動(dòng)防御安全設(shè)施。該技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[5～14]。

1 項(xiàng)目基本工藝流程

本項(xiàng)目的主要工藝流程示意圖如圖1 所示。

來(lái)自海底管線操作壓力為8 000 kPa(G)（下同）的天然氣經(jīng)壓力控制閥降至4 200 kPa，經(jīng)管網(wǎng)輸送至下游電廠用戶。其中海底管線操作壓力為8 000 kPa，管線設(shè)計(jì)壓力9 700 kPa，下游電廠用戶所需天然氣操作壓力4 200 kPa，下游電廠管線設(shè)計(jì)壓力4 800 kPa，正常流量450 t/h。海底管線天然氣管道和下游用戶天然氣管線的操作壓力和設(shè)計(jì)壓力差別較大，當(dāng)下游切斷閥故障狀態(tài)關(guān)閉時(shí)，上游高壓天然氣可能會(huì)造成下游天然氣管線壓力迅速升高，形成超壓危險(xiǎn)環(huán)境。按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，下游天然氣管線應(yīng)設(shè)置安全泄放設(shè)施，如壓力安全閥，將超壓天然氣排放至火炬系統(tǒng)燃燒，安全閥泄放量按照額定流量的110%考慮，約495 t/h，這就造成火炬總管和火炬筒體的尺寸增大，建設(shè)和維護(hù)成本較高，經(jīng)濟(jì)性差。此時(shí)HIPPS 系統(tǒng)可替代壓力安全閥在極短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉緊急切斷閥，避免下游低壓系統(tǒng)超壓。

本示例項(xiàng)目天然氣組成和工藝參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 天然氣組分Tab.1 Nature gas composition摩爾分?jǐn)?shù)

基于本示例項(xiàng)目，分別考察下游低壓系統(tǒng)切斷閥堵塞時(shí)的三種主要工況，從定量角度實(shí)時(shí)計(jì)算和分析設(shè)置SIS 連鎖和HIPPS 系統(tǒng)的必要性。具體工況如下：

圖1 天然氣輸送的動(dòng)態(tài)模型及工藝流程Fig.1 Process flow and dynamic model of natural gas transportation

表2 天然氣輸送管線的主要工藝操作參數(shù)Tab.2 Main operation parameter of natural gas transpotration pipeline

（1）工況一。下游用戶出口切斷閥故障關(guān)閉，SIS 系統(tǒng)和HIPPS 系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)，研究系統(tǒng)工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)。

（2）工況二。下游用戶出口切斷閥故障關(guān)閉，SIS 系統(tǒng)觸發(fā)，HIPPS 系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)，研究系統(tǒng)工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)。

（3）工況三。下游用戶出口切斷閥故障關(guān)閉，SIS 系統(tǒng)和HIPPS 系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，研究系統(tǒng)工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)。

考慮到石油化工裝置中任何工藝系統(tǒng)的超壓都是時(shí)間的函數(shù)，是從穩(wěn)態(tài)逐步動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，因此為了使分析更加準(zhǔn)確、可靠，引入了先進(jìn)的動(dòng)態(tài)模擬軟件計(jì)算工具。動(dòng)態(tài)模擬已被國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司大量應(yīng)用[15-26]，其中王亮[26]以丙烯丙烷精餾塔系統(tǒng)為例，應(yīng)用流程模擬軟件，建立丙烯丙烷精餾塔動(dòng)態(tài)模型，分析了丙烯丙烷精餾塔在操作條件變化、進(jìn)料流量及進(jìn)料組成干擾變化時(shí)精餾塔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化過(guò)程，研究了常規(guī)PID 控制方案以及通常的先進(jìn)控制方案所存在的問題，為改進(jìn)的集實(shí)時(shí)、優(yōu)化與先進(jìn)控制于一體的控制方案設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；馮傳令[17]利用動(dòng)態(tài)HYSYS 對(duì)原油容器的火災(zāi)工況的泄放過(guò)程進(jìn)行了模擬，模擬出火災(zāi)工況下的最大泄放量，解決了安全閥計(jì)算及選型的困難，有效地保證了系統(tǒng)的安全，動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)操作和控制方案的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 工況一

下游用戶出口切斷閥故障關(guān)閉，SIS 系統(tǒng)和HIPPS系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)模擬軟件計(jì)算分析系統(tǒng)內(nèi)工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 切斷閥關(guān)閉時(shí)上游（物流1）和下游（物流3）的壓力變化以及壓力控制閥開度趨勢(shì)圖Fig.2 Pressure changes of upstream (stream 1)and downstream(stream 3)and the pressure control valve opening trend chart during shutdown valve closing

從圖2 和圖3 看出：運(yùn)行時(shí)間為60 s 時(shí)下游切斷閥在20 s 內(nèi)開始從100%逐漸關(guān)閉；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為79 s 時(shí)下游用戶的操作壓力由4 200 kPa 逐漸升高，壓力控制閥開始從49.989%逐漸關(guān)閉，質(zhì)量流量開始從450 t/h 逐漸降低；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為80 s 時(shí)下游切斷閥完全關(guān)閉，此時(shí)下游用戶操作壓力為4 603 kPa，壓力控制閥開度為49.046%，質(zhì)量流量為424.5 t/h；隨后壓力控制閥開度逐漸降低直至完全關(guān)閉。當(dāng)下游切斷閥完全關(guān)閉后，質(zhì)量流量并未降低為零，而是逐漸降低，此過(guò)程為下游管線的增壓填充過(guò)程，下游管線壓力最終增壓至7 915 kPa。因此針對(duì)高、低壓工藝系統(tǒng)，下游切斷閥關(guān)閉時(shí)勢(shì)必會(huì)造成下游管線的超壓，如采用設(shè)置安全閥作為超壓保護(hù)措施，需設(shè)置處理能力為495 t/h 的安全閥，安全閥的數(shù)量及超壓氣體的排放將會(huì)大大增加工程建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難度和建設(shè)投資，經(jīng)濟(jì)性較差。

圖3 切斷閥關(guān)閉時(shí)管線質(zhì)量流量和介質(zhì)密度的趨勢(shì)圖Fig.3 Trend chart of pipeline mass flow and medium density during shutdown valve closing

2.2 工況二

下游用戶出口切斷閥故障關(guān)閉，SIS 系統(tǒng)觸發(fā)，HIPPS 系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)模擬軟件計(jì)算分析系統(tǒng)內(nèi)工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 切斷閥關(guān)閉時(shí)上游（物流1）和下游（物流5）的壓力變化以及壓力控制閥開度趨勢(shì)圖Figu.4 Pressure changes of upstream (stream 1)and downstream(stream 5)and the pressure control valve opening trend chart during shutdown valve closing

從圖4 和圖5 看出：運(yùn)行時(shí)間為60 s 時(shí)下游切斷閥在20 s 內(nèi)開始從100%逐漸關(guān)閉；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為79 s 時(shí)下游用戶的操作壓力由4 200 kPa 逐漸升高，壓力控制閥開始從49.989%逐漸關(guān)閉，質(zhì)量流量開始從450 t/h 逐漸降低；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為80 s 時(shí)下游切斷閥完全關(guān)閉，壓力控制閥開度為49.046%，質(zhì)量流量為424.5 t/h；隨后壓力控制閥開度逐漸降低直至完全關(guān)閉；當(dāng)下游壓力達(dá)到4 300 kPa 時(shí)，觸發(fā)SIS 設(shè)定值，連鎖關(guān)閉SIS 切斷閥。當(dāng)下游切斷閥完全關(guān)閉后，質(zhì)量流量并未降低為零，而是逐漸降低，此過(guò)程為下游管線的增壓填充過(guò)程，充壓過(guò)程中當(dāng)SIS 切斷閥完全關(guān)閉后，下游管線（物流8）充壓過(guò)程結(jié)束，低壓系統(tǒng)的平衡壓力最終穩(wěn)定在5 105 kPa，雖然仍高于低壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力4 800 kPa，但是通過(guò)設(shè)置SIS 聯(lián)鎖關(guān)閉切斷閥可在一定程度上隔離高壓壓力源，減緩高壓系統(tǒng)對(duì)低壓工藝系統(tǒng)的危害?？紤]到SIS 聯(lián)鎖關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)，SIS系統(tǒng)可靠性差，按照行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)定要求，SIS 系統(tǒng)不能作為可替代機(jī)械安全泄放設(shè)施的方法。

圖5 切斷閥關(guān)閉時(shí)壓力控制閥及SIS 切斷閥開度趨勢(shì)圖Fig.5 Opening trend chart of pressure control valve and SIS interlock valve during shutdown valve closing

2.3 工況三

下游用戶出口切斷閥故障關(guān)閉，SIS 系統(tǒng)和HIPPS 系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)模擬軟件計(jì)算分析系統(tǒng)內(nèi)工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 切斷閥關(guān)閉時(shí)上游（物流1）和下游（物流8）的壓力變化以及壓力控制閥開度趨勢(shì)圖Fig.6 Pressure changes of upstream (stream 1)and downstream(stream 8)and the pressure control valve opening trend chart during shutdown valve closing

圖7 切斷閥關(guān)閉時(shí)壓力控制閥、SIS 切斷閥及HIPPS 切斷閥開度趨勢(shì)圖Fig.7 Opening trend chart of pressure control valve，SIS interlock valve and HIPPS interlock valve during shutdown valve closing

從圖6 和圖7 看出：運(yùn)行時(shí)間為60 s 時(shí)下游切斷閥在20 s 內(nèi)開始從100%逐漸關(guān)閉；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為79 s 時(shí)下游用戶的操作壓力由4 200 kPa 逐漸升高，壓力控制閥開始從49.989%逐漸關(guān)閉，質(zhì)量流量開始從450 t/h 逐漸降低；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為80 s 時(shí)下游切斷閥完全關(guān)閉，壓力控制閥開度為49.046%，質(zhì)量流量為424.5 t/h；隨后壓力控制閥開度逐漸降低直至完全關(guān)閉；當(dāng)下游壓力（物流5）達(dá)到4 300 kPa 時(shí)，觸發(fā)SIS 設(shè)定值，連鎖觸發(fā)關(guān)閉SIS切斷閥；當(dāng)下游壓力（物流8）達(dá)到4 430 kPa 時(shí)，觸發(fā)HIPPS 系統(tǒng)的設(shè)定值，HIPPS 系統(tǒng)會(huì)在2 s 內(nèi)連鎖關(guān)閉HIPPS 切斷閥，HIPPS 切斷閥的關(guān)閉時(shí)間極短，迅速切斷高壓、低壓系統(tǒng)；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為88 s時(shí)，HIPPS 已完全切斷HIPPS 切斷閥，此時(shí)SIS 聯(lián)鎖所觸發(fā)切斷閥開度仍然維持約70%開度，并未實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉，低壓系統(tǒng)的平衡壓力最終穩(wěn)定在4 530 kPa，小于低壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力4 800 kPa，能夠保證下游系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生超壓。HIPPS 系統(tǒng)獨(dú)立于DCS 和SIS 系統(tǒng)，且系統(tǒng)架構(gòu)計(jì)算的整個(gè)HIPPS故障失效率必須符合所接受風(fēng)險(xiǎn)要求，安全可靠性高，可作為替代機(jī)械安全泄放設(shè)施的方法。

3 HIPPS 設(shè)定值確定及主要影響因素

HIPPS 具有很高的安全性和靈敏性，現(xiàn)場(chǎng)微小的故障均能觸發(fā)HIPPS 動(dòng)作，導(dǎo)致工藝系統(tǒng)生產(chǎn)的頻繁關(guān)斷，關(guān)斷后恢復(fù)生產(chǎn)需要大量的施工資源和人力。因此HIPPS 聯(lián)鎖的設(shè)定觸發(fā)值、閥門關(guān)閉時(shí)間等非常重要，相同的HIPPS 系統(tǒng)應(yīng)用至不同的場(chǎng)合，其設(shè)定值和關(guān)閉時(shí)間隨著工藝系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、工藝管道幾何容積等而不同，針對(duì)具體系統(tǒng)需借助動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，合理地設(shè)定HIPPS 關(guān)斷閥設(shè)定值，在保證裝置安全性的同時(shí)，盡可能維持其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖8 給出了HIPPS 切斷閥關(guān)閉時(shí)間分別為1～10 s時(shí)，下游低壓系統(tǒng)達(dá)到的平衡壓力值。

圖8 HIPPS 切斷閥關(guān)閉時(shí)間對(duì)低壓系統(tǒng)平衡壓力的影響Fig.8 Low pressure system balance pressure due to the HIPPS shutdown valve closing time

從圖8 看出，隨著HIPPS 切斷閥關(guān)閉時(shí)間的延長(zhǎng)，下游低壓系統(tǒng)達(dá)到的平衡壓力數(shù)值逐漸增大，當(dāng)HIPPS 切斷閥關(guān)閉時(shí)間為8 s 時(shí)，下游系統(tǒng)平衡壓力大于其設(shè)計(jì)壓力4 800 kPa，無(wú)法保證下游系統(tǒng)的安全。針對(duì)具體工程項(xiàng)目中HIPPS 的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，利用動(dòng)態(tài)模擬軟件準(zhǔn)確計(jì)算HIPPS 切斷閥的關(guān)閉時(shí)間，以便于保護(hù)低壓系統(tǒng)，在滿足下游系統(tǒng)安全性的前提下盡可能延長(zhǎng)閥門關(guān)閉時(shí)間，一方面避免切斷閥執(zhí)行結(jié)構(gòu)不至于過(guò)大而增加工程費(fèi)用，另一方面盡可能降低因快速關(guān)閉切斷閥而產(chǎn)生的氣錘和水錘危害[27]。

4 結(jié)論

本文闡述了一種可替代機(jī)械安全泄放設(shè)施的高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)的基本組成及應(yīng)用特點(diǎn)，并結(jié)合具體工程案例，分析采用安全閥泄放設(shè)施的局限性及應(yīng)用HIPPS 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)模擬軟件對(duì)HIPPS 系統(tǒng)應(yīng)用的效果進(jìn)行了定量分析。

（1）安全閥或爆破片并不完全適用于傳統(tǒng)石油化工領(lǐng)域任何超壓工況，需從安全性和可靠性上綜合考慮。

（2）HIPPS 通過(guò)主動(dòng)切斷危險(xiǎn)壓力源來(lái)避免下游管線和設(shè)施超壓，從而實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)的目的，可替代傳統(tǒng)的被動(dòng)安全泄放設(shè)施，解決安全排放設(shè)施投資高、規(guī)模大等難題。

（3）示例工程中SIS 聯(lián)鎖關(guān)閉切斷閥可在一定程度上隔離高壓壓力源，減緩高壓系統(tǒng)對(duì)低工藝系統(tǒng)的危害，但無(wú)法完全保證下游系統(tǒng)的安全性，不符合本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)要求。

（4）示例工程中HIPPS 聯(lián)鎖關(guān)閉切斷閥時(shí)間越短，下游低壓系統(tǒng)的操作壓力越低，可迅速實(shí)現(xiàn)高壓、低壓系統(tǒng)的隔離，能夠保證下游系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生超壓，此工況下HIPPS 系統(tǒng)可替代機(jī)械安全泄放設(shè)施。

（5）HIPPS 具有很高的安全性和靈敏性，其聯(lián)鎖關(guān)閉切斷閥的設(shè)定值和關(guān)閉時(shí)間隨著工藝系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)、工藝管道幾何容積等而不同，應(yīng)準(zhǔn)確合理地設(shè)定HIPPS 聯(lián)鎖關(guān)閉切斷閥的設(shè)定值，才能作為機(jī)械泄放設(shè)施的替代方案，保證裝置設(shè)計(jì)的安全性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（6）動(dòng)態(tài)模擬軟件可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映工藝系統(tǒng)的實(shí)際操作工況，定量、準(zhǔn)確計(jì)算不同聯(lián)鎖設(shè)定值和關(guān)閉時(shí)間對(duì)工藝系統(tǒng)安全性的影響。