空冷島全自動無人值守清洗機器人系統的設計研究

獨敬東

摘要：該文對直接空冷島全自動無人值守清洗機器人系統的設計研究，并將研究成果成功應用于電廠2X660MW空冷機組。運行效果證明，本文研究設計的清洗機器人系統性能穩定，可靠性高，消除了原有空冷島清洗系統的技術安全隱患，使空冷島清洗真正意義上實現設備運行的自動化和無人化，大大減少了工人的勞動強度，完全杜絕了不安全事故的發生，提高了生產效率。

關鍵詞：空冷島?????智能控制????清洗機器人????全自動無人值守

中圖分類號：TP242???????文獻標識碼：A

Design?and?Research?of?the?Full-Automatic?Unattended?Cleaning?Robot?System?for

the?Air-Cooling?Island

DU?Jingdong

（Jinneng?Holding?Shanxi?TongHua?Electric?Power?Co.，Ltd.，?Xinzhou，Shanxi?Province，?034100?China）

Abstract：?This?paper?designs?and?studies?the?full-automatic?unattended?cleaning?robot?system?for?the?direct?air-cooling?island，?and?research?results?are?successfully?applied?to?the?2X660MW?air-cooling?unit?of?the?power?plant.?The?operation?effect?proves?that?the?cleaning?robot?system?studied?and?designed?in?this?paper?has?stable?performance?and?high?reliability，?eliminates?the?technical?hidden?safety?hazards?of?the?original?cleaning?system?for?the?air-cooled?island，?makes?the?cleaning?of?the?air-cooling?island?realize?the?automatic?and?unmanned?operation?of?the?equipment?in?the?true?sense，?greatly?reduces?the?labor?intensity?of?workers，?completely?eliminates?the?occurrence?of?unsafe?accidents，?and?improves?production?efficiency.

Key?Words：?Air-cooling?island;?Intelligent?control;?Cleaning?robot;?Full-automatic?unattended

直接空冷島在運行過程中，由于自身原因會引發各種問題，其中空氣中漂浮的灰塵、柳絮等附著在空冷島的散熱器翅片上，阻礙其散熱及排氣、降低熱交換效率、影響發電效率就是最嚴重的問題之一，所以需要定期對散熱器翅片進行清潔處理。常規的空冷島清洗系統為半自動清洗設備，需要人工干預作業，靠人工拉動高壓水管和電纜，使其達到清洗的目的。這種人工控制的方式不利于整個清洗工作，不但費時費力、清洗質量差，而且高壓水管和電纜在拉動的過程中易被磨損，甚至被拉斷而造成人身傷亡事故發生。直接空冷島全自動無人化清洗機器人的設計研究成功真正意義上實現自動化和無人化值守，大大減少了工人的勞動強度，完全杜絕了不安全事故的發生，提高了生產效率[1]。

1方案概述

該文通過對機械傳動技術及智能控制技術的設計研究，采用齒輪齒條傳動增強系統運動機構驅動能力；靈活應用柔性拖鏈隨動裝置，避免了膠管和電纜在地面拖拽和人工拖動；增加視頻監控系統，方便集控室觀察設備運行情況；增加遠程控制系統，集控室一鍵遠程控制，實現沖洗設備無人化全自動運行，徹底釋放人工，實現設備的智能化。系統結構圖示意圖如圖1所示。

2系統組成

全自動無人化清洗機器人系統主要由以下七個部分組成：高壓水泵站、管路及閥門、清洗機器人桁架平臺、清洗機器人桁架平臺X軸驅動機構、清洗機器人（清洗小車）、智能控制系統。

2.1高壓水泵站

高壓水泵站提供空冷島清洗機器人的高壓清洗水。高壓往復泵進水口接自工廠除鹽水（除鹽水壓力要求0.2～0.4MPa）管路。由于高壓往復泵產生的是脈沖水流，如果不經處理直接用于清洗，會對管路產生極大沖擊，所以在高壓往復泵出口安裝一臺緩沖器，使得出口高壓水能較平穩地流動。

2.2管路及閥門

管路包括母管系統、支管系統、膠管系統組成，管道的材質一律為304不銹鋼，耐壓為15MPa。

2.3清洗機器人桁架平臺

清洗機器人桁架平臺主要由高強度鋁鎂合金桁架、支撐輪、傳感器、行程開關、清洗機器人Y軸驅動導軌等組成，外形結構如圖2所示。清洗機器人桁架平臺每一面散熱器配備一臺；行程開關防護等級達到IP67，用于檢測桁架平臺到達兩端時自動停止；傳感器主要用于檢測電機是否過載、桁架平臺是否卡住或形變，當出現故障時及時檢測并給遠程及現場發出報警；位置編碼器主要來檢測、記載清洗機器人桁架平臺X軸（水平）位移[2]。

2.4清洗機器人桁架平臺X軸驅動機構

清洗機器人桁架平臺X軸驅動機構采用齒輪齒條驅動模式，清洗機器人桁架平臺的另一端驅動采用隨動滾輪。驅動機構主要包含M4齒條、安裝基板、齒輪、驅動電機和機構、柔性拖鏈隨動裝置，位置編碼器、行程開關等，外形結構示意圖如圖3所示。

圖3清洗機器人桁架平臺X軸驅動機構示意圖

清洗機器人桁架平臺X軸驅動機構每一面散熱器配備一套；驅動機構由高性能步進電機、位置編碼器、減速器、聯軸器、驅動齒輪、安裝基座等組成，所有部件均為耐高溫、防氧化材料加工而成，系統防護等級極高，驅動機構可以上下調節以適應不同模式下的清洗需求；行程開關防護等級達到IP67，用于檢測清洗平臺到達兩端時自動停止；傳感器主要用于檢測電機是否過載、清洗機器人桁架平臺是否卡住或形變，當出現故障時及時檢測并給遠程及現場發出報警；位置編碼器主要來檢測、記載清洗機器人桁架平臺X軸水平位移。水平高壓膠管及控制電纜安裝在拖鏈中，拖鏈與清洗機器人桁架平臺隨動，從而使得高壓膠管及電纜與清洗機器人桁架平臺同步隨動而互不干涉，無需人工干預[3]。

2.5清洗機器人（清洗小車）

清洗機器人由Y軸豎直驅動機構、清洗噴嘴框組件及托架組件、柔性拖鏈隨動裝置、行程開關、齒形同步皮帶、快換插頭等組成，每個清洗機器人桁架平臺配備一套，外形結構示意圖如圖4所示。

Y軸豎直驅動機構由高性能異步電機、減速器、聯軸器、驅動輪組件組成，異步電機額定功率為250W，最高耐受溫升可達180℃，具備防雨、防腐、耐高溫等特點。其他零部件也均由耐高溫、防氧化材料加工而成，系統防護等級極高；托架組件是Y軸驅動機構與噴嘴之間的支架平臺，主要由皮帶張緊輪、支架、軸承組成，材料為不銹鋼加工而成，清洗噴嘴框組件主要由清洗框、噴嘴組成，每個清洗框布置上下兩排噴嘴，每排有6個噴嘴，共12個，噴嘴選用的是德國萊克勒專用清洗噴嘴，材質為316不銹鋼，清洗水暮寬度大于70cm；行程開關防護等級達到IP67，用于檢測噴嘴及托架到達兩端時，自動切換噴嘴向相反方向行走；齒形皮帶，與上下行走機構配合，驅動噴嘴及托架上下移動，每個清洗機器人桁架平臺配備一條。高壓膠管及控制電纜安裝在拖鏈中，豎直隨動由清洗機器人驅動，保護管束翅片不受高壓膠管摩擦損壞，配合清洗機器人豎直驅動[4]。

2.6智能控制系統

2.6.1就地控制箱

就地控制箱由箱體、PLC、變頻器、操作面板（含按鈕）、元器件、指示燈、接插件等組成，每一面配備一臺，主要實現以下功能：就地控制清洗機器人的驅動與停止；清洗機器人X軸水平移動、Y軸豎直移動控制水泵啟動和停止遠程控制；遠程/就地控制切換；故障提示及消除；遠程控制及驅動接口；人機交互界面實現；系統運行狀態顯示。

2.6.2遠程控制柜

遠程控制柜位于空冷島平臺下方電氣室，由控制模塊、通信模塊、電源、液晶顯示器、操作面板、指示燈、接插件等組成，主要實現以下功能：系統的控制邏輯中樞、系統網關；連接控制操作終端、變頻控制柜、就地控制箱、高壓清洗泵變頻控制柜之間的樞紐；清洗機器人桁架平臺和清洗機器人驅動控制邏輯、狀態反饋的控制中心；高壓清洗水泵控制邏輯及狀態反饋控制中心；電動閥門控制邏輯輸出及狀態反饋中心；清洗機器人桁架平臺和清洗機器人的移動位置檢測；行程開關、壓力傳感器、流量傳感器、溫度場數據的采集中心；系統運行狀態顯示；實現就地/遠方控制的中樞；配合就地控制箱，系統所有控制信號經就地控制箱接，通過集中DCS可以實現遠程所有啟動、停止控制[5]。

2.6.3遠程控制操作終端

遠程控制操作終端位于中控室，獨立于電廠原有DCS系統，由工控機、自動清洗控制組態軟件、通信系統、電源組成，主要實現以下功能：設置系統控制方式和各種參數，如工作模式設置、清洗機器人桁架平臺及清洗機器人移動速度及方向設置、清洗順序設置、清洗模式設置（精細或粗細）等，自定義清洗模式、局部精確定位清洗；遠程控制高壓清洗水泵，設置水泵工作參數如壓力流量等；遠程集中控制清洗機器人運行，系統工作狀態反饋顯示；采集接收各種傳感器參數及各種工作狀態報警信息，以提示工作人員進行相應操作；接收溫度場在線監測數據、機組運行背壓數據、現場環境溫度數據，根據這些參數制定系統清洗策略，實現專家級精確定位清洗；接收視覺系統的圖像視頻，實時監控系統運行狀態；可實現設備在線運行狀態實時顯示，包括設備當前清洗工作狀態的實時動畫顯示、清洗水壓和流量實時顯示等；可實現設備運行的遠程控制，包括設備工作模式選擇、手動定點/定速/定壓清洗等；可實現設備自動運行的遠程設置，包括清洗軌跡任意設定、清洗水壓力、清洗設備水平移動速度、清洗設備垂直移動速度等；可實現設備運行的智能化輔助功能，包括本周期清洗時長計算、下次清洗周期時間預估、清洗水壓力&清洗速度的最優計算、設備運行故障分析等；可實現設備運行的歷史數據存儲及統計分析，歷史數據包括設備運行時間節點、清洗水壓、機組背壓、手動操作動作等，統計分析包括設備運行時間統計、用水量計算等，還提供歷史曲線顯示和打印報表功能；可實現用戶權限及操作日志管理，包括指紋用戶登錄驗證、用戶增刪改查、用戶登錄日志[6]。

3應用案例

2022年初，我廠進行了該清洗機器人的安裝，并測試運行和清洗效果，測試效果對比如下。

3.1提高了工作效率，改善了工作條件

通過表1對比可知，設備安裝后大大提高了工作效率，大大減少了工人的勞動強度，完全時間無人化自動化值守，改善了沖洗工作人員的工作條件。

3.2經濟效益明顯提高

通過表2對比可知，2022年5～9月份機組真空比2021年同期相比平均提高了1.980kPa，按照每KPa影響煤耗1.85g/kWh，每月單臺機組發電量2億kWh電量，每噸標準煤600元計算，共節約燃煤費用約為1.85g/kWh×2億kWh×5個月×600元/噸=111萬元。

3.3機組運行更加安全穩定

本設備的安裝運行，保證了整個夏季空冷島的沖洗效果，做到了空冷島散熱器翅片表面清潔，保證了潔凈度。在連續高溫天氣下，使機組穩定、經濟、滿負荷運行，達到了預期的目的。

4結語

空冷島全自動無人值守清洗機器人系統采用齒輪齒條傳動增強系統運動機構驅動能力；靈活應用柔性拖鏈隨動裝置，避免了膠管和電纜在地面拖拽和人工拖動；增加視頻監控系統，方便集控室觀察設備運行情況；增加遠程控制系統，集控室一鍵遠程控制，實現沖洗設備無人化全自動運行，徹底釋放人工，實現設備的智能化。運行效果證明，本清洗機器人系統性能穩定，可靠性高，消除了原有空冷島清洗系統的技術安全隱患，使空冷島清洗真正意義上實現設備運行的自動化和無人化，降低了勞動強度，提高了生產效率，其運行的經濟性對空冷技術的發展具有重要的指導意義。

參考文獻

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[3]毛曉勇.綜掘工作面粉塵運移規律及噴霧降塵技術[J].山東煤炭科技，2021，39（3）：90-92，98.

[4]余志林，李貴雷，趙順安.直接空冷凝汽器V型布置與A型布置防風能力對比研究[J].中國水利水電科學研究院學報，2020，18（2）：143-148.

[5]侯欣妍.直接空冷凝汽器冬季防凍方案[J]中國新技術新產品，2018（24）：51-52.

[6]賀曉怡.直接空冷凝汽器換熱表面結構及材料的優化研究[D].太原：太原理工大學，2018.