Главная » Доклады » Экономическая эффективность тепловой инфракрасной аэросъемки

Экономическая эффективность тепловой инфракрасной аэросъемки

Доклад на третьем международном специализированном научно-практическом семинаре «Современные компьютерные технологии в эксплуатации систем теплоснабжения»

Подземные тепловые сети — характерный элемент городского хозяйства. Общая протяженность тепловых сетей в большинстве городов составляет сотни погонных км. В Москве она превышает 5 500 км (в среднем более 4,2 пог. км двухтрубного теплопровода на 1 км2 городской территории). Диаметр теплопроводов варьирует от 50 мм до 1400 мм, глубина прокладки в большинстве случаев — 1.5 — 2 м, редко 3 — 5 м или менее 1.0 м. Абсолютная величина суммарного расхода циркулирующей сетевой воды — десятки тыс. м3/ч. В Москве расход превышает 250 тыс. м3/ч, при этом во время отопительного сезона общая величина утечек сетевой воды составляет 5000-6000 м3/ч.

Большой расход теплофикационной воды, высокие температуры (70° — 150°С) и давление (до 1,5 . 106 Па) делают утечки одним из наиболее интенсивных источников воздействия на окружающую среду. Оно проявляется в различных видах:

  • тепловом — изменение теплового режима подземных вод, почв, верхней части грунтов;
  • механическом — размывание контактирующих с теплопроводом грунтов с образованием провальных воронок (техногенная суффозия);
  • химическом — растворение карстующихся пород, изменение химического состава подземных вод;
  • гидродинамическом — изменение уровня грунтовых вод.

Большая протяженность сетей, особенности их функционирования и эксплуатации делают актуальным применение высокопроизводительных методов контроля их состояния. Основная задача при этом не сводится к обнаружению только аварийных участков. Как правило, в случае разрыва теплотрассы такие места достаточно быстро обнаруживаются системами параметрического контроля, быстро локализуются и принимаются соответствующие меры. Гораздо важнее прогнозировать развитие аварийных ситуаций, с тем, чтобы предупредить тяжелые, а иногда и трагические последствия. Известно, что в зимний отопительный период при сильных морозах температура и давление в сетях максимальные, поэтому вероятность разрывов на сильно корродированных участках теплопровода очень велика. В результате дом, либо даже целый квартал или район (в случае разрыва магистрали) остаются без тепла. Особенно опасны долгоживущие постоянные утечки, приводящие к размыву грунта под асфальтом и внезапному образованию провальных воронок, в которые нередко проваливается техника или даже гибнут люди.

Одним из дистанционных методов, успешно применяемых для диагностики состояния тепловых сетей с 1992 г., является тепловая инфракрасная аэросъемка (ТИКАС). Методика съемки разработана в ГНПП «Аэрогеофизика» в период 1982-1991гг. Основными достоинствами тепловой аэросъемки являются высокая оперативность и производительность, позволяющие за сравнительно короткое время обследовать значительные пространственно протяженные участки.

На съемку городов площадью до 100 км2 требуется 5-6 летных часов. Первичные материалы поступают к Заказчику на следующий день после съемки.

Под инфракрасной съемкой понимают регистрацию электромагнитного излучения земной поверхности или различных объектов в инфракрасной (ИК) области спектра и преобразование его в видимое изображение. При этом особый интерес представляет съемка в среднем (3 — 5 мкм) и дальнем (8 — 14 мкм) диапазонах ИК области спектра. В указанных диапазонах интенсивность ИК излучения в значительной степени обусловлена тепловым состоянием объектов на дневной поверхности. Поэтому съемка называется тепловая инфракрасная, что и отражает суть метода. Тепловая инфракрасная съемка для задач контроля состояния теплопроводов может выполняться в наземном варианте и с борта летательного аппарата.

Тепловое поле отличается ультрадинамичностью, на характер его формирования оказывают влияние многочисленные техногенные и природные факторы — метеорологическая обстановка (температура воздуха, облачность, ветер, осадки), положение солнца над горизонтом, теплофизические свойства и состояние (прежде всего влажность) подстилающей поверхности и приповерхностного слоя почвы.

В докладе, представленном на аналогичном семинаре в 2000 г были сформулированы основные методические положения ТИКАС и приемы дешифрирования получаемых материалов, была показана целесообразность применения этого метода для дистанционного контроля состояния подземных тепловых сетей. Как следует из отзывов, работы вызвали интерес среди специалистов, непосредственно отвечающих за эксплуатацию и ремонт тепловых сетей. 
Целесообразность применения ТИКАС для контроля состояния тепловых сетей обусловлена высокой степенью достоверности получаемых данных и надежностью их использования при формировании инженерных и управленческих решений, что в конечном счете и определяет высокую экономическую эффективность метода.

Информативность дистанционных наблюдений состояния теплосетей существенно увеличивается при выполнении съемочных работ в режиме мониторинга (дважды в год, в начале и в конце отопительного сезона). Съемка в конце отопительного сезона дает незаменимую информацию для составления планов ремонтных работ. Это позволяет наиболее рационально использовать ограниченные финансовые средства и сократщать сроки ремонтных работ. Съемка в начале отопительного сезона позволяет объективно оценить, с какими сетями эксплуатационные службы входят в зиму.

ГУП «Мостеплоэнерго» с 1992 года в полной мере реализует концепцию полномасштабного мониторинга состояния тепловых сетей, используя материалы ТИКАС при планировании ремонтных и профилактических работ. При этом, как по данным Мостеплоэнерго, так и по материалам Аэрогеофизики можно с уверенностью говорить о формировании стабильного процесса общего улучшения состояния всего теплового хозяйства на территориях, охваченных мониторингом. Наиболее представительные данные об экономической эффективности применения ТИКАС получены именно в результате тесного многолетнего сотрудничества ГНПП «Аэрогеофизики» и ГУП «Мостеплоэнерго».

К сожалению, масштабному и комплексному использованию материалов ТИКАС существенно мешает ведомственная разобщенность муниципальных структур в системе управления городским теплоснабжением (например, в Москве теплосети находятся в ведении ГУП «Мостеплоэнерго», филиала «Тепловые сети» АО «МОСЭНЕРГО», ГУП «Мосгортепло», ГУП «Теплоремонтналадка», а также десятков промышленных предприятий-владельцев собственного теплового хозяйства). При этом можно говорить о снижении экономической эффективности собственно съемочно-интерпретационного процесса в связи с неоптимальной конфигурацией исследуемых участков.

Как мы уже говорили в предыдущем докладе, оценка состояния теплосетей производится нами в четырех градациях. Естественно, речь идет о качественной оценке, поскольку дистанционно измерить абсолютную термодинамическую температуру невозможно в принципе.

Нами приняты следующие градации состояния теплосетей:

  • нормированные теплопотери (трасса в нормальном состоянии, целостная и сухая теплоизоляция);
  • повышенная утечка тепла (влажная или нарушенная изоляция, увеличение интенсивности коррозионных процессов);
  • высокая утечка тепла (небольшие свищи, нарушенная и влажная изоляция);
  • аварийное состояние (разрыв теплопровода с изливом теплоносителя).

Как показывает практика, с помощью перечисленных градаций можно достаточно полно охарактеризовать состояние сетей. При необходимости можно использовать промежуточные градации или ввести новые.
Результативность же съемочно-интерпретационного процесса наглядно продемонстрирована с помощью сводной таблицы 1:

Таблица 1. 
Результаты проверки материалов тепловой ИК аэросъемки за 1995-2001 гг.
(по данным ГУП «Мостеплоэнерго»)

1995
осень
1996
весна
1996
осень
1997
весна
1997
осень
1998
весна
1999
весна
2000*
весна
2000*
осень
2001
весна
2001
осень
2002
весна
2003
весна
2003
осень
2004
весна
Всего выявлено участков утечек тепла64810068088548688476442181247971046793106710971347
Свищ или утечка теплоносителя
( % от общего числа)
163
(25)
142
(14)
150
(19)
204
(24)
121
(14)
121
(15)
156
(24)
42
(20)
34
(27)
154
(19)
220
(21)
165
(21)
352
(33)
220
(20)
183
(13.5)
Затопление канала грунтовой, водопроводной или др. водой2201871442372212682095527268251196270239369
Повреждение изоляции, ветхое состояние теплопровода11822273114841062619564618166195159
Воздушная, наземная или неглубокая прокладка1151411571121991461275815139278195231262447
Участки, где утечки тепла не нашли подтверждения144392411872432061264443172236156148181189
Процент подтверждения участков утечек тепла789670787276808065787881868486

Из анализа приведенных данных следует, что в среднем на один км2 контролируемой территории приходятся 2-3 участка сетей с высокими утечками тепла. В среднем за каждый цикл съемки на всей площади выделяется около 800 таких участков. Исключение составили съемки в 2000 г*, когда по режимным причинам была отснята только часть территории (17%).

Данные наземной заверки, выполненной силами предприятий ГУП «Мостеплоэнерго», свидетельствуют, что причинно-следственная связь между состоянием теплопроводов и их проявлением в тепловом поле подтверждается в подавляющем большинстве случаев — 65-96% (в среднем 79%). Зачастую высокие утечки тепла обусловлены затоплением каналов грунтовыми водами или водами сопутствующих коммуникаций (от 15 до 34%). Такие участки подвержены ускоренному процессу коррозии. От 12 до 20% аномалий отвечают местам неглубокого заложения теплотрасс.

Естественно, наибольший интерес представляют участки развития свищей, т.е. таких участков, где за счет коррозии произошло утонение стенок теплопроводов до критически малой толщины и образовались сквозные повреждения диаметром 1-2 мм. Утечки теплоносителя здесь небольшие и потому не регистрируются системами параметрического контроля. Однако, вследствие постоянного характера утечек, их суммарная величина сопоставима со средней величиной подземного стока. Так по данным В.М. Липовских и Н.А. Воронковой (АО «МОСЭНЕРГО») средняя величина постоянных утечек по площади города в среднем составляет 7,2 м3 в час на 1км2, а вблизи коммуникации — в 5 раз превышают модуль подземного стока. Таким образом, подпитка в большой степени определяется существованием постоянных малых утечек. Особенно опасно, что на участках утонения стенок наиболее вероятно возникновение разрывов при увеличении нагрузки в зимний отопительный сезон.

Из общего числа участков утечек тепла — от 14 до 27% составляют свищи. Возможность их раннего обнаружения и ликвидации позволяют предотвращать крупные аварии в отопительный период. За счет своевременного устранения дефектов, выявленных с помощью тепловой аэросъемки, величина подпитки сокращается в среднем на 10% от норматива, что для предприятий ГУП «Мостеплоэнерго» составляет 60 м3/час. В среднем на 5% от нормативных снижаются потери тепла.

Стоимость однократной тепловой ИК аэросъемки в расчете на 1 кв. км городской территории составляет 4-5 тыс. руб. Для отдаленных городов стоимость работ существенно увеличивается за счет транспортных расходов (перелет вертолета, транспортировка персонала), при этом эффект от применения ТИКАС в любом случае многократно перекрывает возникающие расходы.

Как показали экономические расчеты ГУП «Мостеплоэнерго», использование материалов тепловой аэросъемки в совокупности с наземным акустическим методом дает экономию 20-30 млн. руб. за один цикл съемки для территории 350 км2.

По данным съемки в г. Рязани (1997г.) оперативно выполненные ремонтные работы дали экономию порядка 2 млн. руб. при затратах на съемку 400 тыс. руб. (в новых ценах). Причем, надо учесть, что эта сумма не включает в себя тех затрат, которые были бы неизбежны при ликвидации предотвращенных потенциальных аварий.

Важно отметить, что в связи с неполнотой и разрозненностью технической документации, пресловутой секретностью, а также высокой сложностью проводимых ремонтных работ для значительной части городов России у эксплуатирующих организаций зачастую отсутствуют достоверные данные о плановом положении теплосетей. По материалам тепловой съемки эта информация может быть скорректирована и уточнена, а также заново созданы схемы расположения тепловых сетей, что является исключительно актуальной задачей.

В конечном итоге экономическая эффективность применения ТИКАС при решении задач дистанционной диагностики тепловых сетей определяется способностью заказчиков переварить полученную информацию и превратить ее в инженерные и управленческие решения. Опыт наших работ в разных регионах России (гг. Архангельск, Рязань, Тула, Калуга, Липецк, Ст. Оскол, Губкин, Тюмень, большинство городов Подмосковья) позволяет говорить о значительной инерции мышления специалистов и управленцев. Преодоление ее — ключ к существенному повышению эффективности капиталовложений и залог безопасной и спокойной