HIPPS在天然气输送管线中的设计和应用

　　摘要：针对可燃、易燃介质的工艺系统中超压安全保护设施安全阀在工程项目的经济性、安全性和可操作性上的缺陷，从安全性和可靠性上选择高完整性压力保护系统 (HIPPS) 作为可替代 设施。结合实际工程案例，采用动态模拟法分别计算基本控制系统、安全仪表系统和高完整性压力保护系统在天然气管线超压保护过程中的贡献，并定量计算了高完整性压力保护系统设定 值对其安全性、可靠性的影响。结果表明：应从安全性、可靠性和经济性角度综合考虑安全阀和HIPPS 系统的优缺点来进行选择使用;应重点关注并合理地设定 HIPPS 系统联锁的设定值及阀门关闭曲线、关闭时间，才能实现HIPPS 系统安全地替代传统机械安全泄放设施;可借助动 态模拟软件定量、实时、准确计算和校正 HIPPS 系统的设定值及关闭时间。

　　关键词：天然气管线;高完整性压力保护系统;安全阀;动态模拟;联锁

　　在 LNG 接收站项目中，安全阀或爆破片通常 作为最后一级安全保护措施，将超压介质泄放至安 全区域或火炬系统来避免因超压而产生潜在安全危 害。但针对可燃、易燃介质的工艺系统，采用安全 阀作为安全保护措施的经济性、安全性和可操作性 较差，原因如下[1~2] ：

　　(1) 上游管线系统和下游管线系统的设计压力 差别较大。结合工程项目的建设投资，下游管线的 设计压力不按照上游高压系统进行设计，正常运行 通过压力控制阀减压，但下游堵塞工况时极易造成下游低压系统的超压，因此应设置安全阀或等效安 全设施。通常泄放量按照全流量考虑，安全阀数量 多，安装困难，同时运行维护期间的成本较高、难 度较大。

　　(2) 对于改扩建工程，低压系统可能需接入新 的上游高压压力源，下游低压设施已有的安全阀等 设施不足以应对潜在新增的大量烃类物流泄放，环 境友好性差。

　　(3) 在排放量极大的场合，若将工艺气体排放 至火炬系统，会增加火炬系统的处理能力，导致整个火炬系统的投资急剧增大。 因此，采用安全阀或爆破片作为泄放设施并不 适用于上述场合，需从安全性和可靠性上考虑可替 代的方法，高完整性压力保护系统应运而生。

　　TSG D0001—2009 《压力管道安全技术监察规 程》 第 127 条规定“安全泄放装置用于防止管道系 统发生超压事故，其控制仪器仪表和事故连 (联) 锁装置不能代替安全泄放装置作为系统的保护措 施。在不允许安装安全泄放装置情况下，并且控制 仪表和事故连 (联) 锁装置的可靠性不低于安全泄 放装置时，则控制仪器仪表和事故连 (联) 锁装置 可以代替安全泄放装置作为系统的保护设施”，高 完整性压力保护系统完全符合监察规程的要求，可 作为替代安全泄放装置的保护措施，既节省投资， 又保证了阀门可靠的关断。 高 完 整 性 压 力 保 护 系 统 (High Integrity Pressure Protection System，HIPPS) 在石油化工、油气 储运、海洋平台领域已广泛应用。

　　IEC61508[3] 标准 将 HIPPS 定义为高完整性压力保护系统，是一种基 于安全仪表保护的独立的控制系统，通常用于安全 等级要求很高的工艺设施[4] ，一方面降低了被保护 对象的设计压力，另一方面可以作为主动防御安全 设施。该技术已被国内外研究机构和工程公司大量 应用[5~14] 。

　　1 项目基本工艺流程

　　来 自 海 底 管 线 操 作 压 力 为 8 000 kPa(G) (下 同) 的天然气经压力控制阀降至 4 200 kPa，经 管网输送至下游电厂用户。其中海底管线操作压力 为 8 000 kPa，管线设计压力 9 700 kPa，下游电厂 用户所需天然气操作压力 4 200 kPa，下游电厂管 线设计压力 4 800 kPa，正常流量 450 t/h。

　　海底管线 天然气管道和下游用户天然气管线的操作压力和设 计压力差别较大，当下游切断阀故障状态关闭时， 上游高压天然气可能会造成下游天然气管线压力迅 速升高，形成超压危险环境。按照传统设计，下游 天然气管线应设置安全泄放设施，如压力安全阀， 将超压天然气排放至火炬系统燃烧，安全阀泄放量 按照额定流量的 110%考虑，约 495 t/h，这就造成 火炬总管和火炬筒体的尺寸增大，建设和维护成本 较高，经济性差。此时 HIPPS 系统可替代压力安全 阀在极短时间内关闭紧急切断阀，避免下游低压系 统超压。

　　(1) 工况一。下游用户出口切断阀故障关闭， SIS 系统和 HIPPS 系统未启动时，研究系统工艺参 数的变化趋势。 (2) 工况二。下游用户出口切断阀故障关闭， SIS 系统触发，HIPPS 系统未启动时，研究系统工 艺参数的变化趋势。 (3) 工况三。下游用户出口切断阀故障关闭， SIS 系统和 HIPPS 系统触发时，研究系统工艺参数 的变化趋势。考虑到石油化工装置中任何工艺系统的超压都 是时间的函数，是从稳态逐步动态变化的过程，因此为了使分析更加准确、可靠，引入了先进的动态 模拟软件计算工具。

　　动态模拟已被国内外研究机构 和工程公司大量应用[15-26] ，其中王亮[26] 以丙烯丙烷 精馏塔系统为例，应用流程模拟软件，建立丙烯丙 烷精馏塔动态模型，分析了丙烯丙烷精馏塔在操作 条件变化、进料流量及进料组成干扰变化时精馏塔 的动态响应变化过程，研究了常规 PID 控制方案以 及通常的先进控制方案所存在的问题，为改进的集实时、优化与先进控制于一体的控制方案设计提供 了依据;冯传令[17] 利用动态 HYSYS 对原油容器的火 灾工况的泄放过程进行了模拟，模拟出火灾工况下 的最大泄放量，解决了安全阀计算及选型的困难， 有效地保证了系统的安全，动态模拟结果对实际生 产操作和控制方案的设计具有指导意义。

　　2 计算结果分析

　　2.1 工况一

　　下 游 用 户 出 口 切 断 阀 故 障 关 闭 ， SIS 系 统 和 HIPPS系统未启动时，采用动态模拟软件计算分析系统内工艺参数的变化趋势，运行时间为 60 s 时下游切 断阀在 20 s 内开始从 100%逐渐关闭;当运行时间 为 79 s 时下游用户的操作压力由 4 200 kPa 逐渐升 高，压力控制阀开始从 49.989%逐渐关闭，质量流 量开始从 450 t/h 逐渐降低;当运行时间为 80 s 时下 游 切 断 阀 完 全 关 闭 ， 此 时 下 游 用 户 操 作 压 力 为 4 603 kPa，压力控制阀开度为 49.046%，质量流量 为 424.5 t/h。

　　随后压力控制阀开度逐渐降低直至完 全关闭。当下游切断阀完全关闭后，质量流量并未 降低为零，而是逐渐降低，此过程为下游管线的增 压填充过程，下游管线压力最终增压至7 915 kPa。因 此针对高、低压工艺系统，下游切断阀关闭时势必 会造成下游管线的超压，如采用设置安全阀作为超 压保护措施，需设置处理能力为 495 t/h 的安全阀， 安全阀的数量及超压气体的排放将会大大增加工程 建设项目的设计难度和建设投资，经济性较差。

　　2.2 工况二

　　下 游 用 户 出 口 切 断 阀 故 障 关 闭 ， SIS 系 统 触 发，HIPPS 系统未启动时，采用动态模拟软件计算 分析系统内工艺参数的变化趋势，运行时间为 60 s 时下游切 断阀在 20 s 内开始从 100%逐渐关闭;当运行时间 为 79 s 时下游用户的操作压力由 4 200 kPa 逐渐升 高，压力控制阀开始从 49.989%逐渐关闭，质量流 量开始从 450 t/h 逐渐降低;当运行时间为 80 s 时下 游切断阀完全关闭，压力控制阀开度为 49.046%， 质量流量为 424.5 t/h;随后压力控制阀开度逐渐降 低直至完全关闭;当下游压力达到 4 300 kPa 时， 触发 SIS 设定值，连锁关闭 SIS 切断阀。

　　当下游切 断阀完全关闭后，质量流量并未降低为零，而是逐 渐降低，此过程为下游管线的增压填充过程，充压 过程中当 SIS 切断阀完全关闭后，下游管线 (物流 8) 充压过程结束，低压系统的平衡压力最终稳定 在 5 105 kPa， 虽 然 仍 高 于 低 压 系 统 的 设 计 压 力 4 800 kPa，但是通过设置 SIS 联锁关闭切断阀可在 一定程度上隔离高压压力源，减缓高压系统对低压 工艺系统的危害。考虑到 SIS 联锁关闭时间长，SIS 系统可靠性差，按照行业设计规定要求，SIS 系统 不能作为可替代机械安全泄放设施的方法。

　　2.3 工况三

　　下 游 用 户 出 口 切 断 阀 故 障 关 闭 ， SIS 系 统 和 HIPPS 系统触发时，采用动态模拟软件计算分析系 统内工艺参数的变化趋势。运行时间为 60 s 时下游切 断阀在 20 s 内开始从 100%逐渐关闭;当运行时间 为 79 s 时下游用户的操作压力由 4 200 kPa 逐渐升 高，压力控制阀开始从 49.989%逐渐关闭，质量流 量开始从 450 t/h 逐渐降低;当运行时间为 80 s 时下 游切断阀完全关闭，压力控制阀开度为 49.046%， 质量流量为 424.5 t/h;随后压力控制阀开度逐渐降 低 直 至 完 全 关 闭 ; 当 下 游 压 力 (物 流 5) 达 到 4 300 kPa 时，触发 SIS 设定值，连锁触发关闭 SIS 切断阀。

　　当下游压力 (物流 8) 达到 4 430 kPa 时， 触发 HIPPS 系统的设定值，HIPPS 系统会在 2 s 内连 锁关闭 HIPPS 切断阀，HIPPS 切断阀的关闭时间极 短，迅速切断高压、低压系统;当运行时间为 88 s 时，HIPPS 已完全切断 HIPPS 切断阀，此时 SIS 联 锁所触发切断阀开度仍然维持约 70%开度，并未实 现 完 全 关 闭 ， 低 压 系 统 的 平 衡 压 力 最 终 稳 定 在 4 530 kPa， 小 于 低 压 系 统 的 设 计 压 力 4 800 kPa， 能够保证下游系统不会发生超压。HIPPS 系统独立 于 DCS 和 SIS 系统，且系统架构计算的整个 HIPPS 故障失效率必须符合所接受风险要求，安全可靠性 高，可作为替代机械安全泄放设施的方法。

　　3 HIPPS设定值确定及主要影响因素

　　HIPPS 具有很高的安全性和灵敏性，现场微小 的故障均能触发 HIPPS 动作，导致工艺系统生产的 频繁关断，关断后恢复生产需要大量的施工资源和 人力。因此 HIPPS 联锁的设定触发值、阀门关闭时 间等非常重要，相同的 HIPPS 系统应用至不同的场 合，其设定值和关闭时间随着工艺系统运行特点、 工艺管道几何容积等而不同，针对具体系统需借助 动态模拟计算，合理地设定 HIPPS 关断阀设定值， 在保证装置安全性的同时，尽可能维持其运行的稳定性。

　　随着 HIPPS 切断阀关闭时间的延 长，下游低压系统达到的平衡压力数值逐渐增大， 当 HIPPS 切断阀关闭时间为 8 s 时，下游系统平衡 压力大于其设计压力 4 800 kPa，无法保证下游系 统的安全。针对具体工程项目中 HIPPS 的应用场 合，应根据实际情况，利用动态模拟软件准确计算 HIPPS 切断阀的关闭时间，以便于保护低压系统， 在满足下游系统安全性的前提下尽可能延长阀门关 闭时间，一方面避免切断阀执行结构不至于过大而 增加工程费用，另一方面尽可能降低因快速关闭切断阀而产生的气锤和水锤危害[27] 。

　　化工论文投稿刊物：《天然气与石油》(双月刊)1962年创刊，是四川石油管理局勘察设计研究院主办的技术性期刊。以推广国内外油气田地面建设先进技术为办刊宗旨。主要报道油气储运、油气加工、通信与自动控制、腐蚀与防腐、机械设备、电力、热工、采暖通风、环境保护、给排水、工程地质及测量、工业与民用建筑、技术经济、计算机应用、科技管理等方面的最新科技成果。

　　4 结论

　　本文阐述了一种可替代机械安全泄放设施的高 完整性压力保护系统的基本组成及应用特点，并结 合具体工程案例，分析采用安全阀泄放设施的局限 性及应用 HIPPS 系统的优点，采用动态模拟软件对 HIPPS 系统应用的效果进行了定量分析。 (1) 安全阀或爆破片并不完全适用于传统石油 化工领域任何超压工况，需从安全性和可靠性上综 合考虑。 (2) HIPPS 通过主动切断危险压力源来避免下 游管线和设施超压，从而实现安全保护的目的，可 替代传统的被动安全泄放设施，解决安全排放设施 投资高、规模大等难题。 (3) 示例工程中 SIS 联锁关闭切断阀可在一定 程度上隔离高压压力源，减缓高压系统对低工艺系 统的危害，但无法完全保证下游系统的安全性，不 符合本质安全的设计要求。

　　(4) 示例工程中 HIPPS 联锁关闭切断阀时间越 短，下游低压系统的操作压力越低，可迅速实现高压、低压系统的隔离，能够保证下游系统不会发生 超压，此工况下 HIPPS 系统可替代机械安全泄放 设施。 (5) HIPPS 具有很高的安全性和灵敏性，其联 锁关闭切断阀的设定值和关闭时间随着工艺系统运 行特点、工艺管道几何容积等而不同，应准确合理 地设定 HIPPS 联锁关闭切断阀的设定值，才能作为 机械泄放设施的替代方案，保证装置设计的安全性 和运行的稳定性。 (6) 动态模拟软件可实时准确反映工艺系统的 实际操作工况，定量、准确计算不同联锁设定值和 关闭时间对工艺系统安全性的影响。

　　参考文献

　　[1] 郝蕴.HIPPS 在深水高压气田开发中的应用[J].天然气 与石油，2014，32 (2)：5-9. HAO Yun. Application of HIPPS in the development of deepwater high pressure gas field[J]. Natural Gas and Oil， 2014，32 (2)：5-9.

　　[2] 邢通，胡梅花.应用高完整性压力保护系统防止天然气 压 缩 机 出 口 管 线 超 压 [J]. 油 气 田 地 面 工 程 ， 2018， 37 (4)：81-84. XING Tong， HU Meihua. Application of high integrity pressure protection system for preventing outlet line overpressure of the natural gas compressor[J].Oil-Gas Field Surface Engineering，2018，37 (4)：81-84.

　　作者：刘洋 王玺 陈宏升 岳爽