Теплоэнергетическое хозяйство – один из важнейших элементов системы жизнеобеспечения российских городов. Эффективность его работы определяется надежностью и безаварийностью, снижением энергетических и финансовых затрат. Чтобы этого добиться, эксплуатационным службам необходимо обладать подробной и оперативной информацией о состоянии тепловых сетей.
Общая протяженность тепловых сетей в большинстве городов измеряется сотнями погонных километров. В Москве, например, она составляет более 9 тыс. км. Современные методы контроля за состоянием сетей характеризуются довольно высокой точностью выявления аварийных мест, но обладают существенным недостатком – низкой производительностью. Устранить его позволяет тепловая инфракрасная аэросъемка (ТИКАС). Она обеспечивает высокий уровень оперативности и достаточную точность, не требуя при этом существенных затрат.
Особенности инфракрасной съемки
Инфракрасная съемка – это процесс регистрации электромагнитного излучения земной поверхности или различных объектов в инфракрасной (ИК) области спектра и преобразование его в видимое изображение.
ИК-область спектра условно делится на четыре диапазона: ближний, средний, дальний и очень далекий. Особый интерес представляет съемка в среднем (3,5–5,6 мкм) и дальнем (8–14 мкм) диапазонах, что обусловлено существованием так называемых «окон прозрачности атмосферы». В указанных диапазонах распространяется собственное излучение объектов земной поверхности, при этом интенсивность инфракрасного излучения в значительной степени обусловлена их тепловым состоянием. Поэтому съемка данного вида называется тепловой инфракрасной, что наиболее точно отражает суть метода.
При тепловой съемке регистрируется ИК-излучение земной поверхности или надземных объектов, то есть к данному методу неприменимо понятие глубинности. Однако глубинные объекты – например, теплопроводы, а также экзо- и эндотермические процессы – оказывают влияние на температурный режим земной поверхности, поэтому поддаются изучению с помощью ТИКАС.
По характеру взаимодействия с изучаемыми объектами метод ИК-съемки является пассивным. Он не оказывает никакого воздействия на изучаемые объекты, в отличие, например, от электроразведки.
По характеру приема лучистой энергии метод является интегральным, то есть с его помощью регистрируется суммарный поток ИК-излучения во всем рабочем диапазоне, в отличие от спектрального анализа.
ТИКАС основана на обзоре двумерного поля излучения. Обзор пространства осуществляется поэлементно путем сканирования перпендикулярно линии полета, а обзор местности происходит за счет перемещения летательного аппарата.
Тепловое поле отличается ультрадинамичностью, на его формирование оказывают влияние многочисленные техногенные и природные факторы – метеорологическая обстановка, положение солнца над горизонтом, свойства и состояние (прежде всего влажность) поверхности.
Современная аппаратурно-техническая реализация ТИКАС позволяет регистрировать распределение радиационных контрастов, правда, 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 их истинная температура понизилась.
Все перечисленные особенности тепловой съемки совместно с особенностями исследуемых объектов необходимо учитывать при выборе параметров и условий съемки.
Цели и задачи
Тепловая съемка может успешно применяться для решения целого ряда задач:
-обнаружения очагов скрытого возгорания – в торфяниках, лесных массивах, полигонах ТБО, терриконах отвалов горнодобывающего производства, угольных пластах и т. п.; утечек из накопителей жидких отходов, оросительных систем и подземных и наземных водонесущих коммуникаций; зон обводнения и подтопления шоссейных и железных дорог и городских территорий; сбросов промышленных и коммунальных вод в реки и водоемы; пленки нефтепродуктов на водной поверхности;
-картирования и дистанционной диагностики тепловых сетей, газо- и нефтепроводов с выявлением мест утечек;
-качественной оценки потерь тепла из зданий и сооружений.
Выполнение съемки
Тепловая инфракрасная съемка может выполняться с земной поверхности, c борта плавающего судна или летательного аппарата. Преимуществом аэросъемки являются высокая оперативность и производительность. За сравнительно короткое время можно обследовать большие площади – порядка 80–100 км2 за один съемочный день. При этом стоимость получаемых материалов в расчете на единицу площади относительно низка.
Съемка производится с помощью разработанного ГНПП «Аэрогеофизика» специализированного тепловизионного комплекса «ИКАР-002», имеющего инерциальную систему коррекции эволюций летательного аппарата. Обычно он монтируется на борту воздушного судна – вертолета МИ-8Т, Ми-2, Ка-26 и др. или самолетов Ан-2, Cessna-172D и др. Возможна как внутренняя, так и внефюзеляжная установка тепловизора. Аэросъемка 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.
Для визуализации теплового изображения и обработки материалов разработан пакет программ IRIT (Infra Red Image Tools) – уникальная единая операционная среда с широким набором процедур обработки изображений. Она представляет собой базу 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.
Аномалии
Подземная теплотрасса является источником кондуктивного потока тепла от трубопровода к приземному слою атмосферы, который, прогревая слой перекрывающих грунтов, достигает дневной поверхности, образуя «тепловой след» трассы. Он 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 трубы, температуры носителя, 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 протечки и увеличения количества вытекающей горячей воды повышается влажность перекрывающих грунтов, что также приводит к падению сопротивления грунта и к увеличению контраста аномалии. Ее размер и форма при этом определяется свойствами грунтов, интенсивностью потока, 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 сегодняшний день метод дистанционной диагностики подземных тепловых сетей. Основная задача при этом не сводится к обнаружению аварийных участков. Как правило, 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 протечки, величина которых не превышает технически допустимых пределов. Они не регистрируются системами параметрического контроля, поэтому долгое время не устраняются. Вследствие этого размывается грунт, образуются воронки, наполненные горячей водой. Кроме того, повышение уровня грунтовых вод под воздействием постоянных утечек приводит к подтоплению и заболачиванию территорий, к развитию и активизации суффозионных, карстовых и оползневых процессов.
Диагностика
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. Существенное влияние на их величину оказывают конструктивные особенности трубопроводов – диаметр, глубина залегания 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 проявляются в тепловом поле значительно менее контрастными аномалиями, чем трассы в непроходном канале. Кроме того, учитывается характер излучающей поверхности (грунт, асфальт и т. п.).
Диагностика состояния теплосетей осуществляется в два этапа.
На первом выполняется экспресс-диагностика с выявлением заведомо аварийных мест, где требуется принятие неотложных мер для ликвидации аварии. Этот вид работ производится сразу после выполнения съемки и первичной обработки материалов.
Второй этап – 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, можно сделать вывод об интенсивности утечек тепла и подготовить предположение о состоянии трассы. Состояние подземных тепловых сетей оценивается в четырех условных градациях и показывается на схемах в условных цветах.
Нормальное состояние обозначается синим цветом, который соответствует тепловой аномалии от слабоконтрастной над трассами малого диаметра до среднеконтрастной над трассами большого диаметра. Теплопровод при этом характеризуется сухой и целостной изоляцией и минимальным тепловым потоком от теплоносителя к земной поверхности.
Состояние повышенной утечки тепла обозначается зеленым цветом. Оно характеризуется влажной или нарушенной теплоизоляцией, что способствует зарождению очагов коррозионного разрушения. В тепловом поле отображается четкая аномалия среднего уровня яркости и несколько увеличенная ширина теплового следа. В некоторых случаях увеличение радиационного контраста обусловлено изменением свойств излучающей поверхности – грунта, асфальта или растительного покрова.
О состоянии высокой утечки тепла свидетельствует малиновый цвет. Для него характерна нарушенная и влажная изоляция, канал может быть 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 высококонтрастная аномалия в несколько раз шире нормы.
Аварийное состояние, в частности – разрыв теплопровода с выходом теплоносителя, обозначается красным цветом. Аномалия теплового поля имеет очень высокий контраст, иногда выходящий за верхний уровень динамического диапазона, широкую расплывчатую форму, обусловленную особенностями микрорельефа. В таких случаях требуется принятие неотложных мер по ликвидации аварии.
Практика
Как показала практика различных регионов России, имеющимся в эксплуатационных службах схемам теплотрасс присущи значительные неточности. Зачастую они носят фрагментарный характер либо вообще отсутствуют. В связи с этим возможность создания или корректировки таких схем по материалам тепловой съемки приобретает особую актуальность, тем более что этот процесс 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.
Данные, полученные ТИКАС, могут быть размещены в муниципальной, городской или специализированной ГИС.
Эффективность ТИКАС зависит в первую очередь от способности потребителя использовать полученную информацию при принятии технических, управленческих и финансовых решений. Чем глубже материалы ТИКАС внедряются в технологический процесс теплоснабжающих предприятий, тем выше их экономический эффект.