HIPPS在巴布油田项目中的设计与应用

李兴候

（中国石油工程建设公司北京设计分公司）

在阿联酋阿布扎比国家石油公司（ADNOC）的油气工程项目中，为了避免管线和设备超压，保护场区内设施完好，一般在过程报警和紧急关断的基础上，在一些特定场合应用高完整性压力保护系统（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS）作为工艺设施超高压的最后一级安全保护屏障。与传统的被动机械泄放阀或爆破片相比，HIPPS实时监测上游工艺系统压力，在系统达到超压安全临界值时，及时主动地切断压力源，从而避免向环境或者下游排放系统大量泄放工艺介质，减少使用或者不使用放空火炬，具有很高的安全可靠性、环境友好性和经济性。为此，笔者结合ADNOC项目应用实例，对HIPPS全生命周期中的系统组成、SIL等级、系统响应时间和其他关键技术要点进行阐述。

1 HIPPS的组成

HIPPS是一个完整的功能环路，主要有3个部分：

a.用于隔离管道的最终执行元件，如阀门和执行器；

b.用于检测压力累积的压力传感器，如启动器；

c.用于检查压力信号是真实而非虚假的和输出预设指令的逻辑处理器。

ADNOC项目中，丛式井场的HIPPS配置如图1所示。

图1 丛式井场的HIPPS配置

系统配置了2台ANSI 2500LB切断阀，每台切断阀配有1个储气罐、2个电磁阀及PST测试功能等完整附件的本地控制盘，1套由3台压力变送器组成的压力检测单元，1套独体HIPPS系统控制柜。

2 HIPPS的SIL等级

ADNOC项目原油中H2S的含量较高，根据HAZOP和SIL评估分析，HIPPS系统的功能安全等级需要达到SIL3。HIPPS是一系列安全仪表功能（SIF）组成的安全仪表系统（SIS），给受保护设备提供独立的保护层（IPL），属于SIS的一种特定技术。工艺和逻辑控制层级关系中，HIPPS在保护层的位置关系如图2所示。

组成HIPPS的3个安全子系统检测传感器、逻辑处理器和最终执行元件SIL的影响分别为30%、10%和60%。为了保证HIPPS整体达到SIL3，本项目中3台压力变送器选用Emerson 3051S系列，其安全等级为SIL2，通过2oo3表决机制构建，满足SIL3安全等级。逻辑处理器选用Rockwell AADVANCE，安全等级为SIL3。2台切断阀选择ATV阀和SERVOVALVE执行机构的组合，应用1oo2表决机制，每台阀所配双电磁阀的安全等级为SIL3。HIPPS的功能原理（简化）如图3所示。

图2 HIPPS在保护层的位置关系

图3 HIPPS的功能原理（简化)

考虑以上配置的体系结构约束和各个组件的系统能力，结合ADNOC项目中HIPPS触发执行的频率一般每年不会超过一次，为“低需求”系统，根据这类系统的特点设计SIL概念模型如图4所示。

仪表安全功能技术设计见表1。

图4 HIPPS的SIL概念模型

第三方权威认证机构（必维国际检验集团）使用SILVER tool（EXIDA:certified TÜV SÜD）软件进行核算，该软件完全遵循IEC 61508/61511标准，采用Markov同质模型的基本框架理论进行安全评估和分析计算。第三方权威认证评估结果是：检测传感器平均故障失效概率为1.18E-5，逻辑处理器平均故障失效概率为4.96E-4，最终执行元件平均故障失效概率为2.40E-5，HIPPS系统整体平均故障失效概率为7.48E-4。HIPPS系统满足IEC 61508/61511平均故障失效概率小于1.00E-3的要求，SIL整体符合SIL3，系统可靠性高于99.9%。

3 HIPPS的响应时间

HIPPS具有高安全性和高灵敏性，一旦HIPPS被触发，能否在极短的时间内及时关断切断阀至关重要。基于应用HIPPS的不同场合，系统响应时间需结合工艺系统运行特点、管线尺寸及装置安全等因素进行瞬态分析从而准确确定。HIPPS响应时间是trip路径中所有元素（即检测传感器、逻辑处理器和最终执行元件）的总和。本项目中HIPPS的响应时间不大于2 000ms，每个元素的响应时间见表2。

4 其他关键技术要点

为了保证信号的安全可靠性，需考虑I/O模块冗余且具有线路监视功能，以防止任何一种电子故障导致系统trip触发动作。所有输入和输出，特别是用于2oo3或1oo2表决机制的多个输入、同一电磁阀的双输出命令，应分配在对应的冗余输入、输出模块上。

表2 HIPPS响应时间

3台智能压力变送器设计硬件写保护（开关）功能，限制AMS系统在使用HART协议捕获配置和维护数据时更改安全仪表功能，从而保证所需的安全级别。

同时，用于3台智能压力变送器的互锁阀组带防呆“滑动钥匙”，仅允许以预定安全顺序来关闭和打开互锁阀组上的隔离阀和排气阀，从而允许对仪器进行在线校准，同时防止任何错误操作，以避免不必要的停机，保证HIPPS系统的安全稳定运行。

5 HIPPS的应用

HIPPS在巴布油田综合设施（BIFP）项目中应用于高压井口的出口，站场间远距离传输管线分输出口、分离器进口或者去下游水处理系统的出口。图5为丛式井场PAD103的工艺流程，对应的HIPPS操作员HMI如图6所示。

图5 丛式井场PAD103工艺流程简图

图6 HIPPS操作员HMI

HIPPS用在DN300mm管汇生产干线（2500#）和转油线（300#）的连接附近。当安装在HIPPS切断阀下游的3台压力变送器中的2台（或3台）同时监测到压力信号达到4 200kPa的超高压保护设定值或者达到2 800kPa的超低压保护设定值时，HIPPS将触发2台切断阀同时关断，截断来自井口的超高压，从而防止下游的300#转油线过压、保护下游设备的安全或者防止泄漏。采用2个HIPPS切断阀作为高压2500#和低压300#的分界，避免下游管线按照2500#管汇生产干线的全高压考虑和设计高压火炬放空系统，这样的设计可用性更强、工程投资成本更低，还减少了能源浪费，保护了环境。

6 结束语

采用HIPPS作为油气项目工艺设施超高压临界最后一级安全保护屏障，给油气站场设施安全可靠运行的最后一道屏障提供了更多的选择。与传统的机械被动泄放设施相比，降低了下游工艺集输系统的压力等级，避免了向环境泄放工艺介质，减少了油气资源的浪费，同时降低了对环境的污染，也在一定程度上降低了投资。虽然HIPPS价格昂贵，但是综合整个工程的生命周期，HIPPS在设备安装和运行维护费用方面远低于机械泄放设备。随着设计理念的更新，油气行业对降低风险发生可能性的要求越来越高，在环境保护要求越来越严格的情况下，HIPPS更可靠、高效的特点使之成为一种更优的安全保护方案，会越来越广泛地应用于更多的工程领域。