Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловая инфракрасная аэросъемка как инструмент контроля дистанционного состояния тепловых сетей

Т.Г. Пируева,

С.А. Скловский,

Не секрет, что тепловые сети - один из ключевых элементов городского хозяйства - в ряде городов находятся в критическом состоянии, срок службы многих из них давно истек, а их капитальный ремонт требует значительного времени и колоссальных затрат. При этом, как правило, отсутствует объективная информация о реальном состоянии теплосетей, на основе которой можно было бы сформировать систему технических, финансовых и управленческих решений по эффективному планированию и оптимизации плановых и аварийных ремонтных работ. Существующие наземные методы контроля, хотя и характеризуются довольно высокой точностью определения аварийных мест, обладают двумя существенными недостатками: низкой производительностью и высокой стоимостью. Кроме того, мы сталкиваемся с еще одной серьезной проблемой - с отсутствием в подавляющем большинстве городов России кондиционных схем расположения подземных теплотрасс. Стало быть, прежде чем анализировать состояние сетей, надо точно знать, где они проложены.

Общая протяженность тепловых сетей в большинстве российских городов составляет сотни погонных километров. Для Москвы, например, это значение составляет около 15 тыс. км (в среднем более 10 км двухтрубного теплопровода на 1 км2 городской территории). Построение схем теплосетей на территорию даже небольшого города в рамках традиционных наземных (геодезических) методов является трудоемким и весьма затратным процессом. Следовательно, возникает необходимость в таком методе, который позволял бы создать (либо актуализировать) схемы расположения теплосетей и качественно оценить их состояние. Тепловая инфракрасная аэросъемка (ТИКАС) на сегодняшний день является единственным дистанционным методом, который позволяет решать обе эти задачи (картирование и диагностика), обладая при этом высокой оперативностью и достаточной точностью при разумных денежных затратах на ее проведение.

Технические средства

ТИКАС выполняется специализированной авиационной тепловизионной системой высокого разрешения (рис. 1), позволяющей с высоты 350 м получать тепловые инфракрасные (ИК) изображения в оптическом угле 120О с пространственным разрешением 0,2 м и температурной чувствительностью 0,04О (при температуре фона 20 ОС). При этом встроенная инерциальная система дает возможность выполнять в режиме постобработки коррекцию эволюций летательного аппарата.

Для обработки и интерпретации тепловых изображений была создана специальная программа.

В настоящее время техническая и программная части определяют состав комплекса как единой технологической линии. Получаемое тепловое ИК изображение, скорректированное с учетом данных GPS, курсовой системы и радиовысотомера, практически является картографической проекцией местности.

Методика тепловой ИК аэросъемки

Аэросъемочный комплекс монтируется на борту практически любого судна малой авиации (вертолеты Ми-8, Ка-26, Ка-32, самолеты Ан-2, ИЛ-14 и др.). В ряде случаев (самолет Cessna 172D или вертолет Ми-2) аппаратура монтируется вне фюзеляжа (рис. 2).

Аэросъемка выполняется с высоты 300-400 м по системе параллельных маршрутов с межмаршрутным расстоянием 350-500 м, обеспечивающим не менее чем 40%-е перекрытие изображений для получения площадной картины теплового поля. Тепловая ИК аэросъемка производится ранней весной или поздней осенью при отсутствии снежного покрова, когда тепловые сети еще/уже функционируют в рабочем режиме. Для устранения искажающего влияния солнечной инсоляции и получения более информативного материала аэросъемка выполняется преимущественно в ночное время, реже - днем при высокой сплошной облачности. Аэросъемка не производится при осадках, тумане и скорости ветра более 10 м/с.

Одно из основных достоинств ТИКАС - высокая производительность и оперативность. За один съемочный день (5-6 летных часов) может быть обследовано 80-120 км2, т.е. территория города средней величины, каких в России большинство.

В процессе ТИКАС тепловое ИК изображение в режиме реального времени сжимается и записывается на жесткий диск бортового компьютера вместе с данными навигационной системы, высотомера, курсовой системы и другого вспомогательного оборудования.

Экспресс-диагностика

Непосредственно после этапа первичной обработки (через день-два после аэросъемки) выполняется экспресс-обработка материалов с целью выявления однозначно аварийных участков, т.е. таких участков, где наличие утечки теплоносителя не вызывает сомнения (рис. 3-6).

Этот этап очень важен, особенно в случае осенней съемки, т.к. позволяет оперативно ликвидировать аварийно-опасные ситуации до наступления зимних холодов и повышения нагрузки (температуры и давления) в сетях. Так, например, в последние годы ОАО «Московская энергетическая компания» (ОАО «МОЭК») получает от нас по электронной почте информацию об аварийных участках в виде фрагментов теплового поля с предположительно аварийными участками и с полной адресной привязкой (см. рис. 3-6).

Каждая сезонная тепловая ИК аэросъемка г. Москвы позволяет выявить порядка 600-800 таких участков.

Оперативно передаваемые результаты экспресс-диагностики позволяют не только избежать развития полномасштабных аварий в зимний отопительный сезон, но и сэкономить значительные материальные ресурсы. Например, при выполнении работ в г. Риге (Латвия) оперативное использование материалов экспресс- диагностики позволило по свидетельству Заказчика (АО «RIGAS SILTUMS») сократить на треть подпитку и полностью окупить затраты на аэросъемку уже на данной стадии.

Масштабная трансформация тепловых изображений

Как показала практика работ в различных регионах России, имеющиеся в эксплуатационных службах схемы тепловых сетей содержат значительные неточности, носят фрагментарный характер, либо очень схематичны. Поэтому возможность создания или уточнения таких схем по материалам ТИКАС приобретает особую актуальность, тем более, что этот процесс требует существенно меньших затрат времени и средств по сравнению с традиционными наземными методами.

Автоматически скорректированные тепловые ИК изображения после этапа первичной обработки уже размещены в координатном пространстве, однако итоговая точность координатной привязки данных явно недостаточна для решения картировочных задач. Выбор оптимального масштаба обработки и представления материалов(для городскихтерриторий это обычно 1:2000) обусловлен сочетанием таких факторов, как экономическая целесообразность, достаточная информативность и соответствие картографическим кондициям (требованиям).

Методика масштабирования тепловых ИК изображений включает реализацию процедур «подкалывания» маршрутных тепловых ИК изображений к крупномасштабной топооснове (предоставляется Заказчиком) по серии взаи- моопознаваемых точек, с их последующей «сшивкой» в единое тепловое поле для получения растрового слоя, который может использоваться в любой муниципальной или специализированной геоинформационной системе (ГИС). Следует отметить, что высокое качество теплового изображения (пространственное разрешение 0,2 м) позволяет использовать его и как фотоплан, на котором кроме элементов поверхности отображены подземные теплосети и видны все «горячие» участки.

Построение или корректировка схем расположения подземных тепловых сетей

На следующем этапе обработки данных выполняется дешифрирование масштабированных тепловых ИК изображений, в результате чего создаются (уточняются) векторные схемы расположения тепловых сетей.

Создание или актуализация схем тепловых сетей может осуществляться в различных ГИС, где наряду с растровым слоем ТИКАС загружаются векторные слои топоосновы (дороги, здания, сооружения, водные объекты, парковые зоны и т.д.), а также формируются слои планового положения тепловых сетей, камер и слои их дистанционной диагностики.

Уточнение имеющихся схем тепловых сетей выполняется только на тех участках, где истинное положение сетей не вызывает сомнения (рис. 7, 8). Понятно, что в случае, если сети в тепловом поле не нашли отображения (по различным причинам) или определяются неуверенно, правка не производится.

Рисунок 7 иллюстрирует возможности ТИКАС при корректировке схем расположения теплосетей. При анализе теплового поля отчетливо видно, что положение абсолютно всех теплосетей данного фрагмента на исходной схеме (поз. 2, зеленый цвет) отображено неверно, а некоторые трассы не показаны вообще (левая часть снимка). В целом, как показывает практика, от 40 до 70% схем расположения теплосетей, составленных без учета данных ТИКАС, требуют корректировки.

В некоторых случаях материалы ТИКАС позволяют актуализировать и топографическую основу, когда новая ситуация (вновь построенные или снесенные здания) еще не нашла на ней свое отражение. Особенно часто такая ситуация встречается в районах новостроек.

На рис. 8 показаны новые дома, которые отсутствуют на топо- основе (поз. 3). Следует подчеркнуть, что вынесение таких объектов не претендует на картографическую точность, поэтому выделено в особый слой «Новые строения». Кстати, и на этом фрагменте потребовалось уточнение положения тепловых сетей (поз. 5).

Диагностика состояния тепловых сетей

Еще один этап обработки материалов ТИКАС - интерпретация теплового поля на основе анализа масштабированных маршрутных тепловых ИК изображений. Необходимость использования именно маршрутных изображений диктуется тем, что в условиях городов при широкоугольной (120О) съемке наблюдается «развал» высоких зданий, за которыми оказывается скрытой часть информации. Использование маршрутных данных дает возможность рассмотреть здания и территорию с разных ракурсов.

Для решения задач контроля состояния подземных тепловых сетей необходимо понять, за счет чего же в тепловом поле проявляются эти объекты. Тепловая сеть, как высокотемпературный объект, является источником потока тепла, который прогревает толщу перекрывающих грунтов и достигает дневной поверхности. Таким образом на поверхности формируется «тепловой след» трассы, который и фиксируется при тепловой инфракрасной съемке. Его выразительность обусловлена способом (бесканальная, непроходной канал, коллектор) и глубиной прокладки, диаметром теплопровода, теплофизическими свойствами (и особенно влажностью) перекрывающих грунтов, состоянием излучающей поверхности (грунт, асфальт и т.п.). К сожалению, из этих факторов однозначно известны только диаметр и способ прокладки, материал, из которого изготовлен теплопровод, а также характер дневной поверхности. Глубина заложения варьируется в широких пределах и не всегда может быть точно определена. Заметим, что в последние годы при прокладке теплосетей в новых микрорайонах зачастую используются трубы, изолированные пенополиуретаном (ППУ), который, будучи хорошим теплоизолятором, сильно затрудняет проявление их в тепловом поле. В ином случае речь может идти о нарушении технологии прокладки и монтажа трубопроводов в ППУ изоляции. тепловой аэросъемка подземный сеть

Априори мы считаем, что подавляющее число теплосетей (порядка 90%) проложены на глубине 1,5-2 м, однако есть участки, где глубина составляет 0,5-1 м или достигает 3-5 м. Такие участки должны быть специально отмечены на схемах, предоставляемых Заказчиком, во избежание ошибок при интерпретации. Сведения о составе и теплофизических свойствах (теплопроводности и теплоемкости) перекрывающих грунтов отсутствуют вообще, т.к. в пределах городов - это, как правило, техногены неизвестного состава. В том числе и поэтому разработанные алгоритмы автоматизированной интерпретации материалов ТИКАС позволяют получить скорее вспомогательный материал для специалиста- интерпретатора. Очевидно, что эти алгоритмы смогут корректно работать лишь в рамках полноценных ГИС, содержащих полную атрибутику параметров теплосети: диаметр и состав материала трубы, глубину залегания, характеристики перекрывающих грунтов и теплоизоляции и другие, на что в ближайшем будущем вряд ли стоит рассчитывать.

В рамках сегодняшней технологии качественная оценка состояния теплосетей производится визуально, путем сравнения параметров (контрастности и ширины) теплового следа трассы определенного диаметра на всем ее протяжении, а также сопоставления характера проявления в тепловом поле трасс разного диаметра (рис. 9). Поскольку уровень регистрируемого контраста (энергетической яркости) и ширина теплового следа при прочих равных условиях зависят от величины теплового потока, следовательно, можно сделать вывод об интенсивности тепловых потерь, а значит, и судить о состоянии теплопровода на различных участках.

¦ Нормальное состояние теплотрассы обозначается синим цветом (нормированные теп- лопотери). Трасса характеризуется сухой и целостной изоляцией и, соответственно, минимальным тепловым потоком от теплоносителя к земной поверхности. Тепловая аномалия от слабоконтрастной над трассами малого диаметра до среднеконтрастной над трассами большого диаметра (рис. 10, поз. 3). На территории избыточного увлажнения грунтов (например, вблизи рек, водоемов) регистрируется увеличение контраста вследствие увеличения теплопроводности грунтов.

¦ Состояние повышенных потерь тепловой энергии обозначается зеленым цветом (рис. 10, поз. 4). Характеризуется влажной или нарушенной теплоизоляцией, что способствует зарождению очагов коррозионного разрушения. В тепловом поле отображается четкой аномалией среднего уровня яркости и несколько увеличенной шириной теплового следа. В ряде случаев увеличение радиационного контраста обусловлено менее глубокой прокладкой или изменением свойств излучающей поверхности (грунт, асфальт, растительный покров). Например, при прохождении трассы под асфальтовой дорогой отмечается всплеск контрастности, четко ограниченный размерами дорожного полотна. В таких случаях состояние трассы следует оценивать как «нормальное».

¦ Состояние высоких потерь тепловой энергии обозначается малиновым цветом (рис. 10, поз. 5).

Характеризуется нарушенной и влажной изоляцией, канал зачастую заполнен водой из соседних водонесущих коммуникаций, грунтовой или талой водой. Возможно образование сквозных повреждений стенок теплопровода в виде трещин в местах сварочных работ (особенно на участках компенсаторов). В тепловом поле отображается как высококонтрастная аномалия при ширине в несколько раз больше нормы (рис. 2, 3 поз. 3а).

¦ Аварийное состояние обозначается красным цветом. Характеризуется нарушением целостности теплопровода с изливом теплоносителя. Нарушение может быть как небольшим (свищи), так и значительным, сопровождающимся резким падением давления в системе. Аномалия теплового поля имеет очень высокий контраст и широкую расплывчатую форму, обусловленную особенностями микрорельефа. В таких местах требуется принятие неотложных мер по ликвидации аварии (рис. 10, поз. 6).

Очевидно, что приведенные градации достаточно условны. Каждый интерпретатор вправе принять иную схему с большим или меньшим числом градаций. По многолетнему опыту работ, перечисленных градаций вполне достаточно для характеристики состояния теплосетей. Естественно, в интерпретационном процессе, выполняемом на качественном уровне, большое значение имеет элемент субъективизма. Однако, участки теплосетей, находящиеся в аварийно-опасном или аварийном (свищ, разрыв теплопровода) состоянии выделяются всегда уверенно и однозначно.

При анализе теплового поля, как правило, выделяются достаточно протяженные аварийноопасные и аварийные участки. Это увеличивает время поиска, а значит, снижает возможности оперативного выполнения ремонтных работ. Программными средствами можно уточнить местоположение разрыва путем повышения уровня яркостной привязки (условного нуля) теплового поля. При этом четко определяется самое «горячее» место - место свища или разрыва (рис. 11). На данном фрагменте место утечки находится на углу компенсатора, где имеется сварочный шов.

Результаты диагностики наносятся на топооснову, либо в качестве самостоятельных векторных слоев - на векторную карту (схему) тепловых сетей.

Вполне очевидно, что для эксплуатационных служб наибольший интерес представляют самые неблагополучные участки теплосетей, где наиболее вероятны утечки (третья и четвертая градации). В общем случае могут быть выделены два вида утечек. К первому относятся аварийные утечки, возникающие при разрыве трубопровода с изливом большого объема теплоносителя в окружающее пространство. При этом вода заполняет канал (в случае канальной прокладки), выходит через щели, размывает грунт, образуя в нем полости. Очевидно, что подобного рода утечки (кроме прямых потерь тепловой энергии и теплоносителя) представляют собой опасные явления, приводящие иногда к образованию провальных воронок.

Однако, основная задача тепловой ИК аэросъемки не сводится к обнаружению только аварийных участков. Аварийные утечки регистрируются системами параметрического контроля, как правило, достаточно быстро обнаруживаются, локализуются и становятся объектом аварийных ремонтных работ.

Гораздо важнее прогнозировать развитие аварийных ситуаций. Даже при нормальном функционировании тепловых сетей существуют утечки, величина которых не превышает технически допустимых пределов.

Долгоживущие (постоянные) утечки коварны тем, что они не регистрируются системами параметрического контроля, поэтому не устраняются на протяжении долгого времени. Как правило, такие утечки возникают в местах сварки на изгибах трассы, на корродированных участках в виде тонких сквозных повреждений (свищей). На таких участках во время пиковых нагрузок в отопительный период, когда давление и температура в сетях максимальны, вероятность возникновения разрывов очень велика.

До недавнего времени не было надежного способа выявления постоянных утечек. Тепловая И К аэросъемка является единственным дистанционным методом, позволяющим оперативно решать эту задачу.

Выполнение ТИКАС в режиме мониторинга (дважды в год: в начале и в конце отопительного сезона) позволяет не только обнаруживать неблагополучные участки, но и выявлять динамику состояния подземных тепловых сетей, составлять оптимальные планы текущих ремонтных работ в летний период. Кроме того, мониторинговые аэросъемочные работы, ориентированные на оптимизацию и повышение эффективности затрат теплоснабжающих организаций, могут служить независимой оценкой эффективности капиталовложений, что особенно важно для небогатых городских бюджетов.

Экономический эффект

Стоимость тепловой ИК аэросъемки складывается из затрат на авиацию, стоимости услуг по проведению аэросъемки и полной обработки полученных материалов, и колеблется от 25 до 40 тыс. руб. за 1 км2 в зависимости от удаленности региона аэросъемки, условий организации летных работ, величины площади работ, полноты «меню» обработки данных. Цифры, вроде бы, впечатляющие, но значительный экономический эффект, получаемый при использовании данных ТИКАС для картирования и контроля состояния подземных тепловых сетей, делает эти затраты вполне оправданными.

Об эффективности применения материалов ТИКАС может свидетельствовать статистический анализ результатов работ, выполненный «Мостеплоэнерго» (ныне ОАО «МОЭК»), за 1995-2004 гг. Процент подтверждения утечек тепла составляет до 75%, что для дистанционного метода является очень высоким показателем. При этом каждый сезон на территории Москвы выявляется от 600 до 800 участков с повышенными потерями тепловой энергии, из них примерно треть - это свищи. Кроме того, многолетние работы позволили создать кондиционные схемы расположения тепловых сетей в Москве.

Экономический эффект использования материалов ТИКАС достигается за счет ряда прямых и косвенных факторов, в том числе:

¦ исключение при планировании ремонтных работ перекладки сетей, находящихся в удовлетворительном состоянии;

¦ сокращение времени поиска места утечки до 1-2 дней;

¦ снижение объема химочищенной воды на подпитку тепловых сетей;

¦ снижение объема земляных работ, а также объема восстановительных работ после ликвидации аварии;

¦ снижение расхода топлива на нагрев вновь закачиваемой сетевой воды;

¦ сокращение прямых потерь тепловой энергии;

¦ предотвращение крупных аварий за счет раннего обнаружения неблагополучных участков.

По оценкам различных потребителей информации, экономический эффект от однократной ИК аэросъемки составляет от 300 до 500%. Иными словами, затраты многократно окупаются уже за один сезон. Причем, надо учесть, что эта сумма не включает в себя тех затрат, которые были бы неизбежны при ликвидации предотвращенных потенциальных аварий.

Эффективность использования материалов тепловой ИК аэросъемки можно существенно повысить, если расширить круг потребителей информации. Например, службы ЖКХ могут получить информацию о повышенных потерях тепловой энергии через кровли зданий и сооружений, что находит отражение в материалах ТИКАС. При наличии на исследуемой площади рек или водоемов тепловая ИК аэросъемка откартирует все выпуски сбросовых вод, что наверняка заинтересует территориальные экологические службы. Качество тепловых изображений таково, что они могут служить фотопланом города. Наконец, попланшетные тепловые ИК изображения в качестве растрового слоя интегрируются в различные муниципальные или специализированные ГИС.

Однако, следует иметь в виду, что величина экономического эффекта напрямую зависит от способности Потребителей использовать полученную информацию при принятии грамотных управленческих, технических и финансовых решений.

Резюмируя вышеизложенное, можно сформулировать основные достоинства технологии ТИКАС:

¦ высокая производительность;

¦ высокая оперативность;

¦ высокое пространственное разрешение и, как следствие, высокая информативность получаемых материалов - тепловая ИК аэросъемка позволяет контролировать сети диаметром от 50 мм;

¦ высокая достоверность информации - в среднем 75% подтверждения выявленных участков утечки тепла;

¦ возможность получения теплового ИК изображения любого требуемого масштаба путем масштабной трансформации;

¦ возможность представления материалов в электронном и печатном виде;

¦ возможность интегрирования масштабированного теплового изображения и векторных схем интерпретации в муниципальные и специализированные ГИС;

¦ высокая экономическая эффективность применения ТИКАС при контроле тепловых сетей;

¦ доступность технологии обработки, а также приемов дешифрирования и интерпретации материалов для обучения персонала эксплуатационных служб.

Уже многие города России оценили по достоинству возможности метода. Мы имеем большой опыт работ в разных регионах России (Братск, Владимир, Губкин, Липецк, Москва и большинство городов Московской области, Новосибирск, Новый Уренгой, Обнинск, Рязань, Старый Оскол, Сургут, Тула, Тюмень и др.) и за границей (Латвия).

Размещено на Allbest.ru