海洋石油FPSO單點監測系統供電優化設計

摘要：單點系泊系統作為整個浮式儲油生產裝置安全、可靠運行的關鍵環節，為避免單點故障對生產作業造成嚴重影響，會設計加裝一套單點監測系統進行運行系統狀態實時監測，實現安全狀態的監測預警。一般廣泛應用于遠離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發。綜合分析在遭遇極端海況下，為保障監測系統電源長時間的續航能力，對系統提出低功耗選型要求和長時間后備電源的供電能力設計。通過對系統供電負載進行分類兼容，優化供電系統拓撲結構，并對監測系統功耗匯總和低功耗選型，來實現單點監測系統供電回路及供電系統整體的設計優化。

關鍵詞：單點系泊系統；單點監測系統；供電

為了提高油田開發設施的安全性和降低油氣開發潛在的風險，在FPSO上安裝一套現場監測系統是十分必要的。監測系統將測量FPSO附近的環境荷載數據以及FPSO的動態六自由度運動。測量設備將獲得的數據上傳給服務器，并對測量結果進行處理和保存。主要測量的內容包括：（1）單點中心位置；（2）風速和風向；（3）船艏甲板上浪；（4）FPSO位置及六自由度運動；（5）單點系泊系統數據。

海洋石油FPSO單點監測系統運行工況分為正常模式和臺風模式。油田正常作業生產時，嵌入式數據采集器和工控機同時工作，測量數據在兩部分同時存儲、備份。均由市電進行系統供電。

因臺風油田停產時，為降低系統整體功耗將僅保留測量設備、嵌入式采集板器和通信設備等工作，中控室中工控機將被關閉。失去正常市電供電，系統將由UPS蓄電池進行電能供應，為臺風期間監測系統提供電力保障。

在臺風斷電期間，系統后備電源提供120h以上供電，保證臺風期間監測數據后備；系統監測數據經海事衛星網絡傳輸至陸地終端，陸地人員可實時遠程掌握海上單點設備運行安全狀況，為做出最優決策提供數據支持。

單點監測系統用電設備主要包括傳感器、圖像采集設備、通信設備和其他電子產品。系統特點為用電負荷分散、功耗波動大，電能質量和穩定性要求高。為充分滿足單點監測系統的用電特點，需對系統主要功耗設備進行分析，確定額定功率，科學配置裕量系數，保證系統供電穩定和緊急后備電源。

1單點監測系統供電框架

單點監測系統功能及對應設備配置如下：（1）氣象環境監測：氣壓計、溫濕度計、風速風向儀。（2）海洋環境監測：波高雷達儀、多普勒剖面流速儀。（3）船艏上浪監控：高清攝像機、硬盤錄像機。（4）定位系統：差分全球定位信號接收機和主機。（5）FPSO船體運動姿態（IMU）：IMU主機、GNSS接收機。（6）單點監測系統控制柜：控制器、通信模塊、轉換器等。（7）服務器：數據服務器、信號采集卡、交換機、顯示器等。（8）不間斷電源系統（UPS）：整流器、變換器、風機等。（9）旋轉扭矩測量系統：壓力傳感器、變送器、NI串口模塊、實時數據采集器等。

圖1單點監測系統供電框架

單點監測系統正常工作電源為三相三線制380V、50Hz；用電負荷分為兩種：一種為24/48V直流供電；一種為常用單相220V交流電源供電。考慮到24/48V直流負載功率和系統整體的運行可靠性，采取UPS整體供電的方式，既能保證多電制輸出，又能提供后備電源，有效控制市電失電后的系統運行風險。

為了滿足無外部供電情況下維持必要的工作時長，系統各組成模塊設計都應遵循低功耗的原則。

2總負載計算

統計所有產生電能消耗的負載設備，以最大功耗進行計算，功率統計表見表1單點監測系統負載統計表。

由于單點監測系統工作方式為長時間連續工作，系統采取配置低功耗嵌入式，在系統設備選型時應該綜合考慮功耗和散熱能力，盡可能地優選低功耗電子元件，并配備強制冷卻，避免升溫過高導致功耗的增加。由于數據采集處理單元的功耗和采集頻率及數據流量成一定的關系，也應該從采集頻率設置和數據量角度進行合理優化，減少數據峰值和波動，控制系統在穩定的靜態處理狀態運行。

監測系統傳感器和設備功耗核心器件是控制模塊，基本決定了監測設備的功耗。選型應該從控制模塊的負載容量、工作電壓和工作頻率進行低功耗設計和估算。為減少系統功耗，在設計選型階段采用集成度高的監測設備和傳感。另外，從系統運行的角度出發，需要滿足失電運行，也可通過監測電源供應情況選擇性關閉顯示和關閉振蕩器進入省電模式運行。

當選型配置不能滿足系統臺風模式運行下供電時長時，應按照設計選型配置重新核驗。通過配置系統用電裕量系數1.1倍計算，單點監測系統額定功率為450W。以此進行供電系統的進一步優化設計。

3后備電源設計

考慮到單點監測系統功率統計時，均按照設備最大功耗進行統計并匹配用電裕量，后備電源容量可直接參照單點監測系統額定功率為450W，不再核算功率因數，即系統無功損耗，更加符合實際運行工況，避免過度的容量裕度。

電池容量計算應根據IEEE1115要求進行計算，并考慮低溫效應和老化因素。電池組的額定電壓：電壓等級為48V；滿載放電時間：不小于120h；設計系數：1.1；老化系數：1.20；電池的放電比率：中間比率；電池放電的端電壓：1.05V或以上。電池組從空載到充滿至額定容量的充電時間不超過8h。

電池組容量計算參考公式：UPS功率×后備時間÷電池組臨界放電電壓÷逆變器效率。選用1.2V電池單元（臨界放電電壓為1.05V），組成48V電池組。計算所需電池組容量參照技術規格要求如表2所示。

在容量計算中，恒電位充電效應通過的Kt因子確定，需要時對系數進行插值法獲取。Kt因子是表示電池性能的一種方式，Kt=標稱容量（Ah）/性能（A），它由特定的電池類型、放電時間和最終電壓共同確定。

確定電池組容量還需考慮電池組老化系數和設計裕度，保證供電能力。即：1176.97×1.1（設計裕度）×1.2（老化系數）/100%（充電狀態）=1553.60（Ah）。

當最終計算容量大于標準單元容量時，需要選擇下一個標準電池組容量。所需的電池容量為1553.60Ah，就近選擇標準電池組容量為1600Ah。

4單點監測系統供電設計

后備電源應由交流380V、3Ph、3線、50Hz供電，輸出電壓為直流48V和交流220V。直流48V用電設備包括DGPS、慣性監測單元（IMU）、風速計、數據采集等。交流220V用電設備有監測系統服務器、工作站、海事通信站和CCTV等。

電池組的充電運行與電池間排氣扇運行聯鎖，當電池間機械排氣扇未運行時，電池組強制充電跳閘，避免H2氣體的泄漏聚集。溫度補償變送器安裝在電池室內，布置在電池組上方，溫度信號接入后備電源調控系統。根據溫度反饋調節電池的充電電壓和電流，配置一個防爆直流塑殼斷路器柜與火災系統聯動，當電池間觸發火災報警時隔離電池組。

單點監測系統電氣單線圖見圖2。

圖2單點監測供電系統電氣單線圖

監測系統的低功耗選型設計直接關系到監測系統臺風運行模式的續航能力和可靠性。電源的設計也是低功耗設計的一個重點，因為電源供電系統的效率、功耗在很大程度上影響了系統的功耗。但是，電源設計除了要求盡量省電外，其性能的穩定性，特別是電池供電系統的電源的穩定性要求也很高。因為電源不穩定特別容易造成系統的誤操作，影響系統的可靠性。所以在進行電源設計時，要兼顧效率與穩定兩個方面，不能因為省電而影響穩定。

另外，大批量監測數據的實時傳輸和分析處理，會增加通信設備和中央處理器的能耗。因此，在進行軟件開發低功耗設計時，應優先選擇消耗時間短的指令和設計消耗功率小的算法，降低系統的功耗。

5總結

單點監測系統作為海洋石油FPSO單點系泊系統的重要風險監管措施和技術手段，為保證現場數據的全天候不間斷地傳輸到陸地辦公室，提供風險決策的第一手資料。特別是在臺風等惡劣天氣下，為保障在極端氣候下的安全監控和應急保障，系統的電力運行保障就顯得刻不容緩。

通過對單點監測系統的設備低功耗選型和供電系統優化設計，從供電結構和負載最低能耗選型上，保障了系統的不間斷運行和長時間的后備續航能力，但隨著監測系統的監測內容不斷擴充，系統功耗也將逐步增加。在新的工況下仍需要切合實際，平衡能耗和可靠性，適配低能耗的監測傳感器、信號傳輸設備以及中央處理器芯片等，降低系統的能耗，持續在系統供電可靠性和冗余性上進行優化，為系統的可靠運行提供穩定、長效的電力供應。

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作者簡介：涂迎新（1985—），男，漢族，湖北孝感人，本科，中級職稱，研究方向：電力系統監測和檢測技術及高壓測試技術。