FPSO軟鋼臂系泊監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《FPSO軟鋼臂系泊監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《FPSO軟鋼臂系泊監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)（6頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、  FPSO 軟鋼臂系泊監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì) 劉濤，唐達(dá) （大連理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116023） 5 10 15 20 25 30 35 40 摘要：針對(duì)目前 FPSO 軟鋼臂系泊系統(tǒng)缺乏集成監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，基于軟鋼臂系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特 征，設(shè)計(jì)了對(duì)該類(lèi) FPSO 及其系泊結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和外部環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的集成系統(tǒng)。傳感器采 集到的

2、原型測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，集成采集軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理之后得到所需 要的監(jiān)測(cè)要素。通過(guò)對(duì)“海洋石油 102”在 2102 年 6 月至 12 月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 總結(jié)了 FPSO 及其系泊結(jié)構(gòu)在該時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)應(yīng)用；FPSO；系泊系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì) 中圖分類(lèi)號(hào)：P752 Design of integrated monitoring system for FPSO Soft Yoke mooring Liu Tao, Tang Da (Dalian University Of Technology, LiaoNing DaLi

3、an 116023) Abstract: Aiming at status of FPSO soft yoke lack of integrated monitoring, in view of the characteristic of soft yoke structure, a real-time and integrated monitoring system for the movement posture of FPSO mooring structure and the external environment was designed. The data measure

4、d by the sensors transform to the PC via data acquisition unit. By statistical and analysis of the real-time measured data from “HYSY102” In June 2102 to December, the motion law of FPSO and mooring structure was summarized in this period. Keywords: Computer application; FPSO; mooring system; fie

5、ld motoring; long-term statistical 0 引言 FPSO 軟剛臂系泊系統(tǒng)在我國(guó)渤海和南海油氣開(kāi)發(fā)中廣泛應(yīng)用，但近年來(lái)，由于過(guò)度的 使用或者海上環(huán)境的突發(fā)惡劣狀況導(dǎo)致軟剛臂失效，甚至整個(gè)系泊系統(tǒng)癱瘓，不僅造成巨大 的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。通過(guò)對(duì) FPSO 船體姿態(tài)和外部環(huán)境條 件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以有效的反映軟剛臂的載荷和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不但能夠保證船體的安全運(yùn)行， 還可以通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析來(lái)對(duì)該類(lèi)系泊系統(tǒng)的評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)提供可靠的佐證。目前許多研 究機(jī)構(gòu)致力于軟剛臂模型建立和分析[2][3]以及船體運(yùn)動(dòng)的仿真[4]以改進(jìn)系

6、泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5] ， 能夠獲取到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)第一手?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)建模分析和仿真會(huì)有很大的驗(yàn)證和輔助作用。 隨著安全結(jié)構(gòu)識(shí)別、系泊載荷研究技術(shù)的不斷提高，各種傳感器的靈敏性、計(jì)算機(jī)軟硬 件的發(fā)展，對(duì)海洋環(huán)境及早的預(yù)知性和采取的防范措施，目前國(guó)內(nèi)外一些對(duì)海洋采油平臺(tái)的 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)取得了卓越的成效，但針對(duì) FPSO 軟剛臂系泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)研究仍然很少。對(duì)海 洋平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)目前大多數(shù)監(jiān)測(cè)方式是利用高精度傳感測(cè)量?jī)x器對(duì)其外部海洋環(huán)境進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6]或者實(shí)測(cè)船體運(yùn)動(dòng)相應(yīng)數(shù)據(jù)[7]。由于 FPSO 軟剛臂系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特殊性，要求 監(jiān)測(cè)內(nèi)容不僅僅要包括外部環(huán)境，也需要對(duì) FPSO 船體的姿態(tài)、軟剛

7、臂系泊負(fù)載狀態(tài)能夠給 出及時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析。此外，要想正確全面的對(duì)平臺(tái)做出評(píng)價(jià)[8]，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高集成化[9]和 實(shí)時(shí)性[10]也是不可缺少的。 作者簡(jiǎn)介：劉濤，（1987-），男，碩士研究生，主要研究生方向：海洋平臺(tái)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)分析與挖掘。E-mail: lytao123sc@ 通信聯(lián)系人：唐達(dá)，（1961-），男，副教授，主要研究方向：海洋平臺(tái)監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的三維 仿真技術(shù)，系統(tǒng)建模理論與工作流技術(shù)。E-mail: tangda@ -1-  渤?！坝颜x號(hào)”和“海洋石油 102”采油平臺(tái)均系 FPS

8、O 軟剛臂系泊系統(tǒng)，針對(duì)該類(lèi)系 泊系統(tǒng)的特點(diǎn)以及平臺(tái)的工作情況，在保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性原則的 基礎(chǔ)上，并盡可能的提高經(jīng)濟(jì)效益，本文提出了一套利用高精度儀器測(cè)量外部環(huán)境、多個(gè)高 精度傾角以及 RTK GPS 動(dòng)態(tài)定位儀測(cè)量計(jì)算船體姿態(tài)的硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[11]。軟件集成系統(tǒng)通 45 過(guò)上位機(jī)軟件從串口讀取傳感器數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后得到需要監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)要素的數(shù) 據(jù)，采用 windows 操作下的圖形用戶(hù)界面，方便操作人員使用，既做到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯 示和平臺(tái)預(yù)警，也實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史查詢(xún)。 1 系統(tǒng)整體架構(gòu) 50  1.1

9、 硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括各種測(cè)量傳感器和數(shù)據(jù)采集器。以下是各類(lèi)傳感器布點(diǎn)方案： 高精度傾角傳感器：2 傾角傳感器安裝于船體表面，用于測(cè)量船體橫搖、縱搖；其余四 個(gè)傾角傳感器分別安裝在左右系泊腿和 YOKE 臂，用于測(cè)量船體距單點(diǎn)平臺(tái)距離（縱蕩） 以及船體的水平系泊力。 風(fēng)速風(fēng)向儀：船體上方高點(diǎn)。 55 GPS：采取兩個(gè) GPS 測(cè)量艏向角，分別安裝于船體和單點(diǎn)上，可以通過(guò)數(shù)據(jù)獲得船體 航向（艏向角）、升沉以及船體距單點(diǎn)的距離。 1.2  上位機(jī)軟件集成系統(tǒng) 軟件系統(tǒng)是整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心組成部分，一方面可將硬件設(shè)備集成化管理和數(shù)據(jù)處

10、 理，對(duì)設(shè)備進(jìn)行同步的通訊、顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)也可提供友好界面，供平臺(tái)作業(yè)者及 60 時(shí)了解監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)的提供平臺(tái)預(yù)警，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回訪、報(bào)表打印等處理。 圖 1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能圖 Fig.1 Functional chart of monitoring system software 65  1.3  軟硬件監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)流過(guò)程 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流過(guò)程主要分為兩個(gè)階段：傳感器->數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)采集器->上位機(jī)數(shù)據(jù)中 心。 數(shù)據(jù)采集器對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一格式處理，并進(jìn)行原始數(shù)據(jù)保

11、存，將格式處理之 后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口服務(wù)器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)中心。上位機(jī)從數(shù)據(jù)中心中提取數(shù)據(jù)，在保證多 70 個(gè)傳感器數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)性基礎(chǔ)上對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解算得到監(jiān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)。 -2-  圖 2 軟剛臂單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖 Fig.2 Flow chart of the monitoring system for the soft yoke single point mooring 2 數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)及異常處理 75

12、 80 由于在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中會(huì)需要兩個(gè)或者多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成計(jì)算之后才會(huì)得到 最終需要的監(jiān)測(cè)要素，確保不同傳感器發(fā)出數(shù)據(jù)的同步性及能夠及時(shí)判斷傳感器的工作狀態(tài) 可以保證確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完備性。此外，平臺(tái)上環(huán)境條件復(fù)雜，為了能夠及時(shí)讓工 作人員了解到傳感器的工作情況，系統(tǒng)在是識(shí)別的傳感器異常情況之后，在操作界面上給予 及時(shí)的錯(cuò)誤顯示。 圖 3 異常數(shù)據(jù)處理流程圖 Fig.3 Flow chart of processing the exce

13、ption data 85  2.1  計(jì)算某一監(jiān)測(cè)要素需要同時(shí)具備兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù) 求解船體距單點(diǎn)距離、升沉和船體系泊受力同時(shí)需要系泊腿和 YOKE 臂在一個(gè)方向上 兩個(gè)傾角的測(cè)量值、求解船體航向需要兩個(gè) GPS 的數(shù)據(jù)，此情況需要兩個(gè)傳感器在某一時(shí) 刻必須同時(shí)都在正常工作，否則兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)都不可信。 每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)處理程序添加一個(gè)標(biāo)志位和計(jì)時(shí)器，程序收到數(shù)據(jù)并且校驗(yàn)成功則修改 標(biāo)志位，并且計(jì)時(shí)器置為零，否則計(jì)時(shí)器每秒加一，當(dāng)任何一個(gè)傳感器處理程序的計(jì)時(shí)器達(dá) 90 到某一上限值時(shí)，放棄等待該傳感器，并在操作界面上給予該傳感器錯(cuò)

14、誤的提示，直到其恢 復(fù)正常工作。 2.2  兩組傳感器測(cè)量之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理之后作為最后的監(jiān)測(cè)結(jié)果 為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完備性，船體橫搖、縱搖、船體距單點(diǎn)距離、升沉和船體系泊 受力均需要兩組傾角傳感器的測(cè)量結(jié)果求解平均值作為最后監(jiān)測(cè)要素的測(cè)量結(jié)果。 95 每組數(shù)據(jù)處理程序添加一個(gè)標(biāo)志位和計(jì)時(shí)器，當(dāng)數(shù)據(jù)被更新時(shí)，修改標(biāo)志位，并且計(jì)時(shí) 器置零。計(jì)時(shí)器每秒加一，當(dāng)計(jì)時(shí)器達(dá)到某一上限值時(shí)，判定該組傳感器發(fā)生問(wèn)題，放棄該 組傳感器，并在操作界面上給予錯(cuò)誤警示，此后只采用另外一組傳感器的數(shù)據(jù)，直到該組數(shù) -3- 據(jù)恢

15、復(fù)正常。 3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析  100  3.1  FPSO 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析 目前本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)“海洋石油 102”進(jìn)行了持續(xù) 9 個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取了大量的 FPSO 六自由度及其系泊結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?！昂Ｑ笫?102”FPSO 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集頻率為 1HZ， 對(duì)采集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)每一個(gè)小時(shí)計(jì)算其最大值，最能表達(dá) FPSO 及其系泊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。 對(duì) FPSO 橫搖、縱搖和縱蕩 3 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)較為明顯，而系泊腿的橫擺運(yùn)動(dòng)、系泊結(jié)構(gòu)的水 105 平和垂直受力對(duì)系泊結(jié)構(gòu)的安全影響較大。

16、 圖 4 船體縱搖運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Fig.4 Statistic result of the pitch 110  圖 5  船體橫搖運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Fig.5 Statistic result of the roll 圖 6 船體縱蕩運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Fig.6 Statistic result of the surge 115 -

17、4- 圖 7 系泊腿橫擺振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Fig.7 Statistic result of the horizontal swing of mooring leg  120 125  圖 8 系泊結(jié)構(gòu)水平受力統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Fig.8 Statistic result of the Horizontal force of mooring structure

18、 通過(guò)對(duì) 2012 年 6-12 月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)提取和分析可以得知，如圖 4-9 中所示，F(xiàn)PSO 縱搖 最大達(dá)到 1.5 度，橫搖最大達(dá)到 2.5 度，縱蕩最大可超過(guò) 3m，系泊腿橫擺最大達(dá)到了 5 度， 系泊水平受力最大超過(guò)了 100t，系泊腿軸力最大也超過(guò)了 500t。同時(shí)，11-12 月 FPSO 橫縱 搖以及系泊結(jié)構(gòu)受力明顯大于其他月份，這與渤海海域的海洋環(huán)境有關(guān)，因此該時(shí)間段往往 是 FPSO 系泊結(jié)構(gòu)破壞的頻發(fā)期。 3.2  監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性分析 通過(guò)安裝在系泊支架和系泊單點(diǎn)處的 RTK GPS 可以測(cè)量船體與單點(diǎn)之間的距離和高 130 度，但由于

19、現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境的復(fù)雜性，GPS 監(jiān)測(cè)會(huì)出現(xiàn)缺失現(xiàn)象，為了保證能夠獲取到全面 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可通過(guò)系泊腿和 YOKE 臂的傾角轉(zhuǎn)化為距離修補(bǔ) GPS 的測(cè)量位置數(shù)據(jù)。 圖 9 GPS 實(shí)測(cè)距離與傾角轉(zhuǎn)換距離對(duì)比 Fig.9 Comparison chart of distance between GPS measured and angle transformed -5-  1

20、35 140 145  圖 10 GPS 實(shí)測(cè)高度差與傾角轉(zhuǎn)換高度差對(duì)比 Fig.10 Comparison chart of height difference between GPS measured and angle transformed 通過(guò)對(duì)“渤海友誼號(hào)”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，如圖 10,11 所示，發(fā)現(xiàn)通過(guò)傾角轉(zhuǎn)換與 GPS 的 實(shí)測(cè)得到船體距單點(diǎn)距離和高度差非常吻合，GPS 測(cè)量得到的數(shù)據(jù)比傾角轉(zhuǎn)換得到的變化 明顯，說(shuō)明了 GPS 直接測(cè)量較傾角轉(zhuǎn)換靈敏度更高，也

21、證明了通過(guò)傾角計(jì)算來(lái)校準(zhǔn)和修補(bǔ) GPS 測(cè)量數(shù)據(jù)方法的可行性。 4 結(jié)論 本文提出的針對(duì) FPSO 軟剛臂系泊系統(tǒng)海洋平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從傳 感器監(jiān)測(cè)到計(jì)算機(jī)集成顯示、數(shù)據(jù)保存整個(gè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)過(guò)程。經(jīng)過(guò)較多實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，選取了既 可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又可以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的解算方法。通過(guò)采用多組傳感器 數(shù)據(jù)校正，及時(shí)的傳感器錯(cuò)誤異常處理，可以保證數(shù)據(jù)的完備性。該系統(tǒng)可以既可以實(shí)時(shí)的 反應(yīng)平臺(tái)的狀態(tài)，也可以從歷史數(shù)據(jù)中對(duì)平臺(tái)做出必要的分析和評(píng)價(jià)。目前該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在 渤?！安澈Ｓ颜x號(hào)”和“海洋石油 102”上投入使用超過(guò) 12 個(gè)月，運(yùn)行狀況良好。 15

22、0 [參考文獻(xiàn)] (References) [1] 李良碧，王自力，尹群等. 油氣泄漏災(zāi)害下海洋平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)影響因素研究[J]. 海洋工程，2011，29(2)：92-98 [2] 肖龍飛，楊立軍，楊建民. 軟剛臂系泊系統(tǒng)水平恢復(fù)力特性數(shù)值預(yù)報(bào)[J]. 海洋工程，2008,26(1)：24-28 [3] XIAO Long-fei, YANG Jian-min, YANG Li-jun, LI Xin. Theoretical Model and Dynamic Analysis of Soft 155 160 165 Yoke Moo

23、ring System[J]. China Ocean Engineering,2008,22(2):195-204 [4] 梁修峰，楊建民，李欣，于洋. FPSO 甲板上浪的模擬[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與發(fā)展. 2007，22(2)：229-236 [5] Carlos Guedes Soares, Nuno Fonseca, Ricardo Pascoal, Guenther F.Clauss, Analysis of wave induced loads on a FPSO due to abnormal waves[C], Proceedings of OMAE Specialty

24、 Conference on Integrity of Floating Production Storage& Offloading (FPSO) Systems,Houston,2004 [6] 屈衍,季順迎,時(shí)忠民. 海洋深水浮式平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究發(fā)展[A].第十五屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì) 論文集(上)[C], 江蘇:中國(guó)海洋學(xué)會(huì)海洋工程分會(huì)，2011.48-55. [7] 趙文華，胡志強(qiáng) ，楊建民 ，李?lèi)傁?，謝協(xié)民. FPSO 系泊系統(tǒng)載荷計(jì)算與分析--基于南海"奮進(jìn)號(hào)"FPSO 運(yùn)動(dòng)特性實(shí)船測(cè)量結(jié)果[J].中國(guó)海上油氣，2011，23(2)：116-121 [8] 王延林，岳前進(jìn)，畢祥軍. 基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的海洋平臺(tái)冰振控制效果評(píng)價(jià)[J]. 振動(dòng)與沖擊，2012，31(7)： 39-45 [9] 肖純. 工程結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成與數(shù)據(jù)處理研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2006 [10] 于志強(qiáng)，賈智平. 海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)信息發(fā)布系統(tǒng)的研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2007 [11] 張穎穎，張穎，馬然，程巖，侯廣利. 一種海洋監(jiān)測(cè)通用數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)，2010， 29(4)：9-11 170 -6-