ООО «Геолого-геофизическая компания»

Теплоэнергетическое хозяйство – один из необходимых и важнейших элементов системы жизнеобеспечения городов России. Эффективность его работы определяется бесперебойным и безаварийным функционированием, снижением энергетических и материальных затрат. Очевидно, что для решения этих задач эксплуатационным службам необходимо обладать информацией о состоянии тепловых сетей.

Общая протяженность тепловых сетей в большинстве городов - сотни погонных км, в Москве, например, она составляет более 9 000 км. Существующие методы контроля, хотя и характеризуются довольно высокой точностью выявления аварийных мест, обладают существенным недостатком – низкой производительностью. Следовательно, желательно найти такой метод, который позволял бы создать (либо уточнить) схемы расположения сетей и оценивать их состояние и при этом обладал бы высокой оперативностью, достаточной точностью и скромными ценами. Большая протяженность сетей, особенности их функционирования и эксплуатации делают актуальным применение высокопроизводительных методов контроля их состояния.

И такой метод есть - это тепловая инфракрасная аэросъемка (ТИКАС), которая наряду с другими методами дистанционного зондирования играет важную роль для решения широкого круга прикладных задач городского коммунального хозяйства. Метод существует уже боле 20 лет.

Под инфракрасной съемкой понимают регистрацию электромагнитного излучения земной поверхности или различных объектов в инфракрасной (ИК) области спектра и преобразование его в видимое изображение. . По принятой классификации ИК область спектра условно делится на 4 диапазона: ближний, средний , дальний и весьма далекий. Особый интерес представляет съемка в среднем (3,5 – 5,6 мкм) и дальнем (8 –14 мкм) диапазонах ИК области спектра, что обусловлено существованием так называемых «окон прозрачности атмосферы» В указанных диапазонах распространяется собственное излуч. объектов земной поверхности, при этом интенсивность ИК излучения в значительной степени обусловлена их тепловым состоянием. Поэтому съемка называется тепловой инфракрасной, что наиболее полно отражает суть метода.

Основные особенности тепловой инфракрасной аэросъемки (ТИКАС) сводятся к следующему:

· при тепловой съемке регистрируется ИК излуч. непосредственно земной поверхности или объектов земной поверхности, т.е. к данному методу неприменимо понятие глубинности. Однако, в ряде случаев достаточно глубинные объекты (например, теплопроводы) или циклы (экзо-эндотермические) оказывают влияние на температурный режим земной поверхности, что определяет принцип. возможность применения ТИКАС для их изучения;

· по характеру взаимодействия с изучаемыми объектами метод является пассивным, т.е. воздействия на объекты не происходит (в отличие, например, от электроразведки);

· по характеру приема лучистой энергии метод является интегральным, т.е. регистрируется суммарный поток ИК излучения во всем рабочем диапазоне (в отличие от спектрального метода);

· по характеру сбора полезной информации в пространстве ТИКАС основана на обзоре двумерного поля излучения: анализ пространства осуществляется поэлементно путем сканирования перпендикулярно линии полета; анализ местности по второй координате происходит за счет перемещения летательного аппарата;

· тепловое поле отличается ультрадинамичностью, на характер его формирования оказывают влияние множественные техногенные и природные факторы – метеорологическая обстановка (температура воздуха, облачность, ветер, осадки), положение солнца над горизонтом, свойства и состояние (прежде всего влажность) подстилающей поверхности.

Современная аппаратурно-техническая реализация ТИКАС позволяет регистрировать распределение радиационных контрастов, однако, без измерения истинных термодинамических температур. Более того, два одинаковых объекта с равными термодинамическими температурами, помещенные на фоновые поверхности с разной излучательной способностью, будут отображаться разным фототоном. Этим объясняется явление инверсии теплового поля, когда обводненные или переувлажненные участки летом в дневное время выглядят на фоне сухой части поверхности как “холодные” (темные), а ночью, за счет более быстрого остывания фона кажутся “теплыми” (светлыми), в то время как истинная их температура понизилась.

Все перечисленные особенности тепловой съемки совместно с особенностями исследуемых объектов необходимо учитывать при выборе параметров и условий съемки.

Тепловая съемка может успешно применяться для решения следующих задач:

- обнаружение очагов скрытого возгорания (торфяники, лесные массивы, полигоны ТБО, терриконы отвалов горнодобывающего производства, угольные пласты и т.п.);

- картирование и дистанционная диагностика тепловых сетей с выявлением мест утечек;

- выявление утечек из подземных и наземных водонесущих коммуникаций;

- обнаружение утечек из накопителей жидких отходов, оросительных систем;

- 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;

- картирование газо– и нефтепроводов, обнаружение утечек;

- качественная оценка утечек тепла из зданий и сооружений.

Тепловая инфракрасная съемка может выполняться в наземном варианте, c борта плавающего носителя и с борта летательного аппарата. Преимуществом аэросъемки являются высокая оперативность и производительность, так как за сравнительно короткое время позволяет обследовать большие площади (за один съемочный день может быть обследовано 80 - 100 кв. км, т.е. территория города средней величины, каких в России большинство), и относительно низкая стоимость получаемых материалов в расчете на единицу площади.

Тепловая аэросъемка выполняется с помощью специализированного аэросъемочного тепловизионного комплекса «ИКАР-002», (разработка ГНПП «Аэрогеофизика»), включающего инерциальную систему коррекции эволюций летательного аппарата. Аэросъемочный комплекс обычно монтируется на борту воздушного судна (вертолета МИ-8Т, Ми-2, Ка-26 и др. или самолеты Ан-2, Cessna-172D и др.), при этом возможна как внутренняя, так и внефюзеляжная установка тепловизора ( . Съемка выполняется с высоты 350-500 м по системе параллельных маршрутов с межмаршрутным расстоянием, обеспечивающим не менее чем 40%-ное перекрытие изображений для получения площадной картины теплового поля. В качестве основного прибора определения местоположения летательного аппарата и управления полетом используется GPS приемник EuroJD фирмы JAVAD.

Тепловизор «ИКАР-002» на борту самолета Cessna-172D

Для визуализации теплового изображения и обработки материалов в ГНПП «Аэрогеофизика» был разработан пакет программ IRIT (Infra Red Image Tools), который представляет собой уникальную по составу и принципам работы единую операционную среду с широким набором процедур обработки изображений и является базой для полной сквозной технологии – от выполненных съемок до отчетного материала. Главное назначение этой программы – создание масштабных тепловых изображений, которые могут быть использованы в качестве топографической основы для последующих интерпретационных действий.

Применимость метода тепловой ИК аэросъемки для решения задач картирования и контроля подземных тепловых сетей определяется следующими предпосылками.

Подземная теплотрасса является источниками кондуктивного потока тепла от теплопровода к приземному слою атмосферы, который, прогревая слой перекрывающих грунтов, достигает дневной поверхности, образуя «тепловой след» трассы. Этот «тепловой след» регистрируется в тепловом поле дневной поверхности в виде узких линейных аномалий различной интенсивности и размеров. Аномалии имеют положительный знак и в тепловом поле отображаются белым фототоном на позитивном изображении и черным – на негативе. Параметры аномалий (уровень радиационного контраста и ширина теплового следа) зависят от диаметра и глубины заложения теплопровода, температуры теплоносителя, теплопроводности перекрывающих грунтов, состояния излучающей поверхности. Утечки теплоносителя или подтопление сопутствующими и грунтовыми водами приводят к увеличению влажности теплоизоляции, за счет чего резко падает ее тепловое сопротивление и увеличивается тепловой поток. В результате на поверхности формируются аномалии теплового поля, которые характеризуются повышенной интенсивностью. По мере усиления утечки и увеличения количества вытекающего теплоносителя (горячей воды) повышается влажность перекрывающих грунтов, что также приводит к падению сопротивления грунта и к увеличению контраста аномалии. Размер и форма аномалии при этом определяется св грунтов, интенсивностью утечки, и строением микрорельефа. Анализируя характер проявления теплотрасс в тепловом поле совместно с данными об их конструктивных особенностях и способах прокладки, можно сделать вывод об интенсивности утечек тепла, а значит и о состоянии теплопроводов.

Тепловая съемка – единственный на на данный моментшний день метод дистанционной диагностики подземных тепловых сетей. Основная задача при этом не сводится к обнаружению только аварийных участков. в случае разрыва теплотрассы такие места достаточно быстро обнаруживаются системами параметрического контроля, локализуются и устраняются. Более опасными являются утечки, которые можно условно назвать постоянными. Даже при нормальном функционировании тепловых сетей существуют утечки, величина которых не превышает технически допустимых пределов. Такие утечки не регистрируются системами параметрического контроля, поэтому они не устраняются долгое время. Долго живущие утечки размывают контактирующие с теплопроводом грунты (техногенная суффозия) с образованием провальных воронок, наполненных горячей водой, куда зачастую проваливается техника и даже гибнут люди. Кроме того, повышение уровня грунтовых вод под воздействием постоянных утечек приводит к подтоплению и заболачиванию территорий, к развитию и активизации суффозионных, карстовых и оползневых циклов, что негативно отражается на состоянии зданий и сооружений.

Диагностика состояния подземных тепловых сетей основана на качественном анализе регистрируемых тепловых аномалий земной поверхности непосредственно над теплотрассами. Основными параметрами при анализе являются уровень регистрируемого радиационного контраста и ширина теплового следа ( 2, . очевидно, что на величину этих параметров существенное влияние оказывают конструктивные особенности теплотрасс, прежде всего, диаметр, глубина и способ прокладки. Магистрали большого диаметра излучают больший поток тепла, нежели потребительские сети, поэтому характеристики отвечающих им аномалий теплового поля будут существенно выше. Большую роль играет и тип теплоизоляции. При нормальном состоянии сетей трассы в ППУ изоляции проявлены в тепловом поле значительно менее контрастными аномалиями, чем трассы в непроходном канале. Кроме того, учитывался характер излучающей поверхности (грунт, асфальт и т.п.). Диагностика состояния теплосетй осуществляется в два этапа. На первом этапе выполняется экспресс-диагностика с выделением заведомо аварийных мест, где требуется принятие неотложных мер для ликвидации аварии. Этот вид работ производится сразу после выполнения съемки и первичной обработки материалов.

Качественная оценка состояния теплосетей производится визуально, путем сравнения характеристик (контрастности и ширины) теплового следа теплопровода определенного диаметра на всем его протяжении и тех же параметров для трасс разного диаметра. Поскольку уровень регистрируемого контраста 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 сделать предположение о состоянии трассы. Состояние подземных тепловых сетей оценивается в 4-х в условных градациях и демонстрируется на схемах в условных цветах:

- нормальное состояние обозначается синим цветом. Тепловая аномалия от слабоконтрастной над трассами малого диаметра до среднеконтрастной над трассами большого диаметра. Характеризуется сухой и целостной изоляцией и соответственно минимальным тепловым потоком от теплоносителя к земной поверхности (2.поз.4- .

- состояние повышенной утечки тепла обозначается зеленым цветом. 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 изменением свойств излучающей поверхности (грунт, асфальт, растительный покров).

- состояние высокой утечки тепла обозначается малиновым цветом. Характеризуется нарушенной и влажной изоляцией, канал зачастую заполнен водой из параллельных водонесущих коммуникаций, грунтовой или талой водой. Возможно наличие свищей или других видов сквозных повреждений стенок теплопровода, наличие трещин в местах сварочных работ (особенно на участках компенсаторов). В тепловом поле отображается как высококонтрастная аномалия при ширине в несколько раз больше нормы.

- аварийное состояние обозначается красным цветом. Характеризуется разрывом теплопровода с выходом теплоносителя. Аномалия теплового поля имеет очень высокий контраст, иногда выходящий за верхний уровень динамического диапазона (широкую расплывчатую форму, обусловленную особенностями микрорельефа (2, поз. 4а). В таких местах требуется принятие неотложных мер по ликвидации аварии.

Фрагменты скорректированного теплового изображения. Район жилой застройки, ноябрь 2005 г., ночь. Спектральный диапазон 8-14 мкм, негатив. Элементы теплового поля: 1 - жилые здания; 2 –хозяйственные постройки; 3- асфальтированные дороги; 4 – подземные тепловые сети большого диаметра (магистрали); 4а - участки магистрали в предаварийном состоянии; 5– потребительские сети малого диаметра; 6 - камеры.

Как показала практика наших работ в различных регионах России, имеющиеся в эксплуатационных службах схемы теплотрасс страдают значительными неточностями, носят фрагментарный характер, либо отсутствуют вообще. Поэтому принцип. возможность создавать или корректировать такие схемы по материалам тепловой съемки приобретает особую актуальность, тем более, что цикл этот требует значительно меньше времени и средств по сравнению с традиционными методами. Картирование тепловых сетей производится по материалам тепловой съемки, предварительно прошедшим процедуры масштабирования и сшивки в программной среде Geobuilder Pro. При этом выносятся плановое положение сетей, камеры и колодцы, а также результаты диагностики тепловых сетей ( .

Итак, заказчик получает как результат ТИКАС:

- помаршрутные тепловые изображения на CD-ROM дисках в формате *.GRD, *.GRH;

- схемы расположения и состояния тепловых сетей на бумажном носителе;

- векторные слои расположения теплосетей и диагностики их состояния;

- масштабированные тепловые изображения, разрезанные по листам требуемой номенклатуры на CD-ROM дисках в формате *.GRD, *.TIF или *.BMP;

- программное обеспечение для визуализации и обработки материалов ТИКАС.

на данный моментшнее состояние технологии обработки данных ТИКАС таково, что на выходе мы имеем масштабированное по крупномасштабной топооснове тепловое поле, которое в качестве растрового слоя может быть размещено в муниципальной или специализированной ГИС.

Городские администрации, муниципальные службы ЖКХ, предприятия топливно-энергетического хозяйства осознали необходимость создания собственных баз данных, содержащих сведения о положении сетей, их конструктивных особенностях, времени и способе прокладки, ремонтных работах, особенностях эксплуатации, состоянии тепловых сетей. Путь к созданию таких систем - в разворачивании некоторого количества компьютеризированных рабочих мест, в обучении персонала, в формировании инфраструктуры ввода в базы данных соответствующей объективной информации, в том числе и материалов тепловой инфракрасной аэросъемки (ТИКАС).

В качестве примеров реальной интеграции данных ТИКАС в ГИС Заказчика можно привести наше сотрудничество с предприятием «Московская теплосетевая компания», с ГУП «Мостеплоэнерго» (ныне - Московская Объединенная Энергетическая Компания), которые используют материалы тепловой съемки в качестве растрового слоя ГИС предприятий и для создания векторных карт расположения и состояния тепловых сетей. Мы имеем большой опыт работ в разных регионах России (гг. Братск, Губкин, Иркутск, Липецк, Новый Уренгой, Рига, Рязань, Самара, Ст. Оскол, Сургут, Сызрань, Тольятти, Тула, Тюмень, большинство городов Подмосковья).

Стоимость полного цикла съемки и обработки данных тепловой съемки в ценах весны 2007г. составляет около 20 - 25 тыс. руб. за 1 кв. км. Для отдаленных городов стоимость работ несколько увеличивается за счет транспортных расходов (перелет вертолета, транспортировка персонала), при этом эффект от применения ТИКАС в любом случае многократно перекрывает возникающие затраты уже за один отопительный сезон.

Осенью 2005 г была выполнена тепловая инфракрасная аэросъемка Риги. По свидетельству специалистов «RIGAS SILTUMS» затраты практически окупились на стадии экспресс-диагностики, когда по материалам тепловой аэросъемки было выявлено более 20 аварийных участков. Оперативно принятые меры позволили ликвидировать аварийные ситуации, не допустив развития полномасштабных аварий.

По оценкам «Мостеплоэнерго», экономический эффект от однократной ИК аэросъемки составляет порядка 15-20 млн. руб. при затратах на съемку около 3 млн. руб.

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

· исключения при планировании ремонтных работ перекладки сетей, находящихся в удовлетворительном состоянии (до 2% от общего объема перекладок);

· оперативного выявления аварийных и аварийноопасных участков, сокращения времени поиска мест утечки с 12-18 дней (без материалов тепловой ИК аэросъемки) до 1-2 дней;

· снижения объема химочищенной воды на подпитку тепловых сетей (7-9% от общего объема подпитки, или 30 т/час);

· снижения объема земляных работ за счет исключения ошибочных разрытий, а также объема восстановительных работ после ликвидации аварии;

· снижения расхода топлива на нагрев сетевой воды (60-65 тыс. м3 газа в год);

· сокращения прямых потерь тепла;

· предотвращения крупных аварий за счет раннего обнаружения неблагополучных участков;

· выявления незарегистрированных потребителей.

Резюмируя сказанное, хочется отметить один исключительно важный момент: эффективность ТИКАС есть функция способности Потребителя использовать полученную информацию при принятии технических, управленческих и финансовых решений. Чем глубже материалы ТИКАС внедряются в технологический цикл теплоснабжающих предприятий, тем выше экономический эффект от их использования.

Пример уточнения планового положения магистрального теплопровода. А - фрагмент исходной схемы; В - фрагмент теплового поля; С - фрагмент уточненной схемы. Элементы дешифрирования: 1, 1а - жилые здания; 2 - дороги; 3 - теплосеть большого диаметра (магистраль); 3а - участок магистрали с высокой утечкой тепла; 4 - потребительские теплосети; 5 - камеры