Россия – страна северная. Продолжительность отопительного сезона здесь составляет от 5 до 9 месяцев, что делает задачу городского теплоснабжения одной их наиболее актуальных среди широкого спектра проблем ЖКХ. Выход из строя магистральной теплотрассы в зимний период – это всегда катастрофа, хотя и местного масштаба. Название города можете подставить сами….
Не секрет, что тепловые сети - один из ключевых элементов городского хозяйства - в большом количестве городов находятся в критическом состоянии, срок службы многих из них давно истёк, капитальный ремонт требует значительного времени и колоссальных затрат. Каждый отопительный сезон в средствах массовой информации появляются сообщения о крупных авариях на тепловых сетях в различных регионах России и о героических усилиях коммунальных служб по ликвидации их последствий. И сопровождаются такие сюжеты, как правило, сетованиями руководителей ЖКХ или руководителей регионов о плачевном состоянии теплосетей и об отсутствии средств на их ремонт. Действительно, созданная и действующая по сей день в стране система централизованного теплоснабжения далека от совершенства. В большинстве стран приняты автономные системы, исключающие потери тепла на многокилометровых трассах, а если таковые и есть, то они – по-иному спроектированы и построены. Например, трубы - из пластика или даже керамические, а потому не подвержены коррозии... Все это так, но сетовать по этому поводу - занятие бесперспективное. Разумнее исходить из данных обстоятельств и понимать, что в обозримом будущем других сетей у нас не будет, и задача состоит в том, чтобы как-то поддерживать в рабочем состоянии весь этот дряхлый организм, используя максимально доступный арсенал технических средств. Надо действовать обоснованно и планомерно, а не метаться вслепую от одной аварии к другой, не предполагая, где рванет завтра.
А начинать надо с получения и анализа объективной информации об истинном состоянии теплосетей и их плановом положении. 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 городов - сотни погонных километров. В Москве, например, она составляет около 15 тыс. пог. км (в среднем более 10 пог. км двухтрубного теплопровода на 1 км2 городской территории). Построение схем теплосетей на территорию даже небольшого города в рамках традиционных наземных (геодезических) методов является процессом трудоемким и весьма затратным. Следовательно, возникает необходимость в таком методе, который позволял бы создать (либо уточнить) схемы расположения сетей и оценить их состояние. Тепловая инфракрасная аэросъемка (ТИКАС) на сегодняшний день является единственным дистанционным методом, который позволяет решать обе эти задачи, обладая при этом высокой оперативностью, достаточной точностью и разумными ценами.
Определение и основные положения метода ТИКАС подробно изложены в наших многочисленных публикациях и докладах. Но, к сожалению, участвуя в тематических выставках и семинарах, мы убеждаемся, что до сих пор для многих этот метод является, как принято сейчас говорить, инновационным. Поэтому кратко повторим.
Под инфракрасной съемкой понимают регистрацию электромагнитного излучения земной поверхности или различных объектов земной поверхности в инфракрасной (ИК) области спектра и преобразование его в видимое изображение. В среднем и дальнем диапазонах распространяется собственное ИК излучение объектов, при этом интенсивность его в значительной степени обусловлена их тепловым состоянием. Поэтому съемка в указанных диапазонах называется тепловой инфракрасной, что наиболее полно отражает суть метода.
В начале 1980-х годов возникла идея использовать ТИКАС для контроля различных объектов городского коммунального хозяйства. К 1990г. силами ГНПП «Аэрогеофизика» была разработана обоснованная методика выполнения тепловой ИК аэросъемки и дешифрирования ее материалов применительно к контролю состояния подземных тепловых сетей, а также иных объектов городской инфраструктуры. Основные методические положения при этом сводились к выбору сезона, времени суток, метеоусловий и параметров съемки (дистанция, схема полетов и т. д.)
С начала 90-х годов ТИКАС в Москве производится на регулярной основе в режиме мониторинга. На первых порах использовался серийный гражданский тепловизор «ВУЛКАН», разработанный Азовским оптико-механическим заводом в конце 1970-х годов. Удачная оптическая схема сканера не устарела до сих пор, что обусловило длительный срок жизни этих устройств и широкие возможности их модернизации. Однако, фоторегистрация, как единственное штатное средство регистрации данных, являлась фактором, сдерживавшим развитие аппаратурно-технических средств метода. Получаемые на фотопленке тепловые изображения страдали «полосатостью», присущей сканерным съемкам, геометрическими искажениями за счет эволюций и вибраций летательного аппарата, неравномерностью масштаба изображения вкрест и вдоль линии полета. Кроме того, масштаб существенно зависел от направления и скорости ветра. При работе с материалами уже невозможно было изменить яркость, контрастность или масштаб изображения. Тем не менее, материалы ТИКАС вполне успешно применялись для обнаружения аварийных участков тепловых сетей. Но ни о каком картировании не могло быть и речи. Стремительное развитие вычислительной техники открыло возможности создания, по сути, новой технологии проведения ИК аэросъемок и обработки их результатов.
В связи с высокой потенциальной перспективностью метода специалистами предприятия «Аэрогеофизика» были разработаны системы цифровой регистрации теплового изображения. С осени 1993г. ИК аэросъемка г. Москвы и других городов России выполняется в производственном режиме с регистрацией и полной обработкой цифровой информации на РС.
В результате модернизации гражданского тепловизора «Малахит» был создан специализированный аэросъемочный комплекс «ИКАР-002» (рис. 1,2).
Технические характеристики «ИКАР-002»:
-
спектральный диапазон........................................................………........ 8-14 мкм;
-
температурная чувствительность (при температуре фона +20°С).…….….0,05°;
-
угол обзора............................................................................................…..........120°;
-
мгновенный угол зрения..................................................................................5¢ - 7¢;
-
количество точек на строку изображения.............................…………..…до 4000;
-
частота сканирования ................................……....................................... 230 скан/с;
-
навигационная система ЛОЦМАН на базе GPS приемника GG-20 фирмы JAVAD с функцией активного вертолётовождения (обеспечивает отклонение от заданных линий полета не более 25 м); регистрация навигационных данных – 10 раз в секунду;
-
встроенная инерциальная система коррекции эволюций летательного аппарата.
Одновременно была выполнена разработка пакета программ, обеспечивающих посмотр тепловых изображений и все необходимые методы обработки полученных данных. Программа BortBiZ.exe решает задачи визуализации и регистрации данных ТИКАС на диск бортового компьютера совместно с данными радиовысотомера, GPS и встроенной инерциальной системы. Также эта программа выполняет функции активного вертолётовождения.
Рис. 1. Внешний вид тепловизора ИКАР-002
Для обработки и интерпретации тепловых изображений была создана программа IRIT (Infra Red Image Tools), которая представляет собой единую операционную среду с широким набором процедур обработки изображений и является базой для сквозной технологии вплоть до получения отчетного материала. Главное назначение программы - создание масштабных тепловых изображений в интерактивном режиме. Получаемые в результате изображения можно использовать в качестве топографической основы для последующих интерпретационных действий.
В настоящее время техническая и программная части определяют состав комплекса как единой технологической линии. Получаемое тепловое изображение, скорректированное с учетом данных GPS, курсовой системы и радиовысотомера, практически является картографической проекцией местности.
Методика тепловой ИК аэросъемки
Аэросъёмочный комплекс монтируется на борту любого судна малой авиации (вертолеты Ми-8Т, Ми-2, Ка-26, Ка-32, самолет Ан-2 , ИЛ-14 и др.). В случае использования маленького спортивного самолета (как Cessna 172D при съемке г. Риги) аппаратура монтируется вне фюзеляжа.
Рис. 2. Внефюзеляжный монтаж тепловизора ИКАР-002 на самолете Cessna-172D
Аэросъемка выполняется с высоты 300-400 м по системе параллельных маршрутов с межмаршрутным расстоянием 350-500 м, обеспечивающим не менее чем 50%-ное 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 вечернее и ночное время, реже в дневное – при высокой сплошной облачности. Съемка 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, то есть территория города средней величины, каких в России большинство.
В процессе ИК аэросъемки 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, а затем архивируется на DVD дисках. После каждого вылета выполняется первичная обработка полученных материалов, которая включает:
-
распаковку бортовых данных;
-
синхронизацию полученного ИК изображения с навигационными данными;
-
коррекцию изображения по навигационным данным;
-
формирование координатно-привязанных проектов тепловых ИК изображений.
-
уравнивание сканов, яркостная коррекция по скану;
-
устранение «разбежки» сканов;
-
исправление креновых и тангажных искажений;
-
приведение группы маршрутов к единому уровню теплового поля;
-
создание и коррекцию файлов проектов;
-
запись проектов и файлов ИК изображений.
Результаты на DVD дисках вместе с программой IritView для просмотра тепловых ИК изображений можно сразу использовать для последующих интерпретационных действий.
Экспресс-диагностика
Непосредственно после этапа первичной обработки (через день-два после съемки) выполняется экспресс-обработка материалов с целью выявления однозначно аварийных участков, т.е. таких участков, где наличие утечки теплофикационной воды не вызывает сомнения. (Рис. 3-6).
Этот этап очень важен, особенно в случае осенней съемки, так как позволяет оперативно ликвидировать аварийно-опасные ситуации до наступления зимних холодов и повышения нагрузки (температуры и давления) в сетях. В последние годы производственный отдел 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. (Рис. 3-6). Эта информация во время утреннего селекторного совещания незамедлительно передается на предприятия для принятия неотложных мер. Выполняются наземные вскрышные работы (причем место вскрытия определяется достаточно точно по тепловым снимкам), производятся необходимые ремонтные работы.
Каждая сезонная тепловая ИК аэросъемка г. Москвы позволяет выявить порядка 600 – 800 таких участков.
Рис. 3. Характер проявления утечки на теплотрассе среднего диаметра (d=300 мм), выявленной в процессе экспресс-диагностики; Москва, ночь, негатив.
1 – дороги; 2 – здания; 3 – потребительские теплосети (d=70-100 мм); 4 – камеры;
5 – теплость среднего диаметра (d=300 мм); 5а – место утечки.
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 оперативное использование материалов экспресс-диагностики позволило по свидетельству Заказчика (АО «RĪGAS SILTUMS») сократить на треть подпитку и полностью окупить затраты на аэросъемку уже на данной стадии.
Рис. 4. Пример выявления утечки на теплотрассе малого диаметра в процессе экспресс-диагностики. Москва, территория промзоны, ночь негатив.
1 – дороги; 2 – жилые здания; 2а – производственные здания; 3 – теплотрасса среднего диаметра; 4 – потребительские теплосети; 4а – место утечки; 5 – теплосеть воздушной прокладки; 6 – камеры.
Рис. 5. Пример фрагмента теплового инфракрасного изображения, передаваемого в
эксплуатационные службы для принятия неотложных мер. Москва, ночь.
Рис.6. Характер проявления утечек на теплотрассах малого диаметра. Фрагмент теплового ИК изображения, переданный в эксплуатационные службы для принятия неотложных мер; Москва, ночь, негатив.
Масштабная трансформация тепловых изображений.
Как показала практика работ в различных регионах России, имеющиеся в эксплуатационных службах схемы тепловых сетей имеют значительные неточности, носят фрагментарный характер, либо отсутствуют вообще. Поэтому возможность создания или актуализации таких схем по материалам тепловой ИК аэросъемки приобретает особую актуальность, тем более, что процесс этот требует существенно меньших затрат времени и средств по сравнению с традиционными методами.
Автоматически скорректированные тепловые ИК изображения после этапа первичной обработки уже размещены в координатном пространстве, однако итоговая точность координатной привязки данных отвечает кондициям топографической основы масштаба 1:10 000. Для решения картировочных задач такая точность явно недостаточна. Выбор масштаба (для городских территорий это обычно - 1:2000) обусловлен сочетанием таких факторов как экономическая целесообразность и достаточная информативность. Масштабная трансформация тепловых ИК изображений выполняется с использованием пакета программ IRIT по исходной топографической основе, которую, как правило, предоставляет Заказчик.
Каждый маршрут «подшивается» к топооснове по серии взаимоопознаваемых точек, а затем соседние маршруты «сшиваются» между собой в единое тепловое поле. Для того, чтобы тепловое поле не выглядело как «лоскутное одеяло», соседние маршруты предварительно уравниваются по яркости и контрастности, а линия «сшивки» должна быть проведена таким образом, чтобы не нарушалась целостность изображения.
Далее выполняется процедура разрезки полученных данных по границам исходных планшетов местной системы координат. Полученный в результате масштабирования растровый слой таким образом приобретает кондиции исходной топоосновы и может использоваться в виде растрового слоя в любой муниципальной или специализированной геоинформационной системе (ГИС). Результаты записываются на DVD диски и передаются Заказчику в ранее оговоренном формате. По желанию Заказчика может быть выполнена полистная печать масштабированных тепловых ИК изображений. Следует заметить, что высокое качество теплового изображения (размер точки ИК изображения обычно составляет 0.2м) позволяет использовать его и как фотоплан, на котором, как на рентгене, отображены подземные теплосети.
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 подземных тепловых сетей.
Создание или актуализация схем тепловых сетей может осуществляться в различных ГИС, например, в Geobuilder Pro (разработка ЗАО «Геокибернетика») или в ГИС Mappl (разработка ООО «Маппл Групп»), 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 или определяются неуверенно, правка не производится.
Рис.7. Пример уточнения планового положения теплосетей; Москва, ночь, негатив. 1- здания; 2- положение теплосетей по данным МОЭК; 3 – положение теплосетей по материалам тепловой ИК аэросъемки.
Рис. 7. иллюстрирует возможности ТИКАС при корректировке схем расположения теплосетей. При анализе теплового поля отчетливо видно, что положение абсолютно всех теплотрасс 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 своё отражение на исходной топооснове. Особенно часто такая ситуация встречается в районах новостроек.
На рис. 8 показаны новые дома, которые отсутствуют на топооснове (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 нашло отражение уточнение положения тепловых сетей (поз.5).
Рис. 8. Пример корректирования топоосновы по материалам ТИКАС; Москва, ночь, негатив.
1 – дороги; 2 –жилые здания; 3 – вновь построенные здания по материалам ТИКАС;
4 – положение теплосетей по материалам ТИКАС; 5 – положение теплосетей по данным МОЭК; 6 – камеры; 7 – теплосети воздушной прокладки.
Диагностика состояния тепловых сетей
На следующем этапе обработки материалов ТИКАС выполняется интерпретация теплового поля на основе анализа масштабированных маршрутных тепловых ИК изображений. Необходимость использования именно маршрутных изображений диктуется тем, что в условиях городов при широкоугольной (120º) съемке наблюдается «развал» высоких зданий, за которыми оказывается скрытой часть информации. Использование маршрутных данных дает возможность посмотреть здание с разных ракурсов.
Для решения задач контроля состояния подземных тепловых сетей необходимо понять, за счет чего же в тепловом поле проявляются эти объекты. Теплотрасса, как высокотемпературный объект, является источником кондуктивного потока тепла, который прогревает толщу перекрывающих грунтов и достигает дневной поверхности. Таким образом, на дневной поверхности формируется «тепловой след» трассы, который и фиксируется при тепловой 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 варьирует в широких пределах и не всегда может быть точно определена. Заметим, что в последние годы при прокладке теплотрасс в новых микрорайонах зачастую используются трубы, изолированные пенополиуретаном (ППУ), который, будучи хорошим теплоизолятором, еще и не подвержен коррозии. Поэтому теплотрассы с ППУ практически не проявляются в тепловом поле. В ином случае речь может идти о нарушении технологии прокладки и монтажа таких теплотрасс.
Рис. 9. Характер проявления в тепловом поле теплопроводов различного диаметра.
г. Владимир, ночь, негатив.
1 – дороги; 2 – жилые здания; 3 – потребительские сети малого диаметра (D=70-100 ); 4 – камеры; 5 – магистральный теплопровод (D=600 мм); 5а – участки магистрального теплопровода с высокой утечкой тепла; 6 – теплосети воздушной прокладки.
Априори мы считаем, что подавляющее число трасс (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, так как 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 геоинформационных систем (ГИС), содержащих полную атрибутику параметров теплосети: диаметр и состав материала трубы, глубину залегания, характеристики перекрывающих грунтов и теплоизоляции и др., 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 его протяжении, а также сопоставление трасс разного диаметра. Понятно, что магистральный теплопровод контрастнее проявляется в тепловом поле (так как излучает больше тепла) по сравнению с потребительской теплосетью малого диаметра. Поскольку уровень регистрируемого контраста (энергетической яркости) и ширина теплового следа при прочих равных условиях зависят от величины кондуктивного теплового потока, следовательно, можно делать вывод об интенсивности утечек тепла, а значит, и судить о состоянии теплопровода на различных участках. При этом следует учитывать, что тепловой след от трассы большого диаметра будет значительно контрастнее, чем от трассы малого диаметра (рис.9).
Оценка состояния тепловых сетей производится в четырех градациях, отображаемых на схемах в условных цветах. (Рис. 10б):
-
Нормальное состояние теплотрасы обозначается синим цветом (нормированные теплопотери). 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.10б, поз3). На территории избыточного увлажнения грунтов (например, вблизи рек, водоемов) регистрируется увеличение контраста вследствие увеличения теплопроводности грунтов.
-
Состояние повышенной утечки тепла обозначается зеленым цветом.(Рис. 10б, поз4). 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 некоторых случаях 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 дороги. В таких случаях состояние трассы следует оценивать как «нормальное».
-
Состояние высокой утечки тепла обозначается малиновым цветом (рис. 10б, поз5). Характеризуется нарушенной и влажной изоляцией, канал зачастую заполнен водой из параллельных водонесущих коммуникаций, грунтовой или талой водой. Возможно сквозных повреждений стенок теплопровода в виде трещин в местах сварочных работ (особенно на участках компенсаторов). В тепловом поле отображается как высококонтрастная аномалия (белый фототон) 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, иногда выходящий за верхний уровень динамического диапазона (ярко-белый цвет), широкую расплывчатую форму, обусловленную особенностями микрорельефа. В аких местах требуется принятие неотложных мер по ликвидации аварии (рис.10б, поз. 6).
а
б
Рис. 10. Диагностика состояния подземных теплосетей: 10а-фрагмент теплового поля.
10б-диагностика состояния теплосетей; Москва, ночь, негатив. 1-дороги; 2-здания;3-теплосети с нормированными теплопотерями; 4-теплосети с повышенной утечкой тепла; 5-теплосети с высокой утечкой тепла; 6-теплосеть в аварийном состоянии (свищ); 7-камеры.
а
б
Рис. 11а,б. Уточнение местоположения места утечки путем изменения параметров палитры изображения (яркости и контрастности). Новосибирск, ночь, негатив.
1-дороги; 2-здания; 3- теплосети; 4-камеры; 5- участок высокой утечки тепла; 5а-место утечки теплофикационной воды.
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. При неуверенном выделении определенной градации могут быть использованы промежуточные, например, зеленый цвет в сочетании с малиновым. Естественно, в интерпретационном процессе, выполняемом на качественном уровне, большое значение имеет элемент субъективизма. Однако, участки теплосетей, находящиеся в предаварийном или аварийном (разрыв) состоянии выделяются всегда уверенно и однозначно.
При анализе теплового поля, как правило, выделяются достаточно протяженные предаварийные и аварийные участки. Это увеличивает время поиска, а значит, снижает возможности оперативного выполнения ремонтных работ. Программа IRIT позволяет уточнить местоположение разрыва путем повышения уровня яркостной привязки (условного нуля) теплового поля. При этом четко определяется самое «горячее» место – место свища или разрыва. (рис.11а.,б).
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 теплотрасс (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 теплофикационной воды в окружающее пространство. При этом вода заполняет канал, выходит через щели, размывает грунт, образуя в нем полости. Очевидно, что подобного рода утечки представляют собой опасные явления. Однако, основная задача тепловой аэросъемки не сводится к обнаружению только аварийных участков. Аварийные утечки немедленно регистрируются системами параметрического контроля, достаточно быстро обнаруживаются, локализуются и оперативно принимаются соответствующие меры.
Гораздо важнее прогнозировать развитие аварийных ситуаций с тем, чтобы предупредить тяжелые, а иногда и трагические последствия. 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 в зимний отопительный период, когда давление и температура в сетях максимальны, вероятность возникновения разрывов очень велика. В результате дом, а иногда даже целый квартал или район (в случае разрыва магистрали) остаются без тепла. Суммарный объем утечек (подпитка) по городу – это всегда весьма внушительная величина.
До недавнего времени не было надежного способа выявления постоянных утечек. Тепловая ИК 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.
.
Итак, результатами тепловой ИК аэросъемки являются:
· Оперативно передаваемые Заказчику координатно-привязанные помаршрутные файлы тепловых ИК изображений для экспресс диагностики;
· схемы расположения тепловых сетей с диагностикой их состояния в электронном виде (векторные слои на DVD дисках) и на бумажном носителе;
· масштабированное тепловое ИК изображение всей площади съемки, разрезанное по границам листов соответствующей номенклатуры в электронном виде (на DVD дисках) и на бумажном носителе;
· программа визуализации полученных материалов «IritView» с широким набором функций обработки и экспорта данных.
Экономический эффект
Стоимость тепловой ИК аэросъемки складывается из затрат на авиацию и 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 лётных работ, величины площади работ, полноты «меню» обработки данных. Числа вроде бы впечатляющие, но огромный (нередко пятикратный) экономический эффект, получаемый при использовании данных ТИКАС для картирования и контроля состояния подземных тепловых сетей, делают эти затраты вполне оправданными.
Об эффективности применения материалов съемки может свидетельствовать статистический анализ результатов заверочных работ, выполненный «Мостеплоэнерго», (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 повышенной утечки тепла, из них до 33% составляют 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 тепла;
· предотвращение крупных аварий за счет раннего обнаружения неблагополучных участков.
По оценкам различных потребителей информации экономический эффект от однократной ИК съемки 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.
Кроме контроля состояния тепловых сетей, материалы ТИКАС могут успешно применяться и для решения широкого круга задач городского коммунального хозяйства, в том числе:
- обнаружение зон обводнения и подтопления шоссейных и железных дорог и городских территорий;
- обнаружение сбросов промышленных и коммунальных вод в реки и водоемы;
- обнаружение пленки нефтепродуктов на водной поверхности;
- качественная оценка утечек тепла из зданий и сооружений.
Перечисленные выше виды техногенных воздействий на геологическую среду объединяет то, что все они прямо или косвенно находят отражение в тепловом поле, а, следовательно, могут обнаруживаться и контролироваться с помощью тепловой инфракрасной аэросъемки, что значительно повышает эффективность ее применения, хотя прямой экономический эффект при этом подсчитать практически невозможно.
Эффективность использования материалов тепловой ИК аэросъемки можно существенно повысить, если расширить круг потребителей информации. Например, службы ЖКХ могут получить информацию о повышенных утечках тепла 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
Резюмируя всё выше изложенное, можно сформулировать основные достоинства технологии ТИКАС:
-
компактность оборудования - аэросъемочный комплекс легко транспортируется в любую точку России;
-
возможность использования любого транспортного средства малой авиации;
-
высокая производительность (до 200 км2 в день, т.е. город средней величины);
-
высокая оперативность - материалы ТИКАС через 2-3 дня после съемки могут вовлекаться в экспресс-диагностику;
-
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 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 любые 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 (гг. Братск, Владимир, Губкин, Иркутск, Липецк, Москва и большинство городов Подмосковья, Новосибирск, Новый Уренгой, Обнинск, Рязань, Старый Оскол, Сургут, Тула, Тюмень …) и зарубежом.
Снижение негативного воздействия на окружающую среду.
В заключение следует остановиться еще на одном важном моменте. Сокращение объема подпитки за счет раннего обнаружения утечек приводит не только к повышению эффективности функционирования всей системы, но и снижению негативного воздействия на окружающую среду. Суммарная величина подпитки только для предприятий МОЭК составляет 260 м3 /час или 6216 м3 /сут. Этот огромный объем воды просачивается в грунт. Принимая во внимание, что вода в сетях имеет высокую температуру (70-200°С) и находится под высоким давлением (до 2,5 МПа), можно уверенно утверждать, что постоянные утечки являются одним из наиболее агрессивных и интенсивных источников воздействия на окружающую среду, негативно проявляясь в различных аспектах. Утечки теплоносителя вызывают нарушение теплового режима подземных вод и верхней части грунтов, изменение химического, газового и бактериального состава подземных вод. Повышение уровня грунтовых вод под воздействием утечек приводит, в свою очередь, к подтоплению и заболачиванию территорий, к развитию и активизации карстовых и оползневых процессов, что негативно отражается на состоянии зданий, сооружений и объектов городской инфраструктуры. Долгоживущие утечки размывают контактирующие с теплопроводом грунты (техногенная суффозия) с образованием провальных воронок, заполненных горячей водой, куда иногда проваливается техника и даже люди. С другой стороны, утечки приводят и к дополнительным энергетическим затратам, поскольку требуется восполнение объема воды в системе, при этом вновь закачиваемую воду нужно предварительно химически обработать и подогреть, что, в свою очередь, приводит к дополнительным расходу топлива и выбросам дыма в атмосферу.
Таким образом, даже беглый анализ позволяет сделать вывод, что применение ТИКАС для контроля объектов городского хозяйства позволяет решать целый комплекс как экономических, так и экологических проблем. При этом эффективность ТИКАС напрямую зависит от способности Потребителей использовать полученную информацию при принятии грамотных управленческих, технических и финансовых решений.