FPSO原油外输安全保护系统集成设计技术

韦 涛，范 旭，牛志刚

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)



FPSO原油外输安全保护系统集成设计技术

韦 涛，范 旭，牛志刚

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

结合FPSO原油外输安全保护系统的必需性，介绍安全保护系统设计原则，即监测、预测、预警，FPSO原油外输安全保护系统系统构成，船舶位置、姿态、速度与航向角度预测计算原理，以及FPSO、提油船坐标转换方法，通过实际应用说明该系统能够保证原油外输的安全可靠性。

浮式生产储卸油装置；原油外输；安全保护系统；提油船；预警

外输作业是FPSO运营管理中的一部分，属于10项现场高风险作业之一,属于多工种联合作业，一旦出了问题，往往容易造成大的事故及灾难。为了消除外输作业安全隐患，实现外输作业的安全和科学管理，最大限度提高外输作业的安全性[1-2]，需建立一套FPSO原油外输安全保护系统。能够实时显示作业海域环境、船体运动状态，以及外输作业相关参数信息，并对获取的各项外输参数数据进行分析计算，预测船体运动状态，对危险情况进行预警。

1 设计原则

FPSO外输作业安全系统，在中央服务器上运行，以数据库为核心，实现系统的监测、预测、预警三大功能，即：实时显示作业海域环境、船体运动状态及外输作业相关参数信息，对获取的各项外输参数数据进行分析计算，预测船体运动状态，并对危险情况进行预警[3]。

能实时输出FPSO、提油船和拖船在电子海图上的坐标和下一时刻的船体运动趋势。风速风向、浪高浪向、流速流向等信息；输出系泊大缆拉力、FPSO附近AIS信息；输出FPSO与提油船的位置、平动速度和加速度信息；输出FPSO与提油船的航向角、摇动角速度和角加速度等信息[4]。

2 安全保护系统设计

2.1 FPSO原油外输安全保护系统构成

FPSO原油外输安全保护系统构成见图1。

图1 系统功能

系统软件部分主要分为基于数据库的外输作业安全系统软件、手持终端实时数据处理软件、数据采集软件、数据打包推送和数据库后台软件。其中，外输作业安全系统软件具备数据解析、数据存储、数据显示、图形显示、数学模型预测模拟计算、危险状态预警计算、预警显示和参数设置等功能；手持终端实时数据处理软件为Windows7平台运行软件具备数据显示、图形显示等功能，主界面与服务器端相同。系统作业流程见图2[5]。

图2 系统作业流程

2.2 船舶位置、姿态、速度与航向角度预测计算

FPSO原油外输安全保护系统需能够根据风浪流计算、预测船舶位置、姿态、速度与航向角度，以便指导外输作业，计算原理通过最小二乘法曲线拟合以下数据。

1)FPSO的运动状态，包括速度、位置和航向角及姿态。

2)提油船的运动状态，包括速度、位置和航向角及姿态。

3)拖船的运动状态，包括速度、位置和航向角。

4)预测未来1、5、10 min相对距离和相对角度数据。

初始位置取自于船上的GPS组合惯导等所实时采集的数据(如位置和航向角)，作为计算的初始条件。

假设位置、航向角的随一段时间内的风浪变化是有一定的函数关系的。根据许多组观测数据来确定他们的函数曲线，这是曲线拟合问题。根据拟合出的函数曲线就可以外推出某一时刻的数据。

在2个观测量中，往往有1个量的精度比另一个高得多，为简单起见把精度较高的观测量看作没有误差，并把这个观测量选作x，而把所有的误差只认为是y的误差。x和y的函数关系由理论公式给出。

(1)

式中：c1，c2，…，cm为m个要通过观测数据确定的参数。对于每组观测数据(xi，yi)i=1，2，…，N。都对应于xy平面上一个点。若不存在测量误差，则这些数据点都准确落在理论曲线上。只要选取m组测量值代入式(2)，便得到方程组。

(2)

式中：i=1，2，…，m。求m个方程的联立解即得m个参数的数值。显然N

在N>m的情况下，式(2)成为矛盾方程组，不能直接用解方程的方法求得m个参数值，只能用曲线拟合的方法来处理。设测量中不存在着系统误差，或者说已经修正，则y的观测值yi围绕着期望值摆动，其分布为正态分布，则yi的概率密度为

(3)

式中：σi是分布的标准误差。为简便起见，下面用C代表(c1，c2，…，cm)。考虑各次测量是相互独立的，故观测值(y1，y2，…，cN)的似然函数

(4)

取似然函数L最大来估计参数C，应使

(5)

根据式(5)的要求，应有

(6)

从而得到方程组

(7)

2.3 FPSO、提油船坐标转换

系统从提油船/拖船GPS获取的为WGS84坐标系下经纬度坐标，可以根据需要转换为FPSO(基准站)为原点的站心坐标系坐标。其计算流程见图3。

图3 坐标计算流程

3 实际运行效果

目前，该原油外输系统安全保护系统已成功应用于111FPSO，能够实现风速风向、波高波向、流速流向、系泊缆拉力FPSO和提油船的6自由度运动及方位、拖船的方向和位置等外输作业相关参数的监测;并根据监测数据,结合数学模型,预测下一时刻FPSO和提油船的运动趋势;对所监控数据的危险状态，以及船体运动状态预测中可能出现的危险状态进行预警和提示。实时数据和预测数据及实时显示见图4、5。

图4 实时数据

图5 实时显示

4 结论

研究的FPSO原油外输系统通过波、浪、流等海况数据，能够预测船体运动状态，并对危险情况进行预警，该系统成功应用于实船，应用结果表明，该系统能够准确输出FPSO、提油船和拖船在电子海图上的坐标和下一时刻的船体运动趋势，可以保证原油外输过程的安全可靠性。

[1] 王汝岩.渤海湾海上油田原油外输安全监管[J].中国海事,2007(8):39-41.

[2] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程设计指南：第9册 海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计[M].北京:石油工业出版社，2007.

[3] 刘爱侠,荣克佳,张志平.FPSO原油外输系统研究[J].中国造船,2010,8(51):71-75.

[4] 戴兴良,吴军,黄维.150 000 t FPSO的尾部外输油系统[J].船舶,2000(6):36-39.

[5] 汤庸.结构化与面向对象软件方法[M].西安：中国长安出版社，1998.

[6] 张海藩，吕云翔.软件工程[M].北京：人民邮电出版社，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

工信部项目([2012]533号)

韦涛(1975—)，男，学士，工程师

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0039-03

修回日期：2016-08-10

研究方向:FPSO外输设计

E-mail:weitao4@cnooc.com.cn