HIPPS系統在長輸管道壓氣站的應用

楊旭光，彭 曄，胡梅花，王 濤，續大洛

中油國際管道有限公司，北京 100029

壓氣站工藝區是天然氣長輸管道重要的組成部分，為防止管道和設備超壓，保護站內設施，以前的設計標準中會根據可靠性等級的要求采用過程報警、緊急關斷、機械泄放等保護措施。在近年的工程設計中，考慮到工藝優化、主動保護、環境保護等設計理念，采用了一種高壓保護系統（HIPPS）。該系統能及時切斷引起工藝系統超壓的壓力源，從而達到保護下游工藝系統的作用，具有很高的安全可靠性。該系統在發達國家油氣行業應用較早，目前的海上平臺等高集成化油氣項目中已經廣泛應用該系統[1]，但在壓氣站的設計中，HIPPS的應用尚不多見。

1 HIPPS組成

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

圖1 HIPPS系統組成

（1）壓力傳感器。測定超壓壓力元件，例如壓力開關，根據IEC 61511的要求，壓力傳感器一般采用3選2的配置，3臺傳感器采用不同制造商產品，每臺傳感器均通過SIL2等級認證。

（2）控制器。基于輸入的壓力信號確定目前的狀態是否安全，并將反饋信息傳送到執行器。要求采用固態邏輯控制并要獲得權威機構的SIL3以上等級認證。

（3）執行器。一種快速關斷閥或者緊急放空閥，當執行器起到截斷功能時，一般要求2臺快速關斷閥串聯；當執行器起到放空功能時，一般要求2臺緊急放空閥并聯，自帶動力源，配備冗余的閥門電磁閥[2-3]。

2 HIPPS在壓氣站的應用

HIPPS主要用于安全儀表系統（SIS）中對安全可靠性要求比較高的設備上，在日常生產時，該系統一般只是處于監控狀態，不參加過程控制，當壓力達到超壓臨界值時才觸發執行器的安全保護動作，作為安全儀表最高可靠等級的保護措施[4]。HIPPS系統的選擇與應用是由HAZOP與SIL分析成果對于所分析事項相關的安全儀表回路的可靠等級決定的，當安全儀表回路的可靠等級需要達到SIL3等級時，可考慮選擇HIPPS系統[5]。

安全聯鎖保護系統是保護壓氣站、防止壓氣站管道設備超壓的重要措施，主要應用于壓縮機組進出口、壓氣站出站口、調壓設備壓力分界點等位置。以壓縮機出口超壓聯鎖系統為例，壓力傳感器為壓縮機出口管道保護儀表，控制器為壓縮機UCS，執行器為壓縮機燃料氣管道出口閥門和緊急放空閥門。當壓縮機出口處的壓力達到超高壓保護值的時候，壓縮機組UCS將收到超壓信號并判斷目前的狀態是否安全，并向壓縮機燃料氣管道的出口閥門發出關閉指令和向放空閥門發出打開的指令，以保證壓縮機及時停機，防止壓縮機下游管道設備超壓，如圖2所示。

圖2 安全聯鎖保護系統

根據SIL分析，如果該安全儀表回路失效將造成壓縮機出口管道、后空冷器等下游相關設備壓力超過設計壓力，嚴重時存在站場設施爆炸的潛在危險。經過SIL分析計算判定該安全儀表回路的等級需達到SIL3，而壓縮機自帶的UCS以及執行器通常達不到SIL3的可靠性等級[6-7]。為了使壓縮機出口及下游設備管道超壓的可能性降低到安全生產的要求，有3種途徑：

（1）將壓縮機下游管道設備提高一個壓力等級。

（2）在壓縮機出口安裝高可靠等級機械壓力泄放閥。

（3）將該安全聯鎖保護系統升級為HIPPS。

提高壓縮機下游管道設備壓力等級會增加巨額投資；在壓縮機出口安裝高可靠等級機械壓力泄放閥可以解決超壓問題，但通過泄放量計算，壓力泄放閥在選型上不僅有很大的局限性，泄壓時壓力泄放閥的開啟也會引發壓縮機出口壓力波動，干擾壓縮機的壓力控制系統，且天然氣放空會造成嚴重經濟損失和對環境的污染；HIPPS雖然價格不菲，但是用于主動切斷超壓工況的源頭，相比被動的壓力泄放閥更為合理[8-9]。HIPPS改造后的站場安全工作原理見圖3。

圖3 HIPPS改造后的站場安全工作原理

在圖3中，壓縮機出口壓力傳感器采用3選2的配置，要求每臺傳感器均通過SIL2等級認證；控制器采用壓氣站場配置的緊急關斷系統，采用固態邏輯控制可靠性在SIL3等級以上；壓縮機燃料氣管道出口閥門和放空閥門是HIPPS系統的執行器，2臺串聯壓縮機燃料氣管道出口閥門：1臺是壓縮機燃料氣關斷閥門，1臺是站場關斷系統燃料氣閥門；2臺并聯放空閥門：1臺是壓縮機放空閥門，1臺是站場關斷系統燃料氣放空閥門。當壓縮機出口處的壓力達到高壓保護值的時候，壓縮機UCS和站場緊急關斷的HIPPS系統將會同時接收到信號，HIPPS將獨立檢測到壓力信號并向所有執行器發出操作指令。該系統框架符合SIL3等級的HIPPS系統設計。

3 HIPPS在哈國南線天然氣管道的應用

哈國南線天然氣管道起自哈薩克斯坦曼徹斯套州的別伊涅烏，經阿克糾賓州的巴佐依和克茲洛爾達州，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線相連；將天然氣從哈薩克斯坦西部地區的油田輸送到該國南部，保證其對天然氣的需求，同時通過中亞天然氣管道將天然氣送到中國市場。管道干線總長1 477 km，管徑為1 067 mm，最大年輸氣能力達150億m3/a。當輸量大于29億m3/a時需要啟動1號壓氣站，該站配備5臺15 MW的壓縮機，單臺天然氣輸送能力20億m3/a。

在該項目最初的安全儀表保護系統配置中，壓縮機出口超壓保護安全儀表保護系統框架為：壓縮機出口管道上配有3臺SIL2等級的壓力傳感器作為檢測設備，控制器采用壓縮機自帶的機組控制系統UCS且可靠性等級僅為SIL2等級，在燃料氣管道上僅有1臺氣液聯動閥門。根據HAZOP、SIL分析，防止壓縮機出口超壓的安全儀表回路必須達到SIL3等級的要求，因此需要對該系統進行優化設計改造。

經過對設計方案的反復比選和對安全設備的優化選型，最終選擇將HIPPS嵌入超壓保護系統作為優化方案。根據HIPPS系統框架要求，需要配置包括2個最終執行元件和3個檢測設備。將燃氣輪機燃料氣橇中自帶的1臺緊急關斷閥加入功能回路與壓氣站燃料氣管道上組成2臺串聯緊急切斷閥門，這2臺閥門為最終執行元件，當每臺壓縮機出口的3選2壓力傳感器超壓報警，2臺安全切斷閥關閉。邏輯控制器由雙系統組成，由嵌入站場ESD系統的HIPPS和壓縮機自帶的UCS聯合控制，HIPPS為主承擔邏輯控制器的全部功能，壓縮機UCS為輔助控制，如圖4所示。

圖4 壓縮機出口HIPPS系統架構

根據系統架構計算整個HIPPS的故障失效率，由IEC61508的計算公式：

式中：PFDAVG為失效率的平均值；tCE為單通道平均失效時間；tGE為表決結構平均失效時間；β、βD為公共故障系數；Ti為驗證測試周期；MTTR為平均修復時間；λDD為可能檢測到危險的故障數，λDU為可能沒有檢測到危險的故障數；λD為每小時危險失效概率。公共故障系數取最苛刻工況β=βD=0.1、MTTR=8、Ti=8 760 h。

根據供貨商提供的數據（見表1），計算得傳感器PFDAVG=0.8×10-4。

表1 傳感器系統數據

對于邏輯控制單元數據（見表2），計算得控制器 PFDAVG=4.19×10-5。

表2 控制器實驗室數據

對于最終執行元件，根據供貨商提供的數據（見表3），計算得執行器PFDAVG=1.19×10-4。

表3 執行機貨商數據

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SIL分級，采用HIPPS系統后，壓縮機出口超壓保護系統的可靠性等級從原來的低于SIL2提升至高于SIL3，達到了設計要求并極大降低了天然氣管道超壓的風險，對于壓氣站內關鍵設備的保護具有重要意義。

4 結束語

HIPPS系統在輸氣站場的應用，給安全儀表系統提供了更多選擇性。高安全等級的HIPPS在工藝系統中可以替代被動保護的安全閥或者泄放閥作為系統安全的最后一級保護，可降低工程的投資和運行難度。隨著設計理念的更新和SIL的安全完整性升級，系統將更加可靠高效，輸氣站場安全性將進一步提高。