CC BY
45
УДК 697.34 DOI 10.18635/2071-2219-2016-6-32-36
Методика планирования и организации работ
V а V
по тепловой инфракрасной аэросъемке
тепловых сетей
С. В. Чичерин,
Омский государственный университет путей сообщения
Методика планирования и организации работ по тепловой инфракрасной аэросъемке тепловых сетей демонстрирует эффективный диагностический подход, который может быть использован при выполнении мониторингового обследования участков тепловых сетей. Она включает в себя десять последовательных шагов, таких как запуск процедуры согласования, подготовка топоосновы, определение ориентировочной стоимости, обоснование, расчет окупаемости проекта, составление технического задания, поэтапное планирование и др. Для опытного применения данной методики была смоделирована ситуация инициации подобного проекта в г. Омске.
Ключевые слова: теплоснабжение, тепловые сети, тепловая инфракрасная аэросъемка, мониторинг, диагностика, картирование.
Тепловые сети в процессе эксплуатации изнашиваются неравномерно. На их эксплуатационные характеристики оказывают воздействие периодические отключения и пуски, сезонная обводняе-мость грунтовыми водами, скрытые утечки теплоносителя и водоканальных сетей, воздействие сторонних электромагнитных полей (станции катодной защиты, источники постоянного и переменного тока). Организованное постоянное наблюдение и диагностика средствами неразрушающего контроля позволяют отслеживать динамику деструктивных процессов в трубопроводах и формировать адресные программы ремонтных работ обоснованно и с высокой достоверностью.
Тепловая инфракрасная аэросъемка сетей является дистанционным диагностическим методом, который позволяет эффективно решать задачи картирования и диагностики, обладает высокой оперативностью и точностью. Однако сложность подготовки, стоимость проведения тепловой аэросъемки и непонимание конечных результатов снижают ее популярность. Примеры результатов, полученных в ходе подобных работ, и методики их организации отсутствуют в свободном доступе, а имеющиеся сведения носят отрывочный характер и не позволяют оценить финансовые и материально-физические затраты с должной степенью точности. Все это представляет дополнительную сложность для персонала, не обладающего в силу специфики образования и должностных обязанностей обширными знаниями в области аэросъемки и геоинформационных технологий.
Для преодоления этих барьеров создана настоящая методика планирования и организации работ по тепловой инфракрасной аэросъемке тепловых сетей. Она включает в себя ряд последовательных этапов, рассматриваемых ниже.
1. Определение принципиальной возможности
Первый вопрос, как правило, касается стоимости проведения работ, поэтому важно уточнить два напрямую влияющих на нее фактора - фактическую площадь кварталов жилой застройки, где требуется выполнить обследование, и возможность аренды и стоимость летного часа судна малой авиации, например вертолета Ми-8, с помощью которого будет производиться тепловая инфракрасная аэросъемка [1].
На первом этапе для организации тепловой аэросъемки потребуется лишь карта города с указанием границ аэросъемки. Однако уже на этом этапе необходимо выяснить, какие качественные картографические материалы имеются на предприятии и какие существуют источники для их получения (2ГИС, Федеральное агентство геодезии и картографии и др.).
Следует определить порядок временных затрат: время тепловой аэросъемки зависит от зоны облета, в частности, сплошная тепловая аэросъемка площади 20x25 км занимает около 40 часов.
2. Запуск процедуры согласований и подготовка топоосновы
2.1. Для запуска процесса получения разрешений и согласований в компетентных органах требуется подготовка письменного запроса о проведении тепловой инфракрасной аэросъемки территории населенного пункта для решения задач дистанционной диагностики тепловых сетей (за подписью главы муниципального образования).
2.2. Следует иметь в виду, что для обработки получаемых в результате тепловой инфракрасной аэросъемки тепловых сетей данных потребуется крупномасштабная (лучше векторная) топографическая основа исследуемой территории (желательно масштаба 1:2000). Топооснова должна быть с грифом
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I mm.enf.ru
№ 6(72) 2016, ноябрь-декабрь
«Для служебного пользования», иначе специалисты теплосетевого предприятия не смогут работать с результатами аэросъемки, которые при работе с секретной топоосновой также приобретут статус секретных. Очевидно, что чем более качественной будет исходная топооснова, тем более качественный результат будет получен [2].
3. Определение ориентировочной стоимости
Ориентировочная стоимость выполнения тепловой аэросъемки 380 км2 составляет 4 500 000 рублей.
4. Выбор исполнителя
Ниже предлагается перечень потенциально возможных исполнителей проведения тепловой инфракрасной аэросъемки территории любого объекта, расположенного в европейской части России и Западной Сибири:
- ООО АП «ДИсСО» (Санкт-Петербург);
- АО «ГНПП Аэрогеофизика» (Москва);
- ОАО «Фирма ОРГРЭС» (Москва).
Должен быть отправлен соответствующий запрос и получен ответ, что предприятие имеет возможность выполнить тепловую аэросъемку населенного пункта (промышленного объекта).
5. Составление обоснования, расчет окупаемости проекта
Часто на этом этапе или ранее требуется произвести расчет окупаемости. Количественный расчет предлагается проводить исходя из величины нормативных и фактических утечек, что является наиболее простым и в то же время показательным вариантом. Ценность проводимой дистанционной диагностики тепловых сетей методом тепловой инфракрасной аэросъемки тепловых сетей заключается не только в снижении потерь тепловой энергии и теплоносителя в результате устранения скрытых повреждений, но и в получении информации о местах нарушения изоляции трубопроводов, о расположении тепловых сетей на плане города. В настоящее время происходит реформирование рынка теплоснабжения, которое выражается в постепенном переходе на долгосрочное регулирование с возможностью возврата инвестиций через тарифную составляющую, в том числе путем учета в необходимой валовой выручке, в частности, экономии расходов за счет упомянутого снижения тепловых потерь при передаче тепловой энергии и снижения удельного расхода энергоресурсов [3]. Также имеет смысл сопоставить возможные величины сверхнормативных и фактических утечек в тепловых сетях.
6. Составление технического задания совместно с исполнителем
6.1. Уточнение территории (как правило, в меньшую сторону).
Контур аэросъемки не должен быть сильно изрезанным, поскольку речь обычно идет о выполнении
площадных аэросъемочных работ по системе прямолинейных параллельных маршрутов в направлении север - юг или запад - восток.
6.2. Установление источника картографической информации и масштаба.
6.3. Также помимо стандартного раздела о сроках должны быть оговорены цели. Ими могут быть [4]:
- построение и уточнение схем расположения тепловых сетей;
- качественная оценка состояния тепловых сетей;
- решение задач прогнозирования и упреждения аварийных ситуаций на тепловых сетях;
- решение задач оперативного и планового ремонта теплотрассы.
6.4. Определение средств.
6.5. Установление требований к результатам.
Участки тепловой сети изображаются ломаной
линией, концы которой примыкают к соответствующим графическим объектам (камерам или зданиям). Для качественной оценки состояния тепловых сетей принимаются следующие градации [5]:
- нормированные тепловые потери (трасса в нормальном состоянии, целостная и сухая теплоизоляция);
- повышенная утечка тепла (коррозионно-опас-ная ситуация, влажная или нарушенная тепловая изоляция);
- высокая утечка тепла (аварийно-опасная ситуация, небольшие свищи, нарушенная и влажная изоляция);
- аварийное состояние (разрыв трубопровода с разливом теплоносителя).
Для участков тепловых сетей по каждой приведенной выше градации выбирается свой цвет линий.
6.6. Проработка основных процедурных вопросов.
Может быть оговорен срок, когда должен
появиться подписанный договор, на основании которого предприятие-исполнитель должно будет заключить договор с авиапредприятием. К назначенной дате исполнитель командирует специалистов с оборудованием, устанавливает оборудование на борт вертолета Ми-8, совместно с авиакомпанией выполняет согласующие процедуры с местными компетентными органами, совершает пробный вылет (облет и настройку бортового комплекса) и отчитывается заказчику о готовности к выполнению аэросъемки. Съемка начинается при наличии соответствующих метеоусловий: отсутствие осадков, снежного покрова, прямой солнечной инсоляции (режим ночных полетов или высокая сплошная облачность, температура -5...+5 0С, облачность выше 350 м).
6.7. Разработка требований к обеспечению техники безопасности и конфиденциальности.
6.8. Разработка требований к оказанию услуг.
Предоставляемые услуги могут включать в себя:
- получение всех необходимых разрешительных документов на полеты;
- организацию аэросъемочных работ, включая оборудование вертолета, контрольно-настроечные и калибровочные операции;
- проведение тепловой инфракрасной аэросъемки;
- первичную камеральную обработку;
№ 6(72) 2016, ноябрь-декабрь
- подготовку (включая технологическую коррекцию) и передачу заказчику помаршрутных файлов тепловых инфракрасных изображений на электронных носителях вместе с программой визуализации (например, 1п1У1еш) [6];
- масштабную трансформацию тепловых ИК-изоб-ражений по топооснове, их сшивку, разрезку и запись в согласованных форматах, передачу заказчику;
- дешифрирование и интерпретацию материалов тепловой инфракрасной аэросъемки с целью определения местоположения и дистанционной диагностики состояния тепловых сетей;
- создание (уточнение) и передачу заказчику векторных схем теплосетей и векторных слоев диагностики;
- подготовку проектов и полистную печать сшитого теплового изображения (рекомендуется масштаб от 1:2000);
- подготовку проектов и полистную печать схем расположения и диагностики тепловых сетей на топо-основе (рекомендуется масштаб от 1:2000);
- поставку современного лицензионного программного обеспечения, необходимого для работы с данными (к примеру, ГИС Март:£о версии 10.5).
6.9. Выполнение окончательного варианта схемы.
6.10. Исходя из вышеизложенных элементов технического задания необходимо уточнить максимальную сумму договора на проведение тепловой инфракрасной аэросъемки тепловых сетей: в зависимости от выбранных опций стоимость может увеличиться в 1,5-2 раза.
7. Поэтапное планирование и составление календарного плана
Календарный план повлияет на количество отчетных документов и может напрямую коррелировать с графиком оплаты. Он может содержать нижеследующие пункты.
7.1. Подготовительные работы по организации тепловизионной аэросъемки тепловых сетей населенного пункта, включающие:
- получение разрешений и согласований;
- подготовку картографического материала с привязкой на местности и указанием границ обследуемых кварталов жилой застройки населенного пункта, прокладку маршрутов тепловизионной аэросъемки;
- аренду вертолета для проведения летно-съе-мочных работ;
- отработку схемы выполнения авиаполетов, составление технологической карты проведения летно-съемочных работ;
- согласование порядка взаимодействия с экипажем воздушного судна в процессе проведения тепло-визионной аэросъемки;
- составление схемы установки и подключения аэросъемочной и вспомогательной аппаратуры на воздушном носителе;
- наладку и юстировку инфракрасной, измерительной и регистрирующей аппаратуры.
7.2. Непосредственно тепловая (инфракрасная) аэросъемка тепловых сетей.
7.3. Первичная экспресс-обработка материалов тепловой аэросъемки, по результатам которой был сформирован каталог участков тепловых сетей с повышенным тепловыделением, характерным для потенциально аварийно-опасных участков. Масштабная трансформация тепловых изображений и их сшивка. Формирование тепловых изображений кварталов населенного пункта с заголовками координатной привязки для интеграции в ГИС. Качественная оценка эксплуатационного состояния тепловых сетей по изложенным выше категориям.
8. Выполнение калькуляций
Такие документы в принципе необходимы лишь для планово-экономического отдела и аналогичных структур, однако их ответственное составление даст возможность поэлементно сравнивать стоимость всех компонентов и выявлять точки сокращения издержек [7], что позволит сократить стоимость повторного проведения тепловой инфракрасной аэросъемки, а в конечном счете увеличить вероятность регулярного использования такого рода диагностики и повысить надежность тепловых сетей в целом. Требуется составление отдельной для каждого этапа калькуляции, а затем и сводного документа.
Калькуляция общей стоимости работ по обследованию одного погонного километра тепловых сетей в однотрубном исчислении может содержать следующие пункты:
- амортизацию основных средств;
- материалы;
- услуги сторонних организаций;
- заработную плату (ведущий инженер, ведущий геофизик, техник-геофизик, инженер-дешифров-щик, бортоператор, штурман и др.);
- накладные расходы;
- итого себестоимость;
- прибыль;
- стоимость работ на 1 пог. км.
9. Составление и подписание договора
Предлагается использование типового договора подряда, включающего в себя следующие пункты:
- предмет договора;
- права и обязанности сторон;
- цену работ и порядок расчетов;
- производство работ;
- порядок приемки результатов работ;
- ответственность сторон;
- особые условия;
- порядок разрешения споров;
- прочие условия;
- реквизиты и подписи сторон.
10. Исполнение прав и обязанностей, налагаемых договором
Для опытного применения данной методики была смоделирована ситуация инициации подобного про-
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / тт№,еП(М,т
№ 6772) 2016, ноябрь-декабрь
екта со стороны одного из двух основных предприятий, имеющих на своем балансе тепловые сети в г. Омске.
Площадь г. Омска составляет 573 км2, однако некоторые районы города запитаны от небольших котельных [8]. Уменьшение площади съемки за счет исключения частного сектора, промышленных зон, упомянутых зон теплоснабжения от небольших котельных и др. дало значение площади обследования ориентировочно 380 км2. Имеется организация, предлагающая возможность предоставления вертолета МИ-8 в г. Омске. Стоимость одного летного часа составляет ориентировочно 65 тыс. рублей. Для выполнения полетов над территорией г. Омска необходимо получение разрешения Генерального штаба ВС РФ, Центрального военного округа и УФСБ России по Омской области на полет, согласование проведения тепловой аэросъемки в администрации г. Омска.
Зная нормативную величину утечек (587 т/ч) [9], установим расчетный расход теплоносителя через повреждения, выявленные и устраненные после проведения работ, в размере около 14 %, то есть примерно 80 т/ч. Исходя из предположения, что выявленные утечки в противном случае не были бы обнаружены и устранены до окончания текущего отопительного периода, максимальный дополнительный расход теплоносителя составил бы:
80-5300 = 424 тыс. м3,
где 5300 ч - средняя продолжительность отопительного периода в г. Омске.
Тогда потери тепловой энергии:
424-1[(90+50)/2-10] = 25,4 тыс. Гкал,
где 1 - средняя объемная теплоемкость воды, Гкал/тыс. м3;
90 и 50 0С - усредненные в течение отопительного периода температуры воды в подающем и обратном трубопроводах;
10 0С - величина снижения температуры теплоносителя при транспортировке от источника теплоснабжения до потребителя.
При стоимости воды 14,5 руб./м3 и стоимости тепловой энергии по топливной составляющей 344,8 руб./Гкал дополнительные затраты составили бы:
424-14,5 + 25,4-344,8 = 14,9 млн руб.
Исходя только из этой составляющей окупаемость проекта - около 7 месяцев.
На этапе составления технического задания внимательное изучение детальных карт города, имеющихся в открытых источниках, позволило создать примерную схему расположения объектов теплосе-тевой инфраструктуры на топооснове масштаба
1:100 000. Исследуемая территория г. Омска в границах контура, нанесенного на данную топооснову, имеет площадь около 290 кв. км. Данная величина и была принята за окончательную.
Согласно имеющимся данным, топографическая основа исследуемой территории масштаба 1:2000 с грифом «Для служебного пользования» может быть получена в Управлении архитектуры г. Омска.
Тепловая инфракрасная аэросъемка выполняется с вертолета по системе параллельных маршрутов с интервалом 350 м при помощи тепловизионной системы ИКАР-002, позволяющей с высоты 500 м получать изображение с пространственным разрешением 0,25 м и любым спектральным диапазоном, в том числе видимым. Прокладку маршрутов и плановую привязку измерений предполагается осуществить с помощью космической навигационной системы, обеспечивающей абсолютную погрешность определения координат ±25 м.
Исходя из уточненной площади территории 290 км2 получаем общий объем летных часов около 20 ч. При условии выполнения ночных полетов имеется возможность одного вылета за ночь (с 02:00 до 05:00), тогда потребуется сделать 7 вылетов, что, как правило, укладывается в 2-2,5 недели (с учетом требуемых погодных условий).
Укрупненная оценка всех затрат показала стоимость в 9 млн руб. с НДС.
Исходя из площади территории 290 км2 предлагается срок выполнения, равный 8 месяцам. Длительность подготовительных работ тогда составит 1 месяц, длительность непосредственно диагностики - 2 месяца, время обработки полученной информации - 5 месяцев.
Обобщенные результаты анализа материалов тепловизионной аэросъемки тепловых сетей города Омска
Исходя из протяженности 1968,857 пог. км в однотрубном исчислении и состояния тепловых сетей г. Омска по результатам первичного просмотра материалов тепловой аэросъемки может быть выделено несколько сотен участков подземных тепловых сетей, которые с наибольшей степенью вероятности могут обладать следующими дефектами:
- места скрытых утечек теплоносителя;
- значимые дефекты запорной арматуры в тепловых камерах;
- подтопленные тепловые камеры и участки тепловых сетей [10];
- участки со значительным нарушением тепло- и гидроизоляционного покрытия.
В итоге будет составлен каталог фрагментов тепловой аэросъемки с результатами наземной диагностики участков тепловых сетей, над которыми зарегистрированы повышенные значения теплового потока при обследовании методом тепловой аэросъемки. Заказчику будет передан компакт-диск с файлами тепловых изображений кварталов г. Омска и файлами привязок. Результаты качественной оценки состояния тепловых сетей могут быть пред-
№ 6772) 2016, ноябрь-декабрь
ставлены на компакт-диске и на полистных схемах сшитого теплового изображения в масштабе 1:2000.
Приведенная методика демонстрирует диагностический подход, который может быть использован при выполнении мониторингового обследования участков тепловых сетей. Следует еще раз отметить, что использование только материалов тепловой аэросъемки не позволяет говорить об остаточном ресурсе трубопровода, так как температурное поле позволяет классифицировать с небольшими допущениями состояние тепловой изоляции и гидрологические условия залегания трубопроводов и не может характеризовать состояние металла трубы. Одним из безусловных преимуществ применения тепловой аэросъемки является возможность проведения экспресс-обследования (за достаточно короткое время, от недели до месяца) тепловых сетей, пространственно разнесенных,
для целей выявления участков со скрытыми утечками теплоносителя. Однако только по материалам тепловой аэросъемки невозможно определить с достаточной точностью (хотя бы до двух метров) местоположение скрытой утечки.
Заинтересованность и помощь, оказываемая руководством и специалистами теплосетевого предприятия сотрудникам предприятия-исполнителя при проведении диагностики будет способствовать успешному выполнению работ. Важно, чтобы участки тепловых сетей, определенные по результатам тепловой аэросъемки как находящиеся в аварийном состоянии, где наземной бригадой было подтверждено наличие и указано местоположение утечки, были незамедлительно отремонтированы.
Дальнейшую верификацию информации планируется осуществить путем сравнения приведенных здесь результатов с результатами, полученными на предприятии омских магистральных тепловых сетей.
Литература
1. Пируева Т. Г., Скловский С. А. Тепловая инфракрасная аэросъемка как инструмент контроля дистанционного состояния тепловых сетей / / Новости теплоснабжения. - 2011. - № 9 (133).
2. Скловский С. А., Пируева Т. Г., Кащеев В. П. Экономическая эффективность тепловой инфракрасной аэросъемки при оценке состояния подземных тепловых сетей [Электронный ресурс]. Код доступа: www.aerogeophysica.com.
3. Глухов С. В., Коваленко А. В., Чичерин С. В. Развитие систем теплоснабжения структурных подразделений ОАО «РЖД» / / Вестник ВНИИЖТ. - 2016. - №. 3. - С. 183-188.
4. Чичерин С. В. Канальная прокладка трубопроводов тепловых сетей как средство обеспечения надежности систем централизованного теплоснабжения / / Материалы докладов X школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В. Е. Алемасова. - Казань, 13-15 сентября 2016. - Казань: КазНЦ РАН, 2016. - 393 с.
5. Пируева Т. Г., Скловский С. А. Решение задач городского коммунального хозяйства с помощью тепловой инфракрасной аэросъемки / / Энергетик. - 2009. - № 1.
6. Friman O. et al. Methods for large-scale monitoring of district heating systems using airborne thermography, Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, vol. 52, iss. 8, pp. 5175-5182. https://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2013.2287238.
7. Oztunc E., Lier M. Aerial thermographic survey of district heating systems, Hot Cool, 2014, no. 3, pp. 6-8.
8. Глухов С. В., Чичерин С. В. Причины развития коррозионных процессов на магистральных тепловых сетях г. Омска / / Сборник статей Международной научно-практической конференции «Инструменты и механизмы современного инновационного развития»: в 3 ч. - Уфа: Аэтерна, 2016.
9. Обосновывающие материалы к схеме теплоснабжения города Омска до 2030 года (актуализация на 2016 год). - Кн. 1. Существующее положение в сфере производства, передачи и потребления тепловой энергии для целей теплоснабжения. - Омск, 2015. - С. 345.
10. Чичерин С. В. Современные способы уплотнения стыковых швов в плитах перекрытий каналов тепловых сетей / / Мониторинг. Наука и технологии. - 2016. - № 3 (28). - С. 100-101.
An aerial infrared thermography planning and processing methodology
S. V. Chicherin,
Omsk State Transport University
Aerial infrared thermography is superior to ground-based infrared in applications where a straight-down and large-area view is needed and where large areas and long distances must be covered. The author describes his ten-step methodology of aerial infrared thermography planning and processing including permission obtaining, mapping, tесhnical assignment, planning, etc. Application of the suggested methodology was modeled on the example of the Omsk district heating system.
Keywords: heat supply, district heating, aerial infrared thermography, monitoring, diagnostics, mapping.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.ru
№ 6(72) 2016, ноябрь-декабрь
