水文气象监测系统在某海洋石油平台的应用

尚魁 (中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

开展近海海洋综合调查与评价工作，是我国“实施海洋开发”战略的基础性工作。海洋中蕴藏着丰富的资源，发生着错综复杂的自然现象，这些自然现象又对近海区域如海岸带、海岛等的变迁、气候、生态生物、社会人文、经济发展乃至军事设施产生着巨大的影响。只有准确、可靠、系统地获取海洋调查数据，才能把浩瀚、奥秘的海洋和对近海区域的影响“数字化”“透明化”，从而对海洋环境作出科学、合理、准确地评价，为海洋经济发展、海洋开发利用、海洋减灾防灾、海洋环境保护、海洋权益维护和海洋可持续发展提供科学的数据和信息依据[1]。文章主要介绍的水文气象监测系统旨在依托海洋石油平台，获取长时间序列的风、浪、流、温盐、泥温等基础参数，并通过数据分析，数值模拟等科学方法对实测数据进行处理，得出监测海域的海洋动力环境特征，包括风、浪、流等要素的平均值、有效值、极值等。而这些参数又是海洋石油开发、海洋工程等领域的基础数据。通过长期的观测和数据积累，可以更准确地掌握海域特征，提出更优化、合理的设计方案，节省建造费用，并在一定程度上可以为现场提供安全、生产等方面的指导意见，降低风险因素，确保平台运行稳定。历史上，海洋石油也出现过因极端天气或海况导致的安全事故，而在事故发生后，由于监测数据的缺失，很难准确地模拟事故发生时的现场条件，对设备设施修复、顺利复产都提出了不小的挑战。而这些基础数据的获取，也对海洋石油长期的长远发展，有着至关重要的意义，只有不断了解海洋特性，才能逐渐从近海走向深海，加快发展海洋石油产业。在国外，这项工作也是海洋石油的重要工作之一。例如在美国的墨西哥湾，美国大气海洋局(NOAA)等政府机构与石油公司(Shell、BP、Chevron等)等企业、学术科研机构等合作开展了墨西哥湾海洋观测系统GCOOS(Gulf of Mexico Coastal Ocean Observing System)。在国内外的很多标准规范中，也对气象和海洋资料的数据长度有一定的要求，如SY/T 10050—2004中提到“对气象和海洋学的资料应有20年的记录”，海油企业标准 Q/HS 3007—2003中提到“对气象和海洋资料，应得到20年的记录数据”。

海洋石油平台水文气象监测系统依托海洋石油平台，采用在线监测方式(在条件允许的情况下)，对监测站点的气象、波浪水位、海流、海水温盐、泥温等监测要素进行长期监测，并记录相关数据，用于后期数据分析处理。

1 设备及功能介绍

海洋监测仪器和技术涉及机械、电子、能源、材料、信息等多学科交叉，涵盖十分广泛的综合性技术领域，海洋监测仪器及技术是指针对海洋环境监、观、勘测的仪器及技术，包括了海洋气象、水文、生态化学、海洋声光物理特性及海洋地质地理勘探类的监测仪器和技术[2]。

1.1 水文气象监测系统介绍

水文气象监测系统主要由气象监测系统、波浪和水位监测系统、海流和海水温盐测量系统、泥温测量系统、电源系统、显示储存通信系统等6部分组成；气象监测系统由能见度传感器、湿度传感器、风向、气压、风速、气温和可编程采集器组成；波浪和水位监测系统由基于雷达测距技术的波浪水位雷达组成；海流剖面监测系统由声学多普勒海流剖面测量仪及绞车悬挂行组成；电源系统由电源充放电控制器、蓄电池组、电压转换器等设备组成，如图1所示。

图1 监测系统框架

1.2 波浪和水位监测系统

(1)波浪和水位雷达，在海洋石油平台的外侧安装，用于测量水位、波向、波高、波长、波周期等参数。

(2)气象站，在海洋石油平台高点处安装，用于测量风向、风速、气压、能见度、相对湿度、气温。

(3)海流和温盐综合测量系统：采用平台悬挂方式进行测量。测量设备固定在钢缆上，海流测量采用1台声学多普勒流速仪(ADCP)和一台单点海流计(DVS)，分别用于测量全水深海流剖面；温盐探头位于水下距海底1～2 m处，用于测量底层水温和盐度。设备测量采用在线方式。每隔2个月回收维护和下载数据一次。

(4)海底泥温探头：埋于海床下1～2 m深处，用于测量海底泥温，采用在线测量方式。

(5)监测系统室内终端，包括工控机，显示器，用于采集和显示监测数据。

(6)后备电池系统，用于在平台断电条件下，对波浪和水位雷达、海底泥温以及气象测量系统提供电源。

(7)系统测量系统均通过电缆连接至平台上的水文气象监测系统控制终端，由平台供电。

1.3 波浪和水位实时监测系统设备功能介绍

波浪水位雷达系统包括3台室外传感器探头和1台设备数据服务器，如图2所示。

图2 数据服务器及探头

波浪水位雷达用于测量波高、波向、波周期、波长、水位等参数。波浪水位雷达系统包含固定底座，底座通过螺栓固定于托架上，托架与平台甲板外沿焊接固定，通过信号线连接到室内处理单元位于中控水文气象监测系统终端机柜内。

雷达探头以固定角度安装，其中中间探头发射面水平，另外两侧探头倾角为15°，三个探头成等边三角形布置。雷达探头的工作模式为C波段雷达，通过发射信号至海面，测得波谱，并在探头内部转换为数字信号，通过RS485方式将测量值传输至数据服务器，服务器根据3个探头的测量结果进行计算分析，得出水位、波高、波向、波周期等相关参数，并通过串口通信传输至数据采集软件。同时服务器支持外接U盘进行数据存储。

1.4 自动气象实时监测系统设备介绍

自动气象实时监测设备主要由风速传感器、风向传感器、气温传感器、气压传感器、湿度传感器等组成，用于测量风速风向、气温、气压、相对湿度、能见度。其中风速风向传感器安装在平台生活楼顶层甲板，与平台通讯系统风速风向仪共用一个支架。在传感器上有一个N的标记必须指向正北方；传感器套头部分避免磕碰以免造成损坏。

1.5 海流和温盐测量系统设备的组成和功能

海流和温盐监测系统设备主要包括剖面仪ADCP、单点海流计DVS、温盐传感器组成。它们采用平台吊挂方式进行，吊挂系统由绞车、定滑轮、钢缆、锚系重物、测量设备等组成，如图3所示。在甲板外侧加装安放绞车的小平台，在其上方+29.8 m标高的甲板同侧加装绞车吊挂平台，系统绞车安装于中层+25.8 m平台西侧外扩小平台。钢缆从绞车引出后绕过位于+29.8 m平台的定滑轮后入海，底部另一端悬挂锚系重块。系统布放后，重块坠底与海面接触，钢缆在锚系重物拉力作用下拉直。海流监测设备包括1台ADCP全剖面海流计和1台单点海流计DVS，温盐监测设备为SBE37温盐探头，测量设备附着于钢缆上。测量设备采用在线传输工作，通过设备内部电池及平台电源供电，数据自存并定时发送，可以在设备定期维护时，更换电池，下载数据。

图3 海流和温盐监测结构示意图

ADCP根据频率不同，可测量200～1 500 m水深以内的不同层的海流流速、流向数据。DVS可测量探头2.5 m之内的海流数据，一般用于底流观测，对ADCP的剖面数据进行补充。温盐传感器是高精度自容式温度传感器，内含内置电源和非易失性存储器，使用环境最深可至250 m。海流计、温盐传感器一般均采用自容存储方式，定期从水下回收更换内部电池，并读取采集数据。

在系统设备维护和回收时，通过绞车提拉底部重块，将设备提升至外扩小平台高度，操作人员位于外扩平台，将设备拆卸至甲板后进行维护工作。重新布放时，将设备重新固定至钢缆指定位置，通过绞车将重块重新布放至海底，确保监测设备处于既定的测量深度。

1.6 海底泥温测量系统设备功能

海底泥温测量系统主要设备为泥温传感器，泥温探头安装一般随导管架出海前进行固定施工，并连接电缆至导管架顶部水密护盒内，待平台海上安装完毕后，进行电缆连接测试。信号直接接入计算机数据采集软件。

海底泥温测量，将在平台泥线以下1.5 m的位置，选择与阴极保护监测系统相同的桩腿进行设备安装。泥温传感器采取在线测量的方式进行安装，设备配套电缆与阴极保护监测系统共用电缆护管。泥温传感器预制好安装保护盒，保护盒在导管架建造期间需要安装至导管架指定位置。保护盒预留一段电缆护管，用于与阴极保护监测系统护管进行焊接对接，这需要阴极保护监测系统的电缆护管延伸至距防沉板约30 cm处。泥温护盒预留的电缆护管穿过防沉板，确保泥温传感器能够伸入泥面以下。除泥温探头外，其余电缆部分均为水密状态，电缆穿过护管后，需在电缆护管顶部安装一电缆护盒，将预留的对接电缆放置于护盒内，并做水密处理。在平台组块安装完成后从护盒内取出电缆与组块部分进行对接。

1.7 系统供电

电源系统分为供电系统和蓄电池系统两部分。

供电系统包括外部接入工控机柜的220VAC电源，直流稳压电源系统输出的12VDC，24VDC电源。220VAC电源用于工控机供电，直流稳压电源输入电压和蓄电池充放电控制器输入电压，如图4所示。

图4 系统供电示意图

12VDC主要是气象站系统传感器设备、泥温传感器、温盐传感器(在线模式)供电电压，24VDC为波浪水位雷达、ADCP(在线模式)，DVS(在线模式)设备的供电电源。

蓄电池系统包括充放电控制器及20块1.2V的镍铬碱性蓄电池组。整套系统在220VAC电源正常供电时，控制器向蓄电池组充电。在220VAC断电情况下，蓄电池释放电量，提供12VDC和24VDC，用于传感器工作电源。

1.8 数据采集系统

水文气象系统的数据采集系统安装于机柜内的工控机电脑内。工控机内配备MOXA多串口转换卡，用于接入气象站、雷达数据服务器、泥温、温盐(在线模式)、海流(在线模式)等设备的串口数据信号，并进行信号分析处理，数据显示，数据存储，数据转发等功能。

工控机柜内装有数据采集软件。通过点击菜单栏【数据查看】下拉菜单中的仪表盘显示、文本显示、列表显示进入各个数据查看界面，常用的数据查看界面是仪表盘显示界面，如图5所示。仪表盘显示界面中左上显示了当前平台的名称，下面的区域会加载当前平台的各个采集系统，系统收到各个采集系统传过来的数据会在仪表盘上显示，指示灯表示了该系统的数据通信情况，绿色表示在一定时间内都有新的数据传过来，红色表示很长时间没有数据传过来或者传过来的数据一直是不变的。

图5 运行界面

软件同时会在硬盘下存储实时采集数据，一般在D盘或者E盘根目录下包含“Data”文件夹，按子系统存储相关采集数据，文件夹内的数据以24小时为存储间隔产生一个存储文件。可通过查询数据文件夹内数据对系统运行状态进行检查。

1.9 显示储存通信终端系统

该系统包括显示器和计算机，其与气象数据采集器和波浪水位雷达采集器均安装在一个控制机柜内。显示器和计算机由平台220VAC供电，气象数据采集器以及波浪水位雷达采集器由后备电源供电。机柜安装在中甲板中控室。

2 日常使用及维护

目前海上安装的设备使用良好，运行稳定，维护成本较低，主要是日常的巡检、定期对设备现场设备和显示单元进行维护保养。

2.1 海流、海水温盐系统维护

工作内容：对海流、海水温盐系统进行季度维护，回收水文气象数据，确保水文气象设备正常工作。

2.2 设备保养

绞车：打磨，刷油漆，给钢缆打黄油；拧紧松动部件，补齐脱落件。

控制箱：更换密封圈，更换按钮，用干抹布清理干净，放置干燥剂。

波浪水位雷达：对雷达进行季度维护，回收雷达数据，确保雷达设备正常工作。室外雷达探头清洗；雷达Server时钟校准，配置文件更新维护；导出雷达内部存储数据，并检查数据质量；重新布置存储卡。

泥温系统监测：检测泥温探头供电电压及反馈信号。

数据采集系统：对数据采集系统进行季度维护，回收水文气象数据。

3 结语

海洋水文监测系统具备测量精度高、误差小，功耗低等优点，便于海上作业者及时了解海洋环境参数，了解周围海况等信息，提升极端天气情况的处置能力。