HIPS火炬排放量消減方案研究

趙國(guó)忠

(中石化寧波工程有限公司， 浙江 寧波 315103)

近年來(lái)，石化項(xiàng)目都朝著大型化和煉化一體化方向發(fā)展，裝置規(guī)模大、數(shù)量多，火炬排放量巨大，大型煉化一體化項(xiàng)目火炬排放總量有時(shí)高達(dá)每小時(shí)數(shù)千噸至上萬(wàn)噸。過(guò)大的排放量給火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，如： 放空系統(tǒng)尺寸太大以至難以設(shè)計(jì)、投資高、高架火炬輻射半徑過(guò)大、占地面積過(guò)大等。

在API 521： 2020Pressure-relievinganddepressuringsystem[1]中，為消減火炬排放量，建議采取的方法包括動(dòng)態(tài)模擬研究[2-5]和高完整性保護(hù)系統(tǒng)HIPS(high integrity protection system)。HIPS早期被稱(chēng)為“高完整性保護(hù)性?xún)x表系統(tǒng)(high integrity protective instrument system)”，上游油氣領(lǐng)域也稱(chēng)為高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)HIPPS(high integrity pressure protection system)。HIPS是安全儀表系統(tǒng)(SIS)中的一種特殊技術(shù)，通常通過(guò)切斷危險(xiǎn)壓力源來(lái)防止目標(biāo)設(shè)備或管道超壓，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的目的[6]。HIPS作為一種火炬排放量的消減措施普遍被國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利商、工程公司所采用，但HIPS應(yīng)如何要求、設(shè)置以及確定HIPS起效之后超壓設(shè)備、火炬系統(tǒng)的排放量等在中國(guó)尚未有系統(tǒng)性的研究。

1 HIPS消減火炬排放量的原理

1.1 HIPS起效后泄放量的確定

HIPS常見(jiàn)的設(shè)置是當(dāng)發(fā)生事故后，塔頂壓力高高信號(hào)觸發(fā)聯(lián)鎖，聯(lián)鎖動(dòng)作后切斷重沸器的熱源。一般來(lái)講，由于熱源中斷，塔頂壓力則會(huì)失去繼續(xù)升高的動(dòng)力，塔頂壓力未達(dá)到安全閥整定壓力的情況下，該塔在事故工況下就不會(huì)泄放。

實(shí)際上受具體工藝流程、壓力高高聯(lián)鎖的設(shè)定點(diǎn)以及聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)間等因素的影響，在HIPS起效后仍存在塔頂壓力持續(xù)升高以至安全閥起跳泄放的可能。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中盲目地認(rèn)為HIPS起效后超壓設(shè)備就無(wú)泄放，采用該結(jié)果設(shè)計(jì)火炬系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)存在泄放能力不足的缺陷并存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

為了確定HIPS起效后超壓設(shè)備的泄放量，需進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)態(tài)模擬研究。動(dòng)態(tài)模擬是目前泄放分析最佳的技術(shù)手段，也是文獻(xiàn)[1]中推薦的方法。在動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中，需將實(shí)際的設(shè)備規(guī)格、基本控制方案、聯(lián)鎖設(shè)定點(diǎn)以及聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)間等設(shè)置到模型中，在正常生產(chǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上引入事故的擾動(dòng)，進(jìn)而可以確定HIPS起效后的泄放量。

1.2 火炬系統(tǒng)的失效概率

如果火炬系統(tǒng)服務(wù)的對(duì)象中有多個(gè)設(shè)有HIPS的超壓設(shè)備，在確定火炬系統(tǒng)排放量時(shí)需計(jì)算火炬系統(tǒng)的失效概率[1]。火炬系統(tǒng)的失效概率指在事故工況下火炬排放量超過(guò)設(shè)計(jì)值的概率，該指標(biāo)將HIPS的安全完整性等級(jí)(SIL)與火炬系統(tǒng)的失效概率聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了工程經(jīng)濟(jì)與安全生產(chǎn)的平衡。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求，在事故工況下，火炬系統(tǒng)的失效概率不應(yīng)低于SIL3級(jí)HIPS對(duì)應(yīng)的失效概率。

1.3 消減后火炬排放量的確定

在超壓設(shè)備上設(shè)置HIPS后，事故發(fā)生時(shí)如果HIPS起效，可以消除或大幅降低超壓設(shè)備的泄放量，這是HIPS可以消減火炬排放量的根本原因。對(duì)于火炬系統(tǒng)來(lái)講，其服務(wù)對(duì)象通常為多個(gè)裝置，事故工況下的泄放點(diǎn)通常包括設(shè)有HIPS的安全閥泄放、未設(shè)有HIPS的安全閥泄放、壓力控制閥排放以及緊急泄壓等，如何確定消減后的火炬排放量非常關(guān)鍵。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的說(shuō)明，同一事故引發(fā)多點(diǎn)泄放時(shí)，火炬總排放量應(yīng)是各個(gè)泄放源最大泄放量的累加，如果因同一事故引發(fā)泄放或排放，火炬系統(tǒng)的負(fù)荷應(yīng)為各泄放點(diǎn)最大排放量的累加。

對(duì)多個(gè)設(shè)備設(shè)有HIPS的火炬系統(tǒng)，在確定同一事故工況下火炬排放總量時(shí)需要考慮一部分HIPS失效。由于每個(gè)HIPS都有確定的SIL等級(jí)，而確定的SIL等級(jí)都對(duì)應(yīng)一定的失效概率范圍，比如SIL2級(jí)的失效概率為10-3～10-2。基于每個(gè)HIPS失效后的泄放量及其失效概率，將所有HIPS失效場(chǎng)景排列組合計(jì)算得到總的失效概率，HIPS數(shù)量越多，排列組合的數(shù)量將呈指數(shù)級(jí)增加，需要用計(jì)算機(jī)程序完成計(jì)算。

2 HIPS的常見(jiàn)設(shè)置方案及SIL等級(jí)確定

2.1 常見(jiàn)設(shè)置方案

在大型煉化企業(yè)中，HIPS的應(yīng)用場(chǎng)景還包括汽提塔超壓時(shí)切斷汽提蒸汽、壓縮機(jī)出口壓力高高時(shí)切斷透平蒸汽等。HIPS的設(shè)置不能妨害工藝安全，同時(shí)也不能影響裝置的正常生產(chǎn)。HIPS的典型控制方案如圖1所示，實(shí)際按照SIL2級(jí)及以上考慮，變送器設(shè)置為“2oo3”模式，閥門(mén)冗余設(shè)置。

2.2 SIL等級(jí)要求

為保證SIS成功地執(zhí)行其安全功能，必須對(duì)SIS的功能安全進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)及嚴(yán)格的評(píng)估，并最終以SIL等級(jí)體現(xiàn)。SIL等級(jí)代表著安全儀表功能(SIF)要求時(shí)的失效概率的大小，更是衡量SIF的重要指標(biāo)。SIL級(jí)別越高，則SIS能實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率越高[7]。

SIL定級(jí)常用的方法為保護(hù)層分析(LOPA)，LOPA分析是基于場(chǎng)景的概念，先確定具體SIF涉及的初始事件及發(fā)生概率、獨(dú)立的保護(hù)層以及事故發(fā)生的后果(或嚴(yán)重程度)，根據(jù)可接受的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)確定SIF要求的失效概率，進(jìn)而確定SIL等級(jí)[8-10]。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的說(shuō)明及工程經(jīng)驗(yàn)，為了確保火炬系統(tǒng)的安全，用于火炬排放量消減的HIPS的SIL等級(jí)保守考慮應(yīng)達(dá)到SIL2級(jí)或更高。如果對(duì)HIPS進(jìn)行常規(guī)SIL定級(jí)，由于SIL定級(jí)是屬于半定量方法，SIL定級(jí)結(jié)果可能無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估HIPS失效導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)，建議HIPS最終的SIL等級(jí)應(yīng)取常規(guī)SIL定級(jí)與火炬排放量消減要求定級(jí)二者中的較高等級(jí)。

3 HIPS應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題

用HIPS進(jìn)行火炬排放量消減和火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意以下問(wèn)題：

1)HIPS起效時(shí)泄放量不一定為零。如1.1節(jié)所述，HIPS起效后泄放源的泄放量不一定為零，泄放量應(yīng)通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬的方式確定。以某輕烴回收裝置碳二分離塔為例，在全廠停電工況下該塔泄放量為98 t/h，經(jīng)動(dòng)態(tài)分析，當(dāng)設(shè)置的塔頂壓力高高聯(lián)鎖切斷重沸器熱源的HIPS起效后，受進(jìn)料的影響，塔頂壓力仍會(huì)持續(xù)升高導(dǎo)致安全閥起跳，HIPS起效后的泄放量仍有18 t/h。故在泄放分析和火炬排放量計(jì)算時(shí)，應(yīng)特別注意該問(wèn)題。

2)HIPS設(shè)定點(diǎn)的選擇。HIPS的壓力設(shè)定點(diǎn)既不能過(guò)于靠近安全閥整定壓力，否則不能起到有效消減排放量的作用，也不能過(guò)于接近正常操作壓力，否則易引起聯(lián)鎖誤動(dòng)作，影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性。壓力容器內(nèi)混合流體溫度及壓力升高到設(shè)定點(diǎn)時(shí)安全閥會(huì)打開(kāi)進(jìn)行泄放，此時(shí)容器內(nèi)的蒸汽及液體組成是變化的，溫度和熱值也在變化，用常規(guī)方法計(jì)算的泄放量和參數(shù)都不夠準(zhǔn)確，具有時(shí)間變量的動(dòng)態(tài)模擬才能更好地確定泄放量及描述泄放發(fā)生的過(guò)程，因此應(yīng)通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬的方式確定合理的HIPS壓力設(shè)定點(diǎn)。

3)HIPS的SIL等級(jí)要求與SIL定級(jí)不同。如2.2節(jié)所述，為消減火炬排放量確定HIPS的SIL等級(jí)可能與常規(guī)SIL定級(jí)分析確定的SIL等級(jí)不同，應(yīng)按“就高不就低”的原則確定最終HIPS的SIL等級(jí)。某丙烷脫氫裝置的專(zhuān)利商為消減火炬排放量，明確要求某精餾塔HIPS的SIL等級(jí)達(dá)到SIL3級(jí)，但LOPA分析后確定該聯(lián)鎖的SIL等級(jí)為SIL1級(jí)，而最終按SIL1級(jí)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，一旦在全廠停電工況下該HIPS失效，裝置排放需求將遠(yuǎn)超火炬系統(tǒng)能力，從而給整個(gè)泄放系統(tǒng)留下巨大的安全隱患。

4)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中火炬排放量疊加的問(wèn)題。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中規(guī)定了一個(gè)確定火炬系統(tǒng)疊加排放總量的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，即“每個(gè)排放系統(tǒng)在同一事故中的最大排放量，按影響系統(tǒng)尺寸最大的某個(gè)裝置排放量的100%與其余裝置排放量的30%之和計(jì)算(體積流量)……”。但在實(shí)際執(zhí)行中，如果有部分裝置的火炬排放量已經(jīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)泄放研究或HIPS消減分析，則不可再按該原則疊加，否則將可能導(dǎo)致最終的火炬排放總量嚴(yán)重偏小，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際排放需求，從而留下安全隱患。

5)經(jīng)濟(jì)評(píng)估。HIPS的主要作用是用于消減火炬排放量，縮減新建火炬系統(tǒng)規(guī)模或盡量利用原有的老火炬系統(tǒng)，從而節(jié)省投資或消除火炬系統(tǒng)的制約瓶頸。另外，HIPS也會(huì)減少或消除生產(chǎn)異常情況下的安全閥起跳概率，減少物料損失，提升過(guò)程安全。但HIPS本身需要額外的投資，一方面增設(shè)HIPS需要儀表、切斷閥等設(shè)備的一次性投資；另一方面，高完整性的HIPS在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，需要較高的測(cè)試和維護(hù)等長(zhǎng)周期成本。在確定HIPS消減方案時(shí)，應(yīng)做經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，在HIPS帶來(lái)的成本增加與火炬系統(tǒng)投資節(jié)省之間尋求經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)。

4 應(yīng)用案例

在某大型煉化一體化項(xiàng)目的泄放分析和火炬系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬的結(jié)果消減全廠火炬總量，確定增設(shè)及升級(jí)共14個(gè)HIPS，均要求達(dá)到SIL2等級(jí)。根據(jù)火炬系統(tǒng)失效概率的計(jì)算，在最苛刻的全廠停電工況下，最終確定2個(gè)HIPS失效。該項(xiàng)目HIPS消減方案見(jiàn)表1所列。結(jié)合動(dòng)態(tài)泄放研究和HIPS，全廠停電工況下火炬排放總量消減至原設(shè)計(jì)值的51%，消除了高架火炬輻射面積過(guò)大的瓶頸，節(jié)省了數(shù)千萬(wàn)元投資費(fèi)用。

表1 某項(xiàng)目火炬排放量HIPS消減方案

5 結(jié)束語(yǔ)

HIPS是除動(dòng)態(tài)泄放研究之外消減火炬排放量最常用和有效的手段之一。火炬系統(tǒng)是全廠最后一道安全屏障，在應(yīng)用HIPS分析消減全廠火炬排放量時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用系統(tǒng)化的分析方法和技術(shù)，綜合動(dòng)態(tài)泄放研究、火炬系統(tǒng)失效概率計(jì)算等手段，在保障安全的前提下，結(jié)合投資與收益的平衡，最終確定合理的HIPS消減方案。