高完整性壓力保護系統(tǒng)的應(yīng)用探討

王斌

(華陸工程科技有限責任公司 電控室，西安 710065)

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高完整性壓力保護系統(tǒng)的應(yīng)用探討

王斌

(華陸工程科技有限責任公司 電控室，西安 710065)

摘要：隨著對石油化工裝置安全性要求的提高，僅依靠被動的安全泄放系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足要求。高完整性壓力保護系統(tǒng)(HIPPS)作為一種特殊的安全保護技術(shù)，具有高可靠性、可用性和穩(wěn)定性的優(yōu)勢，正逐步替代傳統(tǒng)的安全泄壓系統(tǒng)。介紹了HIPPS的概念和選用原則，詳細闡述了其實施流程和技術(shù)要求，為HIPPS的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：安全泄放系統(tǒng)高完整性壓力保護系統(tǒng)安全完整性等級聯(lián)鎖

早在二十多年前，美國機械工程師學會(ASME)和美國石油學會(API)就針對單體設(shè)備和整體系統(tǒng)的安全泄壓制定了設(shè)計標準，安全泄放系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計主要采用安全閥以及火炬系統(tǒng)等機械式被動安全措施。嚴格來講，機械式被動安全系統(tǒng)也存在失效問題，以最常用的安全閥來講，其故障率較高。在安全閥失效時如果沒有額外的保護措施，或由于偶發(fā)疊加工況的發(fā)生，泄放量超出此類安全設(shè)施的承受能力，可能會引發(fā)災(zāi)難性的后果。

伴隨著石油化工裝置日益復(fù)雜、國家對于安全要求的重視以及安全儀表系統(tǒng)(SIS)設(shè)計理念的逐步推廣，以預(yù)防單體壓力容器超壓的高完整性壓力保護系統(tǒng)(HIPPS)。

1HIPPS與其他安全系統(tǒng)的關(guān)系

目前的安全保護系統(tǒng)有兩大類： 被動防護的安全泄放系統(tǒng)，如安全閥、爆破片等機械式安全設(shè)施；主動防護的SIS，而隨著安全要求的提高，整體配置更為安全、可靠、嚴格的HIPPS在主動防護中發(fā)揮著日趨重要的作用。

HIPPS與常規(guī)SIS的基本保護原則一樣，工藝系統(tǒng)正常運行時HIPPS處于監(jiān)控狀態(tài)，不參與生產(chǎn)過程控制，只有在達到臨界危險狀況時才觸發(fā)安全保護動作。HIPPS在多層保護結(jié)構(gòu)中的位置如圖1所示[1]。

由圖1可知，處于安全泄壓系統(tǒng)的安全閥，實質(zhì)是被動防護的過程，其特點是保證事故狀態(tài)下，有足夠的泄放能力將進入工藝系統(tǒng)的壓力全部泄放出去，使工藝系統(tǒng)的最高壓力不超過設(shè)計壓力，從而保證整個工藝系統(tǒng)的安全。HIPPS具有兩個功能，一是主動防御，根據(jù)工藝系統(tǒng)的壓力設(shè)定值，在事故發(fā)生前切斷壓力源；二是在事故狀態(tài)下，保證在極短時間內(nèi)有效地切斷壓力源，從而保證工藝系統(tǒng)的安全。

在實際的工程應(yīng)用中，對于同一個超壓工況，都需要考慮SIS和HIPPS，但不同的是兩個系統(tǒng)是獨立設(shè)計的，尤其是其壓力聯(lián)鎖設(shè)定值的不同。通常情況下，SIS的聯(lián)鎖壓力值略低于HIPPS的聯(lián)鎖壓力值，系統(tǒng)故障時優(yōu)先采用SIS聯(lián)鎖切斷壓力源。當SIS未能成功切斷壓力源或由于壓力急速升高，而SIS響應(yīng)后執(zhí)行元件的動作時間過長，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力持續(xù)升高觸發(fā)HIPPS聯(lián)鎖。因此，HIPPS之所以能作為主動防護系統(tǒng)的最后一級安全保護，其主要原因在于構(gòu)成HIPPS的所有元件都具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1　多層保護結(jié)構(gòu)

2HIPPS的使用工況分析

HIPPS作為工藝系統(tǒng)的最后一級主動安全保護，其主要功能是在故障工況下能夠在極短的時間內(nèi)有效切斷上游的高壓壓力源，以保證下游的低壓系統(tǒng)不受上游高壓源的影響，即它是保護在故障條件下有可能面臨高壓甚至是超高壓的危害，但又不能按照全部承壓來設(shè)計安全泄放系統(tǒng)的一項措施。通常可以在以下工況考慮采用HIPPS：

1) 未設(shè)置安全泄放系統(tǒng)(如爆破片、安全閥、火炬分液罐及系統(tǒng))。

2) 設(shè)置安全泄放系統(tǒng)，但事故狀態(tài)下有大量高危害介質(zhì)泄漏并進入火炬系統(tǒng)。

3) 已有的安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計不能滿足危險物料的大量泄放。通常情況是火炬系統(tǒng)的設(shè)計未考慮疊加工況或最不利工況。

4) 正常工況下，系統(tǒng)介質(zhì)有可能影響或破壞安全泄放系統(tǒng)設(shè)備。

5) 正常工況下，存在多組分或多相物料的放空，而此種放空的實際速率受到工藝過程的影響而難以判斷。

6) 安全泄放系統(tǒng)設(shè)備有可能造成額外安全隱患或事故風險源。

7) 安全泄放系統(tǒng)設(shè)備的周邊有環(huán)境要求，或者多種不利工況疊加造成次生危害的風險。

8) 工廠所在地政府機構(gòu)的特殊要求。

事實上，石化裝置HIPPS的應(yīng)用取決于HAZOP分析與安全完整性等級(SIL)評估的結(jié)果，并以此確定安全保護回路的SIL。當安全級別達到SIL 3而又因上述原因不宜采取安全泄放系統(tǒng)時，建議采用HIPPS。

在石油天然氣工程中，HIPPS多用于油氣田高壓油井或氣井的出口和高壓天然氣遠距離輸送管道的分輸出口；在海洋石油工程中，HIPPS多用于FPSO的進船油氣管線，海底管線，海上鉆井平臺管線；在石油化工工程中，HIPPS多用于火炬系統(tǒng)和緊急放空系統(tǒng)的管線。

隨著HIPPS在上述應(yīng)用領(lǐng)域的多年成功實踐，贏得了安全領(lǐng)域的廣泛認可，近年來其應(yīng)用范圍在逐步擴大。

3HIPPS的實施流程

在工程項目中，HIPPS的實施流程相對固定，主要是針對可能產(chǎn)生超壓工況的設(shè)備及系統(tǒng)進行逐一分析并實施。HIPPS的實施流程如圖2所示。

圖2　HIPPS的實施流程示意

1) 判斷壓力容器的使用工況，如果壓力容器的設(shè)計與ASME鍋爐與壓力容器標準案例2211中描述的“壓力容器僅用于水、空氣和蒸汽環(huán)境”的工況一致，那么此設(shè)備僅考慮安全泄壓系統(tǒng)而不考慮HIPPS[2]。

2) 確認政府部門是否有強制規(guī)定。不同的國家和地區(qū)對于HIPPS和傳統(tǒng)安全泄放系統(tǒng)的要求不一致。在石油工業(yè)環(huán)境安全導(dǎo)則(PPEPCA)中明確要求，“HIPPS不能作為安全泄放系統(tǒng)的保護措施，而只能采用安全閥和爆破片等措施”；而在安全要求規(guī)范 (SRS)中則要求“每一個超壓工況都應(yīng)采用HIPPS”。

3) 針對工況進行風險分析。針對超壓工況分析采用HIPPS后的風險降低情況，定義HIPPS的功能需求，并確認業(yè)主的允許風險是否大于此種工況下產(chǎn)生的風險。對于業(yè)主而言，HIPPS的設(shè)計就是有針對性地降低各個工況下的風險使之滿足允許風險。如果采用HIPPS設(shè)計仍然不能有效降低風險，需要考慮整體工藝方案的調(diào)整。

4) 依據(jù)ISA S84.01—1995[3]，IEC 61508—2010[4]，IEC 61511—2003[5]，編制HIPPS的技術(shù)規(guī)格書應(yīng)至少包含HIPPS的設(shè)計原理、功能描述、目標SIL、響應(yīng)時間等。

5) 開展HIPPS的詳細設(shè)計。考慮系統(tǒng)的獨立性、各個部件的完整性、系統(tǒng)配置、測試周期、自診斷要求和共同原因的影響，并通過風險矩陣和對超壓工況進行風險分析，采用定量或定性的方式選擇合理的SIL，SIL的計算和驗證應(yīng)按照ISA 84.01—1995和IEC 61511—2003中的要求進行[3，5]。

6) 判斷HIPPS與安全泄放系統(tǒng)的可靠性。核心是驗證HIPPS設(shè)計是否滿足安全要求，是否在比安全泄壓系統(tǒng)更加可靠，如果未能滿足要求則重新設(shè)計。

7) 確認火炬負荷計算是否刪除了此項工況。如果HIPPS設(shè)計能夠滿足業(yè)主的風險防范要求，同時達到指定的SIL，并通過定量或定性方式證明優(yōu)于安全泄壓系統(tǒng)，那么采用HIPPS的工況可以不考慮到火炬負荷的計算中[4-5]。

8) 現(xiàn)場安裝與調(diào)試。確認回路的響應(yīng)時間，確認系統(tǒng)功能的完整性，進行性能保證測試。

9) 操作、維護與后期測試。進行定期的性能檢測和維護。

4HIPPS的安全完整性等級

HIPPS的SIL確認首先要考慮組成HIPPS的各個部件，典型的HIPPS由壓力變送器、邏輯控制器、執(zhí)行元件等構(gòu)成。

根據(jù)HIPPS的SIL要求的差異，管線的壓力測量可以根據(jù)實際情況采用2臺或者3臺相同配置的壓力變送器串聯(lián)構(gòu)成“1oo2”或者“2oo3”表決結(jié)構(gòu)。壓力變送器通常安裝在一個高度集成的閥組結(jié)構(gòu)內(nèi)，該閥組機械結(jié)構(gòu)應(yīng)具備為SIL2或者SIL3 等級認證。壓力變送器精度要求0.1%以上，兼容HART協(xié)議，具備進行遠程診斷和分析功能，單臺應(yīng)具備SIL2等級認證[3]。

邏輯控制器作為HIPPS的中樞核心，主要處理輸入輸出信號和邏輯控制。邏輯控制器安全要求需要至少達到SIL3，對于部分應(yīng)用場合如海洋平臺或地下礦井應(yīng)考慮專門設(shè)計的SIL4。邏輯控制器應(yīng)采用故障安全型和模塊化設(shè)計，并應(yīng)至少包含電源模塊、DI卡模塊、DO卡模塊、時鐘同步及通信模塊、AI卡模塊、AO卡模塊、固態(tài)電容邏輯處理功能模塊等。此外，邏輯控制器應(yīng)采用雙通道或四通道的卡件設(shè)計，分散系統(tǒng)自身故障的風險，同時應(yīng)具備自診斷功能；電源和聯(lián)鎖邏輯模塊冗余配置。邏輯控制器的各個模塊應(yīng)具備無擾切換、帶電插拔與在線更換功能。整體系統(tǒng)兩用一備模式，在物理上完全獨立并三重化冗余，保證同時并行運行，無切換過程，無故障修復(fù)時間限制[4-5]。

HIPPS的執(zhí)行元件由2臺串聯(lián)于管線上的切斷閥組成。2臺切斷閥(含附件、執(zhí)行機構(gòu)及電磁閥等)串聯(lián)后組成“1oo2”結(jié)構(gòu)，整套HIPPS的動作時間根據(jù)整體工藝的需求，通常在2 s內(nèi)執(zhí)行完成。對于單臺閥門執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)至少達到SIL2認證，單臺電磁閥具備SIL2認證，2臺電磁閥采用冗余配置結(jié)構(gòu)，組成“2oo2”結(jié)構(gòu)可以達到SIL3[3]。切斷閥閥體建議采用球閥和軸流閥兩種形式，在設(shè)計時應(yīng)重視執(zhí)行機構(gòu)的扭矩計算及選型[4]。

在分配完HIPPS各個部件的SIL后，應(yīng)考慮分配時的共同原因失效(如精度誤差、制造缺陷、錯誤維護、錯誤旁路等)的概率以及與HIPPS相關(guān)系統(tǒng)安全要求，根據(jù)風險矩陣，針對不同的工況，確認HIPPS的平均失效概率(PFDaverage)，并通過SIL等級表進行合理選擇。常規(guī)石化裝置的SIL一般選擇SIL2或者SIL3。

5HIPPS的技術(shù)要求

目前常規(guī)的HIPPS設(shè)計都將重點放在了如何選擇壓力變送器、邏輯控制器及執(zhí)行元件上，并且會對SIL提出明確要求。然而，HIPPS的優(yōu)勢不在于某個硬件安全性的提升，也不在于某個回路的高可靠性，而在于整個系統(tǒng)的高可靠、高容錯和可實現(xiàn)性。因此，為了防止實際執(zhí)行過程中錯誤、遺漏或偏離的發(fā)生，技術(shù)要求明晰的HIPPS規(guī)格書是十分必要的。

筆者認為HIPPS的技術(shù)規(guī)格書應(yīng)至少包含以下內(nèi)容：

1) 明確工藝操作流程的簡述以及應(yīng)用HIPPS環(huán)境介紹。

2) 清楚地描述HIPPS與SIS的銜接和邏輯關(guān)系，以及分區(qū)、分層關(guān)系。

3) 清楚地描述HIPPS的保護目標，以及相應(yīng)的啟動條件和恢復(fù)方式。

4) 明確要求回路的SIL和最小PFDaverage。

5) 明確HIPPS驗證試驗的間隔時間和驗證方式，這是HIPPS技術(shù)規(guī)格書的核心和難點[6]。

6) 明確HIPPS的響應(yīng)時間。

7) 明確壓力變送器的聯(lián)鎖和報警設(shè)定值以及超壓響應(yīng)時間。

8) 要求HIPPS供應(yīng)商提供SIL的計算報告和驗算報告，計算報告中應(yīng)至少包含HIPPS的PFDaverage，以及驗算滿足本規(guī)格書SIL，還應(yīng)包含HIPPS的安全故障率(SFF)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算以及修正的共同原因失效參數(shù)[6-7]。

9) 要求HIPPS供應(yīng)商在投標階段提供硬件和軟件的平均故障間隔時間，并確認上述參數(shù)是否有其他具體操作條件的限制。

10) 詳細要求壓力變送器、邏輯控制器、執(zhí)行元件即切斷閥(含電磁閥)的技術(shù)要求等。

11) HIPPS的工廠驗收(FAT)要求。

12) HIPPS的現(xiàn)場驗收(SAT)要求。

HIPPS的交付文件應(yīng)至少包括： HIPPS的質(zhì)量計劃、系統(tǒng)原理、安全規(guī)范要求、系統(tǒng)部件列表、系統(tǒng)模擬報告、系統(tǒng)安全邏輯圖、系統(tǒng)I/O表、系統(tǒng)及部件數(shù)據(jù)表、SIL評估報告、測試計劃和程序。

6結(jié)束語

HIPPS作為一種特殊的高性能安全系統(tǒng)，將工藝安全保護方法由傳統(tǒng)的被動泄放轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃臃烙軌蚣皶r切斷引起超壓的壓力源，從而保護下游工藝系統(tǒng)安全。

HIPPS具有高可靠性、可用性和穩(wěn)定性的特點。然而，HIPPS在國內(nèi)外石油化工領(lǐng)域應(yīng)用的案例較少，這種全新的自動安全保護系統(tǒng)，隨著不斷進步的技術(shù)配置與技術(shù)保障能力，必將成為石油天然氣行業(yè)、海洋石油行業(yè)、石油化工行業(yè)高危險工況下安全保護技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]黃步余，葉向東，范宗海.GB/T 50770—2013 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2013.

[2]American Society of Mechanical Engineers.Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Code Case 2211[S]. American Society of Mechanical Engineers,2010.

[3]International Society of Automation. ISA S84.01—1995 Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industry[S]. International Society of Automation,1995.

[4]International Electrotechnical Commission. IEC 61508—2010 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety — related systems[S]． International Electrotechnical Commission，2010.

[5]International Electrotechnical Commission. IEC 61511—2003 Functional safety instrumented systems for the process industry sector[S]． International Electrotechnical Commission，2003.

Discussion on Application of High Integrity Pressure Protection System

Wang Bin

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China)

Abstract：With requirement improvement on safety of petrochemical installations, it can’t be satisfied only by passive pressure relief system. High integrity pressure protection system (HIPPS) is a special security protection technology with advantages of high reliability, availability and stability. It is gradually replacing traditional pressure relief system. The concept and selection principle for HIPPS are introduced. The implementation process and technical requirements are described in detail, which can be references on HIPPS application.

Key words：pressure relief system; high integrity pressure protection system; safety integrity level; interlock

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0028-04

作者簡介：王斌，男，2005年畢業(yè)于北京化工大學自動化專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)就職于華陸工程科技有限責任公司，任工程師。

稿件收到日期： 2015-09-10。