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水下机器人方案设计及在水电站的应用
2020/9/29 6:09:58    新闻来源:北极星电力
后续我们将研发高水头水电站水下检修机器人设备,这进行深水区水下混凝土缺陷修复功能,实现水下检修范围全覆盖。另一方面是开发水下机器人检查检修大数据管理和应用,为后续水电站防洪渡讯的调整,以及检修方案的确定提供依据,真正能够实现智慧电站、数字检修。

——中国长江电力股份有限公司检修厂专业主任贾洪刚

为快速适应新形势下发展要求,精准把握行业发展趋势,引领行业方向,促进新技术、新成果和新产品在智慧电厂领域的转化应用,华北电力大学技术转移转化中心与上海电力大学技术转移中心、中国华电集团有限公司生产技术部、中关村华电能源电力产业联盟等单位于2020年9月27-28日在上海联合举办“2020年智慧电厂论坛(第一期)”。北极星电力网、北极星电力APP对会议进行全程直播。

中国长江电力股份有限公司检修厂专业主任贾洪刚在分论坛1——智能巡检+安全专场上作题为《水下机器人方案设计及在水电站的应用》的演讲。

 

以下为发言实录:

贾洪刚:很荣幸今天有这个机会参加2020年智慧电厂论坛的线下交流,长江电力是三峡集团控股的上市公司,主要是从事水利发电的业务,现在世界上排名前十的水电站,带电和投运的有五家在三峡集团,检修厂是我们下面的一个生产单位,因为我们自己有自己的潜水员和配套的潜水装备,整个流域的检查检修都是我们检修厂承担。

昨天有专家介绍了机器人的水上应用,主要是水上部分,我今天站在应用方的角度来介绍水下部分水下机器人的方案设计和应用的情况。

今天介绍分为四部分,第一是水电站水下检查检修任务及方式,我们有自己的潜水员,但是为什么还要去做研究,做机型的研究,就是因为现在潜水员的工作不能满足我们的需要,我们在梳理我们检修任务和方式的时候,用我们的需求才能做出后续方案的优化。第二是长江电力水下机器人方案设计过程,第三是流域梯级电站的应用情况,最后是一个总结和展望。

水下的检查检修的任务在水电站,因为都是一些高坝大库,特别是泄洪消能建筑物,在经过汛期长时间运行冲刷后,会出现一些缺陷,这些缺陷有的是在水上,有的是在水下,水下部分以前可能是通过一个抽干检修,或者是在水下潜水员进行摄像看到的冲坑、裂缝,另外水下还有一些清淤、堵漏和打捞、脱困等工作。

水下检修的特点,第一个就是工作深度大,我们现在管辖的电站,最大坝高接近300米,缺陷的种类比较多,有的是磨损,有的是冲坑,有的是裂缝,另外缺陷分布的位置也比较广,有的是一个机组的流道,有的也许是一个围水泄洞,缺陷的及时发现是非常重要的,一个高速水流的冲刷,很快就会对混凝土建筑物出现威胁,如果不能及时的修复就威胁大坝的安全。

我们以往采取的人工检修主要是通过潜水员,主要是采用空气潜水和混合气潜水作业,优点就是机动灵活,可以携带相应的装备,可以水下摄像进行清理,包括水下的测量工作。但是缺点就是水下作业深度是受限的,空气潜水工作深度就是65米,现在的水电站库区包括上游超过200米的非常多,没法覆盖,另外潜水员水下工作时间受限制,可能超过30米,一天在水下工作就一两个小时,再下一次作业就是24小时以后,而且人在水下存在一定的风险,这一块也是需要研究机器人的一个出发点。

水下机器人的分类简单说一下,因为我也不是搞机器人方面的,大的分类就分为载人潜水器和无人的,载人的可以下潜上万米的深度进行科考任务。无人潜水器有没有电缆也可以分为无人遥控潜水器和无缆的潜水其,无人遥控潜水器就是ROV,我们公司使用的就是无人游缆的潜水器。

在ROV这块,目前市面上也有比较成熟的产品,大概可以分为观察型和作业型的,单从机器人这块优点是没有时间限制,没有水深限制,我们水电站的水深对于水下机器人来说不算什么,因为上万米都可以做到,检查面积比较广,携带设备比较多,缺点就是不能像潜水员那样完成非常复杂的作业。左边这个是观察型的ROV主要是做水下的摄像、检查,比较小巧,但是水下抗流的能力相对差一些,水流大一点就没有办法在水下工作。这是一个海马号,它的作业就可以携带比较多的检修的工具,对水下进行一些相应的采样,但是这个带的工具多,体型又比较大比较重,适合比较开阔的地方,水电站的门槽、孔洞用大型的不太合适,所以我们检修过程当中就触发了要做一个怎么样的机器人,从我们自己实际应用的角度,从我们自己几十年潜水作业的经验来梳理。

我们经历四年的时间,梳理我们水下检修任务和工作经验,目前研制了两台机器人和一个处理软件,其中一台是450缆水下机器人,是采用加装层组合式设计,可实现水下摄像、声呐扫描、测量、打捞。我们还有一个1800米缆水下机器人,使用于水下超长距离隧洞的检查。同时还开发一套声呐扫描图像处理软件,可结合定位信息,还原检查区域的地形地貌。

这个是450缆水下机器人,主要是有一个主机,目前的工作深度是300米,其他的有450米,抗流达到了3节,每秒的抗流能力,里面搭载一些相应的设备,包括高度计、深度计、脱落仪,包括单波束、多波束、超短基线,可以对机器人进行路面的规划,对机器人进行检查路径危化,可以进行一个全范围内的检查工作。

这个是我们搭载声呐设备扫射呈现出来的画面,左边是多波束,是能够直观的看到在这个区域水下有一个楼梯,右边是一个单波束声呐,可以在显示器看得很清楚,而且也知道机器人所处的位置。

我刚刚说的加装层就是为了完成工作的需要,就像搭积木一样,你想做什么工作,就加一个加装层,这个就是减轻各个机箱的重量,另外方便到现场。这个机械手对水下的绳缆包括钢丝绳进行切割,在水下清障和脱困的过程当中还是比较好用的。而且它在水下打捞,机械手的夹取力是78公斤,下面有异物就可以用这个机器人处理,这是我们现场去做切割的效果。

另外有一个子机加装层,这个是为了解决我们水电站的一些出水管的一些检查,因为有一些管道是比较小的,用这个大机型可能也看不到,月这个小机型在主机上面,把它带到要检查的部位,再自动把这个子机释放出去,直径只有23公分。可以对这个管道进行检查。同时它也可以自己单独成系统,有控制器,两个人带着就可以去想检查的地方,非常便携。

第三个就是清理打磨加装层,这个是我们检查过程当中,对一些金属面或者混凝土有一些青苔,单纯观察的时候,看不清楚有没有缺陷,有没有裂缝,通过这个打磨层,可以对一些检查区域进行打磨,能够知道需要检查部位真实的状况,可以进行90度的旋转的。

最后是一个履带加装层,在我们水电站的检修过程当中,水下机器人常规是用螺旋桨推动,在行进过程当中,也可能会产生一些混水的情况,我们采用摄像头,混水会影响拍摄的效果,用履带机器人可以沿着地面慢慢爬行,不会扰动检查区域的水质,速度可以控制,而且可以进行路径规划。

另外刚才说的1800米的缆水下机器人搭载设备是一样的,就是脐带缆更长,在顶部也装了一个旋转移动的摄像头,这是我们在研制过程当中后来临时加的,因为一些水下的隧洞如果满水状态,用声呐和摄像头都可以检查,但是半水下的话,我们可以把机身浮在上面进行检查的时候有一个全覆盖。

刚才主要是介绍了机器人前期的方案设计的内容,现在主要介绍一下我们的应用。

我们现在这个机器人基本上已经参与了我们包括三峡、葛洲坝、向家坝、溪洛渡的应用,应用情况比较好,因为可以对坝体、隧洞、泄洪消能建筑物进行全覆盖的检查,采用机器人安全、高效、准确、及时方面确实都能够做到。我们以前进行很大区域的检查,比如说正常一个潜水班组6个人工作40天,用机器人三个人工作四五天就够了,效率提高近20倍。

另外针对机器人我们也是研究了拼图的软件,对检查的结果进行高精度的还原,还原之后知道是什么情况,这个里面是我们检查区域,知道这一块大概的不一样,前期这一块是先做了一个建模,然后检查对他进行一个叠加的确认。这一块是纯的声呐检查的结果,如果是水电站可以看到这块有门槽,这里有石块,也可以准确的测量石块的大小、部位,对后续检修方案的确定非常有必要。

关于水下异物的打捞,通过机型发现异物,通过机械手抓住,带离水面,离开水底,相当于做了一个清障的工作,这是我们实实在在现场发现的工作,所以说应用效果还是不错的。

履带水下的工作,水下地板上面是有一层薄薄的浮沙和一些瘀泥,用螺旋桨可能会把水搅混了,对于这个下面的情况看得非常清晰,这个履带主要的工作。

后面是一些总结和展望,我们毕竟不是做机器人制造的,只是从应用的角度,给大家来分享机器人设计过程中遇到的情况和解决的问题。我们两台机器人和声呐软件在三峡进行了很好的应用,确实是降低了潜水员人身安全风险,提高工作效率,质量、成本节约明显。我们水下检修核心能力大幅提升,也是实现了从传统的潜水员到现在安全高效的无人华、自动智能化创新方式的转变,在国内水电行业取得良好的示范性作用,同时又较高的推广价值。

前景展望,后续我们有其他的工作要做,一个就是研发高水头水电站水下检修机器人设备,这个水下机器人就是要进行深水区水下混凝土缺陷修复功能,实现水下检修范围全覆盖。另外水下机器人检查检修大数据管理和应用还没有开发出来,后续对这一块进行分析,包括普及,也是为后续水电站防洪渡讯的调整,以及检修方案的确定提供依据,真正能够实现智慧电站、数字检修。

今天汇报就到这儿结束,不对的地方请大家批评指正,谢谢大家!

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