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    科學技術論文

    HIPPS在天然氣輸送管線中的設計和應用

    時間:2020年10月13日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:針對可燃、易燃介質的工藝系統中超壓安全保護設施安全閥在工程項目的經濟性、安全性和可操作性上的缺陷,從安全性和可靠性上選擇高完整性壓力保護系統 (HIPPS) 作為可替代 設施。結合實際工程案例,采用動態模擬法分別計算基本控制系統、安全儀表系統

      摘要:針對可燃、易燃介質的工藝系統中超壓安全保護設施安全閥在工程項目的經濟性、安全性和可操作性上的缺陷,從安全性和可靠性上選擇高完整性壓力保護系統 (HIPPS) 作為可替代 設施。結合實際工程案例,采用動態模擬法分別計算基本控制系統、安全儀表系統和高完整性壓力保護系統在天然氣管線超壓保護過程中的貢獻,并定量計算了高完整性壓力保護系統設定 值對其安全性、可靠性的影響。結果表明:應從安全性、可靠性和經濟性角度綜合考慮安全閥和HIPPS 系統的優缺點來進行選擇使用;應重點關注并合理地設定 HIPPS 系統聯鎖的設定值及閥門關閉曲線、關閉時間,才能實現HIPPS 系統安全地替代傳統機械安全泄放設施;可借助動 態模擬軟件定量、實時、準確計算和校正 HIPPS 系統的設定值及關閉時間。

      關鍵詞:天然氣管線;高完整性壓力保護系統;安全閥;動態模擬;聯鎖

    天然氣與石油

      在 LNG 接收站項目中,安全閥或爆破片通常 作為最后一級安全保護措施,將超壓介質泄放至安 全區域或火炬系統來避免因超壓而產生潛在安全危 害。但針對可燃、易燃介質的工藝系統,采用安全 閥作為安全保護措施的經濟性、安全性和可操作性 較差,原因如下[1~2] :

      (1) 上游管線系統和下游管線系統的設計壓力 差別較大。結合工程項目的建設投資,下游管線的 設計壓力不按照上游高壓系統進行設計,正常運行 通過壓力控制閥減壓,但下游堵塞工況時極易造成下游低壓系統的超壓,因此應設置安全閥或等效安 全設施。通常泄放量按照全流量考慮,安全閥數量 多,安裝困難,同時運行維護期間的成本較高、難 度較大。

      (2) 對于改擴建工程,低壓系統可能需接入新 的上游高壓壓力源,下游低壓設施已有的安全閥等 設施不足以應對潛在新增的大量烴類物流泄放,環 境友好性差。

      (3) 在排放量極大的場合,若將工藝氣體排放 至火炬系統,會增加火炬系統的處理能力,導致整個火炬系統的投資急劇增大。 因此,采用安全閥或爆破片作為泄放設施并不 適用于上述場合,需從安全性和可靠性上考慮可替 代的方法,高完整性壓力保護系統應運而生。

      TSG D0001—2009 《壓力管道安全技術監察規 程》 第 127 條規定“安全泄放裝置用于防止管道系 統發生超壓事故,其控制儀器儀表和事故連 (聯) 鎖裝置不能代替安全泄放裝置作為系統的保護措 施。在不允許安裝安全泄放裝置情況下,并且控制 儀表和事故連 (聯) 鎖裝置的可靠性不低于安全泄 放裝置時,則控制儀器儀表和事故連 (聯) 鎖裝置 可以代替安全泄放裝置作為系統的保護設施”,高 完整性壓力保護系統完全符合監察規程的要求,可 作為替代安全泄放裝置的保護措施,既節省投資, 又保證了閥門可靠的關斷。 高 完 整 性 壓 力 保 護 系 統 (High Integrity Pressure Protection System,HIPPS) 在石油化工、油氣 儲運、海洋平臺領域已廣泛應用。

      IEC61508[3] 標準 將 HIPPS 定義為高完整性壓力保護系統,是一種基 于安全儀表保護的獨立的控制系統,通常用于安全 等級要求很高的工藝設施[4] ,一方面降低了被保護 對象的設計壓力,另一方面可以作為主動防御安全 設施。該技術已被國內外研究機構和工程公司大量 應用[5~14] 。

      1 項目基本工藝流程

      來 自 海 底 管 線 操 作 壓 力 為 8 000 kPa(G) (下 同) 的天然氣經壓力控制閥降至 4 200 kPa,經 管網輸送至下游電廠用戶。其中海底管線操作壓力 為 8 000 kPa,管線設計壓力 9 700 kPa,下游電廠 用戶所需天然氣操作壓力 4 200 kPa,下游電廠管 線設計壓力 4 800 kPa,正常流量 450 t/h。

      海底管線 天然氣管道和下游用戶天然氣管線的操作壓力和設 計壓力差別較大,當下游切斷閥故障狀態關閉時, 上游高壓天然氣可能會造成下游天然氣管線壓力迅 速升高,形成超壓危險環境。按照傳統設計,下游 天然氣管線應設置安全泄放設施,如壓力安全閥, 將超壓天然氣排放至火炬系統燃燒,安全閥泄放量 按照額定流量的 110%考慮,約 495 t/h,這就造成 火炬總管和火炬筒體的尺寸增大,建設和維護成本 較高,經濟性差。此時 HIPPS 系統可替代壓力安全 閥在極短時間內關閉緊急切斷閥,避免下游低壓系 統超壓。

      (1) 工況一。下游用戶出口切斷閥故障關閉, SIS 系統和 HIPPS 系統未啟動時,研究系統工藝參 數的變化趨勢。 (2) 工況二。下游用戶出口切斷閥故障關閉, SIS 系統觸發,HIPPS 系統未啟動時,研究系統工 藝參數的變化趨勢。 (3) 工況三。下游用戶出口切斷閥故障關閉, SIS 系統和 HIPPS 系統觸發時,研究系統工藝參數 的變化趨勢?紤]到石油化工裝置中任何工藝系統的超壓都 是時間的函數,是從穩態逐步動態變化的過程,因此為了使分析更加準確、可靠,引入了先進的動態 模擬軟件計算工具。

      動態模擬已被國內外研究機構 和工程公司大量應用[15-26] ,其中王亮[26] 以丙烯丙烷 精餾塔系統為例,應用流程模擬軟件,建立丙烯丙 烷精餾塔動態模型,分析了丙烯丙烷精餾塔在操作 條件變化、進料流量及進料組成干擾變化時精餾塔 的動態響應變化過程,研究了常規 PID 控制方案以 及通常的先進控制方案所存在的問題,為改進的集實時、優化與先進控制于一體的控制方案設計提供 了依據;馮傳令[17] 利用動態 HYSYS 對原油容器的火 災工況的泄放過程進行了模擬,模擬出火災工況下 的最大泄放量,解決了安全閥計算及選型的困難, 有效地保證了系統的安全,動態模擬結果對實際生 產操作和控制方案的設計具有指導意義。

      2 計算結果分析

      2.1 工況一

      下 游 用 戶 出 口 切 斷 閥 故 障 關 閉 , SIS 系 統 和 HIPPS系統未啟動時,采用動態模擬軟件計算分析系統內工藝參數的變化趨勢,運行時間為 60 s 時下游切 斷閥在 20 s 內開始從 100%逐漸關閉;當運行時間 為 79 s 時下游用戶的操作壓力由 4 200 kPa 逐漸升 高,壓力控制閥開始從 49.989%逐漸關閉,質量流 量開始從 450 t/h 逐漸降低;當運行時間為 80 s 時下 游 切 斷 閥 完 全 關 閉 , 此 時 下 游 用 戶 操 作 壓 力 為 4 603 kPa,壓力控制閥開度為 49.046%,質量流量 為 424.5 t/h。

      隨后壓力控制閥開度逐漸降低直至完 全關閉。當下游切斷閥完全關閉后,質量流量并未 降低為零,而是逐漸降低,此過程為下游管線的增 壓填充過程,下游管線壓力最終增壓至7 915 kPa。因 此針對高、低壓工藝系統,下游切斷閥關閉時勢必 會造成下游管線的超壓,如采用設置安全閥作為超 壓保護措施,需設置處理能力為 495 t/h 的安全閥, 安全閥的數量及超壓氣體的排放將會大大增加工程 建設項目的設計難度和建設投資,經濟性較差。

      2.2 工況二

      下 游 用 戶 出 口 切 斷 閥 故 障 關 閉 , SIS 系 統 觸 發,HIPPS 系統未啟動時,采用動態模擬軟件計算 分析系統內工藝參數的變化趨勢,運行時間為 60 s 時下游切 斷閥在 20 s 內開始從 100%逐漸關閉;當運行時間 為 79 s 時下游用戶的操作壓力由 4 200 kPa 逐漸升 高,壓力控制閥開始從 49.989%逐漸關閉,質量流 量開始從 450 t/h 逐漸降低;當運行時間為 80 s 時下 游切斷閥完全關閉,壓力控制閥開度為 49.046%, 質量流量為 424.5 t/h;隨后壓力控制閥開度逐漸降 低直至完全關閉;當下游壓力達到 4 300 kPa 時, 觸發 SIS 設定值,連鎖關閉 SIS 切斷閥。

      當下游切 斷閥完全關閉后,質量流量并未降低為零,而是逐 漸降低,此過程為下游管線的增壓填充過程,充壓 過程中當 SIS 切斷閥完全關閉后,下游管線 (物流 8) 充壓過程結束,低壓系統的平衡壓力最終穩定 在 5 105 kPa, 雖 然 仍 高 于 低 壓 系 統 的 設 計 壓 力 4 800 kPa,但是通過設置 SIS 聯鎖關閉切斷閥可在 一定程度上隔離高壓壓力源,減緩高壓系統對低壓 工藝系統的危害?紤]到 SIS 聯鎖關閉時間長,SIS 系統可靠性差,按照行業設計規定要求,SIS 系統 不能作為可替代機械安全泄放設施的方法。

      2.3 工況三

      下 游 用 戶 出 口 切 斷 閥 故 障 關 閉 , SIS 系 統 和 HIPPS 系統觸發時,采用動態模擬軟件計算分析系 統內工藝參數的變化趨勢。運行時間為 60 s 時下游切 斷閥在 20 s 內開始從 100%逐漸關閉;當運行時間 為 79 s 時下游用戶的操作壓力由 4 200 kPa 逐漸升 高,壓力控制閥開始從 49.989%逐漸關閉,質量流 量開始從 450 t/h 逐漸降低;當運行時間為 80 s 時下 游切斷閥完全關閉,壓力控制閥開度為 49.046%, 質量流量為 424.5 t/h;隨后壓力控制閥開度逐漸降 低 直 至 完 全 關 閉 ; 當 下 游 壓 力 (物 流 5) 達 到 4 300 kPa 時,觸發 SIS 設定值,連鎖觸發關閉 SIS 切斷閥。

      當下游壓力 (物流 8) 達到 4 430 kPa 時, 觸發 HIPPS 系統的設定值,HIPPS 系統會在 2 s 內連 鎖關閉 HIPPS 切斷閥,HIPPS 切斷閥的關閉時間極 短,迅速切斷高壓、低壓系統;當運行時間為 88 s 時,HIPPS 已完全切斷 HIPPS 切斷閥,此時 SIS 聯 鎖所觸發切斷閥開度仍然維持約 70%開度,并未實 現 完 全 關 閉 , 低 壓 系 統 的 平 衡 壓 力 最 終 穩 定 在 4 530 kPa, 小 于 低 壓 系 統 的 設 計 壓 力 4 800 kPa, 能夠保證下游系統不會發生超壓。HIPPS 系統獨立 于 DCS 和 SIS 系統,且系統架構計算的整個 HIPPS 故障失效率必須符合所接受風險要求,安全可靠性 高,可作為替代機械安全泄放設施的方法。

      3 HIPPS設定值確定及主要影響因素

      HIPPS 具有很高的安全性和靈敏性,現場微小 的故障均能觸發 HIPPS 動作,導致工藝系統生產的 頻繁關斷,關斷后恢復生產需要大量的施工資源和 人力。因此 HIPPS 聯鎖的設定觸發值、閥門關閉時 間等非常重要,相同的 HIPPS 系統應用至不同的場 合,其設定值和關閉時間隨著工藝系統運行特點、 工藝管道幾何容積等而不同,針對具體系統需借助 動態模擬計算,合理地設定 HIPPS 關斷閥設定值, 在保證裝置安全性的同時,盡可能維持其運行的穩定性。

      隨著 HIPPS 切斷閥關閉時間的延 長,下游低壓系統達到的平衡壓力數值逐漸增大, 當 HIPPS 切斷閥關閉時間為 8 s 時,下游系統平衡 壓力大于其設計壓力 4 800 kPa,無法保證下游系 統的安全。針對具體工程項目中 HIPPS 的應用場 合,應根據實際情況,利用動態模擬軟件準確計算 HIPPS 切斷閥的關閉時間,以便于保護低壓系統, 在滿足下游系統安全性的前提下盡可能延長閥門關 閉時間,一方面避免切斷閥執行結構不至于過大而 增加工程費用,另一方面盡可能降低因快速關閉切斷閥而產生的氣錘和水錘危害[27] 。

      化工論文投稿刊物:《天然氣與石油》(雙月刊)1962年創刊,是四川石油管理局勘察設計研究院主辦的技術性期刊。以推廣國內外油氣田地面建設先進技術為辦刊宗旨。主要報道油氣儲運、油氣加工、通信與自動控制、腐蝕與防腐、機械設備、電力、熱工、采暖通風、環境保護、給排水、工程地質及測量、工業與民用建筑、技術經濟、計算機應用、科技管理等方面的最新科技成果。

      4 結論

      本文闡述了一種可替代機械安全泄放設施的高 完整性壓力保護系統的基本組成及應用特點,并結 合具體工程案例,分析采用安全閥泄放設施的局限 性及應用 HIPPS 系統的優點,采用動態模擬軟件對 HIPPS 系統應用的效果進行了定量分析。 (1) 安全閥或爆破片并不完全適用于傳統石油 化工領域任何超壓工況,需從安全性和可靠性上綜 合考慮。 (2) HIPPS 通過主動切斷危險壓力源來避免下 游管線和設施超壓,從而實現安全保護的目的,可 替代傳統的被動安全泄放設施,解決安全排放設施 投資高、規模大等難題。 (3) 示例工程中 SIS 聯鎖關閉切斷閥可在一定 程度上隔離高壓壓力源,減緩高壓系統對低工藝系 統的危害,但無法完全保證下游系統的安全性,不 符合本質安全的設計要求。

      (4) 示例工程中 HIPPS 聯鎖關閉切斷閥時間越 短,下游低壓系統的操作壓力越低,可迅速實現高壓、低壓系統的隔離,能夠保證下游系統不會發生 超壓,此工況下 HIPPS 系統可替代機械安全泄放 設施。 (5) HIPPS 具有很高的安全性和靈敏性,其聯 鎖關閉切斷閥的設定值和關閉時間隨著工藝系統運 行特點、工藝管道幾何容積等而不同,應準確合理 地設定 HIPPS 聯鎖關閉切斷閥的設定值,才能作為 機械泄放設施的替代方案,保證裝置設計的安全性 和運行的穩定性。 (6) 動態模擬軟件可實時準確反映工藝系統的 實際操作工況,定量、準確計算不同聯鎖設定值和 關閉時間對工藝系統安全性的影響。

      參考文獻

      [1] 郝蘊.HIPPS 在深水高壓氣田開發中的應用[J].天然氣 與石油,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.應用高完整性壓力保護系統防止天然氣 壓 縮 機 出 口 管 線 超 壓 [J]. 油 氣 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:劉洋 王璽 陳宏升 岳爽

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