海上浮式生產儲油裝置的塔架式單點系泊監測與預警系統

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)

海上浮式生產儲油裝置的塔架式單點系泊監測與預警系統

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儲油裝置(FPSO)的重要系泊方式之一，FPSO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，設計單點系泊監測系統，基于統一的時間標簽，集成了包括FPSO姿態、系泊系統負載及FPSO與單點間距等信息，持續監測FPSO的系統性能，預測FPSO系泊系統的狀況，可對FPSO在位作業過程中的風險進行預測并提出操作建議。

單點系泊 FPSO 集成監測系統

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

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

1 單點系泊系統

如圖1所示，FPSO通過YOKE系泊在單點結構上。單點系泊監測系統由環境監測、運動監測、YOKE應力測量及安防監控閉路電視(CCTV)等組成。

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

圖1 單點系泊系統示意圖

2 系統架構

集成監測系統由運動監測、環境監測、YOKE監測、CCTV和服務器5個模塊組成，系統結構如圖2所示。環境載荷和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]，風浪流等環境條件對FPSO的非自主運動起到決定作用。為了對FPSO系泊系統的安全性進行有效監測和分析，需對FPSO的運動位置及環境載荷等信息進行測量。同時對YOKE的結構應力進行監測，并在超出承受極限前進行報警。

圖2 集成監測系統結構框圖

3 功能模塊

3.1運動監測模塊

FPSO運動監測系統包含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，運動監測子系統通過GPS實時載波相位動態差分測量技術，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 運動監測子系統框圖

橫搖和縱搖測量采用IMU，經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，不受環境和電磁干擾，實時數據更新率高，短期精度及穩定性好等特點。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(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與定位數據還需進行GPS補償。FPSO的姿態和艏向由IMU和雙GPS(RTK)的組合導航系統進行測量[2]。GPS采用L1和L2雙頻，應用雙星系統，具有良好的可靠性和抗干擾性。

3.2YOKE監測

3.2.1YOKE應力負載

常規應變片具有嚴重的零漂，高鹽、潮濕的海洋環境使得應變片的選材和長期穩定運行成為一項挑戰。光纖光柵應變計(FBG)具有精度高、長期穩定可靠、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，并且能夠實現遠距離遙控監測。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系泊應力監測的主要手段。

YOKE應力由FBG測量，并由光纖光柵解調器解算傳感器傳輸的光纖信號。本系統總計采用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。傳感器具有內部溫度補償功能，可減小溫度不穩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，即可獲得外界環境參數。

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的后續傳感器的數據傳遞，每個通道的應變計不應過多。若一條通道的應變計數量很多，可考慮環路測量方式，容忍環路斷開一處[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，單點系泊監測系統中應力計布置在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的姿態和位置，從而影響YOKE的恢復力。為此，監測系統中設置了兩組傾角儀，分別對系泊系統左右兩舷進行監測。

3.3環境監測

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送/接收，根據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，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對應，通過計算即可得到精確的風速和風向。

本系統采用二維超聲波風速計，無可動部件，無需在現場校準。可根據情況選擇頭部加熱裝置確保不結冰或積雪，以適應惡劣天氣環境?？蓪崿F模擬或數字輸出。為得到穩定準確的風速數據，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實時視頻監測

采用一套CCTV監測YOKE和系泊腿的運動狀態。CCTV包含兩個攝像頭(隔爆型)、一個顯示器和一臺網絡硬盤錄像機。通過CCTV的兩個攝像頭，可以獲得YOKE狀態的視覺信息。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，實現水平360°連續、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

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

通過對數據庫技術的應用與數據庫的搭建，FPSO監測預警系統實現了大數據的處理。整套軟件系統包括實時監測、實時報警、數據預測及數據回放等功能。通過風、浪、流等環境數據，系泊系統應力、傾角及FPSO姿態等關鍵數據的監測和實時報警確保及時發現并處理危險，保證了FPSO單點系統的安全性和工作效率。FPSO監測系統的軟件架構和層次架構時序關系如圖8、9所示。

圖8 FPSO監測系統軟件架構框圖

圖 9 系統層次架構時序關系

5 結束語

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

[1] 亓俊良.FPSO單點系泊監測系統設計與應用[J].中國海上油氣,2014,26(A01):31～34.

[2] 以光衡.慣性導航原理[M].北京:航空工業出版社,1987.

[3] 饒云江,王義平,朱濤.光纖光柵原理及應用[M].北京:科學出版社,2006.

[4] 楊永光，金常青，崔黎寧，等. 安全儀表系統中傳感器冗余配置方式的分析[J].石油化工自動化,2014,50(1):14～16.

[5] 黃彩虹,金福江.氧化鋯氧傳感器電壓輸出特性模型的研究[J].石油化工自動化,2012,48(6):57～59.

[6] 王偉杰,王晶,劉儉飛.光纖光柵傳感器在FPSO單點系泊監測系統中的應用[J].儀器儀表用戶,2013,(3):56～57.

[7] 耿淑偉,余有龍.光纖光柵時分復用傳感系統[J].哈爾濱工業大學學報,2002,34(2):204～206.

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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)