JP5189897B2

JP5189897B2 - パイプライン危険地域監視システム

Info

Publication number: JP5189897B2
Application number: JP2008140762A
Authority: JP
Inventors: 岩村　　一昭
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: JP2009287665A

Description

本発明は、天然ガスなどを輸送するガスパイプラインの監視システムに関わり、輸送ガスが漏洩したときの危険濃度領域を定義する方法、さらには危険濃度領域の大きさを低減する方法に関する。

特開平５−２２３２００号公報には、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）タンクの亀裂により地表に流れ出したＬＮＧガスを引火濃度以上に拡散しないようにガス吸入弁を自動開閉する手段を付加することが記載されている。特開平６−２９４５００号公報は、ガスの遮断装置について示しており、地図情報を用いて遮断バルブを決め、ガスが安全な方向に流れるように操作することが記載されている。特開平７−１０１４９０号公報には、ガスの漏洩時に限界風速以下であれば、ガス拡散を促進するためファンを回して拡散を加速させ、防爆することが記載されている。特開平９−３５１６８号公報には、石油備蓄施設において火災などが発生した場合、その災害状況の変化を予測することが記載されている。特開２０００−２１３７００号公報には、遠隔操作によってパイプラインの開閉を行うことが記載されている。特開２００６−２７５２２８号公報には、気体拡散防護障壁を設けて気体の拡散自体を抑えることが記載されている。特開２００６−３２９３８３号公報には、既設管のパイプを複数の区間に分けて各区間ごとに診断を行うことが記載されている。

パイプラインの警戒範囲は高度警戒地域（ＨＣＡ：High Consequence Area）と呼ばれ、各国でその定義方法が示されている。ＨＣＡの定義については、それを採用している国での規約書に記載されている。米国では「MANAGING SYSTEM INTEGRITY OF GAS PIPELINES」AMSE B31.8S-2001にその記述があり、
ｒ＝0.69・d・√ｐ
とされている。ここで、ｄ：パイプの外形（インチ）、ｐ：パイプ区間の最大許容圧力、ｒ：インパクトサークル（フィート）である。

特開平５−２２３２００号公報特開平６−２９４５００号公報特開平７−１０１４９０号公報特開平９−０３５１６８号公報特開２０００−２１３７００号公報特開２００６−２７５２２８号公報特開２００６−３２９３８３号公報 MANAGING SYSTEM INTEGRITY OF GAS PIPELINES・AMSE B31.8S-2001

従来のＨＣＡの定義は、パイプライン全域の警戒地域の算出には利用できる。しかし、パイプラインからガスが漏れた場合、ガスが空気中を拡散することが予想され、このガス拡散による脅威を監視する必要がある。

本発明は、パイプラインから輸送ガスが漏れる危険があるときに監視範囲を決める方法を提供すること、さらにガス拡散の抑制を図ることにより、ガス拡散の影響範囲を狭めることを目的とする。

本発明では、ガスパイプラインにおいて、腐食が存在し弱くなっているパイプ区間がもし破断すると、ガスがどのように広がるかをシミュレーションする。具体的には、腐蝕の大きな場所からストレス(応力)計算によってストレス負荷のかかるパイプ区間を計算し、その区間からガスが噴出したと仮定した場合のガスの拡散を拡散方程式にて解析する。ガス拡散による広がりの図形を求め、その内部に入る建物や公共施設等の建造物を地図データから検索し、その建造物の位置におけるガス濃度を元に危険度を設定し、ガス濃度の高い地域にかかる建物や鉄道などの公共施設を把握して優先警戒地域とする。ガスの拡散は風向きや風速を考慮して時々刻々の変化を把握し、優先警戒地域の変化を計算する。危険度が高い領域に建物や公共施設のデータが交叉、包含される場合には、バイパスや迂回ルートがないか探索し、ある場合には輸送流量を別ルートのパイプラインに振り分けることによって危険度を下げるためのガスの輸送圧力を計算する。そして、新しいパイプラインルートに流量を振り分ける輸送制御を行うことにより、パイプラインのガス輸送圧力分布を変更し、パイプラインンが破断したときのガスの拡散範囲を抑制することにより、建物や公共施設への影響を低減する。

破断の可能性のある場所からのガス漏洩・拡散をシミュレーションすることにより、ガス拡散に伴う危険濃度領域がわかり、監視範囲を特定することができる。この監視範囲は、風向きや風速に基づいて変化するため、これらのデータをＳＣＡＤＡ（Supervisory Control And Data Acquisition）を介して取得することにより、時々刻々変化する危険地域の特定を行うことができる。さらに、破断の危険があるパイプラインに流すべきガス流量の一部をバイパスパイプラインや迂回ルートに振り分けて輸送圧力を低減させる制御を行なうことにより、ガス拡散の範囲を低減することが可能となり、人命や健康の被害回避につながる。

本発明は、ソフトウエアにて実施されることになるが、とくに、ＳＣＡＤＡのような監視制御システムをネットワークなどにより連携させて利用すると有用である。ＳＣＡＤＡと接続する場合には、ＳＣＡＤＡから圧力センサ情報を受け取り、そのセンサ情報を用いて危険パイプ区間のガス噴出速度値を求め、その速度値から噴出の速度ベクトル値を求める。そして、その速度力広がりを求めることにより、ガス噴出の影響範囲を求める。

天然ガスなどの輸送を行うパイプラインは、パイプに腐食などの傷がある場合、石油のように、漏洩により土壌が汚染されることはないものの、その場所に亀裂（腐食割れ）が生じてガス漏れが発生し、周囲の大気中にガスが拡散する。また危険濃度の範囲では、静電気などの要因により爆発が発生することもある。爆発の場合、その影響は大きく、数百メートルにわたり爆発穴が発生することもある。このため、パイプラインに沿って図５に示すようなＨＣＡ（High Consequence Area）と呼ばれる高度警戒地域を設定して、その中に人が立ち入らないようにし、建造物については建設制限などが行われる。しかし、すでに建造物が存在する場合には、そのＨＣＡの範囲内に含まれる建物５０８，５０９，５１０を検索し、定期的な巡視点検によって危険性を低減するような取り組みが行われる。これにより、パイプライン５０１に含まれる腐食５０６に基づいてストレス判定５０７を行い、危険パイプ区間５０２として特定し、さらにパイプのたわみ部、パイプとバルブの連結部など破断が起きやすいパイプ区間とあわせてＨＣＡに包含される監視優先範囲５０４として定義することが行われる。この監視優先範囲５０４に含まれる建物５０８は危険度が高くなり、監視の優先度が高くなる。ＨＣＡは各国で基準が定められ、米国の基準（ASME B31.8）ではこのＨＣＡは最大許容圧力（ＭＡＯＰ：Maximum Allowable Operating Pressure）に依存して式(1)によって求めることになっている。
ｒ＝0.69・d・√ｐ・・・(1)
ここで、ｄ：パイプの外形（インチ）、ｐ：パイプ区間の最大許容圧力（ＭＡＯＰ:Maximum Allowable Operating Pressure）、ｒ：インパクトサークル（フィート）である。ｒはパイプラインからの距離であり、インパクトサークルの円の半径である。そして、ＨＣＡは、これらの円の外周を接続して得られる帯情報として計算される。米国以外では、ｒは予め決められた距離によって定義されることもある。

ＨＣＡはパイプライン全域において定義されるが、漏洩が発生したときのガス拡散の範囲については示されない。とくに天然ガスや石油化学流体、二酸化炭素などの気体については、人命や健康への影響があるため、その影響範囲を計算し、影響範囲に基づいてガスの拡散範囲を抑制するため輸送制御を行うことは重要である。図３に、ガス拡散の予測計算の例を示す。パイプライン３０１に沿ってＨＣＡが定義されている。このパイプライン３０１の監視優先範囲３０４の危険パイプ区間３０２からガスが漏れ出したと仮定する。時刻Ｔ１では風向きが矢印３１３のため、ガスは、その風下の方向に拡散する。ガスの拡散範囲は濃度の高い順に３０５，３０６，３０７，３０８となっており、領域３０５，３０６，３０７が危険濃度領域とする。危険濃度領域には、建物形状３１５，３１６が含まれており、建物３１７，３１８はガス拡散範囲にあるが、濃度が低いため、監視の優先順位は低くなる。時刻Ｔ２においては、ガスの拡散範囲は、風向きが矢印３１４のため、ガスの濃度範囲ごとに３０９，３１０，３１１，３１２であり、領域３０９，３１０，３１１が危険濃度領域である。建物３１９，３２０，３２１，３２２が危険濃度領域に含まれる。なお、建物３１９，３２０，３２１は建物３２２よりも監視の優先度は高くなる。また、危険濃度領域に含まれる建物３１５〜３２２と比較して建物３２４，３２５は、ＨＣＡの内部に含まれるが危険ガス濃度領域には含まれないので監視優先度は低くなる。

時刻Ｔ1及びＴ２に見るようにガスの拡散範囲は気象条件の影響を受けて時々刻々変化するため、各時間におけるガス拡散を考慮した優先監視領域を設定する。本発明は、ＨＣＡによる監視範囲の設定だけでなく、ガスの拡散予測に基づいて動的に監視優先領域を定義していく。

図４は建物のみでなく、鉄道や道路などの公共施設への影響範囲検索の適用を行った例を示す図である。ここでは、パイプライン４０１の監視優先範囲４０４の危険パイプ区間４０２からガスが漏洩し、風向き４０９に従ってガスが拡散している状況を示す。ここでは、濃度範囲別に４１０，４１１，４１２，４１３の範囲にガスが拡散していることを示し、この中に鉄道４０５の区間４０７、道路４０６の区間４０８が危険濃度領域に包含されている。したがって、これらの公共施設の区間が監視優先領域となる。このように時々刻々変化する危険濃度領域を参照して監視優先領域を設定していくことができる。

また、このガス拡散予測結果を利用することにより、バイパスパイプラインや迂回パイプラインを選択して流量を振り分ける輸送制御を行うことによりガス拡散の影響を低減することができる。図１は、このような輸送制御の効果を示している。基幹パイプライン１０１でのパイプ区間１０７において、ガスの拡散が発生すると予測された場合、ガスの拡散予測範囲は１０３のようになり、この中には建物１１１，１１２，１１３が含まれ優先監視範囲となる。しかし、ＳＣＡＤＡ１０９によってバルブ１１０の開閉操作を行い、バイパスパイプライン（ルーピングパイプラインと呼ばれる）１０２にガスの流れを振り分けることによって、基幹パイプライン１０１の内部の圧力が低減され、ガスの拡散範囲が１０４のように縮小される。そして建物１１１，１１２，１１３は危険ガス濃度領域から外れる。一方、バイパスパイプライン１０２において、パイプ区間１０８において、ガス拡散の危険性があることがわかっている場合には、輸送量を増加させた場合のガス拡散範囲を計算する。この結果、当初は、ガス拡散範囲は１０５であったのが、１０６に拡大する。しかし、ガス拡散範囲１０６には建物は存在しない。このようにパイプ輸送の方式を変更することによってガス拡散の範囲を変更し、危険濃度領域とその中に含まれる建物や公共施設の数を低減できることになる。

このような危険濃度領域内の建物、公共施設の検索と、輸送制御を行うシステム構成を図２に示す。システムの構成要素について以下に示す。

パイプ形状データベース２０１：パイプの形状を格納した図形データベースである。図形データは、Ｘ座標、Ｙ座標、及び３次元の場合にはＺ座標を加えた座標列により表される。図形データは、ネットワークを構成しているパイプラインの全体構成を表している。

腐食データベース２０２：パイプライン内側／外側の腐食の情報を格納したデータベースである。腐食の基本情報は、腐食のパイプ方向の長さ、周方向の幅、深さ（又は、パイプ肉厚との比率による相対深さ）、腐食の開始距離（パイプライン上の参照点からのパイプ距離）、周方向開始位置（パイプの断面を時計と見立てて開始位置を時刻で表現する）、腐食の位置（内側／外側）である。また、腐食の種類（General、Grooveなど）、腐食の安全率の情報を持つこともある。

監視範囲データベース２０３：計算したＨＣＡや危険濃度領域の形状を格納したデータベースである。ＨＣＡや危険濃度領域の形状は、２次元座標又は３次元座標の境界線により記述される。

パイプ属性データベース２０４：パイプラインのパイプ区間ごとの材質（パイプ鋼材のカテゴリやグレード、内径、肉厚など）を格納したデータベースである。

地図データベース２０５：建物や鉄道、道路などの公共施設など、座標列で表されるベクトル図形によって表される地物データを格納したデータベースである。

パイプ区間抽出部２０６：座標列によって記述されたパイプラインを構成するパイプ区間の線分データを抽出する処理部である。パイプライン自体は座標列によって記述されるので、その中から連続した２個の座標によって指定される線分を選択することになる。

幅付け部２０７：パイプ区間抽出部２０６において選択された線分データに幅付けを行い、ＨＣＡを計算して、その結果を座標データとして抽出する処理部である。

ストレス計算部２０８：腐食データ及びパイプ属性に基づいて、腐食部分の負荷となるストレス値を計算する処理部である。

監視区間特定部２０９：腐食を有するパイプ区間から、腐食部分において閾値以上のストレスを有するパイプ区間を特定し、そのパイプ区間を危険パイプ区間として決定する処理部である。さらに、この危険パイプ区間のＨＣＡを再計算し、監視優先領域とする。

ガス圧力計算部２１０：パイプラインの輸送圧力分布を計算する処理部である。

ガス漏洩・爆発影響範囲計算部２１１：危険パイプ区間において、ガス圧力計算部２１０で求めた圧力値、流速値を初期値としてガスの漏洩到達範囲を求める処理部である。ガス漏れにより発生するガスの拡散範囲は偏微分方程式に従って計算する。また、爆発が発生した場合の影響範囲を計算する。

建物・公共施設検索部２１２：ガスの拡散範囲図形や爆発の影響範囲図形に交叉又は包含される建物図形や学校、病院、鉄道、道路などの公共施設図形を検索する処理部である。

安全性判定部２１３：ガス拡散範囲に家屋や公共施設が交叉、包含されている場合に、その危険度を指定された評価方法に基づいて判定し、危険濃度領域に含まれる場合の危険度を計算する処理部である。

パイプラインルート選択部２１４：パイプ形状データベース２０１からパイプラインを選択する処理部である。特に、パイプラインがネットワーク化されている場合、特定のパイプラインについてその代替ルート（バイパスパイプラインルート、迂回パイプラインルート）を検索する処理を行う。

流量調節部２１５：パイプラインに流すガスの流量を変更し、複数のパイプラインにガスの流量を振り分ける計算を行う処理部である。また、振り分けの結果、ガス拡散の影響をガス漏洩・爆発影響範囲計算部２１１が再計算したときに、同じように危険濃度領域に含まれる場合は、新たにパイプラインを選択して流量を調節することになる。

バルブ信号生成部２１６：流量調節部２１５により流量振り替えの結果に基づいてバルブの開閉信号を生成する処理部である。

ＳＣＡＤＡ２１７：パイプラインの入り口部、出口部の圧力及び流量の計測データを取得し、ガス圧力計算部２１０に送るとともに、バルブ信号生成部２１６によって生成された信号を散りこみ、バルブの開閉を行う処理部である。

このシステム構成において、２０６〜２１６の機能をまとめて、以後、危険地域監視システムと呼ぶことにする。

動的に変化する危険濃度領域と監視優先領域計算のアルゴリズムフローを図６に示す。

(1) ステップ１１：パイプラインに沿った高度警戒地域判定
パイプラインに沿って、ＨＣＡを表す帯領域を設定する。この帯領域の計算は、図５に示すように、パイプラインを表す線分に一定幅を付加して帯図形を生成することで行う。この帯情報は図７に示すように、パイプライン線分８０１の幅付け線分（ＨＣＡ境界線）８０２，８０３として以下のようにして生成することができる。

パイプ区間抽出部２０６は、パイプ形状データベース２０１からパイプラインを構成する連続する線分を２本分取り出す。その線分はＰ１・Ｐ２及びＰ２・Ｐ３の点から構成される。これらの線分に対して、幅付け部２０７は幅２ｄの帯図形の生成を行う。帯図形はＨＣＡ境界線図形８０２，８０３の生成に対応する。

Ｐ０〜Ｐ４の座標を、Ｐ０（Ｘ０，Ｙ０）、Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１）、Ｐ２（Ｘ２，Ｙ２）、Ｐ３（Ｘ３，Ｙ３）、Ｐ４（Ｘ４，Ｙ４）とすると、次のようになる。

さらに、反対側の幅付け線８０３については、次のようになる。

ここで、Ａ＝Ｘ２−Ｘ１、Ｂ＝Ｙ２−Ｙ１、Ｃ＝Ｘ３−Ｘ２、Ｄ＝Ｙ３−Ｙ２である。ただし、上の式は、ＢＣ−ＡＤ≠０である。ＢＣ−ＡＤ＝０については、
（Ｙ２−Ｙ１）（Ｘ３−Ｘ２）＝（Ｘ２−Ｘ１）（Ｙ３−Ｙ２）・・・(4)
に対応するので、場合分けを通して実施する。Ｐ２から、ＨＣＡ境界線８０２に垂直に出した線分との交点を点８０８、点８０９とすると、点８０８，８０９の間は中心点Ｐ２、半径ｄの円弧補完により図形を置き換える。さらに線分の端がある場合には、半径ｄにより円弧補完を行う。これにより、境界線８０２，８０３により、ＨＣＡ領域を図形として定義することができる。

(2) ステップ１２：腐食分布の検索
ストレス計算部２０８は、腐食データベース２０２から腐食データを検索する。この腐食データはパイプライン参照点からの距離によって管理されているため、距離をキーワードとして検索する。

(3) ステップ１３：危険パイプ区間の選択
ストレス計算部２０８はステップ１２により検索された腐食データと、パイプ区間に関するパイプ鋼材の特性情報（グレードやカテゴリ、内径、肉厚など）を有するパイプ属性データをパイプ属性データベース２０４から検索し、これらのデータを用いて腐食範囲に対してストレス計算を行い、腐食部分にかかるストレスを計算する。このストレス計算は有限要素法（Finite Element Method）又は、機械・材料力学に基づく代数的な方式によって求める。代数的な方式では以下のようになる。

軸方向の応力及び周方向の応力による変位値は、次式で与えられる。

ここで、σ_Θは軸方向応力、σ_Zは周方向応力、α_Θは軸方向補正係数、α_Zは周方向補正係数である。これによって

として、μ_p（せん断弾塑性係数）は以下のようになる。σ_i≦σ_t のときμ_p＝μ、μはせん断弾性係数であり、式(7)で与えられる。

ここで、E₀：弾性率（ヤング率）であり、ｒはポアソン比である。σ_i＞σ_t のとき、式(8)の様になる。ｍ及びσ_τは材料の機械属性による。また、kは体積弾性係数であり、式(9)で与えられる。

以上により、修正管厚と修正外径と代表ストレスＦは以下のようにして求める。

監視区間特定部２０９では以上の計算によって求めた応力値Ｆが、予め決められた閾値Ｆ_thよりも大きな場合、すなわち
Ｆ＞Ｆ_th ・・・(11)
では、危険パイプ区間３０２となる。そして危険パイプ区間に対してＨＣＡが計算され監視優先範囲３０４が特定される。この危険パイプ区間３０２は座標データとともに、監視区間特定部２０９によって監視範囲データベース２０３に格納される。

(4) ステップ１４：ガス圧力分布の計算
ガス圧力計算部２１０では、パイプラインに沿った輸送圧力分布を計算する。この計算は、一般的に知られたガス輸送流量計算式によって行うことができる。

ここで、Ｑ：流量、Ｋ：単位系に依存する係数、Ｔ_s：基準温度、Ｐ_s：基準圧力、Ｇ：ガス重量、Ｔ_G：ガス温度、ｈ₂：下流側の高さ、ｈ₁：上流側の高さ、Ｚ：圧縮係数、ｆ：摩擦係数、Ｄ：パイプの内径、である。パイプラインの出口側の流量Ｑと圧力Ｐ₂はわかっているものとしてＰ₁を求めていく。

(5) ステップ１５：風向きデータの取得・更新
ガス漏洩・爆発範囲計算部２１１は、風向きに関するデータを風速、風向計又は、気象情報から取得する。これらのデータはＳＣＡＤＡ２１７から取得することができる。図８に示す監視システムにおいては、ＳＣＡＤＡ９０４から気象情報を取得する例について示している。

(6) ステップ１６：ガス拡散領域の計算
ガス漏洩・爆発範囲計算部２１１では、式(13)に示す拡散方程式を解くことによりガス拡散範囲の計算を行う。漏洩到達範囲の計算にはNavier-Stokes方程式及び、連続方程式、ガスの拡散方程式を用いる。以下の偏微分方程式により求める。

これらの方程式は、差分化することにより数値計算によって解くことができる。差分化のスキーマは各種考えられるが、数値計算上安定であればいずれでもよい。なお、式(13)において、Ｖ：速度ベクトル、ρ：密度、μ：動粘性係数、Ｖ_out：排出速度、λ：ガスの拡散係数、ｔ：時間、ｐ：圧力、ｇ：重力加速度、Ｒ：ガス亀裂部の抵抗特性係数、Ｄ：濃度、Ｄ_out：排出濃度である。ここで、速度ｕの初期値ｕ_iniは、ガスパイプラインの危険パイプ区間の腐食部分における輸送圧力値Ｐ及び腐食の断面面積から求める。また、拡散方向は、風向によって決める。

ガス拡散範囲の計算は、ガスパイプラインの領域を一定の大きさに小さな正方形メッシュに分割し、正方形メッシュごとに計算する。そして、濃度値が閾値以下になったところで拡散は終了することにする。ガス拡散シミュレーションを行い、安定解が得られたところ、又は特定の時間（シミュレーション時間）範囲内になった時点で終了する。

得られたガス拡散範囲の結果は、図３の形状３０５〜３０８ようになる。これは、濃度範囲ごとに領域を分割した結果である。例えば、正方形メッシュで計算したガスの濃度をＣとする。このとき、
Ｃ_a＜Ｃ＜Ｃ_b ・・・(15)
のようにＣ値が予め決められた閾値Ｃ_aとＣ_bの中に入る場合は、この範囲のガス濃度領域図形に含まれるものとする。そして複数の正方形メッシュで、Ｃの値を数値計算で求めた後、ガス濃度範囲の境界となるメッシュを求め、境界図形として登録する。形状３０５，３０６，３０７，３０８は、求められた濃度領域の境界線を表す。

(7) ステップ１７：公共施設・建物の検索
住宅・公共施設検索部２１２では、ガス拡散領域において、ガス拡散範囲に建物や鉄道、道路などの公共施設図形が含まれるかどうかを、地図データを用いて検索する。具体的には、ガス拡散領域の内部は、ガス濃度によって記述されるため、ステップ１６によって得られた危険ガス濃度の境界（等高線）図形の内部に含まれる図形を検索する。各図形から構成点座標を選択し、その構成点から垂直方向に線分を伸ばし、その線分が等高線と完全交差する回数を数える。同じ等高線に奇数回完全交差すればガス拡散領域の内側にあり、偶数回完全交差すればガス拡散領域の外側にある。

図３の時間Ｔ２においては、危険濃度範囲は３０９，３１０，３１１なので、この範囲に含まれる建物図形３１９〜３２２が検索される。図４では、危険濃度範囲は４１０，４１１，４１２なので、この範囲に含まれる鉄道及び道路の区間４０７，４０８が検索される。

(8) ステップ１８：危険度付け
安全判定部２１３では、ガス拡散範囲に含まれる領域に対して、危険度を付加する。この危険度は、ガス拡散シミュレーションが安定した結果となるのを待って付加される。具体的には、メッシュ分割された領域に対して、最大のガス濃度Ｃ_maxを求め、
Ｃ_n＜Ｃ_max＜Ｃ_n+1
ならば、危険度Ｒは、
Ｒ＝ｎ・・・ (16)
とする。このとき、Ｃ_maxを有するメッシュがＨＣＡの中に含まれている場合は、ＨＣＡの内部では、危険度ｍが付加されているとして、全体の危険度Ｒは、
Ｒ＝ｎ＋ｍ・・・(17)
とする。式(16)において、閾値Ｃ_n，Ｃ_n+1はユーザによって決定される。ここで得られた結果は、安全性判定部２１３によって、監視範囲データベース２０３に格納される。

(9) ステップ１９：危険パイプ区間のチェック
監視区間特定部２０９は、ステップ１２〜１８の処理をすべての危険パイプ区間で行ったかどうかをチェックする。もし別の危険パイプ区間が存在すれば、その区間でガス拡散予測を行う。

監視システム全体の構成例を図８に示す。パイプライン９０１に設置されたメータリングステーション９０２において取得されたセンサ情報を、ネットワークライン９０３を介してＳＣＡＤＡ９０４に取り込み、モニタする。センサ情報は圧力と流量の情報である。さらに、これらのセンサ情報は危険地域監視システム９０６に送られて、ガス拡散の初期値データとして使用される。また、ＳＣＡＤＡ９０４では、風向や風速のデータも取得して危険地域監視システム９０６に送る。

危険地域監視システム９０６は、地理情報システムをベースとしており、地図上に図１に示すようなパイプライン形状及び、ガス拡散の範囲を計算し、その範囲に含まれる学校、病院のような建物、さらには道路や鉄道のような公共施設の包含関係を計算する。

危険地域監視システム９０６は、腐食データやパイプ交換データを管理しているパイプライン保守管理データベース（このデータベースは、パイプ形状データベース２０１、腐食データベース２０２、監視範囲データベース２０３、パイプ属性データベース２０４、地図データベース２０５をまとめたものである）９０８から腐食データなどを、パイプライン保守管理ＤＢＭＳ（データベース管理システム）９０７を通して取得することになる。また、これらのデータはデータベース入力システム９０９から入力する。データの入力を別システムで行うことによって、腐食データやパイプ交換データの入力結果を監視優先領域や危険濃度領域の計算にすぐに利用することが可能となる。危険濃度領域の計算結果は、アラーム情報９１２として、関連するパイプライン付近の建物や公共施設９１０に通知され注意を促すことになる。

次に、ガス拡散範囲を求めることにより、ガス拡散の影響を考慮した輸送制御方式について示す。ガス拡散の影響低減に関しては、ガスの輸送量を複数個のパイプラインに振り分ける方法が考えられる。これにより、輸送ガスの圧力を低減することが可能であり、ガスの拡散範囲の抑制を行うことができる。図１では、基幹パイプライン１０１によるガス輸送の一部を、バイパスパイプライン１０２に振り分けている。

この計算は、腐食部分におけるストレスが閾値に近い危険パイプ区間において行うことになる。ストレスの閾値をＦ_thとしたときに、計算したストレスＦが
Ｆ＞Ｆ_th ・・・(18)
の場合に、破断時のガス拡散の計算を行う。そして、ガスが拡散したときの影響範囲を求める。パイプラインの輸送圧力は時々刻々変化し、風速及び風向に応じて予想されるガス拡散範囲は変動する。

ガス拡散の範囲を圧力の変更に伴って切り替えるための方式を以下に示す。基幹パイプライン１０１では、流量Ｑ_aを送っていたが、パイプ区間１０７の腐食が大きく、かつ腐食割れの兆候があり、応力も高いとする。この場合、ガス拡散を計算し、流量を調節して
Ｑ＝Ｑ_a−Ｑ_ｂ・・・(19)
とする。このとき、排出圧力を減少させてコンプレッサーステーションの圧力を決定する。これは、式(12)により求めることができる。これを簡略形式で書くと
ＱＡ＝Ｆ(Ｑ_a，Ｐ₂，Ｐ₁)
ＱＢ＝Ｆ(Ｑ_b，Ｐ₂，Ｐ₁) ・・・(20)
とすることによって圧力を調節する。

バイパスパイプラインでは、基幹パイプラインとの接続部（２ヶ所）において圧力値は同値となる。このため、出口圧力Ｐ₂を初期値として設定したあと、式(12)によって両方のパイプラインで、入り口圧力Ｐ₁を計算する。そして、この両方の入り口圧力が一致するように流量値の振り分けを行う。圧力を減少させることによって、パイプ区間１０７における輸送圧力負荷を低減することができる。一方、バイパスパイプライン１０２に圧力がかかることによって、腐食を有するパイプ区間１０８に圧力がかかる。これによって腐食部分で破断（腐食割れ）する可能性が発生する。この場合、同じようにバイパスパイプラインのパイプ区間１０８におけるガスの拡散を計算する。そして、ガスの拡散範囲が、住宅や公共施設に影響が少ないことを確認する。しかし、基幹パイプライン１０１又はバイパスパイプライン１０２において、ガスの拡散範囲に危険濃度領域に建物や公共施設を含む場合には、さらに流量を新しいバイパスパイプラインや迂回パイプラインに振り分ける。そして、再度、ガスの拡散計算を行い、影響範囲を求める。

次に、流量の変更調整とガス拡散範囲の再計算を行うことによって、住宅地や公共施設を包含するガス濃度が予め決められた閾値よりも低くなった時点の輸送流量を決定する。予め決められたバイパスパイプラインや迂回パイプラインへの流量変更を行っても危険濃度以下にならない場合には、さらに別のバイパスルートや迂回ルートなどがある場合にはそのルートへの流量の振り分けを行う。具体的には、すでにガスを流していると想定したパイプラインの流量を順次低減して新しいルートに振り分けてガス拡散の影響を判定することになる。

このような流量の振り分けのアルゴリズムを図９に示す。

(1) ステップ２１：ガス分布の計算
図６に示す、ステップ１１からステップ１４までを実施し、ガス圧力計算部２１０において、パイプ内の輸送圧力分布を求め、危険パイプ区間における圧力値を計算する。

(2) ステップ２２：ガス拡散範囲の計算
図６に示す、ステップ１５からステップ１６までと同様の処理を行い、ガス拡散範囲を計算する。

(3) ステップ２３：ガス拡散範囲内の建物・公共施設の検索
建物・公共施設検索部２１２と安全性判定部２１３では、予め決められた閾値に基づいて危険ガス濃度領域の中に含まれる建物や公共施設を検索する。

(4) ステップ２４：包含判定
危険ガス濃度領域の中に建物や公共施設を含まない場合には終了する。含む場合には、ステップ２５に進む。

(5) ステップ２５：バイパス・迂回ルートの検索
パイプラインルート選択部２１４では、現在使用できるバイパスパイプライン、迂回パイプラインから最短の距離となるルートを選択する。これはパイプ形状データベース２０１から検索する。

(6) ステップ２６：バイパスルート、迂回ルート判定
新たなバイパスルート、迂回ルートが存在しない場合には終了する。存在する場合にはステップ２７に進む。

(7) ステップ２７：流量の振り分け変更
流量調節部２１５では、従来のパイプラインの現在の流量をＱ₁、変更流量をΔＱとして、次のように設定する。また、新しいパイプラインの流量Ｑ₂を次のように設定する。
Ｑ₁(NEW)＝Ｑ₁(CURRENT)−ΔＱ・・・(21)
Ｑ₂(NEW)＝Ｑ₂(CURRENT)＋ΔＱ・・・(22)
この流量に基づいて式(12)を実行し、出口圧力を同一にして、基幹パイプライン及びバイパスパイプラインの入り口圧力が一致するようにΔＱを調節する。このあと、ステップ２１を実行する。

以上のフローにより、ガスの拡散範囲に注目した輸送の制御を行うことができる。図８において、危険地域監視システム９０６での流量の調節結果は、ＳＣＡＤＡ９０４に送られ、さらにバルブ制御ライン９１４を通してバルブ９１５に信号が送られ、バルブの開閉によって流量が調節される。

以上は、ガス漏洩の場合について示したが、ガスの場合には、爆発の危険性も発生する。拡散のアルゴリズムに続いて爆発シミュレーションを導入することにより、影響範囲を検索することができる。爆発シミュレーションは衝撃波のシミュレーションに対応する。

以上示したように、ガス拡散範囲の計算結果は、ＳＣＡＤＡと連携させ、ＳＣＡＤＡによって取得した流量や圧力のデータを利用してパイプライン内のガスの圧力分布を求め、その結果を初期値としてガス拡散のシミュレーションを行うことにより時々刻々変化する危険濃度領域の提示が行える。また、危険濃度領域を図形情報として地図上に表示することにより、建物や公共施設の危険性を把握することができる。ここで風向きや風速のデータを取り込むことにより、日々の危険地域の変化を把握することも可能となる。また、ガス拡散範囲の低減をはかるため、流量の振り分けを行う制御によってパイプラインの安全性を高めることができる。さらに、ガスによる人命や健康障害への影響も低減することができる。

以上説明したガス拡散への対策は、天然ガスだけではなくエチレンやベンゼンなどの石油化学製品、二酸化炭素にも適用することができる。エチレンやベンゼンは液体であるが、ガス破断部で噴出したときに気体になる。この気体の動きを追うことが重要である。これらの気体への適用にあたっては、式(13)において、密度、動粘性係数、熱膨張率、拡散係数を変更することになる。

本発明は、天然ガスパイプラインのみならず、エチレンのような揮発性の石油化学製品や毒性のある気体が、パイプラインの破断によって噴出したと仮定したときのガスの空気拡散から公共施設や建物への到達を予測する。これにより監視優先範囲の設定を行え、事故発生時の対応を迅速に行うことができる。また、パイプラインがネットワーク状に接続されていて複数のパイプラインが使用できる場合には、パイプライン同士の輸送圧力を調節して、これらの公共施設や住居地域にガスの影響が及ばないように、危険パイプ区間の輸送圧力を低減して輸送することができる。このように環境や健康に配慮したガス輸送が実現できることになる。

ガスの拡散範囲の低減の考えに基づいてガスの輸送ルートを切り替える方法を示す図である。システムの機能構成を示した図である。動的に変化する危険濃度領域及び危険地物の計算結果を示す図である。動的に変化する危険濃度領域及び危険地物の計算結果を示す図である。従来の高度警戒地域（ＨＣＡ）を求める方式を示した図である。動的に変動する危険濃度領域把握を行う処理フローを示す図である。ＨＣＡの計算方法を補助する図である。監視システムの構成例を示す図である。パイプラインの輸送ルート切り替えの処理フローを示す図である。

符号の説明

２０１…パイプ形状データベース、２０２…腐食データベース、２０３…監視範囲データベース、２０４…パイプ属性データベース、２０５…地図データベース、２０６…パイプ区間抽出部、２０７…幅付け部、２０８…ストレス計算部、２０９…監視区間特定部、２１０…ガス圧力計算部、２１１…ガス漏洩・爆発範囲計算部、２１２…建物・公共施設検索部、２１３…安全性判定部、２１４…パイプラインルート選択部、２１５…流量調節部、２１６…バルブ信号生成部、２１７…ＳＣＡＤＡ、９０１…パイプライン、９０２…メータリングステーション、９０４…ＳＣＡＤＡ、９０６…危険地域監視システム、９０７…パイプライン保守管理ＤＢＭＳ、９０８…パイプライン保守管理データベース、９０９…データベース入力システム、９１０…パイプライン付近の建物・公共施設、９１５…バルブ

Claims

ネットワークを構成するパイプラインの形状情報を格納したパイプ形状データベースと、
前記パイプラインに存在する腐食に関する情報を格納した腐食データベースと、
前記パイプラインの近くの建物や公共施設の情報を格納した地図データベースと、
前記腐食データベースに格納された腐食に関する情報に基づいて、前記パイプラインの腐食部分にかかるストレスを計算するストレス計算部と、
前記腐食部分に閾値以上のストレスがかかるパイプ区間を危険パイプ区間として抽出する監視区間特定部と、
前記パイプラインの輸送圧力分布を計算する圧力計算部と、
前記危険パイプ区間が破断したと仮定したときの前記破断部分から噴出するガスの拡散を予測計算するガス漏洩範囲計算部と、
前記ガス漏洩範囲計算部で計算されたガスの危険濃度領域に入る建物や公共施設を前記地図データベースから検索する検索部と、
前記パイプライン形状データベースから前記危険パイプ区間を含むルートの代替ルートを検索するパイプラインルート選択部と、
前記危険濃度範囲に含まれる建物や公共施設が少なくなるように前記パイプラインに流すガスの流量を前記代替ルートに振り分ける流量調節部と、
を有することを特徴とするパイプライン危険地域監視システム。
請求項１記載のパイプライン危険地域監視システムにおいて、前記圧力計算部は、パイプラインの入り口部及び出口部の圧力と流量を監視するＳＣＡＤＡから送られる圧力値と流量の情報を用いて前記輸送圧力分布を計算することを特徴とするパイプライン危険地域監視システム。
請求項１記載のパイプライン危険地域監視システムにおいて、前記ガス漏洩範囲計算部は、前記危険パイプ区間付近の風向及び風速データを考慮してガスの拡散を予測計算することを特徴とするパイプライン危険地域監視システム。
請求項１記載のパイプライン危険地域監視システムにおいて、前記パイプラインはガスを輸送するものであることを特徴とするパイプライン危険地域監視システム。
請求項１記載のパイプライン危険地域監視システムにおいて、前記パイプラインは揮発性液体を輸送するものであることを特徴とするパイプライン危険地域監視システム。
請求項１記載のパイプライン危険地域監視システムにおいて、前記危険濃度範囲に含まれる建物や公共施設にアラーム情報を通知することを特徴とするパイプライン危険地域監視システム。