海上浮式生产储油装置的塔架式单点系泊监测与预警系统

刘俭飞 赵 倩 王爱军 李 俊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海上浮式生产储油装置的塔架式单点系泊监测与预警系统

刘俭飞 赵 倩 王爱军 李 俊

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

单点系泊是海上浮式生产储油装置(FPSO)的重要系泊方式之一，FPSO船体载荷与运动通过软钢臂传递到单点导管架。为了加强FPSO单点系泊的安全性，设计单点系泊监测系统，基于统一的时间标签，集成了包括FPSO姿态、系泊系统负载及FPSO与单点间距等信息，持续监测FPSO的系统性能，预测FPSO系泊系统的状况，可对FPSO在位作业过程中的风险进行预测并提出操作建议。

单点系泊 FPSO 集成监测系统

海上浮式生产储油装置(FPSO)和海洋平台均设有环境监测、GPS定位及姿态测量等，然而这些监测并没有集成的显示和处理单元。尤其是这些数据采用了不同的服务器，而且不是相同的时间标签，无法通过监测数据对事故原因进行分析，也无法通过风浪流等环境数据和姿态信息进行系统性的分析和评价。

单点系泊是FPSO的重要系泊方式之一，通过监测系泊系统的状态，即可对软钢臂(YOKE)受力、船体姿态及风浪流等海况进行监测。为加强FPSO单点系泊的安全性，降低事故风险，设计单点系泊监测系统，持续监测FPSO的系统性能，预测FPSO系泊系统的状况，并对预测的风险提出相应的建议。

1 单点系泊系统

如图1所示，FPSO通过YOKE系泊在单点结构上。单点系泊监测系统由环境监测、运动监测、YOKE应力测量及安防监控闭路电视(CCTV)等组成。

通过分析传感器所采集的数据并结合特定的算法，为管理人员控制系泊系统安全提供参考，并通过对所收集的海量数据进行分析完善，进而依据未来可能遇到的海况和气象状况，对系泊系统的安全状况进行预报。监测系统安装后可实现预定的监测功能并将监测结果与数值进行对比分析。

图1 单点系泊系统示意图

2 系统架构

集成监测系统由运动监测、环境监测、YOKE监测、CCTV和服务器5个模块组成，系统结构如图2所示。环境载荷和FPSO的六自由度运动是引起YOKE式单点系泊恢复力的直接原因[1]，风浪流等环境条件对FPSO的非自主运动起到决定作用。为了对FPSO系泊系统的安全性进行有效监测和分析，需对FPSO的运动位置及环境载荷等信息进行测量。同时对YOKE的结构应力进行监测，并在超出承受极限前进行报警。

图2 集成监测系统结构框图

3 功能模块

3.1运动监测模块

FPSO运动监测系统包含GPS测距、测朝向和六自由度运动测量模块，主要由3个GPS和一个惯性测量单元(IMU)组成，其中一个GPS与测量模块共用。

如图3所示，运动监测子系统通过GPS实时载波相位动态差分测量技术，测取FPSO与单点的间距。其中GPS基站设在系泊单点的最高点，GPS移动站设在FPSO的高点。艏向测量通过FPSO上的两个GPS间距作为基线长度，解算出基线与地理北的夹角。

图3 运动监测子系统框图

横摇和纵摇测量采用IMU，经过导航解算即可计算出载体的纵摇角与横摇角。惯性测量具有自主性强，不受环境和电磁干扰，实时数据更新率高，短期精度及稳定性好等特点。但是由于IMU零偏等误差源的影响，且IMU通过对加速度和角速度积分得到位置和姿态(即导航误差)会随着导航时间的延长而迅速积累。因此，为获得长时间高精度的姿态与定位数据还需进行GPS补偿。FPSO的姿态和艏向由IMU和双GPS(RTK)的组合导航系统进行测量[2]。GPS采用L1和L2双频，应用双星系统，具有良好的可靠性和抗干扰性。

3.2YOKE监测

3.2.1YOKE应力负载

常规应变片具有严重的零漂，高盐、潮湿的海洋环境使得应变片的选材和长期稳定运行成为一项挑战。光纤光栅应变计(FBG)具有精度高、长期稳定可靠、耐潮湿、抗腐蚀、防电磁干扰、传输损耗小、灵敏度高及分辨率高等突出特点，并且能够实现远距离遥控监测。FBG弥补了电阻应变片的诸多缺陷，且长距离传输对于光纤中心波长没有影响，因此最终选取光纤光栅应变计作为FPSO YOKE系泊应力监测的主要手段。

YOKE应力由FBG测量，并由光纤光栅解调器解算传感器传输的光纤信号。本系统总计采用32个光纤光栅应变计，分别测量YOKE和系泊腿的结构应力。解调仪为8个光通道，每个通道有4个光纤光栅应变计。传感器具有内部温度补偿功能，可减小温度不稳定性对设备性能的影响[3～5]。光纤光栅应变计的工作原理如图4所示。

中心波长λΒ会受到光栅区域的物理或机械特性变化的影响。λΒ随着温度和应变的变化而变化。通过对反射/透射中心波长的测量，即可获得外界环境参数。

图4 光纤光栅应变计工作原理

由于一个应变的损坏会影响串联的后续传感器的数据传递，每个通道的应变计不应过多。若一条通道的应变计数量很多，可考虑环路测量方式，容忍环路断开一处[6，7]。

应力计布置在可能的应力薄弱处，而温度计的布置则应考虑温度分布，尽量消除温度分布不均的影响。如图5所示，单点系泊监测系统中应力计布置在YOKE两端，并沿YOKE径向每90°布置一个。温度计布置在YOKE上下左右不同的位置，这样就能降低YOKE朝向不同对各个应变温度分布的影响。

图5 应力计和温度计的配置和布置

3.2.2YOKE与系泊腿倾角

通过对YOKE系统结构和受力进行分析可知，系泊腿和YOKE的倾角决定了YOKE的姿态和位置，从而影响YOKE的恢复力。为此，监测系统中设置了两组倾角仪，分别对系泊系统左右两舷进行监测。

3.3环境监测

3.3.1浪流仪

浪流仪的工作原理与安装示意图如图6所示，声波信号沿着相同的波束被发送/接收，根据多普勒原理将水中的悬浮粒子的流速流向计算出来，测量的流速为该水层的平均流速[8]。一台设备即可测量海流剖面和海浪参数，附带压力传感器辅助测量浪高，确定波浪测量期间的瞬时水位，为波面声跟踪提供参考位置。

图6 浪流仪的工作原理与安装示意图

浪流仪特点：同时测量海流剖面、波浪方向谱、波浪参数和潮位；波向分辨率较高，分辨从多方向相同频率的波浪；截断频率高，可测高频波浪；大风时，由于海面下气泡层的影响会降低其测量浪高的性能。

浪流仪性能指标：水深剖面最大可达128层(一般20～40层)，最大流速10m/s(600kHz)；剖面范围0～50m(600kHz)，0～120m(300kHz)；波浪测量范围10m，最大浪高35m；波周期最大30s。

3.3.2风速风向仪

超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。时差法超声波流量计的原理是利用超声波在流体中顺/逆流传播速度的变化，引起超声波的传播时间变化，根据这两个时间来测量流速进而计算出流量[9]。超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应，通过计算即可得到精确的风速和风向。

本系统采用二维超声波风速计，无可动部件，无需在现场校准。可根据情况选择头部加热装置确保不结冰或积雪，以适应恶劣天气环境。可实现模拟或数字输出。为得到稳定准确的风速数据，风速计应安装在尽可能高的位置，以减少障碍物对风的影响[10]，如图7所示。

3.4实时视频监测

采用一套CCTV监测YOKE和系泊腿的运动状态。CCTV包含两个摄像头(隔爆型)、一个显示器和一台网络硬盘录像机。通过CCTV的两个摄像头，可以获得YOKE状态的视觉信息。摄像头可以在黑夜昏暗的情况下正常工作。摄像头采用云台控制，实现水平360°连续、俯仰±90°回转；控制接口RS485。

图7 风速风向仪及其安装示意图

4 软件部分

服务器是整套系统的核心，负责采集测量系统/设备的数据并进行数据分析处理。通过对FPSO单点系泊系统的模型分析与实际监测数据的处理，实现YOKE负载的估计和报警功能。服务器配有磁盘阵列数据存储，保证数据的可靠存储。

通过对数据库技术的应用与数据库的搭建，FPSO监测预警系统实现了大数据的处理。整套软件系统包括实时监测、实时报警、数据预测及数据回放等功能。通过风、浪、流等环境数据，系泊系统应力、倾角及FPSO姿态等关键数据的监测和实时报警确保及时发现并处理危险，保证了FPSO单点系统的安全性和工作效率。FPSO监测系统的软件架构和层次架构时序关系如图8、9所示。

图8 FPSO监测系统软件架构框图

图 9 系统层次架构时序关系

5 结束语

从FPSO、张力腿平台(TLP)、半潜及深铺等特种海工作业船舶的发展来看，集成化的船体性能监测系统是一种应用趋势。通过集成监测，可以优化系统架构、节约系统投入并提高操作人员的操作效率。FPSO单点系泊系统关系整个FPSO的生产和人员的安全，它集成了监测系统，通过可靠的模型分析和系统集成，及时预估系泊系统的性能并提供预警。该系统具有一定的扩展性，可广泛用于海洋装备，对保障海上作业平台人员和设备的安全，维护平台稳定生产具有重要意义。

[1] 亓俊良.FPSO单点系泊监测系统设计与应用[J].中国海上油气,2014,26(A01):31～34.

[2] 以光衡.惯性导航原理[M].北京:航空工业出版社,1987.

[3] 饶云江,王义平,朱涛.光纤光栅原理及应用[M].北京:科学出版社,2006.

[4] 杨永光，金常青，崔黎宁，等. 安全仪表系统中传感器冗余配置方式的分析[J].石油化工自动化,2014,50(1):14～16.

[5] 黄彩虹,金福江.氧化锆氧传感器电压输出特性模型的研究[J].石油化工自动化,2012,48(6):57～59.

[6] 王伟杰,王晶,刘俭飞.光纤光栅传感器在FPSO单点系泊监测系统中的应用[J].仪器仪表用户,2013,(3):56～57.

[7] 耿淑伟,余有龙.光纤光栅时分复用传感系统[J].哈尔滨工业大学学报,2002,34(2):204～206.

[8] DNV-RP-C205,Environmental Conditions and Environmental Loads[S].Norway Oslo:Norske Veritas,2007.

[9] 李广峰,刘昉,高勇.超声波流量计的高精度测量技术[J].仪器仪表学报,2001,22(6):644～647.

[10] 王保强,李一丁.超声波风速风向检测技术的研究[J].声学技术,2008,27(4):1～5.

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)