城市燃氣管網抗震系統和措施

摘 要

摘要：介紹了日本和中國臺灣的抗震技術和措施，建議中國重要城市和地震多發地帶城市建立地震實時監控系統。關鍵詞：燃氣管網；抗震；地震實時監控系統Earthquake-resistance System a
摘要：介紹了日本和中國臺灣的抗震技術和措施，建議中國重要城市和地震多發地帶城市建立地震實時監控系統。
關鍵詞：燃氣管網；抗震；地震實時監控系統
Earthquake-resistance System and Measures of Urban Gas Network
CHEN HUi
Abstract：The earthquake-resistance technologies and measures in Japan and Chinese Taiwan are introduced. It is suggested that the real-time monitoring system for earthquake should be established in important cities and cities within earthquake-prone areas in China.
Key words：gas network；earthquake-resistance；real-time monitoring system for earthquake
1 地震對燃氣管網的危害
   汶川地震和玉樹地震給我國帶來了重大人員傷亡和經濟損失，同時也提醒我們在城市建設中應該更加重視防震防災措施。防震防災不僅僅體現在房屋建設，城市燃氣管網的防震防災也十分重要。與其他的能源相比，燃氣更容易受到地震危害。由于燃氣易燃易爆，管道或其他設施損壞造成的泄漏有可能導致重大火災、爆炸事故。以1995年日本神戶大地震為例，175起火災中就有8起和燃氣泄漏和故障有關[1]。美國加州地震安全委員會的研究表明，天然氣泄漏是導致地震火災的主要原因，過去的地震火災中大約有20%～50%與燃氣泄漏有關[2]。在我國，城市燃氣管網的防震已做了一些研究[3]，但是措施還不夠完善。一些國家和地區，在過去數十年中，不僅對城市燃氣供應在地震中的安全性進行了研究，還采取了具體的抗震措施。
2 傳統的應急措施及存在的問題
    在發生地震等災害時，傳統的應急措施是關閉氣源。1995年神戶大地震時，當時關閉閥門85.9×104處，約15h后才全部關閉，而且后來恢復燃氣供應又花費85d。為了避免這種延誤，人們更加意識到快速收集燃氣管網信息的重要性。因此，為了減輕地震對燃氣管網的破壞，神戶在地震后就開始努力開發建立實時安全監控系統，以便快速收集信息和采取緊急措施[1]。
    在管網設計、施工、運行時，傳統的抗震安全措施是努力提升高、中壓主干管道的地震安全性。其基本思想是燃氣設備應該在強地震時仍然可以不間斷地安全可靠地服務，這樣就需要在設計、材料、安裝、加固、維護等方面提高標準來達到抗震要求。這些主干管道中燃氣的流動被24h遠程監控著，在緊急情況下有關人員能夠通過無線遙控關閉閥門來停止燃氣供應。為了進一步的安全，放散管也能通過無線控制，能夠在緊急情況下從管道中排出燃氣。
    然而，通常是低壓管道易于受到地震的危害。美國加州地震安全委員會根據實際經驗指出，地震災害發生時，往往因為建構筑物的損壞首先殃及用戶側的中、低壓管道，所以管徑較小的配氣管道受損率較高，這直接威脅著居民的生命和財產安全[2]。神戶大地震期間，有2.1×104起損壞是小管道的損壞，由于地面震動、土壤液化、地面變形等原因導致低壓管道出現泄漏和回流。
    提高小管道的抗震性到目前為止沒有一個切實可行的解決辦法，這是因為：管道總長度對于采取任何緊急措施來說都太長；進了用戶的管道是用戶的財產，燃氣公司無法控制。
    因此，當大地震發生時，低壓管道會產生泄漏問題。美國地震頻發的加州，采用用戶端防震安全措施。美國加州地震安全委員會建議普通居民用戶也應當熟悉他們所使用的天然氣供應系統，并可以在緊急情況下采取相應的措施提高天然氣使用的安全性。天然氣用戶應該了解所承受的風險，在深入理解投資和收益的關系的基礎上，可選擇增強天然氣使用安全性的裝置，例如：手動切斷閥，在靠近用戶計量表處安裝手動切斷閥，允許用戶在突發事件時切斷燃氣；地震驅動閥，感應到建筑物的振動大于設計水平時自動切斷燃氣；流量限制閥，感應到燃氣流量超過限定流量時自動切斷燃氣供應；甲烷探測儀，探測到空氣中有天然氣則立即自動發出警報；混合系統，由多種模塊組成，包括主控裝置、振動感應器、流量限制器、甲烷探測器、閥門和報警裝置。
    采用用戶端安全措施需要對用戶進行教育，而且需要用戶投資，這就有很多不確定性。解決這一問題的更好的方法，就是當感應到地震時，管網能自動停止供氣，這就需要一個實時安全監測控制系統。
3 SIGNAL地震實時安全監控系統
    早在20世紀80年代，日本東京燃氣公司就開始重視實時安全監控系統。為了實現低壓管道的安全功能，東京燃氣公司于1994年6月投入使用第一個實時安全監控系統——SIGNAL系統。SIGNAL系統包括安裝在332個中-低壓調壓站中的332個地震強度傳感器[1](SI傳感器)、分布在重要的調壓站中的20個土壤液化傳感器和5個地震儀，分布在東京主要燃氣供應地區，并通過電信頻道和總部控制中心相連。
    SI傳感器用來監測地震強度。如果SI的值超過30cm/s，區域調壓器就會停止燃氣供應。即使安裝SIGNAL地震實時安全監控系統，傳統的管道安全措施(即中心控制系統通過無線遙控來關閉閥門停止燃氣供應)仍然起作用。傳統的燃氣供應截止閥是一個微機操作的智能儀表，安裝在各個調壓站，如果檢測到地震加速度大于200cm/s2，也會自動停止燃氣供應。SIGNAL地震實時安全監控系統是在上述已有的安全設施基礎上建立的。
4 SUPREME超密集地震實時監控系統
    1995年后，東京燃氣公司意識到急需大幅度改善先前的安全系統，因而提出新的發展目標如下：
    ① 通過區域調壓器自動停止低壓燃氣供應的方法應高度可靠。
    ② 當緊急情況發生時，如果技術人員無法去現場進行關閉操作，則關閉操作應自動完成或者由總部控制中心遠程監控。
    ③ 大量的地震運動數據應傳送到總部控制中心，以便總部控制中心作出更加準確的決策。
    ④ 總部控制中心應該綜合考慮3800個調壓站監測到的地震運動和土壤液化開始的數據和周邊地質情況，這能使最終的決策更合理。
    ⑤ 地理信息系統的應用便于上述綜合決定的作出。
    ⑥ 平時注意積累和分析較小的地震數據，以提高大地震應急的專業性。
    為了實現上述目標，東京燃氣公司推出了一個新的安全系統——超密集地震實時監控系統(Super-dense realtime monitoring of earthquake，SUPREME)，以及一種新的微型地震儀——新SI傳感器[1](見圖1)。新SI傳感器嵌入了一個電子電路，可以更精確地設定SI報警值，可以探測到土壤液化，并且能向總部控制中心傳輸更多的地震歷史數據，以便讓總部控制中心進行進一步分析。
 
   新SI傳感器相對于以前的改進之處是：
   ① 裝在防水盒里，可以承受附近的爆炸，還可以隔離周圍電磁噪聲。帶盒總質量僅1.3kg。
   ② 加速度測定儀可以進行溫度修正。
   ③ 監測3個垂直方向的地動加速度，儲存歷史記錄。
   ④ 敏感元件和計算部件放在一起，同一個儀器可以給出SI值。
   ⑤ 儲存過去10次的地震記錄，保留10個SI值最大的歷史記錄。
   ⑥ 儀器中放置了土壤淺層液化傳感器，使得安裝費用降低。而原來的液化傳感器需要向地下挖洞進行安裝。
   新推出的SUPREME系統使用了新的SI傳感器和遠程控制設備，實現快速切斷燃氣供應。它在大量的地點實時監控地震的動向，分析數據，并評估燃氣管道的損壞程度，以便決定是否應該中斷燃氣供應。
   系統能根據地震波數據實時檢測到土壤液化的開始，它能實時監視和分析地面加速度的最大峰值(PGA)、加速度的歷史數據和SI值，并能探測到土壤液化跡象。
   SUPREME系統、遠程監視網絡以及燃氣閥門的遠程控制系統，分布在東京的3800個區域調壓站，控制低壓管道的燃氣壓力。總的服務區域有3100km2，平均1個監測站負責0.9km2。還有20個土壤液化傳感器分布在20個重要的調壓站中，直接監視著地下水縫隙中的壓力和土壤液化情況。
   傳感器和總部控制中心作最終關閉燃氣閥門決定的計算機之間的聯系通過兩個渠道：332個調壓站通過無線網絡聯系，其余的3468個調壓站通過普通的電話線聯系。雖然在地震時通過普通的電話線的可靠性不如無線網絡，但是具有非常高的性能價格比。為避免電話線路擁堵，燃氣公司專門從電話公司購買了優先權。這樣，在地震發生初始的20min內，80%的所需信息會傳到總部控制中心。之所以具有這么快的反應速度，是由于開發了一個新的數據傳輸單元。
   東京的低壓管網分為101個區域，每1個區域的面積為30～40km2，包括30～50個區域調壓站。在緊急情況下，通過關閉所有的調壓器閥門就能完全切斷燃氣供應。此外，每一個區域的燃氣供應都會在SI值大于30cm/s時獨立地自動切斷。為了確保可靠性，每一個區域都至少有3個無線SI監測站，將監測到的SI值傳送到總部控制中心，總部控制中心據此決定什么時候切斷燃氣供應。SI監測必須有很高的可靠性，因為不必要的停氣會給用戶造成麻煩，而且恢復燃氣供應時要對停氣區域內的所有用戶進行檢查。
    以前的SIGNAL系統在每個低壓區域中放置1個SI傳感器，因此只能根據SI傳感器的信息關閉所在的調壓站的調壓器。由于每個低壓區域有30～50個調壓站，要想完全切斷燃氣供應，必須將所有的調壓站中的調壓器都關閉。而地震時有些調壓站沒有震動得很厲害，使得它們的閥門繼續開著。另一個問題是人們不敢確定閥門自動關閉的可靠性，必須派技術人員到調壓站去確保閥門關閉。這樣當大地震發生時要保證燃氣系統的正常運轉，必須進行非常艱難的人工干預。
    而SUPREME系統則實現了當大地震發生時完美隔離低壓燃氣供應區域的目標。新開發的調壓器電話控制系統通過電話網絡向閥門發出關閉信號來關閉閥門，并具有防止錯誤信號、故障和黑客的安全機制。同時，基于SI值的閥門關閉機制仍然運行。因此，有兩種方法來關閉調壓器閥門：依靠SI值的獨立的自動關閉系統，SUPREME遙控的關閉系統。這樣當大地震發生時，不需要派遣技術人員到現場就可以關閉調壓站閥門。
5 地震實時監控系統的應用
    中國臺灣已經安裝了SUPREME系統和新SI傳感器。在1999年臺灣大地震的時候，大臺北燃氣公司(The Great Taibei Gas Company)擁有31個新SI傳感器與租用的電話線，因此地震加速度和SI值都被記錄下來。SUPREME系統判定當時沒有必要切斷燃氣供應，事實證明該系統的判斷是正確的，燃氣管網除了少數小事故外，沒有受到損害。
   2002年3月，另一場大地震(又稱為331大地震)襲擊了臺北市。新SI傳感器再一次探測到臺北市的地震波。這場地震比1999年地震更強。在社子區域調壓站和園山區域調壓站的SI值分別達到了23.0、10.8cm/s。在信義區域調壓站，檢測到的SI值為36.5cm/s，這個值超出了自動關閉的SI臨界值。因此，閥門按設計要求被SUPREME關閉了。事實是在信義附近的低壓管網有一些輕微的泄漏，這證明了SUPREME系統非常有用。
6 建議
    由于經濟水平和防災意識等原因，我國燃氣管網防震防災措施遠沒有達到日本同等規模時期水平，與現狀東京燃氣管道防震措施相差更遠。隨著經濟水平的提高、城市規模的擴大、以人為本理念的加深，提高燃氣管網安全性，采取應對地質災害的必要措施，已受到廣泛重視。目前國內許多城市的燃氣管網應用了數據監控和采集系統(SCADA)[4]、地理信息系統(GIS)[5]、GSM、GPRS通信系統[6]，為建立燃氣管網抗震系統奠定了堅實基礎。將來可在現有技術和設施基礎上，在區域調壓站增添SI傳感器等地震安全設備，形成地震實時監控系統。因此，在目前地球板塊活躍期，建議我國重要大城市和地震多發地帶上的城市借鑒地震多發地帶國家和地區的防震系統和經驗，為避免地震造成的燃氣管道泄漏危害，安裝地震實時監控系統，實現快速切斷燃氣供應，保證人民生命財產安全。
參考文獻：
[1] YOSHIHISA S，FUMIO Y，SUSUMU Y，et al. Development of real-time safety control system for urban gas supply network[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2006，(2)：238-249.
[2] TURMER F. Improving natural gas safety in earthquakes-California recommendations[A].Proceedings of the Sixth U. S. Conference and Workshop on Lifeline Earthquake Engineering[C].Long Beach California(USA)：American Society of Civil Engineers.2003.368—377.
[3] 宓亢琪.埋地燃氣鋼管抗震計算與分析[J].煤氣與熱力，2010，30(5)：A36-A39.
[4] 石蘭權.天然氣輸配管網調度自動化監控系統的應用[J].煤氣與熱力，2009，29(8)：B31-B34.
[5] 牟乃夏，楊亮潔，張靈先.燃氣管網綜合調度管理系統的研究[J].煤氣與熱力，2005，25(3)：20-23.
[6] 邵華.GPRS技術在燃氣SCADA系統的應用[J].煤氣與熱力，2007，27(2)：33-37.
 
(本文作者：陳輝 中國石油規劃總院 北京 100083)