在倡導(dǎo)可再生能源的今天，火力發(fā)電依舊是國(guó)內(nèi)的主要電力來(lái)源，發(fā)電量仍占全國(guó)總發(fā)電量約70%。整體來(lái)看，火電在當(dāng)前和今后仍然具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這些都是其他新能源在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)無(wú)法替代的。在雙碳背景下，火電機(jī)組需要有更高的靈活性，因此，合理控制成本、提高發(fā)電效率是眾多火電企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重中之重。而鍋爐設(shè)備老化和故障是影響電廠安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要原因之一。

由于鍋爐爐膛內(nèi)燃燒溫度高，煙氣流速快，水冷壁等受熱面經(jīng)常出現(xiàn)大面積結(jié)焦和爆管事故，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)非計(jì)劃停運(yùn)，額外增加檢修工作量，造成經(jīng)濟(jì)損失和安全問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊戨娋W(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。因此，加強(qiáng)鍋爐的檢修效率于電廠安全運(yùn)行至關(guān)重要。

目前針對(duì)電廠鍋爐設(shè)備的檢修工作主要分為故障停爐檢修與日常定期檢修，一般來(lái)說(shuō)每4個(gè)月就要對(duì)發(fā)電廠鍋爐設(shè)備進(jìn)行一次小型檢修，而每3年則要進(jìn)行一次大型檢修。鍋爐爐膛高度可達(dá)80m，四周由水冷壁構(gòu)成天然金屬屏蔽體，是一個(gè)內(nèi)部沒(méi)有光源的封閉空間，布滿灰塵和煤焦，且充斥著CO等有毒氣體，環(huán)境異常惡劣，非常不利于技術(shù)人員長(zhǎng)時(shí)間工作。按照傳統(tǒng)檢修方式，無(wú)論是日常檢修還是緊急事故檢修，都需要在鍋爐完全冷卻并經(jīng)充分通風(fēng)后搭建大型腳手架或升降平臺(tái)，采用人工巡視方案進(jìn)行全面巡檢。這種方式消耗大量人力物力，成本高昂，耗時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)極易出現(xiàn)安全事故，我們迫切需要一種安全、可靠、便捷的宏觀檢查方法來(lái)適應(yīng)大型機(jī)組日益增長(zhǎng)的需求。

無(wú)人機(jī)取代升降臺(tái)，鍋爐巡檢智能化

近些年隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)憑借其靈活性高、成本低等特點(diǎn)，對(duì)于在危險(xiǎn)區(qū)域或人力不方便抵達(dá)的空間開(kāi)展巡檢、探測(cè)有著廣闊的應(yīng)用需求。目前無(wú)人機(jī)應(yīng)用于戶外場(chǎng)景的技術(shù)較為成熟，其可以深入應(yīng)用于農(nóng)林、物流、氣象、安防、勘測(cè)等諸多行業(yè)。但在復(fù)雜密閉的空間，特別是在類似火力發(fā)電廠鍋爐的高空、高塵、雙盲（無(wú)GPS、無(wú)光照）的工業(yè)場(chǎng)景下，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用尚處于起步階段。

研發(fā)人員設(shè)計(jì)適應(yīng)此類密閉空間的工業(yè)無(wú)人機(jī)，它可對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)部進(jìn)行自主飛行和高清拍攝，將影像實(shí)時(shí)傳輸至外部進(jìn)行計(jì)算處理，智能識(shí)別內(nèi)部缺陷等劣化問(wèn)題并進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，這種提升改造對(duì)火力發(fā)電廠具有非常大的吸引力。

圖 2 無(wú)人機(jī)智能巡檢圖像采集

利用無(wú)人機(jī)開(kāi)展大型鍋爐爐膛巡視主要有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）加快檢修速度，降低檢修成本。鍋爐在發(fā)生爆管、大面積結(jié)焦和燃燒器損壞等事故后，需停爐處理。正常情況下，需一周時(shí)間等鍋爐完全冷卻后，搭建腳手架等輔助設(shè)備，方可開(kāi)展水冷壁的巡視和檢修工作。而無(wú)人機(jī)可承受80℃左右的高溫，能提前進(jìn)入爐膛巡查，無(wú)需搭建腳手架，為檢修爭(zhēng)取了時(shí)間，提高了檢修效率，并避免消耗大量人力物力。

（2）降低安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于鍋爐爐膛的惡劣環(huán)境，利用無(wú)人機(jī)可以有效提高爐膛檢修的安全系數(shù)。無(wú)人機(jī)可以在缺氧、CO濃度超標(biāo)以及光線不足的條件下開(kāi)展巡檢工作，避免了檢修工人缺氧、中毒或高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)，提高了檢修的安全性。

（3）提高檢修精度。無(wú)人機(jī)能進(jìn)入腳手架無(wú)法搭建的位置采集圖像，利用圖像識(shí)別軟件進(jìn)行分析處理，高精度識(shí)別，有效避免漏檢錯(cuò)檢，提高巡檢精度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人為誤判和漏判。并且可攜帶各種探傷設(shè)備及測(cè)厚儀等智能儀表，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域水冷壁金屬管內(nèi)部情況進(jìn)行檢查和分析，提高檢修的智能化水平。

同時(shí)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的后臺(tái)軟件也可將檢查結(jié)果與歷史圖像進(jìn)行分析比較，預(yù)測(cè)受熱面異常工況，提前預(yù)警并處理，預(yù)防事故發(fā)生。

圖3 大型火電機(jī)組爐膛無(wú)人機(jī)巡視技術(shù)方案

然而，電廠鍋爐是一個(gè)封閉的天然屏蔽體，電磁信號(hào)存在多次輻射干擾，且多灰、少光、環(huán)境惡劣，爐膛內(nèi)的無(wú)人機(jī)巡查存在諸多技術(shù)難題：

（1）飛控問(wèn)題。爐膛內(nèi)，GPS信號(hào)被遮擋，指南針受到金屬結(jié)構(gòu)干擾，人工視覺(jué)模塊因?yàn)楣饩�暗而難以工作，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)部分智能功能喪失，在飛行中會(huì)出現(xiàn)明顯的漂移，需要地面控制人員依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)控制飛行姿態(tài)，控制難度與作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)增大。此外，爐膛燃燒器附近為重點(diǎn)檢查區(qū)域，自然風(fēng)風(fēng)力較強(qiáng)，無(wú)人機(jī)在噴嘴附近無(wú)法靠近懸停。

（2）避障問(wèn)題。爐膛檢測(cè)作業(yè)主要為近觀檢測(cè)任務(wù)，指通過(guò)對(duì)鍋爐表面的近距離觀察，對(duì)其焊縫開(kāi)裂、表面缺陷等問(wèn)題進(jìn)行排查。為了得到高分辨率的爐體影像信息，飛行器需要沿爐壁近距離飛行，無(wú)人機(jī)要能夠自主感知環(huán)境、合理規(guī)劃路徑并及時(shí)躲避障礙物，否則存在無(wú)人機(jī)與爐壁碰撞，導(dǎo)致事故的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）續(xù)航問(wèn)題。目前對(duì)多款多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間在15-25min，無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間的飛行。飛行過(guò)程中需預(yù)估飛行返程時(shí)間，在失去動(dòng)力前需中斷飛行更換電池。而一臺(tái)電站鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)檢查通常耗時(shí)3-4h甚至更長(zhǎng)時(shí)間。為滿足檢查需求，需要攜帶多塊備用電池，檢查過(guò)程中更換電池不僅容易打亂飛行計(jì)劃，而且提高了時(shí)間成本。

針對(duì)以上問(wèn)題，我公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了利用有線無(wú)人機(jī)進(jìn)行爐膛宏觀檢查的新方案。

有線供電：為無(wú)人機(jī)持續(xù)添加“補(bǔ)給”

我公司研發(fā)的智能巡檢無(wú)人機(jī)由飛行平臺(tái)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、有線供電系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)組成：

飛行平臺(tái)系統(tǒng)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳感器、信號(hào)處理、GPS、LED照明、無(wú)線控制等�？赏ㄟ^(guò)遙控器操縱或者通過(guò)系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)自主飛行，在鍋爐內(nèi)飛行到待檢查位置懸停。采用激光雷達(dá)和防護(hù)罩實(shí)現(xiàn)雙重避障，多個(gè)不同方向的激光傳感器可完成測(cè)距并確定相對(duì)位置，在距離障礙物2m時(shí)無(wú)人機(jī)懸停，實(shí)現(xiàn)自主避障功能；在一些需要近距離檢查的場(chǎng)景下，通過(guò)機(jī)身外部的圓形防護(hù)罩可防止與爐壁發(fā)生碰撞。

圖像采集系統(tǒng)主要包括云臺(tái)、相機(jī)、傳感器、無(wú)線傳輸?shù)�。采用帶有三軸自穩(wěn)云臺(tái)的4K前置攝像頭和1080P的底置雙鏡頭圖像系統(tǒng)，可電動(dòng)調(diào)節(jié)攝像頭的方向，5倍變焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高清拍照和攝像。并通過(guò)WIFI傳輸模塊將實(shí)時(shí)圖像傳輸至計(jì)算機(jī)或手機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛內(nèi)過(guò)熱器、水冷壁等的快速檢查。

有線供電系統(tǒng)主要包括升壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、線纜等。采用地空電力傳輸，220V市電升壓為高壓的直流電通過(guò)線纜連接到智能巡檢無(wú)人機(jī)，線纜長(zhǎng)度可達(dá)30m，可不間斷地為無(wú)人機(jī)供電，有效解決了無(wú)人機(jī)電池續(xù)航時(shí)間短的問(wèn)題。

地面控制系統(tǒng)主要包括無(wú)線控制、GPS導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)、手機(jī)等。采用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航和光流（視覺(jué)）導(dǎo)航兩種模式。當(dāng)鍋爐無(wú)法接收GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，可切換到光流導(dǎo)航模式，利用高亮度LED照明導(dǎo)航到需要檢查的位置，懸停在待檢位置進(jìn)行檢查。

圖 4 有線無(wú)人機(jī)

一般情況下，無(wú)人機(jī)從位于爐膛尾部受熱面?zhèn)让娴臓t門進(jìn)入檢查空間，檢查人員根據(jù)鍋爐內(nèi)部特征判斷無(wú)人機(jī)所處位置，選擇合適的起點(diǎn)(零點(diǎn))。檢查時(shí)，可按照整體快速掃查與局部重點(diǎn)掃查相結(jié)合的方式，在容易發(fā)生問(wèn)題或懷疑有缺陷的部位可懸停進(jìn)行重點(diǎn)掃查。

a)水冷壁管高溫腐蝕檢查；b)燃燒器噴口檢查；

c)吹灰器四周水冷壁吹損檢查；d)過(guò)熱器管屏外壁結(jié)焦檢查。

無(wú)人機(jī)檢查過(guò)程中，對(duì)鍋爐受熱面的典型部位以視頻、照片等方式留存。發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)標(biāo)明所處位置，井進(jìn)行多角度拍攝，由檢修人員判斷缺陷類型、大小以及處理方式。當(dāng)對(duì)疑似缺陷存在爭(zhēng)議時(shí)，可對(duì)存疑部位進(jìn)行人工檢查確認(rèn)，確保不誤判。

智能有線無(wú)人機(jī)檢查有著低成本、高效率、高智能、空間適用性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢(shì)，能在爐膛檢查工作中發(fā)揮巨大作用。根據(jù)后期研發(fā)需求，有線無(wú)人機(jī)平臺(tái)可以搭載測(cè)厚及氧化皮檢查探頭等，對(duì)鍋爐進(jìn)行更加全面精確的檢查。

鋼絲繩搭載掃查儀，爐膛缺陷一覽無(wú)余

針對(duì)鍋爐爐膛人工檢查的一系列問(wèn)題，我司提出的第二種新型解決方案是爐膛視頻掃查儀。該掃查儀由電動(dòng)攀爬模塊、控制模塊、視頻檢測(cè)模塊、智能機(jī)械防抖模塊、供電模塊和信號(hào)傳輸模塊構(gòu)成：

圖6 爐膛視頻掃查儀結(jié)構(gòu)示意圖

電動(dòng)攀爬模塊由爐膛頂部中心位置固定2根鋼絲繩，下穿至底部中心固定，作為攀爬導(dǎo)向軌道。電動(dòng)攀爬機(jī)構(gòu)可沿鋼絲繩上下運(yùn)動(dòng)，前端搭載高清相機(jī)和360°旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，運(yùn)行一定距離后水平旋轉(zhuǎn)一周，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛內(nèi)壁的全方位檢查。

控制模塊采用便攜式控制箱，內(nèi)置攜帶10寸高清觸摸屏的安卓系統(tǒng)控制終端，控制掃查儀的爬行、旋轉(zhuǎn)、變焦、燈光亮度等。

視頻檢測(cè)模塊攝像頭采用500萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器，20倍光學(xué)變焦鏡頭，高亮度LED照明，實(shí)時(shí)高清攝像存儲(chǔ)，并具備光學(xué)防抖功能，可對(duì)爐膛管壁外觀進(jìn)行全方位掃描檢測(cè)和缺陷記錄。后期在爐外可對(duì)錄制的檢測(cè)視頻進(jìn)行詳細(xì)甄別和分析，對(duì)識(shí)別出的缺陷進(jìn)行相應(yīng)的分級(jí)處置。

智能機(jī)械防抖穩(wěn)定系統(tǒng)用于保障攝像頭的穩(wěn)定性，防止采集圖像動(dòng)態(tài)模糊。電動(dòng)攀爬模塊在鋼絲上移動(dòng)時(shí)，水平方向會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，使用20倍光學(xué)變焦鏡頭拍攝圖像會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。該模塊采用機(jī)械防抖云臺(tái)，它通過(guò)陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器來(lái)檢測(cè)物體在三維軸向上的角度和運(yùn)動(dòng)變化，處理器得到反饋后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分解計(jì)算。為了保證物體的空間坐標(biāo)不發(fā)生變化，三個(gè)關(guān)節(jié)部位的伺服電機(jī)會(huì)向著移動(dòng)的反方向進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)糾正。

供電模塊負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的動(dòng)力輸入與控制，前端視頻掃查儀本體和后端便攜式控制箱全部采用充電式14500mAh鋰電池作為輸入電源，續(xù)航時(shí)間5小時(shí)，可同時(shí)外接220V電源做到不間斷供電。 信號(hào)傳輸模塊采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線傳輸，負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)控制信號(hào)和視頻信號(hào)的輸入輸出，千兆接口，傳輸距離1000m以上，滿足系統(tǒng)所需帶寬。

爐膛視頻掃查儀宏觀檢查的區(qū)域包括：

（1）爐膛燃燒器周圍和熱負(fù)荷較高區(qū)域水冷壁外管壁的沖刷磨損以及高溫腐蝕、變形、鼓包等缺陷檢查；

（2）冷灰斗區(qū)域水冷壁管因掉焦砸傷的管壁磨損檢查；

（3）看火孔、人孔門部位水冷壁管磨損、拉裂、鼓包、變形；

（4）折焰角區(qū)域水冷壁管因局部水循環(huán)水動(dòng)力特性不好而引起的過(guò)熱、脹粗、鼓包以及煙氣飛灰磨損而引起的管壁減薄等缺陷檢查；

（5）吹灰器周邊的水冷壁管壁吹損檢查；

（6）燃燒器處短鰭片等部位的焊縫檢查；

（7）水冷壁管屏拉裂、鼓包、變形，屏式過(guò)熱器管出列、結(jié)焦；

（8）水冷壁面整體腐蝕情況的檢查，宏觀了解爐膛內(nèi)部水冷壁結(jié)焦積灰和腐蝕情況等。

圖7 爐膛視頻掃查儀宏觀檢查區(qū)域

應(yīng)用有線無(wú)人機(jī)和爐膛視頻掃查儀，檢修人員能夠安全且快速地進(jìn)行爐膛內(nèi)部檢查。相比于傳統(tǒng)的宏觀檢查手段，有著工作周期短、成本低、安全性高、智能高效等優(yōu)勢(shì)，對(duì)提升傳統(tǒng)火力發(fā)電行業(yè)的智能化具有很大價(jià)值。

未來(lái)，此類爐膛檢查新技術(shù)將與智慧檢修系統(tǒng)相結(jié)合，根據(jù)設(shè)備全生命周期各個(gè)階段的運(yùn)行參數(shù)、故障信息以及實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)鍋爐狀態(tài)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，識(shí)別出設(shè)備故障或劣化的早期征兆，然后綜合考慮安全性因素和經(jīng)濟(jì)性因素，制定合理的檢修方案，替代傳統(tǒng)模式下根據(jù)人員經(jīng)驗(yàn)判斷維保周期和故障點(diǎn)的方法，對(duì)電力系統(tǒng)提升安全裕度具有重要意義。