水文氣象監測系統在某海洋石油平臺的應用

尚魁 (中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

開展近海海洋綜合調查與評價工作，是我國“實施海洋開發”戰略的基礎性工作。海洋中蘊藏著豐富的資源，發生著錯綜復雜的自然現象，這些自然現象又對近海區域如海岸帶、海島等的變遷、氣候、生態生物、社會人文、經濟發展乃至軍事設施產生著巨大的影響。只有準確、可靠、系統地獲取海洋調查數據，才能把浩瀚、奧秘的海洋和對近海區域的影響“數字化”“透明化”，從而對海洋環境作出科學、合理、準確地評價，為海洋經濟發展、海洋開發利用、海洋減災防災、海洋環境保護、海洋權益維護和海洋可持續發展提供科學的數據和信息依據[1]。文章主要介紹的水文氣象監測系統旨在依托海洋石油平臺，獲取長時間序列的風、浪、流、溫鹽、泥溫等基礎參數，并通過數據分析，數值模擬等科學方法對實測數據進行處理，得出監測海域的海洋動力環境特征，包括風、浪、流等要素的平均值、有效值、極值等。而這些參數又是海洋石油開發、海洋工程等領域的基礎數據。通過長期的觀測和數據積累，可以更準確地掌握海域特征，提出更優化、合理的設計方案，節省建造費用，并在一定程度上可以為現場提供安全、生產等方面的指導意見，降低風險因素，確保平臺運行穩定。歷史上，海洋石油也出現過因極端天氣或海況導致的安全事故，而在事故發生后，由于監測數據的缺失，很難準確地模擬事故發生時的現場條件，對設備設施修復、順利復產都提出了不小的挑戰。而這些基礎數據的獲取，也對海洋石油長期的長遠發展，有著至關重要的意義，只有不斷了解海洋特性，才能逐漸從近海走向深海，加快發展海洋石油產業。在國外，這項工作也是海洋石油的重要工作之一。例如在美國的墨西哥灣，美國大氣海洋局(NOAA)等政府機構與石油公司(Shell、BP、Chevron等)等企業、學術科研機構等合作開展了墨西哥灣海洋觀測系統GCOOS(Gulf of Mexico Coastal Ocean Observing System)。在國內外的很多標準規范中，也對氣象和海洋資料的數據長度有一定的要求，如SY/T 10050—2004中提到“對氣象和海洋學的資料應有20年的記錄”，海油企業標準 Q/HS 3007—2003中提到“對氣象和海洋資料，應得到20年的記錄數據”。

海洋石油平臺水文氣象監測系統依托海洋石油平臺，采用在線監測方式(在條件允許的情況下)，對監測站點的氣象、波浪水位、海流、海水溫鹽、泥溫等監測要素進行長期監測，并記錄相關數據，用于后期數據分析處理。

1 設備及功能介紹

海洋監測儀器和技術涉及機械、電子、能源、材料、信息等多學科交叉，涵蓋十分廣泛的綜合性技術領域，海洋監測儀器及技術是指針對海洋環境監、觀、勘測的儀器及技術，包括了海洋氣象、水文、生態化學、海洋聲光物理特性及海洋地質地理勘探類的監測儀器和技術[2]。

1.1 水文氣象監測系統介紹

水文氣象監測系統主要由氣象監測系統、波浪和水位監測系統、海流和海水溫鹽測量系統、泥溫測量系統、電源系統、顯示儲存通信系統等6部分組成；氣象監測系統由能見度傳感器、濕度傳感器、風向、氣壓、風速、氣溫和可編程采集器組成；波浪和水位監測系統由基于雷達測距技術的波浪水位雷達組成；海流剖面監測系統由聲學多普勒海流剖面測量儀及絞車懸掛行組成；電源系統由電源充放電控制器、蓄電池組、電壓轉換器等設備組成，如圖1所示。

圖1 監測系統框架

1.2 波浪和水位監測系統

(1)波浪和水位雷達，在海洋石油平臺的外側安裝，用于測量水位、波向、波高、波長、波周期等參數。

(2)氣象站，在海洋石油平臺高點處安裝，用于測量風向、風速、氣壓、能見度、相對濕度、氣溫。

(3)海流和溫鹽綜合測量系統：采用平臺懸掛方式進行測量。測量設備固定在鋼纜上，海流測量采用1臺聲學多普勒流速儀(ADCP)和一臺單點海流計(DVS)，分別用于測量全水深海流剖面；溫鹽探頭位于水下距海底1～2 m處，用于測量底層水溫和鹽度。設備測量采用在線方式。每隔2個月回收維護和下載數據一次。

(4)海底泥溫探頭：埋于海床下1～2 m深處，用于測量海底泥溫，采用在線測量方式。

(5)監測系統室內終端，包括工控機，顯示器，用于采集和顯示監測數據。

(6)后備電池系統，用于在平臺斷電條件下，對波浪和水位雷達、海底泥溫以及氣象測量系統提供電源。

(7)系統測量系統均通過電纜連接至平臺上的水文氣象監測系統控制終端，由平臺供電。

1.3 波浪和水位實時監測系統設備功能介紹

波浪水位雷達系統包括3臺室外傳感器探頭和1臺設備數據服務器，如圖2所示。

圖2 數據服務器及探頭

波浪水位雷達用于測量波高、波向、波周期、波長、水位等參數。波浪水位雷達系統包含固定底座，底座通過螺栓固定于托架上，托架與平臺甲板外沿焊接固定，通過信號線連接到室內處理單元位于中控水文氣象監測系統終端機柜內。

雷達探頭以固定角度安裝，其中中間探頭發射面水平，另外兩側探頭傾角為15°，三個探頭成等邊三角形布置。雷達探頭的工作模式為C波段雷達，通過發射信號至海面，測得波譜，并在探頭內部轉換為數字信號，通過RS485方式將測量值傳輸至數據服務器，服務器根據3個探頭的測量結果進行計算分析，得出水位、波高、波向、波周期等相關參數，并通過串口通信傳輸至數據采集軟件。同時服務器支持外接U盤進行數據存儲。

1.4 自動氣象實時監測系統設備介紹

自動氣象實時監測設備主要由風速傳感器、風向傳感器、氣溫傳感器、氣壓傳感器、濕度傳感器等組成，用于測量風速風向、氣溫、氣壓、相對濕度、能見度。其中風速風向傳感器安裝在平臺生活樓頂層甲板，與平臺通訊系統風速風向儀共用一個支架。在傳感器上有一個N的標記必須指向正北方；傳感器套頭部分避免磕碰以免造成損壞。

1.5 海流和溫鹽測量系統設備的組成和功能

海流和溫鹽監測系統設備主要包括剖面儀ADCP、單點海流計DVS、溫鹽傳感器組成。它們采用平臺吊掛方式進行，吊掛系統由絞車、定滑輪、鋼纜、錨系重物、測量設備等組成，如圖3所示。在甲板外側加裝安放絞車的小平臺，在其上方+29.8 m標高的甲板同側加裝絞車吊掛平臺，系統絞車安裝于中層+25.8 m平臺西側外擴小平臺。鋼纜從絞車引出后繞過位于+29.8 m平臺的定滑輪后入海，底部另一端懸掛錨系重塊。系統布放后，重塊墜底與海面接觸，鋼纜在錨系重物拉力作用下拉直。海流監測設備包括1臺ADCP全剖面海流計和1臺單點海流計DVS，溫鹽監測設備為SBE37溫鹽探頭，測量設備附著于鋼纜上。測量設備采用在線傳輸工作，通過設備內部電池及平臺電源供電，數據自存并定時發送，可以在設備定期維護時，更換電池，下載數據。

圖3 海流和溫鹽監測結構示意圖

ADCP根據頻率不同，可測量200～1 500 m水深以內的不同層的海流流速、流向數據。DVS可測量探頭2.5 m之內的海流數據，一般用于底流觀測，對ADCP的剖面數據進行補充。溫鹽傳感器是高精度自容式溫度傳感器，內含內置電源和非易失性存儲器，使用環境最深可至250 m。海流計、溫鹽傳感器一般均采用自容存儲方式，定期從水下回收更換內部電池，并讀取采集數據。

在系統設備維護和回收時，通過絞車提拉底部重塊，將設備提升至外擴小平臺高度，操作人員位于外擴平臺，將設備拆卸至甲板后進行維護工作。重新布放時，將設備重新固定至鋼纜指定位置，通過絞車將重塊重新布放至海底，確保監測設備處于既定的測量深度。

1.6 海底泥溫測量系統設備功能

海底泥溫測量系統主要設備為泥溫傳感器，泥溫探頭安裝一般隨導管架出海前進行固定施工，并連接電纜至導管架頂部水密護盒內，待平臺海上安裝完畢后，進行電纜連接測試。信號直接接入計算機數據采集軟件。

海底泥溫測量，將在平臺泥線以下1.5 m的位置，選擇與陰極保護監測系統相同的樁腿進行設備安裝。泥溫傳感器采取在線測量的方式進行安裝，設備配套電纜與陰極保護監測系統共用電纜護管。泥溫傳感器預制好安裝保護盒，保護盒在導管架建造期間需要安裝至導管架指定位置。保護盒預留一段電纜護管，用于與陰極保護監測系統護管進行焊接對接，這需要陰極保護監測系統的電纜護管延伸至距防沉板約30 cm處。泥溫護盒預留的電纜護管穿過防沉板，確保泥溫傳感器能夠伸入泥面以下。除泥溫探頭外，其余電纜部分均為水密狀態，電纜穿過護管后，需在電纜護管頂部安裝一電纜護盒，將預留的對接電纜放置于護盒內，并做水密處理。在平臺組塊安裝完成后從護盒內取出電纜與組塊部分進行對接。

1.7 系統供電

電源系統分為供電系統和蓄電池系統兩部分。

供電系統包括外部接入工控機柜的220VAC電源，直流穩壓電源系統輸出的12VDC，24VDC電源。220VAC電源用于工控機供電，直流穩壓電源輸入電壓和蓄電池充放電控制器輸入電壓，如圖4所示。

圖4 系統供電示意圖

12VDC主要是氣象站系統傳感器設備、泥溫傳感器、溫鹽傳感器(在線模式)供電電壓，24VDC為波浪水位雷達、ADCP(在線模式)，DVS(在線模式)設備的供電電源。

蓄電池系統包括充放電控制器及20塊1.2V的鎳鉻堿性蓄電池組。整套系統在220VAC電源正常供電時，控制器向蓄電池組充電。在220VAC斷電情況下，蓄電池釋放電量，提供12VDC和24VDC，用于傳感器工作電源。

1.8 數據采集系統

水文氣象系統的數據采集系統安裝于機柜內的工控機電腦內。工控機內配備MOXA多串口轉換卡，用于接入氣象站、雷達數據服務器、泥溫、溫鹽(在線模式)、海流(在線模式)等設備的串口數據信號，并進行信號分析處理，數據顯示，數據存儲，數據轉發等功能。

工控機柜內裝有數據采集軟件。通過點擊菜單欄【數據查看】下拉菜單中的儀表盤顯示、文本顯示、列表顯示進入各個數據查看界面，常用的數據查看界面是儀表盤顯示界面，如圖5所示。儀表盤顯示界面中左上顯示了當前平臺的名稱，下面的區域會加載當前平臺的各個采集系統，系統收到各個采集系統傳過來的數據會在儀表盤上顯示，指示燈表示了該系統的數據通信情況，綠色表示在一定時間內都有新的數據傳過來，紅色表示很長時間沒有數據傳過來或者傳過來的數據一直是不變的。

圖5 運行界面

軟件同時會在硬盤下存儲實時采集數據，一般在D盤或者E盤根目錄下包含“Data”文件夾，按子系統存儲相關采集數據，文件夾內的數據以24小時為存儲間隔產生一個存儲文件。可通過查詢數據文件夾內數據對系統運行狀態進行檢查。

1.9 顯示儲存通信終端系統

該系統包括顯示器和計算機，其與氣象數據采集器和波浪水位雷達采集器均安裝在一個控制機柜內。顯示器和計算機由平臺220VAC供電，氣象數據采集器以及波浪水位雷達采集器由后備電源供電。機柜安裝在中甲板中控室。

2 日常使用及維護

目前海上安裝的設備使用良好，運行穩定，維護成本較低，主要是日常的巡檢、定期對設備現場設備和顯示單元進行維護保養。

2.1 海流、海水溫鹽系統維護

工作內容：對海流、海水溫鹽系統進行季度維護，回收水文氣象數據，確保水文氣象設備正常工作。

2.2 設備保養

絞車：打磨，刷油漆，給鋼纜打黃油；擰緊松動部件，補齊脫落件。

控制箱：更換密封圈，更換按鈕，用干抹布清理干凈，放置干燥劑。

波浪水位雷達：對雷達進行季度維護，回收雷達數據，確保雷達設備正常工作。室外雷達探頭清洗；雷達Server時鐘校準，配置文件更新維護；導出雷達內部存儲數據，并檢查數據質量；重新布置存儲卡。

泥溫系統監測：檢測泥溫探頭供電電壓及反饋信號。

數據采集系統：對數據采集系統進行季度維護，回收水文氣象數據。

3 結語

海洋水文監測系統具備測量精度高、誤差小，功耗低等優點，便于海上作業者及時了解海洋環境參數，了解周圍海況等信息，提升極端天氣情況的處置能力。