高完整性保护系统在安全泄放系统设计中的应用

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高完整性保护系统( HIPS) 属于安全仪表系统( SIS) 中的一种特殊技术，通常用于安全等级要求很高的工艺设施，其主要通过切断危险压力源来防止设施超压，从而实现安全保护的目的。在设计上通过适当增加冗余度，可将HIPS的安全性设计为等于或高于机械安全设施等级。但是，HIPS的应用需要一些特殊的设计程序，以确保设计出足够安全的HIPS系统[1]。并且需要特别注意其在运行中的维护、测试和检验。HIPS 技术的应用一方面可以降低被保护对象的承压等级；另一方面可以减小传统的被动安全泄放设施，如机械式安全阀，减小安全泄放设施同时泄放的概率以及排除某些工况，如再沸器过度热量输入导致的大量泄放，从而减小火炬系统的设计规模。在目前石油化工装置规模日益扩大、安全要求日益提高的阶段，HIPS系统的成功设计和应用，对减小火炬系统设计规模、提高火炬系统安全性有着十分重要的意义[2,3]。

1 HIPS系统的组成

HIPS系统包括现场仪表(如传感器)、逻辑表决装置(如安全系统逻辑解算器，继电器等)、最终控制元件、电源和检查、测试以及维护程序。HIPS系统的边界包含了从传感器到最终元件的所有方面。HIPS 要求系统所有元器件(从检测设备到逻辑控制器，再到最终执行元件以及实现安全仪表功能的其他设备，如安全仪表用户接口、通信和供电等) 均处于事故安全状态。

2 HIPS系统应用依据

2.1 失效概率

任何安全设施对于系统的保护均不是百分之百有效的。根据操作环境、介质特性、检修状态的不同，安全设施具有不同的失效概率。例如，在酸性腐蚀条件下或介质易凝固、粘度大的情况下，机械安全泄放设施(安全阀)由于机械执行机构存在被腐蚀、被粘连的情况，使安全阀的失效概率增加。而在安全阀前增设爆破片、对安全阀进行定期清理和维修，可以减小安全的失效概率，从而提高系统的安全性。

在安全分析过程中被广泛使用的风险降低系数表见表1。

表1 风险降低系数表独立保护层风险降低系数SIS-SIL 110SIS-SIL 2100SIS-SIL 压力泄放设施 100内部的机械联锁 10 to 100单止回阀 0有危险情况下的双止回阀10

由表1可以看出，一个成功设置并实施的安全级别达到SIL-2的安全仪表系统，在对装置的保护和风险降低程度上等同于设置了机械安全泄放设施(安全阀)。根据系统冗余设置的原则，当HIPS系统的安全级别达到SIL-3或更高时，其作用可以完全等同于机械安全泄放装置。

2.2 标准支持

2.2.1 美国API 521-2014 减压和减压系统

在《API 521减压和减压系统2014版》的附件E中专门讨论了HIPS系统在减压系统中的应用[4]。从HIPS系统的七个方面详细说明了HIPS系统在泄压系统中的应用，分别为：① 介绍；② 应用背景；③ 相关标准；④ HIPS系统的应用程序；⑤ HIPS系统的试验间隔；⑥ 应提供文件；⑦ 培训。

2.2.2 美国压力容器标准ASME BPVC VIII

在《美国压力容器标准ASME BPVC》第八卷，UG-140超压保护系统设计章节中，阐述了ASME对于使用仪表系统替代机械安全泄放设施的观点[5]。

根据ASME中的相关表述，在系统压力为自限压、并且自限压力不高于系统设计压力时，可以不设置机械安全泄放设施。自限压可以通过安全仪表系统来实现。在应用的过程中，必须满足以下要求：① 供货商必须提出其自限的压力低于系统设计压力；② 必须通过HAZOP分析列出所有可能超压的可能；③ 必须提供在HAZOP列出的所有超压工况下，系统的压力均能自我限制的证据；④ 必须在相关文件，如操作说明中明确表述系统设计的理念和所有设施。达到以上要求后，ASME认为可以使用系统设计来代替机械安全泄放设施。

3 HIPS系统在安全泄放系统设计中的应用

3.1 从设计上消除特定的超压工况

某项目精馏系统见图1。

图1 精馏塔系统HIPS设计

在未设置HIPS系统前，当塔顶冷凝器循环水突然无法供给时，由于塔釜再沸器热源供给并未停止，使精馏塔有因循环水故障而超压的可能。当设置有HIPS系统后，循环水流量低会联锁再沸器热源供给切断阀关闭。由于联锁是高可靠性的，所以消除了精馏塔因循环水故障而超压的工况。此时塔顶设置的安全阀仅需考虑火灾工况即可。

3.2 消除特定的机械安全泄放设施

反应系统见图2。