油气平台自动气象观测业务研究

摘要：对开展油气平台自动气象观测业务面临的几个关键问题进行分析，论述油气平台自动气象站的特殊性能指标和功能需求，提出解决办法；剖析油气平台的物理结构、作业特征、管理制度对开展自动气象观测业务的影响，参考《地面气象观测规范》，给出油气平台自动气象站站址优选方法和建议安装位置；论述了开展该项观测业务的顶层设计和建设协调机制，给出一线维保任务指导方案。

关键词：应用气象；气象观测业务；自动气象站；油气平台；北斗通信

广东省是我国台风灾害最严重的地区，仅2017年显著影响广东的台风就多达7个，给人民生活和社会生产造成了极大的影响和财产损失［1－2］。台风的大尺度观测预警主要依赖气象卫星云图反演［3－4］，接近陆地后则通过天气雷达进行观测和定位［5－6］，为补充近海低层观测密度，延伸对台风的精细观测范围，气象部门在近海油气平台建设了一些自动气象站，这些站点提供了途经台风的直接观测资料，对台风路径和强度的验证具有重要意义。油气平台属气象条件极度恶劣的高危险性特种作业环境，油气平台自动气象站的技术体制、选址安装、维保机制都和地面自动气象站有非常大的差异，且目前尚无规范指导。本研究基于业务实践，对油气平台自动气象观测的关键问题进行探讨，逐一论述解决方案，所得成果已在广东省气象部门指导油气平台自动气象观测业务工作中应用。

1自动气象站技术体制

1．1性能特点。油气平台自动气象站一般对温度、湿度、风向、风速、气压、雨量等6个要素进行观测，传感器选用稳定性和可靠性强的产品。例如，超声风传感器利用超声波与风矢量叠加原理实现对风向、风速的测量，无机械转动部件，耐腐蚀性强，非常适合在海洋环境使用。平台在避险撤离时会切断供电，为保证持续观测，自动气象站配备自持力不低于1周的不间断电源（uninterruptiblepowersupply，UPS）。油气平台易燃易爆危化品多，对电气设备有防火和防爆等级要求，自动气象站的数据采集器和供电设备置于认证合格的防爆机箱内，供电和信号电缆采用低烟无卤电缆。由于海上具有高温、高盐、高湿、强日照、大风的环境特点，油气平台自动气象站机械结构采用不低于＃316的不锈钢材质，表层电镀乳白色防锈漆。1．2通信传输。油气平台无移动通信覆盖，采用海底电缆与陆地通信，但跨部门网络复杂，且避险期间网络中断，不适合自动气象站使用。我国自主研制的北斗导航系统具有短信息功能，提供了一种低功耗、低成本的报文传输途径。如图1所示，北斗用户机获取自动气象站报文后，对报文打包增加北斗通信协议头尾，经北斗卫星无线传输至北斗指挥机，指挥机解包去掉北斗通信协议头尾，提取出自动气象站报文，完成气象观测数据的传输［7－8］。因维护不便，油气平台自动气象站具备远程控制能力，在通信接口设计指令集，实现系统初始化、站号设置、时间设置、观测要素设置、调取报文等功能。表1为DZZ12型平台自动气象站北斗通信接口部分指令，“参数”缺省时返回当前系统参数。1．3数据共享。油气平台作业对海上大风极为敏感，其管理者对气象观测数据有很大需求。DZZ12型平台自动气象站拥有两个数据输出接口，支持同时向北斗用户机和平台发送报文。平台中央控制室是其中枢部门，值班员时刻监控整个平台的运行和安全情况，在中央控制室配置一台计算机连接自动气象站，运行上位软件显示气象观测数据。上位软件将报文数据解析后展示在实时数据应急显示界面，同时生成气象标准Z文件保存在本地硬盘，实现历史数据查询功能。

2选址安装

2．1观测环境分析。油气平台按功能分为井口平台和中心平台，考虑观测需求，中心平台具有较大优势：①管理级别高，安全性高；②无开采作业，空间较为充裕，可供选择的安装位置更多；③工种齐全，方便对自动气象站安装维护提供技术支持；④生活承载能力强，维保人员登平台更方便，缩短自动气象站故障修复时间。平台设置相对分开的生活区和作业区。生活区顶部一般为直升机甲板，部分生活区附近还建有架设各种通信天线的小平台。作业区设置了中央控制室、吊车、火炬臂、油气开采炼化等设备，井口平台作业区中央为钻井架。气象观测点要求能够较好地反映本地一定范围的气象要素特点［9］，顶层甲板空间开阔，气流畅通，是最理想的气象观测点，但有部分限制：①直升机甲板附近限制高度；②吊车作业范围内超高物有碰撞损坏危险；③钻井架顶部为平台制高点，测风条件良好，但攀登要求高处作业操作证，作业危险；④油气炼化设备、火炬臂、空调压缩机产生废热，影响附近温度、湿度。2．2安装位置优选。受客观条件限制，油气平台自动气象站无法完全按照《地面气象观测规范》选址建设。在不影响平台作业的前提下，综合考虑安全、供电、信号传输、观测需求，尽量保证气象观测数据的准确性和代表性。直升机甲板一般设置两架舷梯，舷梯中段的候机处面积较大，可在盛行风上风向的候机处靠近甲板边缘安装自动气象站。雨量传感器安装在主机箱附近，尽量错开栏杆，避免其对传感器承雨口的侧向遮挡；温度、湿度传感器置于防辐射罩中，注意规避热源，尽量固定在主机箱附近；北斗用户机要求上方及南向无遮挡，可安装在主机箱上方或固定在甲板围栏上［10－11］。风传感器应当在最多风向的上风向寻找安装位置，保证对盛行风观测不受影响，安装位置推荐：①首选盛行风上风向的候机处，高度不能超出直升机甲板限制；②生活区旁如有通信小平台，可作为第1候选址，如盛行风上风向被遮挡则不适合；③若有停止使用的火炬臂，可作为第2候选址，安装在略高于平台主体建筑的位置；④第3候选址为作业区顶层甲板的盛行风上风向角落，若为危险区或吊装区则不适合。

3维保机制

自动气象站发生故障后，经气象部门提出维护申请，海油公司即根据平台业务情况尽快安排维保人员登平台维修。3．1人员资质。根据《海洋石油安全管理细则》要求，维保人员必须持有“海上石油作业安全救生”和“防硫化氢技术”培训合格证书［12］。“海上石油作业安全救生”培训内容包括海上求生、急救、消防、艇筏操纵、直升机水下逃生，合格证有效期5年；“硫化氢防护”合格证有效期4年。维保人员亦须参加“海上作业人员健康体检”，体检合格颁发“海上健康证”，有效期1年。凭前述3个证件办理“人员跟踪卡”，出海时随身携带。以广东为例，维保人员应前往中海石油南海西部安全技术培训中心参加培训，在南海西部医院参加体检。3．2规范作业。平台作业实行许可证制度，新作业必须按要求填写许可证，经监督、总监审批后交中央控制室备案，方可动工。如需现场焊接，需填写热工许可证，并在现场配备可燃气体监测仪、灭火器和观火人员。需现场拍照的，应当申请防爆相机，不得使用手机拍照。在高空作业时，必须佩戴双尾绳安全带，尾绳固定在牢固的平台结构上。作业完毕后履行许可证结束手续，当日未完成的作业应办理暂停手续，第2日办理许可证继续手续后方可继续作业。进入作业区须佩戴劳保用品，包括劳保服、安全帽、防刺穿劳保鞋、手套、护目镜、防噪声耳塞等。

4业务应用

近年来广东省已建设油气平台自动气象站近10台，在多次台风过程中测得宝贵数据。1719号台风“杜苏芮”穿越我国南海期间，建设在某油气平台上的自动气象站于2017年9月15日02：00（北京时，下同）距离台风中心最近约27km［13］，录得2min风速204m／s、气压9634hPa，并于02：15录得该过程中的最低气压9599hPa，02：25录得该过程中的最大风速38m／s，与中央气象台的该时段中心气压965hPa、最大风速38m／s基本吻合。本研究对油气平台自动气象站的特殊技术体制、安装选址规则和维保机制等关键问题展开了深入的研究，为油气平台自动气象观测业务的开展提供了技术指引。相较其他海洋气象观测方式，利用油气平台开展自动气象观测经济成本更低、建设维护难度更低，适合长期实施。随着“一带一路”建设的推进，我国正逐步加强海洋气象观测能力，油气平台自动气象观测业务的角色将愈加重要。

作者:王明辉 陈冰怀 谭晗凌 单位:广东省气象探测数据中心