HIPPS 在天然氣計量檢定站的應(yīng)用

閆海明

（國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸分公司武漢計量研究中心，湖北武漢 430073）

0 引言

天然氣計量檢定站被檢流量計的口徑、壓力等級、流量范圍等參數(shù)不同，導(dǎo)致檢定過程需要不同的介質(zhì)壓力條件，且每臺流量計檢定過程中需要調(diào)節(jié)不同的流量點，尤其在切換標(biāo)準(zhǔn)表支路的過程中可能由于誤操作造成標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計超速運行，因此需要設(shè)置快速高效的安全手段，以確保設(shè)備的安全。

在天然氣計量檢定站的設(shè)計過程中，通過工藝流程切換以滿足被檢流量計的壓力等級和標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計的量程要求，改變工藝條件易發(fā)生危險狀況，需要一種安全可靠的超壓超速保護(hù)系統(tǒng)。

HIPPS（High-Integrity Pressure Protection System，高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)）在發(fā)達(dá)國家的油氣行業(yè)應(yīng)用較早，海上平臺等高集成化的油氣項目中已廣泛應(yīng)用，但在天然氣計量檢定站的設(shè)計中，HIPPS 的應(yīng)用尚未涉及[1]。

1 HIPPS 系統(tǒng)原理

HIPPS 是一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)，屬于SIS（Safety Related System，安全儀表系統(tǒng)），其保護(hù)原則也與SIS 類似，在場站工藝流程正常運行時，HIPPS 起到實時監(jiān)控的作用，不影響現(xiàn)場生產(chǎn)。當(dāng)HIPPS 監(jiān)控到設(shè)定的危險狀態(tài)實際發(fā)生時，會立即做出反應(yīng)，觸發(fā)設(shè)定動作，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的安全防護(hù)[2]。

HIPPS 可在壓力過高或者流量過大的情況下進(jìn)行員工、環(huán)境和設(shè)備的安全防護(hù)，減少和避免有毒介質(zhì)的排放。

2 HIPPS 的組成

典型的HIPPS 要求SIL3 等級，防護(hù)等級不低于IP65，防爆等級不低于EExdⅡAT3。主要由壓力變送器、控制器和執(zhí)行器3個安全部分組成，對SIL 的影響分別為30%、10%和60%[3]。

（1）壓力變送器：根據(jù)IEC 61511 的要求進(jìn)行3 選2 配置，滿足單體SIL2 等級認(rèn)證。

（2）邏輯控制器：對壓力變送器監(jiān)測的介質(zhì)壓力值作出判斷后，將動作信號傳至執(zhí)行器。邏輯控制器通常要求不低于SIL3，或者選用固態(tài)邏輯控制器。

（3）執(zhí)行器：單體滿足SIL3 認(rèn)證，配置彈簧關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)，安全切斷閥可快速關(guān)閉，整個回路響應(yīng)時間≤2 s。2 臺安全切斷閥串聯(lián)配置，安全等級SIL-4；3 個壓力變送器和2 個電磁閥均基于冗余式的安全設(shè)計。

3 HIPPS 在計量檢定站的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

天然氣計量檢定站的工藝流程主要由進(jìn)出站區(qū)、過濾分離區(qū)、電加熱器區(qū)、大壓差調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓調(diào)節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)臺位、檢定臺位和流量調(diào)節(jié)區(qū)組成。2 臺安全切斷閥串聯(lián)設(shè)置在大壓差調(diào)節(jié)區(qū)域前，3 臺壓力變送器和渦輪流量計均設(shè)置在穩(wěn)壓調(diào)節(jié)之后，計量檢定站HIPPS 架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 計量檢定站HIPPS 架構(gòu)

安全切斷閥無需閥前取壓，避免因管道取氣而采用干燥、過濾、減壓和加熱模塊，系統(tǒng)簡單、故障率低；管道投產(chǎn)時，管道未進(jìn)氣也可采用液壓手泵開啟閥門。中控室的控制系統(tǒng)通過3 個壓力變送器實時監(jiān)控調(diào)壓后的管道壓力，檢定系統(tǒng)實時監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)臺位的渦輪流量計的流量值。

調(diào)壓單元可實現(xiàn)介質(zhì)壓力在4.5～10 MPa 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，根據(jù)檢定臺位被檢流量計的壓力等級設(shè)置產(chǎn)生閥門關(guān)斷信號的壓力值，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測調(diào)壓單元后的壓力值，若3 個壓力變送器中的任2 個（包括3 個）報警時，HIPPS 控制器將產(chǎn)生關(guān)斷信號，2 個安全切斷閥立即關(guān)閉。

標(biāo)準(zhǔn)臺位共有6 條DN200、4 條DN100 和1 條DN80 標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計，根據(jù)流量計的量程分別設(shè)置產(chǎn)生閥門關(guān)斷信號的流量值為1920 m3/h、480 m3/h 和192 m3/h，檢定系統(tǒng)實時監(jiān)測各流量計的瞬時流量，若任一流量計的流量超過設(shè)定值，HIPPS控制器將產(chǎn)生關(guān)斷信號，2 個安全切斷閥立即關(guān)閉。

3.2 安全切斷閥

3.2.1 閥門結(jié)構(gòu)

安全切斷閥執(zhí)行機構(gòu)為彈簧關(guān)式氣缸執(zhí)行機構(gòu)，在氣缸下方有一個小型隱蔽式液壓缸，液壓缸自帶液壓手動泵，固定在執(zhí)行器側(cè)面；液壓管路裝有2 個24 V 電磁閥，電磁閥帶電時關(guān)閉。安全切斷閥配有機械閥位指示窗口，操作人員可在現(xiàn)場直接觀察閥門開關(guān)位置，同時配有限位開關(guān)，供遠(yuǎn)傳至系統(tǒng)顯示閥門開關(guān)狀態(tài)。安全切斷閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 mokveld 安全切斷閥結(jié)構(gòu)

若需要緊急關(guān)閉閥門，系統(tǒng)給電磁閥斷電，此時液壓旁路被打開，閥門執(zhí)行機構(gòu)在彈簧的作用下被快速關(guān)閉；若需要重新打開閥門，確認(rèn)現(xiàn)場流程安全后，系統(tǒng)重新給電磁閥供電，操作人員現(xiàn)場利用手動按鈕將電磁閥復(fù)位，液壓旁路再次閉鎖，現(xiàn)場操作手動泵打開安全切斷閥。

3.2.2 閥桿泄漏測試單元

閥桿泄漏測試單元用于檢查閥門內(nèi)部的活塞桿密封圈是否泄漏，如圖3 所示，測試單元的設(shè)計壓力為1.0 MPa，泄壓閥設(shè)定值為0.9 MPa，放空管線的最大背壓為0.7 MPa。測試時需要將球閥短時間關(guān)閉，長期關(guān)閉會影響閥門的壓力平衡，導(dǎo)致閥門無法正常運行。測試過程觀察壓力表的示值增長速度，超過0.1 MPa/h，需對閥門進(jìn)行全面維修。

圖3 閥桿泄漏測試單元

3.2.3 閥門特征

（1）軸流式：全壓力平衡閥芯，流通能力高且壓降低，流體在閥體內(nèi)部均勻分布，減少紊流和噪聲。

（2）可靠性：線性的活塞式彈簧關(guān)執(zhí)行機構(gòu)，多層彈簧關(guān)閉動作具有高的安全可靠性。

（3）切斷時間快：短行程，小于36 英寸的閥門2 s 內(nèi)切斷，小于12 英寸的閥門1 s 內(nèi)切斷。

（4）執(zhí)行機構(gòu)：運動部件的重量輕，不需要任何外部動力源的活塞式彈簧關(guān)自驅(qū)式執(zhí)行機構(gòu)，保證閥門動作的安全性和可靠性，并且節(jié)能環(huán)保。

4 維護(hù)保養(yǎng)

為保證HIPPS 的正常運行，需定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。主要包括以下內(nèi)容：

4.1 月度檢查

月度檢查主要包括外觀檢查和泄漏檢查兩部分。

（1）外觀檢查：檢查是否有腐蝕或松動；修補受損的閥體涂層或保護(hù)層；緊固閥門或者執(zhí)行機構(gòu)松動的螺栓。

（2）泄漏檢查：對閥門與管道法蘭的連接處進(jìn)行驗漏，有泄漏需更換法蘭墊片，墊片更換時需將閥門從管線上拆下。閥桿泄漏測試單元測試活塞桿的密封是否完好。

4.2 季度檢查

季度檢查的主要內(nèi)容是閥門功能測試。

（1）閥門必須定期進(jìn)行功能測試（通常6 個月一次），但實際間隔時間需根據(jù)可靠報告（SIL 計算）制定。

（2）檢查時需停止輸送介質(zhì)，確保介質(zhì)停輸不會影響測試過程，按下測試按鈕，使用秒表測量閥門關(guān)閉時間，檢查測試時間是否小于最大允許時間。

4.3 年度檢查

（1）每5 年必須對閥門內(nèi)部進(jìn)行一次徹底檢修，從管線上拆下閥門，將閥門中殘余的介質(zhì)吸掉、抽走或排干，仔細(xì)清洗閥門內(nèi)部，清除污垢。

（2）檢查閥體內(nèi)表面是否有腐蝕、沖蝕，測量受壓部分壁厚，檢查零件是否松動。

（3）檢查閥內(nèi)表面及涂層是否有破壞。檢查所有零部件外部，尤其是密封圈是否損壞或腐蝕。

4.4 預(yù)防性維護(hù)措施

（1）從閥門上拆除執(zhí)行機構(gòu)和儀表，徹底解體閥門，檢查所有閥內(nèi)件，記錄部件上的備件號，更換磨損的部件。更換密封圈和潤滑油后組裝閥門，驗漏后安裝閥桿泄漏測試單元。

（2）拆下執(zhí)行機構(gòu)的全部儀表，檢查是否需要更換或采取特殊的措施，更換的儀表零件要與原裝的完全相同，重新組裝并校對。執(zhí)行機構(gòu)安裝完成后，若液壓單元的壓力小于0.3 MPa（3 bar），則需要增加到1.2～1.5 MPa（12～15 bar）。

（3）所有的儀表已校對并正常運行后，將閥門重新安裝在管線上，進(jìn)行升壓驗漏。在閥門開啟狀態(tài)下對閥桿測試單元進(jìn)行驗漏后安裝測試單元。在管線帶壓的情況下測試閥門的操作功能。

5 結(jié)語

國家石油天然氣大流量計量站武漢分站為高壓天然氣計量檢定站，于2016 年投產(chǎn)運行，該站采用HIPPS 對調(diào)壓后的流量計進(jìn)行超壓和超速保護(hù)，在建標(biāo)測試和日常生產(chǎn)的檢定工作中，由于誤操作等原因?qū)е鲁霈F(xiàn)超壓和超速的情況發(fā)生，HIPPS 瞬間作出反應(yīng)，及時切斷了危險源，保證了流量計的安全。