FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試＊

鄭曉濤 朱進(jìn)全 余 捷

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司技術(shù)中心 天津 300451）

鄭曉濤，朱進(jìn)全，余捷.FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27（6）：122-126.

FPSO采用單點(diǎn)系泊方式作業(yè)，可在20～1 000 m水深范圍內(nèi)工作，已被廣泛用于淺海、深海和邊際油氣田的開發(fā)［1-3］。目前FPSO外輸作業(yè)越來越頻繁，其安全性受風(fēng)、浪、流等水文氣象及信息交流暢通等條件影響［4-6］。FPSO外輸作業(yè)是由單點(diǎn)、FPSO、穿梭油輪及拖輪通過串靠方式組成的系統(tǒng)進(jìn)行的，當(dāng)FPSO、穿梭油輪及拖輪3條船呈直線排列時(shí)為安全狀態(tài)。FPSO外輸作業(yè)時(shí)間一般較長(zhǎng)（12～24 h），外輸作業(yè)人員在夜間操作時(shí)由于客觀原因?qū)PSO和穿梭油輪相對(duì)位置觀測(cè)不及時(shí)，等兩船相對(duì)距離過小或相對(duì)夾角過大時(shí)往往來不及調(diào)整兩船的位置關(guān)系；尤其當(dāng)外輸作業(yè)期間遇到突發(fā)天氣情況時(shí)，提油船長(zhǎng)需要依托風(fēng)速風(fēng)向、浪高浪向、流速流向、系泊纜拉力、FPSO與穿梭油輪之間相對(duì)距離和相對(duì)夾角等實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)向拖輪發(fā)出拖曳指令，調(diào)整FPSO、穿梭油輪和拖輪的位置關(guān)系。由于提油船長(zhǎng)缺少3條船相對(duì)位置關(guān)系的直觀數(shù)據(jù)，只能依靠經(jīng)驗(yàn)來指揮調(diào)整，存在發(fā)生碰撞、輸油軟管斷裂等安全隱患。

為了規(guī)避由于海上原油外輸作業(yè)所需關(guān)鍵信息缺乏導(dǎo)致指揮人員操作不當(dāng)而造成的安全事故，同時(shí)減輕油輪外輸人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，急需設(shè)計(jì)一套FPSO串靠外輸作業(yè)安全指揮系統(tǒng)，指揮人員可以根據(jù)該系統(tǒng)提供的數(shù)字化信息提升外輸作業(yè)的安全性。本文依托工信部項(xiàng)目“FPSO原油外輸系統(tǒng)集成技術(shù)研究及關(guān)鍵設(shè)備研制”，采用Visual Studio 2010程序開發(fā)平臺(tái)、Moses軟件、傳感器和GPS定位等技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套便于操作的FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過各種設(shè)備采集外輸關(guān)鍵參數(shù)，通過設(shè)在FPSO上的中心站對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和作業(yè)船資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得出船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)報(bào)，并以無線通信的方式發(fā)送數(shù)據(jù)至手持終端。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)硬件由單點(diǎn)GPS基準(zhǔn)站、FPSO中心站、一體測(cè)量站、外輸參數(shù)采集設(shè)備、手持終端等組成（圖1）。其中，風(fēng)速儀、浪流儀AWAC和GPS基準(zhǔn)站安裝在FPSO單點(diǎn)上；系泊纜拉力傳感器安裝在FPSO纜繩上，配載儀、AIS系統(tǒng)、中心站安裝在FPSO船體上，通過電纜先將數(shù)據(jù)接入多信息號(hào)數(shù)據(jù)集成轉(zhuǎn)化模塊，然后將數(shù)據(jù)信號(hào)以網(wǎng)線RJ-45接口的形式接入服務(wù)器，服務(wù)器通過網(wǎng)線與數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行連接；穿梭油輪上安裝一體測(cè)量站，由外輸指揮人員登船時(shí)攜帶安裝。

FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)工作時(shí)，GPS基準(zhǔn)站向所有一體測(cè)量站和中心站發(fā)送實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量差分信息，由一體測(cè)量站和中心站完成厘米級(jí)定位及船體姿態(tài)測(cè)量；FPSO上的服務(wù)器將監(jiān)測(cè)傳感器采集的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器處理后實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，同時(shí)通過FPSO上的數(shù)傳電臺(tái)與穿梭油輪上的數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交換，再經(jīng)WIFI AP轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器終端與手持終端機(jī)的數(shù)據(jù)同步。

在外輸作業(yè)時(shí)，一體測(cè)量站臨時(shí)安裝在穿梭油輪和拖輪上，用于測(cè)量船體的位置、姿態(tài)等信息。為了明確各模塊的空間位置關(guān)系，對(duì)一體測(cè)量站進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)一體測(cè)量站結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以看出，主、從GPS天線由伸縮臂與主機(jī)固聯(lián)，設(shè)備不工作時(shí)可卸下GPS天線并將GPS天線伸縮臂收回；電臺(tái)天線采用伸縮式一體天線，不使用時(shí)可以一并收回；主機(jī)內(nèi)部高度集成鋰電池、AC／DC電源模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊、雙天線GPS模塊、中心控制模塊和數(shù)傳電臺(tái)模塊。由此可見，一體測(cè)量站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了模塊化，具有質(zhì)量配比合理、兼有“防錯(cuò)插”功能、電磁屏蔽性能較好、連接器插接和設(shè)備維護(hù)方便等特點(diǎn)。

圖1 FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of safety command system for FPSO tandem offloading operation

圖2 FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)一體測(cè)量站結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of integrated measuring station for FPSO tamdem offloading openation

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)按邏輯結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)與處理、顯示輸出等3個(gè)流程，如圖3所示。由圖3可知，F(xiàn)PSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)有船型數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫、預(yù)警數(shù)據(jù)庫等五大數(shù)據(jù)庫，其中由船名、總長(zhǎng)、型寬、型深、吃水等船型資料建立船型數(shù)據(jù)庫；監(jiān)測(cè)設(shè)備（如風(fēng)速風(fēng)向儀、浪流儀、拉力傳感器、配載儀、AIS系統(tǒng)）傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采取標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式構(gòu)建監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫；以嵌入FPSO外輸作業(yè)區(qū)域的電子海圖為背景，以船形圖標(biāo)顯示船舶方位信息并構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫；借助Moses軟件模擬計(jì)算FPSO外輸作業(yè)參數(shù)所得結(jié)果，并經(jīng)臨界條件過濾判斷形成預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫；由預(yù)先設(shè)定的各種預(yù)警信息建立預(yù)警數(shù)據(jù)庫。

預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫是FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)的核心?；诂F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)、浪、流共同作用下的FPSO外輸作業(yè)參數(shù)計(jì)算，不僅風(fēng)、浪、流組合復(fù)雜多變，而且FPSO和穿梭油輪的船舶載度隨著輸油量變化而改變，因此計(jì)算的工作量頗大。如果該系統(tǒng)直接集成計(jì)算模塊，每一次預(yù)報(bào)均現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算，且耗時(shí)大于0.5 h，那么預(yù)測(cè)和預(yù)警的功能在時(shí)效上將失去意義。為了能實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，模擬計(jì)算結(jié)果必須快速反饋，故基于FPSO外輸作業(yè)所在海域的水動(dòng)力環(huán)境特征，模擬外輸作業(yè)期間FPSO與穿梭油輪在水流、波浪和風(fēng)等共同作用下的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和方位等信息，建立模擬數(shù)據(jù)庫，這樣系統(tǒng)在每一次工作時(shí)即可迅速調(diào)入相應(yīng)模擬值，為外輸作業(yè)安全提供決策參考。

1.2.2 模擬數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

模擬計(jì)算時(shí)，假定流體為均勻、不可壓縮、無黏、無旋條件下，流動(dòng)的基本方程為關(guān)于速度勢(shì)的線性Laplace方程。應(yīng)用線性理論后，定?？臻g速度勢(shì)φ（x，y，z）要滿足的控制方程［7］為 Δ2φ（x，y，z）=0。應(yīng)用疊加原理，線性速度勢(shì)可分解為入射勢(shì)φI、繞射勢(shì)φD和對(duì)應(yīng)于各運(yùn)動(dòng)模態(tài)的輻射勢(shì)φMj，即

圖3 FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Logic structure diagram of safety command system for FPSO tandem offloading operation

考慮到系泊系統(tǒng)、環(huán)境載荷等非線性因素的共同影響，需要采用時(shí)域方法進(jìn)行求解。時(shí)域中的運(yùn)動(dòng)方程為，為系統(tǒng)的時(shí)延函數(shù)，Bij為阻尼系數(shù)矩陣；t、τ為時(shí)間參數(shù)，且0≤τ≤t；Gi為系泊纜張力；FiD為波浪載荷；FiW為風(fēng)載荷；FiC為流載荷。

由FPSO、穿梭油輪以及系纜組成的多浮體系統(tǒng)在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷和系泊載荷的共同作用下處于平衡，在時(shí)域內(nèi)可根據(jù)平衡方程（2）對(duì)此多浮體系統(tǒng)進(jìn)行求解，得到FPSO和穿梭油輪處于平衡位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

Chen等［8］闡述了由頻域到時(shí)域轉(zhuǎn)換的多浮體運(yùn)動(dòng)分析方法，表明由此方法可得任意波隨時(shí)間變化的響應(yīng)。結(jié)合外輸系統(tǒng)現(xiàn)狀，建立了FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)數(shù)值模擬流程，如圖4所示。由圖4可知，依據(jù)廠家提供的FPSO和穿梭油輪的型值表建立FPSO、穿梭油輪的水動(dòng)力模型。將FPSO、穿梭油輪劃分成面單元，建立系泊系統(tǒng)，定義系統(tǒng)的初始位置及風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)，在時(shí)域中模擬多浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及計(jì)算系泊系統(tǒng)的受力。主要分析步驟如下：

1）利用三維勢(shì)流理論計(jì)算船舶在頻域中的水動(dòng)力系數(shù)（附加質(zhì)量、輻射阻尼、波浪力）；

2）通過卷積積分將頻域中的水動(dòng)力系數(shù)轉(zhuǎn)換成時(shí)域下的水動(dòng)力系數(shù)；

3）根據(jù)系泊纜繩的預(yù)張力確定其初始參數(shù)；

4）計(jì)算風(fēng)力和流力；

5）不計(jì)入系纜子系統(tǒng)，求解時(shí)域中的運(yùn)動(dòng)方程；

6）根據(jù)船體的運(yùn)動(dòng)計(jì)算系泊纜的動(dòng)力參數(shù)；

7）在船體運(yùn)動(dòng)方程計(jì)入系纜張力后，求解時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程。重復(fù)第6步和第7步，直至得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解，得出在模擬時(shí)間內(nèi)FPSO及穿梭油輪所處的位置、運(yùn)動(dòng)速度及加速度。

式（2）中：i，j=1，2，…，6，為船體六自由度，包括縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖；Mij為浮體質(zhì)量矩陣；Aij（∞）為浮體附加質(zhì)量矩陣；X為浮體的位移向量（包括縱蕩、橫蕩、升沉、橫搖、縱搖和艏搖）；Aij為質(zhì)量慣性矩矩陣；Cij為浮體恢復(fù)力系數(shù)矩陣；Lij=

圖4 FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)數(shù)值模擬流程圖Fig.4 Numerical simulation of flow diagram of safety command system for FPSO tandem offloading operation

2 系統(tǒng)測(cè)試

FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)測(cè)試的環(huán)境條件為：風(fēng)速≤8.9 m／s，流速≤1.1 m／s，浪高≤2.5 m；測(cè)試設(shè)備為：設(shè)置在單點(diǎn)系統(tǒng)上的GPS基準(zhǔn)站、FPSO上的中心站、穿梭油輪和拖輪上的一體測(cè)量站。中心站和一體測(cè)量站中的3個(gè)數(shù)傳電臺(tái)之間通過電臺(tái)天線組成局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)FPSO、穿梭油輪和拖輪3條船舶之間的數(shù)據(jù)傳送，再通過在各船舶的工作區(qū)域架設(shè)WIFI AP及其天線實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、3個(gè)手持終端機(jī)相互之間信息同步顯示。

FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)測(cè)試分為硬件通信測(cè)試和軟件功能測(cè)試兩部分。

1）硬件通信測(cè)試。FPSO上電臺(tái)天線與穿梭油輪上電臺(tái)天線間距約340 m，穿梭油輪上電臺(tái)天線與拖輪上電臺(tái)天線間距約200 m，數(shù)傳電臺(tái)的輸出功率均為5 W，中心站的數(shù)傳電臺(tái)天線安裝于FPSO的至高點(diǎn)。一體測(cè)量站分別設(shè)置于穿梭油輪和拖輪駕駛室樓頂?shù)闹粮唿c(diǎn)，且一體測(cè)量站的雙GPS天線與船舶航向保持平行。WIFI AP的輸出功率為1 W，在FPSO船尾的至高點(diǎn)、提油船長(zhǎng)的艙室內(nèi)活動(dòng)區(qū)域分別架設(shè)WIFI天線，進(jìn)行WIFI覆蓋。測(cè)試結(jié)果顯示：FPSO、穿梭油輪與拖輪之間的信息無數(shù)據(jù)包丟失；室內(nèi)外的提油作業(yè)區(qū)域內(nèi)手持終端機(jī)的WIFI信號(hào)均為滿格顯示；各手持終端機(jī)之間、手持終端機(jī)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

2）軟件功能測(cè)試。由于穿梭油輪由半載變化到滿載過程中發(fā)生碰撞風(fēng)險(xiǎn)較大［6］，因而選取了穿梭油輪 的 50%、60%、70%、80%、90%、100% 等 6種載荷，風(fēng)速≤7 m／s，流速≤3 m／s，采用水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了模擬計(jì)算。1次提油作業(yè)中設(shè)穿梭油輪的載荷 分 別 為 50%、60%、70%、80%、90%、100%等在初始0時(shí)刻，先分別計(jì)算出FPSO和穿梭油輪在5、10、15 min的經(jīng)度、緯度和航向的預(yù)測(cè)值；再借助GPS模塊實(shí)測(cè)出FPSO和穿梭油輪在5、10、15 min的經(jīng)度、緯度和航向；然后對(duì)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的差值取絕對(duì)值，即得1次提油作業(yè)中FPSO和穿梭油輪在6種載荷下的預(yù)測(cè)誤差值。采用同樣的方法在8次提油作業(yè)中進(jìn)行了計(jì)算，得到每1種載荷下的8個(gè)預(yù)測(cè)誤差值，即得6種載荷下的預(yù)測(cè)平均誤差值，如表1所示。此外，還測(cè)試了各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能否及時(shí)顯示，模擬出現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)能否發(fā)出預(yù)警信息。測(cè)試結(jié)果顯示：系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警數(shù)據(jù)能夠及時(shí)顯示，且運(yùn)行穩(wěn)定；對(duì)于穿梭油輪6種不同載荷工況，F(xiàn)PSO和穿梭油輪的方位預(yù)測(cè)精度均基本滿足了工程需要。因此，硬件通信和軟件功能的測(cè)試結(jié)果均驗(yàn)證了本文FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)的可靠性。

表1 FPSO串靠外輸時(shí)FPSO和穿梭油輪經(jīng)度、緯度、航向預(yù)測(cè)平均誤差值Table 1 Mean error of prediction of longitude，latitude and course of FPSO and shuttle tanker in FPSO tandem offloading

3 結(jié)論

根據(jù)FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)工作原理，分析了在單點(diǎn)、FPSO、穿梭油輪及拖輪上的硬件組成，提出了一種硬件設(shè)計(jì)技術(shù)方案，并對(duì)一體測(cè)量站進(jìn)行了一體化模塊設(shè)計(jì)，使其具有“防錯(cuò)插”功能、安裝拆卸方便等特點(diǎn)。預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫是FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)的核心，數(shù)值模擬計(jì)算的工作量較大，為了滿足預(yù)報(bào)和預(yù)警的功能時(shí)效性需要，依托經(jīng)典的勢(shì)流理論建立了模擬數(shù)據(jù)庫，并提出了系統(tǒng)數(shù)值模擬技術(shù)流程。硬件通信測(cè)試與軟件功能測(cè)試結(jié)果均表明，本文設(shè)計(jì)的FPSO串靠外輸安全指揮系統(tǒng)是可靠的，可以提升FPSO外輸作業(yè)的安全性。

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