FPSO原油外輸安全保護(hù)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)

韋 濤，范 旭，牛志剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452)

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FPSO原油外輸安全保護(hù)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)

韋 濤，范 旭，牛志剛

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452)

結(jié)合FPSO原油外輸安全保護(hù)系統(tǒng)的必需性，介紹安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，即監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、預(yù)警，F(xiàn)PSO原油外輸安全保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成，船舶位置、姿態(tài)、速度與航向角度預(yù)測(cè)計(jì)算原理，以及FPSO、提油船坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明該系統(tǒng)能夠保證原油外輸?shù)陌踩煽啃浴?/p>

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置；原油外輸；安全保護(hù)系統(tǒng)；提油船；預(yù)警

外輸作業(yè)是FPSO運(yùn)營(yíng)管理中的一部分，屬于10項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)之一,屬于多工種聯(lián)合作業(yè)，一旦出了問(wèn)題，往往容易造成大的事故及災(zāi)難。為了消除外輸作業(yè)安全隱患，實(shí)現(xiàn)外輸作業(yè)的安全和科學(xué)管理，最大限度提高外輸作業(yè)的安全性[1-2]，需建立一套FPSO原油外輸安全保護(hù)系統(tǒng)。能夠?qū)崟r(shí)顯示作業(yè)海域環(huán)境、船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及外輸作業(yè)相關(guān)參數(shù)信息，并對(duì)獲取的各項(xiàng)外輸參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，預(yù)測(cè)船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警。

1 設(shè)計(jì)原則

FPSO外輸作業(yè)安全系統(tǒng)，在中央服務(wù)器上運(yùn)行，以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、預(yù)警三大功能，即：實(shí)時(shí)顯示作業(yè)海域環(huán)境、船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及外輸作業(yè)相關(guān)參數(shù)信息，對(duì)獲取的各項(xiàng)外輸參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，預(yù)測(cè)船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警[3]。

能實(shí)時(shí)輸出FPSO、提油船和拖船在電子海圖上的坐標(biāo)和下一時(shí)刻的船體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。風(fēng)速風(fēng)向、浪高浪向、流速流向等信息；輸出系泊大纜拉力、FPSO附近AIS信息；輸出FPSO與提油船的位置、平動(dòng)速度和加速度信息；輸出FPSO與提油船的航向角、搖動(dòng)角速度和角加速度等信息[4]。

2 安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 FPSO原油外輸安全保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

FPSO原油外輸安全保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)軟件部分主要分為基于數(shù)據(jù)庫(kù)的外輸作業(yè)安全系統(tǒng)軟件、手持終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)打包推送和數(shù)據(jù)庫(kù)后臺(tái)軟件。其中，外輸作業(yè)安全系統(tǒng)軟件具備數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)模擬計(jì)算、危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警計(jì)算、預(yù)警顯示和參數(shù)設(shè)置等功能；手持終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件為Windows7平臺(tái)運(yùn)行軟件具備數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示等功能，主界面與服務(wù)器端相同。系統(tǒng)作業(yè)流程見(jiàn)圖2[5]。

圖2 系統(tǒng)作業(yè)流程

2.2 船舶位置、姿態(tài)、速度與航向角度預(yù)測(cè)計(jì)算

FPSO原油外輸安全保護(hù)系統(tǒng)需能夠根據(jù)風(fēng)浪流計(jì)算、預(yù)測(cè)船舶位置、姿態(tài)、速度與航向角度，以便指導(dǎo)外輸作業(yè)，計(jì)算原理通過(guò)最小二乘法曲線擬合以下數(shù)據(jù)。

1)FPSO的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括速度、位置和航向角及姿態(tài)。

2)提油船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括速度、位置和航向角及姿態(tài)。

3)拖船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括速度、位置和航向角。

4)預(yù)測(cè)未來(lái)1、5、10 min相對(duì)距離和相對(duì)角度數(shù)據(jù)。

初始位置取自于船上的GPS組合慣導(dǎo)等所實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)(如位置和航向角)，作為計(jì)算的初始條件。

假設(shè)位置、航向角的隨一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)浪變化是有一定的函數(shù)關(guān)系的。根據(jù)許多組觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定他們的函數(shù)曲線，這是曲線擬合問(wèn)題。根據(jù)擬合出的函數(shù)曲線就可以外推出某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)。

在2個(gè)觀測(cè)量中，往往有1個(gè)量的精度比另一個(gè)高得多，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)把精度較高的觀測(cè)量看作沒(méi)有誤差，并把這個(gè)觀測(cè)量選作x，而把所有的誤差只認(rèn)為是y的誤差。x和y的函數(shù)關(guān)系由理論公式給出。

(1)

式中：c1，c2，…，cm為m個(gè)要通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)確定的參數(shù)。對(duì)于每組觀測(cè)數(shù)據(jù)(xi，yi)i=1，2，…，N。都對(duì)應(yīng)于xy平面上一個(gè)點(diǎn)。若不存在測(cè)量誤差，則這些數(shù)據(jù)點(diǎn)都準(zhǔn)確落在理論曲線上。只要選取m組測(cè)量值代入式(2)，便得到方程組。

(2)

式中：i=1，2，…，m。求m個(gè)方程的聯(lián)立解即得m個(gè)參數(shù)的數(shù)值。顯然N

在N>m的情況下，式(2)成為矛盾方程組，不能直接用解方程的方法求得m個(gè)參數(shù)值，只能用曲線擬合的方法來(lái)處理。設(shè)測(cè)量中不存在著系統(tǒng)誤差，或者說(shuō)已經(jīng)修正，則y的觀測(cè)值yi圍繞著期望值擺動(dòng)，其分布為正態(tài)分布，則yi的概率密度為

(3)

式中：σi是分布的標(biāo)準(zhǔn)誤差。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，下面用C代表(c1，c2，…，cm)。考慮各次測(cè)量是相互獨(dú)立的，故觀測(cè)值(y1，y2，…，cN)的似然函數(shù)

(4)

取似然函數(shù)L最大來(lái)估計(jì)參數(shù)C，應(yīng)使

(5)

根據(jù)式(5)的要求，應(yīng)有

(6)

從而得到方程組

(7)

2.3 FPSO、提油船坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)從提油船/拖船GPS獲取的為WGS84坐標(biāo)系下經(jīng)緯度坐標(biāo)，可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為FPSO(基準(zhǔn)站)為原點(diǎn)的站心坐標(biāo)系坐標(biāo)。其計(jì)算流程見(jiàn)圖3。

圖3 坐標(biāo)計(jì)算流程

3 實(shí)際運(yùn)行效果

目前，該原油外輸系統(tǒng)安全保護(hù)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于111FPSO，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向、波高波向、流速流向、系泊纜拉力FPSO和提油船的6自由度運(yùn)動(dòng)及方位、拖船的方向和位置等外輸作業(yè)相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè);并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)學(xué)模型,預(yù)測(cè)下一時(shí)刻FPSO和提油船的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì);對(duì)所監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的危險(xiǎn)狀態(tài)，以及船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警和提示。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)顯示見(jiàn)圖4、5。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

圖5 實(shí)時(shí)顯示

4 結(jié)論

研究的FPSO原油外輸系統(tǒng)通過(guò)波、浪、流等海況數(shù)據(jù)，能夠預(yù)測(cè)船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于實(shí)船，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確輸出FPSO、提油船和拖船在電子海圖上的坐標(biāo)和下一時(shí)刻的船體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，可以保證原油外輸過(guò)程的安全可靠性。

[1] 王汝巖.渤海灣海上油田原油外輸安全監(jiān)管[J].中國(guó)海事,2007(8):39-41.

[2] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南：第9冊(cè) 海洋石油工程FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2007.

[3] 劉愛(ài)俠,榮克佳,張志平.FPSO原油外輸系統(tǒng)研究[J].中國(guó)造船,2010,8(51):71-75.

[4] 戴興良,吳軍,黃維.150 000 t FPSO的尾部外輸油系統(tǒng)[J].船舶,2000(6):36-39.

[5] 湯庸.結(jié)構(gòu)化與面向?qū)ο筌浖椒╗M].西安：中國(guó)長(zhǎng)安出版社，1998.

[6] 張海藩，呂云翔.軟件工程[M].北京：人民郵電出版社，2013.

Research on the Integrated Design Technology of FPSO Oil Transportation Safety Protection System

WEI Tao, FAN Xu, NIU Zhi-gang

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Tianjin 300452, China)

In light of the necessity of FPSO crude oil transportation safety protection system, the design principles of safety protection system was introduced, that is, monitoring, forecasting and early warning. The composition of the system, the calculation principle of the position, the attitude, the speed and the direction of the ship, and the coordinate conversion method of the FPSO and the oil tanker were analyzed. Practical application of the FPSO crude oil transportation safety protection system showed that the system can ensure the safety and reliability of crude oil transportation.

FPSO; crude oil transportation; safety protection system; oil tanker; early warning

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.010

2016-07-10

工信部項(xiàng)目([2012]533號(hào))

韋濤(1975—)，男，學(xué)士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0039-03

修回日期：2016-08-10

研究方向:FPSO外輸設(shè)計(jì)

E-mail:weitao4@cnooc.com.cn