高完整性保护系统(HIPS)在安全泄放系统设计中的应用

胡启辉 王永东 袁助 杨虹

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

高完整性保护系统( HIPS) 属于安全仪表系统( SIS) 中的一种特殊技术，通常用于安全等级要求很高的工艺设施，其主要通过切断危险压力源来防止设施超压，从而实现安全保护的目的。在设计上通过适当增加冗余度，可将HIPS的安全性设计为等于或高于机械安全设施等级。但是，HIPS的应用需要一些特殊的设计程序，以确保设计出足够安全的HIPS系统[1]。并且需要特别注意其在运行中的维护、测试和检验。HIPS 技术的应用一方面可以降低被保护对象的承压等级；另一方面可以减小传统的被动安全泄放设施，如机械式安全阀，减小安全泄放设施同时泄放的概率以及排除某些工况，如再沸器过度热量输入导致的大量泄放，从而减小火炬系统的设计规模。在目前石油化工装置规模日益扩大、安全要求日益提高的阶段，HIPS系统的成功设计和应用，对减小火炬系统设计规模、提高火炬系统安全性有着十分重要的意义[2,3]。

1 HIPS系统的组成

HIPS系统包括现场仪表(如传感器)、逻辑表决装置(如安全系统逻辑解算器，继电器等)、最终控制元件、电源和检查、测试以及维护程序。HIPS系统的边界包含了从传感器到最终元件的所有方面。HIPS 要求系统所有元器件(从检测设备到逻辑控制器，再到最终执行元件以及实现安全仪表功能的其他设备，如安全仪表用户接口、通信和供电等) 均处于事故安全状态。

2 HIPS系统应用依据

2.1 失效概率

任何安全设施对于系统的保护均不是百分之百有效的。根据操作环境、介质特性、检修状态的不同，安全设施具有不同的失效概率。例如，在酸性腐蚀条件下或介质易凝固、粘度大的情况下，机械安全泄放设施(安全阀)由于机械执行机构存在被腐蚀、被粘连的情况，使安全阀的失效概率增加。而在安全阀前增设爆破片、对安全阀进行定期清理和维修，可以减小安全的失效概率，从而提高系统的安全性。

在安全分析过程中被广泛使用的风险降低系数表见表1。

表1 风险降低系数表

由表1可以看出，一个成功设置并实施的安全级别达到SIL-2的安全仪表系统，在对装置的保护和风险降低程度上等同于设置了机械安全泄放设施(安全阀)。根据系统冗余设置的原则，当HIPS系统的安全级别达到SIL-3或更高时，其作用可以完全等同于机械安全泄放装置。

2.2 标准支持

2.2.1 美国API 521-2014 减压和减压系统

在《API 521减压和减压系统2014版》的附件E中专门讨论了HIPS系统在减压系统中的应用[4]。从HIPS系统的七个方面详细说明了HIPS系统在泄压系统中的应用，分别为：① 介绍；② 应用背景；③ 相关标准；④ HIPS系统的应用程序；⑤ HIPS系统的试验间隔；⑥ 应提供文件；⑦ 培训。

2.2.2 美国压力容器标准ASME BPVC VIII

在《美国压力容器标准ASME BPVC》第八卷，UG-140超压保护系统设计章节中，阐述了ASME对于使用仪表系统替代机械安全泄放设施的观点[5]。

根据ASME中的相关表述，在系统压力为自限压、并且自限压力不高于系统设计压力时，可以不设置机械安全泄放设施。自限压可以通过安全仪表系统来实现。在应用的过程中，必须满足以下要求：① 供货商必须提出其自限的压力低于系统设计压力；② 必须通过HAZOP分析列出所有可能超压的可能；③ 必须提供在HAZOP列出的所有超压工况下，系统的压力均能自我限制的证据；④ 必须在相关文件，如操作说明中明确表述系统设计的理念和所有设施。达到以上要求后，ASME认为可以使用系统设计来代替机械安全泄放设施。

3 HIPS系统在安全泄放系统设计中的应用

3.1 从设计上消除特定的超压工况

某项目精馏系统见图1。

图1 精馏塔系统HIPS设计

在未设置HIPS系统前，当塔顶冷凝器循环水突然无法供给时，由于塔釜再沸器热源供给并未停止，使精馏塔有因循环水故障而超压的可能。当设置有HIPS系统后，循环水流量低会联锁再沸器热源供给切断阀关闭。由于联锁是高可靠性的，所以消除了精馏塔因循环水故障而超压的工况。此时塔顶设置的安全阀仅需考虑火灾工况即可。

3.2 消除特定的机械安全泄放设施

反应系统见图2。

图2 反应系统HIPS系统设计

反应器热源由蒸汽提供，反应为吸热反应。反应器内介质受热蒸发后可能引起系统超压。常规设计中，需在反应器顶部设置安全阀，安全阀的泄放量依据系统最大热量输入条件下，反应器内介质的蒸发量计算。 若设置了HIPS系统，在反应器压力高时，停止反应器热量供给，在无其他工况的前提下，则可以取消反应器顶部设置的安全阀。

3.3 当机械安全泄放设施失效时，对系统提供额外的保护

根据系统冗余设置原则和系统失效概率，当系统同时设置有机械安全泄放设施和HIPS系统、且HIPS系统达到SIL-3及以上级别时，可以认为HIPS系统的失效概率远小于机械安全泄放设施。当机械安全泄放设施失效时，HIPS可以为系统提供额外的保护。

3.4 减少几个装置同时泄放的可能性，从而减小火炬系统的规模

减小火炬系统的设计能力，是HIPS系统在泄放系统设计中的一个重要应用。通过HIPS系统的设置，可以降低几个装置或同一个装置内各个工序的同时泄放的概率，从而减小火炬系统的设计规模，降低投资成本。

某项目火炬泄放能力对比表见表2。

表2 火炬泄放能力对比 (kg/h)

火炬系统是多个泄放点组成的。反应单元为明火炉加热系统，其余为精馏系统和冷冻系统。其各自的泄放量见表2。在未设施HIPS系统时，当全厂停电停水工况下，多个系统共同泄放，泄放总量为336350 kg/h。火炬系统也按照此规模设计。设置HIPS系统后，在停电停水工况下，所有单元在HIPS系统的作用下，均可切断进料及热源，减小超压可能。由于反应单元的泄放量在各独立系统中最大，装置的泄放总量需考虑最大独立系统的泄放量。即在第一时间内，同时泄放量由336350 kg/h减小至180250kg/h。火炬设计规模比未设置HIPS系统时有了大幅度的减小。

4 应用实例

4.1 应用背景

某丙烷脱氢项目，主要装置包括反应单元、产品压缩单元、脱乙烷、脱丙烷单元、丙烯精馏单元、乙烯冷冻单元。在发生全厂性公用工程故障，如全厂电力故障、全厂循环水故障时，多个装置存在同时泄放的情况。在项目初期确定丙烷脱氢装置泄放能力时，根据专利商的建议设计并实施了高可靠性保护系统，以降低全装置在事故工况下的泄放量，从而减小火炬的设计规模。

4.2 系统设计

本项目HIPS系统的设计原则为：① 依托于本项目安全仪表系统，设置有三取二的压力、温度、流量监测单元和高可靠性的切断及停车执行机构，并且联锁系统的安全等级达到SIL-3；② 对于每一个泄放系统，均设置有压力控制的调节阀和手动远程调节阀，调节阀出口通向火炬系统。在正常生产时，压力调节阀均处于紧密切断状态，调节阀的泄漏等级为5级。当发生全厂性故障时，所有此类压力调节阀均处于关闭状态，在SIS系统的控制下，最先达到泄放压力的系统开始向火炬泄压，其余系统仍处于紧密关断的状态。当装置泄放总量开始下降时，由SIS系统控制其余系统开始泄放，使整个装置达到“错峰”泄放，从而减小装置的最大泄放量；③每个独立的泄放源均设置有全流量泄放设施；④装置的最大泄放量等于不能由HIPS系统削减的排放量加各独立系统中排放量的最大值之和。

4.2.1 反应单元

发生全厂性公用工程故障时，在SIS系统的联锁下，切断反应进料，反应加热炉停车，泄放量可减小至0。具体对比数据见表3。

表3 反应系统泄放量对比

4.2.2 脱乙烷单元

当丙烯压缩机跳车时，脱乙烷塔再沸器的热量输入终止，脱乙烷塔的设计压力高于其在此温度下的气化压力，再沸器无法提供使系统超压的热量。剩余热量来源所能提供的热量，使系统的最大蒸发量为1500kg/h。即在HIPS系统成功运行时，此系统有1500kg/h的泄放量。具体对比数据见表4。

表4 脱乙烷单元泄放量对比

4.2.3 脱油单元

脱油单元为一个典型的精馏系统，当发生全厂性公用工程事故时，HIPS系统切断脱油单元再沸器热量输入，并切断所有排放阀，所有物料均维持在系统内，无对外排放。经过HIPS系统的作用，使脱油系统在第一时间内的泄放量减小为0。具体对比数据见5。

表5 脱油单元泄放量对比

4.2.4 丙烯及乙烯系统

丙烯及乙烯系统均为离心压缩机制冷系统，当发生全厂性公用工程故障时，丙烯及乙烯压缩机在HIPS系统的作用下停车，系统压力达到压缩机的停机后的平衡压力，此压力小于系统的设计压力，无对外泄放。随着停车时间的增加，丙烯和乙烯系统受到外部热量，如气温，太阳辐射等因素的影响，压力持续升高，并在SIS系统的控制下，逐步释放系统压力。即在公用工程失效时，第一时间泄放量均为0，随着系统压力的逐渐升高，安全仪表系统控制不同的系统逐步泄放，达到“错峰”泄放的目的。

4.3 设计结果

如表2所述，在HIPS系统的协调和保护作用下，各独立泄放系统被切断超压来源，或实现“错峰”泄放，最大泄放量由336350 kg/h减小至180250 kg/h，实现了减小火炬系统设计能力的目的。

4.4 经济性分析

4.4.1 安全阀设置

根据本丙烷脱氢项目HIPS的设计原则，每个独立的泄放源均设置有全流量泄放设施，即在本装置中，每个泄放源处的安全阀并未因设置有HIPS系统而减小或取消。当单个泄放源发生事故时，仍能以全流量进行泄放而保护系统。HIPS系统的设计，仅是减小了多个安全阀同时泄放的概率。所以在安全阀设置上，并未有明显的经济效益。

4.4.2 火炬系统

在本丙烷脱氢装置中，由于HIPS系统的成功应用，使本装置泄放量由336350 kg/h减小至180250 kg/h。全厂火炬的能力由432350 kg/h减少至276250 kg/h。火炬系统相关设施的规模和投资均有不同程度的减小。两种情况下火炬系统的规模及投资对比见表6。

表6 火炬系统规模及投资对比

可见，使用HIPS系统，对于减小火炬规模并减小火炬系统投资，有着明显的作用。

5 结语

HIPS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，保护系统避免超压。在石油化工装置规模日益扩大、装置安全要求日益提高的情况下，HIPS系统的应用，能够减小特定工况下的泄放量，从而减小火炬系统的能力。对于降低装置投资，增加系统的安全性有着重要意义。