摘要：單點系泊系統(tǒng)作為整個浮式儲油生產(chǎn)裝置安全、可靠運行的關鍵環(huán)節(jié)，為避免單點故障對生產(chǎn)作業(yè)造成嚴重影響，會設計加裝一套單點監(jiān)測系統(tǒng)進行運行系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)測，實現(xiàn)安全狀態(tài)的監(jiān)測預警。一般廣泛應用于遠離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)。綜合分析在遭遇極端海況下，為保障監(jiān)測系統(tǒng)電源長時間的續(xù)航能力，對系統(tǒng)提出低功耗選型要求和長時間后備電源的供電能力設計。通過對系統(tǒng)供電負載進行分類兼容，優(yōu)化供電系統(tǒng)拓撲結構，并對監(jiān)測系統(tǒng)功耗匯總和低功耗選型，來實現(xiàn)單點監(jiān)測系統(tǒng)供電回路及供電系統(tǒng)整體的設計優(yōu)化。

關鍵詞：單點系泊系統(tǒng)；單點監(jiān)測系統(tǒng)；供電

為了提高油田開發(fā)設施的安全性和降低油氣開發(fā)潛在的風險，在FPSO上安裝一套現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。監(jiān)測系統(tǒng)將測量FPSO附近的環(huán)境荷載數(shù)據(jù)以及FPSO的動態(tài)六自由度運動。測量設備將獲得的數(shù)據(jù)上傳給服務器，并對測量結果進行處理和保存。主要測量的內(nèi)容包括：（1）單點中心位置；（2）風速和風向；（3）船艏甲板上浪；（4）FPSO位置及六自由度運動；（5）單點系泊系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

海洋石油FPSO單點監(jiān)測系統(tǒng)運行工況分為正常模式和臺風模式。油田正常作業(yè)生產(chǎn)時，嵌入式數(shù)據(jù)采集器和工控機同時工作，測量數(shù)據(jù)在兩部分同時存儲、備份。均由市電進行系統(tǒng)供電。

因臺風油田停產(chǎn)時，為降低系統(tǒng)整體功耗將僅保留測量設備、嵌入式采集板器和通信設備等工作，中控室中工控機將被關閉。失去正常市電供電，系統(tǒng)將由UPS蓄電池進行電能供應，為臺風期間監(jiān)測系統(tǒng)提供電力保障。

在臺風斷電期間，系統(tǒng)后備電源提供120h以上供電，保證臺風期間監(jiān)測數(shù)據(jù)后備；系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)海事衛(wèi)星網(wǎng)絡傳輸至陸地終端，陸地人員可實時遠程掌握海上單點設備運行安全狀況，為做出最優(yōu)決策提供數(shù)據(jù)支持。

單點監(jiān)測系統(tǒng)用電設備主要包括傳感器、圖像采集設備、通信設備和其他電子產(chǎn)品。系統(tǒng)特點為用電負荷分散、功耗波動大，電能質(zhì)量和穩(wěn)定性要求高。為充分滿足單點監(jiān)測系統(tǒng)的用電特點，需對系統(tǒng)主要功耗設備進行分析，確定額定功率，科學配置裕量系數(shù)，保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定和緊急后備電源。

1單點監(jiān)測系統(tǒng)供電框架

單點監(jiān)測系統(tǒng)功能及對應設備配置如下：（1）氣象環(huán)境監(jiān)測：氣壓計、溫濕度計、風速風向儀。（2）海洋環(huán)境監(jiān)測：波高雷達儀、多普勒剖面流速儀。（3）船艏上浪監(jiān)控：高清攝像機、硬盤錄像機。（4）定位系統(tǒng)：差分全球定位信號接收機和主機。（5）FPSO船體運動姿態(tài)（IMU）：IMU主機、GNSS接收機。（6）單點監(jiān)測系統(tǒng)控制柜：控制器、通信模塊、轉換器等。（7）服務器：數(shù)據(jù)服務器、信號采集卡、交換機、顯示器等。（8）不間斷電源系統(tǒng)（UPS）：整流器、變換器、風機等。（9）旋轉扭矩測量系統(tǒng)：壓力傳感器、變送器、NI串口模塊、實時數(shù)據(jù)采集器等。

圖1單點監(jiān)測系統(tǒng)供電框架

單點監(jiān)測系統(tǒng)正常工作電源為三相三線制380V、50Hz；用電負荷分為兩種：一種為24/48V直流供電；一種為常用單相220V交流電源供電?？紤]到24/48V直流負載功率和系統(tǒng)整體的運行可靠性，采取UPS整體供電的方式，既能保證多電制輸出，又能提供后備電源，有效控制市電失電后的系統(tǒng)運行風險。

為了滿足無外部供電情況下維持必要的工作時長，系統(tǒng)各組成模塊設計都應遵循低功耗的原則。

2總負載計算

統(tǒng)計所有產(chǎn)生電能消耗的負載設備，以最大功耗進行計算，功率統(tǒng)計表見表1單點監(jiān)測系統(tǒng)負載統(tǒng)計表。

由于單點監(jiān)測系統(tǒng)工作方式為長時間連續(xù)工作，系統(tǒng)采取配置低功耗嵌入式，在系統(tǒng)設備選型時應該綜合考慮功耗和散熱能力，盡可能地優(yōu)選低功耗電子元件，并配備強制冷卻，避免升溫過高導致功耗的增加。由于數(shù)據(jù)采集處理單元的功耗和采集頻率及數(shù)據(jù)流量成一定的關系，也應該從采集頻率設置和數(shù)據(jù)量角度進行合理優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)峰值和波動，控制系統(tǒng)在穩(wěn)定的靜態(tài)處理狀態(tài)運行。

監(jiān)測系統(tǒng)傳感器和設備功耗核心器件是控制模塊，基本決定了監(jiān)測設備的功耗。選型應該從控制模塊的負載容量、工作電壓和工作頻率進行低功耗設計和估算。為減少系統(tǒng)功耗，在設計選型階段采用集成度高的監(jiān)測設備和傳感。另外，從系統(tǒng)運行的角度出發(fā)，需要滿足失電運行，也可通過監(jiān)測電源供應情況選擇性關閉顯示和關閉振蕩器進入省電模式運行。

當選型配置不能滿足系統(tǒng)臺風模式運行下供電時長時，應按照設計選型配置重新核驗。通過配置系統(tǒng)用電裕量系數(shù)1.1倍計算，單點監(jiān)測系統(tǒng)額定功率為450W。以此進行供電系統(tǒng)的進一步優(yōu)化設計。

3后備電源設計

考慮到單點監(jiān)測系統(tǒng)功率統(tǒng)計時，均按照設備最大功耗進行統(tǒng)計并匹配用電裕量，后備電源容量可直接參照單點監(jiān)測系統(tǒng)額定功率為450W，不再核算功率因數(shù)，即系統(tǒng)無功損耗，更加符合實際運行工況，避免過度的容量裕度。

電池容量計算應根據(jù)IEEE1115要求進行計算，并考慮低溫效應和老化因素。電池組的額定電壓：電壓等級為48V；滿載放電時間：不小于120h；設計系數(shù)：1.1；老化系數(shù)：1.20；電池的放電比率：中間比率；電池放電的端電壓：1.05V或以上。電池組從空載到充滿至額定容量的充電時間不超過8h。

電池組容量計算參考公式：UPS功率×后備時間÷電池組臨界放電電壓÷逆變器效率。選用1.2V電池單元（臨界放電電壓為1.05V），組成48V電池組。計算所需電池組容量參照技術規(guī)格要求如表2所示。

在容量計算中，恒電位充電效應通過的Kt因子確定，需要時對系數(shù)進行插值法獲取。Kt因子是表示電池性能的一種方式，Kt=標稱容量（Ah）/性能（A），它由特定的電池類型、放電時間和最終電壓共同確定。

確定電池組容量還需考慮電池組老化系數(shù)和設計裕度，保證供電能力。即：1176.97×1.1（設計裕度）×1.2（老化系數(shù)）/100%（充電狀態(tài)）=1553.60（Ah）。

當最終計算容量大于標準單元容量時，需要選擇下一個標準電池組容量。所需的電池容量為1553.60Ah，就近選擇標準電池組容量為1600Ah。

4單點監(jiān)測系統(tǒng)供電設計

后備電源應由交流380V、3Ph、3線、50Hz供電，輸出電壓為直流48V和交流220V。直流48V用電設備包括DGPS、慣性監(jiān)測單元（IMU）、風速計、數(shù)據(jù)采集等。交流220V用電設備有監(jiān)測系統(tǒng)服務器、工作站、海事通信站和CCTV等。

電池組的充電運行與電池間排氣扇運行聯(lián)鎖，當電池間機械排氣扇未運行時，電池組強制充電跳閘，避免H2氣體的泄漏聚集。溫度補償變送器安裝在電池室內(nèi)，布置在電池組上方，溫度信號接入后備電源調(diào)控系統(tǒng)。根據(jù)溫度反饋調(diào)節(jié)電池的充電電壓和電流，配置一個防爆直流塑殼斷路器柜與火災系統(tǒng)聯(lián)動，當電池間觸發(fā)火災報警時隔離電池組。

單點監(jiān)測系統(tǒng)電氣單線圖見圖2。

圖2單點監(jiān)測供電系統(tǒng)電氣單線圖

監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗選型設計直接關系到監(jiān)測系統(tǒng)臺風運行模式的續(xù)航能力和可靠性。電源的設計也是低功耗設計的一個重點，因為電源供電系統(tǒng)的效率、功耗在很大程度上影響了系統(tǒng)的功耗。但是，電源設計除了要求盡量省電外，其性能的穩(wěn)定性，特別是電池供電系統(tǒng)的電源的穩(wěn)定性要求也很高。因為電源不穩(wěn)定特別容易造成系統(tǒng)的誤操作，影響系統(tǒng)的可靠性。所以在進行電源設計時，要兼顧效率與穩(wěn)定兩個方面，不能因為省電而影響穩(wěn)定。

另外，大批量監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸和分析處理，會增加通信設備和中央處理器的能耗。因此，在進行軟件開發(fā)低功耗設計時，應優(yōu)先選擇消耗時間短的指令和設計消耗功率小的算法，降低系統(tǒng)的功耗。

5總結

單點監(jiān)測系統(tǒng)作為海洋石油FPSO單點系泊系統(tǒng)的重要風險監(jiān)管措施和技術手段，為保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)的全天候不間斷地傳輸?shù)疥懙剞k公室，提供風險決策的第一手資料。特別是在臺風等惡劣天氣下，為保障在極端氣候下的安全監(jiān)控和應急保障，系統(tǒng)的電力運行保障就顯得刻不容緩。

通過對單點監(jiān)測系統(tǒng)的設備低功耗選型和供電系統(tǒng)優(yōu)化設計，從供電結構和負載最低能耗選型上，保障了系統(tǒng)的不間斷運行和長時間的后備續(xù)航能力，但隨著監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容不斷擴充，系統(tǒng)功耗也將逐步增加。在新的工況下仍需要切合實際，平衡能耗和可靠性，適配低能耗的監(jiān)測傳感器、信號傳輸設備以及中央處理器芯片等，降低系統(tǒng)的能耗，持續(xù)在系統(tǒng)供電可靠性和冗余性上進行優(yōu)化，為系統(tǒng)的可靠運行提供穩(wěn)定、長效的電力供應。

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作者簡介：涂迎新（1985—），男，漢族，湖北孝感人，本科，中級職稱，研究方向：電力系統(tǒng)監(jiān)測和檢測技術及高壓測試技術。