Zastosowanie dronów do inspekcji sieci ciepłowniczych

Polska znajduje się w europejskiej czołówce w dziedzinie ciepła sieciowe­go. Około 42% obywateli Polski kupuje energię cieplną od przedsiębiorstw dostarczających ciepło systemowe. Systemy ciepłownicze powstały w większości polskich miast i mają one łącznie długość 19 794 km. Największa sieć ciepłownicza znajduje się w Warszawie i ma długość około 1700 km.

Fot. 1 Bezzałogowy stałopłat S-380 Barracuda

Cechą charakterystyczną struk­tury wiekowej systemów cie­płowniczych w Polsce jest to, że 40% infrastruktury eksploatowana jest od 21 do 40 lat, co bezpośrednio przekłada się na sprawność przesyłu wynoszącą 86,7%. W wyniku rozbu­dowy infrastruktury ciepłowniczej w ostatnich latach można było za­uważyć rosnący trend zużycia ciepła systemowego, które w ciągu następ­nych 20 lat może wzrosnąć o 15%. Struktura własnościowa spółek cie­płowniczych w Polsce wskazuje na większościowy udział sektora publicz­nego (jednostki samorządu terytorial­nego), który zajmuje się wytwarzaniem i dostarczeniem ciepła systemowego głównie na terenie mniejszych miast. Natomiast w największych aglomera­cjach w wyniku prywatyzacji znacząca część zarówno systemów ciepłowni­czych, jak i źródeł wytwarzania ciepła kontrolowana jest przez prywatne przedsiębiorstwa.

Sieci ciepłownicze ze względu na swój wiek są narażone na awarie powodujące nieszczelności, których skutkiem jest spadek sprawności przesyłu, straty środowiskowe, a także możliwość przerw w dosta­wach ciepła dla odbiorców. W dużych aglomeracjach podziemna infrastruk­tura ciepłownicza narażona jest do­datkowo na korozję elektrolityczną wywołaną prądami błądzącymi od trakcji tramwajowej.

Jedną z metod diagnostyki infrastruk­tury przesyłu ciepła jest termowizja. Ze względu na utrudnioną interpreta­cję termogramów wykonanych z po­wierzchni ziemi elementów ciepłocią­gów, takich jak studzienki rewizyjne, przyłącza, kompensatory, których wi­dok jest podobny do obrazu elemen­tów uszkodzonych, wykorzystuje się termowizję lotniczą.

Metoda ta również wykorzystywana jest do lokalizacji rzeczywistego prze­biegu sieci ciepłowniczych względem istniejących map.

Wykonywana do tej pory termowizja lotnicza z wykorzystaniem samolotów oraz helikopterów może bez prze­szkód zostać zastąpiona przez tech­nologię bezzałogową. Utrudnieniem w lotach bezzałogowych w obsza­rach silnie zurbanizowanych są strefy lotnicze w obrębie lotnisk, gdzie ko­nieczne jest jednorazowe zgłoszenie lotu i uzyskanie pozwolenia z urzę­dów nadzoru lotniczego, na którego rozpatrzenie urząd ma 10 dni. Uwa­runkowania prawne w aspekcie ru­chu bezzałogowców w przestrzeni są

szczególnie niedogodne w przypadku awarii sieci ciepłowniczych związa­nych z nieszczelnościami, ponieważ wykrycie miejsca wycieku wymaga na­tychmiastowego działania. Bezzałogowy statek powietrzny – BSP (ang. unmanned aerial vehicle, UAV) nazywany bezzałogowcem lub dronem definiowany jest najczęściej jako konstrukcja latająca wykonująca lot bez pilota na pokładzie, niemająca możliwości zabrania pasażerów oraz pozwalająca na wielokrotne użycie. BSP niezależnie od rodzaju składają się z kilku zintegrowanych ze sobą elementów, są to: platforma nośna, system kontroli lotu, system awioniki, system transmisji danych, naziemna stacja kontroli lotu.

Fot. 2 Wielowirnikowiec (multikopter) wyposażony w kamerę termowizyjną

Platformy nośne bezzałogowców stanowią podstawę do montażu wszelkich systemów pokładowych, a jej dobór uzależniony jest przede wszystkim od przeznaczenia oraz budżetu projektu. Rozróżnia się trzy podstawowe typy platform nośnych BSP: wielowirnikowce, śmigłowce, stałopłaty (fot. 1).

Wszystkie wymienione typy bezzałogowców wyposażone mogą być w do­wolnego rodzaju aparaturę pomiarową w zależności od potrzeb. Najpow­szechniej wykorzystywaną aparaturą w diagnostyce obiektów elektroener­getycznych i przemysłowych są:

– kamery termowizyjne pozwalające na wykrycie uszkodzeń powodują­cych wzrost temperatury poszcze­gólnych elementów infrastruktury;

– kamery bliskiej podczerwieni znaj­dujące zastosowanie w określaniu stopnia wegetacji roślinności znaj­dującej się w pasie chronionym linii elektroenergetycznej;

– kamery wizyjne prezentujące wsze­lakiego rodzaju uszkodzenia mecha­niczne oraz ewentualne braki w in­frastrukturze, a także pozwalające na tworzenie map terenowych;

– skanery laserowe (lidar), które wy­twarzają przestrzenną mapę two­rzoną wokół wybranego rodzaju in­frastruktury.

Do pomiarów ciepłociągów z wykorzy­staniem bezzałogowców stosowane są przede wszystkim kamery wizyjne oraz termowizyjne.

Najważniejsze elementy kamery ter­mowizyjnej to: układ optyczny, de­tektor promieniowania oraz układ przetwarzania i wizualizacji. Moduł detekcyjny jest najbardziej zaawanso­waną technologicznie częścią kamery. Najczęściej stosowanymi detektorami są obecnie niechłodzone matryce mikroblometryczne FPA (ang. focal plane array). Większość obecnie dostępnych na rynku kamer termowizyjnych to kamery radiometryczne, co oznacza, że w zarejestrowanym termogramie mamy możliwość pomiaru temperatu­ry w dowolnym jego punkcie.

Kamery termowizyjne w przeciwień­stwie do dobrze nam znanych kamer cyfrowych nie posiadają obiektywów o zmiennej ogniskowości, co związa­ne jest z bardzo dużym kosztem tego typu rozwiązania ze względu na wy­sokie koszty materiałów służących do wykonania układów optycznych kamer termowizyjnych. Dlatego na etapie zakupu kamery termowizyjnej często zachodzi konieczność dobo­ru odpowiedniej ogniskowej. Zmiana układu optycznego wymaga również kalibracji kamery termowizyjnej. Wymaga to najczęściej odesłania kamery termowizyjnej do producenta, gdzie w specjalistycznym laboratorium do­konywane są zmiany i kalibracja. Po­zornie prosty proces jest niestety czasochłonny i oznacza konieczność pozbycia się urządzenia przez użyt­kownika nawet na kilka tygodni.

Rys. 1 Termogram napowietrznej sieci ciepłowniczej wraz z rozkładem temperatur

Oszacowanie strat ciepła pod wzglę­dem ilościowym na podstawie inter­pretacji termogramu może być mało dokładne ze względu na dużą liczbę zmiennych (zarówno w aspekcie tech­nicznym, jak i środowiskowym), do których należą:

– głębokość zakopania ciepłociągu,

– rodzaj sieci,

– średnica rurociągu,

– warunki atmosferyczne,

– topografia terenu,

– konfiguracja kanału ciepłowniczego,

– temperatura wody transportowanej rurociągiem.

Przeprowadzanie pomiarów termo­wizyjnych zewnętrznych, czyli tych, które wykonywane są w otwartej przestrzeni, wiąże się z wpływem na pomiar kilku czynników, na które nale­ży zwrócić uwagę:

– oddziaływanie wiatru,

– oddziaływanie słońca,

– odblaski,

– oddziaływanie nieba.

Wiatr w termowizyjnych pomiarach zewnętrznych schładza nagrzane powierzchnie, np. wiatr o prędkości 5 m/s obniża ponaddwukrotnie przy­rosty temperatury obiektów. Wobec tego przyjęto zalecenie, które mówi o tym, że przy prędkości wiatru przekraczającej 8 m/s nie powinno się wykonywać pomiarów termowizyj­nych. Schładzanie badanych obiek­tów na wskutek oddziaływania wiatru powoduje najczęściej niewłaściwą interpretację zarejestrowanych termogramów.

Promieniowanie słoneczne wpływa na badane obiekty, dodatkowo je nagrze­wając, co również zaburza właściwą in­terpretację wyników. Podczas silnego oddziaływania słońca zaleca się unikać pomiarów termowizyjnych obiektów o temperaturze poniżej 100-200^oC.

Pochodną badań termowizyjnych cie­płociągów wykonywanych z perspek­tywy lotu ptaka jest ogromna ilość termogramów dachów budynków, które mogą być później udostępnio­ne mieszkańcom w celu wykrywania strat ciepła.

Wykonywanie lotniczej termografii w obszarach silnie zurbanizowanych może również służyć jako narzędzie do lokalizacji kradzieży energii elektrycz­nej czy wskazanie przeludnionych bu­dynków mieszkalnych, które stanowić mogą zagrożenie pożarowe dla sąsiedztwa. Dla przykładu tego typu ob­loty odbyły się w 2013 r. w Berkshire w Anglii, dzięki czemu zlokalizowano ponad 3000 nielegalnych imigrantów mieszkających w zaadaptowanych po­mieszczeniach gospodarczych [1]. Zastąpienie powszechnie stosowa­nych załogowych maszyn latających systemami bezzałogowymi ma istotne uzasadnienie ekonomiczne. Załogowe statki cechują się wieloma zaleta­mi, lecz nie wszystkie są potrzebne w trakcie diagnostyki różnego rodzaju infrastruktury. Zazwyczaj do lotów dia­gnostycznych wykorzystuje się tylko niewielką część potencjału załogowego statku, dobrym przykładem jest mak­symalny udźwig, samolot typu Cessna Skylane ma ładowność prawie dziesięciokrotnie większą niż dron, ale i tak zamontowana jest aparatura rzędu kilku kilogramów. Technologiczne możli­wości obu typu maszyn są zbliżone Bez wątpienia najważniejszą zaletą bezzałogowych maszyn jest znacznie niższy koszt eksploatacji. Mniejsze i bardziej ekonomiczne drony mogą zmniejszyć koszty diagnostyki kilkukrotnie.