城市燃气管网的地震紧急处置系统研究＊

孟于飞,郭恩栋,刘红丽

(中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨 150080)

0 引言

较大规模的地震一般都会造成燃气管网的破坏,更可能导致火灾、爆炸等严重的次生灾害。例如1906年4月18日,美国旧金山发生8.3级地震,除了造成严重的建筑物破坏外,还因火炉倾倒引发了持续了三天三夜的大火,使10平方公里的市区化为灰烬;1923年9月1日日本关东8.3级地震,引发的严重火灾烧毁5万余栋房屋、烧死6万多人;1994年的美国北岭6.9级地震,造成天然气管道破裂,并引发多处爆炸和火灾;在1995年日本阪神大地震中,由于管道破坏造成煤气泄漏,也引发了几十起火灾[1]。1999年台湾集集7.6级地震中,台中市燃气管网系统被破坏近千处,停供用户超过10万。2008年中国汶川8.0级地震中,崇州、绵阳等城市燃气供应一度中断,多处燃气管道遭到破坏,成都市、宝鸡市也有部分用户燃气供应中断。都江堰市地下燃气管网破裂10余处,需重建的城市地下燃气管道约50 km、庭院燃气管道约100 km,燃气系统经济损失近6 700万元[2]。

为了减轻这类次生灾害,人们在提高工程结构抗震能力的同时,还探索出另一种减轻灾害的技术手段,即在重大基础设施和生命线工程中建立地震紧急处置系统。在发达国家一些城市和地区的燃气供应网络中,已经建立了多个地震紧急处置系统,有的已经经受了强烈地震的考验,取得了明显的减灾效果。如日本煤气公司在东京、大阪、横滨等地设立的燃气供应网络地震紧急处置系统,在1995年阪神大地震中表现良好,成功抑制了次生灾害的发生[1]。台湾大台北煤气公司也在1999年采用了日本产的新型谱烈度计,在不久后遭遇的集集大地震中尽管未触发应急控制,但仍记录到了完整的地震动波形[3]。而我国虽然是多地震国家,但至今在我国大陆仍未建立一个真正的地震应急响应、紧急处置系统。

1 地震紧急处置基本原理

地震紧急处置系统利用实时监测台网获取的地震动信息和地震破坏程度快速评估结果,经综合决策实施紧急处置措施,以达到减轻地震灾害的目的。燃气网络地震紧急处置系统的基本原理是,在管线各处布置测量地震动的装置,当地震动超过设定阈值时自动关闭煤气调节阀,并通过监控中心的震害快速评估进行综合决策,远程控制阀门关闭或放空等操作,即使管道遭到地震破坏,管道中也一般已无气体而不会发生泄漏,从而减小了次生火灾、爆炸灾害的可能性。

地震紧急处置系统包括地震信息获取、信息传输、综合决策和紧急处置等四个部分[1]。

地震信息获取:在工程场地(沿线),布设地震(强震动)观测台站,利用数字通信技术,实时获取工程场地(沿线)地面运动信息。由于地震纵波传播快于地震主运动横波,这样一旦获取地震纵波信息,可以抢在地震横波到达工程场地之前发布地震警报;或在工程场地周围,布设地震(强震动)观测台站,同样利用数字通信技术,实时获取周围地区地面运动信息;一旦工程场地周围区域发生地震,可以抢在地震波到达工程场地之前发布地震警报,以上两种方式均可为地震紧急处置赢得时间。

信息传输:采用专用通讯信道,实现地震台站、监控中心和紧急处置装置之间数据与指令传输。

综合决策:根据地面运动信息,快速判定地震参数和地震影响场,进行震害快速评估。在此基础上,结合工程运行状态信息进行紧急处置措施决策。

紧急处置:基于地震动信息和综合决策结果,根据工程性质的不同,可以采取不同的紧急处置措施,其中包括:①阈值自动处置:在控制开关内部安装测量震动强度的装置,当地震动大于设定阈值时自动采取关闭或其它处置措施。这种处置方式通常用于城市煤气管网的用户端。②外触发自动处置:利用谱烈度计或强震仪获取的地震动数据,当地震动超过设定阈值时自动采取关闭或其它措施。这种处置方式通常用于城市煤气管网的小区接入端和铁路列车动力电源控制。③远程指令处置:根据地震参数和地震动强度,经震害快速评估、智能判断,确定处置指令,实施远程操作。

2 SCADA系统及其应用于地震紧急处置的可行性

SCADA(supervisory control and data acquisition)即监视控制与数据采集系统,是以电子计算机为基础与先进的通信技术和功能智能化的远程终端装置组合而成的自动化控制系统。它能实现远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及信号报警等功能,其广泛应用于电力、水利、石油、化工、环保及市政等领域。我国于二十世纪80年代开始引进和开发SCADA系统,使之服务于燃气输配调度管理,并且得到了迅速发展,为城市燃气行业的管理起到了积极的作用[4-5]。由于其先进的功能,SCADA系统可以在燃气管网的地震紧急处置中发挥作用。

2.1 SCADA系统的功能与组成

SCADA系统的主要功能是在控制中心集中地与各被控站进行顺序通信,实时采集现场数据,对工艺流程进行全面、实时监视,并为生产、调度和管理提供必要的数据。SCADA系统通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据,对数据进行必要的加工后,一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上;另一方面按照要求和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备,对执行机构实施控制或调整控制参数。

SCADA系统主要的组成部分有:无人值守单元RTU、有人值守监控站、调度中心站、通信网络[4]。无人值守RTU的作用是进行本地数据采集发送,完成本地控制,接受并完成远程控制;有人值守监控站进行数据采集、监视及管理,完成本地控制,下达远程控制指令及完成远程控制;调度中心站实时采集下级站的运行参数,从而进行负荷分析、优化调度、状态评估、故障预报与分析、计量管理、向下级站下达遥控指令,并完成工况图、统计曲线报表等管理功能;通信网络负责上级站和下级站之间的数据及指令传输。

2.2 SCADA系统与燃气管网地震紧急处置系统的结合

由于SCADA系统的强大功能,可以考虑利用这个现有的系统,在其基础上添加地震紧急处置功能,将其在日常管理调度方面的应用与地震紧急处置技术相结合,形成城市燃气管网的地震紧急处置及监测系统,既能在平时完成日常调度管理工作,当地震来临时又可以有效进行紧急处置减轻灾害。

图1显示了了地震应急响应系统的工作流程、该系统模块之间的数据流向及相互关系。其中有斜线箭头的表示信息的分发与发布[7]。

而SCADA系统的结构与地震应急响应系统的原理是相似的,两个系统均是将现场采集来的信息发送给控制中心,经过控制中心分析判断后,给现场发送相应的控制指令。由此可见,在现有SCADA系统的基础上加入地震信息处理模块开发地震紧急处置系统是可行的。

图1 地震应急响应系统的工作流程

2.2.1 实现的途径

可以在管网各处现场布设强震仪或烈度计,作为烈度、强震观测信息来源,其运行可由无人值守RTU或有人值守监控站管理。地震信号及指令的传输可以使用SCADA系统原有的通信网络,将SCADA系统原有的信号和地震紧急处置系统的信号通过不同的数据传输通道,以同样的方式在上下级站之间进行传送,两者之间不会产生冲突。在调度中心站的主控程序中,通过第三方程序接口加入地震信息处理程序,按照SCADA系统原有的I/O寻址方式,寻找地震信息I/O模块,按照SCADA系统原有的梯级递增的方向逐个梯级扫描执行主控程序[6]。

2.2.2 工作流程

基于SCADA系统的燃气管网地震紧急处置系统的工作流程如下:当地震来临时,由于P波传播速度快于更具破坏性的S波,各远程终端装置在侦测到P波到达后,立即将讯息发送至控制中心,控制中心通过震害快速评估,大致估计地震的震级和方位等参数,并综合考虑各远程终端处管线的重要性及抗震性能,进行智能判断,确定各处的供气阀门是否关闭,并将指令发送至远程终端执行,在S波到来前完成紧急处置,以保证安全,且不影响重要管线的正常输送[3,9]。同时在管网用户端、小区接入端用阈值或外触发形式的自动处置装置,如果震源过近,无法获得足够反应时间进行远程控制,则当地震动大于装置设定阈值时,可自动进行本地控制[8]。

综上所述,SCADA系统与地震紧急处置系统具有较好的兼容性。在不妨碍SCADA系统原有的使用功能基础上,加入地震监测模块和震害快速评估模块,可以对城市燃气管网进行震害快速评估,必要时发布指令启动应急控制装置,实现燃气供应设施地震监测及紧急处置,控制次生灾害的发生,保障人民群众的生命和财产安全。

3 基于ArcGIS的燃气管网紧急处置系统模拟

为了进一步展示燃气管网紧急处置的实用性,在地理软件ArcGIS Desktop上,通过VBA二次开发编程初步模拟了燃气管网紧急处置系统的一些功能[10],如图2所示,并分析了这些功能在实际燃气系统中的实现方式。

图2 模拟程序界面

3.1 管网数据的建立

采用ArcGIS 9.3的Geodatabase数据模型建立管网的数据。在ArcCatalog分别建立管线、节点、阀门、气源和用气点等要素类(Feature Class),每个要素类中建立若干字段用以存储要素的各类信息,例如对管线,有直径、壁厚、埋深、材料、破坏状态等多个字段,以及一些用于中间计算的字段。网络结构采用效用网络(Utility Network)模型,这是一种适用于模拟水电管网的网络模型。在ArcMap中将这些要素类用不同图层来表示。使用ArcMap中的编辑器绘制管网图形,并设置各要素的字段值。

3.2 管线的震害率信息、地震参数的输入

在管线、节点的要素类中,指定了若干字段用来存储每段管线在各种地震烈度下的损坏概率。此值可由管线的材料、管径、埋深、接头类型、是否严重锈蚀等数据来确定[11]。用一个宏命令来批量计算并写入要素类中。此程序中还可以对计算所用的各种参数进行编辑。

在模拟地震的时候需要输入地震的各种参数,如震中方位、距离、震源深度、震级大小,以及本地的场地条件等。还有一些可以指定的参数如P波、S波波速,和一些其他选项。由此可以估算出本地的地震烈度,以及地震波到达的时间等。程序目前只模拟点源。

3.3 地震紧急处置的模拟过程

由于紧急处置时时间紧迫,因此应采取一些方案简化系统的计算工作,避免进行复杂的网络计算。例如对各种地震烈度情况下预先提供一种处置方案,能让在此烈度下容易损坏的管段区域进行隔离,尽可能影响最少的区域。

模拟开始后,由于震中一般不在本地,地震发生开始数秒到数十秒间无地震影响,管线显示为绿色。随后传播速度较快但破坏力小的P波到达,P波经过的管线变为黄色。当管网首次感受到P波影响时,进入预警状态,即启动预先设定的处置方案,对某些阀门进行自动关闭。为了模拟管网预先接收到外部台网的警报的情况,还可以设置管网收到外部预警信息的时间,这样在P波到达管网之前就能启动预定处置方案。接下来传播速度较慢但破坏力强的S波到达,S波经过的管线变为橙色,管线此时有受到损坏的可能,对S波经过的管段,根据其震害率决定其是否受到破坏。破坏的管段用红色显示,同时寻找与此管段直接相邻的阀门,若此时未被关闭,则进行关闭,以确保破坏区域隔离。当S波传播离开管网所在区域后,过程结束。

3.4 GIS系统在实际燃气管网的地震紧急处置中的应用

在实际的城市燃气管网系统中,GIS系统已经保存有燃气管网的地理分布、材料特性、工作状态等详细数据,只需再加入地震紧急处置相关的数据存储和图层显示。在地图上增加表示管网现场地震传感器位置的图层,从SCADA系统的控制中心实时获取各传感器的数据,并实时更新地图界面上的显示。地震到来后,SCADA系统接收到的地震信息及控制中心经计算作出的处置方案将实时在地图界面上显示出来,供工作人员查看,工作人员也可在地图上进行实时操作,对控制中心的处置进行人为调整。

4 结语

本文主要探讨了城市燃气管网的紧急处置系统的实现方法,以及SCADA系统和GIS系统应用于地震紧急处置的可行性,并编制了模拟程序,得出的结论有:基于SCADA的城市燃气管网地震紧急处置系统可以体现地震应急工作的紧急性、集中性、需要快速反应和高层决策的特点;可以通过监测得到的地震信息,启动预防措施,也可以在燃气管网遭受地震袭击之后进行快速震害评估,必要时启动紧急处置措施。而GIS系统在地震紧急处置系统中可用于直观的显示震情及紧急处置的过程,便于工作人员进行监控和决策。基于SCADA系统平台研发城市燃气管网地震紧急处置系统是可行的,两者具有较好的兼容性。

[1] 郭恩栋,李山有,赵振东,等.燃气供应网络地震紧急处置系统初探[J].世界地震工程,2005,21(2):44-47.

[2] 周伟国,张中秀,孔令令.城市燃气管网的震害分析及减灾对策[J].土木建筑与环境工程,2009,31(4):71-75.

[3] 李山有,金星,马强,等.地震预警系统与智能应急控制系统研究[J].世界地震工程,2004,20(4):21-26.

[4] 曾力,张广煜,应佐萍,等.SCADA系统在城市燃气供应中的应用[J].煤气与热力,2002,22(3):264-265.

[5] 李兴泉.燃气SCADA系统的应用分析[C]//山东土木建筑学会燃气专业委员会2008年年会论文集.2008.

[6] 刘红丽.长输油气管线工程抗震综合研究[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2004.

[7] 成小平,帅向华.地震应急响应系统中的数据分发[J].地震,2001,21(4):88-93.

[8] 高杰,冯启民,吴允涛,等.地震应急响应系统研究[J].自然灾害学报,2007,16(6):180-186.

[9] 周彦文,刘希强,胡旭辉,等.早期地震预警方法研究现状及展望[J].国际地震动态,2008(5):28-34.

[10]Kang-tsung Chang.基于VBA的Arc Objects编程:面向任务的方法[M].北京:科学出版社.

[11]金康锡,任爱珠.煤气管道的震害率分析[J].自然灾害学报,2007,16(3):148-153.