海洋石油采油平臺的溢油監(jiān)測系統(tǒng)

李欣蕾(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著我國海洋石油勘探和開采規(guī)模不斷擴大，海洋鉆井、采油平臺、海底管線逐漸增多，而這些設(shè)備一旦發(fā)生溢油事件，將對海洋環(huán)境造成長遠的永久性影響。因此，在海上生產(chǎn)平臺上布置獨立的溢油監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的，以提高海洋石油平臺溢油事故風(fēng)險監(jiān)控的可視化和時效性，做到“全覆蓋、早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早應(yīng)急”，最大限度避免溢油事故的發(fā)生，最終提升海洋石油平臺的防溢油能力，以及遠程防災(zāi)監(jiān)控和安全預(yù)警能力。

1 溢油監(jiān)測技術(shù)

1.1 概述

海上溢油造成的環(huán)境污染是嚴重的，海上溢油監(jiān)測系統(tǒng)對防止溢油污染具有重要意義。目前海上溢油監(jiān)測的技術(shù)主要有：視頻監(jiān)測、熱成像監(jiān)測、紫外熒光監(jiān)測和遙感監(jiān)測等。

1.2 視頻監(jiān)測技術(shù)

1.2.1 系統(tǒng)原理

視頻監(jiān)視系統(tǒng)(CCTV)是以高清攝像頭監(jiān)控海面、實時錄像，其利用可見光反射可見光波段遙感技術(shù)監(jiān)測海面溢油。目前國內(nèi)外都有成功應(yīng)用的經(jīng)驗，如我國很多港口都建立了視頻溢油監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2.2 系統(tǒng)特點

視頻監(jiān)視系統(tǒng)對于海上溢油的預(yù)警作用有限，目前系統(tǒng)很難識別海面溢油的圖像信息，該溢油監(jiān)測系統(tǒng)通常依靠操作人員的經(jīng)驗判斷識別溢油情況。因此該方法多用于狹窄、特殊海域監(jiān)測，如港區(qū)溢油監(jiān)測。視頻監(jiān)視海面溢油情況時，一般情況下是由現(xiàn)場值班人員通過控制鍵盤對云臺、鏡頭進行遙控，實施對海面現(xiàn)場的跟蹤監(jiān)視。雖然近些年隨著圖像識別技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)測系統(tǒng)也具備了自動識別海上溢油的功能，但其仍在實驗階段。

1.3 熱成像技術(shù)

1.3.1 系統(tǒng)原理

該技術(shù)的監(jiān)測模式所使用的傳感器主要有激光熒光傳感器和電磁能量吸收傳感器，主要是熱像儀，通過熱像儀探測油污與海水的溫差顯示物體圖像輪廓。任何物體只要溫度高于絕對零度(-273℃)都能輻射電磁波。熱成像主要采集熱紅外波段(8～14μm)的光，來探測物體的熱輻射。熱成像把熱輻射轉(zhuǎn)化為灰度值，再利用各物體的灰度值差異來成像，從而發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)。通過先進的圖像處理技術(shù)，對油、海水、設(shè)備進行實時監(jiān)測。

熱成像監(jiān)測方式為視頻監(jiān)測方式的一種，利用熱成像攝像頭，對海面和作業(yè)管道設(shè)備進行實時監(jiān)測和測溫，通過監(jiān)測設(shè)備、海水和油的溫度差異，可對溢油現(xiàn)象進行監(jiān)測，及時報警，可視化應(yīng)用，方便快捷，準(zhǔn)確度高。同時，熱成像監(jiān)測結(jié)合圖像識別技術(shù)，也可以用異物進入差異法，發(fā)現(xiàn)海上溢油。

1.3.2 系統(tǒng)特點

其優(yōu)點是可以實現(xiàn)在線24h全天候、自動溢油監(jiān)測和報警記錄，監(jiān)測的油品種類多。缺點：采用熱成像法時只顯示物體熱輪廓，油污在短時間后會變成與海水溫度一樣，致使探測困難，誤報率高。采用差異法時，需要有全面的數(shù)據(jù)庫進行對比，目前該數(shù)據(jù)庫尚不完整，存在漏報、誤報的可能。

1.4 紫外光誘導(dǎo)熒光技術(shù)

1.4.1 系統(tǒng)原理

紫外光誘導(dǎo)熒光溢油監(jiān)測是基于水面熒光技術(shù)和快速篩選法，主要由脈沖紫外LED燈、接收光學(xué)系統(tǒng)、控制處理電路等組成。采用365nm的脈沖紫外光束可以激發(fā)監(jiān)測水域中的油分子產(chǎn)生熒光，接收光學(xué)系統(tǒng)收集產(chǎn)生的熒光信號作進一步的處理。接收到的信號立即由集成分析控制器軟件進行分析。

1.4.2 系統(tǒng)特點

其優(yōu)點是可以實現(xiàn)在線24h全天候自動溢油監(jiān)測和報警記錄，可監(jiān)測適用的油品種類多，同時可以在復(fù)雜的有機組合物中，以高的靈敏度和高選擇性區(qū)分單個組分的光譜特性。缺點：紫外光監(jiān)測只可定點監(jiān)測、監(jiān)測范圍小，抗干擾能力較差，容易誤報。

1.5 遙感技術(shù)

1.5.1 系統(tǒng)原理

遙感溢油監(jiān)測模式有衛(wèi)星遙感、船舶遙感、飛機遙感和雷達遙感。目前，適用于海上平臺的固定式雷達組網(wǎng)溢油監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)進入應(yīng)用階段，其對油膜的存在是比較敏感的，雷達影像經(jīng)過處理，就能夠辨別出溢油區(qū)域。這是遙感技術(shù)主要的探測手段。雷達波穿透力強，受天氣影響較小，也不受白天黑夜的影響。

1.5.2 系統(tǒng)特點

雷達遙感技術(shù)其優(yōu)點是可以實現(xiàn)在線24 h全天候自動溢油監(jiān)測和報警記錄，不受天氣、視線等影響，更加高效，且探測范圍較大。其缺點為：探測周期長，分辨率低。

1.6 技術(shù)特點對比

溢油監(jiān)測技術(shù)特點對比如表1所示。

2 視頻溢油監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用

視頻溢油監(jiān)測系統(tǒng)主要由高清攝像頭、視頻解碼器、硬盤刻錄機、網(wǎng)絡(luò)交換機、攝像頭控制設(shè)備、圖像分析處理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)設(shè)置的高清攝像頭在滿足海洋環(huán)境及防爆防護要求的前提下，采用數(shù)字量信號傳輸監(jiān)視畫面，同時在平臺上設(shè)置必要的對海照明，為夜間海面監(jiān)視提供光源，以實現(xiàn)在嚴酷環(huán)境和惡劣天氣下，全天實時監(jiān)測。

表1 溢油監(jiān)測技術(shù)特點對比

視頻溢油監(jiān)測系統(tǒng)通過攝像頭監(jiān)視海面溢油情況，其將采集到的信號傳到控制中心，由現(xiàn)場值班人員通過控制鍵盤對云臺、鏡頭進行遙控，實施對現(xiàn)場的跟蹤監(jiān)視，并憑借經(jīng)驗判斷溢油情況。關(guān)于溢油監(jiān)測系統(tǒng)的圖像處理分析功能，設(shè)計時應(yīng)考慮后續(xù)拓展升級的可能，使其有能力將來結(jié)合海上平臺的需要定制開發(fā)相關(guān)軟件，以滿足系統(tǒng)不間斷監(jiān)控、自動監(jiān)測報警及預(yù)警的功能。

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的配置應(yīng)能夠滿足將本地監(jiān)控攝像頭拍攝的圖像進行壓縮處理后，通過網(wǎng)絡(luò)上傳到遠程監(jiān)控中心集中管理、錄像、遠程回放和對講，聯(lián)網(wǎng)的客戶端可以實時監(jiān)控相關(guān)圖像，也可以隨時訪問存儲設(shè)備調(diào)用歷史錄像數(shù)據(jù)回放顯示。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

溢油監(jiān)測系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示，從整體架構(gòu)上可分為三層：油污染數(shù)據(jù)采集(前端探測器設(shè)備)，平臺溢油監(jiān)控管理(平臺上安裝的監(jiān)測軟件)，以及通過現(xiàn)有平臺傳輸手段(微波/衛(wèi)星)將數(shù)據(jù)傳輸至陸地端的調(diào)度、應(yīng)急指揮中心大屏顯示部分，以供決策者進行遠程診斷、處理解決相關(guān)危機事件。

按照現(xiàn)場實際網(wǎng)絡(luò)情況，系統(tǒng)主要采取前端設(shè)備分散安裝、監(jiān)控中心統(tǒng)一監(jiān)控管理模式進行系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

系統(tǒng)前端：是本系統(tǒng)的基層部分，主要包括攝像頭、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。攝像頭安裝在海上平臺的甲板邊沿。

系統(tǒng)后端：配置存儲設(shè)備、服務(wù)器、操作端等設(shè)備，同時配備定制的軟件，對系統(tǒng)前端進行集中控制，前端采集的數(shù)據(jù)、圖像傳輸至系統(tǒng)后端進行分析、處理。

按照溢油監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計技術(shù)方案思路，平臺的重點需要監(jiān)測區(qū)域，比如排污口、采油樹等易發(fā)生溢油區(qū)域進行分階段部署。

圖1 視頻溢油監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)硬件

溢油監(jiān)測系統(tǒng)的硬件在設(shè)計時應(yīng)充分考慮與平臺現(xiàn)有設(shè)備的兼容性及后續(xù)的升級擴展能力，必要時預(yù)留一定的通訊接口和擴容能力，便于后續(xù)的系統(tǒng)功能升級。

2.2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)前端，主要是指高清攝像頭等，其是本系統(tǒng)的基層部分，高清攝像頭如圖3所示。

系統(tǒng)后端：配置存儲設(shè)備、服務(wù)器、操作端等設(shè)備，同時配備定制的軟件，對系統(tǒng)前端進行集中控制，前端采集的圖像傳輸至系統(tǒng)后端進行分析、處理。

綜上所述，常規(guī)溢油監(jiān)測系統(tǒng)的組成如表2所示。

圖2 視頻溢油監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖3 高清攝像頭

表2 溢油監(jiān)測系統(tǒng)的組成

2.2.2 高清攝像頭

設(shè)備主體：采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，適用于海洋環(huán)境以及滿足石化環(huán)境的防爆防護要求。

環(huán)境溫度：能在-45～60℃條件下長時間穩(wěn)定工作，可配置低溫自動加熱功能。

設(shè)備供電：可選擇24VAC或者220VAC 或者12VDC 供電，出廠時支持其中1種。

設(shè)備接線：具備3個出線孔，使用防爆撓性管或鎧裝電纜連接。

設(shè)備安裝：選用電動云臺、半固定支架、基座、立柱、塔架方式安裝。防爆云臺可載重25kg，不銹鋼構(gòu)造，滿足海洋環(huán)境防爆防護要求。能在-45～60℃溫度條件下長時間穩(wěn)定工作。24VAC或220VAC供電，出廠時支持其中一種。具備3.8°/s 的水平轉(zhuǎn)速和垂直轉(zhuǎn)速，最大350°的水平轉(zhuǎn)角，-90°～90°的最大可選的預(yù)置位功能。

2.3 系統(tǒng)基本功能

能夠?qū)ΡO(jiān)測到的畫面進行實時錄像、畫面抓拍、監(jiān)控畫面回放、歷史數(shù)據(jù)查詢等。錄像模式可根據(jù)需要進行設(shè)定，支持手動錄像、定時錄像、報警聯(lián)動錄像、移動偵測錄像等多種錄像方式，并具有預(yù)錄像功能。歷史回放時，可選擇時間、通道等多種方式。

前端設(shè)備能夠同時監(jiān)看多畫面、監(jiān)控畫面放大查看、多路信號分組自動切換顯示。授權(quán)用戶可遠程控制前端設(shè)備的鏡頭變焦、聚焦，云臺轉(zhuǎn)動。監(jiān)控中心安裝有電視墻或其他顯示設(shè)備，各個監(jiān)控點的圖像均可在電視墻的各個屏幕上自由切換顯示。

2.4 設(shè)備遠程管理

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境允許的情況下，本系統(tǒng)支持在任何地方，通過網(wǎng)絡(luò)對各個分現(xiàn)場設(shè)備進行遠程監(jiān)控、遠程設(shè)置、遠程操作，其通過集中控制器傳輸?shù)蕉ㄖ栖浖线M行控制。

2.5 溢油監(jiān)控系統(tǒng)施工技術(shù)要求

2.5.1 監(jiān)控點位布置和選擇

海上平臺溢油監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足24h全天候監(jiān)控，同時需要滿足距離要求，攝像頭視線范圍應(yīng)能覆蓋海上平臺周邊約100～200m范圍。

因此，對于井口平臺和中心平臺等海上生產(chǎn)設(shè)施，應(yīng)將攝像頭安裝在上層甲板，并設(shè)置攝像頭立桿，高度不超過2m。這種情況下，能夠保證攝像頭有良好的監(jiān)控視野，同時在選取監(jiān)控點位時，應(yīng)結(jié)合所選設(shè)備，在滿足監(jiān)控距離、清晰度等前提下，減小盲區(qū)范圍。

綜合考慮平臺結(jié)構(gòu)、攝像頭性能、最終監(jiān)控效果(包括夜間監(jiān)控、監(jiān)控距離等)等因素，攝像頭安裝的建議如下：

(1)在海上平臺上層甲板的四角各設(shè)置1個攝像頭，共計4臺；

(2)有排污口的海上平臺，在平臺最下層甲板的下面安裝1臺或2臺高清攝像頭，監(jiān)測平臺排污口處的海面狀況。

高清攝像頭布置，如圖4所示。

各個點位設(shè)置防爆攝像頭，在安裝調(diào)試過程中，應(yīng)保證在焦距較小、視場較為廣闊的情況下，能夠覆蓋平臺周邊海域。同時，通過點位布置，以首尾相連或者相互照射的方式，消除各個安裝點位的盲區(qū)。在此情況下，一旦監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)溢油情況，可通過手動調(diào)整攝像頭焦距、觀測方向，進行現(xiàn)場情況確認。

另外，在海上浮式生產(chǎn)儲油輪(FPSO)上設(shè)置的高清攝像頭延船身布置，在排污點設(shè)置專門的高清攝像頭，監(jiān)視海面情況，如圖5所示。

圖4 高清攝像頭點位布置圖

圖5 FPSO高清攝像頭點位布置示意圖

2.5.2 信號電纜

在保證傳輸信號穩(wěn)定的情況下，采用6類網(wǎng)線傳輸，距離最好不要超過150m。若平臺監(jiān)控點位距離中控室距離較近，則可以從攝像頭布設(shè)網(wǎng)線至中控室硬盤錄像機中，若較遠則需要設(shè)置中繼器。

另外，采用直接布線的方式，將視頻監(jiān)控信號從前端監(jiān)控點位傳輸至中控室。如選用此種方式，需在前端增加一臺光纖收發(fā)器(光纖收發(fā)器可預(yù)留部分網(wǎng)線接口，供平臺后續(xù)增加攝像頭使用)，攝像頭信號通過網(wǎng)線傳輸至光纖收發(fā)器，而后轉(zhuǎn)為光纖，由光纖收發(fā)器布設(shè)光纖至中控室內(nèi)。

2.5.3 攝像頭安裝方式

攝像頭采用立桿的方式進行安裝，立桿高度為1.5m，以方便平臺人員維保、檢修。立桿底部與甲板外側(cè)進行焊接，立桿中部增加橫撐與甲板欄桿連接，保證立桿穩(wěn)定性。立桿上部焊接底座，使用螺栓將攝像頭與底座相連或者將攝像頭支架與底座焊接在一起，保證攝像頭安裝牢固，如圖6所示。

圖6 攝像頭安裝結(jié)構(gòu)

2.5.4 監(jiān)控端設(shè)備

將溢油監(jiān)測系統(tǒng)的控制機柜和視頻顯示系統(tǒng)放置在中心平臺的中控室內(nèi)，新增機柜的尺寸為800mm×800mm×2100mm(長×寬×高)，用于放置相關(guān)通訊設(shè)備。控制器放置在附近的辦公桌上，便于人員操作，可將顯示器壁掛安裝，顯示畫面如圖7所示。

2.5.5 電氣專業(yè)技術(shù)要求

攝像頭供電電源由布置在中控室內(nèi)的溢油監(jiān)測系統(tǒng)機柜集中供電，同時在現(xiàn)場設(shè)置相應(yīng)的接線箱。溢油監(jiān)測系統(tǒng)的供電由平臺不間斷電源(UPS)裝置或應(yīng)急配電盤提供2路220VAC的線路。

另外，無論是海上平臺或海上浮式生產(chǎn)儲油輪(FPSO)，均需要為每臺高清攝像頭配備專門用于對海面照明的燈光，以保證普通高清攝像頭畫面在夜間依然清晰可見，保證實現(xiàn)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施周邊海域24h的溢油監(jiān)視。對海照明的燈具應(yīng)符合所在區(qū)域的防爆防護要求，并能滿足海洋環(huán)境的適用要求，同時其照明度應(yīng)滿足高清攝像頭夜間工作的要求。

圖7 終端顯示畫面

3 結(jié)語

海洋石油采油平臺溢油監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了海上采油平臺對溢油事故的監(jiān)測能力，便于在異常情況下及時做出應(yīng)對措施，減少環(huán)境污染。隨著技術(shù)的不斷進步，溢油監(jiān)測系統(tǒng)功能也將會更加完善。