機(jī)器人技術(shù)在燃煤電站系統(tǒng)中的應(yīng)用探索

林世瑤，郭平

（1.哈爾濱電氣國(guó)際工程有限責(zé)任公司；2.國(guó)能滎陽(yáng)熱電有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 前言

發(fā)電站是將自然界存在的各種一次能源轉(zhuǎn)換為電能的工廠，是電力的生產(chǎn)中心，更是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)進(jìn)步的發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著世界的發(fā)展和人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，更加高效、清潔、環(huán)保、智能并且可持續(xù)的發(fā)電站模式，已成為全球電力行業(yè)所共同追求的目標(biāo)。機(jī)器人，顧名思義，是具備一定類(lèi)人或者仿生功能的智能機(jī)器。機(jī)器人的誕生與能源領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)。1947年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了世界上第一臺(tái)遙控的機(jī)器人，用于搬運(yùn)和處理核燃料，機(jī)器人自此誕生。此后，機(jī)器人經(jīng)歷了示教再現(xiàn)、感覺(jué)型和智能型機(jī)3個(gè)發(fā)展階段。隨著科技的進(jìn)步以及相關(guān)智能化技術(shù)的推廣和加深，機(jī)器人技術(shù)隨之被廣泛應(yīng)用于人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，也包括了電站領(lǐng)域。機(jī)器人因其具備類(lèi)人及仿生的特征，可以通過(guò)傳感、規(guī)劃、控制來(lái)完成檢測(cè)、避障以及操作等作業(yè)，所以，在那些繁雜的、重復(fù)的、作業(yè)環(huán)境惡劣的以及對(duì)人構(gòu)成危險(xiǎn)和危害的領(lǐng)域，可以協(xié)助人類(lèi)作業(yè)，甚至替代人工作業(yè)。而燃煤電站系統(tǒng)作為大型的電能生產(chǎn)工廠，為機(jī)器人技術(shù)提供了豐富的應(yīng)用空間。

2 概述

發(fā)電站按照其所利用的能源不同分為火力發(fā)電站、水力發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站、太陽(yáng)能發(fā)電站、潮汐發(fā)電站以及核能發(fā)電站等，目前占比最大的是燃煤火力發(fā)電站。而機(jī)器人也根據(jù)移動(dòng)方式，應(yīng)用場(chǎng)合等，有輪式、履帶式、工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人等種類(lèi)劃分。而無(wú)論對(duì)于哪種類(lèi)型的電站系統(tǒng)，機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景都有著高精度、高危險(xiǎn)、高強(qiáng)度的特征。本文列舉了不同類(lèi)型的機(jī)器人在燃煤電站系統(tǒng)中的應(yīng)用案例。通過(guò)對(duì)燃煤電站系統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)用案例的總結(jié)和分析可以看出，機(jī)器人技術(shù)作為高科技的集成典范，必將更加廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型電站系統(tǒng)中，助力電站系統(tǒng)走向高效、清潔、智能。

3 機(jī)器人在電站系統(tǒng)中的應(yīng)用案例

3.1 燃煤電站系統(tǒng)智能巡檢機(jī)器人

燃煤電站系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，操作人員要通過(guò)電站的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)來(lái)獲取并掌握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，此外，現(xiàn)場(chǎng)巡檢也必不可少。而采用傳統(tǒng)的人工巡檢不僅工作量大，廠內(nèi)粉塵、化學(xué)品、高壓、高溫等一系列危險(xiǎn)因素，也是對(duì)巡檢人員的一種潛在安全隱患。

燃煤電站系統(tǒng)智能巡檢機(jī)器人，是一個(gè)集成了多種傳感器的智能機(jī)器人。通過(guò)將多種傳感器集成于一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，輔助以路徑規(guī)劃、信息通訊、自主充電等功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電站車(chē)間的既定路線(xiàn)的巡檢，設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)及反饋，并能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及分析比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電站各系統(tǒng)的智能巡檢功能。

深圳鈺湖電力有限公司的張燕東等研制的智能巡檢機(jī)器人，通過(guò)開(kāi)發(fā)整合智能檢測(cè)技術(shù)，使其具有溫度檢測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、聲音及圖像的識(shí)別和提取功能，從而進(jìn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)以及分析，并且可以通過(guò)手機(jī)，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)控等功能，很好的滿(mǎn)足了發(fā)電站日常巡檢的功能需求，并且在深圳鈺湖電力有限公司進(jìn)行了示范應(yīng)用，各項(xiàng)功能都達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

浙江浙能技術(shù)研究院有限公司的李峰等人，基于機(jī)器人運(yùn)用的平臺(tái)理念，通過(guò)無(wú)人值守系統(tǒng)的建設(shè)，運(yùn)用云-邊-端的體系架構(gòu)，輔以智能化高級(jí)應(yīng)用建設(shè)，讓電廠車(chē)間擺脫傳統(tǒng)人工巡檢的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況及環(huán)境狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)智能采集、移動(dòng)監(jiān)視、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能分析以及多模式人機(jī)交互，最終實(shí)現(xiàn)電站泵房無(wú)人值守。

華能集團(tuán)的陳建忠等人研制延至出一款基于輸煤廊道巡檢機(jī)器人的智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)以機(jī)器人代替人工對(duì)廊道進(jìn)行巡檢，以攝像頭及各種檢測(cè)儀表代替人的各種判斷，以三維畫(huà)面形式對(duì)整個(gè)巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合管理，最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)輸煤廊道的自動(dòng)巡檢，并在巡檢過(guò)程中對(duì)超溫、聲音異常、粉塵超標(biāo)、皮帶跑偏等現(xiàn)象進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)事故追溯、歷史查詢(xún)等功能。

福建（泉州）哈工大工程技術(shù)研究院，也開(kāi)發(fā)出適用于電力行業(yè)長(zhǎng)距離、高空巡檢作業(yè)場(chǎng)景，針對(duì)電站輸煤系統(tǒng)的軌道式智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。該款智能巡檢機(jī)器人，采用集轉(zhuǎn)向、導(dǎo)向、預(yù)張緊及驅(qū)動(dòng)為一體的雙驅(qū)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭載云臺(tái)、高清攝像頭、紅外熱像儀超聲波雷達(dá)、RFID及編碼器等模塊于一身，配套監(jiān)控系統(tǒng)，具備視覺(jué)識(shí)別、設(shè)備測(cè)溫、自主定位、自動(dòng)避障、自主充電、自動(dòng)巡檢、異常情況自動(dòng)報(bào)警等多種功能。該款機(jī)器人已經(jīng)成功應(yīng)用于內(nèi)蒙古和江西的燃煤熱電廠輸煤系統(tǒng)中。

國(guó)電東勝公司更是在電站內(nèi)部署了多款智能巡檢機(jī)器人，巡檢區(qū)域包括：汽機(jī)、鍋爐房，升壓站，配電室、電子間，輸煤廊道和封閉煤場(chǎng)等，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，所配置的機(jī)器人移動(dòng)形式也分輪式和軌道式等，采用的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)手段也不盡相同。通過(guò)在燃煤電廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)部署以上智能巡檢機(jī)器人，使電廠的巡檢和測(cè)量工作變得標(biāo)準(zhǔn)化，并且不受時(shí)間和外界環(huán)境的限制。通過(guò)多種機(jī)器人的配置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)電東勝電站的電廠的智能監(jiān)管，每年可發(fā)現(xiàn)各種故障百余次，減少損失100萬(wàn)元以上。

由此可見(jiàn)，目前智能巡檢機(jī)器人產(chǎn)品豐富，技術(shù)成熟，并已經(jīng)在燃煤電站領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。各種攜帶多種高精度傳感器的智能巡視機(jī)器人，替代了傳統(tǒng)的人工巡視，使電廠的巡檢工作變得全方位、全天候、高精度、高效率。

3.2 電站鍋爐水冷壁清掃檢測(cè)機(jī)器人

鍋爐是燃煤火力電站的三大主機(jī)設(shè)備之一，是產(chǎn)生高溫高壓蒸汽的蒸汽發(fā)生裝置。水冷壁則是電站鍋爐的主要受熱部分，分布于鍋爐爐膛的四周，由數(shù)排鋼管組成。鍋爐在正常燃燒運(yùn)行時(shí)，鍋爐的水冷壁因其爐膛內(nèi)側(cè)的管壁直接接觸火焰及燃料和飛灰，因此會(huì)產(chǎn)生磨損、積灰、結(jié)渣、腐蝕等問(wèn)題，影響傳熱效果，嚴(yán)重時(shí)還可能發(fā)生爆管事故。因此，除了采取噴涂防腐涂層等措施外，必須要定期的清掃水冷壁排管，并進(jìn)行壁厚的檢測(cè)。傳統(tǒng)的作業(yè)方式，就是通過(guò)人工對(duì)水冷壁排管清掃和檢測(cè)。這種方式，需要在爐內(nèi)搭腳手架，然后人工采用目測(cè)以及手持式超聲波測(cè)厚儀的方式進(jìn)行檢查。這種傳統(tǒng)人工作業(yè)的方式，周期長(zhǎng)、效率低、費(fèi)用高、可靠性差、安全性差。針對(duì)以上問(wèn)題和需求，鍋爐水冷壁清掃和磨損檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

早在1998年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所的沈?yàn)槊竦缺阊芯砍鲆豢钏浔谂辣谇鍜邫z測(cè)機(jī)器人，用于對(duì)鍋爐水冷壁排管向火面浮灰的清掃、結(jié)焦的清除、以及排管壁厚度的自動(dòng)檢測(cè)。機(jī)器人能夠在檢測(cè)到壁厚小于預(yù)置的極限值處發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并能夠在該處打標(biāo)記。

湖北工業(yè)大學(xué)的宋小春等研制出一種能在水冷壁管壁表面自動(dòng)爬行的高效無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括：機(jī)器人爬行機(jī)構(gòu)、磁化與檢測(cè)裝置、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集和分析的可視化軟件等。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，研發(fā)的磁性檢測(cè)裝置能完成鍋爐在役管道的普查和缺陷定位，超聲檢測(cè)能有效實(shí)現(xiàn)局部缺陷的定量檢測(cè)。

常州大學(xué)的張學(xué)劍等研究出一款永磁吸附式的爬壁機(jī)器人，主要用于循環(huán)流化床鍋爐的水冷壁厚度檢測(cè)。該款機(jī)器人對(duì)永磁吸附結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具備更大的吸力，從而增強(qiáng)其爬壁過(guò)程中的載重能力。該款機(jī)器人通過(guò)特制的永磁履帶吸附到水冷壁壁面，然后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速器、鏈輪、鏈條等機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體向上沿壁爬行。四組導(dǎo)向輪的配置，可以不斷對(duì)機(jī)器人爬行的方向進(jìn)行修正。為了提高檢測(cè)效率，設(shè)計(jì)了一種新型無(wú)損檢測(cè)裝置，可以同時(shí)進(jìn)行兩根排管厚度的檢測(cè)。水平橫移減速電機(jī)通過(guò)連接軸與編碼器連接，通過(guò)編碼器記錄水平移動(dòng)距離。此種檢測(cè)裝置，可以一次檢測(cè)相鄰八根排管的厚度，大大的提高了檢測(cè)效率縮短了工期。

此外，國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司江蘇諫壁電廠主導(dǎo)研發(fā)了一款鍋爐水冷壁檢修機(jī)器人，并首次將堆焊修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于鍋爐水冷壁的檢修過(guò)程。在此前水冷壁檢測(cè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，通過(guò)多種傳感技術(shù)的應(yīng)用以及基于人機(jī)交互式機(jī)器人的方式，實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器人平臺(tái)的檢測(cè)和焊接修復(fù)工作。據(jù)報(bào)道，該款爬壁檢修機(jī)器人，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，使其能夠在水冷壁快速安全的爬行，并通過(guò)搭載檢測(cè)傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)水冷壁的檢測(cè)，此外，通過(guò)打磨以及焊接等功能模塊的配置，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后的遠(yuǎn)程在線(xiàn)修復(fù)功能。通過(guò)該款機(jī)器人配置，可以實(shí)現(xiàn)水冷壁的檢測(cè)和修復(fù)一體化，從而可以是水冷壁檢修工作的成本降低、工期縮短、效率和安全性都得以提高。

通過(guò)以上水冷壁清掃檢測(cè)機(jī)器人的研發(fā)投用，可以逐步代替水冷壁清掃檢測(cè)的傳統(tǒng)人工作業(yè)形式，從而大大提高工作效率、檢修可靠性和作業(yè)安全性、縮短檢測(cè)時(shí)間、降低作業(yè)費(fèi)用，從而降低電站運(yùn)行維護(hù)成本。該種類(lèi)型的機(jī)器人目前已經(jīng)逐漸走向成熟化和產(chǎn)品話(huà)，未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上燃煤火力電站系統(tǒng)中機(jī)器人技術(shù)的成功應(yīng)用案例，我們不難看出，智能機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景都有著高危險(xiǎn)、高強(qiáng)度、高精度的特點(diǎn)。以上燃煤電站機(jī)器人可以憑借其出色的移動(dòng)、檢測(cè)、控制和執(zhí)行能力，更好的替人類(lèi)去執(zhí)行繁重、危險(xiǎn)、復(fù)雜的工作任務(wù)，并且大大提高了效率，縮短了周期，節(jié)省了成本，增加了安全性和可靠性，完成了極端情況下，人工無(wú)法完成的工作，從而使其能在電站系統(tǒng)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文著重介紹了機(jī)器人技術(shù)在燃煤電站中的成功應(yīng)用案例，除了燃煤火力發(fā)電站以外，智能機(jī)器人技術(shù)也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到水電站的長(zhǎng)距離引水隧洞檢測(cè)、光伏電站的組件清洗、核電站的主管焊接以及核電站的水下檢測(cè)、監(jiān)控、應(yīng)急及搶修等方面。

在我國(guó)的“十四五”規(guī)劃中，智慧能源被多次提及，隨著社會(huì)和科技的發(fā)展進(jìn)步，智能化新型電站必將成為時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)和主流。機(jī)器人技術(shù)作為自動(dòng)化和智能化領(lǐng)域的代表性產(chǎn)物，隨著通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的穩(wěn)定性和可靠性逐漸加強(qiáng)，也必將更加廣泛的應(yīng)用于電站領(lǐng)域，從而提高電站系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，助力電站系統(tǒng)走向更高的智能化水平，成為智慧能源中的重要組成部分。