浮式平臺一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)方案集成

武永鋒，何驍勇，陳勇軍

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南?？?70125；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028；3.迪瑪爾海洋技術(shù)有限公司，北京100085）

0 引 言

隨著海洋傳感器等硬件技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，對深遠(yuǎn)海域作業(yè)的海洋平臺進行現(xiàn)場實時監(jiān)測，是保障平臺人員和財產(chǎn)安全，提高平臺運維管理效率的一項現(xiàn)實可期的重要措施。對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測有利于全面了解平臺的實際狀態(tài)，及時進行安全評估和預(yù)測潛在的失效風(fēng)險。進一步對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析研究可驗證和改善平臺的設(shè)計理念和方法，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提高設(shè)計水平。海洋油氣平臺實時監(jiān)測的開展可追溯到1987 年英國BMT公司在康菲石油公司的Joliet張力腿平臺上安裝的性能監(jiān)測系統(tǒng)［1-3］。2002 年，海洋油氣開發(fā)邁入水深超過1 500 m的超深水區(qū)域，英國石油公司在1 650 m水深的Horn Mountain Spar平臺上配備了一套能同步測量平臺主體結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)響應(yīng)信息的監(jiān)測系統(tǒng)［2-4］。2004 年，美國多家機構(gòu)聯(lián)合成立了“聯(lián)合工業(yè)界項目組”，以Anadarko公司的Marco Polo平臺為基礎(chǔ)，集成了一套海洋監(jiān)測系統(tǒng)，用于驗證深水張力腿平臺的設(shè)計方法等。該系統(tǒng)在監(jiān)測過程中經(jīng)歷了多個颶風(fēng)，完整地記錄了多種重要設(shè)計工況下的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)和平臺響應(yīng)情況［5］。

在我國，海上油氣生產(chǎn)平臺的現(xiàn)場監(jiān)測始于20 世紀(jì)90 年代。最早由中國海洋石油公司和大連理工大學(xué)在多個浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）上安裝部分或局部的環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測和船體姿態(tài)監(jiān)測等設(shè)備，完成了有意義的前期研究和應(yīng)用探索。隨著功能的不斷完善和數(shù)據(jù)的不斷積累，該模式在FPSO、鉆井平臺等裝備上取得了一定的專項應(yīng)用成果。樊哲良等［6］基于長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了淺水環(huán)境下FPSO 的運動。杜宇等［7-8］為“南海挑戰(zhàn)號”半潛式平臺設(shè)計安裝了現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。上海交通大學(xué)海洋工程團隊［9］依托國家科技重大專項研發(fā)了深海平臺安全保障監(jiān)測系統(tǒng)，并在“海洋石油981”鉆井平臺上得到了成功應(yīng)用。馮加果等［10］基于“南海挑戰(zhàn)號”多年的實測數(shù)據(jù)，對環(huán)境、運動和系泊等參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果進行了分析校核，并對我國海洋油氣平臺監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提出了建議。我國南海環(huán)境較為惡劣，對深水浮式平臺的安全性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2021 年6 月安裝于我國南海的1 500 m 級水深陵水氣田的“深海一號”能源站（即陵水半潛式生產(chǎn)儲油平臺）是我國第一座深水浮式生產(chǎn)平臺，其總體性能和關(guān)鍵系統(tǒng)的實時監(jiān)測對保障平臺安全作業(yè)和南海深水裝備的設(shè)計驗證具有重要意義。本文以“深海一號”為研究對象，結(jié)合海洋安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，集成創(chuàng)新，完成一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案，包括監(jiān)測系統(tǒng)布置方案、監(jiān)測設(shè)備要求、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測管理軟件開發(fā)和相關(guān)的智能化預(yù)報決策等。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用包括預(yù)警監(jiān)測、校核監(jiān)測和損害監(jiān)測，可為現(xiàn)場作業(yè)提供決策支持，為事故發(fā)生原因分析提供技術(shù)支持，為平臺完整性管理提供數(shù)據(jù)支持等。半潛式生產(chǎn)儲油平臺一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)包含6 個子系統(tǒng)，分別為海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、平臺位置和姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、浮體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、系泊監(jiān)測系統(tǒng)、立管監(jiān)測系統(tǒng)和壓載控制系統(tǒng)。除了海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、平臺位置和姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以外，系泊和立管等子系統(tǒng)中部分重點結(jié)構(gòu)或器件的內(nèi)部監(jiān)測往往要與具體采用的設(shè)備結(jié)合，各自自成體系，但自主開發(fā)的一體化系統(tǒng)可通過專用接口與這些子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1 一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的組成

2 監(jiān)測設(shè)備及相關(guān)技術(shù)要求

一體化海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所有的設(shè)備儀器都需滿足適應(yīng)海洋環(huán)境的高濕度、高溫度、高鹽度和易腐蝕等要求，能適應(yīng)平臺運動（尤其是傾角和加速度）的要求。對于關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)，為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和冗余性滿足要求，系統(tǒng)需多配置一個相同的監(jiān)測設(shè)備，分別布置在平臺的不同位置處。海洋環(huán)境是造成平臺響應(yīng)的主要因素，其監(jiān)測內(nèi)容主要包括風(fēng)（風(fēng)速和風(fēng)向）、波浪（有義波高、平均周期和平均浪向）、海流（不同水深處的流速和流向）、環(huán)境溫度（空氣和海水）、濕度、海水鹽度、大氣壓和能見度等。風(fēng)不僅影響平臺的運動，而且影響吊機作業(yè)和直升飛機起降。測量風(fēng)速和方向的儀器是風(fēng)速儀，目前使用最多的是超聲波型風(fēng)速計。波浪是造成平臺動態(tài)響應(yīng)和疲勞損害的主要因素。測量波浪高度和周期的儀器主要是X波段雷達等。流不僅影響浮體水下部分，而且影響立管和系泊系統(tǒng)。測量流速和流向的主要儀器是聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP），儀器向水中發(fā)射聲波，聲波在水中產(chǎn)生散射；ADCP 接收散射體的回波信號，通過信號的多普勒效應(yīng)頻移分析計算流速。由于平臺處于深水區(qū)域，需在平臺上安裝1 臺側(cè)置式水平流速儀，用于測量安裝點至水線面的流速和流向；同時，還需安裝1 臺垂直（向下測量）流速儀，用于測量安裝點至海底不同水深處的流速和流向。與海洋環(huán)境相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備和技術(shù)要求等見表1。

表1 與海洋環(huán)境相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備和技術(shù)要求

平臺位置和姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容主要包括平臺6 個自由度的運動和加速度、平臺吃水和上部甲板氣隙。平臺的位置可通過定位系統(tǒng)準(zhǔn)確測量；平臺的水平運動（橫蕩和縱蕩）可通過定位系統(tǒng)監(jiān)測值計算得到；平臺的方位角（艏向）和傾斜角（縱搖和橫搖）可通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）測量。平臺位置和與姿態(tài)相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備及技術(shù)要求等見表2。

表2 平臺位置和與姿態(tài)相關(guān)的監(jiān)測參數(shù)、設(shè)備及技術(shù)要求

浮體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)主要根據(jù)計算分析結(jié)果確定應(yīng)力關(guān)鍵區(qū)域，從而布置傳感器。結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可用于校核計算分析結(jié)果，探測早期結(jié)構(gòu)破壞或惡化情況，估算實際疲勞損害情況和剩余壽命。實際應(yīng)用結(jié)果表明，傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片布置在水下容易失效。近年來，光纖應(yīng)變傳感器因具有靈敏度高、耐腐蝕、頻率高、質(zhì)量輕和抗電磁干擾能力強等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的海洋工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中，尤其是水下監(jiān)測中。光纖布拉格光柵傳感器的光柵陣列數(shù)量一般為2 ～10 個，波長范圍一般為1 510 ～1 590 nm，中心波長偏差為±0.5 pm，波長精度可達到1 pm。

平臺系泊監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的內(nèi)容主要包括頂部張力、平臺頂部鏈?zhǔn)辗砰L度，以及頂部鏈環(huán)停留在止鏈器上的編號和停留時間。系泊纜張力和收放長度監(jiān)測可直接通過系泊系統(tǒng)的起鏈裝置自帶的可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實現(xiàn)。一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)只需提供與PLC 的接口。系泊纜鏈環(huán)停留在止鏈器上的編號和停留時間可通過對系泊纜收放長度的變化進行計算得到，可用于計算系泊纜的長期損害情況和剩余壽命。該系統(tǒng)的監(jiān)測最好是針對每根系泊纜，或每組至少監(jiān)測2 根，以確保冗余和相互校核。

立管是海洋油氣生產(chǎn)的核心部件，尤其是鋼制懸鏈線立管的疲勞損害是平臺完整性管理的重要部分。對于深水立管，監(jiān)測的內(nèi)容主要包括頂部張力、柔性連接頭轉(zhuǎn)角、渦激振動響應(yīng)和疲勞損害等。監(jiān)測設(shè)備包括在關(guān)鍵區(qū)域布置的應(yīng)變片、沿長度方向布置的運動傳感器和在頂部柔性連接頭布置的轉(zhuǎn)角測量計等。對于深水部分的監(jiān)測，需采用聲波傳輸技術(shù)進行信號傳輸，從而避免硬連線帶來的復(fù)雜性。

壓載控制系統(tǒng)用于對所有的壓載艙進行加載和卸載操作。平臺在位作業(yè)時，通過壓載系統(tǒng)調(diào)整平臺姿態(tài)。壓載控制系統(tǒng)主要監(jiān)控所有艙室的液位，以及閥門、泵和水密門／通道等的狀態(tài)等。壓載控制系統(tǒng)一般自成系統(tǒng)，但其監(jiān)控顯示一般需集成到一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)中。

一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)除了監(jiān)測傳感器及附屬設(shè)備設(shè)施（電纜、接線盒和支架等）以外，一般還包括控制室和操作臺設(shè)備，如控制機柜、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、信號調(diào)解器和電源供應(yīng)分配模塊等。為保證平臺在臺風(fēng)撤離期間能采集到重要的環(huán)境和平臺響應(yīng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需配備不間斷電源，供電時間應(yīng)不少于72 h。

3 數(shù)據(jù)采集及存儲方案

半潛式生產(chǎn)平臺一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)將用于收集、顯示和備份／存檔所有子系統(tǒng)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)來自監(jiān)測儀器的模擬信號或數(shù)字信號。布置于機房的服務(wù)器將作為采集主機，備用服務(wù)器作為冷備份主機。儲存在服務(wù)器中的數(shù)據(jù)既包括直接監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、風(fēng)向等，又包括間接計算得到的數(shù)據(jù)，如通過定位系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)計算得到的平臺位移和通過氣隙監(jiān)測的數(shù)據(jù)計算得到的平臺吃水等。為實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和“互聯(lián)網(wǎng)+”數(shù)據(jù)共享，一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與平臺上其他監(jiān)測控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合到一起，形成“平臺數(shù)據(jù)中心”，通過衛(wèi)星通信傳輸給陸基數(shù)據(jù)中心。監(jiān)測系統(tǒng)各設(shè)備的采集頻率一般不同。例如：系泊系統(tǒng)張力含16 個通道，采集頻率為0.5 Hz；平臺姿態(tài)含9 個通道，采集頻率為1 Hz等。實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過基本的過濾清洗操作之后保存在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中，記錄頻率統(tǒng)一為1 Hz。監(jiān)測數(shù)據(jù)的類型一般為浮點數(shù)，存儲小數(shù)點位數(shù)一般根據(jù)測量精度和實際需要而定，例如：溫度和壓力采用1 位小數(shù)；風(fēng)速、流速和浪高等采用2 位小數(shù)；全球定位系統(tǒng)坐標(biāo)至少需要6 位小數(shù)等。

4 智能化功能開發(fā)

半潛式生產(chǎn)平臺對環(huán)境極為敏感，立管安全作業(yè)依賴于系泊系統(tǒng)的完整性。因此，一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)將平臺姿態(tài)預(yù)報功能嵌套集成在軟件中，用于指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)，提升平臺的安全性和可靠性。

姿態(tài)預(yù)報是指基于平臺大量的時域耦合計算統(tǒng)計和擬合結(jié)果，根據(jù)實時監(jiān)測或預(yù)報的環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)估平臺響應(yīng)，從而實現(xiàn)在臺風(fēng)來臨前對平臺惡劣響應(yīng)的預(yù)報和評估，提前做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。預(yù)報結(jié)果為一個中心值，以及在給定的置信度（90%）下的置信區(qū)間，平臺姿態(tài)智能化預(yù)報算法流程具體如下：

1）根據(jù)風(fēng)速和流速，以及平臺環(huán)境荷載系數(shù)、系泊系統(tǒng)剛度曲線等計算平臺姿態(tài)響應(yīng)均值；

2）根據(jù)時域耦合計算統(tǒng)計結(jié)果擬合得到動態(tài)修正系數(shù)和波高計算平臺響應(yīng)；

3）基于預(yù)報與實測數(shù)據(jù)存在差異的歷史數(shù)據(jù)，通過自學(xué)習(xí)得到相應(yīng)的預(yù)估誤差修正系數(shù)，進而得到最終的平臺姿態(tài)預(yù)報結(jié)果。

5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件集成

為避免相互孤立，一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成在一起，通過統(tǒng)一的軟件展示，從而使作業(yè)人員能綜合評價平臺的整體狀態(tài)。該軟件包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示和分析模塊和智能化預(yù)報模塊等3 部分。為使作業(yè)人員對平臺實時姿態(tài)有直觀的了解，從而支持作業(yè)決策，該軟件還將對平臺的實時姿態(tài)進行三維動畫顯示。

1）數(shù)據(jù)采集模塊將安裝于機柜的服務(wù)器上，其主要功能將包括：

（1）監(jiān)控每臺傳感器的運行狀態(tài)；

（2）實時對每臺監(jiān)測傳感器進行數(shù)據(jù)采集、過濾和清洗，并將所得結(jié)果同步記錄于數(shù)據(jù)庫中；

（3）定義與平臺相關(guān)的“常量”，并計算“間接”數(shù)據(jù)通道；

（4）對數(shù)據(jù)進行儲存管理和備份存檔管理。

2）數(shù)據(jù)顯示和分析模塊將安裝于操作臺的計算機上，其主要功能包括：

（1）提供友好的人機交互界面；

（2）對監(jiān)測數(shù)據(jù)用圖像和表格形式進行可視化顯示；

（3）對歷史數(shù)據(jù)進行時間序列顯示和統(tǒng)計分析；

（4）對異常信號進行預(yù)警；

（5）自動產(chǎn)生日報和月報等。

3）智能化預(yù)報模塊與數(shù)據(jù)顯示和分析模塊集成在一起，其主要功能包括：

（1）根據(jù)實測（或預(yù)報）的環(huán)境數(shù)據(jù)和用戶設(shè)置的置信度，通過算法預(yù)估平臺的姿態(tài)中心值和置信區(qū)間；

（2）可視化顯示平臺實際的姿態(tài)和預(yù)估的姿態(tài)；

（3）基于歷史數(shù)據(jù)（預(yù)估姿態(tài)與實測姿態(tài)的差異），通過自學(xué)習(xí)計算得到和保存預(yù)估誤差修正系數(shù)。

6 結(jié) 語

當(dāng)前我國的海上油氣開發(fā)正逐步由淺海走向深海，已開始采用技術(shù)先進的深水浮式生產(chǎn)平臺。一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)是確保深水浮式平臺安全運營的重要裝備之一。本文以我國南海陵水氣田的“深海一號”半潛式生產(chǎn)儲油平臺為研究對象，綜合海洋監(jiān)測技術(shù)和信息技術(shù)，進行了一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案設(shè)計，新增了智能化預(yù)報和決策監(jiān)測軟件模塊。該深遠(yuǎn)海平臺一體化監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)有助于我國海洋平臺監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化信息管理平臺建設(shè)，為海洋工程的科研、設(shè)計、生產(chǎn)、運維和完整性管理提供服務(wù)。