郝 蘊

中海油研究總院，北京 100027

0 前言

深水高壓氣田一般具有水深（超過300 m）、關(guān)井壓力高（超過25 MPa）[1]的特點，為在超壓工況下快速有效地隔離高壓源，自1997年起，一種高完整性壓力保護系統(tǒng)（High-Integrity Pressure Protection System，HIPPS） 被嘗試應(yīng)用于深水高壓氣田的海上處理平臺上[2-3]。中國海洋石油總公司2002年開始使用HIPPS，首先應(yīng)用于海上油田的處理平臺及生產(chǎn)儲油輪（FPSO），如番禺4-2/5-1油田DPP平臺、南堡35-2平臺、曹妃甸FPSO等，所采用的HIPPS壓力等級均小于ANSI 600 lb，使用效果良好[4-5]；隨后，HIPPS開始進入我國深水高壓氣田開發(fā)領(lǐng)域，預(yù)計將有3套HIPPS應(yīng)用于2014年投產(chǎn)的南海深水氣田群的依托處理平臺上，其壓力等級為ANSI 2500 lb，最大尺寸為22 in.（1 in.=25.4 mm）。HIPPS在深水高壓氣田的安裝位置的選擇方案有兩種：一是安裝在水下井口設(shè)施上，HIPPS下游的海底管線采用降壓設(shè)計；二是安裝在依托平臺上，水下井口設(shè)施和海底管線采用全壓設(shè)計。方案的選擇應(yīng)根據(jù)項目特點，從技術(shù)和經(jīng)濟上進行綜合比選。在具體設(shè)計HIPPS時，其雙關(guān)斷閥設(shè)定壓力高高值（PSHH）應(yīng)結(jié)合工藝動態(tài)模擬軟件的計算結(jié)果確定。

1 HIPPS基本配置及功能要求

1.1 基本配置

HIPPS主要由觸發(fā)器、邏輯解算器、最終執(zhí)行設(shè)施三部分組成[6]，見圖1。觸發(fā)器指的是測定超壓壓力元件；邏輯解算器是HIPPS的核心，通過讀取輸入的壓力信號來判斷當(dāng)前的狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)定的條件和判定邏輯將決策指令信息送達(dá)到最終的執(zhí)行設(shè)施；最終執(zhí)行設(shè)施是一組軸向動作的關(guān)斷閥門，通常需要其能在收到指令2～5 s內(nèi)切斷上游的高壓壓力源。

圖1 HIPPS的基本配置

1.2 功能要求

作為工藝系統(tǒng)的最后一級安全保護，HIPPS的主要功能是在故障工況下能夠在極短的時間內(nèi)有效切斷上游的高壓壓力源，以保證下游的低壓系統(tǒng)不受上游高壓源的影響。根據(jù)NORSOK STANDARD PROCESS DESIGN(P-001)的規(guī)定，HIPPS實現(xiàn)上述功能的基本要求為[7]：整個系統(tǒng)符合DIN 3381標(biāo)準(zhǔn)；HIPPS的設(shè)計、安裝和操作程序都必須有第三方的認(rèn)證；為保證HIPPS的安全可靠性，系統(tǒng)中的所有儀表完全獨立，不受平臺或工廠工藝關(guān)斷系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)或其他控制系統(tǒng)的控制；一旦缺失儀表風(fēng)、液壓源、電源及儀表信號，HIPPS將故障關(guān)閉；HIPPS故障關(guān)閉后必須現(xiàn)場復(fù)位后才能恢復(fù)正常。

2 HIPPS安裝位置

2.1 HIPPS設(shè)置必要性

深水高壓氣田從水下設(shè)施至依托平臺的集輸過程中可能出現(xiàn)的超壓工況主要由三種事故工況引起：油嘴失靈全開，下游工藝事故引起的平臺生產(chǎn)緊急關(guān)斷，海底管線在輸送過程中產(chǎn)生水合物引起堵塞。

考慮到深水高壓氣田正常操作時的井口壓力和關(guān)井壓力均很高，且深水海床溫度較低（海床溫度隨著水深的加深而逐漸降低），不保溫的輸氣海底管線在輸送過程中易產(chǎn)生水合物，發(fā)生超壓工況的可能性相對較高，對下游低壓設(shè)施造成危害。為此，有必要在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置HIPPS，以便在最短時間內(nèi)快速有效地將高壓源和低壓源隔離開。

2.2 安裝在水下井口

HIPPS可安裝在深水高壓氣田水下井口的采油樹、海底管線終端站（Pipeline End Termination，PLET）和海底管匯上[8]，具體的安裝位置取決于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用型式，即衛(wèi)星井式、管道串接式、叢式井管匯、集中式管匯等。安裝在叢式井管匯上的水下HIPPS示意圖見圖2。

圖2 安裝在水下的HIPPS示意圖

水下生產(chǎn)設(shè)施和HIPPS均采用全壓設(shè)計（即設(shè)計壓力≥關(guān)井壓力），為了防止水下外壓和管線軸向運動的影響，在HIPPS下游的部分海底管線需設(shè)置加強區(qū)（見圖2），加強區(qū)后的管線設(shè)計壓力和具體長度需要根據(jù)動態(tài)流動模擬結(jié)果確定。加強區(qū)后的海底管線采用降壓設(shè)計，設(shè)計壓力為最高流動壓力+設(shè)計余量。安裝在深水高壓氣田的水下HIPPS井口的優(yōu)缺點對比，見表1。從表1可看出安裝在水下的HIPPS優(yōu)缺點十分突出，成功地應(yīng)用需要依靠高SIL等級[9]的安全保證和高水平的安裝、維護。

表1 水下HIPPS的優(yōu)缺點對比

2.3 安裝在依托平臺

HIPPS若安裝在深水高壓氣田的依托平臺上，由于海底管線和立管均采用全壓設(shè)計，為在超壓工況下確保平臺低壓設(shè)施能盡快與高壓源隔離開，HIPPS一般安裝在海底管線登平臺的緊急關(guān)斷閥ESDV下游、平臺的第一個接收/分離容器入口處，見圖3。

圖3 安裝在依托平臺上的HIPPS示意圖

HIPPS安裝在深水高壓氣田依托平臺上，其優(yōu)缺點對比見表2。從表2中可看出， HIPPS安裝在深水高壓氣田的依托平臺上可大大降低平臺火炬放空系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模。

表2 依托平臺上HIPPS的優(yōu)缺點對比

2.4 HIPPS應(yīng)用的局限性

雖然HIPPS應(yīng)用在深水高壓氣田工程領(lǐng)域具有明顯的功能優(yōu)勢，但無論安裝在水下或依托平臺，在實際應(yīng)用中也有局限性。

2.4.1 價格昂貴

HIPPS價格昂貴，8 in.以上單套動輒超過百萬美元，全球范圍內(nèi)具備生產(chǎn)資質(zhì)和能力的供貨商只集中在歐美有限的一、兩家大型企業(yè)，生產(chǎn)采辦中存在獨標(biāo)的風(fēng)險。

2.4.2 生產(chǎn)關(guān)斷頻繁

由于HIPPS具有很高的安全性和靈敏性，現(xiàn)場微小的故障均能觸發(fā)HIPPS動作，導(dǎo)致深水高壓氣田生產(chǎn)的頻繁關(guān)斷，關(guān)斷后恢復(fù)生產(chǎn)需要大量的施工資源和人力，還需應(yīng)對可能出現(xiàn)的大量段塞流和嚴(yán)重的水合物堵塞等工況，在深水高壓氣田投產(chǎn)初期生產(chǎn)尚不穩(wěn)定時尤為突出。需要針對HIPPS的特點進一步完善操作管理流程，并結(jié)合軟件動態(tài)模擬結(jié)果，合理地設(shè)定HIPPS關(guān)斷閥設(shè)定值，避免頻繁啟動HIPPS。

3 HIPPS的動態(tài)模擬

為更好地研究安裝有HIPPS的低壓設(shè)施在超壓工況下壓力變化的過程，合理確定HIPPS關(guān)斷閥設(shè)定值，以在建的南海深水氣田群項目番禺34-1CEP平臺上安裝的HIPPS為例，采用HYSYS軟件動態(tài)模擬番禺35-1段塞流捕集器在超壓工況下容器內(nèi)部壓力上升過程。

3.1 項目基本情況

南海深水氣田群水深352 m，系中國海洋石油總公司近年來獨立開發(fā)的第一個深水氣田群，擬新建1座海上中心平臺番禺34-1CEP，用以接收和處理來自番禺35-1、番禺35-2水下生產(chǎn)設(shè)施和番禺34-1自身生產(chǎn)的生產(chǎn)井液。圖4為番禺34-1CEP接收番禺35-1水下生產(chǎn)井液的流程圖，番禺35-1水下生產(chǎn)系統(tǒng)的井液通過1條6 in.海底管線進入番禺34-1CEP，海管在登平臺處設(shè)緊急關(guān)斷閥ESDV，之后進入PY35-1段塞流捕集器進行氣液分離，段塞流捕集器入口設(shè)HIPPS。以HIPPS第2個SDV下游法蘭為界，法蘭上游的管線和設(shè)施按照海管的設(shè)計壓力即單井最大關(guān)井壓力（26 900 kPa，ANSI 2500 lb）進行設(shè)計，以下簡稱高壓系統(tǒng)；法蘭下游的管線和番禺35-1段塞流捕集器按照最高操作壓力（12 030 kPa，ANSI 600 lb）進行設(shè)計，以下簡稱低壓系統(tǒng)。

圖4 番禺34-1CEP接收水下生產(chǎn)井液工藝流程圖

3.2 低壓系統(tǒng)超壓保護分析

造成低壓系統(tǒng)超壓的原因有可能是段塞流捕集器氣相出口堵塞、下游工藝設(shè)施出現(xiàn)事故引起下游其他緊急關(guān)斷閥ESDV關(guān)斷等。從圖4可以看出，平臺上的低壓系統(tǒng)設(shè)有兩層相互獨立的超壓保護系統(tǒng)，即ESD系統(tǒng)和HIPPS，當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)出現(xiàn)超壓時：

第一層超壓保護，設(shè)在段塞流捕集器上的壓力傳送器達(dá)到其高高壓力關(guān)斷PSHH設(shè)定值時，將觸發(fā)清管收球筒上游的SDV關(guān)閉；

第二層超壓保護，當(dāng)ESD系統(tǒng)未能成功地切斷高壓源頭，壓力繼續(xù)升高達(dá)到HIPPS設(shè)在段塞流捕集器入口的3個壓力變送器的設(shè)定值時，將觸發(fā)HIPPS的2個SDV的關(guān)斷。

從上述分析可以看出，HIPPS的設(shè)計理念是ESD系統(tǒng)啟動在先，HIPPS只有在ESD系統(tǒng)未能及時有效地切斷高壓源時才會啟動，即ESD系統(tǒng)執(zhí)行動作失敗，HIPPS動作。因此，如何合理地設(shè)定這兩層超壓保護系統(tǒng)的設(shè)定值十分重要。

3.3 模擬過程

本次動態(tài)模擬是基于入口質(zhì)量流量一定、番禺35-1段塞流捕集器氣相出口完全堵塞開始（0 s），35 s內(nèi)低壓系統(tǒng)壓力上升過程的模擬。模擬采用Peng-Robinson狀態(tài)方程，在建立HYSYS動態(tài)模型前，首先需要根據(jù)圖4建立靜態(tài)模型，根據(jù)表3輸入主要操作參數(shù)，隨后調(diào)平模型，將收斂后的靜態(tài)模型轉(zhuǎn)入動態(tài)模式，再根據(jù)圖4和表3添加必要的調(diào)節(jié)閥和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中：入口質(zhì)量流量采用番禺35-1最大產(chǎn)氣量+最大產(chǎn)液量工況；番禺35-1段塞流捕集器的液位取低液位報警值LAH；取HIPPS至番禺35-1段塞流捕集器氣相關(guān)斷閥門之間的管線和設(shè)備的氣相和液相容積，分別作為低壓系統(tǒng)的氣體總?cè)莘e和液體總?cè)莘e；根據(jù)經(jīng)驗，管線公稱直徑每增加1 in.，對應(yīng)的SDV閥關(guān)閉時間增加1 s，番禺35-1清管球接收器上游的ESDV閥關(guān)閉時間即定為6 s。根據(jù)HIPPS廠家承諾的關(guān)斷閥關(guān)閉時間為2～5 s，從保守角度考慮，番禺35-1段塞流捕集器入口的HIPPS關(guān)斷閥的關(guān)閉時間定為4 s。

表3 段塞流捕集器入口HIPPS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

動態(tài)模型調(diào)平后，主要模擬以下兩個超壓工況：

Case A，低壓系統(tǒng)的PT達(dá)到PSHH設(shè)定值時觸發(fā)清管球接收器上游的ESDV成功地關(guān)閉，HIPPS未啟動;

Case B，平臺ESD 3級關(guān)斷未能觸發(fā)清管球接收器上游的ESDV成功地關(guān)閉，HIPPS啟動。

3.4 模擬結(jié)果分析

35 s內(nèi)番禺35-1段塞流捕集器氣相出口堵塞工況下，Case A和Case B低壓系統(tǒng)的壓力變化情況見圖5。

圖5 氣相出口堵塞工況下低壓系統(tǒng)的壓力變化

Case A，番禺35-1段塞流捕集器起始操作壓力為12 030 kPa.a，在第12.7 s壓力升至PSHH設(shè)定值12 600 kPa.a時，引起平臺ESD 3級關(guān)斷，清管球接收器上游的ESDV在第18.9 s開度為0（6.2 s成功關(guān)閉），此時段塞流捕集器壓力升至12 814 kPa.a并穩(wěn)定在此壓力值上，HIPPS未啟動。

Case B，番禺35-1段塞流捕集器起始操作壓力為12 030 kPa.a，在第12.7 s壓力升至PSHH高高設(shè)定值12 603 kPa.a時，引起平臺ESD 3級關(guān)斷，但在第18.9 s清管球接收器上游的ESDV開度仍為100%（未能成功關(guān)閉），第21.7 s段塞流捕集器壓力持續(xù)升至HIPPS的SDV設(shè)定值13 000 kPa.a，觸發(fā)HIPPS的雙SDV閥開始減小開度，在第25.9 s HIPPS雙SDV閥開度均為0（4.2 s成功關(guān)閉），段塞流捕集器壓力升至13 147 kPa.a并維持此壓力值。

Case A和Case B低壓系統(tǒng)的最終壓力均小于系統(tǒng)的設(shè)計壓力值，表明HIPPS雙關(guān)斷閥SDV的壓力PSHH高高設(shè)定值（13 000 kPa.a）高于緊急關(guān)斷閥ESDV的PSHH設(shè)定值（12 600 kPa.a）3%，低于低壓系統(tǒng)安全閥PSV設(shè)定值（13 300 kPa.a）2%的設(shè)置是合適的。

4 結(jié)論

a）HIPPS由于其具有反應(yīng)快、安全性高的優(yōu)點，可有效地解決高關(guān)井壓力帶來的安全性差、依托平臺火炬放空系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模大、項目投資高等難題，在深水高壓氣田工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

b）HIPPS雙關(guān)斷閥SDV的PSHH壓力高高設(shè)定值建議比緊急關(guān)斷閥ESDV的壓力高高PSHH設(shè)定值高3%、比低壓系統(tǒng)安全閥PSV設(shè)定值低2%。

c）在深水高壓氣田的開發(fā)過程中，應(yīng)針對項目自身特點，結(jié)合工藝軟件動態(tài)模擬結(jié)果，詳細(xì)研究和判斷是否符合HIPPS的適用條件，合理地確定HIPPS安裝位置（水下安裝或平臺安裝），以便揚長避短，充分發(fā)揮HIPPS的功能特性，更好地應(yīng)用于海洋石油工程中。

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