湖北电线价格联盟

学术丨海上油气田生产设施安全防范系统探索

海油发展安全环保公司2019-01-10 05:28:37

引言
随着中国海洋石油工业的迅速发展,国内海上油气田生产设施数量迅速增加,与此同时,海上各类船舶数量大幅度增加,船舶也向大型化发展,海上环境日趋复杂,船舶碰撞事故时有发生,航行船舶和平台的碰撞概率大幅度增加。加之海上挖沙船的违法作业以及盗采现象逐渐增多,海上油气田生产设施,如平台、海底管道/海底电缆及浮式生产储油轮( FPSO) 等容易遭到损坏,生产风险随之增大,这不仅影响了油田安全生产,而且容易造成海洋环境污染。

中国海洋石油总公司( 以下简称中国海油)通过分析近年来的几次事故,认为传统的海洋油田安全防范偏重于内部安全防范,而对于外来船舶及水下不明物等外部物体的安全防范还处于原始状态,空中及水面目标监控主要靠人工观察,对水下目标监控则完全处于空白,防范范围狭窄、技术单一,防范意识还停留在被动防御阶段是事故频发的主要原因之一。为确保海上油田安全生产,应对外力破坏油气田设施的事故,中国海油自2011 年开始进行海上油气田生产设施安全防范系统研究。

详细分析

海上生产设施安全生产的有关法律法规
中国海油在国内大约有90 个海上油气田在生产,海底管道近6 000 km,平台设施近300 座,每年生产油气约5 000 万t 油当量。海洋石油天然气开发设施,特别是管道的建造、运行、维护以及弃置成本高,资产价值大,具有高危性,一旦遭到破坏,由于海水的流动性,污染扩散迅速,对国家、社会和企业都会造成重大损失。这些设施自然具备相应的公共属性,国家及相关部委也制定相关法律法规,对海洋资源的开发进行约束。

海上油气田开发建设的管理部门主要有国家发改委下属的能源局、国土资源部、交通运输部、环保部、商务部、财政部、国家税务总局、中国人民银行和安监总局等政策制定部门,国家能源局和国土资源部是能源资源主管部门。当前石油资源立法体系包括矿产资源法,配套行政法规、专项法规、相关政策规定和行业规范。《矿产资源法》、《海域使用管理法》和《海上交通安全法》等是海上油气田开发的基本法。与海洋石油行业安全生产相关的政策主要由国家安监总局负责,规范安全生产的法律有《矿山安全法》、《安全生产法》、《海洋石油安全生产规定》和《水上水下施工作业通航安全管理规定》等。

目前,我国海洋石油开发管理相对分散,相关部委的政策和内部规定占绝大比例,规范化程度低、协调性差、彼此冲突。3 大国家油公司牵头的行业协会对各类石油天然气设施建立了涵盖设计、材料、施工、运行、腐蚀防护、安全、节能和维抢修等方面的标准体系,这些均在石油行业发展中发挥着重要作用。2010 年颁布的《石油天然气管道保护法》,首次从法律的角度规定了石油天然气管道各方的权利和义务,理清了管道活动中的有关法律关系,明确了保护措施。


海上生产设施安全防范的
主要方法
近年来,随着各个行业的飞速发展,海上生产设施与锚地、航道、通航密集区和习惯航路冲突越来越多,海洋石油平台附近的航行环境日益复杂,特别是对那些距航道较近的海洋石油平台,平台与船舶发生碰撞的风险较大,船舶避碰问题也就显得尤为重要。此外,平台与平台或陆地终端之间的海底管道的分布也越来越多,有时受地理环境的限制,海底管道必须穿越已有航道,使得海底管道受损害的风险增大。

中国海油对海上生产设施的安全防范理念进行反思,收集整理现有技术标准,参考相关行业规范,根据海上油气田生产设施安全防范的要求,依据“主动防御、准确测报、防范未然、规避事故”的指导方针,按“区域警戒、要地防范和联合监控”的原则,引入现场数据采集技术、视频联动监控报警技术以及远程监控技术,实现了生产设施跟踪报警功能,建立了一套安全防范系统,对平台和海底管道附近的目标进行实时监测,必要时及时采取相应措施,降低了油田设施被外部不明船只或抛锚作业等危险行为造成破坏的风险。

目前,安全防范系统主要应用在以下方面: 一是习惯航道防护; 二是密级油田区防护; 三是长输登陆管线防护; 四是其他需要防范地区。主要采用以下技术: AIS 船舶自动识别系统、红外成像监视系统、海/陆定位雷达系统、水声监测系统和水下电视等。根据不同项目需求选取不同型号、不同数量、不同组合进行集成研发,完成安全防范监控中心建设。

如何提前发现存在可能碰撞风险的船只,对其发出避碰警报并及时采取有效的避碰措施非常必要。船舶交通管理系统( Vessel Traffic Service,简称VTS) 在确保复杂水域船舶航行安全上起了很大作用。到目前为止,船舶主要采用雷达/ARPA(Automatic Radar Plotting Aid,自动雷达标绘仪)和AIS ( Automatic Identify System,船舶自动识别系统) 避碰技术。以下简要介绍AIS 和雷达技术。

1
AIS 系统
1
AIS 系统发展情况
AIS 系统是工作在VHF 海上频段的岸基和船载广播式自动识别应答器系统,是集通信、网络技术和信息技术于一体的新型助航系统和海上安全信息系统,系统的特性和功能使它成为增强船舶航行安全和提高船舶交通管理效率的新型工具。

国际海事组织MSC73 会议已通过AIS 强制性安装议案。按照SOLAS 公约第5 章新规则要求,所有在2002 年7 月1 日或以后建造的大于300 总吨从事国际航运的船舶,以及不小于500 总吨非国际航运的货船和所有客船均需安装AIS 设备; 要求所有于2002 年7 月1 日前建造的从事国际航运的各类船舶必须在2003 年7 月1 日至2008 年7月1日前装备AIS 设备。

中国海事局依据《1974 年国际海上人命安全公约》( SOLAS 公约) 的相关规定,结合国情,于2003 年开始建设沿海AIS 岸基系统。目前,中国已建成了含1 个国家AIS 数据中心、3 个海区管理维护中心和94 座AIS 岸台基站在内的、亚洲地区规模最大的沿海AIS 岸基网络系统,其信号覆盖了我国沿海主要港口和沿岸水域。用户包括各级海上搜救中心、海事局、VTS 中心和海事执法部门,实现了AIS 数据的传输、存储、查询和调用。
2
AIS 系统的基本组成及工作原理

AIS 系统由AIS 船台、AIS 基站、AIS 数据链、计算机网络、应用系统和信息系统组成。AIS 船台和AIS 基站统称AIS 台站。AIS 台站设备包括GPS /DGPS 模块、数据处理器、调制解调器、VHF通信机和显示器等,其工作原理框图如图1 所示。

AIS 原理框图

AIS 最基本的运行是“船-船”、“船-岸”的信
息交换。AIS 船台设备主要传送航行船舶的状态信息,AIS 基站( 岸台) 设备主要传送交管信息及中转船舶信息。船台设备提供的信息包括静态信息、动态信息、航行相关信息和简明的安全信息等。

2
雷达/ARPA 系统
1
雷达概述

在航海中,为了保证船舶航行安全,尤其是在雾天和夜间等能见度不良情况航行时,可用雷达来达到探测目标和测量目标的目的,这种装载于船舶上具有导航和防撞功能的雷达就称作船用雷达。在船用雷达所能探测到的距离内,对于海岸、礁石、冰山、浮标及来往的船舶等距离和方向都可测量;并能根据航路情况,利用计算机进行避碰解算和显示,以供船舶在航行中用于导航和避碰,引导船舶安全航行。

2
雷达与ARPA 在船舶避碰方面的应用

在避碰技术发展初期,普通的船用雷达采用人工标绘的方法达到避碰目的。随着计算机自动化、智能化技术的快速发展,促进了ARPA 的诞生。

ARPA 系统以电子计算机技术为基础,由普通船用雷达、计程仪及罗经配接构成,能自动捕捉多个目标,并加以自动跟踪,然后在显示器上以矢量形式显示目标船的航向和航速,以数据形式显示CPA 和TCPA 等重要的避碰数据。ARPA 系统还具有碰撞危险判断、报警和试操船等多种功能,使雷达在船舶避碰应用中发挥着更大的作用。

3
AIS 和雷达/ARPA 的优缺点
与雷达系统对目标的监测跟踪相比,AIS 具有下列优点:

( 1)能自动识别目标,并能得知船舶的目的港,在船舶沟通方面的优势明显。

( 2)由于传输目标数据利用VHF 通信,在有效范围内AIS 的探测能力大大增强; 并能识别某些被陆地或其他障碍物遮挡的船舶,而雷达对盲区内的障碍物无法监测。

( 3) 目标数据由GPS 获取,精度一般比雷达子系统高; 尤其是在频繁操作的通航环境中,AIS可以随时知悉碰撞危险。

( 4)雷达信号的检测、录取与跟踪一般在海浪和雨雪等杂波干扰背景中进行,其性能易受杂波的影响,而GPS 数据不受杂波干扰。

尽管AIS 具有上述优点,但仍有局限性,并不能取代雷达系统,这是因为:

( 1) AIS 系统无法识别未按规定安装AIS 设备或者非法关闭AIS 设备的船舶。

( 2)雷达系统是自主的监测跟踪手段。

( 3)雷达系统可以得到水域的全景交通图像,除了所有的运动目标处,还有静止和固定的目标。

( 4)GPS 数据是GPS 天线所在点的船舶运动数据,恢复成图像时该船只是一个点,而雷达目标回波在一定程度上可反映目标的大小和形状。


安全防范系统在海洋石油平台中的应用

1
AIS 在海上平台防碰撞实施方法初探

为提高船舶航行安全,根据《1972 国际海上避碰规则》,船舶在海上航行时通常应保持与碍航物最小会遇距离为3. 1 km ( 2 海里) ,那么可以在各个平台周围分别设置通航安全区( 安全作业区) 、通航控制区( 警戒区) 和禁航区( 排它区) ,在海事图上公布。平台最外海上设施的外边线向外扩展R1( 500 m) 范围内为禁航区,通航安全区范围以该平台最外海上设施的外边线向外扩展R2( 3. 1 km) 为其内边线,禁航区与安全作业区之间的区域为通航控制区( 警戒区) ,如图所示。

平台通航区域示意图

下面以单个平台和船舶的相对位置关系说明AIS 是如何实现防碰撞的。

下图所示为当船舶从港口出发,还未行驶到平台AIS 辐射区域内时的情况,船舶与平台虽然无法互相识别到对方的存在,但是二者之间的距离超过R3( 一般为46. 3 km) ,它们之间没有发生碰撞的可能。

船舶位于平台AIS 辐射区域之外

下图所示为当船舶行驶至与平台之间的距离大于R2且小于R3时的情况。船舶与平台可以通过AIS 互相识别对方的存在,但是船舶仍然位于平台的通航安全区。此时注意观察双方动态,但是无需采取避让措施。

船舶驶入平台AIS 预警区域内

下图 所示为船舶与平台之间的距离大于R1
且小于R2,船舶已经驶入平台的通航控制区内。船舶应尽量避免进入通航控制区,如确有需要,则须向平台控制中心报告,服从控制中心指挥。船舶在通航控制区内禁止会遇、追越和抛锚,并应适当控制航速。

船舶行进至平台通航控制区

下图所示为船舶已经越过平台的通航控制区,进入禁航区。此时船舶距离平台太近,极易发生碰撞风险,平台和船舶应根据AIS 识别报警信息,在此状况发生之前采取相应措施,严禁船舶驶入平台的禁航区。

船舶驶入平台禁航区

油田作业时密切关注的是海管、海缆和平台等设施的安全。一般情况下,对于水面目标,可规定海底管道上方水平距离200 m 内为作业禁区,500m 内为警戒区,1 000
m 内为监测区,1 000 m 外为安全区。通过为海上油气田及管线安装相应的安全
防范系统,通过多种技术手段的组合应用,实时监测油气田平台及水下管线路由附近水面/水下目标的活动情况及状态,对滞留于油田区域内海底管道上方警戒区域的船只,或过于靠近海上平台及设施的船只及水中目标进行跟踪和初步识别,并给出警告信息或信号,方便平台人员进行判断和处置,消除不安全因素以避免危害的发生,达到主动安全防范的目的。

2
渤海海域某油田采用的避碰方案

基于渤海海域中航行的船舶基本都配备了AIS设备的现状,以及AIS 系统在船舶识别与协调避碰方面的优越性,某油田采用以AIS 为主船用雷达为辅,二者相结合使用的安全防范系统。

1
系统硬件

在油田的主要平台上安装1 套AIS 系统和1 套船用雷达设备,起到采集目标信息和发布自己身份的作用。平台上安装的AIS 设备与船舶上的AIS 设备相同,每隔一定时间间隔就通过VHF 频段向外广播本平台的MMSI 码等相关信息。对于那些依法安装了AIS 系统并且设备运行正常的船舶,一旦航行至AIS 设备的有效作用区域它就会通过AIS 信息得知海洋平台的位置,并将其作为一个固定的障碍物,提前采取措施避免船舶行驶至平台附近时发生碰撞事件。

对于没有安装AIS 设备或者由于自身的某种原因( 如肇事逃逸等) 而关闭AIS 设备的船舶,即使航行至AIS 的有效作用区域内,船舶和平台也无法通过AIS 来获取双方的信息。此时,就需要依靠雷达来互相监测对方的存在,如果识别为危险障碍物,那么平台与船舶之间可依靠VHF 对讲系统进行协调沟通,以便船舶及早采取降低速度或改变航向等措施,避免碰撞事故的发生。

对于安装在陆地终端的雷达和AIS 设备,主要实现对登陆管线的监测,实时并重点监视关键区域的船舶动态,如果有船只进入特定区域,那么系统就发出警报。操作人员提高警惕,并留意船只动向,结合AIS 和雷达的监测信息对危险船舶进行提醒和预警,来保证海底管道的安全。

2
系统软件

在平台的中控各安装1 套AIS 预警系统( 海上端) 。预警系统的信息来源既可以是AIS 信号,也可以是ARPA 雷达信号,系统将这2 类信号处理后以不同的符号同时显示在电子海图上。电子海图是船舶监控的基础平台,在陆地端的预警中心可以预先对各平台的位置和海底管道的路由进行标绘,并且把平台和海底管道周围一定的区域划作报警区域。当有符合报警条件的船舶驶入报警区域后,系统每隔5 min 发出1 次声音报警,同时在屏幕上进行闪烁提示。

结束语
中国海油已投用的海上油气田生产设施安全防范系统采用多重探测识别手段对海上生产设施进行立体监测,覆盖海上生产设施所有重点侵入位置及重要设备区域,基本满足海上生产设施复杂的环境,保证了生产设施的安全运营环境,也为后续海上平台智能安全防范系统的应用提供了技术支撑。

从已投用的海上油气田生产设施安全防范系统的效果来看,功能基本达到预期,收到了良好的监控、预警效果。但目前该安全防范系统的应用还处于探索阶段,下一步需要根据实际应用效果和油气田安全防范需求完成海上油气田生产设施安全防范系统设计标准和规范。

第一作者简介
陈海,高级工程师,生于1972 年,
1994 年毕业于江汉石油学院石油矿场机械专业,1997 年毕业于石油大学( 北京) 石油天然气机械工程专业,获硕士学位,现从事海洋石油工程设计建造和项目管理工作。
址: ( 100010 ) 北京市东城区。
E - mail: chenhai @ cnooc.com. cn。

文:陈海/杨树波/金晓剑
( 中国海洋石油总公司工程建设部)


总第160期

设计/寇晓倩



·END·

海油发展安全环保公司

发现不一样的HSE
微信号:CNOOCHSE



Copyright © 湖北电线价格联盟@2017