基于無人機的火電廠熱力管網(wǎng)巡檢數(shù)據(jù)分析與故障診斷

國能壽光發(fā)電有限責(zé)任公司 孫 強 北京電科智擎科技有限公司 張雪松

當(dāng)前熱力管網(wǎng)所用檢查方式效率比較低，檢測缺少安全有效手段，而無人機技術(shù)逐漸成熟，效率高且成本低，將無人機用于熱力管網(wǎng)巡查能夠提高巡檢效率。本文以某公司為例，對基于無人機的火電廠熱力管網(wǎng)巡檢數(shù)據(jù)分析與故障診斷進(jìn)行探討。

1 熱力管網(wǎng)巡檢中的無人機技術(shù)優(yōu)勢

數(shù)據(jù)采集能力強。無人機是一種可裝備許多系統(tǒng)模塊與傳感器的載體，如高清攝像頭、紅外線傳感器，這些設(shè)備可用于采集熱力管網(wǎng)工作數(shù)據(jù)，保障巡檢數(shù)據(jù)采集能力。此外配合計算機系統(tǒng)模塊，可實時分析數(shù)據(jù)問題，判斷熱力管網(wǎng)運行故障原因之所在，在實時監(jiān)控中高效處理熱力管網(wǎng)運行故障。

效率高。過去巡檢熱力管網(wǎng)時需要安排許多人力和物力資源，不僅效率低同時效果也并不是很突出。使用無人機技術(shù)時可以提前設(shè)定無人機巡檢路線，讓無人機自主飛行巡檢熱力管網(wǎng)，不需要投入過多的資源就能高效率完成巡檢。此外無人機具備全程巡檢與多點巡檢功能[1]。同傳統(tǒng)巡檢模式相比，無人機巡檢效率高、用時短、巡檢范圍大；安全性強。熱力管網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，高壓、高溫的熱力管網(wǎng)環(huán)境嚴(yán)重威脅巡檢人員安全。使用無人機巡檢不需要觸碰管道，可以使用遠(yuǎn)程設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、采集熱力管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)。

2 無人機巡檢系統(tǒng)內(nèi)容

中樞處理。該模塊作用為集中處理無人機采集獲得的音頻以及圖像數(shù)據(jù)，分析管道運行狀況。如工作人員可以使用中樞處理模塊處理數(shù)據(jù)，對比正常狀態(tài)下的管道運行數(shù)據(jù)，得出管道運行是否存在問題。將管道感知技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，配合無人機即可達(dá)成熱力管網(wǎng)的巡檢工作[2]。

地面控制。即依靠無線信號技術(shù)同航路檢測通信，能夠讓工作人員實時調(diào)節(jié)與控制無人機的運行狀態(tài)。該模塊直接由工作人員操控，工作人員也可以提前將自動指令輸入到無人機運行程序，讓無人機自行執(zhí)行任務(wù)，包括在指定時間或地點拍攝、按照規(guī)劃線路飛行。地面控制這一模塊的作用主要為當(dāng)發(fā)生突發(fā)意外時，工作人員可以使用地面控制模塊及時操控減少損失，也可以根據(jù)需要隨時調(diào)整無人機的飛行軌跡和運行路徑。

航路檢測。無人機通常都會搭載各種各樣的傳感器，如紅外傳感器，無人機將傳感器作為航路檢測模塊。此外無人機還可搭載監(jiān)測裝置，實時記錄指定地點照片與視頻，獲得三維模型數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給中樞處理模塊，完成數(shù)據(jù)分析與處理。某公司熱力管網(wǎng)巡檢中的無人機工作內(nèi)容如表1所示。

表1 熱力管網(wǎng)巡檢中的無人機作用體現(xiàn)

3 本公司熱力管網(wǎng)巡檢中的無人機技術(shù)

熱力管網(wǎng)巡檢中無人機主要使用可見光處理模塊處理數(shù)據(jù)，依靠圖像標(biāo)定、特征提取以及圖像拼接一類的技術(shù)，配合紅外線傳感器，用相應(yīng)的信號接收器與傳感器就能采集所需視頻信息和圖像，完成數(shù)據(jù)采集工作。熱力管網(wǎng)巡檢中無人機使用智能圖像對比分析，可以智能對比采集獲得的房屋情況、地貌特征圖像信息，判斷管道有沒有施工、破壞以及泄漏等情況。靠著動態(tài)監(jiān)測能力，將各種場景與時態(tài)的圖片合成與拼接到一起，對比過去特定時間段圖像[3]。如果對比中發(fā)現(xiàn)存在不良狀態(tài)或是狀態(tài)改變，則使用反饋系統(tǒng)實時傳輸信息給控制端，即時解決管道運行問題。

無人機搭載高清攝像機、LED 照明系統(tǒng)以及熱像儀等設(shè)備，工作人員可以遠(yuǎn)程操控?zé)o人機。被放置在無人機頂部的攝像機可以隨時捕捉無人機飛行期間的上方與下方圖像便于人機對話，滿足無人機飛行巡檢期間的觀察要求。所搭載的高清攝像機具有廣角拍攝能力，任何光度條件下無人機設(shè)備都可以拍攝圖像，并將視頻流記錄到無人機搭載的SD卡。憑借30幀幀率以及1920×1080分辨率保障低光條件下的拍攝質(zhì)量[4]。

無人機擁有照明系統(tǒng)，在黑暗環(huán)境的探索與檢查中不需要借助外力照明就能將整個空間照亮。工作人員可以使用地面工作站進(jìn)行LED 燈光照明強度的調(diào)整，為無人機提供均勻照明。如無人機飛行軌跡改變需要調(diào)整照相機視角，則光束會根據(jù)周圍照明度自行調(diào)整光束，具備智能照明能力。無人機中擁有無限中繼通信能力，可以為工作人員提供實時的視頻數(shù)據(jù)，減少管道對空間信號傳輸屏蔽影響。其通信系統(tǒng)擁有長距離、雙向、數(shù)字信號傳輸能力，可以將無人機采集的數(shù)據(jù)、視頻下行傳輸?shù)降孛嬲荆部梢允褂蒙闲袀鬏數(shù)姆绞綄⒚畎l(fā)給無人機。

應(yīng)急監(jiān)測巡檢使用氣位置標(biāo)注技術(shù)，利用紅外傳感器就能監(jiān)測熱力管網(wǎng)的管道情況，進(jìn)而判斷熱力管道有無泄露。使用可見光載體判斷管道周圍是否存在自然災(zāi)害以及自然災(zāi)害造成的影響[5]。無人機設(shè)備在分析輸電線路故障中使用圖像識別技術(shù)，依靠深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析識別熱力管網(wǎng)的泄露與缺陷問題。使用圖像識別技術(shù)，可以在分析處理與識別管道缺陷的同時，優(yōu)化管道缺陷圖像分析與處理過程，服務(wù)于管道的分析與識別綜合需要，使用系統(tǒng)中的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分類識別熱力管網(wǎng)各種缺陷。

4 無人機在本公司熱力管網(wǎng)巡檢數(shù)據(jù)分析與故障診斷中的應(yīng)用

使用無人機設(shè)備巡檢熱力管網(wǎng)中，為系統(tǒng)配置多臺顯示器，可以隨時利用顯示器了解無人機現(xiàn)場實時畫面，也可以使用移動終端設(shè)備了解無人機的飛行狀態(tài)和程序執(zhí)行情況。無人機從檢查室入口進(jìn)入管溝并沿著管溝飛行，飛行期間可以實時錄像，如圖1所示。

圖1 管道保溫層拍攝畫面

使用紅外攝像機拍攝的結(jié)果就能掌握保溫層狀態(tài)。飛行期間無人機可以隨時懸停，進(jìn)而讓工作人員獲得更廣闊的視角[6]。除此之外，也可以手動操控?zé)o人機抵近飛行，觀測細(xì)節(jié)特寫。在飛行至其他檢查室以后順著來的路線返回飛回地面。

4.1 分析熱量

當(dāng)前火電廠的熱源熱量指標(biāo)一般按照供熱面積和熱指標(biāo)需要確定采暖期的功需求熱量，供熱面積指標(biāo)的大小和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量傳遞情況以及建筑物層高、平面尺寸有關(guān)。使用面積熱量負(fù)荷不夠細(xì)致相對籠統(tǒng)，是一種平均值。當(dāng)前火電廠使用各種各樣的供暖方式，包括噴射泵、混水泵、地暖與散熱器，此外建筑物也有非節(jié)能建筑與節(jié)能建筑物，很多建筑物都有熱計量設(shè)備的安裝，不同建筑物有著不同的用熱負(fù)荷，但不論如何火電廠都需要使用熱力管網(wǎng)將熱能輸送到建筑物。

即便熱力管網(wǎng)厚度比較大也可使用無人機設(shè)備使用紅外線傳感器、熱像儀采集獲得熱力管網(wǎng)的運行情況，了解熱力管網(wǎng)熱量情況。無人機設(shè)備在采集獲取了熱量數(shù)據(jù)后，可將數(shù)據(jù)發(fā)送給對面控制模塊以及中樞處理系統(tǒng)，工作人員根據(jù)計算判斷供應(yīng)熱量是否滿足規(guī)定要求，隨時調(diào)整供應(yīng)熱量，減少成本的同時保障供熱質(zhì)量，按照用熱面積合理調(diào)整熱量入戶方案，計算出更合理、更科學(xué)的熱負(fù)荷。

4.2 分析溫度

熱力管網(wǎng)輸送熱能的過程中，依靠一、二次供回水溫度和溫差。穩(wěn)定狀態(tài)下的熱力管網(wǎng)在不考慮沿途熱損失情況下，熱力管網(wǎng)熱量供應(yīng)能力需要同用戶散熱設(shè)備散熱量以及用戶熱負(fù)荷數(shù)據(jù)相同。如某非智能建筑為四柱式散熱器，當(dāng)?shù)匾?guī)定冬季供熱溫度需要達(dá)到20℃，根據(jù)需要供回水溫度設(shè)計為95℃/70℃，散熱指數(shù)B=0.35，實際流量和設(shè)計流量比為1，實際熱量70W/m2，設(shè)計熱量米67W/m2。根據(jù)計算散熱器的平均溫度需要達(dá)到82.5℃，供回水溫度設(shè)計為95℃/70℃。在使用中需要按照熱平衡原理，即建筑物熱負(fù)荷必須與設(shè)計熱負(fù)荷相同，保障全天的穩(wěn)定連續(xù)運行。

本公司在設(shè)計散熱器系統(tǒng)的時候，因為存在層層加余量的問題，所以會出現(xiàn)偏大的容量情況，理論熱指標(biāo)與實際指標(biāo)不相同，故需要進(jìn)行調(diào)整與修正。此時可以安排無人機設(shè)備依靠其攜帶的各種傳感器，配合中樞處理模塊進(jìn)行計算，最終得出：二次供回水溫度83℃/58℃，溫差23.8℃，回水低0.7℃，供水低1.9℃，溫差1.2℃，散熱器的平均溫度為69.2℃。因為沿途存在熱損失，所以使用無人機采集的供回水溫度數(shù)據(jù)為合理數(shù)據(jù)。經(jīng)過檢測用戶家中室溫保持在21℃左右，可以實現(xiàn)室溫穩(wěn)定。

4.3 分析與確定流量

按照熱量溫差與供回水溫度，用公式進(jìn)行流量確定。熱力管網(wǎng)運行中流量的計算十分重要，關(guān)系到管網(wǎng)系統(tǒng)判定管道有無泄露或者水壓是否充足。一直以來供熱管網(wǎng)平衡流量都是比較困難的事情，以預(yù)設(shè)流量進(jìn)行管網(wǎng)平衡，往往很難達(dá)到管網(wǎng)遠(yuǎn)端流量預(yù)設(shè)需要，許多用戶的室內(nèi)溫度并不達(dá)標(biāo)，對此有必要確定管網(wǎng)中流量循環(huán)情況。過大的循環(huán)流量易損壞系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致用戶不能獲得最佳流量，且會浪費過多的電能。所以在流量計算中不能單純用理論公式，還要結(jié)合實際判斷流量問題。使用無人機設(shè)備，利用搭載的傳感器對管網(wǎng)的進(jìn)出口流量以及半路流量進(jìn)行監(jiān)測就能準(zhǔn)確掌握管網(wǎng)的流量問題。在保障熱循環(huán)流量以及熱流量比一次網(wǎng)的循環(huán)流量大時，就可以實現(xiàn)熱量與流量的最佳分配目標(biāo)。

4.4 分析與確定熱力管網(wǎng)壓力

必須保障熱力管網(wǎng)輸出壓力足以將熱能輸送到每一戶家庭，才能讓各家各戶在冬季享受溫暖。集中供熱中不論是系統(tǒng)運行還是停止都要達(dá)到下述技術(shù)指標(biāo)：首先，同用戶系統(tǒng)連接的管網(wǎng)壓力必須小于用戶管道構(gòu)件以及采暖設(shè)備承壓能力。供熱管網(wǎng)中有著一次水補二次裝置、混水泵、噴射機組，應(yīng)留意壓力有無升高，以防用戶的采暖設(shè)備受損；其次，要保障用戶系統(tǒng)、換熱站、一次水管路以及熱源不會有汽化情況出現(xiàn)。對于超過100℃水溫部位，管網(wǎng)壓力必須比水溫汽化壓力大。高溫條件下當(dāng)熱力管網(wǎng)遇到斷電問題，管道壓力如果比汽化飽和壓力低，就會出現(xiàn)局部汽化情況。

最后，為防止倒空現(xiàn)象出現(xiàn)，減少管道腐蝕以及系統(tǒng)無法正常運行問題發(fā)生，需要確保熱力管網(wǎng)壓力比用戶系統(tǒng)最高靜壓力大，且需要預(yù)留5mH2O富裕壓力，防止壓力波動對管網(wǎng)造成不利影響。通常情況下用戶的最高供回水都會安裝自動排氣裝置，防止出現(xiàn)假倒空問題。多數(shù)循環(huán)泵的吸入口壓力必須比30mH2O 大，不能使用IS 熱網(wǎng)循環(huán)泵，否則容易出現(xiàn)損壞。根據(jù)以上需要，安排無人機進(jìn)行熱力管網(wǎng)巡檢，調(diào)查熱力管網(wǎng)線路中各部位的具體情況，隨時通知工作人員調(diào)整管網(wǎng)壓力，節(jié)省成本的同時保障熱能輸送質(zhì)量，防止管道受損。

綜上所述，無人機是一種很適合用于熱力管網(wǎng)巡檢的技術(shù)手段，憑借著強大的運行能力可以有效應(yīng)付各類環(huán)境，無人機很適合用于熱力管網(wǎng)巡檢，是值得大力推廣的技術(shù)。