城市燃?xì)夤芫W(wǎng)抗震系統(tǒng)和措施

摘 要

摘要：介紹了日本和中國臺灣的抗震技術(shù)和措施，建議中國重要城市和地震多發(fā)地帶城市建立地震實時監(jiān)控系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：燃?xì)夤芫W(wǎng)；抗震；地震實時監(jiān)控系統(tǒng)Earthquake-resistance System a
摘要：介紹了日本和中國臺灣的抗震技術(shù)和措施，建議中國重要城市和地震多發(fā)地帶城市建立地震實時監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤芫W(wǎng)；抗震；地震實時監(jiān)控系統(tǒng)
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?xì)夤芫W(wǎng)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(jīng)濟損失，同時也提醒我們在城市建設(shè)中應(yīng)該更加重視防震防災(zāi)措施。防震防災(zāi)不僅僅體現(xiàn)在房屋建設(shè)，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的防震防災(zāi)也十分重要。與其他的能源相比，燃?xì)飧菀资艿降卣鹞：?。由于燃?xì)庖兹家妆艿阑蚱渌O(shè)施損壞造成的泄漏有可能導(dǎo)致重大火災(zāi)、爆炸事故。以1995年日本神戶大地震為例，175起火災(zāi)中就有8起和燃?xì)庑孤┖凸收嫌嘘P(guān)[1]。美國加州地震安全委員會的研究表明，天然氣泄漏是導(dǎo)致地震火災(zāi)的主要原因，過去的地震火災(zāi)中大約有20%～50%與燃?xì)庑孤┯嘘P(guān)[2]。在我國，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)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(qū)，在過去數(shù)十年中，不僅對城市燃?xì)夤?yīng)在地震中的安全性進(jìn)行了研究，還采取了具體的抗震措施。
2 傳統(tǒng)的應(yīng)急措施及存在的問題
    在發(fā)生地震等災(zāi)害時，傳統(tǒng)的應(yīng)急措施是關(guān)閉氣源。1995年神戶大地震時，當(dāng)時關(guān)閉閥門85.9×104處，約15h后才全部關(guān)閉，而且后來恢復(fù)燃?xì)夤?yīng)又花費85d。為了避免這種延誤，人們更加意識到快速收集燃?xì)夤芫W(wǎng)信息的重要性。因此，為了減輕地震對燃?xì)夤芫W(wǎng)的破壞，神戶在地震后就開始努力開發(fā)建立實時安全監(jiān)控系統(tǒng)，以便快速收集信息和采取緊急措施[1]。
    在管網(wǎng)設(shè)計、施工、運行時，傳統(tǒng)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?xì)庠O(shè)備應(yīng)該在強地震時仍然可以不間斷地安全可靠地服務(wù)，這樣就需要在設(shè)計、材料、安裝、加固、維護(hù)等方面提高標(biāo)準(zhǔn)來達(dá)到抗震要求。這些主干管道中燃?xì)獾牧鲃颖?4h遠(yuǎn)程監(jiān)控著，在緊急情況下有關(guān)人員能夠通過無線遙控關(guān)閉閥門來停止燃?xì)夤?yīng)。為了進(jìn)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?xì)狻?/span>
    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(jù)實際經(jīng)驗指出，地震災(zāi)害發(fā)生時，往往因為建構(gòu)筑物的損壞首先殃及用戶側(cè)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(chǎn)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?qū)е碌蛪汗艿莱霈F(xiàn)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(jìn)了用戶的管道是用戶的財產(chǎn)，燃?xì)夤緹o法控制。
    因此，當(dāng)大地震發(fā)生時，低壓管道會產(chǎn)生泄漏問題。美國地震頻發(fā)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(yīng)當(dāng)熟悉他們所使用的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，并可以在緊急情況下采取相應(yīng)的措施提高天然氣使用的安全性。天然氣用戶應(yīng)該了解所承受的風(fēng)險，在深入理解投資和收益的關(guān)系的基礎(chǔ)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(fā)事件時切斷燃?xì)猓坏卣痱?qū)動閥，感應(yīng)到建筑物的振動大于設(shè)計水平時自動切斷燃?xì)猓涣髁肯拗崎y，感應(yīng)到燃?xì)饬髁砍^限定流量時自動切斷燃?xì)夤?yīng)；甲烷探測儀，探測到空氣中有天然氣則立即自動發(fā)出警報；混合系統(tǒng)，由多種模塊組成，包括主控裝置、振動感應(yīng)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(jìn)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(dāng)感應(yīng)到地震時，管網(wǎng)能自動停止供氣，這就需要一個實時安全監(jiān)測控制系統(tǒng)。
3 SIGNAL地震實時安全監(jiān)控系統(tǒng)
    早在20世紀(jì)80年代，日本東京燃?xì)夤揪烷_始重視實時安全監(jiān)控系統(tǒng)。為了實現(xiàn)低壓管道的安全功能，東京燃?xì)夤居?994年6月投入使用第一個實時安全監(jiān)控系統(tǒng)——SIGNAL系統(tǒng)。SIGNAL系統(tǒng)包括安裝在332個中-低壓調(diào)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(diào)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?xì)夤?yīng)地區(qū)，并通過電信頻道和總部控制中心相連。
    SI傳感器用來監(jiān)測地震強度。如果SI的值超過30cm/s，區(qū)域調(diào)壓器就會停止燃?xì)夤?yīng)。即使安裝SIGNAL地震實時安全監(jiān)控系統(tǒng)，傳統(tǒng)的管道安全措施(即中心控制系統(tǒng)通過無線遙控來關(guān)閉閥門停止燃?xì)夤?yīng))仍然起作用。傳統(tǒng)的燃?xì)夤?yīng)截止閥是一個微機操作的智能儀表，安裝在各個調(diào)壓站，如果檢測到地震加速度大于200cm/s2，也會自動停止燃?xì)夤?yīng)。SIGNAL地震實時安全監(jiān)控系統(tǒng)是在上述已有的安全設(shè)施基礎(chǔ)上建立的。
4 SUPREME超密集地震實時監(jiān)控系統(tǒng)
    1995年后，東京燃?xì)夤疽庾R到急需大幅度改善先前的安全系統(tǒng)，因而提出新的發(fā)展目標(biāo)如下：
    ① 通過區(qū)域調(diào)壓器自動停止低壓燃?xì)夤?yīng)的方法應(yīng)高度可靠。
    ② 當(dāng)緊急情況發(fā)生時，如果技術(shù)人員無法去現(xiàn)場進(jìn)行關(guān)閉操作，則關(guān)閉操作應(yīng)自動完成或者由總部控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控。
    ③ 大量的地震運動數(shù)據(jù)應(yīng)傳送到總部控制中心，以便總部控制中心作出更加準(zhǔn)確的決策。
    ④ 總部控制中心應(yīng)該綜合考慮3800個調(diào)壓站監(jiān)測到的地震運動和土壤液化開始的數(shù)據(jù)和周邊地質(zhì)情況，這能使最終的決策更合理。
    ⑤ 地理信息系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)據(jù)，以提高大地震應(yīng)急的專業(yè)性。
    為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，東京燃?xì)夤就瞥隽艘粋€新的安全系統(tǒng)——超密集地震實時監(jiān)控系統(tǒng)(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(shè)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(shù)據(jù)，以便讓總部控制中心進(jìn)行進(jìn)一步分析。
 
   新SI傳感器相對于以前的改進(jìn)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(zhì)量僅1.3kg。
   ② 加速度測定儀可以進(jìn)行溫度修正。
   ③ 監(jiān)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(jìn)行安裝。
   新推出的SUPREME系統(tǒng)使用了新的SI傳感器和遠(yuǎn)程控制設(shè)備，實現(xiàn)快速切斷燃?xì)夤?yīng)。它在大量的地點實時監(jiān)控地震的動向，分析數(shù)據(jù)，并評估燃?xì)夤艿赖膿p壞程度，以便決定是否應(yīng)該中斷燃?xì)夤?yīng)。
   系統(tǒng)能根據(jù)地震波數(shù)據(jù)實時檢測到土壤液化的開始，它能實時監(jiān)視和分析地面加速度的最大峰值(PGA)、加速度的歷史數(shù)據(jù)和SI值，并能探測到土壤液化跡象。
   SUPREME系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)以及燃?xì)忾y門的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，分布在東京的3800個區(qū)域調(diào)壓站，控制低壓管道的燃?xì)鈮毫??？偟姆?wù)區(qū)域有3100km2，平均1個監(jiān)測站負(fù)責(zé)0.9km2。還有20個土壤液化傳感器分布在20個重要的調(diào)壓站中，直接監(jiān)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(guān)閉燃?xì)忾y門決定的計算機之間的聯(lián)系通過兩個渠道：332個調(diào)壓站通過無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，其余的3468個調(diào)壓站通過普通的電話線聯(lián)系。雖然在地震時通過普通的電話線的可靠性不如無線網(wǎng)絡(luò)，但是具有非常高的性能價格比。為避免電話線路擁堵，燃?xì)夤緦ｉT從電話公司購買了優(yōu)先權(quán)。這樣，在地震發(fā)生初始的20min內(nèi)，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(yīng)速度，是由于開發(fā)了一個新的數(shù)據(jù)傳輸單元。
   東京的低壓管網(wǎng)分為101個區(qū)域，每1個區(qū)域的面積為30～40km2，包括30～50個區(qū)域調(diào)壓站。在緊急情況下，通過關(guān)閉所有的調(diào)壓器閥門就能完全切斷燃?xì)夤?yīng)。此外，每一個區(qū)域的燃?xì)夤?yīng)都會在SI值大于30cm/s時獨立地自動切斷。為了確?？煽啃裕恳粋€區(qū)域都至少有3個無線SI監(jiān)測站，將監(jiān)測到的SI值傳送到總部控制中心，總部控制中心據(jù)此決定什么時候切斷燃?xì)夤?yīng)。SI監(jiān)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(fù)燃?xì)夤?yīng)時要對停氣區(qū)域內(nèi)的所有用戶進(jìn)行檢查。
    以前的SIGNAL系統(tǒng)在每個低壓區(qū)域中放置1個SI傳感器，因此只能根據(jù)SI傳感器的信息關(guān)閉所在的調(diào)壓站的調(diào)壓器。由于每個低壓區(qū)域有30～50個調(diào)壓站，要想完全切斷燃?xì)夤?yīng)，必須將所有的調(diào)壓站中的調(diào)壓器都關(guān)閉。而地震時有些調(diào)壓站沒有震動得很厲害，使得它們的閥門繼續(xù)開著。另一個問題是人們不敢確定閥門自動關(guān)閉的可靠性，必須派技術(shù)人員到調(diào)壓站去確保閥門關(guān)閉。這樣當(dāng)大地震發(fā)生時要保證燃?xì)庀到y(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，必須進(jìn)行非常艱難的人工干預(yù)。
    而SUPREME系統(tǒng)則實現(xiàn)了當(dāng)大地震發(fā)生時完美隔離低壓燃?xì)夤?yīng)區(qū)域的目標(biāo)。新開發(fā)的調(diào)壓器電話控制系統(tǒng)通過電話網(wǎng)絡(luò)向閥門發(fā)出關(guān)閉信號來關(guān)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(guān)閉機制仍然運行。因此，有兩種方法來關(guān)閉調(diào)壓器閥門：依靠SI值的獨立的自動關(guān)閉系統(tǒng)，SUPREME遙控的關(guān)閉系統(tǒng)。這樣當(dāng)大地震發(fā)生時，不需要派遣技術(shù)人員到現(xiàn)場就可以關(guān)閉調(diào)壓站閥門。
5 地震實時監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用
    中國臺灣已經(jīng)安裝了SUPREME系統(tǒng)和新SI傳感器。在1999年臺灣大地震的時候，大臺北燃?xì)夤?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(tǒng)判定當(dāng)時沒有必要切斷燃?xì)夤?yīng)，事實證明該系統(tǒng)的判斷是正確的，燃?xì)夤芫W(wǎng)除了少數(shù)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(qū)域調(diào)壓站和園山區(qū)域調(diào)壓站的SI值分別達(dá)到了23.0、10.8cm/s。在信義區(qū)域調(diào)壓站，檢測到的SI值為36.5cm/s，這個值超出了自動關(guān)閉的SI臨界值。因此，閥門按設(shè)計要求被SUPREME關(guān)閉了。事實是在信義附近的低壓管網(wǎng)有一些輕微的泄漏，這證明了SUPREME系統(tǒng)非常有用。
6 建議
    由于經(jīng)濟水平和防災(zāi)意識等原因，我國燃?xì)夤芫W(wǎng)防震防災(zāi)措施遠(yuǎn)沒有達(dá)到日本同等規(guī)模時期水平，與現(xiàn)狀東京燃?xì)夤艿婪勒鸫胧┫嗖罡h(yuǎn)。隨著經(jīng)濟水平的提高、城市規(guī)模的擴大、以人為本理念的加深，提高燃?xì)夤芫W(wǎng)安全性，采取應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害的必要措施，已受到廣泛重視。目前國內(nèi)許多城市的燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)用了數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集系統(tǒng)(SCADA)[4]、地理信息系統(tǒng)(GIS)[5]、GSM、GPRS通信系統(tǒng)[6]，為建立燃?xì)夤芫W(wǎng)抗震系統(tǒng)奠定了堅實基礎(chǔ)。將來可在現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)施基礎(chǔ)上，在區(qū)域調(diào)壓站增添SI傳感器等地震安全設(shè)備，形成地震實時監(jiān)控系統(tǒng)。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(fā)地帶上的城市借鑒地震多發(fā)地帶國家和地區(qū)的防震系統(tǒng)和經(jīng)驗，為避免地震造成的燃?xì)夤艿佬孤┪：?，安裝地震實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)快速切斷燃?xì)夤?yīng)，保證人民生命財產(chǎn)安全。
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(本文作者：陳輝 中國石油規(guī)劃總院 北京 100083)