Контроль давления: роль высокоинтегрированной системы защиты от избыточного давления (HIPPS) в обеспечении безопасности
Сегодня мировой спрос на ресурсы углеводородного сырья по-прежнему остается высокими, поэтому вопрос по достижению наилучшего использования месторождений нефти и газа приобретает еще более важное значение. Как правило, в отношении старых месторождений основной целью является увеличение нефтеотдачи посредством введения специальной среды и оптимизации расхода.
Однако многие месторождения характеризуются значительным уровнем сероводорода (H2S) (также известный как сернистый газ). Присутствие H2S и других газов, а также пульсации давления может привести к избыточному давлению в системах и как результат – повреждению установок первичной нефтепереработки и подготовки нефти, поэтому наличие систем безопасного и эффективного контроля давления является крайне необходимым.
Отсутствие и неправильное обслуживание систем сброса давления может привести к катастрофическим последствиям.
Результатом возникновения избыточного давления является серьезное повреждение трубопровода, что не только затратно, но и опасно, так как возникает реальная вероятность неожиданного выброса газа на месторождении. Тот факт, что газ (H2S или другой) может быть ядовитым, свидетельствует о том, что ни в коем случае нельзя допускать даже вероятность возникновения и развития таких событий.
Исследования показали, что концентрации газа ниже 5-10 чнм (частей на миллион) оказывают незамедлительное и значительное влияние на организм человека, а продолжительное воздействие H2S в концентрации ниже 1 чнм может привести к серьезным хроническим заболеваниям.
Другим последствием выброса является беспрепятственное перемещение неконтролируемого давления далее по трубопроводу, приводящее к повреждению оборудования и нарушению производственного процесса. Скачок давления на компрессоре также может привести к серьезным повреждениям, в результате чего произойдет немедленное снижение производства, не говоря уже о чрезвычайно дорогостоящей замене компрессора и другого вспомогательного оборудования.
Традиционные методы понижения давления
На протяжении многих лет системами, обеспечивающими защиту от избыточного давления, были клапаны сброса давления. В случае превышения предварительно заданного давления такие клапаны используются в качестве альтернативных систем выпуска жидких или газообразных сред для предотвращения дальнейшего повышения давления.
Стандартные системы сброса выпускают газ либо в атмосферу, либо на свечу для сжигания. Выпуск газа в атмосферу является далеко небезопасным для окружающей среды и представляет собой потенциально серьезную проблему для здоровья работников и людей в зоне месторождения, когда концентрация H2S высокая.
Альтернативный вариант – сжигание на факеле – также характеризуется рядом проблем. Совершенно очевидно, что наличие открытого пламени уже опасно само по себе. Более того, в процессе сжигания на факеле выделяются продукты сгорания газа, которые, в зависимости от состава газа, могут причинять вред различной степени. Сжигание на факеле также создает парниковый эффект и в значительной степени увеличивает долю выбросов загрязняющих веществ, превышающую национальные стандарты. При этом газ, сжигаемый для уменьшения давления, растрачивается впустую.
Сохранение популярности таких методов понижения давления на протяжении многих лет, несмотря на негативные последствия от их использования, объясняется простотой использования, относительно низкой стоимостью и отсутствием экологических ограничений.
Поиск более безопасных альтернативных методов
Однако с ростом обеспокоенности в связи с экологическими проблемами и необходимостью обеспечения безопасности на месторождениях в соответствии с требованиями SIL 3 (Уровень полноты безопасности 3) ведущие участники рынка нефтедобычи стали искать альтернативные методы понижения давления. В процессе поиска в Германии, стране, известной своим стремлением к обеспечению безопасности на производстве, была разработана первая высокоинтегрированная система защиты от избыточного давления (HIPPS). Роль HIPPS состоит в перекрывании источника высокого давления до того, как проектное давление в системе будет превышено, в устранении возможности нефтяного разлива из-за разрыва трубопровода, а также предотвращении повреждения компонентов системы под воздействием избыточного давления.
HIPPS идеально подходит для внедрения в новые системы и может устанавливаться в уже существующие трубопроводные системы, оптимизируя безопасность и уменьшая необходимость в факелах.
HIPPS является частью более масштабной системы HIPS (высокоинтегрированная защитная система), которая включает в себя любое устройство, обеспечивающее защиту оборудования по переработке, установленного на любом заводе или системе технологического процесса. HIPS может быть внедрена на любом существующем заводе, будь то на линии по добыче и подготовке, линии трубопроводной транспортировки или линии по переработке, и гарантировать соблюдение международных или местных норм безопасности, или охраны окружающей среды.
Ключевое различие между системой сброса и HIPPS заключается в том, что первая предназначена для безопасного удаления избыточного притока жидкой среды, а вторая останавливает поступление избыточного притока и удерживает среду в системе. Последний момент имеет огромное значение, так как исключается и возможность выброса вредных газов в атмосферу и возникновение опасных ситуаций, связанных с сжиганием на факеле.
Самые первые системы предназначались для отсечения трубопроводов и состояли главным образом из шаровых кранов и поворотных затворов, представляя собой эффективное решение при относительно низкой стоимости.
Современные системы гораздо более сложные, включают логические контроллеры, электромагнитные клапаны и системы резервирования с высокими техническими характеристиками, а также технологии параллельного измерения. Все эти компоненты позволяют осуществлять дистанционное управление технологическими процессами с максимальной надежностью и обеспечением очень высокого уровня безопасности: SIL3 и даже выше.
В каждой системе несколько датчиков определяют уровень давления на линиях до и после системы HIPPS. Логический контроллер обрабатывает полученные от датчиков данные и определяет, является ли повышение давления истинным или ложным. Для срабатывания системы показания двух из трех датчиков должны совпасть – это позволяет исключить возможность ненужного останова производства. При обнаружении избыточного уровня давления система активируется и в быстром режиме осуществляет закрытие клапанов (обычно в течение 2 секунд). Таким образом обеспечивается предотвращение распространения опасных уровней давления в трубопроводе, что сводит к минимуму риск повреждения систем и компонентов, установленных после системы HIPPS. «Последний элемент», который осуществляет процесс отключения, состоит из привода и электромагнитных клапанов.
Разработка системы HIPPS
Существует целый ряд факторов, которые должны учитываться разработчиками HIPPS. Возможно, наиболее важными являются свойства проходящей по трубопроводу среды (жидкой или газообразной), уровень коррозионной активности и состав твердых включений. Также к ключевым факторам относится требуемое время отклика, уровень SIL и класс герметичности. Другие факторы, которые должны быть приняты во внимание, – это характеристики и расположение месторождения, доступное свободное пространство, местные и международные нормы и стандарты проектирования.
Все эти факторы определяют тип средств управления, электромагнитных и других клапанов, которые необходимы для обеспечения производства и безопасности. С учетом состава среды и температуры может потребоваться использование специальных материалов.
В зависимости от конкретных требований применения разработчики спецификаций могут выбирать из автоматических механических систем, автоматических пневматических систем, систем с пневматическим приводом, систем с гидравлическим приводом и электронных систем.
Независимо от типа выбранного продукта и технологии, укомплектованная система должна соответствовать одному из двух стандартов – IEC 61508 Функциональная безопасность электрических, электронных, программируемых электронных систем, связанных с безопасностью, или IEC 61511: Функциональная безопасность – Системы ПАЗ для промышленных процессов. Утвержденные в 1998 и 2003 годах соответственно, эти стандарты не носят нормативного характера и обуславливаются потребностями практической деятельности, определяя принципы и сроки для разработки, внедрения и управления системами безопасности в различных отраслях промышленности, в том числе нефтегазовой.
Другие стандарты, которые могут применяться в зависимости от практической деятельности, включают в себя европейский стандарт EN12186 (ранее – DIN-G491) и, в частности, EN14382 (ранее – DIN 3381), относящиеся к (механическим) системам ПАЗ от превышения давления. В этих стандартах прописаны требования к системам защиты от превышения давления и их компонентам, установленным на газоперерабатывающих заводах, и определены не только время отклика и прецизионность контура, но коэффициенты запаса для подбора привода исполнительного органа. Независимая проверка правильности проектирования и испытания на соответствие стандарту EN14382 являются обязательными.
Основой для разработки всех систем является обеспечение необходимого уровня SIL, который измеряется в ходе оценки рисков и определяет необходимость снижения рисков. IEC стандарты обуславливают требования к каждому SIL в отношении жизненного цикла оборудования, включая проектирование и техническое обслуживание, вероятность отказа по требованию (PFD) для всей системы, а также конструкционные ограничения системы и ее различных элементов.
Для обеспечения эффективности системы и соблюдения всех соответствующих норм очень важно, чтобы с самого начала проекта разработчики системы сотрудничали с поставщиками клапанов и другого вспомогательного оборудования.
Каков следующий шаг развития HIPPS?
В то время как основная задача развития HIPPS состоит в оптимизации безопасности, общей целью является сокращение использования факелов сжигания избыточного газа или газа, возникающего под воздействием избыточного давления. До недавнего времени в регионе Ближнего Востока существовало лишь несколько механизмов контроля за выбросами. Однако сегодня осуществляется более строгий контроль. Данный фактор и стоимость газа, сжигаемого на факелах, заставляет сосредоточить внимание на роли HIPPS в нефтегазодобывающей промышленности.
В данной области были сделаны и другие достижения. После всесторонних согласований с ведущими лидерами нефтегазовой промышленности компания IMI Critical Engineering разработала систему, которая предлагается в качестве отраслевого стандарта для HIPPS. Ожидается и дальнейшее развитие систем для подводной добычи и добычи нетрадиционной нефти. Помимо этого, стимулом для дальнейшей разработки HIPPS является необходимость сокращения капитальных расходов и расходов по страхованию, а также влияние нефтеперерабатывающих заводов на окружающую среду.
