閆海明

（國家管網(wǎng)集團西氣東輸分公司武漢計量研究中心，湖北武漢 430073）

0 引言

天然氣計量檢定站被檢流量計的口徑、壓力等級、流量范圍等參數(shù)不同，導致檢定過程需要不同的介質壓力條件，且每臺流量計檢定過程中需要調節(jié)不同的流量點，尤其在切換標準表支路的過程中可能由于誤操作造成標準渦輪流量計超速運行，因此需要設置快速高效的安全手段，以確保設備的安全。

在天然氣計量檢定站的設計過程中，通過工藝流程切換以滿足被檢流量計的壓力等級和標準渦輪流量計的量程要求，改變工藝條件易發(fā)生危險狀況，需要一種安全可靠的超壓超速保護系統(tǒng)。

HIPPS（High-Integrity Pressure Protection System，高完整性壓力保護系統(tǒng)）在發(fā)達國家的油氣行業(yè)應用較早，海上平臺等高集成化的油氣項目中已廣泛應用，但在天然氣計量檢定站的設計中，HIPPS 的應用尚未涉及[1]。

1 HIPPS 系統(tǒng)原理

HIPPS 是一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)，屬于SIS（Safety Related System，安全儀表系統(tǒng)），其保護原則也與SIS 類似，在場站工藝流程正常運行時，HIPPS 起到實時監(jiān)控的作用，不影響現(xiàn)場生產。當HIPPS 監(jiān)控到設定的危險狀態(tài)實際發(fā)生時，會立即做出反應，觸發(fā)設定動作，實現(xiàn)現(xiàn)場設備的安全防護[2]。

HIPPS 可在壓力過高或者流量過大的情況下進行員工、環(huán)境和設備的安全防護，減少和避免有毒介質的排放。

2 HIPPS 的組成

典型的HIPPS 要求SIL3 等級，防護等級不低于IP65，防爆等級不低于EExdⅡAT3。主要由壓力變送器、控制器和執(zhí)行器3個安全部分組成，對SIL 的影響分別為30%、10%和60%[3]。

（1）壓力變送器：根據(jù)IEC 61511 的要求進行3 選2 配置，滿足單體SIL2 等級認證。

（2）邏輯控制器：對壓力變送器監(jiān)測的介質壓力值作出判斷后，將動作信號傳至執(zhí)行器。邏輯控制器通常要求不低于SIL3，或者選用固態(tài)邏輯控制器。

（3）執(zhí)行器：單體滿足SIL3 認證，配置彈簧關的執(zhí)行機構，安全切斷閥可快速關閉，整個回路響應時間≤2 s。2 臺安全切斷閥串聯(lián)配置，安全等級SIL-4；3 個壓力變送器和2 個電磁閥均基于冗余式的安全設計。

3 HIPPS 在計量檢定站的應用

3.1 系統(tǒng)架構

天然氣計量檢定站的工藝流程主要由進出站區(qū)、過濾分離區(qū)、電加熱器區(qū)、大壓差調節(jié)、穩(wěn)壓調節(jié)、標準臺位、檢定臺位和流量調節(jié)區(qū)組成。2 臺安全切斷閥串聯(lián)設置在大壓差調節(jié)區(qū)域前，3 臺壓力變送器和渦輪流量計均設置在穩(wěn)壓調節(jié)之后，計量檢定站HIPPS 架構如圖1 所示。

圖1 計量檢定站HIPPS 架構

安全切斷閥無需閥前取壓，避免因管道取氣而采用干燥、過濾、減壓和加熱模塊，系統(tǒng)簡單、故障率低；管道投產時，管道未進氣也可采用液壓手泵開啟閥門。中控室的控制系統(tǒng)通過3 個壓力變送器實時監(jiān)控調壓后的管道壓力，檢定系統(tǒng)實時監(jiān)測標準臺位的渦輪流量計的流量值。

調壓單元可實現(xiàn)介質壓力在4.5～10 MPa 范圍內調節(jié)，根據(jù)檢定臺位被檢流量計的壓力等級設置產生閥門關斷信號的壓力值，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測調壓單元后的壓力值，若3 個壓力變送器中的任2 個（包括3 個）報警時，HIPPS 控制器將產生關斷信號，2 個安全切斷閥立即關閉。

標準臺位共有6 條DN200、4 條DN100 和1 條DN80 標準渦輪流量計，根據(jù)流量計的量程分別設置產生閥門關斷信號的流量值為1920 m3/h、480 m3/h 和192 m3/h，檢定系統(tǒng)實時監(jiān)測各流量計的瞬時流量，若任一流量計的流量超過設定值，HIPPS控制器將產生關斷信號，2 個安全切斷閥立即關閉。

3.2 安全切斷閥

3.2.1 閥門結構

安全切斷閥執(zhí)行機構為彈簧關式氣缸執(zhí)行機構，在氣缸下方有一個小型隱蔽式液壓缸，液壓缸自帶液壓手動泵，固定在執(zhí)行器側面；液壓管路裝有2 個24 V 電磁閥，電磁閥帶電時關閉。安全切斷閥配有機械閥位指示窗口，操作人員可在現(xiàn)場直接觀察閥門開關位置，同時配有限位開關，供遠傳至系統(tǒng)顯示閥門開關狀態(tài)。安全切斷閥的結構如圖2所示。

圖2 mokveld 安全切斷閥結構

若需要緊急關閉閥門，系統(tǒng)給電磁閥斷電，此時液壓旁路被打開，閥門執(zhí)行機構在彈簧的作用下被快速關閉；若需要重新打開閥門，確認現(xiàn)場流程安全后，系統(tǒng)重新給電磁閥供電，操作人員現(xiàn)場利用手動按鈕將電磁閥復位，液壓旁路再次閉鎖，現(xiàn)場操作手動泵打開安全切斷閥。

3.2.2 閥桿泄漏測試單元

閥桿泄漏測試單元用于檢查閥門內部的活塞桿密封圈是否泄漏，如圖3 所示，測試單元的設計壓力為1.0 MPa，泄壓閥設定值為0.9 MPa，放空管線的最大背壓為0.7 MPa。測試時需要將球閥短時間關閉，長期關閉會影響閥門的壓力平衡，導致閥門無法正常運行。測試過程觀察壓力表的示值增長速度，超過0.1 MPa/h，需對閥門進行全面維修。

圖3 閥桿泄漏測試單元

3.2.3 閥門特征

（1）軸流式：全壓力平衡閥芯，流通能力高且壓降低，流體在閥體內部均勻分布，減少紊流和噪聲。

（2）可靠性：線性的活塞式彈簧關執(zhí)行機構，多層彈簧關閉動作具有高的安全可靠性。

（3）切斷時間快：短行程，小于36 英寸的閥門2 s 內切斷，小于12 英寸的閥門1 s 內切斷。

（4）執(zhí)行機構：運動部件的重量輕，不需要任何外部動力源的活塞式彈簧關自驅式執(zhí)行機構，保證閥門動作的安全性和可靠性，并且節(jié)能環(huán)保。

4 維護保養(yǎng)

為保證HIPPS 的正常運行，需定期進行維護保養(yǎng)。主要包括以下內容：

4.1 月度檢查

月度檢查主要包括外觀檢查和泄漏檢查兩部分。

（1）外觀檢查：檢查是否有腐蝕或松動；修補受損的閥體涂層或保護層；緊固閥門或者執(zhí)行機構松動的螺栓。

（2）泄漏檢查：對閥門與管道法蘭的連接處進行驗漏，有泄漏需更換法蘭墊片，墊片更換時需將閥門從管線上拆下。閥桿泄漏測試單元測試活塞桿的密封是否完好。

4.2 季度檢查

季度檢查的主要內容是閥門功能測試。

（1）閥門必須定期進行功能測試（通常6 個月一次），但實際間隔時間需根據(jù)可靠報告（SIL 計算）制定。

（2）檢查時需停止輸送介質，確保介質停輸不會影響測試過程，按下測試按鈕，使用秒表測量閥門關閉時間，檢查測試時間是否小于最大允許時間。

4.3 年度檢查

（1）每5 年必須對閥門內部進行一次徹底檢修，從管線上拆下閥門，將閥門中殘余的介質吸掉、抽走或排干，仔細清洗閥門內部，清除污垢。

（2）檢查閥體內表面是否有腐蝕、沖蝕，測量受壓部分壁厚，檢查零件是否松動。

（3）檢查閥內表面及涂層是否有破壞。檢查所有零部件外部，尤其是密封圈是否損壞或腐蝕。

4.4 預防性維護措施

（1）從閥門上拆除執(zhí)行機構和儀表，徹底解體閥門，檢查所有閥內件，記錄部件上的備件號，更換磨損的部件。更換密封圈和潤滑油后組裝閥門，驗漏后安裝閥桿泄漏測試單元。

（2）拆下執(zhí)行機構的全部儀表，檢查是否需要更換或采取特殊的措施，更換的儀表零件要與原裝的完全相同，重新組裝并校對。執(zhí)行機構安裝完成后，若液壓單元的壓力小于0.3 MPa（3 bar），則需要增加到1.2～1.5 MPa（12～15 bar）。

（3）所有的儀表已校對并正常運行后，將閥門重新安裝在管線上，進行升壓驗漏。在閥門開啟狀態(tài)下對閥桿測試單元進行驗漏后安裝測試單元。在管線帶壓的情況下測試閥門的操作功能。

5 結語

國家石油天然氣大流量計量站武漢分站為高壓天然氣計量檢定站，于2016 年投產運行，該站采用HIPPS 對調壓后的流量計進行超壓和超速保護，在建標測試和日常生產的檢定工作中，由于誤操作等原因導致出現(xiàn)超壓和超速的情況發(fā)生，HIPPS 瞬間作出反應，及時切斷了危險源，保證了流量計的安全。