HIPPS在巴布油田項目中的設計與應用

李興候

（中國石油工程建設公司北京設計分公司）

在阿聯酋阿布扎比國家石油公司（ADNOC）的油氣工程項目中，為了避免管線和設備超壓，保護場區內設施完好，一般在過程報警和緊急關斷的基礎上，在一些特定場合應用高完整性壓力保護系統（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS）作為工藝設施超高壓的最后一級安全保護屏障。與傳統的被動機械泄放閥或爆破片相比，HIPPS實時監測上游工藝系統壓力，在系統達到超壓安全臨界值時，及時主動地切斷壓力源，從而避免向環境或者下游排放系統大量泄放工藝介質，減少使用或者不使用放空火炬，具有很高的安全可靠性、環境友好性和經濟性。為此，筆者結合ADNOC項目應用實例，對HIPPS全生命周期中的系統組成、SIL等級、系統響應時間和其他關鍵技術要點進行闡述。

1 HIPPS的組成

HIPPS是一個完整的功能環路，主要有3個部分：

a.用于隔離管道的最終執行元件，如閥門和執行器；

b.用于檢測壓力累積的壓力傳感器，如啟動器；

c.用于檢查壓力信號是真實而非虛假的和輸出預設指令的邏輯處理器。

ADNOC項目中，叢式井場的HIPPS配置如圖1所示。

圖1 叢式井場的HIPPS配置

系統配置了2臺ANSI 2500LB切斷閥，每臺切斷閥配有1個儲氣罐、2個電磁閥及PST測試功能等完整附件的本地控制盤，1套由3臺壓力變送器組成的壓力檢測單元，1套獨體HIPPS系統控制柜。

2 HIPPS的SIL等級

ADNOC項目原油中H2S的含量較高，根據HAZOP和SIL評估分析，HIPPS系統的功能安全等級需要達到SIL3。HIPPS是一系列安全儀表功能（SIF）組成的安全儀表系統（SIS），給受保護設備提供獨立的保護層（IPL），屬于SIS的一種特定技術。工藝和邏輯控制層級關系中，HIPPS在保護層的位置關系如圖2所示。

組成HIPPS的3個安全子系統檢測傳感器、邏輯處理器和最終執行元件SIL的影響分別為30%、10%和60%。為了保證HIPPS整體達到SIL3，本項目中3臺壓力變送器選用Emerson 3051S系列，其安全等級為SIL2，通過2oo3表決機制構建，滿足SIL3安全等級。邏輯處理器選用Rockwell AADVANCE，安全等級為SIL3。2臺切斷閥選擇ATV閥和SERVOVALVE執行機構的組合，應用1oo2表決機制，每臺閥所配雙電磁閥的安全等級為SIL3。HIPPS的功能原理（簡化）如圖3所示。

圖2 HIPPS在保護層的位置關系

圖3 HIPPS的功能原理（簡化)

考慮以上配置的體系結構約束和各個組件的系統能力，結合ADNOC項目中HIPPS觸發執行的頻率一般每年不會超過一次，為“低需求”系統，根據這類系統的特點設計SIL概念模型如圖4所示。

儀表安全功能技術設計見表1。

圖4 HIPPS的SIL概念模型

第三方權威認證機構（必維國際檢驗集團）使用SILVER tool（EXIDA:certified TüV SüD）軟件進行核算，該軟件完全遵循IEC 61508/61511標準，采用Markov同質模型的基本框架理論進行安全評估和分析計算。第三方權威認證評估結果是：檢測傳感器平均故障失效概率為1.18E-5，邏輯處理器平均故障失效概率為4.96E-4，最終執行元件平均故障失效概率為2.40E-5，HIPPS系統整體平均故障失效概率為7.48E-4。HIPPS系統滿足IEC 61508/61511平均故障失效概率小于1.00E-3的要求，SIL整體符合SIL3，系統可靠性高于99.9%。

3 HIPPS的響應時間

HIPPS具有高安全性和高靈敏性，一旦HIPPS被觸發，能否在極短的時間內及時關斷切斷閥至關重要。基于應用HIPPS的不同場合，系統響應時間需結合工藝系統運行特點、管線尺寸及裝置安全等因素進行瞬態分析從而準確確定。HIPPS響應時間是trip路徑中所有元素（即檢測傳感器、邏輯處理器和最終執行元件）的總和。本項目中HIPPS的響應時間不大于2 000ms，每個元素的響應時間見表2。

4 其他關鍵技術要點

為了保證信號的安全可靠性，需考慮I/O模塊冗余且具有線路監視功能，以防止任何一種電子故障導致系統trip觸發動作。所有輸入和輸出，特別是用于2oo3或1oo2表決機制的多個輸入、同一電磁閥的雙輸出命令，應分配在對應的冗余輸入、輸出模塊上。

表2 HIPPS響應時間

3臺智能壓力變送器設計硬件寫保護（開關）功能，限制AMS系統在使用HART協議捕獲配置和維護數據時更改安全儀表功能，從而保證所需的安全級別。

同時，用于3臺智能壓力變送器的互鎖閥組帶防呆“滑動鑰匙”，僅允許以預定安全順序來關閉和打開互鎖閥組上的隔離閥和排氣閥，從而允許對儀器進行在線校準，同時防止任何錯誤操作，以避免不必要的停機，保證HIPPS系統的安全穩定運行。

5 HIPPS的應用

HIPPS在巴布油田綜合設施（BIFP）項目中應用于高壓井口的出口，站場間遠距離傳輸管線分輸出口、分離器進口或者去下游水處理系統的出口。圖5為叢式井場PAD103的工藝流程，對應的HIPPS操作員HMI如圖6所示。

圖5 叢式井場PAD103工藝流程簡圖

圖6 HIPPS操作員HMI

HIPPS用在DN300mm管匯生產干線（2500#）和轉油線（300#）的連接附近。當安裝在HIPPS切斷閥下游的3臺壓力變送器中的2臺（或3臺）同時監測到壓力信號達到4 200kPa的超高壓保護設定值或者達到2 800kPa的超低壓保護設定值時，HIPPS將觸發2臺切斷閥同時關斷，截斷來自井口的超高壓，從而防止下游的300#轉油線過壓、保護下游設備的安全或者防止泄漏。采用2個HIPPS切斷閥作為高壓2500#和低壓300#的分界，避免下游管線按照2500#管匯生產干線的全高壓考慮和設計高壓火炬放空系統，這樣的設計可用性更強、工程投資成本更低，還減少了能源浪費，保護了環境。

6 結束語

采用HIPPS作為油氣項目工藝設施超高壓臨界最后一級安全保護屏障，給油氣站場設施安全可靠運行的最后一道屏障提供了更多的選擇。與傳統的機械被動泄放設施相比，降低了下游工藝集輸系統的壓力等級，避免了向環境泄放工藝介質，減少了油氣資源的浪費，同時降低了對環境的污染，也在一定程度上降低了投資。雖然HIPPS價格昂貴，但是綜合整個工程的生命周期，HIPPS在設備安裝和運行維護費用方面遠低于機械泄放設備。隨著設計理念的更新，油氣行業對降低風險發生可能性的要求越來越高，在環境保護要求越來越嚴格的情況下，HIPPS更可靠、高效的特點使之成為一種更優的安全保護方案，會越來越廣泛地應用于更多的工程領域。