HIPPS在FSRU上的應用

孫 攀，黎 翔，于佳敏

（滬東中華造船（集團）有限公司LNG技術研究所，上海 200129）

0 引 言

浮式液化天然氣存儲及再氣化裝置（Liquefied Natural Gas Floating Storage Regasification Unit，LNG-FSRU）是一種具有LNG存儲和再氣化功能的海上浮式接收站，LNG 經增壓氣化升溫至常溫之后，通過壓力控制閥減壓輸入陸地管網。在早期的FSRU 項目中，安全閥或爆破片通常作為再氣化工藝系統的最后一級安全保護屏障，將超壓介質泄壓排放至安全區域。為防止因上游高壓系統壓力控制閥失靈或下游堵塞而造成下游低壓系統超壓，需配備數量較多的安全閥或等效安全設施，系統運行維護成本較高，控制難度較大。

近年來，隨著安全生產要求的提高，以及降低投資成本和保護環境的設計理念的深入，高完整性壓力保護系統（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS）開始廣泛應用于油氣開發高度集成化的海洋工程項目中。HIPPS是一種基于安全儀表保護的獨立控制系統，在日常生產中，該系統一般只處于監控狀態，不參加過程控制，一旦系統的工作壓力達到超壓臨界值，及時觸發執行器的安全保護動作，從而達到防止下游工藝系統超壓、有效避免大量油氣經壓力安全閥泄壓排放的目的，減少對環境的污染，保證人員的安全。

本文在介紹HIPPS的應用條件和組成的基礎上，重點對HIPPS在FSRU上的應用方案進行研究，為今后HIPPS在FSRU上應用的優化設計提供參考。

1 HIPPS的應用條件和組成

1.1 HIPPS的應用條件

安全儀表系統由傳感器、邏輯解算器和執行設備組成，是專門用于保障安全的控制系統。安全完整性等級（Safety Integrity Level，SIL）是安全儀表系統運行水平的衡量指標。根據IEC 61508 和IEC 61511 的定義，SIL分為4 個等級，其中：SIL4 的等級最高；SIL1 的等級最低。表1 為典型的安全儀表系統及對應的SIL。

表1 典型的安全儀表系統及對應的SIL

HIPPS的選擇和應用由風險分析結果對與所分析事項相關的安全儀表回路的可靠性等級決定，當安全儀表回路的可靠性等級需達到SIL3 或SIL3 以上時，需考慮采用HIPPS。

在采用HIPPS時，應注意以下要求：

1）系統中所有儀表的控制完全獨立于管道工藝關斷系統、應急關斷系統或其他控制系統。2）系統采用故障安全型設計。

3）系統的設計、安裝和操作程序都必須獲得第三方權威機構的認證。

4）系統需定期檢測維護，包括閥門及其驅動裝置等，以使其一直滿足快速響應連鎖關斷的要求，降低危險失效的風險。維護操作需參照廠家規定的程序執行，也可參照IEC 61511 推薦的方案執行。

5）應根據工藝系統的運行特點，設定合理的HIPPS 閥門關斷壓力設定值，以保證工藝系統安全、平穩運行。

6）系統執行設備在收到指令之后，一般要在2 ～5 s內完成關閉操作。

1.2 HIPPS組成

HIPPS主要由3 部分組成（見圖1）。

圖1 HIPPS組成示意圖

1）壓力傳感器與閥組管匯。根據IEC 61511 的要求，壓力傳感器采用2oo3 表決架構，由3 臺相同配置的壓力傳感器組成串聯應用，并通過閥組管匯安裝在工藝管道上，每臺傳感器都具備SIL3 安全等級認證。

2）邏輯解算器。作為HIPPS 的核心構件，邏輯解算器對輸入的壓力信號進行安全邏輯運算，并將決策信息反饋給執行設備。邏輯解算器基于固態邏輯控制系統，采用故障安全型和模塊化的設計結構，具備SIL4 安全等級認證。在目前的行業市場中，典型的邏輯解算器產品有日本橫河公司的ProSafe-SLS系統和美國艾默生公司的DeltaV SIS-CHARM系統。

3）執行設備。HIPPS的執行設備一般由2 臺關斷閥串聯組成，關斷閥包括閥體、驅動機構和電磁閥等，其整體具備SIL3 認證，能在規定的響應時間內完成關斷動作。

2 HIPPS在FSRU上的應用

HIPPS在FSRU上的應用取決于危險性和可操作性分析結果，結合再氣化系統的SIL 要求，本文介紹HIPPS在FSRU上的2 種實際工程應用方案，并從設計特點、系統配置和成本等方面進行對比分析。

1）案例一，HIPPS應用在新建FSRU項目上，再氣化模塊包含3 個處理鏈條，每個再氣化鏈條包含2 臺LNG增壓泵、2 臺LNG氣化器、1 臺印刷電路板式換熱器和1 臺揮發氣冷凝器。當3 個再氣化鏈條并行作業時，峰值氣化輸出能力為750 mmscfd（mmscfd表示100 萬標準立方英尺每天，1 英尺=0.304 8 m），LNG增壓泵出口壓力最大為16.15 MPa，要求的外輸氣體壓力最大為11.0 MPa。HIPPS布置在高壓氣體外輸集管上。

2）案例二，HIPPS應用在改裝FSRU項目上，再氣化模塊包含3 個處理鏈條，每個再氣化鏈條僅包含1臺LNG增壓泵、1 臺LNG氣化器、1 臺印刷電路板式換熱器和1 臺揮發氣冷凝器。當3 個再氣化鏈條并行作業時，峰值氣化輸出能力為375 mmscfd，LNG增壓泵出口壓力最大為16.15 MPa，要求的外輸氣體壓力最大為12.0 MPa。HIPPS布置在LNG增壓泵出口管道上。

根據工程經驗和實際調試情況，2 個案例中HIPPS要求的關斷時間均為2 s。

2.1 案例一：HIPPS布置在高壓氣體外輸集管上

圖2為案例一HIPPS 原理示意圖，HIPPS 布置在高壓氣體外輸集管上，獨立于再氣化模塊。關斷閥上游管道系統設計壓力為17.0 MPa，最大操作壓力為16.15 MPa，管道通徑為DN500；關斷閥下游管道系統設計壓力為12.5 MPa，最大操作壓力為11.0 MPa，管道通徑為DN500。HIPPS 關斷閥連鎖關斷壓力設定值為11.0 MPa。3 臺壓力傳感器將檢測到的管道壓力信號輸送給邏輯解算器，邏輯計算器基于2oo3 表決架構進行安全邏輯控制，當管道壓力達到或超過關斷壓力設定值時，觸發連鎖關斷信號，2 臺閥門在收到執行指令的2 s內同時關斷，隔離上下游工藝系統。在整個HIPPS中，3 臺壓力傳感器串聯形成2oo3 架構，邏輯解算器采用智能診斷及容錯冗余結構設計，作為執行設備的2 臺關斷閥串聯形成1oo2 架構，且每臺閥門的驅動裝置均配備2 臺電磁閥串聯結構（組成1oo2 架構）。整個HIPPS的選型配置可靠性較高，且獲得了第三方權威機構德國TUV的認證，確保了其滿足SIL3 安全等級設計要求。

圖2 案例一HIPPS原理示意圖

2.2 案例二：HIPPS布置在LNG增壓泵出口管道上

圖3為案例二HIPPS原理示意圖，HIPPS集成在再氣化模塊內部，安裝在再氣化鏈條每個LNG增壓泵出口管道上。關斷閥上游管道系統設計壓力為17.0 MPa，最大操作壓力為16.15 MPa，管道通徑為DN150；關斷閥下游管道設計壓力為12.5 MPa，最大操作壓力為12.0 MPa，管道通徑為DN150。HIPPS關斷閥連鎖關斷壓力設定值為12.0 MPa。當任意一個再氣化鏈條內的3 臺壓力傳感器檢測到管道壓力達到或超過關斷壓力設定值時，該鏈條的HIPPS自動觸發連鎖關斷，對應的2 臺閥門在2 s內同時關斷。HIPPS 各組成部件的安全設計等級要求與案例一的要求一致。

圖3 案例二HIPPS原理示意圖

2.3 2 種HIPPS應用方案對比分析

1）管道介質不同。案例一，HIPPS應用在高壓氣體外輸集管上，管道介質為常溫高壓天然氣，因此關斷閥等系統部件無需滿足低溫設計要求；案例二，HIPPS布置在LNG增壓泵出口管道上，管道介質為低溫高壓LNG，關斷閥等系統部件需滿足低溫設計要求。

2）HIPPS配置不同。案例一僅需配置1 套HIPPS；案例二需在每個再氣化鏈條的LNG增壓泵出口管道上安裝1 套HIPPS，共需3 套。

3）系統安裝和空間布置方式不同。案例一，關斷閥通徑為DN500，外型尺寸巨大，其驅動裝置的長度就有4.1 m，單個閥門的質量高達13 t左右，系統安裝難度高，需為其設計獨特的支撐結構和維修操作平臺，但閥門上下游管道布置基本上不受空間的影響，可最大限度地采用直管段布置型式，有效降低管道應力和延程壓力損失；案例二，關斷閥通徑為DN150，與案例一所用關斷閥的尺寸差異明顯，安裝難度相對較低，但受再氣化模塊內部空間的限制，管道布置必須在低溫管應力計算的基礎上不斷優化改進，直至滿足設計工藝的要求。

4）經濟成本不同。案例一所用常溫高壓關斷閥通徑為DN500，價格昂貴；案例二所用低溫高壓關斷閥通徑為DN150，單個閥門的采購成本較低。在2 種方案的再氣化模塊的處理能力一致的情況下，即峰值氣化輸出能力均為750 mmscfd，案例二HIPPS的總采購成本低于案例一。

綜上所述，案例一需配備1 套滿足常溫設計要求的HIPPS，但關斷閥尺寸巨大，安裝難度較高，船廠的直接采購成本和額外的設計建造成本較高；案例二需配備3 套滿足低溫設計要求的HIPPS，關斷閥尺寸較小，安裝難度較低，經濟成本相對較低，但對再起化模塊內部空間布置的要求較高。

3 結 語

本文介紹了HIPPS的適用條件和功能組成，并結合工程實例分析了HIPPS在FSRU上的2 種應用。

1）HIPPS適用于FSRU項目中SIL要求為SIL3 的工藝系統，主要為高壓輸出管道。

2）HIPPS關斷時間越短，下游低壓系統達到的平衡壓力越低。因此，在下游低壓系統平衡壓力小于其設計壓力的前提下，盡可能地延長關斷時間，以降低因快速關斷而產生的氣錘或水錘危害。在示例工程中，根據經驗和實際調試情況，將關斷時間設定為2 s。但是，在今后的工程應用中，建議采用動態模擬軟件進行定量計算，根據系統的運行特點和管道布置，分析不同關斷時間對工藝系統的影響，從而確定合適的設定值。

3）當在FSRU上應用HIPPS時，其系統配置需綜合考慮項目特點、空間布局、經濟成本和施工難度等多方面因素，選擇最適合的方案。