任新華

(中國石油集團工程設計有限公司北京分公司，北京 100085)

0 引言

隨著社會的發(fā)展和進步，石油天然氣工業(yè)對人員和環(huán)境的保護要求越來越高。近些年，國內外陸續(xù)發(fā)生的多起嚴重的原油、天然氣井噴和泄漏事故，給企業(yè)、政府以及社會都敲響了警鐘。利用現(xiàn)代先進技術提高安全保護水平、優(yōu)化工藝系統(tǒng)、最大限度地降低可能發(fā)生的危險概率，已成為工程建設的必然趨勢。

在多數(shù)石油天然氣設施方面，為了保證生產的安全，目前大都已應用了安全儀表系統(tǒng)(safety instrument system，SIS)。但是對于少數(shù)危險程度較高的局部區(qū)域，常規(guī)的安全儀表系統(tǒng)無法達到將危害降低到最低程度的要求，其難以順利通過危險分析和安全評估。因此，需要有針對性地應用性能更加可靠的特殊安全系統(tǒng)。

高完整性壓力保護系統(tǒng)(high interity pressure protection system，HIPPS)技術在發(fā)達國家工程建設領域的應用起步較早，并形成了一套技術標準和評估體系，其在國內石油天然氣領域的應用順應了特殊安全保護的需求，是與國際標準和慣例接軌、引進吸收國外先進安全理念和安全保護技術的一項重要成果［1－4］。

1 HIPPS簡介

高完整性壓力保護系統(tǒng)(HIPPS)屬于安全儀表系統(tǒng)(SIS)中的一種特殊技術，通常用于安全等級要求很高的工藝設施，其主要通過切斷危險壓力源來防止下游管線和設施超壓，從而實現(xiàn)安全保護的目的。HIPPS技術的應用一方面可以降低被保護對象的承壓等級，另一方面可以取消傳統(tǒng)的被動安全泄放設施，如機械式安全閥和放空火炬等。對于整個工程來說，這既提高了安全可靠性，又降低了投資成本。

與常規(guī)SIS系統(tǒng)基本保護原則一樣，工藝系統(tǒng)正常運行時HIPPS一般處于監(jiān)控狀態(tài)，并不參與生產過程的控制，只有當生產狀況達到臨界的危險狀況時才觸發(fā)安全保護動作。HIPPS與其他工藝及自動控制系統(tǒng)的關系如圖1所示。

作為最高等級的安全保護，HIPPS的應用取決于危險性和可操作性(hazard and operability，HAZOP)與安全完整性等級(safety integrity level，SIL)研究的結果，通過HAZOP和SIL研究確定安全保護回路的安全完整性等級。當級別達到SIL3而又不宜采取安全泄放措施時，考慮采用 HIPPS［5－8］。

圖1 工藝及控制功能層級關系Fig.1 Hierarchy levels relationship of process and control functions

2 HIPPS的設計

HIPPS系統(tǒng)通常由壓力檢測傳感器、表決器、執(zhí)行元件以及其他附件等構成，系統(tǒng)整體需要獲得權威機構的SIL3認證。典型的系統(tǒng)組成原理如圖2所示。

圖2 典型HIPPS原理圖Fig.2 Typical philosophy of HIPPS

2.1 傳感器

作為高壓保護的觸發(fā)元件，HIPPS對壓力檢測傳感器的可靠性要求很高。

壓力檢測傳感器一般選用測量精度較高的壓力變送器。根據(jù)IEC 61511的要求，為達到回路整體安全等級SIL3，壓力變送器采用3選2的配置，即只有任意2個變送器同時報警時才觸發(fā)HIPPS表決器執(zhí)行關斷動作。壓力變送器的輸出信號應為標準的4～20 mA模擬信號。當選用智能型壓力變送器時，需要將其智能通信功能屏蔽，以避免內部參數(shù)受到非正常修改。每臺壓力變送器都需要獲得權威機構的SIL2認證。為提高可靠性、降低變送器同時發(fā)生故障的概率，3臺變送器需要采用不同制造商的產品。壓力變送器被用于HIPPS安全功能時，不應同時用于其他的基本過程控制功能［9－10］。

為保證壓力檢測的一致性，變送器應從同一工藝位置取壓，并配置可靠性很高的互鎖閥組?；ユi閥組需要獲得權威機構的SIL3以上認證?；ユi閥組可以安裝3臺變送器，每臺變送器都應允許被獨立隔斷和放空;互鎖閥組為每個變送器提供相應的隔斷位置檢測，確保至少有2個變送器處于正常的檢測狀態(tài);互鎖閥組與工藝管道之間需要安裝隔離閥，此隔離閥應為雙關雙泄放(double block and bleed，DBB)閥門。

2.2 表決器

HIPPS控制器為專用的、非可編程的固態(tài)電子邏輯表決器，所有元件的內部數(shù)據(jù)應是不可更改的，并且要盡量減少操作人員干預。

工藝系統(tǒng)運行正常時，HIPPS處于監(jiān)控狀態(tài)，表決器的輸出為邏輯“1”，執(zhí)行元件為勵磁狀態(tài)。當表決器接收到壓力變送器以3選2的方式輸出壓力超高報警信號時，其輸出邏輯將在極短的時間內迅速變?yōu)椤?”，執(zhí)行元件動作到安全狀態(tài)。

邏輯表決器需要獲得權威機構的SIL3以上認證，硬件設計應能夠實現(xiàn)在線更換故障部件而不影響正常的安全工作需要。表決器需要為使用者提供操作界面設備，其中包括必要的指示燈、轉換開關和手動按鈕等。表決器需要提供兩種數(shù)據(jù)通信接口，其中一種是用于提供監(jiān)控功能的操作員接口，另一種是用于工程維護的維護/工程接口，維護/工程接口應與操作員接口分開。任何通信接口應提供密碼保護，防止控制器內的軟件設置被改變，通信接口的任何失效都不應對系統(tǒng)進入安全狀態(tài)產生影響。

表決器需要設置現(xiàn)場手動復位功能。系統(tǒng)發(fā)生安全動作連鎖后，如果報警狀態(tài)解除，只能通過人工確認手動復位的方式恢復到正常的監(jiān)測狀態(tài)，不能使用遠程自動復位?？紤]維護的需要，表決器需要設置旁路開關，旁路開關應加鍵鎖或口令保護，以屏蔽任何未經允許的操作。

2.3 執(zhí)行元件

HIPPS系統(tǒng)的最終執(zhí)行元件可以是緊急關斷閥或者緊急放空閥，這根據(jù)工藝系統(tǒng)的要求確定。

根據(jù)IEC 61511的要求，終端執(zhí)行元件應為冗余配置。當執(zhí)行元件執(zhí)行緊急關斷功能時，2臺相同規(guī)格的設備應為串聯(lián);當執(zhí)行元件執(zhí)行緊急放空功能時，2臺相同規(guī)格的設備應為并聯(lián)。表決器發(fā)出安全連鎖指令時，2臺設備同時動作到安全狀態(tài)，確保工藝系統(tǒng)安全可靠。

在石油天然氣工程中，執(zhí)行元件通常為緊急關斷/放空閥，包括閥體、執(zhí)行機構以及有關附件在內的緊急關斷/放空閥應整體獲得權威機構的SIL3認證。

閥體設計需遵循管道設計的統(tǒng)一要求，壓力等級應與設計壓力較高的一側一致，在閥門上產生的壓降應盡可能小，以最大限度地降低壓降對工藝系統(tǒng)運行的影響。作為關鍵的安全執(zhí)行元件，閥門應為防火型并取得API 6FA認證，以確保在火災情況下閥門也能夠正常安全完成動作。閥門關閉時的泄漏等級需達到ANSI VI標準。工藝環(huán)境為酸性條件時，閥體的設計需要滿足NACE標準的要求。

根據(jù)工程的實際情況，用作最終執(zhí)行元件的緊急關斷/放空閥的執(zhí)行機構可以為氣動或者液動的。通過執(zhí)行機構驅動的閥門應為故障安全型，以保證在失去外部動力或控制信號時工藝系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。當執(zhí)行機構為氣動時，需要為其提供相應的儀表風或氮氣系統(tǒng);當執(zhí)行機構為液動時，需要執(zhí)行機構自身配備完善的液壓動力系統(tǒng)。設計閥門的執(zhí)行機構時，可以根據(jù)工程的需要考慮部分行程測試。

執(zhí)行機構驅動閥門應能確保慢開快關，尤其是關閉時間，緊急情況下需要在2 s內能夠將閥門全部動作到失效安全位置。

閥門發(fā)生安全動作連鎖后，如果報警狀態(tài)解除、系統(tǒng)恢復正常，HIPPS只能通過人工現(xiàn)場確認手動復位的方式恢復到正常狀態(tài)，不能使用自動遠程復位。

2.4 其他事項

為保證信號傳輸?shù)陌踩煽浚瑐鞲衅?、表決器、執(zhí)行元件之間的信號連接需要采用相互獨立的電纜硬接線連接，用于信號連接的電纜需為防火型。

為便于操作人員工作，互鎖閥組狀態(tài)、最終執(zhí)行元件狀態(tài)、變送器的報警狀態(tài)、電源狀態(tài)等主要信息需要能夠現(xiàn)場指示。

多數(shù)情況下，HIPPS的儀表和設備需要安裝在室外曠野地區(qū)，并且距離油氣工藝設備比較近。因此，需考慮必要的防爆和防護措施以及完善的防浪涌保護功能。

室外曠野地區(qū)在很多情況下難以提供合適可靠的電源，因此，許多工程中需要考慮太陽能供電系統(tǒng)。

作為一套特殊應用的安全保護系統(tǒng)，HIPPS在完成設計、制造、集成之后，需要由權威機構進行整體SIL認證。

3 HIPPS的應用

在石油天然氣工程中，HIPPS作為一種特殊的高性能安全設施，其應用主要集中在兩個方面:一是用于油氣田高壓油井或氣井的出口;二是用于高壓天然氣遠距離輸送管道的分輸出口。

當HIPPS應用于高壓油氣井的出口時，安裝在集輸管線上的壓力傳感器檢測管線的壓力。當壓力超高時，在極短的時間內關閉在采油樹出口設置的緊急關斷閥，從而達到高壓關斷保護的目的。兩個緊急關斷閥的出口作為高壓和低壓的分界，上游(包括緊急關斷閥在內)按照采油樹的關井壓力考慮，下游的集輸管線壓力等級降低到正常設計水平。如不采用HIPPS系統(tǒng)，根據(jù)安全評估的原則，下游的集輸系統(tǒng)通常需要按照采油樹的全高壓考慮，并且需要考慮高壓火炬放空系統(tǒng)，這對整個工藝系統(tǒng)的投資影響巨大。HIPPS的應用實現(xiàn)了優(yōu)化設計、降低投資的目的。

在高壓天然氣遠距離輸送管道中，干線是高壓的，而分輸支線的輸氣量相對較小，壓力等級較低。在分輸站的支線起點設置HIPPS系統(tǒng)，檢測分輸下游的壓力，壓力超高時關斷緊急關斷閥，保證分輸管線、設施以及下游用戶的安全。

無論哪種應用場合，壓力檢測傳感器均需安裝在被保護對象的工藝管道或設備上，以可靠地檢測被保護對象的壓力狀況。

此外，HIPPS在煉油和化工上也常有應用，如用于緊急關斷或緊急放空。

4 結束語

作為比火炬應急放空系統(tǒng)可靠性更高、可用性更強的安全保護措施，HIPPS系統(tǒng)直接從源頭進行安全保護。在工程設計時，需具體結合工藝系統(tǒng)的安全保護理念，綜合考慮可靠性和可用性，整體評估工程、社會、環(huán)境等方面的收益及代價與投資之間的關系，選取合理的安全保護方案。

［1］美國石油學會.API RP17O-2009 Recommended practice for subsea high integrity pressure protection system(HIPPS)［S］.2009.

［2］ 美國石油學會.API RP14C Recommended practice for analysis，design，installation，and testing of basic surface safety systems for offshore production platforms［S］.2001.

［3］ 國際電工委員會.IEC 61508-2010 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems［S］.2010.

［4］國際電工委員會.IEC 61511-2003 Functional safety instrumented systems for the process industry sector［S］.2003.

［5］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 21109-2007過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［6］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 20438-2008電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全［S］.北京:中國標準出版社，2007.

［7］俞曼麗.高完整性壓力保護系統(tǒng)在水下生產系統(tǒng)中的應用［J］.石油化工自動化，2010(5):73－76.

［8］黃文君，何偉挺，邊俊.安全儀表系統(tǒng)的功能安全設計［J］.自動化儀表，2010，31(7):75 －78.

［9］張雙亮，李慶濤.海洋石油平臺安全儀表系統(tǒng)的設計與應用［J］.自動化儀表，2011，32(9):83 －86.

［10］張雪，李娜，孫文勇.安全儀表系統(tǒng)的研究與應用［J］.安全，2010(12):11－14.