CN112758279B - 一种fpso单点系泊系统受力异常诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种FPSO单点系泊系统受力异常诊断方法，包括下列步骤：通过布置在FPSO上的传感器，监测海况环境数据、FPSO运动和锚链张力数据，获得评估所需监测数据的基本数据库。对获取的监测数据进行数据清洗，包括对数据异常筛查和时间上的连续性检查；对清洗后的监测数据进一步分析，设定监测时间段，计算每个监测时间段的海况环境数据、FPSO运动和锚链张力的数据平均值；设定监测周期，统计每个监测周期里在各个连续监测周期里不同风浪流组合海况下的FPSO运动和锚链张力数据；计算整体评判标准值；通过监测数据评估当前海况下整体系泊系统是否具有受力异常状况。

Description

一种FPSO单点系泊系统受力异常诊断方法

技术领域

本发明涉及一种FPSO单点系泊系统受力异常诊断算法。

背景技术

浮式生产储油装置(FPSO)具有油气水处理、原油存储、外输和生活支持等功能，通过单点系泊系统长期固定于海上进行作业，是海洋油气资源生产的主要装备，一旦出现问题将造成极为严重的后果。近年超极限海况频发，单点系统故障也日益增多，据统计其90％的故障来自于系泊系统，受力异常导致单点系泊系统无法发挥正常功能，导致FPSO无法正常固定于海上进行作业，输油立管拉断等事故。面对惨重的事故，FPSO系泊安全性日益受到高度重视，对于现有的FPSO和未来新建FPSO而言，如果能够对其系泊系统研发一种高识别性的受力异常诊断算法，即可快速准确判断其系泊系统的主要安全性能，对可能发生的破坏提前预警，为管理作业者提供及时准确的系泊安全性信息，可供其有预案的进行安全管理，防范于未然，确保油田生产安全。

目前，现有单点系泊系统的异常诊断就是通过水下ROV检测方法，其目的在于确定可识别的宏观异常(钢丝绳松散、护套损坏、接头销缺陷等)、腐蚀和磨损，以及索链故障。但水下ROV检测，往往不具有针对性，且检测结果精度较低，无法量化系泊系统异常的情况，而且系泊系统失效，往往要结合不可预见的，长期累积的系统性缺陷扩展，需要依赖于长期监测数据的统计分析结果，给出定量的分析指导。所以有必要提高现有诊断方法的准确度以及效率、提出一种FPSO单点系泊系统高识别性的受力异常诊断算法。

基于上述原因，研发一种基于实时监测数据的高识别性的单点系泊系统受力异常诊断算法，为单点海上生产作业提供及时的预警预报，具有切实的工程意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效可行、准确度高的，能够对FPSO单点系泊系统进行高识别性的受力异常诊断方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种FPSO单点系泊系统高识别性的受力异常诊断方法，包括下列步骤：

第一步，通过布置在FPSO上的传感器，监测海况环境数据、FPSO运动和锚链张力的数据平均值，获得评估所需监测数据的基本数据库，基本数据库中包含参数如下：时间索引参数Time；海况环境数据：包括纵向偏移X即经度，横向偏移Y即纬度，艏向角Heading；锚链张力数据：不同锚链号x的轴向张力T_x。

第二步，对获取的监测数据进行数据清洗，包括对数据异常筛查和时间上的连续性检查；

第三步，对清洗后的监测数据进一步分析，设定监测时间段，计算每个监测时间段的海况环境数据、FPSO运动和锚链张力的数据平均值；

第四步，设定监测周期，统计每个监测周期里在各个连续监测周期里不同风浪流组合海况下的FPSO运动和锚链张力数据，方法如下：

1)划分不同的海况条件，将采集到的每个监测时间段的海况环境数据划分成不同的区间组次，之后再排列组合即可得到不同的风浪流组合海况：

2)对于不同的风浪流组合海况，将分属于一个组合内的信号数据即FPSO水平面内运动数据和锚链张力数据为一组组合数据；

第五步，计算整体评判标准值C_global，对于待判断的监测数据，采用如下的处理方法：

(1)计算每个监测时间段内各类型信号的平均值S，包括单点X方向水平偏移平均值X，单点Y方向水平偏移平均值Y，船体艏向角Heading平均值θ，锚链最大轴向张力的平均值T_x；

(2)按照第四步，将各组信号数据划分到某一个组合内，对于属于一个组合内的所有信号数据，计算各个信号数据的偏移平均值和方差，包括单点X方向水平偏移平均值X_mean和方差X_std，单点Y方向水平偏移平均值Y_mean和方差Y_std，船体艏向角Heading平均值θ_mean和方差θ_std，锚链最大轴向张力的平均值T_xmean和方差T_xstd；

(3)将同一海况参数的监测数值视为服从正态分布，计算单点X方向水平偏移、单点Y方向水平偏移、船体艏向角Heading、锚链最大轴向张力的评判标准值C1，C2，C3，C4：

基于以下公式计算整体评判标准值C_global：

最终根据C_global的值与AIMS系统设定的警告值C_warning＝2判断来决定是否提出警告，如果C_global≥C_warning，则提出警告；

第六步，通过监测数据评估当前海况下整体系泊系统是否具有受力异常状况。

进一步地，第一步中，海况环境数据：包括有义波高Hs，浪向DirH，风速Uv，风向DirV，流速Uc，流向DirC；FPSO水平面内运动数据；

第二步中，进行数据清洗的方式，包括对数据异常筛查和时间上的连续性检查；

第三步中，预设的监测时间段长短根据海洋环境条件而定，海洋环境条件越不稳定，所设定的监测时间段越短；

第四步中，将采集到的每个监测时间段的海况环境数据按照下面的间隔划分成不同的区间组次：

1)浪向DirH：以30度为间隔值，将浪向划分区间组次；

2)有义波高Hs：以2m为间隔值，将有义波高划分区间组次；

3)风向DirV：以30度为间隔值，将风向划分区间组次；

4)风速Uv：以4m/s为间隔值，将风速划分区间组次；

5)流向DirC：以30度为间隔值，将流向划分区间组次；

6)流速Uv：以0.5m/s为间隔值，将流速划分区间组次；

6.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，第六步中，设监测周期为一天，如果一个监测周期内记录超过4个警告或三个监测周期内记录超过8个警告，则认为整体系泊系统受力异常，发出警报。

附图说明

图1.实时监测数据3小时平均值显示

图2.系泊系统整体评判标准值C_global计算结果显示

图3.单点系泊系统受力异常诊断算法技术路线图

具体实施方式

本发明在FPSO船体和单点系统上的传感器采集的数据集基础上，对数据进行滤波处理，删除掉无效的数据信号，获取到有效的海洋环境数据、FPSO运动数据和锚链张力数据。之后，根据本专利算法计算出当前海况下系泊系统受力状态的整体评判标准值，从而快速准确地给出当前系泊系统的受力是否异常，指导海上石油生产作业。具体实施方式分为以下几步：

第一步，通过布置在FPSO船体和单点系统上的传感器，监测海况环境数据和系泊受力数据，获得评估所需监测基本数据库。数据库中应包含参数如下：1.一个时间索引参数Time。2.六个海况的海洋环境数据参数：包括有义波高Hs，浪向DirH，风速Uv，风向DirV，流速Uc，流向DirC。3.三个FPSO水平面内运动数据：包括纵向偏移X(经度)，横向偏移Y(纬度)，艏向角Heading。4.锚链张力数据：轴向张力T_x(其中x代表不同锚链号)。

第二步，监测数据异常筛查和时间连续性检查。由于海上环境恶劣，传感器采集到数据存在噪声数据，因此首先我们需要对现场监测数据进行数据清洗。数据预处理有以下几种方法：1.通过卡尔曼滤波对运动数据(RTK，IMU，Compas，...)进行数据融合处理。2.单个数据(环境条件，载荷......)的滤波处理(推荐使用EKF或UKF作为滤波器)。3.需要手动识别处理的不合理数据(范围筛查、数据连续性筛查、时间连续性筛查、一致性筛查…)。

第三步，设定监测时间段，本实施例设定的设定监测时间段，为3小时。计算每3小时的海洋环境、FPSO运动和锚链张力的数据平均值，结果如附图1所示。如果在3小时规则中证明环境条件不稳定，也可以细化到每1小时一个海况。即

其中，S为3小时内该信号的平均值(信号包括有义波高，浪向，纵向偏移等各项采集信号)，S_i是第i个时刻的信号数据，n为3小时内记录的有效信号数据总条数。

第四步，设定监测周期，本实施例设定的监测周期为1天，统计每个监测周期内不同风浪流组合海况下的FPSO运动情况和单点系泊系统受力情况。海域环境复杂多变，FPSO及单点系泊系统经常处于不同风、浪、流的组合作用力下，为了研究不同的风浪流组合作用下的FPSO运动情况和单点系泊系统的受力情况，首先要划分不同的海况条件，将采集到的每3小时(或1小时)的海况环境数据按照以下划分标准划分成不同的区间组次，之后再排列组合即可得到不同的风浪流组合海况。

1.浪向DirH。以30度为间隔值，将浪向划分区间组次(比如：[0,30°]，(30°,60°]，(60°,90°]，(90°,120°]，(120°,150°]，…)。

2.有义波高Hs。以2m为间隔值，将有义波高划分区间组次(比如：[0,2]，(2,4]，…)。

3.风向DirV。以30度为间隔值，将风向划分区间组次(比如：[0,30°]，(30°,60°]，(60°,90°]，(90°,120°]，(120°,150°]，…)。

4.风速Uv。以4m/s为间隔值，将风速划分区间组次(比如：[0,4]，(4,8]，…)。

5.流向DirC。以30度为间隔值，将流向划分区间组次(比如：[0,30°]，(30°,60°]，(60°,90°]，(90°,120°]，(120°,150°]，…)。

6.流速Uv。以0.5m/s为间隔值，将流速划分区间组次(比如：[0,0.5]，(0.5,1]，…)。

排列组合即可得到不同的风浪流组合海况，将分属于一个组合内的信号数据即FPSO水平面内运动数据和锚链张力数据为一组组合数据，例如位于浪向[0,30°]，有义波高(2,4]，风向[0,30°]，风速(4,8]，流向(30°,60°]，流速[0,0.5]内的数据为一组数据。

第五步，计算整体评判标准值C_global。

对于待判断监测数据，首先按照公式(1)，计算3小时内各类型信号的平均值S，如单点X方向水平偏移平均值X，单点Y方向水平偏移平均值Y，船体艏向角Heading平均值θ，锚链最大轴向张力的平均值T_x。之后，按照第四步可以划分到某一小组内，对于该一个小组内所有数据，计算其单点X方向水平偏移平均值X_mean和方差X_std，单点Y方向水平偏移平均值Y_mean和方差Y_std，船体艏向角Heading平均值θ_mean和方差θ_std，锚链最大轴向张力的平均值T_xmean和方差T_xstd。例如对于单点X方向水平偏移平均值X_mean和方差X_std，计算公式如下，

其中，m为小组内的数据条数，X_j为小组内第j条单点X方向水平偏移值。单点Y方向水平偏移等其它参数的平均值和方差计算过程可类比得出。

由于海洋环境的复杂性，因此各个参数的值充满了随机性，每一个小组内同一参数下的数值应该服从正态分布。正态分布是指随机变量X服从一个位置参数为μ，尺度参数为σ的概率分布，其概率密度函数为

记作X～N(μ,σ²)。在正态分布概率密度函数曲线下，介于坐标[μ-2σ,μ+2σ]间的面积占总面积的95.45％。根据控制图理论，我们取中心线为μ，上控制线为μ+2σ，下控制线为μ-2σ，数值2可视为数据经标准化处理后与中心线μ的偏差值，将评判标准值C＝(x-μ)/σ与2比较来判断x的值是否异常。因此，首先需要计算单点X方向水平偏移、单点Y方向水平偏移、船体艏向角Heading、锚链最大轴向张力的评判标准值C1，C2，C3，C4。

基于以下公式计算整体评判标准值C_global，计算结果如附图2所示。

最终根据C_global的值与AIMS系统设定的警告值C_warning＝2判断来决定是否提出警告，即如果C_global≥C_warning，则提出警告。

第六步，警告处理

按照上述方法，我们就可以通过监测数据推算出当前海况下整体系泊系统的评判标准。通过对多年大量监测数据库统计分析，得出如果1天记录超过4个警告或3天以上记录超过8个警告，基于该方法开发的单点监测及完整性评估AIMS系统会自动发出警报。之后，参考附图3所示的单点系泊系统受力异常诊断算法技术路线，来采取措施确定是否有特定的操作(如：外输作业、系泊和设备的转移、不均匀的装载条件…)来解释警报的等级提升，及时为作业人员提出决策建议；否则，基于意外行为引发的警报，AIM小组需要调查系泊系统可能发生的破坏。

综上，该专利就是一种快速、准确判断系泊系统受力异常诊断的新算法，结合历史维护信息，及时为作业区提供单点系泊受力异常预警信息，辅助生产决策。

Claims (6)

1.一种FPSO单点系泊系统受力异常诊断方法，包括下列步骤：

第一步，通过布置在FPSO上的传感器，监测海况环境数据、FPSO运动和锚链张力的数据，获得评估所需监测数据的基本数据库，基本数据库中包含参数如下：时间索引参数Time，海况环境数据和FPSO水平面内运动数据；所述的FPSO水平面内运动数据包括纵向偏移X即经度，横向偏移Y即纬度，艏向角Heading；锚链张力数据：不同锚链号x的轴向张力T_x；

第二步，对获取的监测数据进行数据清洗，包括对数据异常筛查和时间上的连续性检查；

第三步，对清洗后的监测数据进一步分析，设定监测时间段，计算每个监测时间段的海况环境数据、FPSO运动和锚链张力的数据平均值；

第四步，设定监测周期，统计每个监测周期里在各个连续监测周期里不同风浪流组合海况下的FPSO运动和锚链张力数据，方法如下：

1)划分不同的海况条件，将采集到的每个监测时间段的海况环境数据划分成不同的区间组次，之后再排列组合即可得到不同的风浪流组合海况；

2)对于不同的风浪流组合海况，将分属于一个组合内的信号数据即FPSO水平面内运动数据和锚链张力数据为一组组合数据；

第五步，计算整体评判标准值C_global，对于待判断的监测数据，采用如下的处理方法：

(1)计算每个监测时间段内各类型信号的平均值S，包括单点X方向水平偏移平均值X，单点Y方向水平偏移平均值Y，船体艏向角Heading平均值θ，锚链最大轴向张力的平均值T_x；

(2)按照第四步，将各组信号数据划分到某一个组合内，对于属于一个组合内的所有信号数据，计算各个信号数据的偏移平均值和方差，包括单点X方向水平偏移平均值X_mean和方差X_std，单点Y方向水平偏移平均值Y_mean和方差Y_std，船体艏向角Heading平均值θ_mean和方差θ_std，锚链最大轴向张力的平均值T_xmean和方差T_xstd；

(3)将同一海况参数的监测数值视为服从正态分布，计算单点X方向水平偏移、单点Y方向水平偏移、船体艏向角Heading、锚链最大轴向张力的评判标准值C1，C2，C3，C4：

基于以下公式计算整体评判标准值C_global：

最终根据C_global的值与AIMS系统设定的警告值C_warning＝2判断来决定是否提出警告，如果C_global≥C_warning，则提出警告；

第六步，通过监测数据评估当前海况下整体系泊系统是否具有受力异常状况。

2.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，第一步中，海况环境数据：包括有义波高Hs，浪向DirH，风速Uv，风向DirV，流速Uc和流向DirC。

3.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，第二步中，进行数据清洗的方式，包括对数据异常筛查和时间上的连续性检查。

4.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，第三步中，预设的监测时间段长短根据海洋环境条件而定，海洋环境条件越不稳定，所设定的监测时间段越短。

5.根据权利要求2所述的诊断方法，其特征在于，第四步中，将采集到的每个监测时间段的海况环境数据按照下面的间隔划分成不同的区间组次：

1)浪向DirH：以30度为间隔值，将浪向划分区间组次；

2)有义波高Hs：以2m为间隔值，将有义波高划分区间组次；

3)风向DirV：以30度为间隔值，将风向划分区间组次；

4)风速Uv：以4m/s为间隔值，将风速划分区间组次；

5)流向DirC：以30度为间隔值，将流向划分区间组次；

6)流速Uv：以0.5m/s为间隔值，将流速划分区间组次。

6.根据权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，第六步中，设监测周期为一天，如果一个监测周期内记录超过4个警告或三个监测周期内记录超过8个警告，则认为整体系泊系统受力异常，发出警报。

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