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远离压力：高完整性压力保护系统（HIPPS）在安全保障方面的作用 |
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作者：Mike Semens-Flanagan |
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随着全球对油气资源的需求持续增长，如何实现油气田的最佳开采效率变得越来越重要。对于老的油气田，通常的做法是通过注入某些介质来提高流速，实现油气的开采率。然而，许多油气田还含有大量的H2S（也被称为酸气）。H2S和其他气体的存在以及由此在井内产生的涌流都有可能引起管道系统内部压力超过临界压力，从而破坏下游的炼油厂和处理厂，因此如何安全、有效地保持系统的压力就变得至关重要。
没有安装或者减压系统无法有效工作都将导致灾难性的后果。管道超压可能会对管道产生致命（因此也相当昂贵）的损坏，因为极有可能在某个时刻在某处发生气体爆炸，而且这些都是无法预测的。如果事后才意识到这些爆炸是由于有毒气体H2S或其他气体引起的，那么一切已经于事无补了，很显然大家对待任何造成这类事故发生的可能性都是零容忍的。
例如，有研究表明如果气体浓度介于5至10ppm(百万分率)之间会对人体产生直接而显著的影响，而即使是人体持续暴露于H2S浓度水平远低于1ppm的环境中，同样也会引起严重的慢性疾病。
另一种会造成气体爆炸的隐患是未受控制的压力进入管道，在它流动时会对工艺和设备造成无法预估的伤害。当这种带有压力的湍流未经检测而进入压缩机时则可能导致压缩机的重大损坏，对生产造成直接且昂贵的损失，更不用说压缩机及其他配套设备的高额更换成本。
传统的减压方法
这些年来，通常选择减压阀作为实现减压功能的关键系统。管道内压力一旦超过预设值，减压阀会在系统中打开另一个阀门，输出液体或气体，从而避免压力进一步加大。
通常减压系统要么把气体排入空气中，要么排入放空装置中燃烧。排入空气中显然不够环保，而且若排放的气体中含有高浓度的H2S，还会引起潜在的污染问题，甚至有可能会严重危害到操作工人和周边其他人的健康。
另一个解决方案，是用燃烧的办法，但这也并非万全之策。因为很显然明火的存在本身就意味着潜在的严重危险，而且燃烧过程中还会产生一系列的燃烧废气，根据燃烧前气体的不同成分，每一种废气都可能会对周围的人造成伤害。而且这种燃烧也会产生温室气体，它是排放污染物中的主要“贡献者”。此外，为了减压而将超压气体白白燃烧掉也是另一种资源的浪费。
这种采用放空装置燃烧的处理方式虽然需要占用较大空间，但是因为方式简单而且成本低廉，关键是早些年对于环保的控制没那么严格，所以该方式流行了很多年。
寻找更安全的解决方案
然而鉴于环境问题越来越受到重视，并且在工程现场的安全等级必须达到SIL（安全完整性等级）3级甚至更高的要求，于是技术领先者们找到了另一种解决方案。这就是最初在德国发展起来的高完整性压力保护系统（HIPPS），很显然在那个时候德国就已经因为在运营安全方面的卓著贡献而闻名。HIPPS的作用是在超出系统设计压力之前切断高压源，所以消除了因管道破裂而失控的可能性，同时也避免了系统部件因受到过大的压力而损坏。
HIPPS不仅适合整合到新系统中，同时也能被改装于现有管道系统中用以提高安全性并减少燃烧气体的浪费。
HIPPS是一个组件更宽泛的集成系统，该系统被称为HIPS（高完整性保护系统），它有效涵盖了任何对下游部分不管是工厂或是工艺系统起保护作用的设备。HIPS可以被引入到任何现有工厂，不论上游中游还是下游，来帮助确保他们符合国际或当地安全标准以及环境法规。
减压系统和HIPPS的主要区别在于：减压系统是通过安全的设计方式将管道内多余的液体排出，而HIPPS是阻止多余的液体流入并将其保存于相应的系统中。最关键的一点就是HIPPS既不需要将有害气体释放到空气中，也避免了因燃烧引起的危害。
最初系统的设计方式是通过关闭管道来实现的，而该系统主要由球阀和蝶阀组成，实践证明这是一种成本相对低廉而行之有效的解决方案。
自此以后对于该系统的创新也从未停止，现如今现代化的系统要复杂得多，其涵盖了高端逻辑控制器、电磁阀、冗余系统以及并行测量等多种新技术在内。这些部件实现了完全远程操作以及高度可靠性，达到了最高的安全级别，很多情况下不仅仅是满足而是超越了SIL3的标准。
在每套系统中配备有多个传感器用于检测上游和下游的压力值。逻辑控制器会根据这些数据源，确定是否存在真正的压力上升。三个传感器必须有两个确定超压，系统才会采取行动，此功能避免了不必要的关机和过程的中断。一旦检测到真正的超压，系统将立即做出反应，迅速关闭阀门（通常在2秒钟之内），以确保有威胁的压力水平不会在管道中激增，从而将损坏下游系统和部件的风险减到最小。管理这个关闭过程的“最终元件”包含了一个阀门驱动装置和电磁阀组。
设计HIPPS系统
在选择HIPPS产品的时候，系统设计人员必须考虑很多因素。可能最重要的就是管道中流动的介质属性，不论是液体还是气体，其腐蚀性水平和微粒含量是必须考虑的。其次就是响应时间，SIL级别和密封等级也很关键。此外包括诸如占地面积和布局、可用空间、适用于本地和国际的法规以及设计标准等其他因素也都要考虑在内。
这些因素将决定需要采用什么样的控制类型，需要什么样的电磁阀和阀门，而且还要掌握介质的材料和温度，因为有时这些因素决定了零部件必须要求用特殊的材料制成。
根据应用的具体要求，选型者可以从自力式机械系统、自力式气动系统、气动执行器系统、液压执行器系统和电子系统当中选择。
不管选择了哪一种产品和技术，最终的系统通常要符合以下两种标准之一：IEC 61508-电气/电子/电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全标准，或者IEC 61511-流程工业领域安全仪表系统的功能安全标准。这两个标准分别在1998年和2003年推出，它们是广泛适用于包括石油和天然气在内的多种应用领域的基于性能的非指令性标准，从产品周期的角度为设计、执行和管理安全系统在内的各个环节提供了详细的框架和方法。
根据应用领域的不同也会涉及到相关的其他类标准，比如欧洲标准EN12186（原DIN G491）和针对性更强的EN14382（原DIN3381），这些主要用于（机械类）仪器仪表超压保护系统。这些标准规定了对超压保护系统及其零部件的详细要求，在天然气工厂，标准不仅规定了回路系统的响应时间和准确性，而且也详细设定了在过压临界值状态下执行器的安全系数。实施独立的设计认证和测试，以确保符合EN14382标准，这是强制要求必须实施。
所有系统的设计都要以SIL标准为依据，在为工厂或工艺流程做风险评估时会以此标准来衡量，从而降低实际运营时的风险。IEC标准从产品生命周期的角度入手，详细阐述了从前期设计到后期维护等对各阶段的要求，同时也定义了整个系统的需求失效概率（PFD），以及系统及其内部各元素的的结构性限制。
为了确保系统的最佳效果同时符合各相关规定的要求，系统设计者从项目一开始就要和阀门及其他配套产品的供应商紧密合作，这一点至关重要。
下一代HIPPS会是什么样子？
虽然在当下HIPPS的主要发展进程中，安全性的进一步优化是核心所在，但是由于该技术的出现减少使用燃烧的方式消耗掉多余气体或超压气体，这才是更显著的成效。即便在不久前，中东地区仍然较少对排放进行控制。不过现在情况得到了改善，日趋严格的控制正逐渐被引入，加上燃烧气体的成本损失，使得人们正在把更多的注意力集中到HIPPS的作用上来。
另外在系统材料领域的研究也取得了相应的进展，随着与石油和天然气领域的主要供应商进行广泛的合作与探索，IMI关键流体技术公司已经开发了一套系统，并被提议作为HIPPS的行业标准进行推广。尽管业界对于系统的基础设施建设、保险费用的支出以及最终排放日益关注，但是在可预见的未来，在海上以及非常规石油开采领域，该系统的创新仍将有突破性的进展，这也将持续不断地推动着HIPPS的设计创新。
欲了解更多信息，请访问www.imi-critical.com
Mike Semens-Flanagan, IMI关键流体技术公司
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/14/2016) |
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