海洋石油采油平臺的溢油監測系統

李欣蕾(中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452)

0 引言

隨著我國海洋石油勘探和開采規模不斷擴大，海洋鉆井、采油平臺、海底管線逐漸增多，而這些設備一旦發生溢油事件，將對海洋環境造成長遠的永久性影響。因此，在海上生產平臺上布置獨立的溢油監測系統是十分必要的，以提高海洋石油平臺溢油事故風險監控的可視化和時效性，做到“全覆蓋、早發現、早預警、早應急”，最大限度避免溢油事故的發生，最終提升海洋石油平臺的防溢油能力，以及遠程防災監控和安全預警能力。

1 溢油監測技術

1.1 概述

海上溢油造成的環境污染是嚴重的，海上溢油監測系統對防止溢油污染具有重要意義。目前海上溢油監測的技術主要有：視頻監測、熱成像監測、紫外熒光監測和遙感監測等。

1.2 視頻監測技術

1.2.1 系統原理

視頻監視系統(CCTV)是以高清攝像頭監控海面、實時錄像，其利用可見光反射可見光波段遙感技術監測海面溢油。目前國內外都有成功應用的經驗，如我國很多港口都建立了視頻溢油監測系統。

1.2.2 系統特點

視頻監視系統對于海上溢油的預警作用有限，目前系統很難識別海面溢油的圖像信息，該溢油監測系統通常依靠操作人員的經驗判斷識別溢油情況。因此該方法多用于狹窄、特殊海域監測，如港區溢油監測。視頻監視海面溢油情況時，一般情況下是由現場值班人員通過控制鍵盤對云臺、鏡頭進行遙控，實施對海面現場的跟蹤監視。雖然近些年隨著圖像識別技術的發展，視頻監測系統也具備了自動識別海上溢油的功能，但其仍在實驗階段。

1.3 熱成像技術

1.3.1 系統原理

該技術的監測模式所使用的傳感器主要有激光熒光傳感器和電磁能量吸收傳感器，主要是熱像儀，通過熱像儀探測油污與海水的溫差顯示物體圖像輪廓。任何物體只要溫度高于絕對零度(-273℃)都能輻射電磁波。熱成像主要采集熱紅外波段(8～14μm)的光，來探測物體的熱輻射。熱成像把熱輻射轉化為灰度值，再利用各物體的灰度值差異來成像，從而發現和識別目標。通過先進的圖像處理技術，對油、海水、設備進行實時監測。

熱成像監測方式為視頻監測方式的一種，利用熱成像攝像頭，對海面和作業管道設備進行實時監測和測溫，通過監測設備、海水和油的溫度差異，可對溢油現象進行監測，及時報警，可視化應用，方便快捷，準確度高。同時，熱成像監測結合圖像識別技術，也可以用異物進入差異法，發現海上溢油。

1.3.2 系統特點

其優點是可以實現在線24h全天候、自動溢油監測和報警記錄，監測的油品種類多。缺點：采用熱成像法時只顯示物體熱輪廓，油污在短時間后會變成與海水溫度一樣，致使探測困難，誤報率高。采用差異法時，需要有全面的數據庫進行對比，目前該數據庫尚不完整，存在漏報、誤報的可能。

1.4 紫外光誘導熒光技術

1.4.1 系統原理

紫外光誘導熒光溢油監測是基于水面熒光技術和快速篩選法，主要由脈沖紫外LED燈、接收光學系統、控制處理電路等組成。采用365nm的脈沖紫外光束可以激發監測水域中的油分子產生熒光，接收光學系統收集產生的熒光信號作進一步的處理。接收到的信號立即由集成分析控制器軟件進行分析。

1.4.2 系統特點

其優點是可以實現在線24h全天候自動溢油監測和報警記錄，可監測適用的油品種類多，同時可以在復雜的有機組合物中，以高的靈敏度和高選擇性區分單個組分的光譜特性。缺點：紫外光監測只可定點監測、監測范圍小，抗干擾能力較差，容易誤報。

1.5 遙感技術

1.5.1 系統原理

遙感溢油監測模式有衛星遙感、船舶遙感、飛機遙感和雷達遙感。目前，適用于海上平臺的固定式雷達組網溢油監測技術已經進入應用階段，其對油膜的存在是比較敏感的，雷達影像經過處理，就能夠辨別出溢油區域。這是遙感技術主要的探測手段。雷達波穿透力強，受天氣影響較小，也不受白天黑夜的影響。

1.5.2 系統特點

雷達遙感技術其優點是可以實現在線24 h全天候自動溢油監測和報警記錄，不受天氣、視線等影響，更加高效，且探測范圍較大。其缺點為：探測周期長，分辨率低。

1.6 技術特點對比

溢油監測技術特點對比如表1所示。

2 視頻溢油監測系統的實際應用

視頻溢油監測系統主要由高清攝像頭、視頻解碼器、硬盤刻錄機、網絡交換機、攝像頭控制設備、圖像分析處理系統組成。系統設置的高清攝像頭在滿足海洋環境及防爆防護要求的前提下，采用數字量信號傳輸監視畫面，同時在平臺上設置必要的對海照明，為夜間海面監視提供光源，以實現在嚴酷環境和惡劣天氣下，全天實時監測。

表1 溢油監測技術特點對比

視頻溢油監測系統通過攝像頭監視海面溢油情況，其將采集到的信號傳到控制中心，由現場值班人員通過控制鍵盤對云臺、鏡頭進行遙控，實施對現場的跟蹤監視，并憑借經驗判斷溢油情況。關于溢油監測系統的圖像處理分析功能，設計時應考慮后續拓展升級的可能，使其有能力將來結合海上平臺的需要定制開發相關軟件，以滿足系統不間斷監控、自動監測報警及預警的功能。

網絡通訊設備的配置應能夠滿足將本地監控攝像頭拍攝的圖像進行壓縮處理后，通過網絡上傳到遠程監控中心集中管理、錄像、遠程回放和對講，聯網的客戶端可以實時監控相關圖像，也可以隨時訪問存儲設備調用歷史錄像數據回放顯示。

2.1 系統架構

溢油監測系統功能架構如圖1所示，從整體架構上可分為三層：油污染數據采集(前端探測器設備)，平臺溢油監控管理(平臺上安裝的監測軟件)，以及通過現有平臺傳輸手段(微波/衛星)將數據傳輸至陸地端的調度、應急指揮中心大屏顯示部分，以供決策者進行遠程診斷、處理解決相關危機事件。

按照現場實際網絡情況，系統主要采取前端設備分散安裝、監控中心統一監控管理模式進行系統架構，如圖2所示。

系統前端：是本系統的基層部分，主要包括攝像頭、數據傳輸設備。攝像頭安裝在海上平臺的甲板邊沿。

系統后端：配置存儲設備、服務器、操作端等設備，同時配備定制的軟件，對系統前端進行集中控制，前端采集的數據、圖像傳輸至系統后端進行分析、處理。

按照溢油監測系統整體設計技術方案思路，平臺的重點需要監測區域，比如排污口、采油樹等易發生溢油區域進行分階段部署。

圖1 視頻溢油監測系統架構

2.2 系統硬件

溢油監測系統的硬件在設計時應充分考慮與平臺現有設備的兼容性及后續的升級擴展能力，必要時預留一定的通訊接口和擴容能力，便于后續的系統功能升級。

2.2.1 系統硬件構成

系統前端，主要是指高清攝像頭等，其是本系統的基層部分，高清攝像頭如圖3所示。

系統后端：配置存儲設備、服務器、操作端等設備，同時配備定制的軟件，對系統前端進行集中控制，前端采集的圖像傳輸至系統后端進行分析、處理。

綜上所述，常規溢油監測系統的組成如表2所示。

圖2 視頻溢油監測系統網絡結構

圖3 高清攝像頭

表2 溢油監測系統的組成

2.2.2 高清攝像頭

設備主體：采用不銹鋼結構，適用于海洋環境以及滿足石化環境的防爆防護要求。

環境溫度：能在-45～60℃條件下長時間穩定工作，可配置低溫自動加熱功能。

設備供電：可選擇24VAC或者220VAC 或者12VDC 供電，出廠時支持其中1種。

設備接線：具備3個出線孔，使用防爆撓性管或鎧裝電纜連接。

設備安裝：選用電動云臺、半固定支架、基座、立柱、塔架方式安裝。防爆云臺可載重25kg，不銹鋼構造，滿足海洋環境防爆防護要求。能在-45～60℃溫度條件下長時間穩定工作。24VAC或220VAC供電，出廠時支持其中一種。具備3.8°/s 的水平轉速和垂直轉速，最大350°的水平轉角，-90°～90°的最大可選的預置位功能。

2.3 系統基本功能

能夠對監測到的畫面進行實時錄像、畫面抓拍、監控畫面回放、歷史數據查詢等。錄像模式可根據需要進行設定，支持手動錄像、定時錄像、報警聯動錄像、移動偵測錄像等多種錄像方式，并具有預錄像功能。歷史回放時，可選擇時間、通道等多種方式。

前端設備能夠同時監看多畫面、監控畫面放大查看、多路信號分組自動切換顯示。授權用戶可遠程控制前端設備的鏡頭變焦、聚焦，云臺轉動。監控中心安裝有電視墻或其他顯示設備，各個監控點的圖像均可在電視墻的各個屏幕上自由切換顯示。

2.4 設備遠程管理

在網絡環境允許的情況下，本系統支持在任何地方，通過網絡對各個分現場設備進行遠程監控、遠程設置、遠程操作，其通過集中控制器傳輸到定制軟件上進行控制。

2.5 溢油監控系統施工技術要求

2.5.1 監控點位布置和選擇

海上平臺溢油監控系統需要滿足24h全天候監控，同時需要滿足距離要求，攝像頭視線范圍應能覆蓋海上平臺周邊約100～200m范圍。

因此，對于井口平臺和中心平臺等海上生產設施，應將攝像頭安裝在上層甲板，并設置攝像頭立桿，高度不超過2m。這種情況下，能夠保證攝像頭有良好的監控視野，同時在選取監控點位時，應結合所選設備，在滿足監控距離、清晰度等前提下，減小盲區范圍。

綜合考慮平臺結構、攝像頭性能、最終監控效果(包括夜間監控、監控距離等)等因素，攝像頭安裝的建議如下：

(1)在海上平臺上層甲板的四角各設置1個攝像頭，共計4臺；

(2)有排污口的海上平臺，在平臺最下層甲板的下面安裝1臺或2臺高清攝像頭，監測平臺排污口處的海面狀況。

高清攝像頭布置，如圖4所示。

各個點位設置防爆攝像頭，在安裝調試過程中，應保證在焦距較小、視場較為廣闊的情況下，能夠覆蓋平臺周邊海域。同時，通過點位布置，以首尾相連或者相互照射的方式，消除各個安裝點位的盲區。在此情況下，一旦監控人員發現溢油情況，可通過手動調整攝像頭焦距、觀測方向，進行現場情況確認。

另外，在海上浮式生產儲油輪(FPSO)上設置的高清攝像頭延船身布置，在排污點設置專門的高清攝像頭，監視海面情況，如圖5所示。

圖4 高清攝像頭點位布置圖

圖5 FPSO高清攝像頭點位布置示意圖

2.5.2 信號電纜

在保證傳輸信號穩定的情況下，采用6類網線傳輸，距離最好不要超過150m。若平臺監控點位距離中控室距離較近，則可以從攝像頭布設網線至中控室硬盤錄像機中，若較遠則需要設置中繼器。

另外，采用直接布線的方式，將視頻監控信號從前端監控點位傳輸至中控室。如選用此種方式，需在前端增加一臺光纖收發器(光纖收發器可預留部分網線接口，供平臺后續增加攝像頭使用)，攝像頭信號通過網線傳輸至光纖收發器，而后轉為光纖，由光纖收發器布設光纖至中控室內。

2.5.3 攝像頭安裝方式

攝像頭采用立桿的方式進行安裝，立桿高度為1.5m，以方便平臺人員維保、檢修。立桿底部與甲板外側進行焊接，立桿中部增加橫撐與甲板欄桿連接，保證立桿穩定性。立桿上部焊接底座，使用螺栓將攝像頭與底座相連或者將攝像頭支架與底座焊接在一起，保證攝像頭安裝牢固，如圖6所示。

圖6 攝像頭安裝結構

2.5.4 監控端設備

將溢油監測系統的控制機柜和視頻顯示系統放置在中心平臺的中控室內，新增機柜的尺寸為800mm×800mm×2100mm(長×寬×高)，用于放置相關通訊設備?？刂破鞣胖迷诟浇霓k公桌上，便于人員操作，可將顯示器壁掛安裝，顯示畫面如圖7所示。

2.5.5 電氣專業技術要求

攝像頭供電電源由布置在中控室內的溢油監測系統機柜集中供電，同時在現場設置相應的接線箱。溢油監測系統的供電由平臺不間斷電源(UPS)裝置或應急配電盤提供2路220VAC的線路。

另外，無論是海上平臺或海上浮式生產儲油輪(FPSO)，均需要為每臺高清攝像頭配備專門用于對海面照明的燈光，以保證普通高清攝像頭畫面在夜間依然清晰可見，保證實現海上油氣生產設施周邊海域24h的溢油監視。對海照明的燈具應符合所在區域的防爆防護要求，并能滿足海洋環境的適用要求，同時其照明度應滿足高清攝像頭夜間工作的要求。

圖7 終端顯示畫面

3 結語

海洋石油采油平臺溢油監控系統的應用，提高了海上采油平臺對溢油事故的監測能力，便于在異常情況下及時做出應對措施，減少環境污染。隨著技術的不斷進步，溢油監測系統功能也將會更加完善。