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 тепла | 648 | 1006 | 808 | 854 | 868 | 847 | 644 | 218 | 124 | 797 | 1046 | 793 | 1067 | 1097 | 1347 |
| 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. водой | 220 | 187 | 144 | 237 | 221 | 268 | 209 | 55 | 27 | 268 | 251 | 196 | 270 | 239 | 369 |
| Повреждение изоляции, ветхое состояние теплопровода | 118 | 222 | 73 | 114 | 84 | 106 | 26 | 19 | 5 | 64 | 61 | 81 | 66 | 195 | 159 |
| Воздушная, наземная или неглубокая прокладка | 115 | 141 | 157 | 112 | 199 | 146 | 127 | 58 | 15 | 139 | 278 | 195 | 231 | 262 | 447 |
| Участки, где утечки тепла не нашли подтверждения | 144 | 39 | 241 | 187 | 243 | 206 | 126 | 44 | 43 | 172 | 236 | 156 | 148 | 181 | 189 |
| Процент подтверждения участков утечек тепла | 78 | 96 | 70 | 78 | 72 | 76 | 80 | 80 | 65 | 78 | 78 | 81 | 86 | 84 | 86 |
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