海上浮式生產(chǎn)儲油裝置的塔架式單點系泊監(jiān)測與預警系統(tǒng)

劉儉飛 趙 倩 王愛軍 李 俊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海上浮式生產(chǎn)儲油裝置的塔架式單點系泊監(jiān)測與預警系統(tǒng)

劉儉飛 趙 倩 王愛軍 李 俊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

單點系泊是海上浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)的重要系泊方式之一，F(xiàn)PSO船體載荷與運動通過軟鋼臂傳遞到單點導管架。為了加強FPSO單點系泊的安全性，設計單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)，基于統(tǒng)一的時間標簽，集成了包括FPSO姿態(tài)、系泊系統(tǒng)負載及FPSO與單點間距等信息，持續(xù)監(jiān)測FPSO的系統(tǒng)性能，預測FPSO系泊系統(tǒng)的狀況，可對FPSO在位作業(yè)過程中的風險進行預測并提出操作建議。

單點系泊 FPSO 集成監(jiān)測系統(tǒng)

海上浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)和海洋平臺均設有環(huán)境監(jiān)測、GPS定位及姿態(tài)測量等，然而這些監(jiān)測并沒有集成的顯示和處理單元。尤其是這些數(shù)據(jù)采用了不同的服務器，而且不是相同的時間標簽，無法通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對事故原因進行分析，也無法通過風浪流等環(huán)境數(shù)據(jù)和姿態(tài)信息進行系統(tǒng)性的分析和評價。

單點系泊是FPSO的重要系泊方式之一，通過監(jiān)測系泊系統(tǒng)的狀態(tài)，即可對軟鋼臂(YOKE)受力、船體姿態(tài)及風浪流等海況進行監(jiān)測。為加強FPSO單點系泊的安全性，降低事故風險，設計單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)，持續(xù)監(jiān)測FPSO的系統(tǒng)性能，預測FPSO系泊系統(tǒng)的狀況，并對預測的風險提出相應的建議。

1 單點系泊系統(tǒng)

如圖1所示，F(xiàn)PSO通過YOKE系泊在單點結構上。單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測、運動監(jiān)測、YOKE應力測量及安防監(jiān)控閉路電視(CCTV)等組成。

通過分析傳感器所采集的數(shù)據(jù)并結合特定的算法，為管理人員控制系泊系統(tǒng)安全提供參考，并通過對所收集的海量數(shù)據(jù)進行分析完善，進而依據(jù)未來可能遇到的海況和氣象狀況，對系泊系統(tǒng)的安全狀況進行預報。監(jiān)測系統(tǒng)安裝后可實現(xiàn)預定的監(jiān)測功能并將監(jiān)測結果與數(shù)值進行對比分析。

圖1 單點系泊系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)架構

集成監(jiān)測系統(tǒng)由運動監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、YOKE監(jiān)測、CCTV和服務器5個模塊組成，系統(tǒng)結構如圖2所示。環(huán)境載荷和FPSO的六自由度運動是引起YOKE式單點系泊恢復力的直接原因[1]，風浪流等環(huán)境條件對FPSO的非自主運動起到?jīng)Q定作用。為了對FPSO系泊系統(tǒng)的安全性進行有效監(jiān)測和分析，需對FPSO的運動位置及環(huán)境載荷等信息進行測量。同時對YOKE的結構應力進行監(jiān)測，并在超出承受極限前進行報警。

圖2 集成監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖

3 功能模塊

3.1運動監(jiān)測模塊

FPSO運動監(jiān)測系統(tǒng)包含GPS測距、測朝向和六自由度運動測量模塊，主要由3個GPS和一個慣性測量單元(IMU)組成，其中一個GPS與測量模塊共用。

如圖3所示，運動監(jiān)測子系統(tǒng)通過GPS實時載波相位動態(tài)差分測量技術，測取FPSO與單點的間距。其中GPS基站設在系泊單點的最高點，GPS移動站設在FPSO的高點。艏向測量通過FPSO上的兩個GPS間距作為基線長度，解算出基線與地理北的夾角。

圖3 運動監(jiān)測子系統(tǒng)框圖

橫搖和縱搖測量采用IMU，經(jīng)過導航解算即可計算出載體的縱搖角與橫搖角。慣性測量具有自主性強，不受環(huán)境和電磁干擾，實時數(shù)據(jù)更新率高，短期精度及穩(wěn)定性好等特點。但是由于IMU零偏等誤差源的影響，且IMU通過對加速度和角速度積分得到位置和姿態(tài)(即導航誤差)會隨著導航時間的延長而迅速積累。因此，為獲得長時間高精度的姿態(tài)與定位數(shù)據(jù)還需進行GPS補償。FPSO的姿態(tài)和艏向由IMU和雙GPS(RTK)的組合導航系統(tǒng)進行測量[2]。GPS采用L1和L2雙頻，應用雙星系統(tǒng)，具有良好的可靠性和抗干擾性。

3.2YOKE監(jiān)測

3.2.1YOKE應力負載

常規(guī)應變片具有嚴重的零漂，高鹽、潮濕的海洋環(huán)境使得應變片的選材和長期穩(wěn)定運行成為一項挑戰(zhàn)。光纖光柵應變計(FBG)具有精度高、長期穩(wěn)定可靠、耐潮濕、抗腐蝕、防電磁干擾、傳輸損耗小、靈敏度高及分辨率高等突出特點，并且能夠實現(xiàn)遠距離遙控監(jiān)測。FBG彌補了電阻應變片的諸多缺陷，且長距離傳輸對于光纖中心波長沒有影響，因此最終選取光纖光柵應變計作為FPSO YOKE系泊應力監(jiān)測的主要手段。

YOKE應力由FBG測量，并由光纖光柵解調(diào)器解算傳感器傳輸?shù)墓饫w信號。本系統(tǒng)總計采用32個光纖光柵應變計，分別測量YOKE和系泊腿的結構應力。解調(diào)儀為8個光通道，每個通道有4個光纖光柵應變計。傳感器具有內(nèi)部溫度補償功能，可減小溫度不穩(wěn)定性對設備性能的影響[3～5]。光纖光柵應變計的工作原理如圖4所示。

中心波長λΒ會受到光柵區(qū)域的物理或機械特性變化的影響。λΒ隨著溫度和應變的變化而變化。通過對反射/透射中心波長的測量，即可獲得外界環(huán)境參數(shù)。

圖4 光纖光柵應變計工作原理

由于一個應變的損壞會影響串聯(lián)的后續(xù)傳感器的數(shù)據(jù)傳遞，每個通道的應變計不應過多。若一條通道的應變計數(shù)量很多，可考慮環(huán)路測量方式，容忍環(huán)路斷開一處[6，7]。

應力計布置在可能的應力薄弱處，而溫度計的布置則應考慮溫度分布，盡量消除溫度分布不均的影響。如圖5所示，單點系泊監(jiān)測系統(tǒng)中應力計布置在YOKE兩端，并沿YOKE徑向每90°布置一個。溫度計布置在YOKE上下左右不同的位置，這樣就能降低YOKE朝向不同對各個應變溫度分布的影響。

圖5 應力計和溫度計的配置和布置

3.2.2YOKE與系泊腿傾角

通過對YOKE系統(tǒng)結構和受力進行分析可知，系泊腿和YOKE的傾角決定了YOKE的姿態(tài)和位置，從而影響YOKE的恢復力。為此，監(jiān)測系統(tǒng)中設置了兩組傾角儀，分別對系泊系統(tǒng)左右兩舷進行監(jiān)測。

3.3環(huán)境監(jiān)測

3.3.1浪流儀

浪流儀的工作原理與安裝示意圖如圖6所示，聲波信號沿著相同的波束被發(fā)送/接收，根據(jù)多普勒原理將水中的懸浮粒子的流速流向計算出來，測量的流速為該水層的平均流速[8]。一臺設備即可測量海流剖面和海浪參數(shù)，附帶壓力傳感器輔助測量浪高，確定波浪測量期間的瞬時水位，為波面聲跟蹤提供參考位置。

圖6 浪流儀的工作原理與安裝示意圖

浪流儀特點：同時測量海流剖面、波浪方向譜、波浪參數(shù)和潮位；波向分辨率較高，分辨從多方向相同頻率的波浪；截斷頻率高，可測高頻波浪；大風時，由于海面下氣泡層的影響會降低其測量浪高的性能。

浪流儀性能指標：水深剖面最大可達128層(一般20～40層)，最大流速10m/s(600kHz)；剖面范圍0～50m(600kHz)，0～120m(300kHz)；波浪測量范圍10m，最大浪高35m；波周期最大30s。

3.3.2風速風向儀

超聲波風速風向儀的工作原理是利用超聲波時差法來實現(xiàn)風速的測量。時差法超聲波流量計的原理是利用超聲波在流體中順/逆流傳播速度的變化，引起超聲波的傳播時間變化，根據(jù)這兩個時間來測量流速進而計算出流量[9]。超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速函數(shù)對應，通過計算即可得到精確的風速和風向。

本系統(tǒng)采用二維超聲波風速計，無可動部件，無需在現(xiàn)場校準。可根據(jù)情況選擇頭部加熱裝置確保不結冰或積雪，以適應惡劣天氣環(huán)境。可實現(xiàn)模擬或數(shù)字輸出。為得到穩(wěn)定準確的風速數(shù)據(jù)，風速計應安裝在盡可能高的位置，以減少障礙物對風的影響[10]，如圖7所示。

3.4實時視頻監(jiān)測

采用一套CCTV監(jiān)測YOKE和系泊腿的運動狀態(tài)。CCTV包含兩個攝像頭(隔爆型)、一個顯示器和一臺網(wǎng)絡硬盤錄像機。通過CCTV的兩個攝像頭，可以獲得YOKE狀態(tài)的視覺信息。攝像頭可以在黑夜昏暗的情況下正常工作。攝像頭采用云臺控制，實現(xiàn)水平360°連續(xù)、俯仰±90°回轉；控制接口RS485。

圖7 風速風向儀及其安裝示意圖

4 軟件部分

服務器是整套系統(tǒng)的核心，負責采集測量系統(tǒng)/設備的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析處理。通過對FPSO單點系泊系統(tǒng)的模型分析與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)YOKE負載的估計和報警功能。服務器配有磁盤陣列數(shù)據(jù)存儲，保證數(shù)據(jù)的可靠存儲。

通過對數(shù)據(jù)庫技術的應用與數(shù)據(jù)庫的搭建，F(xiàn)PSO監(jiān)測預警系統(tǒng)實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的處理。整套軟件系統(tǒng)包括實時監(jiān)測、實時報警、數(shù)據(jù)預測及數(shù)據(jù)回放等功能。通過風、浪、流等環(huán)境數(shù)據(jù)，系泊系統(tǒng)應力、傾角及FPSO姿態(tài)等關鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)測和實時報警確保及時發(fā)現(xiàn)并處理危險，保證了FPSO單點系統(tǒng)的安全性和工作效率。FPSO監(jiān)測系統(tǒng)的軟件架構和層次架構時序關系如圖8、9所示。

圖8 FPSO監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構框圖

圖 9 系統(tǒng)層次架構時序關系

5 結束語

從FPSO、張力腿平臺(TLP)、半潛及深鋪等特種海工作業(yè)船舶的發(fā)展來看，集成化的船體性能監(jiān)測系統(tǒng)是一種應用趨勢。通過集成監(jiān)測，可以優(yōu)化系統(tǒng)架構、節(jié)約系統(tǒng)投入并提高操作人員的操作效率。FPSO單點系泊系統(tǒng)關系整個FPSO的生產(chǎn)和人員的安全，它集成了監(jiān)測系統(tǒng)，通過可靠的模型分析和系統(tǒng)集成，及時預估系泊系統(tǒng)的性能并提供預警。該系統(tǒng)具有一定的擴展性，可廣泛用于海洋裝備，對保障海上作業(yè)平臺人員和設備的安全，維護平臺穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要意義。

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MonitoringandPre-warningSystemforTower-typeSinglePointMooringFPSO

LIU Jian-fei, ZHAO Qian, WANG Ai-jun, LI Jun

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Single-point mooring is one of important mooring ways for FPSO whose load and movement can be transmitted to the single-point jacket via a soft mooring yoke. In order to increase the safety of FPSO’s single-point mooring, a monitoring system was developed which has the same time frame based to integrate the information like FPSO posture, mooring system’s load and the distance between FPSO and single point mooring so that FPSO performance can be continuously monitored and FPSO mooring system’s condition can be predicted, including FPSO’s risks in operation and having operation advice proposed for it.

single-point mooring, FPSO, integrated monitoring system

TH862

A

1000-3932(2016)03-0289-05

2015-12-30(修改稿)