LNG接收站用海流儀固定方式探討

張 雷

（中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江寧波 315800）

LNG接收站的靠泊輔助監(jiān)控系統(tǒng)中，環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)配有一套多普勒聲學(xué)海流儀傳感器，該傳感器安裝在碼頭前沿，用以測量碼頭海域剖面的流速、流向、波浪、潮汐以及海水溫度。目前，只有挪威等少數(shù)國家可以生產(chǎn)該傳感器，價格十分昂貴，損壞后維修成本巨大，維修周期較長，對LNG船靠泊具有較大的影響，有必要對海流儀的固定方式進(jìn)行研究。

1 海流儀介紹

海流儀傳感器需要安裝在海底，從海底向海面發(fā)射超聲波，連續(xù)測量從海底到海面整個剖面連續(xù)20層的流速及流向。海流儀傳感器采用聲學(xué)多普勒技術(shù)，可以同時測量流速剖面和有向波譜，支持獨立和實時在線兩種工作模式，包含所有波浪處理所需的算法。海流儀傳感器主要應(yīng)用于近海沿岸波浪和流速的長期測量。

海流儀的安裝方式有兩種，蛙人可以將海流儀和電纜固定在海底，定期進(jìn)行海底作業(yè)，但這種方式后期的維護(hù)成本較高；也可以安裝吊臂，將海流儀傳感器通過沉石固定在海底，通過吊臂定期將海流儀升到碼頭面進(jìn)行維護(hù)和清污。

海流儀使用獨特的聲學(xué)表面波跟蹤（AST）技術(shù)測量波高和周期。

海流儀檢測原理如圖1所示。

圖1 海流儀檢測原理

海流儀的垂直發(fā)射換能器能夠向水面發(fā)送一個較短的聲學(xué)脈沖，記錄脈沖從發(fā)射至從水面反射回的時間，生成一個水面高程的時間序列。C波向計算是結(jié)合AST數(shù)據(jù)和靠近水表的流速運動軌跡陣列，使用MLMST方法處理四點陣列數(shù)據(jù)，生成精確的波向譜。安裝在深水錨系浮標(biāo)上的海流儀可使用SUV專利處理方法，得到類似的結(jié)果。

傳感器聲波探頭可以傳送一個已知頻率的聲波脈沖，脈沖在水中行進(jìn)時會被水里的物體反射（散射），散射的強(qiáng)弱（即反射的強(qiáng)度，是一個水中顆粒數(shù)量及大小的函數(shù)）被稱為信號強(qiáng)度（strength）或信號振幅（amplitude）。由聲波探頭接收回傳的信號，計算水中顆粒相對于探頭的速度。

傳感器聲波探頭會將大部分的聲波能量集中在一條狹窄的波束中發(fā)送。水中顆粒經(jīng)過各波束測得多普勒偏移，與顆粒速度成一定比例關(guān)系。水流的速度可以視為其所帶動顆粒的速度；垂直于波束的顆粒移動不會造成多普勒偏移。綜合數(shù)個聲波探頭所得速度，清楚顆粒與探頭的相對方向，即可計算三維空間的速度。

2 海流儀安裝方式

2.1 海底安裝方式

應(yīng)在安裝海域進(jìn)行傳感器安裝位置的GPS定位，便于以后維護(hù)時能夠及時找到傳感器所在區(qū)域，或在傳感器安裝位置放置浮筒確定位置。潛水員在GPS定位點確認(rèn)區(qū)域是否滿足安裝條件，使用船吊將混凝土澆筑的海流儀支架沉入GPS定位點，潛水員在海底鋪設(shè)海底電纜。

海底安裝方式的缺點是安裝條件較苛刻，不便于維護(hù)，發(fā)生故障需要檢查傳感器時，需要潛水員進(jìn)行傳感器拆裝工作。采用這種安裝方式時，需要在海底安裝平臺，傳感器位置需要高于海底淤泥1.5 m，防止洋流變化導(dǎo)致海泥堆積掩埋傳感器。

2.2 吊臂安裝方式

碼頭區(qū)域海底淤泥堆積覆蓋面比較大，直接將設(shè)備放入海底，可能導(dǎo)致設(shè)備丟失或無法正常工作，應(yīng)采用吊臂安裝方式。

吊臂安裝方案如圖2所示。

圖2 吊臂安裝方案

在碼頭上安裝吊臂，利用為海底沉石支架、鋼絲繩和絞盤吊裝的方式，將海流儀放入海底。在沉石支架兩邊各固定一根保護(hù)鋼絲繩，保護(hù)鋼絲繩另一端固定在碼頭橋墩上。需要維護(hù)、保養(yǎng)和檢修海流儀時，直接利用絞盤和鋼絲繩將海流儀沉石支架從海底吊升至碼頭上進(jìn)行靠護(hù)、保養(yǎng)和檢修。

2.3 吊臂支架的安裝

吊臂支架安裝在碼頭引橋上，吊臂支架左邊或右邊不安裝護(hù)欄，海流儀沉石支架通過絞盤和鋼絲繩吊升至碼頭平面時，向左或向右旋轉(zhuǎn)吊臂將沉石支架放在橋面上，便于拆卸海流儀。

不銹鋼沉石支架加工完畢，需要放入水泥進(jìn)行澆注，使其重量達(dá)到250～300 kg。

海流儀吊臂支架由吊臂支架、德國進(jìn)口絞盤、陀螺儀沉石支架、不銹鋼鋼絲繩、不銹鋼固定夾子組成。

2.4 后期使用的問題

碼頭區(qū)域的淤泥深度較高，采用海底的固定安裝方式易使整個傳感器被淤泥覆蓋，導(dǎo)致傳感器丟失。因此，應(yīng)在碼頭側(cè)安裝吊臂和海流儀傳感器的安裝支架，用以安裝傳感器和日常維護(hù)。

海底的淤泥隨著潮汐的變化容易覆蓋傳感器，需要安裝陀螺儀原理沉石安裝支架。

陀螺儀原理沉石安裝支架如圖3所示。

圖3 陀螺儀原理沉石安裝支架

潮汐的變化會帶動海底的安裝支架移動，淤泥覆蓋比較深時，使海流儀的海底通信電纜受到外力，會拉斷傳感器接頭，頻繁造成海流儀電纜斷裂或接頭受損，導(dǎo)致傳感器短路受損。

3 整改措施

3.1 原計劃

頻繁出現(xiàn)海流儀海底電纜斷裂或水密接頭脫開，導(dǎo)致設(shè)備進(jìn)水損壞故障，需要對海流儀的安裝支架進(jìn)行升級改造。

海流儀支架改造如圖4所示。

圖4 海流儀支架改造

通過安裝支架改裝升降臂對設(shè)備位置進(jìn)行整體加高，提高海流傳感器與淤泥之間的距離，防止傳感器被淤泥覆蓋，導(dǎo)致電纜斷裂或水密接頭脫開的問題。

淤泥覆蓋海流儀支架如圖5所示。

圖5 淤泥覆蓋海流儀支架

3.2 改進(jìn)措施

（1）進(jìn)行維護(hù)時間的改進(jìn)的優(yōu)化，將原來的每季度定期維護(hù)變更為每個月定期維護(hù)。

（2）將單一清淤維護(hù)優(yōu)化為每次清理完淤泥后對傳感器的海底電纜進(jìn)行重新加固；對水密接頭進(jìn)行重點檢查，防止支架在海底的震動導(dǎo)致水密接頭松動。

4 效果及結(jié)論

對維護(hù)時間和措施進(jìn)行優(yōu)化后10個月內(nèi)，傳感器持續(xù)工作正常，未發(fā)生電纜斷裂或水密接頭脫開的設(shè)備故障事件。

海流儀傳感器波形如圖6、圖7所示。

圖6 海流儀傳感器波形1

圖7 海流儀傳感器波形2

觀察設(shè)備的使用情況，暫不對設(shè)備進(jìn)行安裝方式升級改造，繼續(xù)觀察后續(xù)的使用情況及后期設(shè)備的維護(hù)以及安裝方式，綜合評估后再進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語

LNG接收站海流儀的安裝方式適合采用螺儀原理沉石安裝支架，碼頭安裝支架加裝升降臂，能夠滿足使用要求。