Опыт применения дистанционной инфракрасной съемки при диагностировании объектов теплоэнергетики и жилищно-коммунального хозяйства

Размещено на http://www.allbest.ru/

ООО АП «ДИсСО»

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ДИСТАНЦИОННОЙ ИНФРАКРАСНОЙ СЪЕМКИ ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ ОБЪЕКТОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ И ЖКХ.

А.Н. Рондель

Н.Н. Шаповалов

Доклад посвящен накопленному опыту применения дистанционной инфракрасной съемки в комплексе диагностических работ. Приводится описание методической разработки на основе материалов тепловой аэросъемки для решения такой актуальной задачи, как определение количественной величины теплопотерь в системе централизованного теплоснабжения в эксплуатационном режиме.

Предприятие «ДИсСО» (Дистанционные Исследования Среды Обитания) создано в 1990 году с целью проведения оперативного инфракрасного обследования городских тепловых сетей методом тепловой аэросъемки. Сегодня ООО АП «ДИсСО» занимается разработкой и внедрением методов и средств неразрушающего контроля объектов теплоэнергетики. Одним из основных методов диагностики является тепловизионный метод. За 24 года специалистами «ДИсСО» в нескольких десятках городов суммарно обследовано методом тепловой аэросъемки около 100 000 км подземных теплопроводов, выполнено тепловизионное обследование не менее 200 000 кв. м ограждающих конструкций зданий и сооружений, более 100 дымовых труб ТЭЦ и котельных, 50-ти трансформаторных и распределительных подстанций. Накопленный опыт позволяет высоко оценить эффективность тепловизионного контроля объектов теплоэнергетики и ЖКХ.

В настоящее время, благодаря активному процессу сертификации в России инфракрасной техники ведущих мировых производителей, на современном рынке имеется широкий выбор тепловизоров, обладающих достаточными техническими характеристиками для проведения представительной дистанционной инфракрасной съемки. Поэтому, сегодня на первый план выдвигается задача создания методических разработок тепловизионной диагностики, которые позволили бы, помимо визуализации распределения температурных полей на поверхности обследуемого объекта, получить количественные показатели оценочных критериев.

Одной из последних разработок предприятия «ДИсСО», где широко используется дистанционная инфракрасная съемка, является созданная совместно с ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева» Госстандарта России «Методика определения транспортных тепловых потерь в подземной сети теплоснабжения в эксплуатационном режиме». Методика устанавливает содержание и порядок проведения работ для определения фактической величины тепловых потерь в водяных и паровых тепловых сетях системы теплоснабжения подземной прокладки в режиме эксплуатации.

В соответствии с разработанной методикой, оценка величины фактических тепловых потерь с подземных теплопроводов базируется на инструментальных измерениях линейной плотности теплового потока в специально оборудованных опорных участках действующей тепловой сети, определении по материалам дистанционной тепловой аэросъемки численных значений превышения величины тепловых потерь с каждого участка теплопровода относительно опорных участков и последующем расчете фактических значений величины тепловых потерь по всей обследуемой тепловой сети.

Ниже приводится краткое изложение основных положений методики касательно применения дистанционной инфракрасной съемки для определения фактических тепловых потерь в подземной сети централизованного теплоснабжения.

Определение относительной величины тепловых потерь по данным дистанционной инфракрасной съемки.

Линейная плотность теплового потока QL(s) для стационарного теплового поля, то есть тепловые потери на участке линейного подземного теплопровода, равны:

QL(s) = K (T(х) - Tв) dх = (T(х) - T()) dх = M(s),

где s - координата по линейному теплопроводу, х - горизонтальная координата по поверхности грунта, перпендикулярно линии теплопровода, T(x) - температура поверхности грунта в точке х, T() - фоновая температура поверхности грунта на большом удалении от теплопровода, Тв - температура атмосферного воздуха, _ коэффициент теплообмена между поверхностью грунта и воздухом, включающий в себя коэффициент конвективной теплоотдачи и коэффициенты линейной аппроксимации теплоотдачи излучением и молекулярным переносом (испарением), M(s) _ интеграл температурных контрастов.

На Рис.1 схематично показан разрез грунта перпендикулярного оси подземного теплопровода и график температуры на поверхности грунта.

Линейная плотность теплового потока пропорциональна величине интеграла температурных контрастов M(s) - площади под графиком температуры в бесконечных пределах изменения координаты х в обе стороны от теплопровода. тепловой аэросъемка теплоснабжение эксплуатационный

Из-за ограниченной чувствительности существующих в настоящее время измерительных приборов и наложения помех, обусловленных изменением реальных характеристик поверхности и свойств приповерхностного слоя грунта, невозможно выполнить регистрацию температурных контрастов от подземного теплопровода в бесконечных пределах. Как правило, измеряемая часть интеграла температурных контрастов m(s) соответствует пределам изменения х на довольно протяженном, но локальном отрезке [АБ]. Поэтому, так называемая «видимая» часть величины интеграла температурных контрастов m(s) оказывается существенно меньше ее полного значения M(s).

В зависимости от модели подземного теплопровода (прежде всего глубины заложения), точность регистрации температурных контрастов m(s) составляет от 0,4 до 0,8 величины M(s).

Модельными расчетами, с помощью пакета компьютерных программ «Elcult» и самостоятельно разработанной программы, показано, что величина M(s) связана практически линейной зависимостью с m(s). Также установлено, что отношение полных значений интегралов температурных контрастов M(s) / M(б) и отношение интегралов регистрируемых температурных контрастов m(s) / m(б) может быть описано следующей линейной зависимостью:

F(s) = QL(s) / QL(б) = M(s) / M(б) = p m(s) / m(б) + 1 - р.

где QL(s) - линейная плотность теплового потока на участке подземного теплопровода с координатой s; QL(б) - линейная плотность теплового потока на базовом участке; М(s)/М(б) - отношение полной величины температурных контрастов на поверхности грунта; m(s)/m(б) - отношение регистрируемых величин интегралов температурных контрастов, р _ коэффициент, зависящий от модели теплопровода: геометрических размеров (прежде всего - толщины покрывающего слоя грунта и диаметра труб), теплотехнических свойств грунта и изоляционного покрытия труб, приборной чувствительности используемой регистрационной аппаратуры и точности регистрации температурных контрастов.

Рис.2. Графики регистрируемых величин интегралов температурных контрастов m(s) и m(б).

Точность определения величины M(s) по значениям m(s) сильно зависит от погрешности регистрации температурных контрастов, границы видимости температурной аномалии, погрешности в задании геометрических и теплофизических параметров модели теплопровода. Но величина относительной систематической погрешности определения численного значения величины относительных тепловых потерь F(s) оказывается намного меньше, чем погрешность вычисления абсолютных значений M(s).

Условие постоянства отношения одновременных значений интегралов температурных контрастов во времени и его равенства отношению тепловых потерь (линейной плотности теплового потока) на различных участках теплопровода с наибольшей точностью выполняется при установившемся режиме теплоснабжения (при постоянной температуре теплоносителя в трубопроводах). Это в одинаковой мере относится к теплопроводам различной конструкции и размеров, проложенных на глубине более 0.5 м, что позволяет использовать для анализа соотношения относительной величины интегралов температурных контрастов и линейной плотности теплового потока результаты модельных расчетов, выполненных для стационарного температурного поля.

Полученные теоретические и модельные результаты составляют основу метода определения относительных тепловых потерь с подземных теплопроводов по данным дистанционной инфракрасной съемки. Величина отношения линейной плотности теплового потока F(s) = QL(s) / QL(б) принципиально может быть определена повсеместно на тепловой сети, с высокой производительностью (разовые измерения одновременных значений интегралов регистрируемых температурных контрастов) и с хорошей точностью (в несколько раз превышающей точность измерений самих интегралов температурных контрастов).

На основе опыта натурных измерений радиационной температуры поверхности грунта над подземными теплопроводами способом тепловой аэросъемки, была разработана процедура определения величины интеграла регистрируемых (видимых) температурных контрастов - m(s). Разработана и реализована компьютерная программа обработки материалов тепловой аэросъемки для этих целей.

Результаты измерений показали, что регистрируемые интегралы температурных контрастов с течением времени изменяются очень сильно. Так, за пятидневный период, при существенном изменении метеорологических условий, определяющих величину коэффициента эффективной теплоотдачи, значения m(s) изменились почти в два раза. Величина погрешности измерения интегралов температурных контрастов обусловлена, главным образом, не аппаратурной погрешностью, а реальными феноменологическими флуктуациями значений радиационной температуры, связанными с вариациями свойств поверхности и приповерхностного слоя грунта.

Однако, натурные измерения практически подтвердили факт стабильности относительной величины одновременных значений интегралов температурных контрастов. Все определенные в разное время наблюдений значения m(s) / m(б) оказались практически одинаковыми, в пределах погрешности их определения (10 _ 15%).

Соответственно, и расчетная величина относительных тепловых потерь F(s) является стабильной.

Метод определения относительной величины тепловых потерь на подземных участках тепловых сетей по материалам дистанционной инфракрасной съемки реализуется следующим образом:

1. Выполняют инфракрасную аэросъемку поверхности грунта над всей исследуемой тепловой сетью. Одновременно проводят опорные наземные измерения на нескольких участках поверхности грунта.

2. Материалы маршрутной аэросъемки «сшивают» в площадное тепловое изображение всей обследованной поверхности земли. По профилям, перпендикулярным теплотрассе, по зарегистрированным на поверхности грунта температурным контрастам Т рассчитывают энергетическую характеристику m(s) - интеграл от измеряемых температурных контрастов по горизонтальной координате;

Для каждого профиля строят график значений фоновой температуры - T. Если поверхность грунта на профиле однородная, то график T является прямой линией, определяемой по множеству значений фоновой температуры. Если на профиле присутствуют разные типы поверхности грунта, то график T - ступенчатый, при этом необходимо определить средние значения T для всех типов поверхности (включая сухую и влажную).

Примеры определения значений температурных контрастов по сглаженным графикам температуры приведены на Рис.3. Значения фоновой радиационной температуры поверхности T зависят от типа поверхности (ее коэффициента излучения), отраженного теплового излучения сторонних объектов (неба, наземных сооружений).

Рис. 3.

На Рис. 3 представлены графики сглаженных значений радиационной температуры поверхности грунта над подземным теплопроводом (Т), графики средних значений фоновой температуры (T) и графики температурных контрастов (T). По оси Х - профиль, горизонтальная координата S(м).

3. Данную операцию выполняют повсеместно, для всей обследуемой теплосети. В результате получают массив значений относительной энергетической характеристики в каждой точке тепловой сети - m(s), где s - координата по тепловой сети. Полученные значения m(s) корректируют с учётом изменения типа поверхности грунта (асфальт, земля, дерн, снежный покров) на основе данных опорных наземных измерений;

4. Выбирают базовую величину m(б) среди группы минимальных значений m(s) исходя из следующих требований:

- базовые значения интегралов температурных контрастов m(б) выбирают отдельно для каждого семейства теплопроводов, близких по диаметру труб так, чтобы нормируемая линейная плотность теплового потока QL(н) различалась не более чем в 1.5 раза.

- относительная погрешность величины m(б) должна быть не более 10%, откуда:

где m(s) - средняя величина флуктуаций температурных контрастов на однородной поверхности грунта вне зоны прогрева от подземного теплопровода, N - число усредняемых (накапливаемых) значений m(s) в полосе вдоль линии каждого профиля (N более 5), n _ число точек сглаживания средних значений m(s) вдоль линии подземного теплопровода (n более 3).

- величину m(б) выбирают минимальной в пределах допустимой погрешности, либо соответствующей нормативной величине линейной плотности теплового потока (когда теплопровод не создает на земной поверхности температурного контраста).

5. Для каждого семейства теплопроводов выполняют модельные компьютерные расчеты стационарного температурного поля и определяют степень взаимосвязи между полной и регистрируемой величиной интеграла температурных контрастов на поверхности грунта над подземным теплопроводом: М(s) / М(б) = p m(s)/m(б) + 1 - р.

6. Осуществляют расчет численного значения параметра относительных тепловых потерь F(s) = QL(s) / QL(б) для подземных линейных отрезков теплопроводов по всей обследуемой тепловой сети.

Параметр F(s) не зависит от единиц измерения температурных контрастов, поэтому температурные контрасты можно измерять непосредственно в единицах яркости цифрового теплового изображения.

Значение параметра F(s) не зависит от температурного напора. Оно определяется сопротивлением теплопередачи конструкции теплопровода, которое можно считать постоянным для длительных периодов времени. Поэтому параметр F(s) является инвариантным к режиму теплоснабжения и служит энергетической характеристикой тепловой сети.

Размещено на Allbest.ru