水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某海洋石油平臺(tái)的應(yīng)用

尚魁 (中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

開展近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)工作，是我國(guó)“實(shí)施海洋開發(fā)”戰(zhàn)略的基礎(chǔ)性工作。海洋中蘊(yùn)藏著豐富的資源，發(fā)生著錯(cuò)綜復(fù)雜的自然現(xiàn)象，這些自然現(xiàn)象又對(duì)近海區(qū)域如海岸帶、海島等的變遷、氣候、生態(tài)生物、社會(huì)人文、經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至軍事設(shè)施產(chǎn)生著巨大的影響。只有準(zhǔn)確、可靠、系統(tǒng)地獲取海洋調(diào)查數(shù)據(jù)，才能把浩瀚、奧秘的海洋和對(duì)近海區(qū)域的影響“數(shù)字化”“透明化”，從而對(duì)海洋環(huán)境作出科學(xué)、合理、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)，為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋開發(fā)利用、海洋減災(zāi)防災(zāi)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋權(quán)益維護(hù)和海洋可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的數(shù)據(jù)和信息依據(jù)[1]。文章主要介紹的水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在依托海洋石油平臺(tái)，獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的風(fēng)、浪、流、溫鹽、泥溫等基礎(chǔ)參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)分析，數(shù)值模擬等科學(xué)方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出監(jiān)測(cè)海域的海洋動(dòng)力環(huán)境特征，包括風(fēng)、浪、流等要素的平均值、有效值、極值等。而這些參數(shù)又是海洋石油開發(fā)、海洋工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過長(zhǎng)期的觀測(cè)和數(shù)據(jù)積累，可以更準(zhǔn)確地掌握海域特征，提出更優(yōu)化、合理的設(shè)計(jì)方案，節(jié)省建造費(fèi)用，并在一定程度上可以為現(xiàn)場(chǎng)提供安全、生產(chǎn)等方面的指導(dǎo)意見，降低風(fēng)險(xiǎn)因素，確保平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定。歷史上，海洋石油也出現(xiàn)過因極端天氣或海況導(dǎo)致的安全事故，而在事故發(fā)生后，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，很難準(zhǔn)確地模擬事故發(fā)生時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)設(shè)備設(shè)施修復(fù)、順利復(fù)產(chǎn)都提出了不小的挑戰(zhàn)。而這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，也對(duì)海洋石油長(zhǎng)期的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，有著至關(guān)重要的意義，只有不斷了解海洋特性，才能逐漸從近海走向深海，加快發(fā)展海洋石油產(chǎn)業(yè)。在國(guó)外，這項(xiàng)工作也是海洋石油的重要工作之一。例如在美國(guó)的墨西哥灣，美國(guó)大氣海洋局(NOAA)等政府機(jī)構(gòu)與石油公司(Shell、BP、Chevron等)等企業(yè)、學(xué)術(shù)科研機(jī)構(gòu)等合作開展了墨西哥灣海洋觀測(cè)系統(tǒng)GCOOS(Gulf of Mexico Coastal Ocean Observing System)。在國(guó)內(nèi)外的很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，也對(duì)氣象和海洋資料的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有一定的要求，如SY/T 10050—2004中提到“對(duì)氣象和海洋學(xué)的資料應(yīng)有20年的記錄”，海油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/HS 3007—2003中提到“對(duì)氣象和海洋資料，應(yīng)得到20年的記錄數(shù)據(jù)”。

海洋石油平臺(tái)水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依托海洋石油平臺(tái)，采用在線監(jiān)測(cè)方式(在條件允許的情況下)，對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的氣象、波浪水位、海流、海水溫鹽、泥溫等監(jiān)測(cè)要素進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，用于后期數(shù)據(jù)分析處理。

1 設(shè)備及功能介紹

海洋監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)涉及機(jī)械、電子、能源、材料、信息等多學(xué)科交叉，涵蓋十分廣泛的綜合性技術(shù)領(lǐng)域，海洋監(jiān)測(cè)儀器及技術(shù)是指針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)、觀、勘測(cè)的儀器及技術(shù)，包括了海洋氣象、水文、生態(tài)化學(xué)、海洋聲光物理特性及海洋地質(zhì)地理勘探類的監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)[2]。

1.1 水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、波浪和水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、海流和海水溫鹽測(cè)量系統(tǒng)、泥溫測(cè)量系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、顯示儲(chǔ)存通信系統(tǒng)等6部分組成；氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由能見度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)向、氣壓、風(fēng)速、氣溫和可編程采集器組成；波浪和水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由基于雷達(dá)測(cè)距技術(shù)的波浪水位雷達(dá)組成；海流剖面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由聲學(xué)多普勒海流剖面測(cè)量?jī)x及絞車懸掛行組成；電源系統(tǒng)由電源充放電控制器、蓄電池組、電壓轉(zhuǎn)換器等設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

1.2 波浪和水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

(1)波浪和水位雷達(dá)，在海洋石油平臺(tái)的外側(cè)安裝，用于測(cè)量水位、波向、波高、波長(zhǎng)、波周期等參數(shù)。

(2)氣象站，在海洋石油平臺(tái)高點(diǎn)處安裝，用于測(cè)量風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、能見度、相對(duì)濕度、氣溫。

(3)海流和溫鹽綜合測(cè)量系統(tǒng)：采用平臺(tái)懸掛方式進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量設(shè)備固定在鋼纜上，海流測(cè)量采用1臺(tái)聲學(xué)多普勒流速儀(ADCP)和一臺(tái)單點(diǎn)海流計(jì)(DVS)，分別用于測(cè)量全水深海流剖面；溫鹽探頭位于水下距海底1～2 m處，用于測(cè)量底層水溫和鹽度。設(shè)備測(cè)量采用在線方式。每隔2個(gè)月回收維護(hù)和下載數(shù)據(jù)一次。

(4)海底泥溫探頭：埋于海床下1～2 m深處，用于測(cè)量海底泥溫，采用在線測(cè)量方式。

(5)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)室內(nèi)終端，包括工控機(jī)，顯示器，用于采集和顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(6)后備電池系統(tǒng)，用于在平臺(tái)斷電條件下，對(duì)波浪和水位雷達(dá)、海底泥溫以及氣象測(cè)量系統(tǒng)提供電源。

(7)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)均通過電纜連接至平臺(tái)上的水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制終端，由平臺(tái)供電。

1.3 波浪和水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備功能介紹

波浪水位雷達(dá)系統(tǒng)包括3臺(tái)室外傳感器探頭和1臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)器，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)服務(wù)器及探頭

波浪水位雷達(dá)用于測(cè)量波高、波向、波周期、波長(zhǎng)、水位等參數(shù)。波浪水位雷達(dá)系統(tǒng)包含固定底座，底座通過螺栓固定于托架上，托架與平臺(tái)甲板外沿焊接固定，通過信號(hào)線連接到室內(nèi)處理單元位于中控水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端機(jī)柜內(nèi)。

雷達(dá)探頭以固定角度安裝，其中中間探頭發(fā)射面水平，另外兩側(cè)探頭傾角為15°，三個(gè)探頭成等邊三角形布置。雷達(dá)探頭的工作模式為C波段雷達(dá)，通過發(fā)射信號(hào)至海面，測(cè)得波譜，并在探頭內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過RS485方式將測(cè)量值傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)3個(gè)探頭的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，得出水位、波高、波向、波周期等相關(guān)參數(shù)，并通過串口通信傳輸至數(shù)據(jù)采集軟件。同時(shí)服務(wù)器支持外接U盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1.4 自動(dòng)氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備介紹

自動(dòng)氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、氣溫傳感器、氣壓傳感器、濕度傳感器等組成，用于測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、能見度。其中風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝在平臺(tái)生活樓頂層甲板，與平臺(tái)通訊系統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向儀共用一個(gè)支架。在傳感器上有一個(gè)N的標(biāo)記必須指向正北方；傳感器套頭部分避免磕碰以免造成損壞。

1.5 海流和溫鹽測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備的組成和功能

海流和溫鹽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備主要包括剖面儀ADCP、單點(diǎn)海流計(jì)DVS、溫鹽傳感器組成。它們采用平臺(tái)吊掛方式進(jìn)行，吊掛系統(tǒng)由絞車、定滑輪、鋼纜、錨系重物、測(cè)量設(shè)備等組成，如圖3所示。在甲板外側(cè)加裝安放絞車的小平臺(tái)，在其上方+29.8 m標(biāo)高的甲板同側(cè)加裝絞車吊掛平臺(tái)，系統(tǒng)絞車安裝于中層+25.8 m平臺(tái)西側(cè)外擴(kuò)小平臺(tái)。鋼纜從絞車引出后繞過位于+29.8 m平臺(tái)的定滑輪后入海，底部另一端懸掛錨系重塊。系統(tǒng)布放后，重塊墜底與海面接觸，鋼纜在錨系重物拉力作用下拉直。海流監(jiān)測(cè)設(shè)備包括1臺(tái)ADCP全剖面海流計(jì)和1臺(tái)單點(diǎn)海流計(jì)DVS，溫鹽監(jiān)測(cè)設(shè)備為SBE37溫鹽探頭，測(cè)量設(shè)備附著于鋼纜上。測(cè)量設(shè)備采用在線傳輸工作，通過設(shè)備內(nèi)部電池及平臺(tái)電源供電，數(shù)據(jù)自存并定時(shí)發(fā)送，可以在設(shè)備定期維護(hù)時(shí)，更換電池，下載數(shù)據(jù)。

圖3 海流和溫鹽監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

ADCP根據(jù)頻率不同，可測(cè)量200～1 500 m水深以內(nèi)的不同層的海流流速、流向數(shù)據(jù)。DVS可測(cè)量探頭2.5 m之內(nèi)的海流數(shù)據(jù)，一般用于底流觀測(cè)，對(duì)ADCP的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。溫鹽傳感器是高精度自容式溫度傳感器，內(nèi)含內(nèi)置電源和非易失性存儲(chǔ)器，使用環(huán)境最深可至250 m。海流計(jì)、溫鹽傳感器一般均采用自容存儲(chǔ)方式，定期從水下回收更換內(nèi)部電池，并讀取采集數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)和回收時(shí)，通過絞車提拉底部重塊，將設(shè)備提升至外擴(kuò)小平臺(tái)高度，操作人員位于外擴(kuò)平臺(tái)，將設(shè)備拆卸至甲板后進(jìn)行維護(hù)工作。重新布放時(shí)，將設(shè)備重新固定至鋼纜指定位置，通過絞車將重塊重新布放至海底，確保監(jiān)測(cè)設(shè)備處于既定的測(cè)量深度。

1.6 海底泥溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備功能

海底泥溫測(cè)量系統(tǒng)主要設(shè)備為泥溫傳感器，泥溫探頭安裝一般隨導(dǎo)管架出海前進(jìn)行固定施工，并連接電纜至導(dǎo)管架頂部水密護(hù)盒內(nèi)，待平臺(tái)海上安裝完畢后，進(jìn)行電纜連接測(cè)試。信號(hào)直接接入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件。

海底泥溫測(cè)量，將在平臺(tái)泥線以下1.5 m的位置，選擇與陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相同的樁腿進(jìn)行設(shè)備安裝。泥溫傳感器采取在線測(cè)量的方式進(jìn)行安裝，設(shè)備配套電纜與陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共用電纜護(hù)管。泥溫傳感器預(yù)制好安裝保護(hù)盒，保護(hù)盒在導(dǎo)管架建造期間需要安裝至導(dǎo)管架指定位置。保護(hù)盒預(yù)留一段電纜護(hù)管，用于與陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)護(hù)管進(jìn)行焊接對(duì)接，這需要陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電纜護(hù)管延伸至距防沉板約30 cm處。泥溫護(hù)盒預(yù)留的電纜護(hù)管穿過防沉板，確保泥溫傳感器能夠伸入泥面以下。除泥溫探頭外，其余電纜部分均為水密狀態(tài)，電纜穿過護(hù)管后，需在電纜護(hù)管頂部安裝一電纜護(hù)盒，將預(yù)留的對(duì)接電纜放置于護(hù)盒內(nèi)，并做水密處理。在平臺(tái)組塊安裝完成后從護(hù)盒內(nèi)取出電纜與組塊部分進(jìn)行對(duì)接。

1.7 系統(tǒng)供電

電源系統(tǒng)分為供電系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)兩部分。

供電系統(tǒng)包括外部接入工控機(jī)柜的220VAC電源，直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)輸出的12VDC，24VDC電源。220VAC電源用于工控機(jī)供電，直流穩(wěn)壓電源輸入電壓和蓄電池充放電控制器輸入電壓，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)供電示意圖

12VDC主要是氣象站系統(tǒng)傳感器設(shè)備、泥溫傳感器、溫鹽傳感器(在線模式)供電電壓，24VDC為波浪水位雷達(dá)、ADCP(在線模式)，DVS(在線模式)設(shè)備的供電電源。

蓄電池系統(tǒng)包括充放電控制器及20塊1.2V的鎳鉻堿性蓄電池組。整套系統(tǒng)在220VAC電源正常供電時(shí)，控制器向蓄電池組充電。在220VAC斷電情況下，蓄電池釋放電量，提供12VDC和24VDC，用于傳感器工作電源。

1.8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

水文氣象系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝于機(jī)柜內(nèi)的工控機(jī)電腦內(nèi)。工控機(jī)內(nèi)配備MOXA多串口轉(zhuǎn)換卡，用于接入氣象站、雷達(dá)數(shù)據(jù)服務(wù)器、泥溫、溫鹽(在線模式)、海流(在線模式)等設(shè)備的串口數(shù)據(jù)信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)分析處理，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

工控機(jī)柜內(nèi)裝有數(shù)據(jù)采集軟件。通過點(diǎn)擊菜單欄【數(shù)據(jù)查看】下拉菜單中的儀表盤顯示、文本顯示、列表顯示進(jìn)入各個(gè)數(shù)據(jù)查看界面，常用的數(shù)據(jù)查看界面是儀表盤顯示界面，如圖5所示。儀表盤顯示界面中左上顯示了當(dāng)前平臺(tái)的名稱，下面的區(qū)域會(huì)加載當(dāng)前平臺(tái)的各個(gè)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)收到各個(gè)采集系統(tǒng)傳過來的數(shù)據(jù)會(huì)在儀表盤上顯示，指示燈表示了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信情況，綠色表示在一定時(shí)間內(nèi)都有新的數(shù)據(jù)傳過來，紅色表示很長(zhǎng)時(shí)間沒有數(shù)據(jù)傳過來或者傳過來的數(shù)據(jù)一直是不變的。

圖5 運(yùn)行界面

軟件同時(shí)會(huì)在硬盤下存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，一般在D盤或者E盤根目錄下包含“Data”文件夾，按子系統(tǒng)存儲(chǔ)相關(guān)采集數(shù)據(jù)，文件夾內(nèi)的數(shù)據(jù)以24小時(shí)為存儲(chǔ)間隔產(chǎn)生一個(gè)存儲(chǔ)文件?？赏ㄟ^查詢數(shù)據(jù)文件夾內(nèi)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查。

1.9 顯示儲(chǔ)存通信終端系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括顯示器和計(jì)算機(jī)，其與氣象數(shù)據(jù)采集器和波浪水位雷達(dá)采集器均安裝在一個(gè)控制機(jī)柜內(nèi)。顯示器和計(jì)算機(jī)由平臺(tái)220VAC供電，氣象數(shù)據(jù)采集器以及波浪水位雷達(dá)采集器由后備電源供電。機(jī)柜安裝在中甲板中控室。

2 日常使用及維護(hù)

目前海上安裝的設(shè)備使用良好，運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)成本較低，主要是日常的巡檢、定期對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和顯示單元進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

2.1 海流、海水溫鹽系統(tǒng)維護(hù)

工作內(nèi)容：對(duì)海流、海水溫鹽系統(tǒng)進(jìn)行季度維護(hù)，回收水文氣象數(shù)據(jù)，確保水文氣象設(shè)備正常工作。

2.2 設(shè)備保養(yǎng)

絞車：打磨，刷油漆，給鋼纜打黃油；擰緊松動(dòng)部件，補(bǔ)齊脫落件。

控制箱：更換密封圈，更換按鈕，用干抹布清理干凈，放置干燥劑。

波浪水位雷達(dá)：對(duì)雷達(dá)進(jìn)行季度維護(hù)，回收雷達(dá)數(shù)據(jù)，確保雷達(dá)設(shè)備正常工作。室外雷達(dá)探頭清洗；雷達(dá)Server時(shí)鐘校準(zhǔn)，配置文件更新維護(hù)；導(dǎo)出雷達(dá)內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量；重新布置存儲(chǔ)卡。

泥溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)：檢測(cè)泥溫探頭供電電壓及反饋信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行季度維護(hù)，回收水文氣象數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

海洋水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備測(cè)量精度高、誤差小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，便于海上作業(yè)者及時(shí)了解海洋環(huán)境參數(shù)，了解周圍海況等信息，提升極端天氣情況的處置能力。