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在倡导可再生能源的今天，火力发电依旧是国内的主要电力来源，发电量仍占全国总发电量约70%。整体来看，火电在当前和今后仍然具有许多独特的优势，这些都是其他新能源在相当长时期内无法替代的。在双碳背景下，火电机组需要有更高的灵活性，因此，合理控制成本、提高发电效率是众多火电企业创新发展的重中之重。而锅炉设备老化和故障是影响电厂安全、可靠和经济运行的主要原因之一。
由于锅炉炉膛内燃烧温度高，烟气流速快，水冷壁等受热面经常出现大面积结焦和爆管事故，导致机组出现非计划停运，额外增加检修工作量，造成经济损失和安全问题，严重时甚至会影响电网的平稳运行。因此，加强锅炉的检修效率于电厂安全运行至关重要。
目前针对电厂锅炉设备的检修工作主要分为故障停炉检修与日常定期检修，一般来说每4个月就要对发电厂锅炉设备进行一次小型检修，而每3年则要进行一次大型检修。锅炉炉膛高度可达80m，四周由水冷壁构成天然金属屏蔽体，是一个内部没有光源的封闭空间，布满灰尘和煤焦，且充斥着CO等有毒气体，环境异常恶劣，非常不利于技术人员长时间工作。按照传统检修方式，无论是日常检修还是紧急事故检修，都需要在锅炉完全冷却并经充分通风后搭建大型脚手架或升降平台，采用人工巡视方案进行全面巡检。这种方式消耗大量人力物力，成本高昂，耗时长，同时极易出现安全事故，我们迫切需要一种安全、可靠、便捷的宏观检查方法来适应大型机组日益增长的需求。
近些年随着工业互联网、人工智能等新兴技术的迅猛发展，无人机凭借其灵活性高、成本低等特点，对于在危险区域或人力不方便抵达的空间开展巡检、探测有着广阔的应用需求。目前无人机应用于户外场景的技术较为成熟，其可以深入应用于农林、物流、气象、安防、勘测等诸多行业。但在复杂密闭的空间，特别是在类似火力发电厂锅炉的高空、高尘、双盲（无GPS、无光照）的工业场景下，无人机的应用尚处于起步阶段。
研发人员设计适应此类密闭空间的工业无人机，它可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计算处理，智能识别内部缺陷等劣化问题并进行实时评估，这种提升改造对火力发电厂具有非常大的吸引力。
图 2 无人机智能巡检图像采集
利用无人机开展大型锅炉炉膛巡视主要有以下优势：
（1）加快检修速度，降低检修成本。锅炉在发生爆管、大面积结焦和燃烧器损坏等事故后，需停炉处理。正常情况下，需一周时间等锅炉完全冷却后，搭建脚手架等辅助设备，方可开展水冷壁的巡视和检修工作。而无人机可承受80℃左右的高温，能提前进入炉膛巡查，无需搭建脚手架，为检修争取了时间，提高了检修效率，并避免消耗大量人力物力。
（2）降低安全风险。鉴于锅炉炉膛的恶劣环境，利用无人机可以有效提高炉膛检修的安全系数。无人机可以在缺氧、CO浓度超标以及光线不足的条件下开展巡检工作，避免了检修工人缺氧、中毒或高空坠落的风险，提高了检修的安全性。
（3）提高检修精度。无人机能进入脚手架无法搭建的位置采集图像，利用图像识别软件进行分析处理，高精度识别，有效避免漏检错检，提高巡检精度，降低劳动强度，避免人为误判和漏判。并且可携带各种探伤设备及测厚仪等智能仪表，对重点区域水冷壁金属管内部情况进行检查和分析，提高检修的智能化水平。
同时，无人机系统的后台软件也可将检查结果与历史图像进行分析比较，预测受热面异常工况，提前预警并处理，预防事故发生。
图3 大型火电机组炉膛无人机巡视技术方案
然而，电厂锅炉是一个封闭的天然屏蔽体，电磁信号存在多次辐射干扰，且多灰、少光、环境恶劣，炉膛内的无人机巡查存在诸多技术难题：
（1）飞控问题。炉膛内，GPS信号被遮挡，指南针受到金属结构干扰，人工视觉模块因为光线暗而难以工作，导致无人机部分智能功能丧失，在飞行中会出现明显的漂移，需要地面控制人员依靠丰富的经验控制飞行姿态，控制难度与作业安全风险增大。此外，炉膛燃烧器附近为重点检查区域，自然风风力较强，无人机在喷嘴附近无法靠近悬停。
（2）避障问题。炉膛检测作业主要为近观检测任务，指通过对锅炉表面的近距离观察，对其焊缝开裂、表面缺陷等问题进行排查。为了得到高分辨率的炉体影像信息，飞行器需要沿炉壁近距离飞行，无人机要能够自主感知环境、合理规划路径并及时躲避障碍物，否则存在无人机与炉壁碰撞，导致事故的风险。
（3）续航问题。目前对多款多旋翼无人机进行现场测试，得出无人机续航时间在15-25min，无法满足远距离、长时间的飞行。飞行过程中需预估飞行返程时间，在失去动力前需中断飞行更换电池。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，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飞行计划，而且提高了时间成本。
针对以上问题，我公司研发团队提出了利用有线无人机进行炉膛宏观检查的新方案。
我公司研发的智能巡检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：
飞行平台系统主要包括动力系统、传感器、信号处理、GPS、LED照明、无线控制等。可通过遥控器操纵或者通过系统程序实现自主飞行，在锅炉内飞行到待检查位置悬停。采用激光雷达和防护罩实现双重避障，多个不同方向的激光传感器可完成测距并确定相对位置，在距离障碍物2m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景下，通过机身外部的圆形防护罩可防止与炉壁发生碰撞。
图像采集系统主要包括云台、相机、传感器、无线传输等。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，5倍变焦，实现对现场高清拍照和摄像。并通过WIFI传输模块将实时图像传输至计算机或手机，实现对炉膛内过热器、水冷壁等的快速检查。
有线供电系统主要包括升压稳压系统、线缆等。采用地空电力传输，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，线缆长度可达30m，可不间断地为无人机供电，有效解决了无人机电池续航时间短的问题。
地面控制系统主要包括无线控制、GPS导航、计算机、手机等。采用GPS卫星导航和光流（视觉）导航两种模式。当锅炉无法接收GPS卫星信号时，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。
图 4 有线无人机
一般情况下，无人机从位于炉膛尾部受热面侧面的炉门进入检查空间，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，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。
a)水冷壁管高温腐蚀检查；b)燃烧器喷口检查；
c)吹灰器四周水冷壁吹损检查；d)过热器管屏外壁结焦检查。
无人机检查过程中，对锅炉受热面的典型部位以视频、照片等方式留存。发现缺陷时标明所处位置，井进行多角度拍摄，由检修人员判断缺陷类型、大小以及处理方式。当对疑似缺陷存在争议时，可对存疑部位进行人工检查确认，确保不误判。
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，能在炉膛检查工作中发挥巨大作用。根据后期研发需求，有线无人机平台可以搭载测厚及氧化皮检查探头等，对锅炉进行更加全面精确的检查。
针对锅炉炉膛人工检查的一系列问题，我司提出的第二种新型解决方案是炉膛视频扫查仪。该扫查仪由电动攀爬模块、控制模块、视频检测模块、智能机械防抖模块、供电模块和信号传输模块构成：
图6 炉膛视频扫查仪结构示意图
电动攀爬模块由炉膛顶部中心位置固定2根钢丝绳，下穿至底部中心固定，作为攀爬导向轨道。电动攀爬机构可沿钢丝绳上下运动，前端搭载高清相机和360°旋转云台，运行一定距离后水平旋转一周，实现对炉膛内壁的全方位检查。
控制模块采用便携式控制箱，内置携带10寸高清触摸屏的安卓系统控制终端，控制扫查仪的爬行、旋转、变焦、灯光亮度等。
视频检测模块摄像头采用500万像素CMOS图像传感器，20倍光学变焦镜头，高亮度LED照明，实时高清摄像存储，并具备光学防抖功能，可对炉膛管壁外观进行全方位扫描检测和缺陷记录。后期在炉外可对录制的检测视频进行详细甄别和分析，对识别出的缺陷进行相应的分级处置。
智能机械防抖稳定系统用于保障摄像头的稳定性，防止采集图像动态模糊。电动攀爬模块在钢丝上移动时，水平方向会发生晃动，使用20倍光学变焦镜头拍摄图像会发生抖动。该模块采用机械防抖云台，它通过陀螺仪、加速度计等传感器来检测物体在三维轴向上的角度和运动变化，处理器得到反馈后进行运动分解计算。为了保证物体的空间坐标不发生变化，三个关节部位的伺服电机会向着移动的反方向进行运转，从而进行精确的运动纠正。
供电模块负责整套系统的动力输入与控制，前端视频扫查仪本体和后端便携式控制箱全部采用充电式14500mAh锂电池作为输入电源，续航时间5小时，可同时外接220V电源做到不间断供电。 信号传输模块采用点对点无线传输，负责整套系统控制信号和视频信号的输入输出，千兆接口，传输距离1000m以上，满足系统所需带宽。
炉膛视频扫查仪宏观检查的区域包括：
（1）炉膛燃烧器周围和热负荷较高区域水冷壁外管壁的冲刷磨损以及高温腐蚀、变形、鼓包等缺陷检查；
（2）冷灰斗区域水冷壁管因掉焦砸伤的管壁磨损检查；
（3）看火孔、人孔门部位水冷壁管磨损、拉裂、鼓包、变形；
（4）折焰角区域水冷壁管因局部水循环水动力特性不好而引起的过热、胀粗、鼓包以及烟气飞灰磨损而引起的管壁减薄等缺陷检查；
（5）吹灰器周边的水冷壁管壁吹损检查；
（6）燃烧器处短鳍片等部位的焊缝检查；
（7）水冷壁管屏拉裂、鼓包、变形，屏式过热器管出列、结焦；
（8）水冷壁面整体腐蚀情况的检查，宏观了解炉膛内部水冷壁结焦积灰和腐蚀情况等。
图7 炉膛视频扫查仪宏观检查区域
应用有线无人机和炉膛视频扫查仪，检修人员能够安全且快速地进行炉膛内部检查。相比于传统的宏观检查手段，有着工作周期短、成本低、安全性高、智能高效等优势，对提升传统火力发电行业的智能化具有很大价值。
未来，此类炉膛检查新技术将与智慧检修系统相结合，根据设备全生命周期各个阶段的运行参数、故障信息以及实时在线监测数据，对锅炉状态进行分析预测，识别出设备故障或劣化的早期征兆，然后综合考虑安全性因素和经济性因素，制定合理的检修方案，替代传统模式下根据人员经验判断维保周期和故障点的方法，对电力系统提升安全裕度具有重要意义。
