转载–有线无人机在锅炉防磨防爆检查中的应用

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项目背景

我国火力发电厂各种事故中锅炉事故约占发电厂总事故的70%以上，而过热器、再热器、省煤器、水冷壁四管泄露与爆破事故在众多事故中出现最多，约占锅炉总事故的70%以上。四管泄露成为困扰火力发电厂安全生产的一大难题，容易导致停机、停炉，造成大量的经济损失和增加检修工作量，严重时甚至会影响电 的平稳运行。

火电厂的锅炉体积庞大，特别是超超临界的百万等级锅炉，其高度有80m左右。锅炉内部煤粉燃烧的环境复杂恶劣，需要在高温高压条件下长期稳定的运行。炉膛内防磨防爆检查对锅炉安全运行具有至关重要的意义。正常情况下，只在B级及以上等级检修才搭设炉内大型升降平台，平时的机组临停、临修或C级检修，一般不开展此项工作，对锅炉防四管泄漏非停检查和结焦状况判断失去了一次检查、验证的机会。如果按照传统检查方法搭设升降平台有三个缺点，首先耗时长，搭设炉内升降平台大约需要一周时间；其次成本高，搭设升降平台耗费大量人力物力。最后部分部位架子难搭设。所以对于小修及临停机组来讲这种方法不可取。

针对这一问题我们提出了利用现有无人机在炉膛内部飞行检查，完成宏观的四管防磨防爆检查工作。为何要使用无人机？首先不用搭架子，还可抵达连搭架子也无法达到的地方，检查速度快而安全，后续可以按初步查出的结果，利用水冷壁爬行机器人精准检测，做到有的放矢。根据检测结果采取针对性的解决方案，比如吹灰器运行情况，炉内全面的结焦情况，燃烧器喷口状况等。

如何实现炉膛内部无人机宏观检查呢？在锅炉炉腔本体的三楼人孔门处搭设临时脚手架，或者利用在冷灰斗处搭设的简易小平台作为仪器摆放地，检查人员甚至可以不进入炉内。启动控制器控制飞行。

无人机应用范围有哪些？

①炉膛水冷壁检查；

②屏过、末过不易搭设脚手架区域检查；

③吹灰器枪头及其作用范围的壁面、防磨瓦、管壁吹损情况检查；

④炉腔内部燃烧器检查；

⑤在检修人员进入炉腔之前，先对炉腔进行结焦情况检查和判断，为搭设脚手架平台创造一个安全的环境；

⑥其它有限空间或密闭空间检查。

因此，我公司研发设计的适应于密闭空间的智能有线无人机，利用其对锅炉炉膛内部进行自主飞行和高清拍摄，将影像实时传输至外部进行处理，识别设备的缺陷等问题并进行实时评估，这种采用无人机检查的方式，解决了传统的火力发电厂针对电站锅炉防磨防爆自动化程度低的问题。

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目前无人机在锅炉检修应用中存在的问题

1、续航能力差

续航能力不足是制约无人机在锅炉检修应用的一个重大因素。电动多旋翼无人机因其成本低、操控简单、在复杂环境下作业效果较好的优点，在许多领域应用广泛。但电动多旋翼无人机由于飞行效率较低，在载荷指标、航程、航时方面的短板十分明显。目前对多款多旋翼无人机进行现场测试，得出无人机现场测试续航时间在15~25min之间，无法满足远距离、长时间的飞行，飞行过程中需预估飞行时间，否则一旦失去动力，需中断飞行需更换电池，而一台电站锅炉的现场检查通常耗时3~4h甚至更长时间。为满足检查需求，通常需要携带多块备用电池，检查过程中更换电池不仅容易打乱原本的飞行计划，而且提高了时间成本。因此，提高无人机续航能力成为无人机研发的重中之重。

2、避障能力需加强

锅炉内部存在很多突出的固定卡、温度探针或其他细长突出障碍，因其体积较小，无人机自主避障功能检查不到时容易发生碰撞事故，影响检查工作进行，且容易造成无人机损坏。由于炉腔内部没有GPS信号，只能使用手动操作或惯性导航。或者按设定的飞行轨迹，在炉腔内部连续不断拍摄和检查。

3、稳定飞行及悬停

电站锅炉炉膛燃烧器附近为重点检查区域，由于燃烧器喷嘴与外部空气相通，炉膛为一个巨大的通风体，自然风的风力较强，导致无人机在喷嘴附近无法靠近，或仅能观察整个喷嘴的局部区域。

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有线无人机的研发

1、简介

锅炉具有空间密闭、内部结构复杂、环境恶劣等特点，各部件横竖不一，且部分空间极度狭小，检查环境细小灰尘弥漫，对无人机使用寿命、导航定位、自主避障及相机成像质量都是极大的挑战。

目前，大部分工业用无人机采用卫星或视觉导航进行定位，但锅炉的炉堂、尾部受热面等均为密闭空间且空间内光线较弱，存在较强电磁干扰，信号屏蔽严重，卫星及视觉导航系统无法实现无人机的精准定位。本项目所选用无人机为四旋翼飞行器，飞控及图传系统均采用国内成熟的先进无人机技术，机械稳定性好；通过多个不同方向的激光传感器完成测距，实现锅炉内部相对位置的确定；机身外部增加圆形防护罩，以避免飞行中可能发生碰撞时无人机的损坏问题；结构相对简单，性价比高。在复杂密闭的空间，特别是锅炉的高空、高尘、双盲（无 GPS、无光照）的工业场景下，无人机进行智能飞行、高清拍摄和图像处理，存在着诸多技术难题。下面将介绍我司研发设计专用于火电厂锅炉炉膛检查用的智能有线无人机。

2、有线无人机组成

①智能有线无人机由飞行平台系统、图像采集系统、有线供电系统和地面控制系统组成。

②飞行平台系统主要包括动力系统、传感器、信号处理、GPS、照明、无线控制等。

③图像采集系统主要包括云台、相机、传感器、无线传输等。

④有线供电系统主要包括升压稳压系统、线缆等。

⑤地面控制系统主要包括无线控制、GPS导航、计算机、手机等。

图1：智能巡检无人机包装图

图2：智能无人机飞行

3、有线无人机工作原理

无人机采用有线供电，并配备高亮度LED照明，通过遥控器操纵或者通过编程实现自主飞行，在锅炉内飞行到待检查位置悬停，利用搭载的4K高清图像采集摄像头，对锅炉内部拍摄，通过WIFI传输模块将实时图像无线传输至计算机或手机观看。以实现对炉膛内过热器、水冷壁等的快速检查。

4、有线无人机的特点

4.1 供电系统：采用有线供电

目前市面上的无人机均采用电池供电，飞行时间在10min～30 min之间，飞行器续航时间短。对于空间很大的锅炉炉膛检查需要长时间、远距离作业任务，采用电池供电无法完成检查任务。

我司无人机采用地空电力传输，采用220V市电升压为高压的直流电通过线缆连接到智能巡检无人机供电，线缆长度可达到30米，可不间断的为无人机供电，解决了无人机电池供电时间短的问题。

4.2 4K高清摄像模式

采用带有三轴自稳云台的4K前置摄像头和1080P的底置双镜头图像系统，可电动调节摄像头的方向和5倍变焦。实现对现场高清拍照和摄像，图像清晰。

4.3 无人机在锅炉中悬停

采用GPS卫星导航和光流（视觉）导航两种模式。在锅炉无法接收GPS卫星信号，可切换到光流导航模式，利用高亮度LED照明导航到需要检查的位置，悬停在待检位置进行检查。

4.4 无人机在锅炉中避障

采用激光雷达和防护罩形式实现双重避障，在离障碍物2米距离时无人机悬停实现自主避障功能；在一些需要近距离检查的场合，通过防护罩可防止与炉壁碰撞。

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有线无人机在锅炉防磨防爆检测中的应用

1、无人机飞行与检查方式

无人机具备降落观察、指定高度悬停、沿目标水平周向飞行、沿目标高度上下飞行等飞行方式，摄像头扫查方式为水平垂直扫查，仰视(俯视)扫查，侧视扫查。

因摄像头可视范围有限，且成像边缘畸变量较大，因此应首先根据无人机摄像机特性确认扫查的有效区域，确保扫查结果真实可靠。

2、无人机检查顺序

一般情况下无人机从位于炉膛或尾部受热面侧面的炉门进人检查空间，进人后应由检查人员根据锅炉内部特征判断无人机所处位置，选择合适的起点(零点)。检查时，可按照整体快速扫查与局部重点扫查相结合的方式，而在容易发生问题或怀疑有缺陷的部位可悬停进行重点扫查。

整体扫查时，无人机可呈“S”形检查。如炉膛部分，选择一面水冷壁墙体后，可从墙体一侧沿高度方向飞行，到达顶部后折返，也可自墙体一侧水平飞行至墙体另一侧后折向更高位置，飞行时应注意扫查的有效区域，飞行路线相邻的两区域应有一定重叠，防止漏检。

3、现场检查

操作无人机进行锅炉检查的人员必须熟悉无人机各项性能及飞行操作。

水冷壁管检查管子表面结焦、磨损、腐蚀，炉墙及角部密封板与水冷壁管焊接质量良好；密封板无变形、烧损、开裂现象。

图3：水冷壁管大面积高温腐蚀检查

图4：水冷壁折焰角上爬坡与侧墙部位拉裂检查

燃烧器区域检查管壁的冲刷和腐蚀程度；燃烧器喷口处及附近区域连接密封件焊接部位开裂拉伤、烧损、撕裂、变形现象。

图5：燃烧器火嘴喷口有无烧损、撕裂、变形检查

吹灰器区域检查管壁有无明显吹损现象，开裂拉伤、烧损、变形现象。

图6：吹灰器四周水冷壁管吹损检查

过热器管屏全面检查外壁结焦情况，管排有出错列现象，检查各管排间距是否均匀；检查防磨板有无脱落、烧损。

图7：过热器管屏外壁结焦检查

图8：过热器管屏护瓦烧损检查

图9：过热器管屏出列检查

无人机检查过程中，对锅炉受热面的典型部位应以视频、照片等方式留存。发现缺陷时应标明缺陷所处位置，并进行多角度拍摄，由经验丰富检查人员判断缺陷类型、大小以及处理方式，对疑似缺陷存在争议时，可对存疑部位改为人工检查进行确认，确保不误判。

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结论

锅炉炉膛内部传统的检查方法工作周期长、经济效益差、危险性高等，采用智能有线无人机检查有着低成本、高效率、高智能、空间适用性强等显著优势，能在锅炉炉膛高效检查工作中发挥巨大作用，这对提升传统火力发电行业的智能化具有较大的价值。随着后期研发需求，智能有线无人机平台将可以搭载测厚及氧化皮检查探头等，可以对锅炉进行更加全面地检查，从而达到代替人工的目的。