城市燃氣管網的地震緊急處置系統研究＊

孟于飛,郭恩棟,劉紅麗

(中國地震局工程力學研究所,黑龍江哈爾濱 150080)

0 引言

較大規模的地震一般都會造成燃氣管網的破壞,更可能導致火災、爆炸等嚴重的次生災害。例如1906年4月18日,美國舊金山發生8.3級地震,除了造成嚴重的建筑物破壞外,還因火爐傾倒引發了持續了三天三夜的大火,使10平方公里的市區化為灰燼;1923年9月1日日本關東8.3級地震,引發的嚴重火災燒毀5萬余棟房屋、燒死6萬多人;1994年的美國北嶺6.9級地震,造成天然氣管道破裂,并引發多處爆炸和火災;在1995年日本阪神大地震中,由于管道破壞造成煤氣泄漏,也引發了幾十起火災[1]。1999年臺灣集集7.6級地震中,臺中市燃氣管網系統被破壞近千處,停供用戶超過10萬。2008年中國汶川8.0級地震中,崇州、綿陽等城市燃氣供應一度中斷,多處燃氣管道遭到破壞,成都市、寶雞市也有部分用戶燃氣供應中斷。都江堰市地下燃氣管網破裂10余處,需重建的城市地下燃氣管道約50 km、庭院燃氣管道約100 km,燃氣系統經濟損失近6 700萬元[2]。

為了減輕這類次生災害,人們在提高工程結構抗震能力的同時,還探索出另一種減輕災害的技術手段,即在重大基礎設施和生命線工程中建立地震緊急處置系統。在發達國家一些城市和地區的燃氣供應網絡中,已經建立了多個地震緊急處置系統,有的已經經受了強烈地震的考驗,取得了明顯的減災效果。如日本煤氣公司在東京、大阪、橫濱等地設立的燃氣供應網絡地震緊急處置系統,在1995年阪神大地震中表現良好,成功抑制了次生災害的發生[1]。臺灣大臺北煤氣公司也在1999年采用了日本產的新型譜烈度計,在不久后遭遇的集集大地震中盡管未觸發應急控制,但仍記錄到了完整的地震動波形[3]。而我國雖然是多地震國家,但至今在我國大陸仍未建立一個真正的地震應急響應、緊急處置系統。

1 地震緊急處置基本原理

地震緊急處置系統利用實時監測臺網獲取的地震動信息和地震破壞程度快速評估結果,經綜合決策實施緊急處置措施,以達到減輕地震災害的目的。燃氣網絡地震緊急處置系統的基本原理是,在管線各處布置測量地震動的裝置,當地震動超過設定閾值時自動關閉煤氣調節閥,并通過監控中心的震害快速評估進行綜合決策,遠程控制閥門關閉或放空等操作,即使管道遭到地震破壞,管道中也一般已無氣體而不會發生泄漏,從而減小了次生火災、爆炸災害的可能性。

地震緊急處置系統包括地震信息獲取、信息傳輸、綜合決策和緊急處置等四個部分[1]。

地震信息獲取:在工程場地(沿線),布設地震(強震動)觀測臺站,利用數字通信技術,實時獲取工程場地(沿線)地面運動信息。由于地震縱波傳播快于地震主運動橫波,這樣一旦獲取地震縱波信息,可以搶在地震橫波到達工程場地之前發布地震警報;或在工程場地周圍,布設地震(強震動)觀測臺站,同樣利用數字通信技術,實時獲取周圍地區地面運動信息;一旦工程場地周圍區域發生地震,可以搶在地震波到達工程場地之前發布地震警報,以上兩種方式均可為地震緊急處置贏得時間。

信息傳輸:采用專用通訊信道,實現地震臺站、監控中心和緊急處置裝置之間數據與指令傳輸。

綜合決策:根據地面運動信息,快速判定地震參數和地震影響場,進行震害快速評估。在此基礎上,結合工程運行狀態信息進行緊急處置措施決策。

緊急處置:基于地震動信息和綜合決策結果,根據工程性質的不同,可以采取不同的緊急處置措施,其中包括:①閾值自動處置:在控制開關內部安裝測量震動強度的裝置,當地震動大于設定閾值時自動采取關閉或其它處置措施。這種處置方式通常用于城市煤氣管網的用戶端。②外觸發自動處置:利用譜烈度計或強震儀獲取的地震動數據,當地震動超過設定閾值時自動采取關閉或其它措施。這種處置方式通常用于城市煤氣管網的小區接入端和鐵路列車動力電源控制。③遠程指令處置:根據地震參數和地震動強度,經震害快速評估、智能判斷,確定處置指令,實施遠程操作。

2 SCADA系統及其應用于地震緊急處置的可行性

SCADA(supervisory control and data acquisition)即監視控制與數據采集系統,是以電子計算機為基礎與先進的通信技術和功能智能化的遠程終端裝置組合而成的自動化控制系統。它能實現遠程數據采集、設備控制、測量、參數調節以及信號報警等功能,其廣泛應用于電力、水利、石油、化工、環保及市政等領域。我國于二十世紀80年代開始引進和開發SCADA系統,使之服務于燃氣輸配調度管理,并且得到了迅速發展,為城市燃氣行業的管理起到了積極的作用[4-5]。由于其先進的功能,SCADA系統可以在燃氣管網的地震緊急處置中發揮作用。

2.1 SCADA系統的功能與組成

SCADA系統的主要功能是在控制中心集中地與各被控站進行順序通信,實時采集現場數據,對工藝流程進行全面、實時監視,并為生產、調度和管理提供必要的數據。SCADA系統通過I/O驅動程序從現場I/O設備獲得實時數據,對數據進行必要的加工后,一方面以圖形方式直觀地顯示在計算機屏幕上;另一方面按照要求和操作人員的指令將控制數據送給I/O設備,對執行機構實施控制或調整控制參數。

SCADA系統主要的組成部分有:無人值守單元RTU、有人值守監控站、調度中心站、通信網絡[4]。無人值守RTU的作用是進行本地數據采集發送,完成本地控制,接受并完成遠程控制;有人值守監控站進行數據采集、監視及管理,完成本地控制,下達遠程控制指令及完成遠程控制;調度中心站實時采集下級站的運行參數,從而進行負荷分析、優化調度、狀態評估、故障預報與分析、計量管理、向下級站下達遙控指令,并完成工況圖、統計曲線報表等管理功能;通信網絡負責上級站和下級站之間的數據及指令傳輸。

2.2 SCADA系統與燃氣管網地震緊急處置系統的結合

由于SCADA系統的強大功能,可以考慮利用這個現有的系統,在其基礎上添加地震緊急處置功能,將其在日常管理調度方面的應用與地震緊急處置技術相結合,形成城市燃氣管網的地震緊急處置及監測系統,既能在平時完成日常調度管理工作,當地震來臨時又可以有效進行緊急處置減輕災害。

圖1顯示了了地震應急響應系統的工作流程、該系統模塊之間的數據流向及相互關系。其中有斜線箭頭的表示信息的分發與發布[7]。

而SCADA系統的結構與地震應急響應系統的原理是相似的,兩個系統均是將現場采集來的信息發送給控制中心,經過控制中心分析判斷后,給現場發送相應的控制指令。由此可見,在現有SCADA系統的基礎上加入地震信息處理模塊開發地震緊急處置系統是可行的。

圖1 地震應急響應系統的工作流程

2.2.1 實現的途徑

可以在管網各處現場布設強震儀或烈度計,作為烈度、強震觀測信息來源,其運行可由無人值守RTU或有人值守監控站管理。地震信號及指令的傳輸可以使用SCADA系統原有的通信網絡,將SCADA系統原有的信號和地震緊急處置系統的信號通過不同的數據傳輸通道,以同樣的方式在上下級站之間進行傳送,兩者之間不會產生沖突。在調度中心站的主控程序中,通過第三方程序接口加入地震信息處理程序,按照SCADA系統原有的I/O尋址方式,尋找地震信息I/O模塊,按照SCADA系統原有的梯級遞增的方向逐個梯級掃描執行主控程序[6]。

2.2.2 工作流程

基于SCADA系統的燃氣管網地震緊急處置系統的工作流程如下:當地震來臨時,由于P波傳播速度快于更具破壞性的S波,各遠程終端裝置在偵測到P波到達后,立即將訊息發送至控制中心,控制中心通過震害快速評估,大致估計地震的震級和方位等參數,并綜合考慮各遠程終端處管線的重要性及抗震性能,進行智能判斷,確定各處的供氣閥門是否關閉,并將指令發送至遠程終端執行,在S波到來前完成緊急處置,以保證安全,且不影響重要管線的正常輸送[3,9]。同時在管網用戶端、小區接入端用閾值或外觸發形式的自動處置裝置,如果震源過近,無法獲得足夠反應時間進行遠程控制,則當地震動大于裝置設定閾值時,可自動進行本地控制[8]。

綜上所述,SCADA系統與地震緊急處置系統具有較好的兼容性。在不妨礙SCADA系統原有的使用功能基礎上,加入地震監測模塊和震害快速評估模塊,可以對城市燃氣管網進行震害快速評估,必要時發布指令啟動應急控制裝置,實現燃氣供應設施地震監測及緊急處置,控制次生災害的發生,保障人民群眾的生命和財產安全。

3 基于ArcGIS的燃氣管網緊急處置系統模擬

為了進一步展示燃氣管網緊急處置的實用性,在地理軟件ArcGIS Desktop上,通過VBA二次開發編程初步模擬了燃氣管網緊急處置系統的一些功能[10],如圖2所示,并分析了這些功能在實際燃氣系統中的實現方式。

圖2 模擬程序界面

3.1 管網數據的建立

采用ArcGIS 9.3的Geodatabase數據模型建立管網的數據。在ArcCatalog分別建立管線、節點、閥門、氣源和用氣點等要素類(Feature Class),每個要素類中建立若干字段用以存儲要素的各類信息,例如對管線,有直徑、壁厚、埋深、材料、破壞狀態等多個字段,以及一些用于中間計算的字段。網絡結構采用效用網絡(Utility Network)模型,這是一種適用于模擬水電管網的網絡模型。在ArcMap中將這些要素類用不同圖層來表示。使用ArcMap中的編輯器繪制管網圖形,并設置各要素的字段值。

3.2 管線的震害率信息、地震參數的輸入

在管線、節點的要素類中,指定了若干字段用來存儲每段管線在各種地震烈度下的損壞概率。此值可由管線的材料、管徑、埋深、接頭類型、是否嚴重銹蝕等數據來確定[11]。用一個宏命令來批量計算并寫入要素類中。此程序中還可以對計算所用的各種參數進行編輯。

在模擬地震的時候需要輸入地震的各種參數,如震中方位、距離、震源深度、震級大小,以及本地的場地條件等。還有一些可以指定的參數如P波、S波波速,和一些其他選項。由此可以估算出本地的地震烈度,以及地震波到達的時間等。程序目前只模擬點源。

3.3 地震緊急處置的模擬過程

由于緊急處置時時間緊迫,因此應采取一些方案簡化系統的計算工作,避免進行復雜的網絡計算。例如對各種地震烈度情況下預先提供一種處置方案,能讓在此烈度下容易損壞的管段區域進行隔離,盡可能影響最少的區域。

模擬開始后,由于震中一般不在本地,地震發生開始數秒到數十秒間無地震影響,管線顯示為綠色。隨后傳播速度較快但破壞力小的P波到達,P波經過的管線變為黃色。當管網首次感受到P波影響時,進入預警狀態,即啟動預先設定的處置方案,對某些閥門進行自動關閉。為了模擬管網預先接收到外部臺網的警報的情況,還可以設置管網收到外部預警信息的時間,這樣在P波到達管網之前就能啟動預定處置方案。接下來傳播速度較慢但破壞力強的S波到達,S波經過的管線變為橙色,管線此時有受到損壞的可能,對S波經過的管段,根據其震害率決定其是否受到破壞。破壞的管段用紅色顯示,同時尋找與此管段直接相鄰的閥門,若此時未被關閉,則進行關閉,以確保破壞區域隔離。當S波傳播離開管網所在區域后,過程結束。

3.4 GIS系統在實際燃氣管網的地震緊急處置中的應用

在實際的城市燃氣管網系統中,GIS系統已經保存有燃氣管網的地理分布、材料特性、工作狀態等詳細數據,只需再加入地震緊急處置相關的數據存儲和圖層顯示。在地圖上增加表示管網現場地震傳感器位置的圖層,從SCADA系統的控制中心實時獲取各傳感器的數據,并實時更新地圖界面上的顯示。地震到來后,SCADA系統接收到的地震信息及控制中心經計算作出的處置方案將實時在地圖界面上顯示出來,供工作人員查看,工作人員也可在地圖上進行實時操作,對控制中心的處置進行人為調整。

4 結語

本文主要探討了城市燃氣管網的緊急處置系統的實現方法,以及SCADA系統和GIS系統應用于地震緊急處置的可行性,并編制了模擬程序,得出的結論有:基于SCADA的城市燃氣管網地震緊急處置系統可以體現地震應急工作的緊急性、集中性、需要快速反應和高層決策的特點;可以通過監測得到的地震信息,啟動預防措施,也可以在燃氣管網遭受地震襲擊之后進行快速震害評估,必要時啟動緊急處置措施。而GIS系統在地震緊急處置系統中可用于直觀的顯示震情及緊急處置的過程,便于工作人員進行監控和決策。基于SCADA系統平臺研發城市燃氣管網地震緊急處置系統是可行的,兩者具有較好的兼容性。

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