高完整性压力保护系统的应用探讨

王斌

(华陆工程科技有限责任公司 电控室，西安 710065)



高完整性压力保护系统的应用探讨

王斌

(华陆工程科技有限责任公司 电控室，西安 710065)

摘要：随着对石油化工装置安全性要求的提高，仅依靠被动的安全泄放系统已经难以满足要求。高完整性压力保护系统(HIPPS)作为一种特殊的安全保护技术，具有高可靠性、可用性和稳定性的优势，正逐步替代传统的安全泄压系统。介绍了HIPPS的概念和选用原则，详细阐述了其实施流程和技术要求，为HIPPS的应用提供参考。

关键词：安全泄放系统高完整性压力保护系统安全完整性等级联锁

早在二十多年前，美国机械工程师学会(ASME)和美国石油学会(API)就针对单体设备和整体系统的安全泄压制定了设计标准，安全泄放系统的传统设计主要采用安全阀以及火炬系统等机械式被动安全措施。严格来讲，机械式被动安全系统也存在失效问题，以最常用的安全阀来讲，其故障率较高。在安全阀失效时如果没有额外的保护措施，或由于偶发叠加工况的发生，泄放量超出此类安全设施的承受能力，可能会引发灾难性的后果。

伴随着石油化工装置日益复杂、国家对于安全要求的重视以及安全仪表系统(SIS)设计理念的逐步推广，以预防单体压力容器超压的高完整性压力保护系统(HIPPS)。

1HIPPS与其他安全系统的关系

目前的安全保护系统有两大类： 被动防护的安全泄放系统，如安全阀、爆破片等机械式安全设施；主动防护的SIS，而随着安全要求的提高，整体配置更为安全、可靠、严格的HIPPS在主动防护中发挥着日趋重要的作用。

HIPPS与常规SIS的基本保护原则一样，工艺系统正常运行时HIPPS处于监控状态，不参与生产过程控制，只有在达到临界危险状况时才触发安全保护动作。HIPPS在多层保护结构中的位置如图1所示[1]。

由图1可知，处于安全泄压系统的安全阀，实质是被动防护的过程，其特点是保证事故状态下，有足够的泄放能力将进入工艺系统的压力全部泄放出去，使工艺系统的最高压力不超过设计压力，从而保证整个工艺系统的安全。HIPPS具有两个功能，一是主动防御，根据工艺系统的压力设定值，在事故发生前切断压力源；二是在事故状态下，保证在极短时间内有效地切断压力源，从而保证工艺系统的安全。

在实际的工程应用中，对于同一个超压工况，都需要考虑SIS和HIPPS，但不同的是两个系统是独立设计的，尤其是其压力联锁设定值的不同。通常情况下，SIS的联锁压力值略低于HIPPS的联锁压力值，系统故障时优先采用SIS联锁切断压力源。当SIS未能成功切断压力源或由于压力急速升高，而SIS响应后执行元件的动作时间过长，导致系统压力持续升高触发HIPPS联锁。因此，HIPPS之所以能作为主动防护系统的最后一级安全保护，其主要原因在于构成HIPPS的所有元件都具有很高的稳定性和可靠性。

图1　多层保护结构

2HIPPS的使用工况分析

HIPPS作为工艺系统的最后一级主动安全保护，其主要功能是在故障工况下能够在极短的时间内有效切断上游的高压压力源，以保证下游的低压系统不受上游高压源的影响，即它是保护在故障条件下有可能面临高压甚至是超高压的危害，但又不能按照全部承压来设计安全泄放系统的一项措施。通常可以在以下工况考虑采用HIPPS：

1) 未设置安全泄放系统(如爆破片、安全阀、火炬分液罐及系统)。

2) 设置安全泄放系统，但事故状态下有大量高危害介质泄漏并进入火炬系统。

3) 已有的安全泄放系统的设计不能满足危险物料的大量泄放。通常情况是火炬系统的设计未考虑叠加工况或最不利工况。

4) 正常工况下，系统介质有可能影响或破坏安全泄放系统设备。

5) 正常工况下，存在多组分或多相物料的放空，而此种放空的实际速率受到工艺过程的影响而难以判断。

6) 安全泄放系统设备有可能造成额外安全隐患或事故风险源。

7) 安全泄放系统设备的周边有环境要求，或者多种不利工况叠加造成次生危害的风险。

8) 工厂所在地政府机构的特殊要求。

事实上，石化装置HIPPS的应用取决于HAZOP分析与安全完整性等级(SIL)评估的结果，并以此确定安全保护回路的SIL。当安全级别达到SIL 3而又因上述原因不宜采取安全泄放系统时，建议采用HIPPS。

在石油天然气工程中，HIPPS多用于油气田高压油井或气井的出口和高压天然气远距离输送管道的分输出口；在海洋石油工程中，HIPPS多用于FPSO的进船油气管线，海底管线，海上钻井平台管线；在石油化工工程中，HIPPS多用于火炬系统和紧急放空系统的管线。

随着HIPPS在上述应用领域的多年成功实践，赢得了安全领域的广泛认可，近年来其应用范围在逐步扩大。

3HIPPS的实施流程

在工程项目中，HIPPS的实施流程相对固定，主要是针对可能产生超压工况的设备及系统进行逐一分析并实施。HIPPS的实施流程如图2所示。

图2　HIPPS的实施流程示意

1) 判断压力容器的使用工况，如果压力容器的设计与ASME锅炉与压力容器标准案例2211中描述的“压力容器仅用于水、空气和蒸汽环境”的工况一致，那么此设备仅考虑安全泄压系统而不考虑HIPPS[2]。

2) 确认政府部门是否有强制规定。不同的国家和地区对于HIPPS和传统安全泄放系统的要求不一致。在石油工业环境安全导则(PPEPCA)中明确要求，“HIPPS不能作为安全泄放系统的保护措施，而只能采用安全阀和爆破片等措施”；而在安全要求规范 (SRS)中则要求“每一个超压工况都应采用HIPPS”。

3) 针对工况进行风险分析。针对超压工况分析采用HIPPS后的风险降低情况，定义HIPPS的功能需求，并确认业主的允许风险是否大于此种工况下产生的风险。对于业主而言，HIPPS的设计就是有针对性地降低各个工况下的风险使之满足允许风险。如果采用HIPPS设计仍然不能有效降低风险，需要考虑整体工艺方案的调整。

4) 依据ISA S84.01—1995[3]，IEC 61508—2010[4]，IEC 61511—2003[5]，编制HIPPS的技术规格书应至少包含HIPPS的设计原理、功能描述、目标SIL、响应时间等。

5) 开展HIPPS的详细设计。考虑系统的独立性、各个部件的完整性、系统配置、测试周期、自诊断要求和共同原因的影响，并通过风险矩阵和对超压工况进行风险分析，采用定量或定性的方式选择合理的SIL，SIL的计算和验证应按照ISA 84.01—1995和IEC 61511—2003中的要求进行[3，5]。

6) 判断HIPPS与安全泄放系统的可靠性。核心是验证HIPPS设计是否满足安全要求，是否在比安全泄压系统更加可靠，如果未能满足要求则重新设计。

7) 确认火炬负荷计算是否删除了此项工况。如果HIPPS设计能够满足业主的风险防范要求，同时达到指定的SIL，并通过定量或定性方式证明优于安全泄压系统，那么采用HIPPS的工况可以不考虑到火炬负荷的计算中[4-5]。

8) 现场安装与调试。确认回路的响应时间，确认系统功能的完整性，进行性能保证测试。

9) 操作、维护与后期测试。进行定期的性能检测和维护。

4HIPPS的安全完整性等级

HIPPS的SIL确认首先要考虑组成HIPPS的各个部件，典型的HIPPS由压力变送器、逻辑控制器、执行元件等构成。

根据HIPPS的SIL要求的差异，管线的压力测量可以根据实际情况采用2台或者3台相同配置的压力变送器串联构成“1oo2”或者“2oo3”表决结构。压力变送器通常安装在一个高度集成的阀组结构内，该阀组机械结构应具备为SIL2或者SIL3 等级认证。压力变送器精度要求0.1%以上，兼容HART协议，具备进行远程诊断和分析功能，单台应具备SIL2等级认证[3]。

逻辑控制器作为HIPPS的中枢核心，主要处理输入输出信号和逻辑控制。逻辑控制器安全要求需要至少达到SIL3，对于部分应用场合如海洋平台或地下矿井应考虑专门设计的SIL4。逻辑控制器应采用故障安全型和模块化设计，并应至少包含电源模块、DI卡模块、DO卡模块、时钟同步及通信模块、AI卡模块、AO卡模块、固态电容逻辑处理功能模块等。此外，逻辑控制器应采用双通道或四通道的卡件设计，分散系统自身故障的风险，同时应具备自诊断功能；电源和联锁逻辑模块冗余配置。逻辑控制器的各个模块应具备无扰切换、带电插拔与在线更换功能。整体系统两用一备模式，在物理上完全独立并三重化冗余，保证同时并行运行，无切换过程，无故障修复时间限制[4-5]。

HIPPS的执行元件由2台串联于管线上的切断阀组成。2台切断阀(含附件、执行机构及电磁阀等)串联后组成“1oo2”结构，整套HIPPS的动作时间根据整体工艺的需求，通常在2 s内执行完成。对于单台阀门执行机构应至少达到SIL2认证，单台电磁阀具备SIL2认证，2台电磁阀采用冗余配置结构，组成“2oo2”结构可以达到SIL3[3]。切断阀阀体建议采用球阀和轴流阀两种形式，在设计时应重视执行机构的扭矩计算及选型[4]。

在分配完HIPPS各个部件的SIL后，应考虑分配时的共同原因失效(如精度误差、制造缺陷、错误维护、错误旁路等)的概率以及与HIPPS相关系统安全要求，根据风险矩阵，针对不同的工况，确认HIPPS的平均失效概率(PFDaverage)，并通过SIL等级表进行合理选择。常规石化装置的SIL一般选择SIL2或者SIL3。

5HIPPS的技术要求

目前常规的HIPPS设计都将重点放在了如何选择压力变送器、逻辑控制器及执行元件上，并且会对SIL提出明确要求。然而，HIPPS的优势不在于某个硬件安全性的提升，也不在于某个回路的高可靠性，而在于整个系统的高可靠、高容错和可实现性。因此，为了防止实际执行过程中错误、遗漏或偏离的发生，技术要求明晰的HIPPS规格书是十分必要的。

笔者认为HIPPS的技术规格书应至少包含以下内容：

1) 明确工艺操作流程的简述以及应用HIPPS环境介绍。

2) 清楚地描述HIPPS与SIS的衔接和逻辑关系，以及分区、分层关系。

3) 清楚地描述HIPPS的保护目标，以及相应的启动条件和恢复方式。

4) 明确要求回路的SIL和最小PFDaverage。

5) 明确HIPPS验证试验的间隔时间和验证方式，这是HIPPS技术规格书的核心和难点[6]。

6) 明确HIPPS的响应时间。

7) 明确压力变送器的联锁和报警设定值以及超压响应时间。

8) 要求HIPPS供应商提供SIL的计算报告和验算报告，计算报告中应至少包含HIPPS的PFDaverage，以及验算满足本规格书SIL，还应包含HIPPS的安全故障率(SFF)、系统结构计算以及修正的共同原因失效参数[6-7]。

9) 要求HIPPS供应商在投标阶段提供硬件和软件的平均故障间隔时间，并确认上述参数是否有其他具体操作条件的限制。

10) 详细要求压力变送器、逻辑控制器、执行元件即切断阀(含电磁阀)的技术要求等。

11) HIPPS的工厂验收(FAT)要求。

12) HIPPS的现场验收(SAT)要求。

HIPPS的交付文件应至少包括： HIPPS的质量计划、系统原理、安全规范要求、系统部件列表、系统模拟报告、系统安全逻辑图、系统I/O表、系统及部件数据表、SIL评估报告、测试计划和程序。

6结束语

HIPPS作为一种特殊的高性能安全系统，将工艺安全保护方法由传统的被动泄放转变为主动防御，能够及时切断引起超压的压力源，从而保护下游工艺系统安全。

HIPPS具有高可靠性、可用性和稳定性的特点。然而，HIPPS在国内外石油化工领域应用的案例较少，这种全新的自动安全保护系统，随着不断进步的技术配置与技术保障能力，必将成为石油天然气行业、海洋石油行业、石油化工行业高危险工况下安全保护技术的发展方向。

参考文献：

[1]黄步余，叶向东，范宗海.GB/T 50770—2013 石油化工安全仪表系统设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2013.

[2]American Society of Mechanical Engineers.Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Code Case 2211[S]. American Society of Mechanical Engineers,2010.

[3]International Society of Automation. ISA S84.01—1995 Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industry[S]. International Society of Automation,1995.

[4]International Electrotechnical Commission. IEC 61508—2010 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety — related systems[S]． International Electrotechnical Commission，2010.

[5]International Electrotechnical Commission. IEC 61511—2003 Functional safety instrumented systems for the process industry sector[S]． International Electrotechnical Commission，2003.

Discussion on Application of High Integrity Pressure Protection System

Wang Bin

(Hualu Engineering & Technology Co. Ltd., Xi’an, 710065, China)

Abstract：With requirement improvement on safety of petrochemical installations, it can’t be satisfied only by passive pressure relief system. High integrity pressure protection system (HIPPS) is a special security protection technology with advantages of high reliability, availability and stability. It is gradually replacing traditional pressure relief system. The concept and selection principle for HIPPS are introduced. The implementation process and technical requirements are described in detail, which can be references on HIPPS application.

Key words：pressure relief system; high integrity pressure protection system; safety integrity level; interlock

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)06-0028-04

作者简介：王斌，男，2005年毕业于北京化工大学自动化专业，获学士学位，现就职于华陆工程科技有限责任公司，任工程师。

稿件收到日期： 2015-09-10。