بخشی از مقاله
چکیده
سامانههای پاسخ سریع بعنوان ابزاری جهت کاهش ریسک زلزله از طریق کاهش معرضیت و خطرپذیری زلزله، کارآیی خود را در هنگام زلزلههای مختلف به اثبات رسانیده است. در استفاده از این سامانهها، سنسورهای ثبت کننده و سامانه انتقال اطلاعات بعنوان اصلیترین مولفههای پاسخ سریع از اهمیت بالایی برخوردار هستند. تفاوت اصلی سنسورهای پاسخ سریع با سنسورهای شتاب مرسوم، قابلیت تجزیه و تحلیل اطلاعات در داخل سنسور، ارسال اطلاعات پردازش شده در حجم بسیار کم در کلیه زیرساختهای مخابراتی مطمئن جهت انجام تصمیم سازی و اتخاذ تدابیر پیشگیرانه میباشد.
ارسال اطلاعات پردازش شده قابلیت اطمینان سامانه مخابراتی سامانه پاسخ سریع را افزایش خواهد داد . در این مقاله، مراحل طراحی سامانه پاسخ سریع قطع جریان گاز ایستگاههای تقلیل فشار گاز شهری ارائه گردیده است. به منظور دریافت سطح شتاب در هر ایستگاه، سنسورهای شتابنگاری IIEES-HAT مطابق نیازهای لازم اصلاح گردیده است. همچنین سامانه مکانیکی لازم جهت قطع جریان گاز بدون نیاز به تغییر جدی در ایستگاههای مورد استفاده قابلیت قطع جریان گاز را دارا خواهند بود.
مقدمه
بر اساس مطالعات انجام شده توسط متخصصان ایرانی، خطوط گاز شهری از عوامل بروز حادثه در سوانح طبیعی نظیر زلزله بوده و قطع به هنگام جریان گاز در زمان وقوع زلزله میتواند خطرات احتمالی مترتبه را کاهش دهد. وجود شبکه توزیع بسیار گسترده در شهرهای بزرگ همچون شهر تهران که دارای حجم وسیع گاز میباشد، در هنگام وقوع زمینلرزه یکی از منابع اصلی ایجاد خطر خواهد بود. وقوع انفجارهای پس از زمینلرزه و آتشسوزی ناشی از آن یکی از اثرات ثانویه مهم در زمان وقوع زمینلرزههای بزرگ میباشد.
به منظور افزایش ضریب ایمنی سامانه توزیع گاز در شهرهای بزرگ، اقدامات مورد نیاز را میتوان به دو دسته اقدامات پیشگیرانه قبل از وقوع زلزله و اقدامات اضطراری هنگام وقوع زلزله تقسیم بندی نمود. مهمترین اصل در انجام اقدامات قبل از وقوع زمینلرزه، مقاوم سازی خطوط انتقال و توزیع و همچنین ایستگاههای تقلیل فشار گاز میباشد. هدف از این مقاومسازی، به حداقل رساندن احتمال شکست لولهها یا تخریب تاسیسات و ایستگاههای تقلیل فشار است. با انجام این عملیات میتوان از سلامت سامانه انتقال و توزیع جریان گاز در هنگام زمینلرزه اطمینان حاصل نمود.
مهمترین اقدام اضطراری در زمان وقوع زمینلرزه، قطع جریان گاز و تخلیه گاز از لولههای انتقال و توزیع گاز میباشد. قطع جریان گاز باعث قطع تغذیه سامانه توزیع گاز گردیده و احتمال ایجاد خطر را به شدت کاهش میدهد. تخلیله لولههای گاز نیز باعث تخلیه گاز محبوس در لولههای توزیع گشته و احتمال آسیبهای احتمالی در زمان وقوع زمیلرزه و پس از آنرا کاهش میدهد . جهت قطع جریان گاز هنگام زمینلرزه لازم است سیستم هوشمندی طراحی و راهاندازی شود که به طور خودکار وقوع زلزله را تشخیص دهد و اقدام به قطع خودکار جریان گاز پیش از رسیدن جنبش نیرومند زمین کند.
وجود سنسورهای شتابنگاری که قابلیت برنامهریزی، ارتقا و کالیبراسیون آن در داخل کشور موجود باشد از نیازهای اولیه طراحی و ساخت سامانههای پاسخ سریع اعلام و قطع جریان گاز میباشد. وجود سامانه هشدار و پاسخ سریع اعلام و قطع جریان گاز نیز باعث کاهش خطرپذیری در شهرهای بزرگ از جمله شهر تهران در برابر وقوع زمینلرزههای آتی خواهد گردید. در مقاله حاضر، بصورت اجمالی سامانه طراحی شده برای قطع جریان گاز در ایستگاه های تقلیل فشار گاز استان تهران ارائه گردیده است. در این ایستگاهها، فشار گاز از 250 psi به 60 psi کاهش پیدا میکند. تعداد این ایستگاهها در استان تهران بیش از 1000 ایستگاه میباشد و ایجاد سامانه قطع خودکار جریان گاز نقش بسزایی در کاهش خطرپذیری شهر تهران در برابر زمینلرزه خواهد داشت.
اهداف ایجاد سامانه هوشمند قطع جریان گاز در هنگام زمینلرزه سیستم هشدار سریع زلزله، سیستم اطلاع رسانی زلزله است که می تواند با تشخیص لرزههای غیر مخرب اولیه زلزله - امواج - P وقوع زلزله را هشدار دهد . این مهم با تشخیص سریع انرژی حاصل از گسیختگی گسل و تخمین شدت حرکت زمین در لحظات بعدی محقق میشود. زمان هشدار چیزی بین چند ثانیه تا کمی بیشتر از یک دقیقه است، این زمان تابعی از فاصله کاربر با کانون زلزله است. مولفههای اصلی سامانه هشدار سریع شامل سنسورهای شتابنگاری، سامانه انتقال اطلاعات و سامانه پردازش و تصمیمسازی میباشد. در سامانه های قطع جریان گاز هنگام زمینلرزه، کمتر از سامانههای هشدار سریع استفاده میگردد.
علت این امر، هزینه بسیاز زیاد قطع جریان گاز در هنگام هشدار نادرست است. توضیح مطلب آنکه سامانههای هشدار سریع بر اساس تخمین وقوع زمینلرزه در ثانیههای پیش رو میکنند. یکی از چالشهای مهم این سامانهها، اعلام هشدار نادرست است . از این رو یکی از موضوعات تحقیقاتی مهم در عرصه ایجاد سامانههای هشدار سریع، کاهش احتمال صدور هشدار نادرست است. در سامانه های گازرسانی شهری، قطع نادرست جریان گاز منجر به ایجاد خسارات زیادی میگردد. از این رو، لازم است از وقوع زمینلرزه اطمینان حاصل گردد. . KOGANEMARU et al - 2000 - یکی از راههای اطمینان از وقوع زمینلرزه، دریافت موج اصلی زمینلرزه و اقدام به قطع جریان گاز بر اساس معیارهای قطع میباشد.
از این رو لازم است تا سنسورهای شتابنگاری در ایستگاههای تقلیل فشار گاز نصب گردیده و با تجزیه و تحلیل سیگنالهای شتاب و پس از فرارفت پارامترهای مشخص جنبش نیرومند زمین از حدود تعریف شده، فرمان قطع جریان گاز صادر گردد. از این رو، وجود سنسورهای شتبانگاری، سامانه کنترلی و تجزیه و تحلیل اطلاعات و سامانه مکانیکی قطع جریان گاز از مولفههای اصلی سامانه قطع جریان گاز در ایستگاههای تقلیل فشار گاز شهری میباشند.
پژوهشگاه بینالمللی زلزلهشناسی و مهندسی زلزله به منظور پاسخ به نیازهای فنی کشور اقدام به طراحی و ساخت سنسورهای شتابنگاری نموده است. این سنسورها به منظور استفاده در سامانه اعلام و قطع خودکار جریان گاز در ایستگاههای تقلیل فشار شهری اصلاح گردیده است. از ویژگیهای اصلی این سنسورها، امکان پردازش داده های زلزله در داخل سنسور و ارسال نتایج پردازش اولیه با حجم بسیار کم به سامانه پردازش مرکزی و یا اتخاد تصمیم عملیاتی لازم در داخل سنسور به منظور فرمان به شیرهای قطع جریان گاز میباشد. تطابق با شبکههای مخابراتی زیرساخت و همچین سامانههای تلهمتری و مخابراتی موجود از دیگر قابلیتهای این سنسورها میباشد. قابلیت ساخت این سنسورها در داخل کشور علاوه بر توسعه دانش فنی و ایجاد قابلیت ارتقای آنها، صرفهجویی اقتصادی چشمگیری نیز به ارمغان آورده است.
به منظور قطع جریان گاز، هدف اصلی در طراحی سامانه مکانیکی قطع جریان گاز، عدم جایگزینی شیرهای مکانیکی موجود در ایستگاههای مختلف با شیرهای الکتریکی یا اکچواتورهای موتوری است. علت این امر آن است که تعویض شیرهای موجود در ایستگاههای تقلیل فشار دارای هزینه بسیار زیادی میباشد. از سوی دیگر، شیرهای مکانیکی موجود طی سالیان طولانی در سامانه توزیع گاز کشور مورد استفاده قرار گرفته است و تعویض آنها باعث ایجاد مشکلات بهرهبرداری نیز میگردد. این شیرها بطور معمول با افزایش فشار در خروجی شیر عمل کرده و اقدام به قطع جریان گاز میکند. از این رو سعی میگردد تا با ایجاد تغییری جزئی در سامانه کنترلی شیرهای موجود، امکان قطع جریان گاز در زمان وقوع زلزله ایجاد گردد.
سنسورهای شتابنگاری قطع جریان گاز هنگام زمینلرزه
سنسورهای شتابنگاری مورد استفاده جهت قطع جریان گاز باید خصوصیات خاصی داشته باشند که آنها را از سنسورهای شتابنگاری معمول متمایز میکند. SHIMIZU et al - 2004 - در طراحی سنسورهای شتابنگاری جهت قطع جریان گاز در سامانه توزیع گاز شهر توکیوی ژاپن، موارد زیر را بعنوان خصوصیات این سنسورها ذکر کردهاند:
· سنسورهای باید فشرده باشند به این معنی که سنسورهای شتابنگاری، واحد پردازش و حافظه مورد نیاز همگی در یک واحد کوچک قرار داشته باشند. این خصوصیت با استفاده از سنسورهای MEMS قابل دستیابی میباشد.
· سنسورها مورد استفاده باید دارای قیمت پایینی باشند. با توجه به تعداد بسیار زیاد سنسورهای مورد نیاز جهت ایستگاههای تقلیل فشار گاز، هزینه پایین سنسورهای قطع جریان گاز جزو خصوصیات اصلی این سنسورها است.
· قابلیت محاسبه شدت طیفی - SI - در داخل سنسور با دقت کافی
· قابلیت ارائه گزارش از صحت عملکرد سنسور
· امکان ارسال فرمان قطع جریان گاز به شیرهای کنترلی ایستگاه بر اساس معیار شدت طیفی و حداکثر شتاب زمین - PGA -
· امکان ذخیره شکل موج حرکت زمین به مدت کافی
معیارهای ارائه شده در بالا همچنین معیار طراحی و اصلاح سنسورهای ساخت پژوهشگاه زلزله بوده است. در ادبیات فنی رایج در ساخت سنسورهای شتابنگاری روشهای متفاوتی برای کمی کردن شتابهای ناشی از ارتعاشات اعمالی ارائه شده است. از جمله این روشها میتوان به سنسورهای پاندولی، تعادل نیرویی - FBA - ، پیزوالکتریک و خازنی اشاره نمود . در این میان به دلیل هزینه پایین، ابعاد کوچک و قابلیت اعتماد بالای شتابنگارهای خازنی MEMS، این شتابنگارها به عنوان گزینه ارجح برای ساخت شتابنگار HAT مورد استفاده قرار گرفتهاند. سنسورهای HAT در همکاری مشترک پژوهشگاه زلزله و شرکت ایرانترانیکس طراحی و ساخته شده است. کلیه آزمونهای صحت عملکرد این سنسورها توسط پژوهشگاه زلزله انجام شده و مورد تایید این پژوهشگاه میباشد.
