CN103493033B - 高完整性保护系统及其测试和操作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于诊断用来保护井口下游的管道的高完整性保护系统（HIPS）的方法包括：监控自动切断操作或手动安全切断操作或完全切断测试的起动；确定在上游压力达到切断设定值的时刻和上游压力达到下游管道最大容许管压（MAPP）的时刻之间经过的过程安全时间（PST）；以及确认安全临界隔离阀在1/2PST内到达完全关闭位置并确认下游压力没有超过MAPP。如果确认结果为成功，就不需采取措施，然而如果确认结果显示这些参数中的任何一个不符合要求，那么HIPS向操作者发出警报信号，如果进行手动安全切断操作或完全切断测试，那么就将压力切断设定值重新设定为更低值。

Description

高完整性保护系统及其测试和操作方法

相关申请

本申请与序号为61/434,051的美国临时专利申请相关，并请求享有该美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请于2011年1月19日申请，其全部内容引入本文中作为参考。

技术领域

本发明涉及一种方法和装置，用于操作和测试连接到井口管道系统的高完整性保护系统(HIPS)。

背景技术

在石油和天然气行业，由于管壁厚度减小或由于成本限制因素阻止安装全额定管，井口顶侧压力可能超过井口下游的生产流体管道内的最大容许压力。因而，需要保护这类管道以免承受过大压力，如果管道承受过大压力就会使管道破裂，从而造成环境污染，且管道置换十分昂贵。用于保护管道以免承受过大压力的一种传统系统是高完整性保护系统(HIPS)。这种系统通常是电液压系统，其使用压力传感器测量管道内的压力，通过控制模块的电子器件使用这些压力传感器来控制生产管HIPS阀的关闭。这种布置结构可让采油树和能承受压力的HIPS阀之间的一段短的管道部分内保持高压。这样防止管道的主要较薄壁部分承受可能超过管道额定压力值的压力。

由于HIPS运行过程中出现的故障表示管道存在严重受损的危险，因而要求定期测试HIPS的安全。传统系统在运行期间不能进行测试。因而，生产系统必须停止运行并被隔离以进行测试。中断运行会造成严重的财政影响。另外，因为需要人们手动执行阀和其他元件的操作，因而在测试期间至少一个操作者必须接近HIPS。

已经提出了各种方法来测试和保护阀和管道系统免受过大压力。例如，已公开的美国申请US2005/0199286公开了一种高完整性压力保护系统，该系统中，连接到两个下游管道和两个上游管道的两个模块具有入口和出口。管道回路连接两个口，对接歧管在上游部分和下游部分之间安装在管道中。对接歧管选择性地经过第一或第二模块在第一和第二管道每个中设定流体流动路线。该系统允许流体流动路线从两管道的上游区域开始、经过其中一个模块、然后到达其中一个管道的下游区域，以便允许拆掉另一模块以进行维护、维修和/或置换。没有公开或教导一种用于在系统运行期间测试系统运行情况的装置或方法。

例如，美国专利6,591,201号(专利权人为Hyde)公开了一种流体能量脉冲测试系统，该系统中，使用能量脉冲来测试流体控制装置和系统(如气举阀)的动态性能特征。该测试系统用于测试液压回路中的表面安全阀，但是并不能提供关于整个系统执行安全功能的能力方面的安全信息。

美国专利6,880,567号(专利权人为Klaver等)公开了一种系统，该系统包括传感器、安全控制系统和关闭阀，关闭阀用于保护下游处理设备以免承受超压。该系统使用局部行程测试方法，在该方法中，将隔断阀关闭直到达到预定点为止，然后重新打开。但是该系统必须中断生产以进行诊断测试。

美国专利7,044,156号(专利权人为Webster)公开了一种管道保护系统，该系统中，一部分管道中的流体压力超过供送到差压阀的液压流体的基准压力，差压阀就打开，从而引起液压致动阀中的液压压力通过排放口释放出来。但是，这种保护系统没有设置任何阀诊断装置，并且，为了让关闭阀完全关闭，保护系统不得不中断生产。

美国专利5,524,484号(专利权人为Sullivan)公开了一种电磁阀诊断系统，该系统可让阀使用者能监控阀随时间推移的使用状态，从而可检测出阀及其元件的任何性能退化或存在的问题，并在阀出现故障之前可矫正它们。如果不中断生产，该系统就不能测试关闭阀。

美国专利4,903,529号(专利权人为Hodge)公开了一种用于测试液压流体系统的方法，该系统中，一种便携式分析设备具有液压流体供应源、排出管、供送单元、回流管、流体压力检测器以及位于回流管中的流体流检测器，供送单元将处于压力下的液压流体从供应源供送到排出管，回流管与供应源连通，流体压力检测器连接到排出管。分析设备使装置的流体入口与源头断开并将流体入口连接到排出管，使装置的流体出口与储器断开并将流体出口连接到回流管。检测排出管和通过回流管的流体流中的流体压力，其中单元在系统中处于合适位置。但是，该方法要求中断生产来测试液压系统。

美国专利4,174,829号(专利权人为Roark等)公开了一种压力检测安全装置，该装置中，传感器产生与检测出的压力成比例的电信号，当检测出的压力超过预定范围时，引导装置显示检测到超范围的压力，这样就允许在需要时采取合适的补救措施。该装置要求操作者进行干预。

美国专利4,215,746号(专利权人为Hallden等)公开了一种用于流体线路的压力响应安全系统，如果井的生产线路出现异常压力状况，该系统就关闭井。一旦安全阀已经关闭，就锁住控制器(其用于检测压力何时处于预定范围内)让其不运行，在能够打开安全阀之前必须手动重新设定该控制器。该系统会引起生产中断，需要操作者进行干预。

现有的测试和保护系统的另一缺陷涉及诊断程序。现有的技术依靠过程模拟和系统性能核查程序，所述程序在系统设计和试运行期间执行一次，以便设定保护系统的切断值。但是，这种程序并没有考虑到过程动态和阀行程时间会随着时间的推移而变化这一事实。

因而，本发明的一个目的是提供一种装置和方法，该装置和方法可用于在HIPS运行期间，在HIPS作为管道系统的流动线路运行并且没有关闭连接到HIPS的生产线路的情况下，测试HIPS。

本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，该装置和方法可在操作者不进行干预的情况下自动测试HIPS的安全性。

本发明的另一个目的是，根据每个系统要求进行测量，并且根据这些测量结果(而不是根据历史启动数据)，来核实HIPS响应时间保留在合适范围内的情况。

发明内容

通过本发明的方法和装置，可以实现上述目的以及下面将描述的其他优点，本发明的方法和装置提供了一种高完整性保护系统(HIPS)，该系统保护并测试对连接到井口上的管道系统的控制。本发明的HIPS具有入口和出口，入口连接到井口，出口连接到下游管道系统，在一个优选实施例中，HIPS被构造为撬装式整体系统，该系统可被输送到其将被安装的位置。

HIPS包括两组表面安全阀(SSV)、两个排放控制阀(VCV)和安全逻辑运算器。该两组SSV与入口保持流体连通，这两组SSV相互并联。每组SSV具有两个串联的SSV，这两组SSV之一或两者可作为进入入口并流经管道系统的HIPS出口的流体的流动线路。每个VCV连接到两组SSV中间的管道上，每个VCV与排放线路保持流体连通，在VCV打开时，排放管路将两个SSV之间的过程压力排放出来。安全逻辑运算器与SSV和VCV通讯，并产生信号来控制SSV和VCV的操作。VCV优选是电动的。

压力传感器监控HIPS出口上游的一部分管道的流动线路压力。在一个优选实施例中，在出口上设置有三个压力传感器。逻辑运算器被编程以便在由这三个压力传感器中的至少两个所传送的压力增加至高于极限值时，发送信号关闭SSV。本领域的普通技术人员可明显看出，在该系统的该部分中可使用三个以上或以下的压力传感器。

这两个VCV均连接到与共同排放线路保持流体连通的流动线路。排放线路可连接到储罐或其他储器或再循环装置中。每组SSV可独立于并联的SSV组的操作来运行。压力传感器可被定位成监控两组SSV的每组中的SSV之间的压力。

在一个优选实施例中，安全逻辑运算器被编程以便在严密性切断测试期间，当并联的SSV组从打开位置移动到关闭位置时，保持一组SSV处于打开位置。另外，安全逻辑运算器被编程以便在严密性切断测试期间，测量并记录一对关闭的SSV之间的压力，在测试期间使关闭的SSV之间的VCV打开一段较短时间以释放或减小线路压力。

在另一优选实施例中，安全逻辑运算器被编程以便在关闭VCV之后，如果关闭的SSV和通畅的SSV之间的压力上升至高于预定极限值，那么在严密性切断测试期间产生故障信号。在另一优选实施例中，安全逻辑运算器被编程以便如果在测试期间关闭的SSV之间的压力没有上升至高于预定极限值，则指定关闭的SSV用作为一组运行的SSV。

正常操作期间和手动完全切断(即，手动安全切断或完全切断测试)期间，VCV关闭。

本发明的HIPS还包括手动关闭阀，它们位于并列的SSV每组的上游和下游，可用于将SSV组中的每组与管道系统隔离，例如，以便对系统元件进行维护、维修和/或替换。

在一个优选实施例中，SSV设置有电动失效保险阀致动器，从而，在断电情况下，所有阀均可移动到关闭位置。这将导致HIPS下游的管道中的所有流体流终止。本领域的普通技术人员可明显看出，这种类型的失效保险切断操作与井口处或HIPS上游其他位置处的类似切断要求是协调一致的。

在本发明的另一方面，提供了一种方法来测试HIPS的操作安全，该HIPS连接到井口管道系统。HIPS具有与管道系统保持流体连通的第一和第二组表面安全阀(SSV)，这两组表面安全阀相互并联。每组SSV具有两个串联的SSV，如上面详细所述那样，SSV可响应于来自安全逻辑运算器的信号操作。

当第二组SSV打开作为管道系统的流动线路时，第一组SSV从打开位置移动到关闭位置以进行严密性切断安全测试。

位于关闭的SSV之间的传感器发送信号给安全逻辑运算器，该信号对应于这两个关闭的阀之间的管道中的流体压力。在开始安全测试时，位于关闭的该组SSV之间的VCV让关闭的SSV之间的加压流体排放出来。排放出的流体优选流到储器中。在预定切断时间内，如果第一组SSV没有让SSV之间的管道中的压力保持等于或低于预定极限值，那么启动警报信号。

在对阀进行安全切断测试之前以及该测试期间，记录每组SSV之间的管道部分中的流体压力，如，单位为PSI。优选用图形示出记录的压力，从而在测试期间可帮助操作工作人员实时评估系统性能。

当第一组SSV返回到完全打开位置时，第二组SSV保持打开。如果第一组SSV没有完全打开，那么启动警报信号。每组表面安全阀均设置有排放控制阀(VCV)。连接到第一组SSV的VCV在预定时间段内保持打开，从而，在第一组SSV完全关闭之后，可实现压力释放。

第一组SSV移动到打开位置，第二组SSV移动到关闭位置。测量第二组SSV的SSV之间的压力，如果第二组SSV没有使中间的管道中的压力保持等于或低于预定值，那么启动警报信号。

在另一优选实施例中，例如由安装工作人员在安装时首先设定HIPS压力切断设定值。如果上游压力超过压力切断设定值，那么HIPS系统切断，关闭所有SSV并让HIPS下游管路中的所有流体流终止。HIPS确认过程安全时间(PST)，过程安全时间是上游压力从切断设定值前进至最大容许管压(MAPP)所需的时间，其中MAPP是为保护下游管道设置的。PST的一半为HIPS阀安全地隔离井所需的容许行程时间(AST)。上游压力测量值限定了操作限制条件，下游压力测量值限定了操作性能。如果SSV在AST内移动至完全关闭位置，并且如果所测的下游压力没有超过为下游管道限定的最大容许压力，那么HIPS性能满足设计要求。但是，如果SSV没有在AST内完全关闭，那么HIPS系统发出警报信号提示操作者核查阀行程时间。HIPS系统也监控下游压力是否超过MAPP，如果是，那么HIPS系统发出警报信号提示操作者降低切断设定值。

在另一优选实施例中，例如由安装工作人员在安装时首先设定HIPS压力切断设定值。现场操作者启动本地控制以执行手动完全切断操作来关闭所有SSV。为了响应于察觉的安全问题进行的手动安全切断，或为了在规定时间间隔上作为计划测试和检查程序的一部分而进行的完全切断测试，而执行手动完全切断操作。尽管为不同目的而进行手动安全切断操作或完全切断测试，但是HIPS系统响应是相同的。系统连续或断续地测量上游和下游压力，对照时间(如，每隔250ms)记录压力值，直到下游压力达到稳定状态为止。HIPS系统关闭所有SSV，并使HIPS下游管路中的所有流体流终止。HIPS确认过程安全时间(PST)，该过程安全时间是上游压力从切断设定值增加至最大容许管压(MAPP)所需的时间，其中MAPP是为保护下游管道设置的。PST的一半为HIPS阀安全地隔离井所需的容许行程时间(AST)。上游压力测量值限定了操作限制条件，下游压力测量值限定了操作性能。如果SSV在AST内移动至完全关闭位置，并且如果所测的下游压力没有超过为下游管道限定的最大容许压力，那么HIPS性能满足设计要求。但是，如果SSV没有在AST内完全关闭，那么HIPS系统发出警报信号提示操作者核查阀行程时间。HIPS系统也监控下游压力是否超过MAPP，如果是，那么HIPS系统发出警报信号提示操作者降低切断设定值。

因此，根据本发明，提供了一种测试高完整性保护系统的方法，所述高完整性保护系统具有预定压力切断设定值，该方法包括：

提供高完整性保护系统，所述高完整性保护系统具有与通向上游管道的入口保持流体连通的第一组和第二组表面安全阀，这两组阀相互并联，每组表面安全阀具有两个串联的表面安全阀，第二组表面安全阀的出口连接到第一组表面安全阀的出口，以使得两组表面安全阀的输出继续流经共同的排出管而流至下游管道系统，所述表面安全阀能够响应于来自安全逻辑运算器的信号操作；

以及提供安全逻辑运算器以便：

在正常操作期间起动对高完整性保护系统的手动完全切断操作；

记录高完整性保护系统入口上游的上游管道的流体流和高完整性保护系统出口下游的下游管道系统的流体流的压力与时间关系数据；和

在关闭安全隔离阀时，确定所记录的上游压力是否达到下游管道系统的预定最大容许管压，如果是，就：

确定手动完全切断操作的起动时刻和上游压力达到最大容许管压的时刻之间的经过过程安全时间；

确定安全隔离阀是否需要多于过程安全时间的一半的时间来从完全打开变为完全关闭，如果确定需要，就向操作者发出警报信号；以及

确定记录的下游压力是否已经达到最大容许管压，如果下游压力已经达到最大容许管压，就降低高完整性保护系统压力切断设定值。

可选地，所述安全逻辑运算器，在确定出下游压力达到最大容许管压时：

确定切断设定时差为下游压力超过最大容许管压的时刻和下游压力达到稳定状态的时刻之间的经过时间；以及

在降低高完整性保护系统压力切断设定值时，将该设定值降低为上游压力在比前一系统切断设定值少切断设定时差的时刻的值。

根据本发明，还提供了一种具有用于测试连接到井口的管道系统的保护和压力控制的自诊断的高完整性保护系统，所述高完整性保护系统具有连接到井口的入口和连接到管道系统的出口，该保护系统包括：

两组与入口保持流体连通的表面安全阀，这两组阀相互处于并联流体流动关系，每组表面安全阀包括两个串联的表面安全阀，第二组表面安全阀的出口连接到第一组表面安全阀的出口，以使得两组表面安全阀的输出继续流经共同的排出管，两组表面安全阀中的一组或两组能作为进入入口并流经高完整性保护系统出口到达共同的排出管的流体的流动路径；

两个排放控制阀，每个排放控制阀连接到两组表面安全阀中的每组表面安全阀中间的管道上，每个排放控制阀与排放线路保持流体连通，从而，在打开排放控制阀时，两个表面安全阀之间的过程压力就被排出；以及

安全逻辑运算器，所述安全逻辑运算器与表面安全阀和排放控制阀保持通讯，安全逻辑运算器产生信号来控制表面安全阀和排放控制阀的操作，安全逻辑运算器进一步包括：

连接到存储器的处理器；

时钟；以及

存储器，该存储器存储初始高完整性保护系统切断设定值、最大容许管压、第一模块、第二模块；

第一模块能通过处理器执行，用于监控手动完全切断操作的起动，在手动完全切断操作起动时，记录高完整性保护系统入口上游和高完整性保护系统出口下游的流体流的压力与时间关系数据，并且在识别出表面安全阀已经关闭时，确定上游压力是否超过最大容许管压，在确定出上游压力超过最大容许管压时，将计数器过程安全时间设定为等于上游压力达到系统切断设定值的时刻和上游压力达到最大容许管压的时刻之间的经过时间，以秒为单位，并且确定安全隔离阀完全关闭是否需要多于过程安全时间的一半的时间，如果是，那么发出警报信号提示操作者核查阀行程时间；

第二模块能通过处理器执行，如果第一模块确定出上游压力超过最大容许管压，第二模块确定下游压力是否超过最大容许管压，如果是，就降低高完整性保护系统压力切断设定值。

可选地，在确定出下游压力达到最大容许管压时，第二模块确定切断设定时差为下游压力超过最大容许管压的时刻和下游压力达到稳定状态的时刻之间的经过时间，以秒为单位；

并且在降低高完整性保护系统压力切断设定值时，第二模块将该设定值降低为在上游压力达到前一系统切断设定值的时刻向前推移秒数为切断设定时差的时刻上游压力的值。

根据本发明，还提供了一种操作高完整性保护系统的方法，该高完整性保护系统具有预定压力切断设定值和预定最大容许管压，该方法包括：

提供高完整性保护系统，所述高完整性保护系统具有与通向上游管道的入口保持流体连通的第一组和第二组表面安全阀，这两组阀相互并联，每组表面安全阀具有两个串联的表面安全阀，第二组表面安全阀的出口连接到第一组表面安全阀的出口，以使得两组表面安全阀的输出继续流经共同的排出管而流至下游管道系统，所述表面安全阀能够响应于来自安全逻辑运算器的信号操作；

以及提供安全逻辑运算器以便：

监控高完整性保护系统入口上游的流体流压力超过预定压力切断设定值的情况，在超过时安全逻辑运算器命令关闭安全隔离阀并记录切断时刻；

监控安全隔离阀关闭的情况，在关闭时安全逻辑运算器记录关闭时刻；

监控高完整性保护系统入口上游的流体流压力超过最大容许管压的情况，在超过时安全逻辑运算器记录该时刻；

确定切断时刻和关闭时刻之间经过的时间是否大于切断时刻和上游压力超过最大容许管压的时刻之间经过的时间的一半，如果大于，安全逻辑运算器就向操作者发出警报信号；以及

监控高完整性保护系统出口下游的流体流压力是否超过最大容许管压，如果超过，安全逻辑运算器就向操作者发出警报信号。

根据本发明，还提供了一种具有用于测试连接到井口的管道系统的保护和压力控制的自诊断的高完整性保护系统，所述高完整性保护系统具有连接到井口的入口和连接到管道系统的出口，该保护系统包括：

两组与入口保持流体连通的表面安全阀，这两组阀相互处于并联流体流动关系，每组表面安全阀包括两个串联的表面安全阀，第二组表面安全阀的出口连接到第一组表面安全阀的出口，以使得两组表面安全阀的输出继续流经共同的排出管，两组表面安全阀中的一组或两组能作为进入入口并流经高完整性保护系统出口到达共同的排出管的流体的流动路径；

两个排放控制阀，每个排放控制阀连接到两组表面安全阀中的每组表面安全阀中间的管道上，每个排放控制阀与排放线路保持流体连通，从而，在打开排放控制阀时，两个表面安全阀之间的过程压力就被排出；以及

安全逻辑运算器，所述安全逻辑运算器与表面安全阀和排放控制阀保持通讯，安全逻辑运算器产生信号来控制表面安全阀和排放控制阀的操作，安全逻辑运算器进一步包括：

连接到存储器上的处理器；

时钟；以及

存储器，所述存储器存储初始高完整性保护系统切断设定值、最大容许管压、第一模块、第二模块、第三模块和第四模块；

第一模块能通过处理器执行，用于监控根据上游流体流压力超过初始高完整性保护系统切断设定值来起动自动切断操作的情况，在起动自动切断操作时，记录切断时刻；

第二模块能通过处理器执行，如果第一模块确定出自动切断操作起动，第二模块确定安全隔离阀是否完全关闭，在安全控制阀完全关闭时记录关闭时刻；

第三模块能通过处理器执行，如果第二模块确定出安全隔离阀完全关闭，第三模块监控上游压力是否超过最大容许管压，在超过最大容许管压时记录该时刻；以及

第四模块能通过处理器执行，如果第三模块确定出上游压力超过最大容许管压，第四模块就执行以下步骤：

确定切断时刻和关闭时刻之间的经过时间是否大于切断时刻和上游压力超过最大容许管压的时刻之间的经过时间的一半，如果是，就向操作者发出警报信号；以及

监控高完整性保护系统出口下游的流体流压力是否超过最大容许管压，如果是，就向操作者发出警报信号。

附图说明

下面将结合附图进一步描述本发明，附图如下：

图1是根据本发明的高完整性保护系统(HIPS)的示意图，该系统连接到井口和下游管道；

图2是对图1中的HIPS进行严密性切断测试的过程步骤的流程图；

图3是比较性示意图形，示出了严密性切断测试期间一对表面安全阀(SSV)的符合要求和出现故障的压力测试的情况；

图4是图形，示出了所测的上游和下游压力之间的关系、切断设定值、最大容许管压、以及经过时间PST和AST；

图5是图形，示出了如果压力切断设定值太高，那么将设定值降低至合适值；

图6是在自动切断时HIPS自诊断过程步骤的流程图；

图7是在进行由操作者起动的手动安全切断操作或完全切断测试时HIPS自诊断过程步骤的流程图。

为了方便理解本发明，合适情况下采用相同附图标记表示图中相同或类似的共同元件。图中所示和所述的特征未按比例绘制，仅为示意目的示出这些特征，除非文中另有声明。

具体实施方式

参照图1，一种高完整性保护系统(HIPS)10靠近井口安装在管道系统中，以通过管道104将加压流体产物(如，油或气)从井口102输送到远程主机位置。HIPS具有入口1和出口2，入口1连接到井口管道102，出口2连接到管道系统104，液体产物通过其进出HIPS10。HIPS优选是撬装式的，以被运送到井口位置处，并且HIPS设置有合适的凸缘和转接器，用于在需要时连接到油田管道的入口和出口。

两组表面安全阀(SSV)11,12和13,14与入口1和出口2保持流体连通，因而，它们可作为流体产物的流动线路操作。被标识和称为SSV-1和SSV-2的SSV每组分别具有两个串联连接的SSV11-12和13-14。在没有动力被供送给SSV的情况下，SSV自动关闭，并且SSV通过传统的液压或电动致动器保持在打开位置，以防止下游管道系统104出现异常运行状况。

两个排放控制阀(VCV)41，42分别连接到两组SSV11,12和13,14中间的管道，并与排放管路106保持流体连通。排放管路106与流体储放装置70保持流体连通，流体储放装置70起到封闭型收集系统罐的作用。替代地，排放管路可通向井场附近的燃烧坑(未示出)。VCV41,42在打开时能将两个SSV之间的加压流体排放到排放管路106中。阀71,72和81通过其打开和关闭操作来控制压力容器提供的液压压力。当阀81打开时，来自罐80的加压氮迫使流体从流体储放装置70流出，然后让流体进入HIPS管道或者经过阀72用作其他用处或被处理掉。VCV41,42在打开时将加压流体从两个SSV之间排放到排放管路中。压力传感器54,55位于相应SSV之间，用于确定这两个SSV之间的流动线路压力。多个压力传感器可以可选择地安装在位置54和55处，以确保可靠性，并且用作测试系统的备用元件。

压力传感器51,52,53安装在出口2上游，以确定通过出口2从HIPS排出的流动线路压力。安全逻辑运算器31监控这三个传感器。如果这三个传感器51-53中的任何两个检测出压力升高至超过预定极限值，安全逻辑运算器31就通过SSV11-14自动关闭井，从而保护下游管道以免承受过高压力。

压力传感器56安装在入口1下游而在HIPS上游，以便监控进入HIPS的流动线路压力。传感器56由安全逻辑运算器31监控。

安全逻辑运算器31优选是预先被编制程序到计算机等中的软件模块，安全逻辑运算器31通过硬件接线连接或通过无线传输器与SSV11-14,VCV41,42以及压力传感器51-56通讯。安全逻辑运算器31产生并传送信号，以控制SSV11-14和VCV41,42的操作。根据来自压力传感器51-56的压力数据执行控制操作。

手动阀61-64安装在入口1和出口2与SSV11-14之间，以在出现紧急情况时让两组SSV11-14与管道系统隔离，以及使得系统可被手动切断，从而维修和/或置换系统的任何元件。

所有阀均可通过传统的阀致动器(未示出)操作，例如现有公知的这些阀致动器。阀致动器和压力传感器51-56具有自诊断能力，并且将检测出的任何故障传送给安全逻辑运算器31。

将参照图2描述用于执行根据本发明的严密性切断测试的方法。在开始测试之前，对HIPS流动线路进行安全检查。如果流动线路压力超过预定极限值，所有SSV关闭(S20)。否则，第一组SSV11,12关闭，第二组SSV13,14保持打开(S30)。

然后让第一组SSV11,12打开，以准备对第二组SSV13,14进行测试(S40)。确定在对第二组SSV13,14进行严密性切断测试期间用作为流动线路的第一组SSV11,12是否完全打开(S50)。如果第一组SSV11,12没有完全打开，那么就启动警报信号，终止测试(S60)。如果第一组SSV11,12完全打开，那么第二组SSV13,14关闭(S70)。检查待被测试的SSV13,14的完全关闭状态，以准备进行严密性切断测试(S80)。如果SSV13,14没有完全关闭，启动警报信号(S90)，测试终止。

如果SSV13,14完全关闭，开始对SSV13,14进行严密性切断测试。位于第二组SSV13,14中间的VCV42打开，以将SSV13,14之间的压力降低至稳定值(S100)。

然后关闭VCV42，并且检查VCV42的压力密封状态(S110)。如果VCV42未完全关闭，或阀泄漏致使阀之间的管的排放部分中压力继续降低，就启动警报信号(S120)，采取合适的补救措施。如果VCV42完全关闭，测定SSV13,14之间的压力(S130)。在严密性切断测试期间，压力传感器55继续监控SSV13,14之间的压力，并将结果发送给安全逻辑运算器31，直到严密性切断测试结束为止(S140)。

在图3中，用图形方式表示了在两种不同情况下严密性切断测试期间获得的数据。当VCV42打开时，SSV13,14之间的压力从正常工作压力降低至更低压力，然后VCV42完全关闭。如果SSV13,14之间的压力升高，这一情况被认为是SSV13,14之一或两者存在泄漏的迹象。由于可以接受一些少量泄漏，因而，必须确定严密性切断测试期间或之后压力增加量或压力增加速率是否超过预定极限值(S150)。如果测试期间压力升高至超过极限值，那么表明SSV13,14完全座放的能力出现故障，从而安全逻辑运算器31启动警报信号，提示SSV13,14的严密性切断测试的失败(S160)。如果测试期间压力增加未超出极限值，那么第二组SSV13,14就通过了严密性切断测试。在SSV13,14的严密性切断测试期间，第一组SSV11,12处于打开位置，为生产提供了流动线路(S170)。为了完成系统功能测试，已经通过严密性切断测试的第二组SSV13,14再次打开，用作为流动线路(S180)。

从上面的描述可明显看出，可采用基本相同的方法测试第一组SSV11,12。

在执行严密性切断测试时，本发明可让HIPS能够作为流动线路持续运行，同时采取任何所需的保护措施。通过安全逻辑运算器进行自动操作可保证即使在测试期间，也将会实现紧急切断状态。可存储测试记录结果，之后该测试记录结果可重新获得或电子显示和/或以打印图形形式或作为列表数据显示。

图4是压力与时间的关系曲线图400(其未按比例绘制)，示出了HIPS系统的自动切断操作。当在时间t＝0秒井压力开始增加时，测出的下游压力420和测出的上游压力430处于正常范围内(例如为500psi)。因此，下游压力420和上游压力430开始上升。起初，下游压力420和上游压力430一致上升，这是因为HIPSSV打开，不存在压差。在时刻450时，上游压力430已经达到压力切断设定值460(例如，设定为1000psi)。在达到切断设定值460时，HIPS阀就在时刻450时开始关闭，由此产生的压差导致下游压力420曲线和上游压力430曲线之间出现分叉。

系统记录时刻450、SV完全关闭的时刻445、以及上游压力430达到最大容许管压(MAPP)410(例如为1250psi)的时刻440。过程安全时间(PST)470表示时刻440和450之间的经过时间(例如为60秒)，而容许行程时间(AST)480为1/2PST(例如为30秒)。在时间AST480已经过去之前，只要SSV移动至完全关闭位置(在时刻445时)，并且，只要下游压力420在低于MAPP410的压力下达到稳定状态，HIPS就在设计参数范围内运行。否则，系统将启动警报信号。

图5是压力与时间的关系曲线图500，表示HIPS的手动完全切断操作(即，手动安全切断或完全切断测试)，在该图中，当下游压力520超过MAPP510时，HIPS就不在设计参数范围内运行。这样就需要降低HIPS压力切断设定值，系统自动实现这点。手动完全切断操作可作为预定维护程序的一部分执行，或者替代地，可在自动切断操作(上面参照图4所述)已经导致发出警报信号提示性能超出设计参数范围之后执行。在时间t＝0秒时，下游压力520和上游压力530为正常压力(例如为500psi)，操作者手动开始执行手动完全切断操作。系统开始对照时间记录下游压力520和上游压力530。计算出切断设定时差(TSTD)550作为时刻540和时刻545之间经过的时间，在时刻540时下游压力520超过MAPP510(例如为1250psi)，在时刻545时下游压力520到达稳定状态525。然后，用时刻575的值减去TSTD550(例如为60秒)，其中，在时刻575时上游压力530已经到达切断设定值570(例如为1000psi)。由此得出时刻580，在时刻580时的相应上游压力560(例如为800psi)被选择为新的HIPS压力切断设定值。

对于该系统，新的HIPS压力切断设定值将永不会被设定成低于正常工作压力。在另一实施例中，可设定预定的最小压力，其或者为绝对压力(如600psi)或者为正常工作压力的百分比(例如为正常工作压力的120％)，切断设定值不能被设定成低于该预定最小压力。

在另一实施例中，当如上面参照图5所述那样执行手动完全切断操作时，系统也能如上面参照图4所述那样确定PST470和AST480，并且能确定阀行程时间是否在AST480范围内。

图6表示HIPS自动切断期间使用的方法600，用于核实HIPS是否在设计参数范围内运行。将方法600编制成程序存入SLS31中，从而可根据SSV11-14以及压力传感器51-56采集的数据来执行这种操作。该方法从步骤605开始。

步骤610监控根据上游压力430超过压力切断设定值460进行的自动切断操作。在识别出这种切断操作时，步骤620将切断时刻450存储在SLS31的存储器中。

步骤S630监控表面安全阀的关闭状态。在识别出SSV已经完全关闭时，步骤S640将关闭时刻445存储在SLS31的存储器中。

步骤650监控上游压力。在上游压力达到MAPP时，步骤660存储时刻440。步骤670确定SSV完全关闭所需的经过时间(即关闭时刻445和切断时刻450之间的时差)是否大于上游压力达到MAPP所需时间的一半(即，时刻440和切断时刻450之间的时差之一半)。如果是，则该方法前进至步骤675，发出警报信号提示操作者核查阀行程时间。如果否，则SSV及时关闭，该方法跳过步骤675。

步骤680确定最大下游压力是否超过MAPP。如果是，则方法前进至步骤685，发出警报信号提示操作者调整HIPS切断设定值。如果否，则HIPS在参数范围内运行，并且该方法跳过步骤685。该方法以步骤690结束。

图7表示操作者启动的手动完全切断操作期间使用的方法700，用于测定修正的HIPS切断设定值560。可将方法700编成程序存入SLS31中，以根据SSV11-14以及压力传感器51-56采集到的数据来执行该操作。

在步骤710中，在开始安装并试运行HIPS时，就根据行程时间以及安装或试运行期间的系统条件来设定初始切断设定值570。切断设定值570和最大容许管压(MAPP)510存储在SLS31的存储器中。

试运行之后，步骤720监控在HIPS系统处于正常操作状况时启动操作者控制以完全切断HIPS系统的操作。这种手动完全切断操作可以是一种响应于识别出的安全问题而执行的手动安全切断操作，或者可以是一种完全切断测试，用以确认过程安全时间要求并确认系统响应时间。

在起动手动完全切断操作之后，步骤730开始对照时间(例如每秒四次)将上、下游压力记录在安全逻辑运算器中，然后继续记录数据，直到已经经过预定时间(如10分钟)为止或直到下游压力达到稳定状态为止。例如，从关闭操作开始直到下游压力达到稳定状态，测量上、下游压力。

在步骤740中，在完成手动完全切断操作时，确定记录的最大上游压力是否达到MAPP。如果否，就不需要执行任何操作，该方法就循环回到步骤720开始处。如果是，该方法继续执行步骤750，在步骤750中，计数器“PST”被设定为在上游压力达到切断设定值的时刻和上游压力达到MAPP的时刻之间的经过的秒数。

在步骤760中，确定隔离阀是否在时间PST的一半范围内(即，容许行程时间AST范围内)从完全打开变为完全关闭。如果是，方法前进至步骤770；如果否，在步骤765中，HIPS发出警报信号提示操作者核查阀行程时间；然后前进至步骤770。

在步骤770中，确定最大下游压力是否已经超过MAPP。如果否，那么HIPS压力设定值符合要求，该方法循环回到步骤720，等待下一个手动安全切断操作或完全切断测试。如果下游压力超过MAPP，那么步骤780设定计数器“TSTD”(表示切断设定时差)为在下游压力超过MAPP的时刻和下游压力达到稳定状态的时刻之间的经过的秒数。

在步骤785中，在开始切断设定值570至修正切断设定值560的范围内重新设定HIPS压力设定值，该值表示在上游压力达到前一切断设定值之前该上游压力在TSTD(秒)时刻的压力值。步骤790发出警报信号提示操作者已经调整了切断设定值。

在另一未示出的实施例中，将切断设定值调整为更低值可限定为预定压力(如600psi)或为正常工作压力的预定百分比(如，正常工作压力的120％)。

以上详细示出和描述了多个实施例，这些实施例包含本发明的教导，尽管如此，其他和变化形式的实施例对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，本发明的范围由下面的权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种测试高完整性保护系统的方法，所述高完整性保护系统具有预定压力切断设定值，该方法包括：

提供高完整性保护系统，所述高完整性保护系统具有与通向上游管道的入口保持流体连通的第一组和第二组表面安全阀，这两组阀相互并联，每组表面安全阀具有两个串联的表面安全阀，第二组表面安全阀的出口连接到第一组表面安全阀的出口，以使得两组表面安全阀的输出继续流经共同的排出管而流至下游管道系统，所述表面安全阀能够响应于来自安全逻辑运算器的信号操作；

以及提供安全逻辑运算器以便：

在正常操作期间起动对高完整性保护系统的手动完全切断操作；

记录高完整性保护系统入口上游的上游管道的流体流和高完整性保护系统出口下游的下游管道系统的流体流的压力与时间关系数据；和

在关闭安全隔离阀时，确定所记录的上游压力是否达到下游管道系统的预定最大容许管压，如果是，就：

确定手动完全切断操作的起动时刻和上游压力达到最大容许管压的时刻之间的经过过程安全时间；

确定安全隔离阀是否需要多于过程安全时间的一半的时间来从完全打开变为完全关闭，如果确定需要，就向操作者发出警报信号；以及

确定记录的下游压力是否已经达到最大容许管压，如果下游压力已经达到最大容许管压，就降低高完整性保护系统压力切断设定值。

2.根据权利要求1的方法，其中，所述安全逻辑运算器在确定出下游压力达到最大容许管压时：

确定切断设定时差为下游压力超过最大容许管压的时刻和下游压力达到稳定状态的时刻之间的经过时间；以及

在降低高完整性保护系统压力切断设定值时，将该设定值降低为上游压力在比前一系统切断设定值少切断设定时差的时刻的值。

3.一种具有用于测试连接到井口的管道系统的保护和压力控制的自诊断的高完整性保护系统，所述高完整性保护系统具有连接到井口的入口和连接到管道系统的出口，该保护系统包括：

两组与入口保持流体连通的表面安全阀，这两组阀相互处于并联流体流动关系，每组表面安全阀包括两个串联的表面安全阀，第二组表面安全阀的出口连接到第一组表面安全阀的出口，以使得两组表面安全阀的输出继续流经共同的排出管，两组表面安全阀中的一组或两组能作为进入入口并流经高完整性保护系统出口到达共同的排出管的流体的流动路径；

两个排放控制阀，每个排放控制阀连接到两组表面安全阀中的每组表面安全阀中间的管道上，每个排放控制阀与排放线路保持流体连通，从而，在打开排放控制阀时，两个表面安全阀之间的过程压力就被排出；以及

安全逻辑运算器，所述安全逻辑运算器与表面安全阀和排放控制阀保持通讯，安全逻辑运算器产生信号来控制表面安全阀和排放控制阀的操作，安全逻辑运算器进一步包括：

连接到存储器的处理器；

时钟；以及

存储器，该存储器存储初始高完整性保护系统切断设定值、最大容许管压、第一模块、第二模块；

第一模块能通过处理器执行，用于监控手动完全切断操作的起动，在手动完全切断操作起动时，记录高完整性保护系统入口上游和高完整性保护系统出口下游的流体流的压力与时间关系数据，并且在识别出表面安全阀已经关闭时，确定上游压力是否超过最大容许管压，在确定出上游压力超过最大容许管压时，将计数器过程安全时间设定为等于上游压力达到系统切断设定值的时刻和上游压力达到最大容许管压的时刻之间的经过时间，以秒为单位，并且确定安全隔离阀完全关闭是否需要多于过程安全时间的一半的时间，如果是，那么发出警报信号提示操作者核查阀行程时间；

第二模块能通过处理器执行，如果第一模块确定出上游压力超过最大容许管压，第二模块确定下游压力是否超过最大容许管压，如果是，就降低高完整性保护系统压力切断设定值。

4.根据权利要求3的高完整性保护系统，其中，

在确定出下游压力达到最大容许管压时，第二模块确定切断设定时差为下游压力超过最大容许管压的时刻和下游压力达到稳定状态的时刻之间的经过时间，以秒为单位；

并且在降低高完整性保护系统压力切断设定值时，第二模块将该设定值降低为在上游压力达到前一系统切断设定值的时刻向前推移秒数为切断设定时差的时刻上游压力的值。

5.一种操作高完整性保护系统的方法，该高完整性保护系统具有预定压力切断设定值和预定最大容许管压，该方法包括：

提供高完整性保护系统，所述高完整性保护系统具有与通向上游管道的入口保持流体连通的第一组和第二组表面安全阀，这两组阀相互并联，每组表面安全阀具有两个串联的表面安全阀，第二组表面安全阀的出口连接到第一组表面安全阀的出口，以使得两组表面安全阀的输出继续流经共同的排出管而流至下游管道系统，所述表面安全阀能够响应于来自安全逻辑运算器的信号操作；

以及提供安全逻辑运算器以便：

监控高完整性保护系统入口上游的流体流压力超过预定压力切断设定值的情况，在超过时安全逻辑运算器命令关闭安全隔离阀并记录切断时刻；

监控安全隔离阀关闭的情况，在关闭时安全逻辑运算器记录关闭时刻；

监控高完整性保护系统入口上游的流体流压力超过最大容许管压的情况，在超过时安全逻辑运算器记录该时刻；

确定切断时刻和关闭时刻之间经过的时间是否大于切断时刻和上游压力超过最大容许管压的时刻之间经过的时间的一半，如果大于，安全逻辑运算器就向操作者发出警报信号；以及

监控高完整性保护系统出口下游的流体流压力是否超过最大容许管压，如果超过，安全逻辑运算器就向操作者发出警报信号。

6.一种具有用于测试连接到井口的管道系统的保护和压力控制的自诊断的高完整性保护系统，所述高完整性保护系统具有连接到井口的入口和连接到管道系统的出口，该保护系统包括：

两组与入口保持流体连通的表面安全阀，这两组阀相互处于并联流体流动关系，每组表面安全阀包括两个串联的表面安全阀，第二组表面安全阀的出口连接到第一组表面安全阀的出口，以使得两组表面安全阀的输出继续流经共同的排出管，两组表面安全阀中的一组或两组能作为进入入口并流经高完整性保护系统出口到达共同的排出管的流体的流动路径；

两个排放控制阀，每个排放控制阀连接到两组表面安全阀中的每组表面安全阀中间的管道上，每个排放控制阀与排放线路保持流体连通，从而，在打开排放控制阀时，两个表面安全阀之间的过程压力就被排出；以及

安全逻辑运算器，所述安全逻辑运算器与表面安全阀和排放控制阀保持通讯，安全逻辑运算器产生信号来控制表面安全阀和排放控制阀的操作，安全逻辑运算器进一步包括：

连接到存储器上的处理器；

时钟；以及

存储器，所述存储器存储初始高完整性保护系统切断设定值、最大容许管压、第一模块、第二模块、第三模块和第四模块；

第一模块能通过处理器执行，用于监控根据上游流体流压力超过初始高完整性保护系统切断设定值来起动自动切断操作的情况，在起动自动切断操作时，记录切断时刻；

第二模块能通过处理器执行，如果第一模块确定出自动切断操作起动，第二模块确定安全隔离阀是否完全关闭，在安全控制阀完全关闭时记录关闭时刻；

第三模块能通过处理器执行，如果第二模块确定出安全隔离阀完全关闭，第三模块监控上游压力是否超过最大容许管压，在超过最大容许管压时记录该时刻；以及

第四模块能通过处理器执行，如果第三模块确定出上游压力超过最大容许管压，第四模块就执行以下步骤：

确定切断时刻和关闭时刻之间的经过时间是否大于切断时刻和上游压力超过最大容许管压的时刻之间的经过时间的一半，如果是，就向操作者发出警报信号；以及

监控高完整性保护系统出口下游的流体流压力是否超过最大容许管压，如果是，就向操作者发出警报信号。