HIPPS系统在海洋石油工程领域的应用

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(中海油研究总院， 北京 100027)

0 前言

高完整性压力保护系统(high-integrity pressure protection system，以下简称HIPPS系统)是压力开关和关断阀的集成，近年来正逐步应用于海洋石油工程开发中。该系统作为工艺系统超压的最后一级安全保护措施，可快速、及时地切断高压压力源(上游)，以防止低压系统(下游)因堵塞或上游高压系统调节阀失灵而造成低压系统的超压，从而有效地避免大量可燃烃从压力安全阀PSV泄放，减少大气污染。

在介绍HIPPS系统在国内海上平台应用情况的基础上，运用HYSYS软件动态模拟番禺34-1CEP平台上装有HIPPS系统的番禺35-1低压设施在超压工况下压力的上升过程，为今后HIPPS系统的优化设计提供参考。

1 HIPPS系统的基本配置

图1 HIPPS系统的基本配置

HIPPS系统主要由触发器、逻辑解算器、最终执行设施三部分组成(如图1所示)。其中，触发器指的是测定超压压力元件，如压力开关、压力变送器等；逻辑解算器是HIPPS系统的核心，是一种电子安全系统，通过读取输入的压力信号来判断当前的状态，并根据设定的条件和判定逻辑将决策指令信息送达到最终的执行设施；最终执行设施是一组轴向动作的关断阀门，通常需要其能在收到指令2 s～5 s内切断上游的高压压力源。典型的HIPPS系统要求SIL3等级，触发器、逻辑解算器和最终执行设施对SIL的影响分别为30%、10%和60%。

2 HIPPS系统的功能要求、适用条件与主要应用形式

2.1 功能要求

作为工艺系统的最后一级安全保护，HIPPS系统的主要功能是在故障工况下能够保证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。根据Norsok Standard Process Design (P-001)规定，HIPPS系统实现上述功能的基本要求为[1]：

(1) 整个系统符合DIN3381标准；

(2) HIPPS系统的设计、安装和操作程序都必须有第三方认证；

(3) 为保证HIPPS系统的安全可靠性，系统中的所有仪表完全独立，不受平台或工厂工艺关断系统、应急关断系统或其他控制系统的控制；

(4) HIPPS系统故障关闭后必须现场复位后才能回复正常；

(5) 一旦缺失仪表风、液压源、电源及仪表信号，HIPPS系统将故障关闭。

2.2 海油石油工程领域的适用条件

根据HIPPS系统的功能要求，其在海油石油工程领域的应用应满足以下工艺条件：

(1) 上游压力源压力相对很高，下游平台或FPSO上低压设施在超压工况下由于存在大量烃类物流的泄放，采用传统的机械保护系统(爆破膜、PSV、火炬放空系统等)，所计算的设施尺寸很大，难以放置在平台或FPSO上；

(2) 由于上游高压压力源的后期接入，下游低压设施已有的机械保护系统自身在可预见的事故情形下不足以应对潜在的大量烃类物流泄放；

(3) 上游压力源在正常工况下操作压力较低，但在事故工况下压力相对很高，整个上下游生产系统采用高压设计在投资上不可行；

(4) 下游处理设施接收来自多方的生产物流，正常工况下各个上游压力源的操作压力均较低，属于同一个压力等级，但其中一方压力源在故障工况下压力相对很高，此时对这方压力源可设置HIPPS系统，在故障工况下快速切断高压源头，以避免整个上下游设施均采用高压设计。

2.3 HIPPS系统在国内海上石油工程设施的主要应用形式

在海洋石油工程中，鉴于其快速关断的反应速度及高度的可靠性，自2006年以来HIPPS系统得到了逐步的推广，其应用形式主要分为以下四类：

(1) 安装有水下HIPPS系统的高压水下井口采集的生产物流回接到油气处理平台(或FPSO)，连接平台(或FPSO)与水下井口的海底管道和立管采用降压设计(如图2所示)。南海某气田二期项目，正常操作压力为2 200 kPaA，单井最大关井压力为25 200 kPaA，前期研究阶段所设计的水下井口开发方案，计划在海管入口设水下HIPPS系统，海管和立管均采用降压设计，所生产的井液通过海管输入到一期中心平台进行处理。

(2) 高压水下井口采集的生产物流回接到油气处理平台(或FPSO)，平台(或FPSO)入口的SDV下游设HIPPS系统，连接水下井口与平台(或FPSO)的海底管道和立管采用全压设计(如图3所示)。在建的荔湾3-1气田、番禺34-1/35-1/35-2气田群等均采用此种应用方式。

(3) FPSO的进船油气管线入口处设HIPPS系统，以保证FPSO上部设置的操作安全。曹妃甸油田FPSO的进船油气管线入口处设1套HIPPS系统替代PSV作为FPSO接收系统的泄压保护(如图4所示)。正常工况下FPSO接收系统的操作压力较低(1 000 kPaA)，但在事故工况下最高将承受10 000 kPaA，此时HIPPS系统可及时切断上游高压油气进船管线的高压物流，避免对FPSO工艺设施造成损坏，同时也降低了FPSO工艺设施的设计压力[2]。

图2 带HIPPS系统的水下井口+平台(或FPSO)

图3 水下井口+带HIPPS系统的平台(或FPSO)

图4 HIPPS系统在海洋石油112号进船油气管线的应用

(4) 平台上与井口相连的油气处理设施，为避免其在堵塞工况或其他异常操作工况下泄放出大量的烃类物流，在该油气处理设施入口处设置HIPPS系统作为最后一级安全保护措施。西江23-1DPP平台上自由分离器入口处HIPPS系统的应用(如图5所示)。西江23-1DPP平台自由水分离器的操作压力为400 kPaA，单井最大关井压力为8 000 kPaA，当自由水分离器气相出口堵塞后，HIPPS系统可及时切断上游高压井流物，避免对自由水分离器及下游低压设施造成损坏，自由水分离器上的PSV按火灾工况设计，解决了平台上有限的空间难以设置足够大的火炬放空系统来接收大量泄放物流的难题[2]。

图5 HIPPS系统在西江23-1DPP平台上的应用

3 HIPPS系统应用的局限性

虽然HIPPS系统应用在海油石油工程领域具有较为明显的功能优势，但在实际过程中其局限性也较为明显：

(1) 反应快速灵敏的特点导致频繁地生产关断

由于HIPPS系统具有很高的安全性，现场微小的故障均能触发HIPPS系统的动作，从而导致油(气)田生产关断，给生产管理和现场操作带来很大的困难，这点在海上油(气)田投产初期生产尚不稳定时尤为突出，这就需要生产管理及操作人员针对HIPPS系统的特点进一步完善操作管理流程，同时结合软件动态模拟结果，合理地设定HIPPS系统关断阀设定值，避免频繁启动HIPPS系统。

(2) 水下HIPPS系统维修、复位困难

由于HIPPS系统故障关闭后必须现场复位后才能恢复正常，而水下HIPPS系统位置特殊，维修和现场复位是十分费时费力的，尤其对于水深超过90 m的水下HIPPS系统，需要动员具备饱和潜水能力的船舶资源和专业潜水技术人员，这就需要设计人员在前期研究中将此项费用和操作风险考虑在内。

(3) HIPPS系统价格昂贵，制造厂家比较集中

目前，HIPPS系统价格昂贵，尺寸越大价格越高，水下HIPPS系统的价格更要翻番。具备生产资质和能力的供货商只集中在欧美有限的一两家大型企业，生产采办中存在着独标的风险。

4 HIPPS系统的动态模拟

为更好地研究安装有HIPPS系统的低压设施在超压工况下压力变化的过程，以在建的番禺34-1/35-1/35-2气田群开发项目为例，简要介绍采用HYSYS软件动态模拟的研究结果。

4.1 项目基本情况

番禺34-1/35-1/35-2气田群在番禺34-1气田附近建1座中心平台，番禺35-1、番禺35-2水下生产设施生产的井液分别通过海管输送到中心平台，和平台自身生产的番禺34-1井液混合在一起进行处理。图6为番禺34-1中心平台接收番禺35-1水下生产井液的流程图，来自番禺35-1水下生产系统的井液通过1条海底管线进入番禺34-1中心平台，海管在登平台处设紧急关断阀ESDV，之后进入段塞流捕集器进行气液分离，段塞流捕集器入口设HIPPS系统。以HIPPS系统第2个SDV下游法兰为界，法兰上游的管线和设施按照海管的最高承压即单井最大关井压力(26 900 kPaG，2500磅级)进行设计，以下简称高压系统；法兰下游的管线和番禺35-1段塞流捕集器按照最高操作压力(12 030 kPaG，600磅级)进行设计，以下简称低压系统。

图6 番禺34-1中心平台接收系统工艺流程图

4.2 低压系统超压保护分析

造成低压系统超压的原因有可能是段塞流捕集器气相出口堵塞、下游工艺设施出现事故引起下游其它SDV关断等。从图6可以看出，平台上的低压系统设有两层相互独立的超压保护系统：ESD系统和HIPPS系统。当低压系统超压时，第一层超压保护设在段塞流捕集器上的压力传送器达到其PSHH设定值时，将触发清管收球筒上游的ESDV阀关闭；第二层超压保护当ESD系统未能成功地切断高压源头，压力继续升高直至达到HIPPS系统自身设在段塞流捕集器入口的3个压力变送器的设定值时，将触发HIPPS系统的2个SDV的关断。

从上述分析可以看出，HIPPS系统的设计理念是ESD系统启动在先，HIPPS系统只有在ESD系统未能及时有效地切断高压源时才会启动，因此，如何合理地设定这两层超压保护系统的设定值是十分重要的。根据经验，HIPPS关断阀的PSHH设定值应比其上游ESDV的PSHH设定值高3%～5%，比低压系统自身的PSV设定值低2%～3%。

4.3 模拟过程

基于入口质量流量一定、番禺35-1段塞流捕集器气相出口完全堵塞开始(0 s)35 s内低压系统压力上升过程的模拟。模拟采用Peng-Robinson状态方程，在建立HYSYS动态模型之前，首先需要根据图6建立静态模型，根据表1输入主要操作参数，随后调平模型，将收敛后的静态模型转入动态模式，根据图6和表1添加必要的调节阀和基础数据，其中：

(1) 入口质量流量采用番禺35-1气田最大产气量+最大产液量工况；

(2) 番禺35-1段塞流捕集器的液位取LAH，此时容器气相空间最小；

(3) 取HIPPS系统至番禺35-1段塞流捕集器气相关断阀门之间的管线和设备的气相和液相容积，分别作为低压系统的气体总容积和液体总容积；

(4) 通常来说，管线公称直径每增加1”，对应的SDV阀关闭时间增加1 s；番禺35-1清管球接收器上游的ESDV阀关闭时间即定为6 s。

(5) 通常来说，HIPPS关断阀关闭时间为2 s～5 s，从保守角度考虑，番禺35-1段塞流捕集器入口的HIPPS系统关断阀的关闭时间定为4 s。

表1 主要基础数据

动态模型调平后，主要研究两个超压工况：(Case A)低压系统的PT达到其PSHH设定值时触发清管球接收器上游的ESDV成功地关闭，HIPPS系统未启动；(Case B)平台ESD 3级关断未能触发清管球接收器上游的ESDV成功地关闭，HIPPS系统启动。

4.4 模拟结果分析

图7显示了35 s内番禺35-1段塞流捕集器气相出口堵塞工况下，Case A和Case B低压系统的压力变化情况。

Case A：番禺35-1段塞流捕集器起始操作压力为12 030 kPaA，在第12.7 s压力升至PSHH设定值12 600 kPaA时，引起平台ESD 3级关断，清管球接收器上游的ESDV在第18.9 s开度为0(6.2 s成功关闭)，此时段塞流捕集器压力升至12 814 kPaA并一致稳定在此压力值上，HIPPS系统未启动。

Case B：番禺35-1段塞流捕集器起始操作压力为12 030 kPaA，在第12.7 s压力升至PSHH设定值12 603 kPaA时，引起平台ESD 3级关断，但在第18.9 s清管球接收器上游的ESDV开度仍为100%(未能成功关闭)，第21.7 s段塞流捕集器压力持续升至HIPPS系统SDV的设定值13 000 kPaA，触发HIPPS系统的双SDV开始减小开度，在第25.9 s HIPPS系统双SDV开度均为0(4.2 s成功关闭)，段塞流捕集器压力升至13 147 kPaA并一致稳定在此压力值上。

图7 番禺35-1段塞流捕集器气相出口堵塞工况下低压系统的压力变化情况

Case A和Case B低压系统的最终压力均小于系统的设计压力值(13 300 kPaA)，表明HIPPS关断阀的PSHH设定值和其上游ESDV的PSHH设定值的设置合适。

5 结论

HIPPS系统由于自身具有反应快速、高安全性、减小火炬放空系统设计规模的优点，与PSV相比更有利于环境保护，在海洋石油工程领域有着广泛的应用前景。但HIPPS系统自身也存在反应快速灵敏导致频繁地生产关断、水下HIPPS系统维修及复位困难、价格昂贵、制造厂家比较集中等局限性。在今后的实际应用过程中，首先应针对项目自身特点，研究判断是否符合HIPPS系统的适用条件，再结合工艺软件动态模拟结果，合理地确定HIPPS关断阀的设定值，同时做好经济评估，以便扬长避短，充分发挥HIPPS系统的功能特性，更好地应用于海洋石油工程中。

[1] Norwegian Technology Standards Institute. Norsok Standard Process Design(P-001)[S].1999.

[2] 冯传令 张峰 张恩检.HIPPS系统在海洋石油工程中的应用研究[J].石油矿场机械，2007,36(5):94-97.