HIPPS 在天然氣輸送管線中的設計和應用

中國石油管道局工程有限公司

在LNG 接收站項目中，安全閥或爆破片通常作為最后一級安全保護措施，將超壓介質泄放至安全區域或火炬系統來避免因超壓而產生潛在安全危害。但針對可燃、易燃介質的工藝系統，采用安全閥作為安全保護措施的經濟性、安全性和可操作性較差，原因如下[1～2]：

（1）上游管線系統和下游管線系統的設計壓力差別較大。結合工程項目的建設投資，下游管線的設計壓力不按照上游高壓系統進行設計，正常運行通過壓力控制閥減壓，但下游堵塞工況時極易造成下游低壓系統的超壓，因此應設置安全閥或等效安全設施。通常泄放量按照全流量考慮，安全閥數量多，安裝困難，同時運行維護期間的成本較高、難度較大。

（2）對于改擴建工程，低壓系統可能需接入新的上游高壓壓力源，下游低壓設施已有的安全閥等設施不足以應對潛在新增的大量烴類物流泄放，環境友好性差。

（3）在排放量極大的場合，若將工藝氣體排放至火炬系統，會增加火炬系統的處理能力，導致整個火炬系統的投資急劇增大。

因此，采用安全閥或爆破片作為泄放設施并不適用于上述場合，需從安全性和可靠性上考慮可替代的方法，高完整性壓力保護系統應運而生。

TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監察規程》第127 條規定“安全泄放裝置用于防止管道系統發生超壓事故，其控制儀器儀表和事故連（聯）鎖裝置不能代替安全泄放裝置作為系統的保護措施。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）鎖裝置的可靠性不低于安全泄放裝置時，則控制儀器儀表和事故連（聯）鎖裝置可以代替安全泄放裝置作為系統的保護設施”，高完整性壓力保護系統完全符合監察規程的要求，可作為替代安全泄放裝置的保護措施，既節省投資，又保證了閥門可靠的關斷。

高完整性壓力保護系統（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS）在石油化工、油氣儲運、海洋平臺領域已廣泛應用。IEC61508[3]標準將HIPPS 定義為高完整性壓力保護系統，是一種基于安全儀表保護的獨立的控制系統，通常用于安全等級要求很高的工藝設施[4]，一方面降低了被保護對象的設計壓力，另一方面可以作為主動防御安全設施。該技術已被國內外研究機構和工程公司大量應用[5～14]。

1 項目基本工藝流程

本項目的主要工藝流程示意圖如圖1 所示。

來自海底管線操作壓力為8 000 kPa(G)（下同）的天然氣經壓力控制閥降至4 200 kPa，經管網輸送至下游電廠用戶。其中海底管線操作壓力為8 000 kPa，管線設計壓力9 700 kPa，下游電廠用戶所需天然氣操作壓力4 200 kPa，下游電廠管線設計壓力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計壓力差別較大，當下游切斷閥故障狀態關閉時，上游高壓天然氣可能會造成下游天然氣管線壓力迅速升高，形成超壓危險環境。按照傳統設計，下游天然氣管線應設置安全泄放設施，如壓力安全閥，將超壓天然氣排放至火炬系統燃燒，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，建設和維護成本較高，經濟性差。此時HIPPS 系統可替代壓力安全閥在極短時間內關閉緊急切斷閥，避免下游低壓系統超壓。

本示例項目天然氣組成和工藝參數如表1 和表2 所示。

表1 天然氣組分Tab.1 Nature gas composition摩爾分數

基于本示例項目，分別考察下游低壓系統切斷閥堵塞時的三種主要工況，從定量角度實時計算和分析設置SIS 連鎖和HIPPS 系統的必要性。具體工況如下：

圖1 天然氣輸送的動態模型及工藝流程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閉，SIS 系統和HIPPS 系統未啟動時，研究系統工藝參數的變化趨勢。

（2）工況二。下游用戶出口切斷閥故障關閉，SIS 系統觸發，HIPPS 系統未啟動時，研究系統工藝參數的變化趨勢。

（3）工況三。下游用戶出口切斷閥故障關閉，SIS 系統和HIPPS 系統觸發時，研究系統工藝參數的變化趨勢。

考慮到石油化工裝置中任何工藝系統的超壓都是時間的函數，是從穩態逐步動態變化的過程，因此為了使分析更加準確、可靠，引入了先進的動態模擬軟件計算工具。動態模擬已被國內外研究機構和工程公司大量應用[15-26]，其中王亮[26]以丙烯丙烷精餾塔系統為例，應用流程模擬軟件，建立丙烯丙烷精餾塔動態模型，分析了丙烯丙烷精餾塔在操作條件變化、進料流量及進料組成干擾變化時精餾塔的動態響應變化過程，研究了常規PID 控制方案以及通常的先進控制方案所存在的問題，為改進的集實時、優化與先進控制于一體的控制方案設計提供了依據；馮傳令[17]利用動態HYSYS 對原油容器的火災工況的泄放過程進行了模擬，模擬出火災工況下的最大泄放量，解決了安全閥計算及選型的困難，有效地保證了系統的安全，動態模擬結果對實際生產操作和控制方案的設計具有指導意義。

2 計算結果分析

2.1 工況一

下游用戶出口切斷閥故障關閉，SIS 系統和HIPPS系統未啟動時，采用動態模擬軟件計算分析系統內工藝參數的變化趨勢，結果如圖2和圖3所示。

圖2 切斷閥關閉時上游（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：運行時間為60 s 時下游切斷閥在20 s 內開始從100%逐漸關閉；當運行時間為79 s 時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%逐漸關閉，質量流量開始從450 t/h 逐漸降低；當運行時間為80 s 時下游切斷閥完全關閉，此時下游用戶操作壓力為4 603 kPa，壓力控制閥開度為49.046%，質量流量為424.5 t/h；隨后壓力控制閥開度逐漸降低直至完全關閉。當下游切斷閥完全關閉后，質量流量并未降低為零，而是逐漸降低，此過程為下游管線的增壓填充過程，下游管線壓力最終增壓至7 915 kPa。因此針對高、低壓工藝系統，下游切斷閥關閉時勢必會造成下游管線的超壓，如采用設置安全閥作為超壓保護措施，需設置處理能力為495 t/h 的安全閥，安全閥的數量及超壓氣體的排放將會大大增加工程建設項目的設計難度和建設投資，經濟性較差。

圖3 切斷閥關閉時管線質量流量和介質密度的趨勢圖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閉，SIS 系統觸發，HIPPS 系統未啟動時，采用動態模擬軟件計算分析系統內工藝參數的變化趨勢，結果如圖4 和圖5 所示。

圖4 切斷閥關閉時上游（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：運行時間為60 s 時下游切斷閥在20 s 內開始從100%逐漸關閉；當運行時間為79 s 時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%逐漸關閉，質量流量開始從450 t/h 逐漸降低；當運行時間為80 s 時下游切斷閥完全關閉，壓力控制閥開度為49.046%，質量流量為424.5 t/h；隨后壓力控制閥開度逐漸降低直至完全關閉；當下游壓力達到4 300 kPa 時，觸發SIS 設定值，連鎖關閉SIS 切斷閥。當下游切斷閥完全關閉后，質量流量并未降低為零，而是逐漸降低，此過程為下游管線的增壓填充過程，充壓過程中當SIS 切斷閥完全關閉后，下游管線（物流8）充壓過程結束，低壓系統的平衡壓力最終穩定在5 105 kPa，雖然仍高于低壓系統的設計壓力4 800 kPa，但是通過設置SIS 聯鎖關閉切斷閥可在一定程度上隔離高壓壓力源，減緩高壓系統對低壓工藝系統的危害。考慮到SIS 聯鎖關閉時間長，SIS系統可靠性差，按照行業設計規定要求，SIS 系統不能作為可替代機械安全泄放設施的方法。

圖5 切斷閥關閉時壓力控制閥及SIS 切斷閥開度趨勢圖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閉，SIS 系統和HIPPS 系統觸發時，采用動態模擬軟件計算分析系統內工藝參數的變化趨勢，結果如圖6 和圖7 所示。

圖6 切斷閥關閉時上游（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 切斷閥關閉時壓力控制閥、SIS 切斷閥及HIPPS 切斷閥開度趨勢圖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：運行時間為60 s 時下游切斷閥在20 s 內開始從100%逐漸關閉；當運行時間為79 s 時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%逐漸關閉，質量流量開始從450 t/h 逐漸降低；當運行時間為80 s 時下游切斷閥完全關閉，壓力控制閥開度為49.046%，質量流量為424.5 t/h；隨后壓力控制閥開度逐漸降低直至完全關閉；當下游壓力（物流5）達到4 300 kPa 時，觸發SIS 設定值，連鎖觸發關閉SIS切斷閥；當下游壓力（物流8）達到4 430 kPa 時，觸發HIPPS 系統的設定值，HIPPS 系統會在2 s 內連鎖關閉HIPPS 切斷閥，HIPPS 切斷閥的關閉時間極短，迅速切斷高壓、低壓系統；當運行時間為88 s時，HIPPS 已完全切斷HIPPS 切斷閥，此時SIS 聯鎖所觸發切斷閥開度仍然維持約70%開度，并未實現完全關閉，低壓系統的平衡壓力最終穩定在4 530 kPa，小于低壓系統的設計壓力4 800 kPa，能夠保證下游系統不會發生超壓。HIPPS 系統獨立于DCS 和SIS 系統，且系統架構計算的整個HIPPS故障失效率必須符合所接受風險要求，安全可靠性高，可作為替代機械安全泄放設施的方法。

3 HIPPS 設定值確定及主要影響因素

HIPPS 具有很高的安全性和靈敏性，現場微小的故障均能觸發HIPPS 動作，導致工藝系統生產的頻繁關斷，關斷后恢復生產需要大量的施工資源和人力。因此HIPPS 聯鎖的設定觸發值、閥門關閉時間等非常重要，相同的HIPPS 系統應用至不同的場合，其設定值和關閉時間隨著工藝系統運行特點、工藝管道幾何容積等而不同，針對具體系統需借助動態模擬計算，合理地設定HIPPS 關斷閥設定值，在保證裝置安全性的同時，盡可能維持其運行的穩定性。

圖8 給出了HIPPS 切斷閥關閉時間分別為1～10 s時，下游低壓系統達到的平衡壓力值。

圖8 HIPPS 切斷閥關閉時間對低壓系統平衡壓力的影響Fig.8 Low pressure system balance pressure due to the HIPPS shutdown valve closing time

從圖8 看出，隨著HIPPS 切斷閥關閉時間的延長，下游低壓系統達到的平衡壓力數值逐漸增大，當HIPPS 切斷閥關閉時間為8 s 時，下游系統平衡壓力大于其設計壓力4 800 kPa，無法保證下游系統的安全。針對具體工程項目中HIPPS 的應用場合，應根據實際情況，利用動態模擬軟件準確計算HIPPS 切斷閥的關閉時間，以便于保護低壓系統，在滿足下游系統安全性的前提下盡可能延長閥門關閉時間，一方面避免切斷閥執行結構不至于過大而增加工程費用，另一方面盡可能降低因快速關閉切斷閥而產生的氣錘和水錘危害[27]。

4 結論

本文闡述了一種可替代機械安全泄放設施的高完整性壓力保護系統的基本組成及應用特點，并結合具體工程案例，分析采用安全閥泄放設施的局限性及應用HIPPS 系統的優點，采用動態模擬軟件對HIPPS 系統應用的效果進行了定量分析。

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

（2）HIPPS 通過主動切斷危險壓力源來避免下游管線和設施超壓，從而實現安全保護的目的，可替代傳統的被動安全泄放設施，解決安全排放設施投資高、規模大等難題。

（3）示例工程中SIS 聯鎖關閉切斷閥可在一定程度上隔離高壓壓力源，減緩高壓系統對低工藝系統的危害，但無法完全保證下游系統的安全性，不符合本質安全的設計要求。

（4）示例工程中HIPPS 聯鎖關閉切斷閥時間越短，下游低壓系統的操作壓力越低，可迅速實現高壓、低壓系統的隔離，能夠保證下游系統不會發生超壓，此工況下HIPPS 系統可替代機械安全泄放設施。

（5）HIPPS 具有很高的安全性和靈敏性，其聯鎖關閉切斷閥的設定值和關閉時間隨著工藝系統運行特點、工藝管道幾何容積等而不同，應準確合理地設定HIPPS 聯鎖關閉切斷閥的設定值，才能作為機械泄放設施的替代方案，保證裝置設計的安全性和運行的穩定性。

（6）動態模擬軟件可實時準確反映工藝系統的實際操作工況，定量、準確計算不同聯鎖設定值和關閉時間對工藝系統安全性的影響。