浮式生产储卸油装置原油外输安全保护系统

摘要

本发明公开了浮式生产储卸油装置原油外输安全保护系统，它包括分别在固定平台、浮式生产储卸油装置、穿梭油轮和拖轮上建立的基准站、中心站、第一移动站和第二移动站,中心站的中心站高速电台、第一移动站的第一移动站高速电台以及第二移动站的第二移动站高速电台相互之间组成局域网，本发明首次实现了实时监测FPSO和穿梭油轮的艏向角、六自由度数据，FPSO、穿梭油轮和拖轮在电子海图上的方位信息，FPSO与穿梭油轮和拖轮的相对距离、相对夹角。比较全面集成了外输作业相关设备的监测数据，并绘制成动态监测数据曲线图；结合自建数学模型，预测FPSO与穿梭油轮较短时间内的运动趋势，为外输作业者提供所需的关键参考数据。

说明书

技术领域

本发明涉及海上油田FPSO串靠外输作业中，尤其涉及浮式生产储卸油装置原油外 输安全保护系统。

背景技术

FPSO(FloatingProductionStorageandOffloading，即浮式生产储卸油装置)作为海 上油气加工厂拥有一个极其复杂的系统，其涵盖了数十个子系统，主要由系泊系统、载 体系统、生产工艺系统及外输系统组成。其中，外输系统是待FPSO的原油储量达到一 定值时将原油外输到穿梭油轮，原油外输作业属于现场十项高风险作业之一的多工种联 合作业。

在风、浪、流等环境因素影响下，FPSO绕单点系统78做圆周运动。串靠外输则是 串靠式又称为艉靠式，是目前应用最多的FPSO原油外输方式。常规做法是拖轮的艉部 通过拖缆77牵引穿梭油轮的艉部，再将穿梭油轮的艏部通过系泊缆75连接于FPSO的 艉部，将拖轮、穿梭油轮停靠在与FPSO成一条直线上，通过外输软管76将原油输送到 穿梭油轮，两船的系泊距离一般为60～80m。系泊缆75常使用尼龙缆，且两端配有摩擦 链。

一次提油作业时间一般长达12～24小时，一旦外输作业期间风、浪、流等环境条件 突变，导致穿梭油轮漂移时，如果不及时采取有效措施，会增大穿梭油轮与FPSO相撞、 系泊缆载荷超限或突然断开的风险，进而发生外输软管被拉断、原油溢漏等事故。目前， 应对这种风险主要依靠外输操作人员的个人经验，提油船长发出指令命令拖轮向相反方 向拖拽穿梭油轮，离开危险区域。这种方式在通常情况下是可以保证安全的，但是当遇 到作业海域环境突变等突发情况时，身在穿梭油轮上的提油船长缺少实时关键参考数据， 尤其是在水文气象条件较为恶劣的深水油田作业区，仅凭个人经验指挥仍存在较大的安 全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供实时监测数据并预测出较短时间内船体 的运动状态趋势，在实时监测数据和运动状态预测结果达到设定的危险状态时，系统自 动报警的浮式生产储卸油装置原油外输安全保护系统。

为此，本发明采取以下技术方案，是浮式生产储卸油装置原油外输安全保护系统，它 包括：

本发明的浮式生产储卸油装置原油外输安全保护系统，它包括分别在固定平台、浮式 生产储卸油装置、穿梭油轮和拖轮上建立的基准站、中心站、第一移动站和第二移动站,所 述的第一移动站安装在穿梭油轮驾驶室楼顶的至高点,所述的第二移动站安装在拖轮驾 驶室楼顶的至高点；

所述的基准站通过基准站数据采集器接收安装于固定平台导管架底部的浪流仪输出 的测量作业海域的浪流数据，所述的浪流数据经基准站数据采集器处理后，依靠网线传 送至基准站高速电台，然后通过安装在固定平台至高点处的基准站电台天线和安装在浮 式生产储卸油装置至高点处的中心站电台天线无线传输，再经中心站电台天线的馈线传 输至中心站高速电台；

所述的基准站的GPS接收机通过GPS天线接收全球卫星定位系统输出RTK数据， 传至基准站数据采集器，然后通过基准站的基准站高速电台、中心站的中心站高速电台、 第一移动站的第一移动站高速电台以及第二移动站的第二移动站高速电台相互之间组成 的局域网，分别向中心站、第一移动站和第二移动站输出RTK数据，使GPS定位数据 达到厘米级的精度；

所述的中心站高速电台安装在浮式生产储卸油装置的中控室，中心站高速电台的电 台天线安装于浮式生产储卸油装置至高点处,所述的中心站高速电台通过中心站高速电台 天线接收基准站发来的RTK数据和浪流数据、第一移动站发来的穿梭油轮的定位数据和 六自由度数据，第二移动站发来的拖轮定位数据以及服务器与第一、第二、第三手持终 端机之间的通讯消息通过网线传送至交换机，其中从交换机输出的浪流数据、穿梭油轮 的定位数据和六自由度数据与拖轮定位数据、第一、第二、第三手持终端机发来的通信 消息通过网线传送至服务器，从交换机读取的RTK数据通过网线传送至中心站数据采集 器，再通过串口线缆传输至GPS/INS组合惯导系统，所述的GPS/INS组合惯导系统通过 中心站第一、第二GPS天线接收来自全球卫星定位系统输出的浮式生产储卸油装置的六 自由度数据以及定位数据后，与中心站数据采集器输出的RTK数据并组成相位差分观测 值进行实时处理，能实时给出厘米级的浮式生产储卸油装置定位数据，然后再依次通过 中心站数据采集器和中心站交换机传送至服务器；所述的中心站GPS/INS组合惯导系统 安装在浮式生产储卸油装置的中控室，中心站第一GPS天线和中心站第二GPS天线安装 于浮式生产储卸油装置的至高点；

用于实时监测风速风向信息的风速风向仪，用于实时监测浮式生产储卸油装置各压 载水舱和货油舱液位及其液体体积百分比数据、船艏和船艉吃水参数的配载仪，用于实 时监测外输作业期间系泊缆拉力数据的系泊缆拉力传感器和用于实时监测外输作业区域 的船舶动静态资讯的AIS系统分别将监测的信号通过串口线缆传输至所述的数据采集 器，所述的数据采集器把这些监测数据通过网线依次传送至中心站交换机和服务器；

所述的服务器用于实时显示接收的各监测数据，并根据各监测数据计算浮式生产储 卸油装置、穿梭油轮和拖轮的定位数据以求得的浮式生产储卸油装置与穿梭油轮和拖轮 的相对距离和相对夹角,并且所述的服务器用于基于实时监测数据，进行船舶运动数据信 号处理，计算得出较短时间内浮式生产储卸油装置和穿梭油轮的方向与位置，实现系统 的预测功能并进行预警；所述的服务器用于将系统监测或预测的数据与系统预设的预警 等级临界条件做比较，一旦达到系统预设的预警等级临界条件，系统自动发出相应等级 的语音和文字报警，实现系统的预警功能；

所述的服务器把监测、预测、预警信息和第二、第三手持终端机发来的通信消息， 通过网线经由中心站交换机依次传送至第一WIFIAP和第一WIFI天线，然后通过第一 WIFI天线实现与第一手持终端机无线连接,并且所述的服务器把监测、预测和预警信息， 通过网线经由交换机传送至中心站高速电台，再通过中心站高速电台的电台天线分别与 第一移动站的电台天线、第二移动站的电台天线相互之间无线连接；

所述的第一移动站高速电台通过第一移动站高速电台的电台天线实时接收基准站的 电台天线输出的RTK数据和中心站的服务器通过中心站高速电台的电台天线输出的信 息，同时实时发出穿梭油轮修正后的定位数据和六自由度数据,其中，GPS/INS组合惯导 系统与两个第一移动站GPS天线相连，GPS/INS组合惯导系统通过两个第一移动站GPS 天线接收全球卫星定位系统输出的穿梭油轮的六自由度数据及其定位数据；GPS/INS组 合惯导系统接收第一移动站高速电台输出的RTK数据用于修正穿梭油轮的定位数据， GPS/INS组合惯导系统将修正后的穿梭油轮定位数据及其六自由度数据通过串口线缆传 送至第一移动站接口控制器，然后通过网线依次传送至第一移动站交换机和第一移动站 高速电台，最后借助第一移动站高速电台的电台天线依次回传至中心站高速电台、中心 站交换机和服务器；

所述的服务器输出的监测、预测、预警信息和第一、三手持终端发来的短消息由第 一移动站高速电台天线无线接收后，依次通过网线经由第一移动站高速电台、第一移动 站交换机传送至第二WIFIAP，再通过第一移动站的第二WIFI天线实现与第二手持终端 机无线连接，第二手持终端发出的短信息通过第一移动站的第二WIFI天线无线传送至第 二WIFIAP，然后依次通过网线传送至交换机和第一移动站高速电台，最后借助第一移 动站高速电台的电台天线依次回传至中心站高速电台、中心站交换机和服务器；

所述的第二移动站高速电台通过第二移动站高速电台的电台天线实时接收基准站的 电台天线输出的RTK数据和中心站的服务器通过中心站高速电台的电台天线输出信息， 同时实时发出拖轮修正后的定位数据，其中，第二移动站GPS接收机与两个第二移动站 GPS天线相连，接收全球卫星定位系统输出的拖轮的定位数据；并且第二移动站GPS接 收机接收第二移动站高速电台输出的用于修正拖轮定位数据的RTK数据，然后GPS接 收机将拖轮修正后的定位数据通过网线传送至第二移动站交换机，再通过网线传输至第 二移动站高速电台，最后借助第二移动站的电台天线依次回传至中心站的高速电台、中 心站交换机和服务器；

所述的服务器输出的监测、预测、预警信息和第一、第二手持终端发来的短消息由 高速电台天线无线接收后，依次通过网线经由第二移动站高速电台、第二移动站交换机 传送至第三WIFIAP，再通过第二移动站的第三WIFI天线实现与第三手持终端机无线连 接,第三手持终端发出的信息通过第二移动站的第三WIFI天线无线传送至第三WIFIAP， 然后依次通过网线传送至第二移动站交换机和第二移动站高速电台，最后借助第二移动 站高速电台的电台天线依次回传至中心站高速电台、中心站交换机和服务器。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

首次实现了实时监测FPSO和穿梭油轮的艏向角、六自由度数据，FPSO、穿梭油轮 和拖轮在电子海图上的方位信息，FPSO与穿梭油轮和拖轮的相对距离、相对夹角。比较 全面集成了外输作业相关设备的监测数据，并绘制成动态监测数据曲线图；结合自建数 学模型，预测FPSO与穿梭油轮较短时间内的运动趋势，为外输作业者提供所需的关键 参考数据，是一种理论结合实际的科学研究方法，突破了海上原油串靠外输数字化指挥 的技术瓶颈和填补了该技术研究领域方面的空白。

附图说明

图1为本发明的浮式生产储卸油装置原油外输安全保护系统的布置示意图；

图2为图1所示的系统中的固定平台上外输监测设备布置示意图；

图3图1所示的系统中的浮式生产储卸油装置上外输监测设备布置示意图；

图4图1所示的系统中的穿梭油轮上外输监测设备布置示意图；

图5图1所示的系统中的拖轮上外输监测设备布置示意图；

图6为图1所示的系统中的基准站工作原理图；

图7为图1所示的系统中的中心站工作原理图；

图8为图1所示的系统中的第一移动站工作原理图；

图9为图1所示的系统中的第二移动站工作原理图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下：

如图1、图2和图6所示，所示，分别在固定平台71、浮式生产储卸油装置72、穿 梭油轮73和拖轮74上建立基准站1、中心站2、第一移动站3和第二移动站4。所述的 基准站1通过基准站数据采集器6接收安装于固定平台71导管架底部的浪流仪5输出的 测量作业海域的浪流数据(包括波高、波向、流速、流向和周期等)，所述的浪流数据 经基准站数据采集器6处理后，依靠网线传送至基准站高速电台17，然后通过安装在固 定平台71至高点处的基准站电台天线21和安装在浮式生产储卸油装置72至高点处的中 心站电台天线22无线传输，再经中心站电台天线22的馈线传输至中心站高速电台18。

所述的基准站1的GPS接收机8通过GPS天线10接收全球卫星定位系统输出RTK 数据(GPS差分改正信息)，通过网线接头(通常可以采用网线RJ-45接头)传至基准 站数据采集器6，然后通过基准站的基准站高速电台17、中心站的中心站高速电台18、 第一移动站的第一移动站高速电台19以及第二移动站的第二移动站高速电台20相互之 间组成的局域网，分别向中心站2的GPS/INS组合惯导系统59、第一移动站3的GPS/INS 组合惯导系统60和第二移动站4的GPS接收机9输出RTK数据，使GPS定位数据达到 厘米级的精度。

优选的所述的基准站GPS接收机8与基准站GPS天线10之间以及基准站高速电台 17和基准站电台天线21之间分别连接有射频防雷器32、33以防雷。

本基准站中通过依次连接的基准站电源防雷器28、基准站AC/DC模块46和基准站 电源控制器50为浪流仪5、基准站数据采集器6、基准站GPS接收机8和基准站高速电 台17提供电源。

如图3和图7所示，所述的中心站高速电台18安装在浮式生产储卸油装置72的中控 室，中心站高速电台18的电台天线22安装于浮式生产储卸油装置72至高点处。所述的 中心站高速电台18把基准站1发来的RTK数据和浪流数据、第一移动站3发来的穿梭 油轮73的定位数据(包括经度、纬度和航向)和六自由度数据(包括纵荡、横荡、垂荡、 横摇、纵摇和艏摇)，第二移动站4发来的拖轮74定位数据、服务器56与第一、第二、 第三手持终端机67、68、69之间的通讯消息等信息通过网线传送至交换机25，其中从交 换机25输出的浪流数据、穿梭油轮73的定位数据和六自由度数据与拖轮74定位数据、 第一、第二、第三手持终端机67、68、69发来的通信消息等通过网线传送至服务器56， 从交换机25读取的RTK数据通过网线传送至中心站数据采集器7，再通过串口线缆传输 至GPS/INS组合惯导系统59。所述的GPS/INS组合惯导系统59通过中心站第一、第二 GPS天线11、12接收来自全球卫星定位系统输出的浮式生产储卸油装置的六自由度数据 以及定位数据后，与中心站数据采集器7输出的RTK数据并组成相位差分观测值进行实 时处理，能实时给出厘米级的浮式生产储卸油装置定位数据，然后再依次通过中心站数 据采集器7和中心站交换机25传送至服务器56。

所述的中心站GPS/INS组合惯导系统59安装在浮式生产储卸油装置的中控室，中心 站第一GPS天线11和中心站第二GPS天线12安装于浮式生产储卸油装置72的至高点。

在所述的浮式生产储卸油装置72上的风速风向仪54、配载仪55、系泊缆拉力传感 器57和AIS系统58为浮式生产储卸油装置72上的已有设备。

用于实时监测风速风向信息的风速风向仪54，用于实时监测浮式生产储卸油装置72 各压载水舱和货油舱液位及其液体体积百分比数据、船艏和船艉吃水参数的配载仪55， 用于实时监测外输作业期间系泊缆75拉力数据的系泊缆拉力传感器57和用于实时监测 外输作业区域的船舶动静态资讯的AIS系统58分别将监测的信号通过串口线缆传输至所 述的数据采集器7。所述的数据采集器7把这些监测数据通过网线依次传送至中心站交换 机25和服务器56。

所述的服务器56用于实时显示接收的各监测数据，包括：风速风向，波高波向，流 速流向，系泊缆拉力，FPSO吃水液位，FPSO的各压载水舱和货油舱液位及其液体体积 百分比数据，FPSO和穿梭油轮的艏向角、六自由度数据，FPSO、穿梭油轮和拖轮的定 位数据，并根据各监测数据计算浮式生产储卸油装置(FPSO)、穿梭油轮和拖轮的定位 数据以求得的浮式生产储卸油装置(FPSO)与穿梭油轮和拖轮的相对距离和相对夹角等。 并且所述的服务器56用于基于实时监测数据，进行船舶运动数据信号处理，计算得出较 短时间内浮式生产储卸油装置72和穿梭油轮73的方向与位置，实现系统的预测功能并 进行预警。

所述的浮式生产储卸油装置原油外输安全保护系统根据浮式生产储卸油装置的原油 外输作业经验和相关管理规定，对风速、浪高、流速、系泊缆拉力、浮式生产储卸油装 置与穿梭油轮之间的相对距离和相对夹角等数据预设三种危险状态预警等级；然后将系 统监测或预测的数据与系统预设的预警等级临界条件做比较，一旦达到系统预设的预警 等级临界条件，系统自动发出相应等级的语音和文字报警，实现系统的预警功能。

所述的服务器56把监测、预测、预警信息和第二、第三手持终端机68、69发来的 通信消息，通过网线经由中心站交换机25依次传送至第一WIFIAP61和第一WIFI天线 64，然后通过第一WIFI天线64实现与第一手持终端机67无线连接。并且所述的服务器 56把监测、预测和预警信息，通过网线经由交换机25传送至中心站高速电台18，再通 过中心站高速电台18的电台天线22分别与第一移动站3的电台天线23、第二移动站4 的电台天线24相互之间无线连接；然后第一移动站3的电台天线23接收的信号通过网 线经由第一移动站19传送至第一移动站交换机26、第二WIFIAP62和第二WIFI天线 65，实现与第二手持终端机68无线连接；第二移动站4的电台天线24接收的信号通过 网线经由第二移动站20传送至第二移动站交换机27、第三WIFIAP63和第三WIFI天线 66，实现与第三手持终端机69无线连接。因此，第一手持终端机67、第二手持终端机 68、第三手持终端机69和服务器56之间的信息可以同步显示，并能相互发送短消息， 如图7、图8和图9所示。

优选的中心站第一GPS天线11和中心站第二GPS天线12与第一GPS/INS组合惯导 系统59之间分别连接有射频防雷器35、34以防雷。中心站高速电台18与中心站高速电 台的电台天线22之间以及第一WIFIAP61与第一WIFI天线64之间分别连接有射频防 雷器37、36以防雷。

所述的中心站2中通过依次连接的中心站电源防雷器29、中心站AC/DC模块47和 中心站电源控制器51为第一GPS/INS组合惯导系统59、中心站数据采集器7、中心站交 换机25、中心站高速电台18和第一WIFIAP61提供电源。

如图4和图8所示，所述的第一移动站高速电台19通过第一移动站高速电台19的 电台天线23实时接收基准站1的电台天线21输出的RTK数据和中心站2的服务器56 通过中心站高速电台18的电台天线22输出的信息，同时实时发出穿梭油轮73修正后的 定位数据和六自由度数据。其中，GPS/INS组合惯导系统60与两个第一移动站GPS天 线13、14相连，GPS/INS组合惯导系统60通过两个第一移动站GPS天线13、14接收 全球卫星定位系统输出的穿梭油轮73的六自由度数据及其定位数据；GPS/INS组合惯导 系统60接收第一移动站高速电台19输出的RTK数据用于修正穿梭油轮73的定位数据， GPS/INS组合惯导系统60将修正后的穿梭油轮73定位数据及其六自由度数据通过串口 线缆传送至第一移动站接口控制器70，然后通过网线依次传送至第一移动站交换机26 和第一移动站高速电台19，最后借助第一移动站高速电台19的电台天线23依次回传至 中心站高速电台18、中心站交换机25和服务器56。

服务器56输出的监测、预测、预警信息和第一、三手持终端67、69发来的短消息 由第一移动站高速电台天线23无线接收后，依次通过网线经由第一移动站高速电台19、 第一移动站交换机26传送至第二WIFIAP62，再通过第一移动站的第二WIFI天线65 实现与第二手持终端机68无线连接。第二手持终端68发出的短信息通过第一移动站的 第二WIFI天线65无线传送至第二WIFIAP62，然后依次通过网线传送至交换机26和第 一移动站高速电台19，最后借助第一移动站高速电台19的电台天线23依次回传至中心 站高速电台18、中心站交换机25和服务器56。

优选的两个第一移动站GPS天线13、GPS天线14与第二GPS/INS组合惯导系统60 之间分别连接有射频防雷器39、38以防雷。第一移动站高速电台19与第一移动站高速 电台的电台天线23之间以及第二WIFIAP62与第二WIFI天线65之间分别连接有射频 防雷器41、40以防雷。

所述的第一移动站3中通过依次连接的第一移动站电源防雷器30、第一移动站 AC/DC模块48和第一移动站电源控制器52为第二GPS/INS组合惯导系统60、第一移动 站接口控制器70、第一移动站交换机26、第一移动站高速电台19和第二WIFIAP62提 供电源。

所述的第一移动站3安装在穿梭油轮73驾驶室楼顶的至高点，优选的两个第一移动 站GPS天线13和14分别折叠设置在第一移动站3的左右两侧，优选的第一移动站高速 电台的电台天线23和第二WIFI天线65分别折叠设置在第一移动站3的后侧，使用时拉 开伸展即可。优选的第一移动站3设置在防爆箱体内，所述的防爆箱体具有重量较轻、 安装拆卸和携带方便的特点。

如图5和图9所示，所述的第二移动站高速电台20通过第二移动站高速电台20的 电台天线24实时接收基准站1的电台天线21输出的RTK数据和中心站2的服务器56 通过中心站高速电台18的电台天线22输出信息，同时实时发出拖轮74修正后的定位数 据。其中，第二移动站GPS接收机9与两个第二移动站GPS天线15、16相连，接收全 球卫星定位系统输出的拖轮74的定位数据；并且第二移动站GPS接收机9接收第二移 动站高速电台20输出的用于修正拖轮74定位数据的RTK数据，然后GPS接收机9将 拖轮74修正后的定位数据通过网线传送至第二移动站交换机27，再通过网线传输至第二 移动站高速电台20，最后借助第二移动站的电台天线24依次回传至中心站2的高速电台 18、中心站交换机25和服务器56。

服务器56输出的监测、预测、预警信息和第一、第二手持终端67、68发来的短消 息由高速电台天线24无线接收后，依次通过网线经由第二移动站高速电台20、第二移动 站交换机27传送至第三WIFIAP63，再通过第二移动站的第三WIFI天线66实现与第三 手持终端机69无线连接。第三手持终端69发出的信息通过第二移动站的第三WIFI天线 66无线传送至第三WIFIAP63，然后依次通过网线传送至第二移动站交换机27和第二 移动站高速电台20，最后借助第二移动站高速电台20的电台天线24依次回传至中心站 高速电台18、中心站交换机25和服务器56。

优选的两个第二移动站GPS天线15、GPS天线16与第二移动站GPS接收机9之间 分别连接有射频防雷器43、42以防雷。第二移动站高速电台20与所述的电台天线24之 间以及第三WIFIAP63与第三WIFI天线66之间分别连接有射频防雷器45、44以防雷。

所述的第二移动站4中通过依次连接的第二移动站电源防雷器31、第二移动站 AC/DC模块49和第二移动站电源控制器53为第二移动站GPS接收机9、第二移动站交 换机27、第二移动站高速电台20和第三WIFIAP63提供电源。

所述的第二移动站4安装在拖轮74驾驶室楼顶的至高点，优选的两个第二移动站 GPS天线15和16分别折叠设置在第二移动站4的左右两侧，优选的第二移动站高速电 台的电台天线24和第三WIFI天线66分别折叠设置在第二移动站3的后侧，使用时拉开 伸展即可。优选的第二移动站4设置在防爆箱体内，所述的防爆箱体具有重量较轻、安 装拆卸和携带方便的特点。

本发明提供了包括风速风向，波高波向，流速流向，系泊缆拉力，FPSO吃水液位， FPSO的各压载水舱和货油舱液位及其液体体积百分比数据，FPSO和穿梭油轮的艏向角、 六自由度数据，FPSO、穿梭油轮和拖轮在电子海图上的方位信息，FPSO与穿梭油轮和 拖轮的相对距离、相对夹角等关键参考数据的实时监测；FPSO和穿梭油轮较短时段内的 船体运动趋势的预测；当监测或预测到设定的危险状态时的预警。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普 通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下， 还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。