W Miejskim Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej we Włocławku poza źródłami wytwarzania ciepła, najważniejszym elementem w infrastrukturze ciepłowniczej spółki są sieci cieplne. Tworzy ją wysokoparametrowa sieć¹:
napowietrzana,
kanałowa,
preizolowana,
sieć niskoparametrowa.

Rys. 1. Mapa termalna w kolorze, Źródło: Raport-Ocena oblotu/kartowania termalnego obszaru objętego siecią ciepłowniczą miasta Włocławek

Charakterystyka systemu cieplnego
Ogólna długość sieci cieplnej w systemie cieplnym przedsiębiorstwa wynosi ponad 82000 metrów bieżących. W efekcie podejmowanych działań inwestycyjnych w przedsiębiorstwie ulega ona systematycznej rozbudowie, co powoduje, że jej długość z roku na rok się zmienia. Eksploatowana przez przedsiębiorstwo sieć cieplna charakteryzuje się różnym stanem technicznym. Jest ona bardzo zróżnicowana ze względu na zastosowane technologie wykonania, różny czasookres eksploatacji oraz warunki terenowe, w jakich się ona znajduje². Najstarsze odcinki sieci zbudowane systemem tradycyjnym, kanałowym z wydłużkami kompensacyjnymi pochodzą z lat 1968-1970, młodsze odcinki sieci z końca lata 70. Stanowią one 42% ogółu sieci przedsiębiorstwa. Sieć 30-letnia w przedsiębiorstwie stanowi 26% całości sieci cieplnej. Znacznie młodsze odcinki sieci cieplnej zostały zbudowane w technologii rur preizolowanych. Zostały one wybudowane w latach 1990-2010 i stanowią w przedsiębiorstwie około 32% całości sieci cieplnej, z czego 19% to sieć 20-letnia a 13% sieć mająca najwyżej 10 lat.
W minionych latach działalności przedsiębiorstwa ocena stanu technicznego sieci cieplnej była prowadzona głównie w toku niesystematycznych prac metodą odkrywkową przy okazji pojawienia się nieszczelności lub planowanych robót inwestycyjnych. Ta wizualna ocena stanu jakościowego rur systemu cieplnego angażowała znaczne zasoby i środki przedsiębiorstwa, będąc przy tym wysoce  czasochłonną, kosztowną i nie przynosiła pożądanych efektów oczekiwanych przez organy spółki oraz klientów. W efekcie MPEC we Włocławku sięgnęło po najnowsze na świecie innowacyjne instrumenty w dziedzinie diagnostyki stanu jakościowego systemu przesyłowego przedsiębiorstwa, bazujące na termowizyjnych technologiach wojskowych.

Technologia termowizyjna
Termowizja jest metodą, która nie daje informacji o stratach ciepła, ale służy ocenie różnic na badanej powierzchni i zidentyfikowaniu ewentualnych zagrożeń, które generować mogą szeroko rozumiane straty zarówno dla samego przedsiębiorstwa, jak i dla jego otoczenia. Jest to obecnie najefektywniejsza metoda wykrywania wszelkich anomalii, w których główną rolę odgrywa rozkład temperatur.
Termowizja (termografia) zastosowana w Miejskim Przedsiębiorstwie Energetyki  Cieplnej we Włocławku polegała na zobrazowaniu, rejestracji i interpretacji rozkładu temperatury na powierzchni badanego systemu dystrybucji energii cieplnej. Podczas procesu diagnostycznego urządzenie termowizyjne zastosowane do analiz odbierało promieniowanie podczerwone wysyłane przez badany obiekt, które zamieniane było na impulsy elektryczne proporcjonalne do jego mocy. Ponieważ moc promieniowania zależała w przypadku systemu Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej we Włocławku od temperatury obiektu, stąd wyniki badań termowizyjnych przedstawiono w postaci powierzchniowych rozkładów temperatury, czyli termogramów na warstwicy topograficznej przedstawiającej system dystrybucji ciepła w przestrzeni  infrastrukturalnej miasta.
Ta nowoczesna metoda pomiaru pozwoliła na zidentyfikowanie tego wszystkiego, czego oczy ludzkie nie widzą w normalnych warunkach oraz spostrzec to, co na co dzień może umknąć uwadze doświadczonym sieciowcom. Jest to jedyna metoda pomiarowa pokazująca w sposób obrazowy przy pomocy termogramów rozkład temperatur na powierzchni badanego obiektu.
Najważniejszym kierunkiem rozwoju MPEC-u Włocławek jest zapewnienie ciągłości dostawy energii cieplnej przy permanentnym wzroście sprawności wszystkich urządzeń zaangażowanych w proces wytwarzania oraz przesyłania energii cieplnej. Zgodnie z założeniem podjętych działań diagnostycznych przyjęto, iż wcześniej wykryte defekty objawiające się np. anomaliami temperaturowymi, mogą być usunięte w sposób zaplanowany – co z jednej strony stwarza możliwości wygenerowania odpowiednich zasobów finansowych przeznaczonych na remonty i inwestycje, a z drugiej zapobiega poważniejszym awariom, które w przypadku energetyki cieplnej generują istotne straty ekonomiczne oraz przyczyniają się do bardzo negatywnego oddźwięku społecznego.

Założone cele przedsięwzięcia
Podstawowymi kryteriami i przesłankami, jakimi się kierowano przy projektowaniu przedmiotowego przedsięwzięcia, było:
• ograniczenie strat energii cieplnej w systemie dystrybucyjnym,
• redukcja kosztów eksploatacji systemu cieplnego,
• zwiększenie bezpieczeństwa dostaw ciepła do odbiorców.

Głównym celem realizacji przedmiotowego projektu było opracowanie mapy termowizyjnej sieci ciepłowniczej miasta Włocławka, umożliwjającej spółce podjęcie działań ukierunkowanych na poprawę efektywności całego systemu. Ponadto ważnymi celami badania były:
• identyfikacja wszystkich mikro wycieków w sieci ciepłowniczej,
• diagnoza stanu technicznego rur sieci ciepłowniczej i izolacji termicznej,
• identyfikacja ewentualnego nielegalnego poboru ciepła z systemu cieplnego.

Diagnoza stanu technicznego
W celu zdiagnozowania stanu technicznego sieci przesyłowej MPEC-u Włocławek przeprowadzono nocne przeloty samolotem nad miastem z pokładu, z którego wykonano film do mapy termowizyjnej miasta Włocławka. W procesie zarządzania energią cieplną pojawia się zatem efektywne pole działania dla interpretacji zdjęć termalnych, ponieważ strat energii nie można zmierzyć innymi czujnikami, a dzięki odpowiednim działaniom inwestycyjno-remontowym można znacznie zredukować koszty eksploatacji sieci cieplnej w przedsiębiorstwach energetycznych poprzez obniżenie strat na przesyle³.
Zbieranie danych zdjęciowych w termicznym obszarze podczerwieni (8-14μm) pozwala na uzyskanie dobrego przeglądu aktualnej sytuacji w zdefi niowanych warunkach pomiaru.
Zastosowana w przedsiębiorstwie metoda badawcza wsparta techniką komputerową i obiektywną prezentacją otrzymanych wyników daje użytkownikowi systemu cieplnego możliwość konsekwentnego planowania działań w celu stworzenia koncepcji modernizacji lub kontroli wykonania podjętych działań w tym zakresie.
Umieszczona na mapach skala kontrolna barw lub odcieni szarości przedstawia zmierzone różnice temperatur (w stopniach Kelwina) w odniesieniu do odpowiednich barw/odcieni szarości. Skale ocen sieci ciepłowniczej polegają na względnym przyporządkowaniu zmian kolorystycznych w stosunku do otoczenia, które można zaobserwować poprzez zmianę barw. Stopniowanie oceny wykonywane  jest następująco⁴:
• Nieznaczne wyróżniające się oznacza: zwiększenie gęstości promieniowania < K wobec otoczenia.
• Wyróżniające się oznacza: zwiększenie gęstości promieniowania ≥ 4-8K w stosunku do otoczenia i wskazuje na duże usterki w izolacji, z których powstają wycieki.
• Element silnie wyróżniający się oznacza:
że gęstość promieniowania wyraźnie odróżnia się od otoczenia i ΔT jest >8K. W tych obszarach mają miejsce w danym wypadku wycieki czynnika grzewczego z rurociągów cieplnych.

Na rysunku nr 1 przedstawiono mapę termalną w kolorze sieci cieplnej Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej  we Włocławku.

Efekty badania
Wyróżniające się pod względem termodynamicznym odcinki sieci grzewczej zostały przedstawione w 3 klasach uszeregowanych według danych współrzędnych.
Klasa I charakteryzuje odcinki sieci z widocznymi, poważnymi uszkodzeniami izolacji termicznej na rurociągach lub też z podejrzeniem wycieków z wydostawaniem się wody.
Klasa II obejmuje odcinki sieci również ze znacznymi uszkodzeniami izolacji termicznej na rurociągach. W Klasie tej występuje również podejrzenie ewentualnych wycieków z systemu przesyłowego, jednak w mniejszym stopniu niż w Klasie I.
W Klasie III występują wszystkie pozostałe anomalie w sieci cieplnej, które nie zostały przyporządkowane do Klasy I lub Klasy II.
Sporządzone mapy termalne oraz ich szczegółowa analiza wykazały stosunkowo dużą ilość znaczących wyróżniających się termicznie elementów sieci ciepłowniczej spółki Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej we Włocławku:
•  W Klasie I wytypowano 11 miejsc z podejrzeniem o wyciek czynnika grzewczego lub co najmniej ekstremalne uszkodzenie izolacji termicznej na rurociągach,
•  W Klasie II pojawiła się liczba 53 anomalii na sieci cieplnej mających charakter poważnych usterek w izolacji termicznej o wysokim stopniu utraty ciepła. W Klasie tej występuje również podejrzenie ewentualnego wycieku gorącej wody z rurociągów ciepłowniczych,
• W Klasie III zdiagnozowano o wiele większą liczbę ogólnych anomalii w systemie cieplnym niż w Klasach I i II. Liczba miejsc problemowychw tej Klasie wynosi 180.

Przedstawione zdjęcia obrazują elementy sieci dystrybucyjnej Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej we Włocławku wyróżniające się termicznie, określając miejsca problemowe w systemie cieplnym po jednym przykładzie dla każdej Klasy.

* * *

Niezależnie od rzeczywistych przyczyn liczby zidentyfikowanych anomalii termicznych w badanej sieci cieplnej przedsiębiorstwa pojawiła się konieczność wzmożonego działania ukierunkowanego na zwiększenie stopnia efektywności dostarczania energii cieplnej odbiorcom oraz przyszłej redukcji obecnie istniejących strat cieplnych w systemie dystrybucyjnym spółki.
Badania dały spółce precyzyjną wiedzę o miejscach, które należy zbadać bardzo szczegółowo, by ograniczyć ubytki ciepła do otoczenia z systemu cieplnego. Dzięki posiadanym zdjęciom termowizyjnym przedsiębiorstwo bardzo efektywnie pod względem technicznym i ekonomicznym zaczęło eliminować potencjalne miejsca najbardziej zagrożone awarią systemu ciepłowniczego.
Posiadana wiedza pozwala oszczędzać czas i ograniczać środki finansowe na szukanie lokalizacji usterek w systemie cieplnym oraz dała solidne podstawy do  wytyczenia długoterminowej strategii wymiany znacznie wyeksploatowanej sieci cieplnej oraz jej naprawy, wyznaczając kolejność i priorytet działań w przyszłych latach funkcjonowania przedsiębiorstwa.
Badania termowizyjne zidentyfikowały nie tylko słabe punkty sieci cieplnej przedsiębiorstwa, ale także pokazały ubytki ciepła w budynkach znajdujących się we Włocławku na obszarze objętym zakresem przedmiotowego badania.
Na podstawie posiadanej wiedzy opartej na wynikach badań podjęte działania w spółce powodują systematyczne ograniczanie strat energii cieplnej na jej przesyle, eliminują jej ubytki w gorącej wodzie oraz obniżają koszty produkcji ciepła w przedsiębiorstwie. Odbiorcom pozwalają redukować koszty ogrzewania poprzez działania termomodernizacyjne.
Redukcja strat energii cieplnej znacząco wpływa na zmniejszenie zużycia miału węglowego do procesu produkcji ciepła w przedsiębiorstwie, w dużym stopniu ogranicza emisję dwutlenku węgla, siarki i pyłu do atmosfery z instalacji Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej we Włocławku, a tym samym poprawia powietrze atmosferyczne w mieście i stwarza zdrowe warunki do życia mieszkańcom.

Literatura

1 Zob. więcej, Katolik Z, Tomaszewski D, „System cieplny MPEC we Włocławku", „Energetyka Cieplna i Zawodowa”, Nr 2/2008, s. 68.
2 Katolik Z, Tomaszewski D.,„System cieplny Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej we Włocławku", „Nowoczesne Ciepłownictwo” Nr 11/2007, s. 23.
3 Raport-Ocena oblotu/kartowania termalnego obszaru objętego siecią ciepłowniczą miasta Włocławek, s.2.
4 Ibidem, s.5.
Katolik Z, Tomaszewski D, „System cieplny MPEC we Włocławku", „Energetyka Cieplna i Zawodowa", Nr 2/2008.
Katolik Z, Tomaszewski D., „System cieplny Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej we Włocławku", „Nowoczesne Ciepłownictwo", Nr 11/2007.
Pietraszewski M., Katolik Z., „Strategia inwestycyjna a ekologia w MPEC Włocławek", „Energetyka Cieplna i Zawodowa",  Nr 5/2008. Dz. Urz. WE L 257 z dnia 10 października 1996 r.
Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko, Narodowe Strategiczne Ramy Odniesienia 2007-2013, Ministerstwo Rozwoju Regionalnego, Warszawa 29 listopada 2006.
Pod red. Zarzyckiego R., „Zarządzanie energią w miastach", [w:] Kubica K., Pasierb S., „Energia w świecie i w Polsce", Polska Akademia Nauk, Oddział w Łodzi, Komisja Ochrony Środowiska, Łódź 2004.
Postęp techniczny w ciepłownictwie, XI Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna, [w:] Bagieński Z., „Ograniczenie emisji zanieczyszczeń powietrza przy produkcji energii cieplnej", Poznań-Piła 2000.
Raport-Ocena oblotu/kartowania termalnego obszaru objętego siecią ciepłowniczą miasta Włocławek.
 

Autorzy:dr Michał Pietraszewski, Prezes Zarządu Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej Sp. z o.o. we Włocławku,
mgr Zygmunt Katolik, Kierownik Działu Rozwoju i Inwestycji Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej Sp. z o.o. we Włocławku

Artykuł został opublikowany w magazynie "ECiZ" nr 10/2010