浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)

陳經(jīng)鋒

摘 要：在現(xiàn)代海洋油田開發(fā)進(jìn)程中，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）應(yīng)用越來越廣泛。國(guó)家對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)越來越高，對(duì)FPSO的安全監(jiān)控要求也在不斷提高。文昌13-1/2油田針對(duì)“南海奮進(jìn)”FPSO的特點(diǎn)，利用GPS差分定位技術(shù)以及國(guó)際海事衛(wèi)星寬帶通信技術(shù)等高科技手段，成功構(gòu)建了一套FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)全天候（包括臺(tái)風(fēng)撤離無人值守狀態(tài)）在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能，不間斷儲(chǔ)存FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，在提高FPSO裝置安全性能同時(shí)，降低了FPSO位置漂移而導(dǎo)致海底原油管線泄露的風(fēng)險(xiǎn)，也為后續(xù)的FPSO運(yùn)營(yíng)及建造提供詳盡的數(shù)據(jù)參考資料。

關(guān)鍵詞：浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO） 運(yùn)動(dòng)姿態(tài) GPS差分技術(shù) 無人值守

中圖分類號(hào)：U674.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（b）-00-02

海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）（以下簡(jiǎn)稱FPSO）是許多海洋油田的核心，隨著中海油成功建設(shè)“海上大慶”以及開始“二次跨越”建設(shè)的宏偉目標(biāo)，F(xiàn)PSO的數(shù)量在不斷增加，現(xiàn)已遍布渤海及南海海域，F(xiàn)PSO的安全高效運(yùn)營(yíng)管理成為海洋油田管理的重要課題。現(xiàn)代FPSO多采用單點(diǎn)系泊方式（SPM， Single Point Mooring）固定，單點(diǎn)上連接著原油管線以及動(dòng)力電纜等重要設(shè)施。一直以來，我們對(duì)FPSO的整體運(yùn)動(dòng)軌跡以及單點(diǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)位置缺乏有效的數(shù)據(jù)資料以及監(jiān)測(cè)手段，無法快速確認(rèn)FPSO在安全的錨泊范圍內(nèi)，無法快速讀取各種特變氣候?qū)PSO的影響。特別是在FPSO遭遇臺(tái)風(fēng)襲擊時(shí)，作業(yè)人員全部撤離守護(hù)船也駛離后，F(xiàn)PSO脫離了所有人的視線，處于完全失去監(jiān)控的狀態(tài)，無法得知FPSO是否在單點(diǎn)系泊安全區(qū)域內(nèi)，無法獲取臺(tái)風(fēng)吹襲FPSO時(shí)的最大風(fēng)速以及FPSO在臺(tái)風(fēng)下的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，上述問題給相關(guān)決策帶來了很大的困難與挑戰(zhàn)。

近年來GPS定位技術(shù)以及國(guó)際海事衛(wèi)星寬帶通信等高科技手段逐步在海上油田得到應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌握FPSO一年四季在海風(fēng)、海浪、海流等各種天氣海況作用下的水平位移、垂蕩高度、橫搖、縱搖軌跡參數(shù)，對(duì)FPSO的安全管理以及FPSO的工程建造，都起到了十分重要的作用。

該文從文昌13-1/2油田“南海奮進(jìn)”FPSO入手，根據(jù)油田FPSO安全管理的實(shí)際需求，探討FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)所需的GPS差分定位技術(shù)，以及臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣期間無人值守FPSO的海事衛(wèi)星寬帶通信技術(shù)，結(jié)合新建的FPSO單點(diǎn)GPS監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)以及海事衛(wèi)星F站寬帶通信系統(tǒng)，深入分析FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)全天候在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系的優(yōu)點(diǎn)與不足，為提高FPSO的安全運(yùn)營(yíng)管理提供有益的借鑒經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為今后FPSO的設(shè)計(jì)與建造提供寶貴的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料。

1 文昌油田FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)要求

根據(jù)FPSO安全管理要求，結(jié)合“南海奮進(jìn)”FPSO實(shí)際情況，F(xiàn)PSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)要求包括：

（1）以FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的中心經(jīng)緯度位置為基準(zhǔn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄FPSO單點(diǎn)的水平位移、垂直起伏、橫搖、縱搖等動(dòng)態(tài)數(shù)值。

（2）FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)氣象信息同步融合，天氣海況的變化能夠?qū)崟r(shí)反映FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的變化。

（3）FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)值必須具有高精度等級(jí)，測(cè)量誤差達(dá)到以下要求：水平位移小于60 cm，垂直位移小于90 cm，航向偏移小于0.1 °，傾斜角度小于0.1 °。

（4）FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備預(yù)警功能，當(dāng)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)超出預(yù)警閥值后及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，提醒值班人員注意。

（5）FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每天24 h連續(xù)不間斷工作，即使在臺(tái)風(fēng)撤離無人值守期間也能夠?qū)崟r(shí)提取數(shù)據(jù)。

2 FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 DGPS與RBN-DGPS定位技術(shù)

DGPS即差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Position System，簡(jiǎn)稱DGPS），是在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。

DGPS實(shí)際上是把一臺(tái)GPS接收機(jī)放在位置已精確測(cè)定的點(diǎn)上，組成基準(zhǔn)臺(tái)。基準(zhǔn)臺(tái)接收機(jī)通過接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)得并計(jì)算出到衛(wèi)星的偽距，將偽距和已知的精確距離相比較，求得該點(diǎn)在GPS系統(tǒng)中的偽距測(cè)量誤差，再將這些誤差作為修正值以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式通過播發(fā)臺(tái)向周圍空間播發(fā)。附近的DGPS用戶接收到來自基準(zhǔn)臺(tái)的誤差修正信息，以此來修正自身的GPS測(cè)量值，從而大大提高其定位精度。

RBN-DGPS即無線電指向標(biāo)/差分全球定位系統(tǒng)（Radio Beacon-Differential Global Position System），是一種利用航海無線電指向標(biāo)播發(fā)臺(tái)播發(fā)DGPS修正信息向用戶提供高精度服務(wù)的助航系統(tǒng)，該系統(tǒng)在GPS系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用差分技術(shù)，借助海上無線電指向標(biāo)播發(fā)差分修正信息，給用戶提供高精度定位服務(wù)的助航系統(tǒng)。可廣泛應(yīng)用于航道測(cè)量疏浚、船舶進(jìn)出港及狹窄水道導(dǎo)航定位、交通安全管理、航標(biāo)定位、海上石油勘探等。我國(guó)從1993年開始跟蹤RBN－DGPS的動(dòng)態(tài)，制定了相應(yīng)的建設(shè)規(guī)劃和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并從1995年—2000年分三期在我國(guó)沿海地區(qū)共建設(shè)了20座RBN－DGPS臺(tái)，信號(hào)覆蓋了整個(gè)沿海水域和部分陸地。用戶距臺(tái)站越近，定位精度越高。通常情況下，在距基準(zhǔn)臺(tái)300 km的范圍內(nèi)，米級(jí)導(dǎo)航型DGPS接收機(jī)的定位誤差約為10 m，亞米級(jí)導(dǎo)航型接收機(jī)的定位誤差約為5 m。

海南水監(jiān)局轄區(qū)RBN/DGPS臺(tái)站目前有抱虎角、三亞以及洋浦三個(gè)。

2.2 海事衛(wèi)星寬帶Fleet Broadband通信技術(shù)

海上寬帶業(yè)務(wù)簡(jiǎn)稱FB（Fleet Broadband），是海事衛(wèi)星第四代衛(wèi)星移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用于海上的專有名詞，具有覆蓋范圍廣、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、高可靠性的優(yōu)勢(shì)，可以保證用戶在全球海上任何一個(gè)地點(diǎn)都得到高質(zhì)量、高可靠的通信服務(wù)。該業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)船舶通信IP化，滿足船舶高速數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信的需求，上網(wǎng)最高速率可達(dá)432 Kbps。

由于海事衛(wèi)星的高可靠度，即使在無人值守，或者在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的惡劣環(huán)境下，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)依然能夠維持正常的工作狀態(tài)，保持網(wǎng)絡(luò)鏈路的暢通，為實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)通信鏈路提供技術(shù)保障。

3 FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 FPSO單點(diǎn)GPS監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

該系統(tǒng)是利用FPSO以單點(diǎn)為中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過RBN-DGPS差分定位技術(shù)，結(jié)合傳感器、光纖串口、工控機(jī)以及不間斷UPS電源等一系列應(yīng)用而設(shè)計(jì)的綜合性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)記錄FPSO實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)以FPSO單點(diǎn)實(shí)際安裝位置為標(biāo)準(zhǔn)值，在FPSO單點(diǎn)系統(tǒng)的正上方安裝DGPS系統(tǒng)天線以定位單點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值，兩值之差動(dòng)態(tài)反映了FPSO實(shí)際位移，從而判斷FPSO是否在正常的活動(dòng)范圍內(nèi)，相關(guān)聯(lián)的海底管線及動(dòng)力傳輸電纜是否安全。

系統(tǒng)由GPS定位/導(dǎo)航儀、數(shù)字傾角監(jiān)測(cè)儀、數(shù)據(jù)采集處理存儲(chǔ)系統(tǒng)工控機(jī)、光纖轉(zhuǎn)換器以及UPS電源系統(tǒng)等組成，GPS定位/導(dǎo)航儀放置在FPSO單點(diǎn)的上方，服務(wù)器安裝在報(bào)房，客戶端軟件安裝在FPSO、陸地PC機(jī)上，通過TCP/IP專網(wǎng)訪問工控機(jī)，進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問、監(jiān)控、管理。系統(tǒng)整體安裝如圖1所示。

系統(tǒng)核心GPS定位/導(dǎo)航儀采用Crescent VS100 系列GPS羅經(jīng)，該羅經(jīng)遵循IEC61108-4信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，生成的2DGPS艏向精度優(yōu)于0.1 °，差分定位精度小于60 cm（95 %置信度），集成的陀螺和傾斜傳感器加快啟動(dòng)時(shí)間，并在暫時(shí)丟失GPS期間提供艏向更新，最大達(dá)20 Hz的快速艏向和定位輸出率，差分選項(xiàng)包括SBAS （WAAS， EGNOS等）和可選的信標(biāo)差分。

文昌13-1/2油田FPSO的GPS羅經(jīng)選擇信標(biāo)差分，信標(biāo)臺(tái)站為海南島抱虎角，距離油田約130 km，GPS羅經(jīng)的2付天線安裝在FPSO單點(diǎn)的正上方開闊位置，便于接收衛(wèi)星信號(hào)差分準(zhǔn)確定位。

FPSO單點(diǎn)GPS預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

包括：

（1）工控機(jī)提供RS232氣象信息接口，接收處理風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、氣溫、濕度等實(shí)時(shí)氣象信號(hào)。

（2）FPSO運(yùn)行姿態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表以及報(bào)警信息提示等功能，采用IE瀏覽器方式訪問。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以日期命名自動(dòng)儲(chǔ)存在服務(wù)器內(nèi)以供查詢。

（3）UPS電源可供系統(tǒng)連續(xù)工作5 d左右。

3.2 海事衛(wèi)星寬帶Fleet Broadband系統(tǒng)

海事衛(wèi)星寬帶Fleet Broadband通信設(shè)備目的是在FPSO臺(tái)風(fēng)撤離無人值守的非正常期間，自動(dòng)提供穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)通信鏈路，保證FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳送至基地中心。

“南海奮進(jìn)”FPSO海事衛(wèi)星Fleet Broadband通信設(shè)備使用FURUNO FELCOM500設(shè)備，主要由室外天線單元（Antenna Unit）、室內(nèi)通信單元（Communication Unit）、IP電話手柄（IP Handset）等組成。設(shè)備安裝調(diào)試簡(jiǎn)便，室外天線直徑0.6 m，整體功耗200 W左右，通電自動(dòng)跟蹤鎖定衛(wèi)星，不需要人工干預(yù)，系統(tǒng)能夠提供432 K穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)通信帶寬，可以在最惡劣的海況條件下表1維持通信。

3.3 氣象系統(tǒng)

氣象系統(tǒng)又稱氣象站，是FPSO標(biāo)配的組成部分。主要由室外風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度傳感器、室內(nèi)數(shù)據(jù)處理中心、室內(nèi)顯示終端組成，可提供風(fēng)向、風(fēng)速、艏向、氣壓、溫度等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)天氣信息。

“南海奮進(jìn)號(hào)”FPSO氣象站采用Observator公司生產(chǎn)的OMC系列氣象設(shè)備，氣象站OMC-183信號(hào)處理中心提供標(biāo)準(zhǔn)的RS422/RS485/RS232等數(shù)據(jù)接口，可與FPSO單點(diǎn)GPS監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)對(duì)接，同步提供所需的氣象數(shù)據(jù)。

3.4 UPS電源系統(tǒng)

UPS電源系統(tǒng)是維持FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)24 h不間斷工作的重要保障，尤其是在無人值守FPSO狀態(tài)下，UPS電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性及續(xù)航性更為重要。

在部署UPS電源系統(tǒng)時(shí)，要考慮FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總負(fù)荷，盡量選用耗電低的設(shè)備，精確計(jì)算耗電總功率，構(gòu)建快充慢放型供電系統(tǒng)，以便能夠維持系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間工作。

4 FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果

4.1 FPSO運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

FPSO運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體由FPSO單點(diǎn)GPS監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)、海事衛(wèi)星FB寬帶系統(tǒng)、氣象站以及UPS電源系統(tǒng)四部分組成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)FPSO運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)全天候24 h現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控記錄功能。

4.2 FPSO運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

“南海奮進(jìn)”FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2011年初投入實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)使用系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)控后，針對(duì)系統(tǒng)存在的一些問題加以改進(jìn)與完善，使該系統(tǒng)在日常生產(chǎn)管理以及臺(tái)風(fēng)期間都發(fā)揮了重要的作用，取得了良好的效果。

在“南海奮進(jìn)”FPSO中控室，安裝了單點(diǎn)GPS監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的獨(dú)立顯示與報(bào)警裝置，值班人員可以直觀地看到FPSO的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)FPSO運(yùn)動(dòng)軌跡超過設(shè)定的參數(shù)時(shí)，報(bào)警裝置馬上報(bào)警，值班人員馬上關(guān)注，收集數(shù)據(jù)，并安排人員到單點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)密切觀察單點(diǎn)系統(tǒng)狀態(tài)，隨時(shí)報(bào)告，確保安全。

2011年7月底，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“洛坦”吹襲文昌13-1/2油田，“南海奮進(jìn)”FPSO人員全部撤離，守護(hù)船也到港灣避風(fēng)，臺(tái)風(fēng)期間，基地值班人員通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地看到了“南海奮進(jìn)”FPSO的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)向風(fēng)速等氣象信息，系統(tǒng)第一次無人值守應(yīng)用成功，效果反映良好。

通過這次臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)際應(yīng)用，我們也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，比如對(duì)UPS電源設(shè)計(jì)安裝存在一些缺陷，對(duì)UPS設(shè)備的提前關(guān)斷以及蓄電池的續(xù)航能力考慮不足，導(dǎo)致系統(tǒng)鏈路提前中斷，系統(tǒng)的軟件設(shè)置方面，客戶端加載程序過多，導(dǎo)致連接速度有些延遲，這些都在后來進(jìn)行了相應(yīng)的改造，使系統(tǒng)發(fā)揮更大的作用。

5 結(jié)語

作為海洋油田重要的生產(chǎn)裝置，F(xiàn)PSO的安全受到重點(diǎn)關(guān)注，通過現(xiàn)代GPS差分定位以及海事衛(wèi)星FB寬帶通信系統(tǒng)等高科技手段，結(jié)合FPSO現(xiàn)有的信息化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，構(gòu)建FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)全天候監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，是提高FPSO管理能力的有力途徑，同時(shí)，也為FPSO的設(shè)計(jì)建造提供第一手

資料。

文昌13-1/2油田“南海奮進(jìn)”FPSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)全天候在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)目前已成功運(yùn)行，效果良好，引起廣泛的關(guān)注與重視。文昌油田群“海洋石油116”FPSO也即將構(gòu)建同類型的全天候在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。相信不久的將來，F(xiàn)PSO運(yùn)動(dòng)姿態(tài)全天候在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)將普及于越來越多的FPSO裝置，為海洋油田開發(fā)保駕護(hù)航。

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