海上平臺防爆設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

中圖分類號：TQ560.72；TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）10-0226-04

Design and application of online monitoring system for explosion-proof equipment on offshore platform

HU Jianwen1， FENG Chang2 （1.CNOOC（China） Co.，Ltd.，Tianjin Branch，Tianjin 300459，China; 2.Taylor's University，SubangJaya 475OO，Selangor Malaysia）

Abstract：In this paper，anonline monitoring system for explosion-proof equipment is designed anddeveloped for the potential explosion hazard intheproduction areaof offshore platform.Thesystem uses advanced sensing technology and data processing methods to monitor and analyzethe key parameters of the explosion-prof equipment in the gas compressor area inreal time，including surface temperature，current，temperatureand humidity，and vibration.Through the cooperative work of infrared thermal imaging camera，current sensor，temperature and humidity sensorand temperature vibration sensor，combined with wired/wirelessnetwork and field server，thereal-time monitoring and early warning ofkeyexplosion-proof parameters arerealized.The systemis installed inthe gascompressorarea ofthe middledeck of anoffshore platform，and hasbeen verified byapplication.The system can efectively improve the safetyand reliabilityof theequipment，reduce potential safety hazards，optimize maintenance efficiency，and enhance decision support.

Key words：explosion-proof equipment;online monitoring;internet of things

海洋石油平臺的存在為石油的開采、處理及儲存和運(yùn)輸提供了有效的平臺空間。但海上平臺生產(chǎn)現(xiàn)場的一個(gè)重要特點(diǎn)是爆炸性環(huán)境居多，一旦發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，會對生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來不可承受的危害。針對海上平臺生產(chǎn)區(qū)域的潛在爆炸危險(xiǎn)，開展防爆安全管理，強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)控制能力，解決企業(yè)安全問題，是必須面對和解決的問題，為了能有效地提高海洋石油平臺的安全性，很多的電氣設(shè)備需要安裝在安全區(qū)域內(nèi)，并且使用相關(guān)的防爆產(chǎn)品[2]。

依靠防爆電氣設(shè)備，以此避免海洋石油平臺中產(chǎn)生可燃?xì)怏w引發(fā)的爆炸危險(xiǎn)，這樣不僅能夠?qū)⒑Ｑ笫推脚_的有效作用充分發(fā)揮出來，還能確保工作人員的人身安全[3]。與此同時(shí)，隨著遠(yuǎn)程監(jiān)控與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)已成為信息化社會重要的組成部分。在防爆安全領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用目前還鮮有涉足。本文針對某海上平臺，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套防爆設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵防爆參數(shù)的監(jiān)測和預(yù)警，不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，保障平臺穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

1平臺防爆設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)分析

在海洋石油工程中，原油以及天然氣的開采、處理、存儲、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)主要集中在海洋平臺上，其電氣設(shè)備分布相對較為集中，再加之受海洋特殊氣候環(huán)境的影響，使用電氣設(shè)備處于高濃度鹽霧或者油霧當(dāng)中[5-]，海洋石油工程對電氣設(shè)備自身的防爆性能與惡劣環(huán)境應(yīng)對能力提出了更高的要求8。防爆電氣設(shè)備在特定條件下，設(shè)備可能失去其防爆性能，其關(guān)鍵指標(biāo)包括如下方面：

（1）表面溫度：設(shè)備表面溫度超過其設(shè)計(jì)的最高允許溫度（溫度組別）時(shí)，會成為潛在點(diǎn)燃源，其主要原因包括：設(shè)備過載或散熱不良、環(huán)境溫度過高、內(nèi)部電路故障導(dǎo)致熱量積聚等；

（2）過電流：設(shè)備通過的電流超過其額定電流范圍。主要原因包括：負(fù)載過大或短路，可能導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱、損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)；

（3）絕緣電阻下降：設(shè)備的絕緣電阻低于規(guī)定的最低值，主要是潮濕環(huán)境導(dǎo)致絕緣材料受潮，絕緣材料老化或損壞；

（4）外殼密封失效：設(shè)備外殼密封件損壞或失效，無法有效防止外界氣體或粉塵進(jìn)入。原因包括：密封件老化、磨損或安裝不當(dāng)?shù)龋?/p>

（5）結(jié)構(gòu)件疲勞：設(shè)備結(jié)構(gòu)件因長期受力而出現(xiàn)疲勞損傷;

（6）操作維護(hù)不當(dāng)：操作人員未按規(guī)范操作設(shè)備，設(shè)備缺乏定期檢查和維護(hù)。

本文選取了某海上平臺中層甲板燃?xì)鈮嚎s機(jī)區(qū)域的防爆設(shè)備，針對上述典型防爆參數(shù)開展在線監(jiān)測，主要包括：

（1）表面溫度監(jiān)測：通過紅外熱成像攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測該區(qū)域設(shè)備的表面溫度，判斷其是否超過設(shè)計(jì)的最高允許溫度；（2）電流監(jiān)測：在XXX位置安裝電流傳感器，判斷設(shè)備通過的電流超過其額定電流范圍；（3）溫濕度監(jiān)測：在接線箱里安裝溫濕度傳感器，監(jiān)測其是否形成潮濕環(huán)境，影響設(shè)備的絕緣電阻，內(nèi)置的溫度傳感器和濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度和濕度，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺[9]；（4）振動監(jiān)測：在燃?xì)鈮嚎s機(jī)區(qū)域動設(shè)備安裝溫振傳感器，監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況，結(jié)合頻譜分析、累積損傷理論等，對設(shè)備的疲勞損傷、故障類型等進(jìn)行分析判斷。

2防爆設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過將傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對物理世界的感知、控制和信息交互。本文所述系統(tǒng)安裝于某海上平臺中層甲板的燃?xì)鈮嚎s機(jī)區(qū)域，旨在通過先進(jìn)的傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)處理手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析防爆設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，主要包括以下4個(gè)關(guān)鍵組成部分。

2.1.1 傳感器

在對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用過程中，會通過在物體上安裝傳感器的方式，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置[]。包括紅外熱成像、電流傳感器、溫濕度傳感器、溫振傳感器等，分別用于監(jiān)測防爆設(shè)備的表面溫度、電流、環(huán)境以及設(shè)備故障。在制定監(jiān)測覆蓋率要求的基礎(chǔ)上，充分考慮平臺的實(shí)際結(jié)構(gòu)、環(huán)境特點(diǎn)以及監(jiān)測需求，對海上平臺的傳感器布放方式進(jìn)行優(yōu)化[12]。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備是連接傳感器與中央控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并進(jìn)行初步處理。具體功能包括：信號調(diào)理：對傳感器輸出的原始信號進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理，提高信號質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)同步：確保不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)在同一時(shí)間基準(zhǔn)下進(jìn)行同步，避免因時(shí)差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不一致問題。數(shù)據(jù)存儲：具備本地緩存功能，在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或服務(wù)器故障時(shí)，能夠暫時(shí)存儲采集到的數(shù)據(jù)，待恢復(fù)正常后上傳至中央控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸：通過有線或無線通信接口，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場服務(wù)器或云端平臺，供進(jìn)一步分析和處理。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)充分考慮了海上平臺的特殊環(huán)境，具有高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，確保在惡劣條件下也能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1防爆設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)組成 Fig.1Composition of online monitoring system for explosion-proof equipment

2.1.3 無線/有線網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)采用了靈活的無線/有線混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體包括：有線網(wǎng)絡(luò)：在關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間鋪設(shè)專用的光纖或電纜，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高速率。無線網(wǎng)絡(luò)：對于布線困難或移動性要求較高的應(yīng)用場景，采用無線通信技術(shù)（如Wi-Fi、LoRa、5G等）的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高穩(wěn)定性的遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[13]。

2.1.4 現(xiàn)場服務(wù)器

現(xiàn)場服務(wù)器安裝在控制室，作為系統(tǒng)的中樞大腦，其主要功能包括：數(shù)據(jù)接收與處理：從數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步處理和分析；數(shù)據(jù)存儲與管理：將處理后的數(shù)據(jù)存儲在高性能數(shù)據(jù)庫中，建立長期的歷史數(shù)據(jù)檔案，便于后續(xù)查詢和分析；數(shù)據(jù)分析與報(bào)警：基于預(yù)設(shè)的閥值和算法模型，對實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識別異常情況并發(fā)出警報(bào)；用戶界面與交互：提供友好的用戶界面，方便運(yùn)維人員查看設(shè)備狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄。

2.2 系統(tǒng)安裝

2.2.1 基本情況

燃?xì)鈮嚎s機(jī)位于中層甲板東南方向位置，壓縮機(jī)機(jī)組主體為一臺隔爆型電機(jī)驅(qū)動一套直列雙缸雙作用往復(fù)式壓縮機(jī)，機(jī)組所包含的主要防爆設(shè)備包括：防爆動力（照明）控制箱、防爆電磁閥、隔爆型熱差式流量開關(guān)、溫度變送器、防爆電加熱器、防爆軸流通風(fēng)機(jī)、防爆電源三通接線盒、點(diǎn)型紅外火焰探測器和可燃?xì)怏w探測器等。

2.2.2 傳感器安裝

在撬塊上方安裝一套防爆紅外熱成像實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)表面溫度監(jiān)測；在燃?xì)鈮嚎s機(jī)主要發(fā)熱、受力部位安裝無線溫振傳感器，包括電機(jī)和曲軸箱軸承位置（如圖2中1H、2H、3H、4H所示），兩級氣缸排氣閥位置（圖2中1～4T和5～8T所示），共計(jì)安裝12個(gè)傳感器，安裝方式為強(qiáng)力結(jié)構(gòu)膠安裝；電流傳感器和溫濕度傳感器，均安裝在防爆接線箱內(nèi)。傳感器安裝示意如圖2所示。

圖2溫振傳感器安裝位置 Fig.2Locationofthetemperaturevibrationsensor installation

2.2.3 信號線敷設(shè)

從燃?xì)鈮嚎s機(jī)旁安裝的防爆接線箱通過光纖信號線纜沿著已有的電纜橋架鋪設(shè)到平臺中控間，實(shí)現(xiàn)傳感器信號數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測采集的功能。

2.2.4數(shù)據(jù)采集設(shè)備及服務(wù)器安裝

為了實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的采集、存儲和遠(yuǎn)程訪問，在控制室安裝了數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備智能服務(wù)器。

3應(yīng)用及實(shí)施效果

現(xiàn)場所有接線工作完成后，系統(tǒng)機(jī)柜上電，服務(wù)器、防火墻等設(shè)備開始工作，然后開始系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試設(shè)置，到目前為止，各防爆設(shè)備關(guān)鍵防爆參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)正?？捎?，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.1關(guān)鍵防爆參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測

通過多種傳感器的協(xié)同工作，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測燃?xì)鈮嚎s機(jī)相關(guān)防爆設(shè)備的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，并在界面中實(shí)時(shí)顯示，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況（如過高的溫度、異常的電流波動等），系統(tǒng)會立即發(fā)出警報(bào)，提醒運(yùn)維人員采取措施，有效預(yù)防潛在的安全隱患。

3.2 可視化管理

系統(tǒng)提供的用戶界面可以直觀地展示設(shè)備的狀態(tài)和報(bào)警信息，便于運(yùn)維人員和管理人員隨時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，做出快速響應(yīng)。

3.3各類防爆參數(shù)相互驗(yàn)證

在本系統(tǒng)中，對部分防爆設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)采取了多種監(jiān)測方式。以溫度參數(shù)為例，溫振傳感器采集了重點(diǎn)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，而紅外熱成像攝像頭采集了區(qū)域溫度，多種監(jiān)測手段相互結(jié)合，可以增加監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，減少誤報(bào)。

3.4增強(qiáng)決策支持

專業(yè)技術(shù)人員可通過系統(tǒng)查看被監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄，通過數(shù)據(jù)分析，可以更好地了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，制定更有效的運(yùn)營策略。

4結(jié)語

（1）針對防爆電氣設(shè)備，分析了其防爆參數(shù)特性，并選取了表面溫度、電流、環(huán)境溫濕度、振動作為關(guān)鍵防爆參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測；

（2系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無線/有線網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場服務(wù)器四部分組成。用于監(jiān)測某海上平臺中層甲板燃?xì)鈮嚎s機(jī)區(qū)域的，采用了多種傳感器進(jìn)行監(jiān)測：在燃?xì)鈮嚎s機(jī)撬塊上方安裝了防爆紅外熱成像裝置，在主要發(fā)熱和受力部位安裝了無線溫振傳感器，并在防爆接線箱內(nèi)安裝了電流傳感器和溫濕度傳感器。通過光纖信號線纜鋪設(shè)至平臺中控間，實(shí)現(xiàn)傳感器信號數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；

（3）通過應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測燃?xì)鈮嚎s機(jī)及相關(guān)防爆設(shè)備的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即發(fā)出警報(bào)；可視化管理界面便于運(yùn)維人員隨時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況，做出快速響應(yīng)；多種監(jiān)測方式相互驗(yàn)證，增加了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，減少了誤報(bào)。

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