HIPPS-高完整性压力保护系统应用介绍_汤惠泉.pdf

Research&Discussion122023.1引言高完整性压力保护系统（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS），在输送管线应用中也被称为High Integrity Pipeline Protection System，是基于安全仪表系统SIS的一种特殊应用，通常布置于不受控的高压压力源与下游处理装置之间的隔离区。HIPPS系统的应用使得隔离区下游设施的设计压力大为降低，从而节约了工业装置的建设投入。采用HIPPS系统替代传统的超压安全阀泄放，在保护资产与人员安全的同时又具有环境友好性特点，因此，近些年在油气开采行业得到了较为广泛的应用。基于超压检测信号快速关断，从而隔断高压向下游传递，HIPPS系统需要完成的功能单一。依据IEC 61511，该类功能被称为安全仪表功能SIF（Safety Instrumented Function）。因此，HIPPS系统的设计、实施及运行维护须遵循IEC 61508、IEC 61511规范。本文基于功能安全需求，就HIPPS的设计展开介绍，同时部分涉及验算、安全评估需求。1 需求的提出IEC 61508、IEC 61511对工业装置的安全定义为“豁免于不可接受的风险”。标准对风险进行了量化，对应于危害发生频度与其后果严重程度的组合。同时，标准还引入了可接受风险的概念，当工艺装置的初始风险大于可接受风险时，则需采用各类风险降低措施以最终使其残余风险可容忍。安全仪表系统如ESD，HIPPS等都属于功能安全范畴内的风险降低手段。SIL等级是于安全仪表功能（SIF）而言的，代表了该安全仪表功能需要达成的风险降低，由完成最终设计与实施的SIF所获得的平均失效概率（PFDavgSIF）落在指定SIL等级所对应失效概率区间为符合。SIF回路的SIL定级由安全生命周期活动评定，评估方法包括HAZOP、LOPA、风险矩阵、故障树等等，本文不作讨论。一套安全系统（SIS）可以包含多个SIF回路，对SIS系统的安全性要求则须按照其所包含的具有最高等级SIL要求的安全仪表回路（SIF）来界定。在本例中，HIPPS系统仅包含一个SIF回路，即超压关断保护功能，其SIL定级为SIL3。HIPPS作为SIS系统的特殊应用，其应用存在如下特殊性：无人值守，安装尽可能靠近高压源 仅包含一个SIF回路，安全功能单一 配置相对固定，SIL定级高HIPPS系统由传感器、逻辑表决器和执行单元三部分构成，逻辑功能单一。同时，HIPPS系统在设计上不断地丰富其辅助功能，使其高完整性特点在安全性、可用性及可维护性上得以充分体现。2 系统设计2.1 概念设计我们以陆上高压油井为例，CHOKE阀与PIG LAUNCHER之间设计压力降级，经HAZOP分析后提出设立SIL3级高压保护回路（SIF）。HIPPS系统的引入则是为了满足该SIF的高安全等级要求。如图1，基于SIL3级SIF结构约束分析，HIPPS系统的结构配置如下：逻辑表决器（Logic Solver）-SIL3或以上HIPPS-高完整性压力保护系统应用介绍Introduction of Application on High Integrity Pressure Protection System(HIPPS)汤惠泉 黄永林 刘水清 邵晓奇（浙江中控技术股份有限公司，杭州市 310052）Tang Huiquan Huang Yonglin Liu Shuiqing Shao Xiaoqi(Zhejiang SUPCON Co.,Ltd.,Hangzhou 310052)【摘要】本文基于功能安全基本概念介绍了HIPPS系统的重点组成单元及其设计要点，在HIPPS安全失效率的验算上给出了样例，并围绕HIPPS系统的高完整性对其丰富的辅助功能作了深入探讨。【关键词】SILSIFHIPPS失效率NooMPST验算确效Abstract:The paper mainly introduced the major components and the key concerns of engineering design of HIPPS,provided a method for the calculation of PFDavgSIF,and discussed the auxiliary functionalities of the HIPSS in regards to the high system integrity.Key words:SILSIFHIPPSFailure RateNooMPSTVerificationValidation收稿日期：2023-2-2作者简介：汤惠泉（1971-），男，汉族，浙江湖州人，本科，毕业于西安理工大学，高级工程师，目前就职于中控技术，长期从事控制系统开发与应用研究工作。探讨交流 Research&Discussion142023.1压缸压力检测为液压执行机构提供在线诊断手段，其对执行单元的诊断覆盖率达到85%以上，能有效避免因执行单元可能发生的不可检测故障而引发的安全失效。部分行程测试操作在阀门全开状态下，对其执行部分关闭动作（一般设置关闭15%行程以避免对正常工况的影响），记录动作期间液压缸内压力变化并与原始记录作比对检验。本测试除能完成执行单元电磁阀功能测试外，还能依据记录曲线对阀门是否产生阀杆黏连、阀座堵塞等作出有效判断。全行程测试（Full Stroke Test）全行程测试仅能在验证测试（Proof-Test）期间执行（测试周期同TI），其诊断覆盖率达到100%，能对部分行程测试所不能覆盖的潜在故障作完整测试。全行程测试由HIPPS系统触发，系统依据关断信号输出并计时检测阀门关到位信号的反馈，2秒钟内收到关反馈为测试成功。液压型紧急切断阀因存在回油管线回路，在回油管充盈状态下的行程时间测试是HIPPS系统验证测试的一项重要内容。3 验算与确效3.1 验算（Verification）验算是指针对安全回路（SIF）做失效率计算，HIPPS系统在完成概念设计和产品选型后，依据各产品组合的失效率参数即可计算获得整个安全回路的平均失效概率。HIPPS回路的SIL验算可参照图4模型。图4 HIPPS回路失效率验算模型针对模型中2oo3及1oo2两种结构，ISA TR84给出了在不考虑维护检修、共因及系统性故障等因素下的PFDavg计算简式如下：（1）（2）式中：DUUn-Detected Dangerous Failures Rate；TI验证周期（Proof Test Interval）。逻辑表决器PFDavg的计算需要考虑安全相关模块的配置及信号回路内外配部件的使用，在本例中我们可以直接采用各模块的MTBF时间，同时依据项目安全规格书要求假定MTTR为4小时获得结果如表1。表1 逻辑表决器平均失效概率SystemSafety unavailability(PFDavg)%SIL 3 Safety availabilityPlanar only1.3279E-051.3%99.999%Planar with barrier1.1328E-0411.3%99.99%压力变送器单体DU依据其SIL报告为0.0025 F/Y，2oo3配置下其PFDavg值计算依据简式Eq.No.7a为6.25e-6，其中Proof-Test周期为1年。本例中执行单元由两台紧急切断阀串联构成1oo2结构，每台阀门则由阀门本体、液压执行机构及电磁阀等三个部分构成，其中电磁阀的配置又是一个1oo2结构。其失效率计算如图5。图5 执行单元PFDavg计算结合以上各项得：PFDavg SIF=FDavg Sensor+PFDavg Logic Solver+PFDavg Valve=6.25 x 10-6+1.1328 x 10-4+6.39 x 10-10=1.1953 x 10-4依据IEC 61511对安全完整性定义，本例回路安全完整性可以满足低操作模式下的SIL3等级。3.2 确效（Validation）HIPPS系统的确效是指系统在现场完成安装调试后的功能性测试，一般作为SAT的一部分，其主要目的是验证系统在工况下能完全满足安全规格书（SRS）的要求。确效的组织、计划及实施需包括用户人员在内的各方人员参加。在本例中，HIPPS阀门在工况下的关闭行程时间是本项测试需要特别关注的重点，其它不再赘述。4 总结依照安全系统生命周期管理要求，HIPPS系统不仅在其设计、生产、安装及投运过程中需严格遵守功能安全管理规定，在各阶段应组织相应的评估与验算活动，以确保最终交付的系统能完全符合安全设计需求，同时，也要求用户在系统运行维护阶段发生的各项活动均能满足规范要求，以期系统在整个服役期保持SIL3的安全能力。（下转第23页）探讨交流 232023.1令，实现对频谱仪的控制与数据采集，我们可查询频谱仪编程手册得到所需控制指令，通过VISACOM的WriteString和ReadString函数实现仪器控制指令的读写。幅度数据采集前需将频谱分析仪设置到射频信号对应频段，FREQ：CENT X MHz指令可将频谱分析仪中心频率设置为X MHz，FREQ：SPAN Y MHz指令可将频谱分析仪扫描带宽设置为Y MHz。频谱轨迹由扫描点组成，扫描点数可设置或默认为1001个，轨迹读取指令TRAC?TRACE1可将轨迹所有幅度数据读取出来，数据格式为包含1001个点的字符串，为方便后续数据处理可通过电子表格字符串至数组转换函数将幅度字符串转换为幅度数组。频率数据无相应读取指令，可通过频谱分析仪扫描起始频率、终止频率、扫描点数计算出频谱轨迹的所有频率点，将幅度数组与频率数组一一对应即为频谱数据。数据采集程序见图6所示。图6 数据采集程序2.2 频谱显示频谱的幅度、频率数组采集完成后，将频率数组赋予XY图的X坐标输入，幅度数组赋予XY图的Y坐标输入后可实现频谱图形的绘制。但此时频谱图形的横纵坐标上下限无法根据射频信号的设置而改变，可能导致频谱显示不全。我们调用XY图的标尺范围属性节点，将幅度、频率数组上下限与标尺范围对应后即可自动调整频谱图形的横纵坐标。获取频谱轨迹数据后，我们可通过对频谱数据计算处理得到频谱最大值、谐波、底噪等所需要的频谱指标，或者进行更复杂的频谱分析。这里介绍一下频谱最大值的标记与显示。频谱最大值即为幅度最大的轨迹点，通过查找幅度数组最大值及其对应的频率可得到频谱的最大值。XY图的游标图例可用于对频谱轨迹进行标记，调用XY图游标属性节点，将频谱最大幅度、频率值赋予游标属性节点Cursor.PosY、Cursor.PosX，即可实现频谱最大值的标记与显示，如图7所示。图7 频谱显示3 结论本文介绍了用NI软件配置、调用visa32.dll库和调用Agilent VISACOM库三种方式，实现LabVIEW通过82357B USB/GPIB转换器与频谱分析仪的GPIB通信，并将其应用于安捷伦N9030A频谱分析仪数据采集和显示软件的开发。通过使用82357B USB/GPIB转换器，丰富了LabVIEW软件的仪器控制方式。通过应用实例介绍了频谱数据的采集方法，从而为科研人员进行数据分析，开发仪器计量测试软件提供参考。参考文献1 高捷.利用VISACOM通过82357B USB/GPIB转换器所实现的安捷伦数控编程J.计量与测试技术，2013，40（3）：40-432 黄娟，李文臻.基于VISA及IVI技术的仪器仪表自动测试系统软件设计J.电子质量，2012（5）：12-153 申龙.基于LABVIEW控制的频谱分析仪自动校准系统的探究J.科学技术创新，2021，24：66-67（上接第14页）HIPPS作为高端的安全保护系统，其主要应用领域为高压油田、海上平台等，通常采用一个回路一套系统，即使在多个回路集中在一起工作时也是如此。HIPPS系统需求固定，安全功能单一，而其丰富的辅助功能设计则主要