تجربه از اتفاقات ناگوار گذشته باعث شده است استانداردهای ایمنی و آیین نامه‌های بسیاری در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به کار گرفته شود تا از بروز اتفاقات ناگوار جلوگیری نماید. واضح است با توجه به اهمیت استانداردهای ایمنی در محیط‌های پرخطر، سازندگان تجهیزات صنعت نفت و گاز، صنایع شیمیایی و پتروشیمی باید این مقررات را به صورت اجباری مورد توجه قرار دهند که عدم رعایت این استانداردها سبب به وقوع پیوستن حوادث غیرقابل جبران می گردد.
یکی از سیستم‌هایی که امروزه به منظور افزایش ایمنی در تاسیسات نفت و گاز و همچنین کمک به کاهش آلودگی با به تاخیر انداختن و کاهش تخلیه گاز به محیط بسیار مورد توجه قرار گرفته است، سیستم حفاظتیHigh Integrity Pressure Protection System (HIPPS) می باشد که در این مطالعه، سیستم HIPPS ، الزامات و چگونگی به‌کارگیری آن را مورد تحلیل و ارزیابی قرار داده خواهد شد.
2- کاربرد و فواید سیستم HIPPS
هرگاه هدف اولیه یک سیستم Safety Instrumented Systems (SIS)محافظت تجهیزات در مقابل افزایش فشار باشد، آن سیستمHigh Integrity Pressure Protection System یا HIPPS نامیده می شود. این سیستم ها به عنوان آخرین لایه محافظتی در تاسیسات نفت وگاز عمل می کنند. برخی از فواید استفاده از سیستم HIPPS در صنعت نفت و گاز به شرح ذیل می باشد:
- حذف سناریوی افزایش فشار از طراحی پایه
- کاهش نرخ تقاضا برای تجهیزاتRelief و نتیجتا کاهش ریسک و آلودگی
- کاهش هزینه‌ها و سرمایه اولیه
- رسیدن به درجات بالایAvailability/Reliability در مقایسه با Relief تجهیزات
یک سیستم HIPPS شامل سنسورها، سیستم کنترل و المان های نهایی است که معمولا مطابق با چیدمان ارائه شده در شکل 1 می باشد. نحوه انتخاب و قرارگیری تجهیزات مورد استفاده در این سیستم از طریق مهندسی ایمنی عملکردی (Functional Safety Engineering) و انجام محاسبات ایمنی طبق استانداردهای IEC 61508 و IEC61511 به دست می آید.
عملکرد این سیستم به گونه‌ای است که سنسورها (به طور معمول از 3 سنسور استفاده می‌شود) فشار جریان را در هر لحظه اندازه‌گیری کرده و به سیستم کنترل ارسال می کنند. هنگامی که این فشار از فشار قابل تحمل سیستم فراتر برود و حداقل 2 سنسور این فشار بالا را اندازه گیری کند، سیستم کنترل، فرمان بسته شدن شیرآلات را از طریق سولونیدولو ارسال می‌نماید که در این حالت شیرآلات HIPPSدر زمان کمتر از 2 ثانیه بسته می‌شود.
شکل شماره 1: شماتیک سیستم HIPPS
. همانطور که در بالا اشاره شد، هدف اصلی سیستم HIPPS کنترل منبع فشار در زمان افزایش ناگهانی فشار می باشد. عوامل مختلفی باعث افزایش فشار ناگهانی می شوند که از آن می توان به موارد ذیل اشاره نمود [2]:
1- افزایش فشار ناگهانی در سرچاه
2- بروز اشکال در تجهیزات و خطوط لوله و ایجاد Block در تجهیزات پایین دستی
3- عدم دریافت گاز توسط واحدهای پایین دستی ایستگاه‌های تقویت فشار
4- عدم تطابق مشخصات گاز ارسالی با شرایط طراحی کمپرسورها
5- ارسال گاز مازاد بر ظرفیت طراحی مراحل مختلف ایستگاه‌های تقویت فشار
لذا از این سیستم ها به منظور جلوگیری از صدمات ناشی از افزایش فشار استفاده می شود. از سوی دیگر، سیستم حفاظتی HIPPS نقش بسیار مهمی در کاهش آلودگی ایفا می کند.
به عنوان مثال نمونه ای از اهمیت و ضرورت بکارگیری سیستم HIPPSشکل شماره 2 ارائه گردیده است[6]. در این شکل بخشی از فرآیند تولید نفت آورده شده که از Separator و شیرآلات مختلف جهت فرآورش و کنترل جریان استفاده گردیده است. همانگونه که مشخص است در صورت block شدن خروجی Separator و افزایش فشار، سه حالت برای جلوگیری از افزایش فشار وجود دارد: 1- بسته شدن Choke Valve 2- عمل کردن Shut Down Valve (SDV) 3- عمل کردن Relief Valve (SRV).
شکل شماره 2
حال اگر Choke Valve و SDV دچار Failure شوند و به درستی عمل نکنند، Relief Valve بازمی شود و تمام فشار حریان تخلیه می گردد و به سمت Flare می رود. بنابراینRelief Valve باید به صورت Full Flow of Well طراحی گردد و نیاز اساسی به Flare می باشد. در این حالت اگر Relief Valve هم به خوبی کار نکند و دچار Failure شود، صدمات جبران ناپذیری به بار می آید.
در این شرایط فرآیندی و براساس استاندارد API-14C، بکارگیری سیستم HIPPSمی تواند در جهت کاهش ریسک و تامین ایمنی گزینه مناسبی باشد. در شکل شماره 3 محل قرارگیری این سیستم نشان داده شده است.
در این طراحی در صورت عمل نکردن Choke Valve و SDV، سیستم HIPPS با تشخیص افزایش فشار، فرمان بسته شدن شیرآلات را در زیر 2 ثانیه را انجام می دهد. این سیستم به دلیل نوع طراحی، از Reliability و Availability بالایی برخوردار می باشد. لذا در این طراحی و با استفاده از سیستم HIPPS، نیازی به طراحی Relief Valve براساس Full Flowو همچنین فشار طراحی Separator در بدترین حالت نمی باشد.
3- چگونگی طراحی و به کارگیری سیستم HIPPS
به دلیل محدودیت های زیست محیطی و کاهش هزینه‌ها، در سال های اخیر سیستم HIPPS از اقبال خوبی برخوردار گردیده و به عنوان آخرین لایه محافظتی جایگزین Pressure Safety Valve، Blow Down و سیستم های فلر شده است.
هرچند امروزه بکارگیری سیستم HIPPS در صنایع نفت و گاز روندی رو به رشد پیدا کرده است اما طراحی، پیاده سازی و اجرای آن به گونه که انتظار می رود درست و دقیق انجام نمی شود. به این دلیل استانداردهای IEC 61508 و IEC 61511 به صورت الزام آوری باید در طراحی و به کارگیری سیستم HIPPS مورد استفاده قرار گیرد.
سالهاست صنعت نفت و گاز با استاندارهای API، ASTM و ASMEانس گرفته که به صورت دقیق چگونگی نحوه انتخاب مواد، طراحی، ساخت و نصب تجهیزات را شرح می دهند. اما استانداردهای IEC 61508 و IEC 61511، استانداردهایی بر پایه عملکرد هستند. این استانداردها به توضیح فرآیند جهت رسیدن به راه حل مناسب می پردازند و در مورد خود راه حل توضیح نمی دهند. در نتیجهIEC قوانین را توضیح می دهد و تفسیر را به عهده استفاده کنندگان می گذارد که در برخی موارد موجب اشتباه انجام شدن طراحی می گردد. بنابراین همواره نیاز است تا کارفرمایان و پیمانکاران از Integrator هایی استفاده کنند که تفسیر درستی از سیستم در شرایط فرآیندی پروژه داشته باشند و از راه حل هایی بر اساس ایمن بودن سیستم بهره ببرند.[3،4]
این نکته قابل ذکر است که به کار بردن کلمه “سیستم” در استانداردهای IEC برای SIS از جمله HIPPS استفاده می شود و نباید به اشتباه برای سیستم کنترل در نظر گرفته شود. کلمه “سیستم” در IEC برای لوپ کامل شامل Initiator، Logic Solver و Final Elements به کار گرفته می شود. بنابراین HIPPS وسایر سیستم های SISباید به صورت لوپ کامل تلقی شود و نباید به صورت اجزای جدا از هم طراحی بشوند. این اشتباه در بسیاری از پروژ ها رخ می دهد که در نهایت نمی توان از ایمن بودن سیستم HIPPS مطمئن بود.[5]
با توجه به موارد بالا و لزوم در نظر گرفتن HIPPS به عنوان یک لوپ کامل، این الزام را برای کارفرمایان و پیمانکاران می آورد تا درخواست مناسبی برای خرید سیستم HIPPS تهیه نمایند.
یک درخواست مناسب برای سیستم HIPPS باید حداقل شامل موارد ذیل باشد:
1- توضیحات کلی در مورد فرآیندی که سیستم HIPPS می خواهد در آن به کار گرفته شود.
2- توضیحات کلی در مورد چگونگی ارتباط سیستم HIPPS و سایر سیستم های SIS به کارگرفته شده در پروژه
3- سطح SIL مورد نیاز برای سیستم HIPPS
4- سطح فشار بحرانی و زمان پاسخگویی سیستم HIPPS
بر اساس درخواست پروژه، یک Integrator سیستم HIPPS باید موارد ذیل را رعایت کند:
1- ارائه تحلیل اولیه در موردجایگاه HIPPS در پلنت موردنظر و ترکیب سیستم HIPPS
2- ارائه گواهینامه SIL مربوط به هر تجهیز، معتبر برای سیستم HIPPS درخواستی
3- ارائه جزئیات مربوط به Final Element شامل جنس، استانداردهای طراحی، سایزینگ محرکه، طراحی شیرآلات و محرکه برای رسیدن به زمان بسته شدن مورد نیاز سیستم HIPPS، جزئیات سیستم کنترل محرکه، تعداد سولونیدولوها
4- ارائه جزئیات مربوط به سنسورها، چگونگی ترکیب بندی آنها و ارزیابی ضریب اطمینان
5- ارائه جزئیات مربوط به Logic Solver شامل نوع و تعداد ماژول ها، تست های مربوطه و نوع ارتباط با سایر کنترلرها
6- ارائه چگونگی روند و انجام IFAT1
7- فرآیند انجام SAT2
8- ارائه مدرکی جهت چگونگی انجام Proof Test و فاصله زمانی بین تست ها
برای ارزیابی قابلیت کاربردی SIL Certificate3 سیستم HIPPS، گزارش SIL Verificationمنتشر شده توسط Integratorباید به صورت بسیار دقیق مورد مطالعه قرار گیرد. در بسیاری موارد، فقط مقادیرPFD4 هر تجهیز در گزارش آورده می شود و هیچگونه تحلیلی بر PFD کل و ترکیب بندی تجهیزات اشاره نمی شود. در واقع مهم ترین قسمت سیستم HIPPS ترکیب بندی تجهیزات است که بر PFD و Systematic Capability سیستم تاثیر بسزایی دارد. این بدین معناست که صرفا جمع آوری تجهیزات موجود در سیستم HIPPS و تحلیل نادرست از لوپ کامل آن منجر به عدم رسیدن به SIL درخواستی پروژه می شود.
4- نتیجه گیری
بکارگیری سیستم حفاظتی HIPPS در تاسیسات نفت، گاز و پتروشیمی، به منظور ارتقا سطح ایمنی و کاهش ریسک تخلیه ناخواسته به فلر می باشد. همانطور که در این مطالعه بررسی شد، موثر بودن سیستم HIPPS در صورت طراحی سیستم ها توسط Integrator هایی با تسلط کامل بر استاتداردهای مربوطه میسر است و به کارگیری صحیح این استانداردها باعث تضمین عملکرد این سیستم ها و ایمن بودن تاسیسات در مقابل افزایش فشار می گردد.
5- مراجع
1- Refineries and Associated Plant: Three Accident Case Studies, Safety In Engineering, 2013
2- Study of the reduction of flare gases using SIS and HIPS methods, Iran HSE Conference 2010
3- Considerations in designing HIPPS, Technology-Safety Systems, April 2004
4- What a difference a valve maker, Oil & Gas/Refinery, March 2010
5- HIPPS: design, analysis, justification and implementation, Safety Control System Conference 2015
6- IMI Solution: High Integrity Pressure Protection System
1IFAT: Integrated Factory Acceptance Test
2SAT: Site Acceptance Test
3SIL: Safety Integrity Level
4PFD: Probability Failure on Demand
