Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Monitorování úniků zemního plynu při stavbě Královopolských tunelů v Brně

Článek popisuje monitorovací systém přítomnosti methanu v objektech, které se nachá­zejí nad raženými nově budovanými Královopolskými tunely v Brně. Je zde popsán mě­řicí řetězec včetně specifikace jednotlivých komponent. Monitorovací systém předchází vzniku nebezpečí výbuchu plynu tím, že při překročení hodnoty nastavené koncentrace methanu zašle výstražnou zprávu SMS pomocí komunikátoru GSM.
 
Úvod
V lednu 2008 byla slavnostně zahájena raž­ba Královopolských tunelů v Brně, které jsou součástí brněnského velkého městského okru­hu. Pro zmenšení hustoty dopravy ve vnitřním Brně jsou budovány dva souběžně vedoucí tu­nely ve vzdálenosti 70 m od sebe. Délka Krá­lovopolského tunelu I, který je projektován ze­jména v trase pod dnešní ulicí Dobrovského, je 1 237 m. Na ražený úsek délky 1 019 m na­vazují hloubené části budované v zapažených jámách v Žabovřeskách (délka168 m) a v Krá­lově Poli (50 m). Královopolský tunel II celko­vé délky 1 258 m zahrnuje ražený úsek o délce 1 060 m a hloubené části 149 m v Žabovřes­kách a 49 m v Králově Poli.
 

Ražba tunelu

Tunelové trouby (obr. 1) jsou raženy v ex­trémně obtížných geologických podmínkách, kdy tloušťka nadloží je velmi malá a husto­ta městské zástavby nad tunely velká. Plo­cha výrubu každé tunelové trouby je přibliž­ně 125 m2. Nadloží má tloušťku od pouhých 6 m u provizorních portálů až po maximál­ních 21 m. Tunely v celé délce budou raže­ny ve vysoce plastických neogenních jílech. Aby nebyly ohroženy existující stavby v po­klesové kotlině, byly zvoleny speciální po­stupy ražby. Po dobu ražby je zajištěn trvalý dohled nad stavem objektů a inženýrských sítí na povrchu a pohotovost sanačních firem. Na povrchu i v podzemí je rozsáhle monito­rován vliv stavby a informace o varovných stavech jsou okamžitě předávány odpověd­ným osobám. Každý měsíc se prorazí 50 m v každé tunelové troubě, takže za rok budou oba tunely proraženy a další rok budou sta­vebně dokončovány a bude zde montováno technické vybavení.
 
Pro tunely bylo navrženo špičkové bezpeč­nostní vybavení odpovídající evropské úrov­ni. Nadstandardní automaticky říze­ný systém zajistí odvětrání s odsává­ním znečištěného vzduchu. V případě požáru bude možné odsávat z kte­réhokoliv místa požáru až 250 m3 vzduchu za sekundu, a to se stopro­centní zálohou (instalovaný výkon je 500 m3 za sekundu). Proudové venti­látory u obou portálů budou regulo­vat rychlost proudění vzduchu v tu­nelech a eliminovat tak únik znečiš­těného vzduchu ven z portálů. Plně automaticky bude řízeno i osvětlení tunelů, a to včetně osvětlení v nouzo­vých režimech, přičemž bude možné přizpůsobit se konkrétním podmín­kám v tunelu a jeho nejbližším oko­lí. Na okamžitou dopravní situaci na velkém městském okruhu i v celém Brně bude reago­vat proměnné dopravní značení. Nouzově bude umožněn obousměrný provoz v každé tunelo­vé rouře, a to při opravách a odstávkách jed­né tunelové roury.
 

Monitorování výskytu methanu

Při ražbě pod nadzemní zástavbou a v bez­prostředně následujícím úseku nastává v pro­storu nad tunelovými troubami pokles terénu a staveb. Tyto poklesy u některých objektů dosahují až několika desítek milimetrů. Aby takto ohrožené budovy mohly odolávat pří­davným napětím způsobeným nerovnoměr­nými poklesy základových konstrukcí, byly v rámci přípravných prací staticky zajištěny. Dále byly opraveny či vyměněny vybrané části inženýrských sítí a instalovány tzv. fle­xibilní přípojky zemního plynu.
 
Zemní plyn je ve většině případů přive­den do sklepů budov skrz obvodovou zeď. Právě v důsledku neočekávaného případného prudkého poklesu objektu by mohly být zde­formovány či jinak poškozeny plynové roz­vody v suterénních prostorách objektů. Dů­sledkem toho by mohl být následný masivní únik zemního plynu (methanu) do objektu, což by mělo katastrofální následky při pří­padném výbuchu.
 
Denně se ručně měří koncentrace metha­nu v příslušných objektech a také na povr­chu, v místech probíhající ražby tunelu. Ne­měří se ale stále, pouze v určitých časových intervalech. Proto bylo rozhodnuto, že ve vy­braných objektech bude instalován monitoro­vací systém, který bude nepřetržitě sledovat koncentraci zemního plynu a při překročení mezní hodnoty ihned zašle varovnou zprávu SMS na určená telefonní čísla.
 

Systém monitorování methanu

Monitorovací systém byl navržen pro Sdružení Dobrovského monitoring, které cel­kově sleduje stavbu tunelů. Na návrhu a insta­laci systému spolupracovali odborníci kated­ry měřicí a řídicí techniky VŠB-TU Ostrava a firem SG-Geoinženýring, s. r. o., a SG-Geotechnika a. s.
 
Monitorovací systém (obr. 2) se sklá­dá ze dvou částí. První tvoří detektory úniku plynů, rozmístěné ve sledovaných ob­jektech. Druhou je vlastní vyhodnocovací jednotka (obr. 3) vestavěná do rozváděčové krabice. Obsahuje komunikátor GSM, zá­ložní napájecí zdroj a nezbytné elektroin­stalační prvky.
 
Monitorovací systém přijímá signály z de­tektorů hořlavých plynů a podle nich nepře­tržitě hlídá:
  • překročení mezní koncentrace methanu nebo poškození či zcizení čidla (sdružený signál),
  • výpadek napájení 230 V celého systému.
Jestliže nastane která­koliv z uvedených udá­lostí, je aktivován přísluš­ný vstup na komunikátoru GSM a ten zašle předem nastavenou varovnou zprá­vu SMS na daná telefon­ní čísla. Zpráva obsahuje identifikaci objektu, mís­to úniku a čas. Na jejím základě mohou odborní­ci operativně zjistit příči­ny úniku plynu a zajistit bezpečnost.
 
Systém využívá detektor hořlavých plynů GS-133 od firmy Jablotron. Přístroj, jehož detail­ní specifikaci lze nalézt v [2], může být použit k detekci úniku všech hořlavých plynů (zemní plyn, svítiplyn, propan, butan, acethylen, vo­dík atd.) a reaguje na dvě úrovně koncentrace vysláním binárního signálu. Hlavním subsys­témem je komunikátor GSM GD-06 téže fir­my. Zařízení plní funkci vícekanálového uni­verzálního hlásiče a ovladače GSM. Do tohoto komunikátoru jsou přivedeny signálové vodi­če z jednotlivých čidel a signál o stavu napáje­cího napětí 230 V. Informace o změnách sta­vu vstupů může být odeslána formou textové SMS až na osm telefonních čísel. Současně lze na telefonní čísla zavolat a při vyzvednu­tí hovoru lze komunikovat prostřednictví při­pojené sady handsfree. Zařízení umožňuje také datové spojení (GPRS). Lze je tak vyu­žít i k řízení v průmyslových provozech, pro automatizovaný sběr dat apod. Detailní popis komunikátoru je možné nalézt v [3].
 
Součástí monitorovacího systému je i zá­ložní napájecí zdroj. Ten je určen k napáje­ní komunikátoru GSM i detektorů úniku ply­nů. Zdroj je trvale připojen na napájecí na­pětí 230 V.
 

Činnost systému

Na vstupy komunikátoru je připojeno ma­ximálně šest detektorů úniku plynů a záložní napájecí zdroj vysílající signál o stavu napá­jecího napětí 230 V. Správnou činnost detek­toru úniků plynů (čidla) signalizuje zabudo­vaná zelená LED, která po zapnutí a ustálení čidla trvale svítí. Při výskytu plynu se záro­veň rozsvítí i červená LED. Nastavená citli­vost těchto detektorů je 17 ± 3 % dolní meze výbušnosti – DMV (0,75 % methanu). Při překročení nastavené koncentrace je vyslán binární signál a aktivuje se příslušná vstupní svorka na komunikátoru GSM a ten zašle na zadaná telefonní čísla varovnou zprávu SMS:
 
"cidlo metanux ""kde"" pozor unik plynu"
 
V poli "kde" je uvedeno místo, kde nasta­la poplachová situace, x značí pořadové čís­lo čidla. Jako ochrana proti odcizení čidla, popř. přerušení napájení, bylo do něj přidá­no další relé, které je trvale sepnuto. Při od­cizení čidla nebo přerušení napájení je opět vyhlášen poplachu. Jde tedy o tzv. sdruže­ný alarm. Je-li přijata varovná zpráva SMS, nemusí to vždy znamenat únik plynu. Proto je nutné se osobně přesvědčit, zda opravdu unikl methan, nebo bylo poškozeno či od­cizeno čidlo.
 
Monitorovací systém reaguje také na vý­padek a obnovení napájecího síťového napě­tí 230 V. Při výpadku napájení je opět zaslá­na varovná zpráva SMS ve tvaru:
 
"komunikator GD-06 hlasi: napajeni 230 V ""kde"" pozor vypadek 230V"
 
Pole "kde" značí místo výpadku. Místo lze zjistit i z telefonního čísla, z něhož přijde zpráva SMS, jestliže jsou jednotlivé monito­rovací body uloženy v paměti telefonu. Po obnově napájecího síťového napětí 230 V je opět zaslána zpráva SMS ve tvaru:
 
"komunikator GD-06 hlasi: napajeni 230V ""kde"" napajeni 230V obnoveno"
 
Ze zaslaných zpráv je možné vyčíst přes­nou délku výpadku síťového napětí 230 V. Monitorovací systém může být přibližně po dobu 24 hodin napájen ze záložního zdroje. Příslušné místo je nutné osobně zkontrolovat jen v případě, že nedorazí zpráva SMS o ob­novení napájení.
 
Systém má velmi malou spotřebu energie. Provedená zátěžová zkouška ukázala maxi­mální spotřebu elektrické energie 0,5 kW za den, při běžném provozu se spotřeba pohy­buje okolo 0,3 kW za den. Náklady na elek­trickou energie jsou tedy přibližně 700 Kč za kalendářní rok.
 

Závěr

V současné době je v provozu šest moni­torovacích systémů, které obsahují jedno až čtyři čidla. V průběhu ražby se předpoklá­dá postupná instalace dalších systémů a pře­sun systémů z objektů, kde již nebude hrozit pokles nadloží. Od zahájení provozu uvede­ných monitorovacích systémů nebyl signali­zován únik methanu ani se neobjevily faleš­ná poplachová hlášení. Občas se vyskytují alarmní zprávy o výpadku napájecího napě­tí 230 V. To je způsobeno především přetí­žením rozvodné sítě v místě instalace nebo výpadkem z jiných, neočekávaných příčin. Napájení bylo zatím vždy během několika hodin obnoveno.
 
Literatura:
[1] Královopolské tunely [on-line]. Časopis Staveb­nictví [citace 19. 3. 2009]. Dostupné z <http://www.casopisstavebnictvi.cz/clanek.php?de­tail=643>
[2] Detektor hořlavých plynů GS-133 [on-line]. Elektronický manuál společnosti Jablotron v Jablonci nad Nisou. Dostupné <http://www.jablotron.cz/docs/manualy/mex51006.pdf>
[3] GSM komunikátor GS-06 Allegro [on-line]. Elektronický manuál společnosti Jablotron v Jablonci nad Nisou [citace 19. 3. 2009]. Dostupné z http://www.jablotron.cz/upload/download/mhg51004.pdf
Ing. Radovan Hájovský, Ph.D.,
Ing. Štěpán Ožana, Ph.D.,
VŠB-TU Ostrava,
Ing. Onřej Hort, Ing. Jaroslav Lossmann, SG-Geotechnika, a. s.,
Ing. Jiří Hájovský, CSc.,
SG-Geoinženýring, s. r. o.
 
Obr. 1. Pohled na ražení tunelu
Obr. 2. Blokové schéma systému monitorování methanu
Obr. 3. Ilustrační foto vyhodnocovací jednotky s připojenými čidly
Obr. 4. Pohled na instalaci čidla u přívodu plynového potrubí do objektu (a) a pohled na umístěnou vyhodnocovací jednotku (b)