HIPS火炬排放量消减方案研究

赵国忠

(中石化宁波工程有限公司， 浙江 宁波 315103)

近年来，石化项目都朝着大型化和炼化一体化方向发展，装置规模大、数量多，火炬排放量巨大，大型炼化一体化项目火炬排放总量有时高达每小时数千吨至上万吨。过大的排放量给火炬系统的设计带来巨大的挑战，如： 放空系统尺寸太大以至难以设计、投资高、高架火炬辐射半径过大、占地面积过大等。

在API 521： 2020Pressure-relievinganddepressuringsystem[1]中，为消减火炬排放量，建议采取的方法包括动态模拟研究[2-5]和高完整性保护系统HIPS(high integrity protection system)。HIPS早期被称为“高完整性保护性仪表系统(high integrity protective instrument system)”，上游油气领域也称为高完整性压力保护系统HIPPS(high integrity pressure protection system)。HIPS是安全仪表系统(SIS)中的一种特殊技术，通常通过切断危险压力源来防止目标设备或管道超压，从而实现保护的目的[6]。HIPS作为一种火炬排放量的消减措施普遍被国内外专利商、工程公司所采用，但HIPS应如何要求、设置以及确定HIPS起效之后超压设备、火炬系统的排放量等在中国尚未有系统性的研究。

1 HIPS消减火炬排放量的原理

1.1 HIPS起效后泄放量的确定

HIPS常见的设置是当发生事故后，塔顶压力高高信号触发联锁，联锁动作后切断重沸器的热源。一般来讲，由于热源中断，塔顶压力则会失去继续升高的动力，塔顶压力未达到安全阀整定压力的情况下，该塔在事故工况下就不会泄放。

实际上受具体工艺流程、压力高高联锁的设定点以及联锁动作时间等因素的影响，在HIPS起效后仍存在塔顶压力持续升高以至安全阀起跳泄放的可能。如果在设计过程中盲目地认为HIPS起效后超压设备就无泄放，采用该结果设计火炬系统会导致系统存在泄放能力不足的缺陷并存在安全风险。

为了确定HIPS起效后超压设备的泄放量，需进行相关的动态模拟研究。动态模拟是目前泄放分析最佳的技术手段，也是文献[1]中推荐的方法。在动态模拟过程中，需将实际的设备规格、基本控制方案、联锁设定点以及联锁动作时间等设置到模型中，在正常生产状态的基础上引入事故的扰动，进而可以确定HIPS起效后的泄放量。

1.2 火炬系统的失效概率

如果火炬系统服务的对象中有多个设有HIPS的超压设备，在确定火炬系统排放量时需计算火炬系统的失效概率[1]。火炬系统的失效概率指在事故工况下火炬排放量超过设计值的概率，该指标将HIPS的安全完整性等级(SIL)与火炬系统的失效概率联系起来，实现了工程经济与安全生产的平衡。

根据文献[1]的要求，在事故工况下，火炬系统的失效概率不应低于SIL3级HIPS对应的失效概率。

1.3 消减后火炬排放量的确定

在超压设备上设置HIPS后，事故发生时如果HIPS起效，可以消除或大幅降低超压设备的泄放量，这是HIPS可以消减火炬排放量的根本原因。对于火炬系统来讲，其服务对象通常为多个装置，事故工况下的泄放点通常包括设有HIPS的安全阀泄放、未设有HIPS的安全阀泄放、压力控制阀排放以及紧急泄压等，如何确定消减后的火炬排放量非常关键。

根据文献[1]的说明，同一事故引发多点泄放时，火炬总排放量应是各个泄放源最大泄放量的累加，如果因同一事故引发泄放或排放，火炬系统的负荷应为各泄放点最大排放量的累加。

对多个设备设有HIPS的火炬系统，在确定同一事故工况下火炬排放总量时需要考虑一部分HIPS失效。由于每个HIPS都有确定的SIL等级，而确定的SIL等级都对应一定的失效概率范围，比如SIL2级的失效概率为10-3～10-2。基于每个HIPS失效后的泄放量及其失效概率，将所有HIPS失效场景排列组合计算得到总的失效概率，HIPS数量越多，排列组合的数量将呈指数级增加，需要用计算机程序完成计算。

2 HIPS的常见设置方案及SIL等级确定

2.1 常见设置方案

在大型炼化企业中，HIPS的应用场景还包括汽提塔超压时切断汽提蒸汽、压缩机出口压力高高时切断透平蒸汽等。HIPS的设置不能妨害工艺安全，同时也不能影响装置的正常生产。HIPS的典型控制方案如图1所示，实际按照SIL2级及以上考虑，变送器设置为“2oo3”模式，阀门冗余设置。

2.2 SIL等级要求

为保证SIS成功地执行其安全功能，必须对SIS的功能安全进行合理的设计及严格的评估，并最终以SIL等级体现。SIL等级代表着安全仪表功能(SIF)要求时的失效概率的大小，更是衡量SIF的重要指标。SIL级别越高，则SIS能实现所要求的安全功能的概率越高[7]。

SIL定级常用的方法为保护层分析(LOPA)，LOPA分析是基于场景的概念，先确定具体SIF涉及的初始事件及发生概率、独立的保护层以及事故发生的后果(或严重程度)，根据可接受的风险来确定SIF要求的失效概率，进而确定SIL等级[8-10]。

根据文献[1]的说明及工程经验，为了确保火炬系统的安全，用于火炬排放量消减的HIPS的SIL等级保守考虑应达到SIL2级或更高。如果对HIPS进行常规SIL定级，由于SIL定级是属于半定量方法，SIL定级结果可能无法准确评估HIPS失效导致的安全风险，建议HIPS最终的SIL等级应取常规SIL定级与火炬排放量消减要求定级二者中的较高等级。

3 HIPS应用中需要注意的问题

用HIPS进行火炬排放量消减和火炬系统设计需要注意以下问题：

1)HIPS起效时泄放量不一定为零。如1.1节所述，HIPS起效后泄放源的泄放量不一定为零，泄放量应通过动态模拟的方式确定。以某轻烃回收装置碳二分离塔为例，在全厂停电工况下该塔泄放量为98 t/h，经动态分析，当设置的塔顶压力高高联锁切断重沸器热源的HIPS起效后，受进料的影响，塔顶压力仍会持续升高导致安全阀起跳，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计算时，应特别注意该问题。

2)HIPS设定点的选择。HIPS的压力设定点既不能过于靠近安全阀整定压力，否则不能起到有效消减排放量的作用，也不能过于接近正常操作压力，否则易引起联锁误动作，影响生产的稳定性。压力容器内混合流体温度及压力升高到设定点时安全阀会打开进行泄放，此时容器内的蒸汽及液体组成是变化的，温度和热值也在变化，用常规方法计算的泄放量和参数都不够准确，具有时间变量的动态模拟才能更好地确定泄放量及描述泄放发生的过程，因此应通过动态模拟的方式确定合理的HIPS压力设定点。

3)HIPS的SIL等级要求与SIL定级不同。如2.2节所述，为消减火炬排放量确定HIPS的SIL等级可能与常规SIL定级分析确定的SIL等级不同，应按“就高不就低”的原则确定最终HIPS的SIL等级。某丙烷脱氢装置的专利商为消减火炬排放量，明确要求某精馏塔HIPS的SIL等级达到SIL3级，但LOPA分析后确定该联锁的SIL等级为SIL1级，而最终按SIL1级的要求进行设计，一旦在全厂停电工况下该HIPS失效，装置排放需求将远超火炬系统能力，从而给整个泄放系统留下巨大的安全隐患。

4)相关标准中火炬排放量叠加的问题。现行标准SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》[11]中规定了一个确定火炬系统叠加排放总量的简化计算方法，即“每个排放系统在同一事故中的最大排放量，按影响系统尺寸最大的某个装置排放量的100%与其余装置排放量的30%之和计算(体积流量)……”。但在实际执行中，如果有部分装置的火炬排放量已经进行了动态泄放研究或HIPS消减分析，则不可再按该原则叠加，否则将可能导致最终的火炬排放总量严重偏小，无法满足实际排放需求，从而留下安全隐患。

5)经济评估。HIPS的主要作用是用于消减火炬排放量，缩减新建火炬系统规模或尽量利用原有的老火炬系统，从而节省投资或消除火炬系统的制约瓶颈。另外，HIPS也会减少或消除生产异常情况下的安全阀起跳概率，减少物料损失，提升过程安全。但HIPS本身需要额外的投资，一方面增设HIPS需要仪表、切断阀等设备的一次性投资；另一方面，高完整性的HIPS在生产运行过程中，需要较高的测试和维护等长周期成本。在确定HIPS消减方案时，应做经济性评估，在HIPS带来的成本增加与火炬系统投资节省之间寻求经济平衡点。

4 应用案例

在某大型炼化一体化项目的泄放分析和火炬系统优化设计中，根据动态模拟的结果消减全厂火炬总量，确定增设及升级共14个HIPS，均要求达到SIL2等级。根据火炬系统失效概率的计算，在最苛刻的全厂停电工况下，最终确定2个HIPS失效。该项目HIPS消减方案见表1所列。结合动态泄放研究和HIPS，全厂停电工况下火炬排放总量消减至原设计值的51%，消除了高架火炬辐射面积过大的瓶颈，节省了数千万元投资费用。

表1 某项目火炬排放量HIPS消减方案

5 结束语

HIPS是除动态泄放研究之外消减火炬排放量最常用和有效的手段之一。火炬系统是全厂最后一道安全屏障，在应用HIPS分析消减全厂火炬排放量时，应严格遵循行业标准，采用系统化的分析方法和技术，综合动态泄放研究、火炬系统失效概率计算等手段，在保障安全的前提下，结合投资与收益的平衡，最终确定合理的HIPS消减方案。