城市燃气管网抗震系统和措施

摘 要

摘要：介绍了日本和中国台湾的抗震技术和措施，建议中国重要城市和地震多发地带城市建立地震实时监控系统。关键词：燃气管网；抗震；地震实时监控系统Earthquake-resistance System a
摘要：介绍了日本和中国台湾的抗震技术和措施，建议中国重要城市和地震多发地带城市建立地震实时监控系统。
关键词：燃气管网；抗震；地震实时监控系统
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 地震对燃气管网的危害
   汶川地震和玉树地震给我国带来了重大人员伤亡和经济损失，同时也提醒我们在城市建设中应该更加重视防震防灾措施。防震防灾不仅仅体现在房屋建设，城市燃气管网的防震防灾也十分重要。与其他的能源相比，燃气更容易受到地震危害。由于燃气易燃易爆，管道或其他设施损坏造成的泄漏有可能导致重大火灾、爆炸事故。以1995年日本神户大地震为例，175起火灾中就有8起和燃气泄漏和故障有关[1]。美国加州地震安全委员会的研究表明，天然气泄漏是导致地震火灾的主要原因，过去的地震火灾中大约有20%～50%与燃气泄漏有关[2]。在我国，城市燃气管网的防震已做了一些研究[3]，但是措施还不够完善。一些国家和地区，在过去数十年中，不仅对城市燃气供应在地震中的安全性进行了研究，还采取了具体的抗震措施。
2 传统的应急措施及存在的问题
    在发生地震等灾害时，传统的应急措施是关闭气源。1995年神户大地震时，当时关闭阀门85.9×104处，约15h后才全部关闭，而且后来恢复燃气供应又花费85d。为了避免这种延误，人们更加意识到快速收集燃气管网信息的重要性。因此，为了减轻地震对燃气管网的破坏，神户在地震后就开始努力开发建立实时安全监控系统，以便快速收集信息和采取紧急措施[1]。
    在管网设计、施工、运行时，传统的抗震安全措施是努力提升高、中压主干管道的地震安全性。其基本思想是燃气设备应该在强地震时仍然可以不间断地安全可靠地服务，这样就需要在设计、材料、安装、加固、维护等方面提高标准来达到抗震要求。这些主干管道中燃气的流动被24h远程监控着，在紧急情况下有关人员能够通过无线遥控关闭阀门来停止燃气供应。为了进一步的安全，放散管也能通过无线控制，能够在紧急情况下从管道中排出燃气。
    然而，通常是低压管道易于受到地震的危害。美国加州地震安全委员会根据实际经验指出，地震灾害发生时，往往因为建构筑物的损坏首先殃及用户侧的中、低压管道，所以管径较小的配气管道受损率较高，这直接威胁着居民的生命和财产安全[2]。神户大地震期间，有2.1×104起损坏是小管道的损坏，由于地面震动、土壤液化、地面变形等原因导致低压管道出现泄漏和回流。
    提高小管道的抗震性到目前为止没有一个切实可行的解决办法，这是因为：管道总长度对于采取任何紧急措施来说都太长；进了用户的管道是用户的财产，燃气公司无法控制。
    因此，当大地震发生时，低压管道会产生泄漏问题。美国地震频发的加州，采用用户端防震安全措施。美国加州地震安全委员会建议普通居民用户也应当熟悉他们所使用的天然气供应系统，并可以在紧急情况下采取相应的措施提高天然气使用的安全性。天然气用户应该了解所承受的风险，在深入理解投资和收益的关系的基础上，可选择增强天然气使用安全性的装置，例如：手动切断阀，在靠近用户计量表处安装手动切断阀，允许用户在突发事件时切断燃气；地震驱动阀，感应到建筑物的振动大于设计水平时自动切断燃气；流量限制阀，感应到燃气流量超过限定流量时自动切断燃气供应；甲烷探测仪，探测到空气中有天然气则立即自动发出警报；混合系统，由多种模块组成，包括主控装置、振动感应器、流量限制器、甲烷探测器、阀门和报警装置。
    采用用户端安全措施需要对用户进行教育，而且需要用户投资，这就有很多不确定性。解决这一问题的更好的方法，就是当感应到地震时，管网能自动停止供气，这就需要一个实时安全监测控制系统。
3 SIGNAL地震实时安全监控系统
    早在20世纪80年代，日本东京燃气公司就开始重视实时安全监控系统。为了实现低压管道的安全功能，东京燃气公司于1994年6月投入使用第一个实时安全监控系统——SIGNAL系统。SIGNAL系统包括安装在332个中-低压调压站中的332个地震强度传感器[1](SI传感器)、分布在重要的调压站中的20个土壤液化传感器和5个地震仪，分布在东京主要燃气供应地区，并通过电信频道和总部控制中心相连。
    SI传感器用来监测地震强度。如果SI的值超过30cm/s，区域调压器就会停止燃气供应。即使安装SIGNAL地震实时安全监控系统，传统的管道安全措施(即中心控制系统通过无线遥控来关闭阀门停止燃气供应)仍然起作用。传统的燃气供应截止阀是一个微机操作的智能仪表，安装在各个调压站，如果检测到地震加速度大于200cm/s2，也会自动停止燃气供应。SIGNAL地震实时安全监控系统是在上述已有的安全设施基础上建立的。
4 SUPREME超密集地震实时监控系统
    1995年后，东京燃气公司意识到急需大幅度改善先前的安全系统，因而提出新的发展目标如下：
    ① 通过区域调压器自动停止低压燃气供应的方法应高度可靠。
    ② 当紧急情况发生时，如果技术人员无法去现场进行关闭操作，则关闭操作应自动完成或者由总部控制中心远程监控。
    ③ 大量的地震运动数据应传送到总部控制中心，以便总部控制中心作出更加准确的决策。
    ④ 总部控制中心应该综合考虑3800个调压站监测到的地震运动和土壤液化开始的数据和周边地质情况，这能使最终的决策更合理。
    ⑤ 地理信息系统的应用便于上述综合决定的作出。
    ⑥ 平时注意积累和分析较小的地震数据，以提高大地震应急的专业性。
    为了实现上述目标，东京燃气公司推出了一个新的安全系统——超密集地震实时监控系统(Super-dense realtime monitoring of earthquake，SUPREME)，以及一种新的微型地震仪——新SI传感器[1](见图1)。新SI传感器嵌入了一个电子电路，可以更精确地设定SI报警值，可以探测到土壤液化，并且能向总部控制中心传输更多的地震历史数据，以便让总部控制中心进行进一步分析。
 
   新SI传感器相对于以前的改进之处是：
   ① 装在防水盒里，可以承受附近的爆炸，还可以隔离周围电磁噪声。带盒总质量仅1.3kg。
   ② 加速度测定仪可以进行温度修正。
   ③ 监测3个垂直方向的地动加速度，储存历史记录。
   ④ 敏感元件和计算部件放在一起，同一个仪器可以给出SI值。
   ⑤ 储存过去10次的地震记录，保留10个SI值最大的历史记录。
   ⑥ 仪器中放置了土壤浅层液化传感器，使得安装费用降低。而原来的液化传感器需要向地下挖洞进行安装。
   新推出的SUPREME系统使用了新的SI传感器和远程控制设备，实现快速切断燃气供应。它在大量的地点实时监控地震的动向，分析数据，并评估燃气管道的损坏程度，以便决定是否应该中断燃气供应。
   系统能根据地震波数据实时检测到土壤液化的开始，它能实时监视和分析地面加速度的最大峰值(PGA)、加速度的历史数据和SI值，并能探测到土壤液化迹象。
   SUPREME系统、远程监视网络以及燃气阀门的远程控制系统，分布在东京的3800个区域调压站，控制低压管道的燃气压力。总的服务区域有3100km2，平均1个监测站负责0.9km2。还有20个土壤液化传感器分布在20个重要的调压站中，直接监视着地下水缝隙中的压力和土壤液化情况。
   传感器和总部控制中心作最终关闭燃气阀门决定的计算机之间的联系通过两个渠道：332个调压站通过无线网络联系，其余的3468个调压站通过普通的电话线联系。虽然在地震时通过普通的电话线的可靠性不如无线网络，但是具有非常高的性能价格比。为避免电话线路拥堵，燃气公司专门从电话公司购买了优先权。这样，在地震发生初始的20min内，80%的所需信息会传到总部控制中心。之所以具有这么快的反应速度，是由于开发了一个新的数据传输单元。
   东京的低压管网分为101个区域，每1个区域的面积为30～40km2，包括30～50个区域调压站。在紧急情况下，通过关闭所有的调压器阀门就能完全切断燃气供应。此外，每一个区域的燃气供应都会在SI值大于30cm/s时独立地自动切断。为了确保可靠性，每一个区域都至少有3个无线SI监测站，将监测到的SI值传送到总部控制中心，总部控制中心据此决定什么时候切断燃气供应。SI监测必须有很高的可靠性，因为不必要的停气会给用户造成麻烦，而且恢复燃气供应时要对停气区域内的所有用户进行检查。
    以前的SIGNAL系统在每个低压区域中放置1个SI传感器，因此只能根据SI传感器的信息关闭所在的调压站的调压器。由于每个低压区域有30～50个调压站，要想完全切断燃气供应，必须将所有的调压站中的调压器都关闭。而地震时有些调压站没有震动得很厉害，使得它们的阀门继续开着。另一个问题是人们不敢确定阀门自动关闭的可靠性，必须派技术人员到调压站去确保阀门关闭。这样当大地震发生时要保证燃气系统的正常运转，必须进行非常艰难的人工干预。
    而SUPREME系统则实现了当大地震发生时完美隔离低压燃气供应区域的目标。新开发的调压器电话控制系统通过电话网络向阀门发出关闭信号来关闭阀门，并具有防止错误信号、故障和黑客的安全机制。同时，基于SI值的阀门关闭机制仍然运行。因此，有两种方法来关闭调压器阀门：依靠SI值的独立的自动关闭系统，SUPREME遥控的关闭系统。这样当大地震发生时，不需要派遣技术人员到现场就可以关闭调压站阀门。
5 地震实时监控系统的应用
    中国台湾已经安装了SUPREME系统和新SI传感器。在1999年台湾大地震的时候，大台北燃气公司(The Great Taibei Gas Company)拥有31个新SI传感器与租用的电话线，因此地震加速度和SI值都被记录下来。SUPREME系统判定当时没有必要切断燃气供应，事实证明该系统的判断是正确的，燃气管网除了少数小事故外，没有受到损害。
   2002年3月，另一场大地震(又称为331大地震)袭击了台北市。新SI传感器再一次探测到台北市的地震波。这场地震比1999年地震更强。在社子区域调压站和园山区域调压站的SI值分别达到了23.0、10.8cm/s。在信义区域调压站，检测到的SI值为36.5cm/s，这个值超出了自动关闭的SI临界值。因此，阀门按设计要求被SUPREME关闭了。事实是在信义附近的低压管网有一些轻微的泄漏，这证明了SUPREME系统非常有用。
6 建议
    由于经济水平和防灾意识等原因，我国燃气管网防震防灾措施远没有达到日本同等规模时期水平，与现状东京燃气管道防震措施相差更远。随着经济水平的提高、城市规模的扩大、以人为本理念的加深，提高燃气管网安全性，采取应对地质灾害的必要措施，已受到广泛重视。目前国内许多城市的燃气管网应用了数据监控和采集系统(SCADA)[4]、地理信息系统(GIS)[5]、GSM、GPRS通信系统[6]，为建立燃气管网抗震系统奠定了坚实基础。将来可在现有技术和设施基础上，在区域调压站增添SI传感器等地震安全设备，形成地震实时监控系统。因此，在目前地球板块活跃期，建议我国重要大城市和地震多发地带上的城市借鉴地震多发地带国家和地区的防震系统和经验，为避免地震造成的燃气管道泄漏危害，安装地震实时监控系统，实现快速切断燃气供应，保证人民生命财产安全。
参考文献：
[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.埋地燃气钢管抗震计算与分析[J].煤气与热力，2010，30(5)：A36-A39.
[4] 石兰权.天然气输配管网调度自动化监控系统的应用[J].煤气与热力，2009，29(8)：B31-B34.
[5] 牟乃夏，杨亮洁，张灵先.燃气管网综合调度管理系统的研究[J].煤气与热力，2005，25(3)：20-23.
[6] 邵华.GPRS技术在燃气SCADA系统的应用[J].煤气与热力，2007，27(2)：33-37.
 
(本文作者：陈辉 中国石油规划总院 北京 100083)