浮式生产储油装置(FPSO)运动姿态在线监测与预警技术

摘 要：在现代海洋油田开发进程中，浮式生产储油装置（FPSO）应用越来越广泛。国家对海洋环境保护标准越来越高，对FPSO的安全监控要求也在不断提高。文昌13-1/2油田针对“南海奋进”FPSO的特点，利用GPS差分定位技术以及国际海事卫星宽带通信技术等高科技手段，成功构建了一套FPSO运动姿态在线监测与预警系统，实现FPSO运动姿态全天候（包括台风撤离无人值守状态）在线监测与预警功能，不间断储存FPSO运动姿态数据，在提高FPSO装置安全性能同时，降低了FPSO位置漂移而导致海底原油管线泄露的风险，也为后续的FPSO运营及建造提供详尽的数据参考资料。

关键词：浮式生产储油装置（FPSO） 运动姿态 GPS差分技术 无人值守

中图分类号：U674.38 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-02

海上浮式生产储油装置（FPSO）（以下简称FPSO）是许多海洋油田的核心，随着中海油成功建设“海上大庆”以及开始“二次跨越”建设的宏伟目标，FPSO的数量在不断增加，现已遍布渤海及南海海域，FPSO的安全高效运营管理成为海洋油田管理的重要课题。现代FPSO多采用单点系泊方式（SPM， Single Point Mooring）固定，单点上连接着原油管线以及动力电缆等重要设施。一直以来，我们对FPSO的整体运动轨迹以及单点系统动态实时位置缺乏有效的数据资料以及监测手段，无法快速确认FPSO在安全的锚泊范围内，无法快速读取各种特变气候对FPSO的影响。特别是在FPSO遭遇台风袭击时，作业人员全部撤离守护船也驶离后，FPSO脱离了所有人的视线，处于完全失去监控的状态，无法得知FPSO是否在单点系泊安全区域内，无法获取台风吹袭FPSO时的最大风速以及FPSO在台风下的真实运动轨迹，上述问题给相关决策带来了很大的困难与挑战。

近年来GPS定位技术以及国际海事卫星宽带通信等高科技手段逐步在海上油田得到应用，对现场或远程实时掌握FPSO一年四季在海风、海浪、海流等各种天气海况作用下的水平位移、垂荡高度、横摇、纵摇轨迹参数，对FPSO的安全管理以及FPSO的工程建造，都起到了十分重要的作用。

该文从文昌13-1/2油田“南海奋进”FPSO入手，根据油田FPSO安全管理的实际需求，探讨FPSO运动姿态监测所需的GPS差分定位技术，以及台风等恶劣天气期间无人值守FPSO的海事卫星宽带通信技术，结合新建的FPSO单点GPS监测与预警系统以及海事卫星F站宽带通信系统，深入分析FPSO运动姿态全天候在线自动监测体系的优点与不足，为提高FPSO的安全运营管理提供有益的借鉴经验，同时也为今后FPSO的设计与建造提供宝贵的现场数据资料。

1 文昌油田FPSO运动姿态在线监测技术要求

根据FPSO安全管理要求，结合“南海奋进”FPSO实际情况，FPSO运动姿态在线监测技术要求包括：

（1）以FPSO单点系泊系统设计及建造的中心经纬度位置为基准，实时监测记录FPSO单点的水平位移、垂直起伏、横摇、纵摇等动态数值。

（2）FPSO运动姿态参数值与现场气象信息同步融合，天气海况的变化能够实时反映FPSO运动姿态的变化。

（3）FPSO运动姿态数值必须具有高精度等级，测量误差达到以下要求：水平位移小于60 cm，垂直位移小于90 cm，航向偏移小于0.1 °，倾斜角度小于0.1 °。

（4）FPSO运动姿态监测系统具备预警功能，当运动数据超出预警阀值后及时发出预警信息，提醒值班人员注意。

（5）FPSO运动姿态监测系统每天24 h连续不间断工作，即使在台风撤离无人值守期间也能够实时提取数据。

2 FPSO运动姿态监测关键技术

2.1 DGPS与RBN-DGPS定位技术

DGPS即差分全球定位系统（Differential Global Position System，简称DGPS），是在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度。

DGPS实际上是把一台GPS接收机放在位置已精确测定的点上，组成基准台。基准台接收机通过接收GPS卫星信号，测得并计算出到卫星的伪距，将伪距和已知的精确距离相比较，求得该点在GPS系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修正值以标准数据格式通过播发台向周围空间播发。附近的DGPS用户接收到来自基准台的误差修正信息，以此来修正自身的GPS测量值，从而大大提高其定位精度。

RBN-DGPS即无线电指向标/差分全球定位系统（Radio Beacon-Differential Global Position System），是一种利用航海无线电指向标播发台播发DGPS修正信息向用户提供高精度服务的助航系统，该系统在GPS系统基础上，利用差分技术，借助海上无线电指向标播发差分修正信息，给用户提供高精度定位服务的助航系统。可广泛应用于航道测量疏浚、船舶进出港及狭窄水道导航定位、交通安全管理、航标定位、海上石油勘探等。我国从1993年开始跟踪RBN－DGPS的动态，制定了相应的建设规划和技术标准，并从1995年―2000年分三期在我国沿海地区共建设了20座RBN－DGPS台，信号覆盖了整个沿海水域和部分陆地。用户距台站越近，定位精度越高。通常情况下，在距基准台300 km的范围内，米级导航型DGPS接收机的定位误差约为10 m，亚米级导航型接收机的定位误差约为5 m。

海南水监局辖区RBN/DGPS台站目前有抱虎角、三亚以及洋浦三个。

2.2 海事卫星宽带Fleet Broadband通信技术

海上宽带业务简称FB（Fleet Broadband），是海事卫星第四代卫星移动宽带业务应用于海上的专有名词，具有覆盖范围广、机动能力强、高可靠性的优势，可以保证用户在全球海上任何一个地点都得到高质量、高可靠的通信服务。该业务实现船舶通信IP化，满足船舶高速数据传输和视频通信的需求，上网最高速率可达432 Kbps。

由于海事卫星的高可靠度，即使在无人值守，或者在超强台风的恶劣环境下，海事卫星通信系统依然能够维持正常的工作状态，保持网络链路的畅通，为实时在线监测通信链路提供技术保障。

3 FPSO运动姿态监测系统

3.1 FPSO单点GPS监测与预警系统

该系统是利用FPSO以单点为中心的运动轨迹，通过RBN-DGPS差分定位技术，结合传感器、光纤串口、工控机以及不间断UPS电源等一系列应用而设计的综合性系统，实现在线监测记录FPSO实时运动姿态数据。

系统以FPSO单点实际安装位置为标准值，在FPSO单点系统的正上方安装DGPS系统天线以定位单点的实际坐标值，两值之差动态反映了FPSO实际位移，从而判断FPSO是否在正常的活动范围内，相关联的海底管线及动力传输电缆是否安全。

系统由GPS定位/导航仪、数字倾角监测仪、数据采集处理存储系统工控机、光纤转换器以及UPS电源系统等组成，GPS定位/导航仪放置在FPSO单点的上方，服务器安装在报房，客户端软件安装在FPSO、陆地PC机上，通过TCP/IP专网访问工控机，进行远程访问、监控、管理。系统整体安装如图1所示。

系统核心GPS定位/导航仪采用Crescent VS100 系列GPS罗经，该罗经遵循IEC61108-4信标标准，生成的2DGPS艏向精度优于0.1 °，差分定位精度小于60 cm（95 %置信度），集成的陀螺和倾斜传感器加快启动时间，并在暂时丢失GPS期间提供艏向更新，最大达20 Hz的快速艏向和定位输出率，差分选项包括SBAS （WAAS， EGNOS等）和可选的信标差分。

文昌13-1/2油田FPSO的GPS罗经选择信标差分，信标台站为海南岛抱虎角，距离油田约130 km，GPS罗经的2付天线安装在FPSO单点的正上方开阔位置，便于接收卫星信号差分准确定位。

FPSO单点GPS预警系统实现功能

包括：

（1）工控机提供RS232气象信息接口，接收处理风向、风速、气压、气温、湿度等实时气象信号。

（2）FPSO运行姿态实时数据、实时曲线、实时趋势、历史趋势、实时报表、历史报表以及报警信息提示等功能，采用IE浏览器方式访问。实时数据以日期命名自动储存在服务器内以供查询。

（3）UPS电源可供系统连续工作5 d左右。

3.2 海事卫星宽带Fleet Broadband系统

海事卫星宽带Fleet Broadband通信设备目的是在FPSO台风撤离无人值守的非正常期间，自动提供稳定的互联网通信链路，保证FPSO运动姿态数据能够实时传送至基地中心。

“南海奋进”FPSO海事卫星Fleet Broadband通信设备使用FURUNO FELCOM500设备，主要由室外天线单元（Antenna Unit）、室内通信单元（Communication Unit）、IP电话手柄（IP Handset）等组成。设备安装调试简便，室外天线直径0.6 m，整体功耗200 W左右，通电自动跟踪锁定卫星，不需要人工干预，系统能够提供432 K稳定的互联网通信带宽，可以在最恶劣的海况条件下表1维持通信。

3.3 气象系统

气象系统又称气象站，是FPSO标配的组成部分。主要由室外风速、风向、温湿度传感器、室内数据处理中心、室内显示终端组成，可提供风向、风速、艏向、气压、温度等实时动态天气信息。

“南海奋进号”FPSO气象站采用Observator公司生产的OMC系列气象设备，气象站OMC-183信号处理中心提供标准的RS422/RS485/RS232等数据接口，可与FPSO单点GPS监测与预警系统对接，同步提供所需的气象数据。

3.4 UPS电源系统

UPS电源系统是维持FPSO运动姿态监测系统24 h不间断工作的重要保障，尤其是在无人值守FPSO状态下，UPS电源系统的稳定性及续航性更为重要。

在部署UPS电源系统时，要考虑FPSO运动姿态监测系统的总负荷，尽量选用耗电低的设备，精确计算耗电总功率，构建快充慢放型供电系统，以便能够维持系统的长时间工作。

4 FPSO运动姿态监测系统应用效果

4.1 FPSO运动姿势监测系统架构

FPSO运动姿势监测系统总体由FPSO单点GPS监测与预警系统、海事卫星FB宽带系统、气象站以及UPS电源系统四部分组成。系统实现FPSO运动姿势全天候24 h现场或远程监控记录功能。

4.2 FPSO运动姿势监测系统实际应用

“南海奋进”FPSO运动姿态在线监测系统2011年初投入实际应用，现场使用系统实际监控后，针对系统存在的一些问题加以改进与完善，使该系统在日常生产管理以及台风期间都发挥了重要的作用，取得了良好的效果。

在“南海奋进”FPSO中控室，安装了单点GPS监测与预警系统的独立显示与报警装置，值班人员可以直观地看到FPSO的实时运动轨迹，当FPSO运动轨迹超过设定的参数时，报警装置马上报警，值班人员马上关注，收集数据，并安排人员到单点现场密切观察单点系统状态，随时报告，确保安全。

2011年7月底，强热带风暴“洛坦”吹袭文昌13-1/2油田，“南海奋进”FPSO人员全部撤离，守护船也到港湾避风，台风期间，基地值班人员通过在线监测系统，实时地看到了“南海奋进”FPSO的运动状态以及现场的风向风速等气象信息，系统第一次无人值守应用成功，效果反映良好。

通过这次台风期间的实际应用，我们也发现了一些不足之处，比如对UPS电源设计安装存在一些缺陷，对UPS设备的提前关断以及蓄电池的续航能力考虑不足，导致系统链路提前中断，系统的软件设置方面，客户端加载程序过多，导致连接速度有些延迟，这些都在后来进行了相应的改造，使系统发挥更大的作用。

5 结语

作为海洋油田重要的生产装置，FPSO的安全受到重点关注，通过现代GPS差分定位以及海事卫星FB宽带通信系统等高科技手段，结合FPSO现有的信息化网络设备，构建FPSO运动姿态全天候监测与预警系统，是提高FPSO管理能力的有力途径，同时，也为FPSO的设计建造提供第一手

资料。

文昌13-1/2油田“南海奋进”FPSO运动姿态全天候在线监测与预警系统目前已成功运行，效果良好，引起广泛的关注与重视。文昌油田群“海洋石油116”FPSO也即将构建同类型的全天候在线监测与预警系统。相信不久的将来，FPSO运动姿态全天候在线监测与预警技术将普及于越来越多的FPSO装置，为海洋油田开发保驾护航。

参考文献：

[1] 王军，于洪喜.差分GPS定位技术[J].空间电子技术，2001（1）.

[2] 邓健，王庆，潘树国，赵兴旺.基于多参考站的分米级GPS伪距差分定位方法[J].东南大学学报（自然科学版）， 2010（2）.