海洋石油采油平台的溢油监测系统

2021-01-20李欣蕾中海油能源发展装备技术有限公司天津300452

化工管理 2021年1期

李欣蕾(中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452)

0 引言

随着我国海洋石油勘探和开采规模不断扩大，海洋钻井、采油平台、海底管线逐渐增多，而这些设备一旦发生溢油事件，将对海洋环境造成长远的永久性影响。因此，在海上生产平台上布置独立的溢油监测系统是十分必要的，以提高海洋石油平台溢油事故风险监控的可视化和时效性，做到“全覆盖、早发现、早预警、早应急”，最大限度避免溢油事故的发生，最终提升海洋石油平台的防溢油能力，以及远程防灾监控和安全预警能力。

1 溢油监测技术

1.1 概述

海上溢油造成的环境污染是严重的，海上溢油监测系统对防止溢油污染具有重要意义。目前海上溢油监测的技术主要有：视频监测、热成像监测、紫外荧光监测和遥感监测等。

1.2 视频监测技术

1.2.1 系统原理

视频监视系统(CCTV)是以高清摄像头监控海面、实时录像，其利用可见光反射可见光波段遥感技术监测海面溢油。目前国内外都有成功应用的经验，如我国很多港口都建立了视频溢油监测系统。

1.2.2 系统特点

视频监视系统对于海上溢油的预警作用有限，目前系统很难识别海面溢油的图像信息，该溢油监测系统通常依靠操作人员的经验判断识别溢油情况。因此该方法多用于狭窄、特殊海域监测，如港区溢油监测。视频监视海面溢油情况时，一般情况下是由现场值班人员通过控制键盘对云台、镜头进行遥控，实施对海面现场的跟踪监视。虽然近些年随着图像识别技术的发展，视频监测系统也具备了自动识别海上溢油的功能，但其仍在实验阶段。

1.3 热成像技术

1.3.1 系统原理

该技术的监测模式所使用的传感器主要有激光荧光传感器和电磁能量吸收传感器，主要是热像仪，通过热像仪探测油污与海水的温差显示物体图像轮廓。任何物体只要温度高于绝对零度(-273℃)都能辐射电磁波。热成像主要采集热红外波段(8～14μm)的光，来探测物体的热辐射。热成像把热辐射转化为灰度值，再利用各物体的灰度值差异来成像，从而发现和识别目标。通过先进的图像处理技术，对油、海水、设备进行实时监测。

热成像监测方式为视频监测方式的一种，利用热成像摄像头，对海面和作业管道设备进行实时监测和测温，通过监测设备、海水和油的温度差异，可对溢油现象进行监测，及时报警，可视化应用，方便快捷，准确度高。同时，热成像监测结合图像识别技术，也可以用异物进入差异法，发现海上溢油。

1.3.2 系统特点

其优点是可以实现在线24h全天候、自动溢油监测和报警记录，监测的油品种类多。缺点：采用热成像法时只显示物体热轮廓，油污在短时间后会变成与海水温度一样，致使探测困难，误报率高。采用差异法时，需要有全面的数据库进行对比，目前该数据库尚不完整，存在漏报、误报的可能。

1.4 紫外光诱导荧光技术

1.4.1 系统原理

紫外光诱导荧光溢油监测是基于水面荧光技术和快速筛选法，主要由脉冲紫外LED灯、接收光学系统、控制处理电路等组成。采用365nm的脉冲紫外光束可以激发监测水域中的油分子产生荧光，接收光学系统收集产生的荧光信号作进一步的处理。接收到的信号立即由集成分析控制器软件进行分析。

1.4.2 系统特点

其优点是可以实现在线24h全天候自动溢油监测和报警记录，可监测适用的油品种类多，同时可以在复杂的有机组合物中，以高的灵敏度和高选择性区分单个组分的光谱特性。缺点：紫外光监测只可定点监测、监测范围小，抗干扰能力较差，容易误报。

1.5 遥感技术

1.5.1 系统原理

遥感溢油监测模式有卫星遥感、船舶遥感、飞机遥感和雷达遥感。目前，适用于海上平台的固定式雷达组网溢油监测技术已经进入应用阶段，其对油膜的存在是比较敏感的，雷达影像经过处理，就能够辨别出溢油区域。这是遥感技术主要的探测手段。雷达波穿透力强，受天气影响较小，也不受白天黑夜的影响。

1.5.2 系统特点

雷达遥感技术其优点是可以实现在线24 h全天候自动溢油监测和报警记录，不受天气、视线等影响，更加高效，且探测范围较大。其缺点为：探测周期长，分辨率低。

1.6 技术特点对比

溢油监测技术特点对比如表1所示。

2 视频溢油监测系统的实际应用

视频溢油监测系统主要由高清摄像头、视频解码器、硬盘刻录机、网络交换机、摄像头控制设备、图像分析处理系统组成。系统设置的高清摄像头在满足海洋环境及防爆防护要求的前提下，采用数字量信号传输监视画面，同时在平台上设置必要的对海照明，为夜间海面监视提供光源，以实现在严酷环境和恶劣天气下，全天实时监测。

表1 溢油监测技术特点对比

视频溢油监测系统通过摄像头监视海面溢油情况，其将采集到的信号传到控制中心，由现场值班人员通过控制键盘对云台、镜头进行遥控，实施对现场的跟踪监视，并凭借经验判断溢油情况。关于溢油监测系统的图像处理分析功能，设计时应考虑后续拓展升级的可能，使其有能力将来结合海上平台的需要定制开发相关软件，以满足系统不间断监控、自动监测报警及预警的功能。

网络通讯设备的配置应能够满足将本地监控摄像头拍摄的图像进行压缩处理后，通过网络上传到远程监控中心集中管理、录像、远程回放和对讲，联网的客户端可以实时监控相关图像，也可以随时访问存储设备调用历史录像数据回放显示。

2.1 系统架构

溢油监测系统功能架构如图1所示，从整体架构上可分为三层：油污染数据采集(前端探测器设备)，平台溢油监控管理(平台上安装的监测软件)，以及通过现有平台传输手段(微波/卫星)将数据传输至陆地端的调度、应急指挥中心大屏显示部分，以供决策者进行远程诊断、处理解决相关危机事件。

按照现场实际网络情况，系统主要采取前端设备分散安装、监控中心统一监控管理模式进行系统架构，如图2所示。

系统前端：是本系统的基层部分，主要包括摄像头、数据传输设备。摄像头安装在海上平台的甲板边沿。

系统后端：配置存储设备、服务器、操作端等设备，同时配备定制的软件，对系统前端进行集中控制，前端采集的数据、图像传输至系统后端进行分析、处理。

按照溢油监测系统整体设计技术方案思路，平台的重点需要监测区域，比如排污口、采油树等易发生溢油区域进行分阶段部署。

图1 视频溢油监测系统架构

2.2 系统硬件

溢油监测系统的硬件在设计时应充分考虑与平台现有设备的兼容性及后续的升级扩展能力，必要时预留一定的通讯接口和扩容能力，便于后续的系统功能升级。

2.2.1 系统硬件构成

系统前端，主要是指高清摄像头等，其是本系统的基层部分，高清摄像头如图3所示。

系统后端：配置存储设备、服务器、操作端等设备，同时配备定制的软件，对系统前端进行集中控制，前端采集的图像传输至系统后端进行分析、处理。

综上所述，常规溢油监测系统的组成如表2所示。

图2 视频溢油监测系统网络结构

图3 高清摄像头

表2 溢油监测系统的组成

2.2.2 高清摄像头

设备主体：采用不锈钢结构，适用于海洋环境以及满足石化环境的防爆防护要求。

环境温度：能在-45～60℃条件下长时间稳定工作，可配置低温自动加热功能。

设备供电：可选择24VAC或者220VAC 或者12VDC 供电，出厂时支持其中1种。

设备接线：具备3个出线孔，使用防爆挠性管或铠装电缆连接。

设备安装：选用电动云台、半固定支架、基座、立柱、塔架方式安装。防爆云台可载重25kg，不锈钢构造，满足海洋环境防爆防护要求。能在-45～60℃温度条件下长时间稳定工作。24VAC或220VAC供电，出厂时支持其中一种。具备3.8°/s 的水平转速和垂直转速，最大350°的水平转角，-90°～90°的最大可选的预置位功能。

2.3 系统基本功能

能够对监测到的画面进行实时录像、画面抓拍、监控画面回放、历史数据查询等。录像模式可根据需要进行设定，支持手动录像、定时录像、报警联动录像、移动侦测录像等多种录像方式，并具有预录像功能。历史回放时，可选择时间、通道等多种方式。

前端设备能够同时监看多画面、监控画面放大查看、多路信号分组自动切换显示。授权用户可远程控制前端设备的镜头变焦、聚焦，云台转动。监控中心安装有电视墙或其他显示设备，各个监控点的图像均可在电视墙的各个屏幕上自由切换显示。

2.4 设备远程管理

在网络环境允许的情况下，本系统支持在任何地方，通过网络对各个分现场设备进行远程监控、远程设置、远程操作，其通过集中控制器传输到定制软件上进行控制。

2.5 溢油监控系统施工技术要求

2.5.1 监控点位布置和选择

海上平台溢油监控系统需要满足24h全天候监控，同时需要满足距离要求，摄像头视线范围应能覆盖海上平台周边约100～200m范围。

因此，对于井口平台和中心平台等海上生产设施，应将摄像头安装在上层甲板，并设置摄像头立杆，高度不超过2m。这种情况下，能够保证摄像头有良好的监控视野，同时在选取监控点位时，应结合所选设备，在满足监控距离、清晰度等前提下，减小盲区范围。

综合考虑平台结构、摄像头性能、最终监控效果(包括夜间监控、监控距离等)等因素，摄像头安装的建议如下：

(1)在海上平台上层甲板的四角各设置1个摄像头，共计4台；

(2)有排污口的海上平台，在平台最下层甲板的下面安装1台或2台高清摄像头，监测平台排污口处的海面状况。

高清摄像头布置，如图4所示。

各个点位设置防爆摄像头，在安装调试过程中，应保证在焦距较小、视场较为广阔的情况下，能够覆盖平台周边海域。同时，通过点位布置，以首尾相连或者相互照射的方式，消除各个安装点位的盲区。在此情况下，一旦监控人员发现溢油情况，可通过手动调整摄像头焦距、观测方向，进行现场情况确认。

另外，在海上浮式生产储油轮(FPSO)上设置的高清摄像头延船身布置，在排污点设置专门的高清摄像头，监视海面情况，如图5所示。

图4 高清摄像头点位布置图

图5 FPSO高清摄像头点位布置示意图

2.5.2 信号电缆

在保证传输信号稳定的情况下，采用6类网线传输，距离最好不要超过150m。若平台监控点位距离中控室距离较近，则可以从摄像头布设网线至中控室硬盘录像机中，若较远则需要设置中继器。

另外，采用直接布线的方式，将视频监控信号从前端监控点位传输至中控室。如选用此种方式，需在前端增加一台光纤收发器(光纤收发器可预留部分网线接口，供平台后续增加摄像头使用)，摄像头信号通过网线传输至光纤收发器，而后转为光纤，由光纤收发器布设光纤至中控室内。

2.5.3 摄像头安装方式

摄像头采用立杆的方式进行安装，立杆高度为1.5m，以方便平台人员维保、检修。立杆底部与甲板外侧进行焊接，立杆中部增加横撑与甲板栏杆连接，保证立杆稳定性。立杆上部焊接底座，使用螺栓将摄像头与底座相连或者将摄像头支架与底座焊接在一起，保证摄像头安装牢固，如图6所示。

图6 摄像头安装结构

2.5.4 监控端设备

将溢油监测系统的控制机柜和视频显示系统放置在中心平台的中控室内，新增机柜的尺寸为800mm×800mm×2100mm(长×宽×高)，用于放置相关通讯设备。控制器放置在附近的办公桌上，便于人员操作，可将显示器壁挂安装，显示画面如图7所示。

2.5.5 电气专业技术要求

摄像头供电电源由布置在中控室内的溢油监测系统机柜集中供电，同时在现场设置相应的接线箱。溢油监测系统的供电由平台不间断电源(UPS)装置或应急配电盘提供2路220VAC的线路。

另外，无论是海上平台或海上浮式生产储油轮(FPSO)，均需要为每台高清摄像头配备专门用于对海面照明的灯光，以保证普通高清摄像头画面在夜间依然清晰可见，保证实现海上油气生产设施周边海域24h的溢油监视。对海照明的灯具应符合所在区域的防爆防护要求，并能满足海洋环境的适用要求，同时其照明度应满足高清摄像头夜间工作的要求。