CN102175039B - 燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统，机器人本体外部从内至外依次设有保温层，内壁，冷却水夹层，外壁，外壁上设有近程喷嘴和远程喷嘴；主CCD摄像机前部安装有耐高温增透LOW-E膜，后部安装有冷却风机；可视化成像系统中设有内、外耐高温保温层以及中间真空隔热层，内耐高温保温层内层设有空气强制对流冷却结构，外耐高温保温层外层为玻璃LOW-E膜镀层。本发明可正常运行在常温到1200℃的流场中，可随时直观反映电站锅炉的积灰、结渣情况，并对积灰、结焦、结渣进行清理，并能有效预防爆管等事故的发生，可有效避免因积灰、结焦结渣引起的换热面受热不均产生的热偏差、水动力不稳、管间脉动、水循环停滞和倒流等不正常工况的出现。

Description

燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统

技术领域

本发明涉及一种传热学、光学、机械设计制造、信号传输领域。是一种操作简单，占用空间体积小，控制方便，可靠性强、经济价值很高的发明装置。

背景技术

目前市场上结焦、结渣处理设备以及可视化成像设备基本无法能够工作在1200℃的高温流场内。主要原因是电站锅炉炉膛燃烧环境恶劣，燃烧温度过高，极易引起设备的磨损、融化，导致成像设备损坏。该发明针对高温流场的工作特点，采取了外保护层、外保温层内真空隔热层、强制空气冷却措施，保证成像系统、结渣清理系统的工作温度在正常范围内。采用耐高温增透膜，使成像系统正常工作。

目前，很多人制作了高温下的成像设备及高温机器人，但是均无法在无保护状态下在正常运行的锅炉炉膛中工作。如中国专利号200720087021，自动进退一体化高温摄像机；中国专利号98113031，高温机器人末端操作器；中国专利号200810051498，温热成形用高温智能机器人等。

目前市场上还没有专门的应用于电站锅炉积灰、结焦结渣的机器人处置系统。

发明内容

本发明是要提供一种燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统，该系统能正常运行在常温到1200℃的流场中，可及时直观反映电站锅炉炉膛的积灰、结渣情况，并对积灰、结交结渣进行清理，能有效预防爆管、掉渣等事故的发生，可以提高锅炉检修效率，缩短停炉时间，增加锅炉的可利用率，增加发电量，随之可提高电网的可靠性、安全性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统，包括机器人本体、结渣清理装置、可视化成像系统、信号接收控制系统、冷却系统，其特点是：机器人本体两侧各安装有一条磁性履带和抗倾覆机构构成吸附机；机器人本体外部安装有四层冷却、保温层构成冷却系统，其中，机器人本体外部从内至外依次设有保温层，内壁，冷却水夹层，外壁，外壁上设有与冷却水夹层相通的近程喷嘴和远程喷嘴；可视化成像系统包括安装在机器人前部和后部的主，辅CCD摄像机，主CCD摄像机前部安装有耐高温增透LOW-E膜，用于减少反射光的强度，增加投射光强度，使成像更加清晰，主CCD摄像机后部安装有主CCD摄像机冷却风机；可视化成像系统中设有内、外耐高温保温层以及中间真空隔热层，内耐高温保温层内层设有空气强制对流冷却结构，外耐高温保温层外层为玻璃LOW-E膜镀层；结渣清理装置包括敲渣电机，磨棍驱动轴，安全距离开关，其中，在机器人本体前端安装有四台敲渣电机，磨棍驱动轴后部安装有安全距离开关。

机器人长0.8m，宽0.6m，高0.38m；机器人的吸附机由固定在驱动链外侧的四十四块尺寸为41mm×27mm×25mm的永磁体构成，其中，单块永磁体吸附力为8.6Kg。

近程喷嘴和远程喷嘴与冷却水输送管相连，冷却水输送管呈大套小结构布置，内管输送冷却用水，内管与外管之间设有运输冷却水的夹层，外层胶管钢芯间隙安装有与冷却系统上两种喷口直径分别为Φ₁、Φ₂的近程喷嘴和远程喷嘴入口直径均为Φ₃的喷嘴。

本发明的有益效果是：

 (1)具有在1200℃高温、高辐射环境温度下保持机器人本体温度在400℃以内、可视化成像系统等关键部分在80℃以内的冷却系统，能保证机器人正常工作；

(2)机器人具有可视化能力，能对锅炉受热面故障部分(如水冷壁爆管)进行人工定位；

(3)能够在锅炉任意受热面固定的吸附力，防止坠落；

(4)机器人结构能通过Φ700mm孔进入锅炉；

 (5)机器人有严密的密封系统，能防止系统内部积灰；

 (6)机器人能够实现清扫积灰，敲击结渣功能；

 (7)机器人具备较快的移动速度，能够在较短的规定时间内完成任务；

在电站锅炉工作、停炉时，该系统可以随时进入炉膛内部进行观察，极大方便了电站工作人员对炉膛内部的工作情况的直接观察，可对积灰、结焦结渣进行清理，避免了积灰、结渣可能导致的事故的发生，也可以在停炉后的第一时间进入炉膛，直接观测炉膛的爆管情况，缩短检修时间，增加锅炉可利用系数，提高发电量。

以一台额定容量为1000MW的常规燃煤电站锅炉，若能提前一天以额定负荷运行发电，就可多发电2400万千瓦时，按照每度电上网电价为0.3元，电厂将增加收入720万元。

附图说明

图1是本发明的本体结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是抗倾覆机构受力分析原理图；

图4是冷却系统结构图；

图5是图4的俯视图；

图6是冷却用风、水输送管结构剖视图；

图7是图6的右视图；

图8是CCD摄像机图像传输方式框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1，2所示，本发明的燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统，包括机器人本体、结渣清理装置、可视化成像系统、信号接收控制系统、冷却系统。

机器人除具备一般机器人的特点外，还需具备自身的特点。该机器人长0.8m，宽0.6m，高0.38m。它包括敲渣电机1，磨棍2，驱动电机3，磁性履带4，支撑杆5，配气箱6，钢刷7，主CCD摄像机8，主CCD摄像机冷却风机9，信号接收控制器10，导线11，辅CCD摄像机12，传动轴13，耐高温增透LOW-E膜14，磨棍驱动轴15，外热电偶16，传动链条17。

机器人本体前端中间安装主CCD摄像机8，主CCD摄像机前部安装有耐高温增透LOW-E膜14，机器人本体前端两边各安装二个敲渣电机1，其前端面上设有钢刷7，两侧安装磨棍驱动轴15及磨棍2，主CCD摄像机8后面安装主CCD摄像机冷却风机9，主CCD摄像机冷却风机9后面的机器人本体内安装信号接收控制器10，机器人本体后端安装有辅CCD摄像机12和配气箱6。机器人本体两边内安装各二个驱动电机3，驱动电机3经传动轴13驱动传动链条17。机器人本体两边安装外热电偶16。信号接收控制器10通过导线11分别与敲渣电机1，驱动电机3连接。

针对锅炉炉膛受热面的结构及材料的特点，机器人两侧传动链条17上各安装有一条磁性履带4构成机器人的吸附机。磁性履带4选用型号为NTP-296的永磁体NdFeB材料、单块吸附力为8.6Kg的永磁体作为吸附体，安全可靠。

机器人的吸附机由固定在传动链条17外侧的四十四块尺寸为41mm×27mm×25mm的永磁体实现的。机器人在移动过程中，保证每条传动链条17都有十八块永磁体与炉膛受热面吸附良好，形成足够的吸附力将机器人吸附在炉膛表面。

当机器人越过炉膛内壁存在的焊缝时，由于重力作用很容易发生倾覆现象，为此专门设计抗倾覆机构。当机器人在壁面处于静止状态时，受力状况如图3所示。根据力和力矩的平衡条件，可得到下列方程组：

       (1)

要使机器人达到不颠覆的目的，必须满足

         (2)

即 

              (3)

在F₂的作用下，使履带上部始终压在壁面上，从而保证了吸附快始终不离开壁面，从而达到了机器人可靠吸附的目的。

磁性履带4由传动链条17与永磁体组成，由四台交流伺服驱动电机3通过谐波减速器驱动。固定在传动链条17上的永磁吸附体随着传动链条17的旋转依次脱离壁面和吸附壁面。机器人移动时，根据两条磁性履带4上的磁块的状态不同，可开启单个驱动电机3以使两条磁性履带4状态相同，然后由驱动电机3输出驱动力矩，进而驱动传动链17带动磁性履带4表面的永磁体交替吸附，实现机器人在锅炉受热面表面做速度为2~8m/min的移动。

由于炉膛结焦结渣机器人工作环境的高温、高辐射性，为保证机器人的正常工作，可视化成像系统、信号接收控制系统等需工作在＜150℃的环境温度下。

机器人本体部分外部安装有四层冷却、保温层构成冷却系统。如图4，5所示，机器人本体外部从内至外依次设有保温层26，内壁25，冷却水夹层24，外壁23，外壁23上设有与冷却水夹层24相通的近程喷嘴21和远程喷嘴22。该冷却保温层的表面单位面积中分布着两种喷口直径分别为Φ₁、Φ₂入口直径均为Φ₃的喷嘴即近程喷嘴21和远程喷嘴22，这两种喷嘴可将冷却水喷射不同的距离，形成双层水幕，可有效降低高温烟气温度,形成低温区，并将粉尘隔离，避免机器人内部积灰。

机器人配有风冷、水冷两种冷却方式，均为强制冷却。冷却用水用耐高温工业软管输送，其结构如图6，7所示。冷却用水输送管采用大套小结构布置，外层为耐高温胶管31，内层为耐高压胶管32，外层外绕有钢芯33，从外至内设有密封层34，加强电绳35，内层胶皮36。内管用于输送冷却用水，内管与外管之间夹层运输冷却水。外层胶管钢芯33间隙安装有与冷却单元上相同的两种喷口直径分别为Φ₁、Φ₂入口直径均为Φ₃的喷嘴即近程喷嘴21和远程喷嘴22。原理与机器人本体结构冷却单元相同，工作时可形成两层水幕，从而达到冷却的效果。

可视化成像系统是除渣系统不可缺少的一部分。成像系统在高温下保护措施：采用双层耐高温保温层，中间夹层为真空隔热层，最内层采用空气强制对流冷却，以使成像系统正常工作。最外层为玻璃LOW-E膜镀层，可在2000℃以内进行光线增透，过滤99.9%的红外线并反射80%远红外热辐射，减少辐射进入机器人本体内部的热量，同时可有效增加图像在高温情况下的清晰度，增强系统可用性、安全性。最外层外径11cm，最内层7cm，满足CCD摄像头的工作需要。在机器人正常工作时，CCD摄像头的工作温度可维持在70℃以内，可视化成像系统可正常工作。

在机器人前部和后部各安装有两台CCD摄像机，主CCD摄像机8前部安装有耐高温增透膜14，减少反射光的强度，增加投射光强度，使成像更加清晰。主CCD摄像机8后部安装有主CCD摄像机冷却风机9。主CCD摄像机8用于对结焦结渣进行定位、测厚，也可用于炉膛受热面检测，如检测水冷壁变形、爆管等。在机器人后部安装辅CCD摄像机12，主要用于检测除渣效果。

CCD摄像机的检测图像采用无线传输模块进行图像信号传输，其传输方式如8图所示。

利用主CCD摄像机的成像特性，可获得具有1700万像素超高分辨率的图像。主CCD摄像机可对锅炉炉膛受热面进行检测，检测出的视频信号送到无线发射模块发出，无线接收模块接收到的信号经处理后被上位机读取，转换为视频信号并进行存储，便于检测人员进行观测、判断受热面情况,并根据判断结果进行相应操作。

结渣清理装置共安装有四台功率为20W的敲渣电机1，用于清理炉膛受热面结焦结渣。为避免结焦结渣清理不彻底，结渣清理装置同时安装两支钢刷及磨棍。磨棍同时可清理受热面表面残余结焦结渣，用以保证机器人履带的安全吸附距离在0.6mm以内。磨棍驱动轴后部安装有安全距离开关，若磨棍最底部与受热面的距离超过履带的安全吸附距离，则机器人停止前进，重复清理，直至清理干净。

信号接收控制系统采用十二路工作方式的学习型无线遥控开关，对结焦结渣机器人内部的四台驱动电机3、一台敲渣电机1、一台主CCD摄像机风机9进行控制。该信号接收控制系统十二路工作方式共有二十四种工作状态，所以该控制系统采用了100%的完全冗余的控制方式，大大提高了系统的安全性、可靠性，扩大了应用范围，对临时更换用途提供了方便，增大了应用灵活性。

学习功能方便操作人员更换遥控器，更方便操作人员对软件进行参数设置操作及更换输出端。多种工作方式选择，更方便操作人员更换不同的工作方式，用于不同的场合和不同的用途，避免机器人工作时可能产生的信号差等情况。本无线遥控开关不但适应一般的无线遥控发射器，而且兼容市场上的各种固定编码的无线遥控发射器，不但适用于遥控发射器与接收板一对一操作，而且能够实现多路遥控器的组合控制。

电路输出具有常闭、常开两种输出方式也方便了操作人员不同用途的选择。为了系统的安全性以及可操作性，该控制系统采用常闭的输出方式，控制时采用点触式双稳态输出控制，避免了人员的误操作可能造成的损失。

控制系统采用12V直流稳压电源，功耗低，散热量低，利于系统稳定运行。

Claims (3)

1.一种燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统，包括机器人本体、结渣清理装置、可视化成像系统、信号接收控制系统、冷却系统，其特征在于：所述机器人本体两侧各安装有一条磁性履带（4）和抗倾覆机构构成吸附机；机器人本体外部安装有四层冷却、保温层构成冷却系统，其中，机器人本体外部从内至外依次设有保温层（26），内壁（25），冷却水夹层（24），外壁（23），外壁（23）上设有与冷却水夹层（24）相通的近程喷嘴（21）和远程喷嘴（22）；所述可视化成像系统包括安装在机器人前部和后部的主，辅CCD摄像机（8，12），主CCD摄像机（8）前部安装有耐高温增透LOW-E膜（14），用于减少反射光的强度，增加投射光强度，使成像更加清晰，主CCD摄像机（8）后部安装有主CCD摄像机冷却风机（9）；可视化成像系统中设有内、外耐高温保温层以及中间真空隔热层，内耐高温保温层内层设有空气强制对流冷却结构，外耐高温保温层外层为玻璃LOW-E膜镀层；所述结渣清理装置包括敲渣电机（1），磨棍驱动轴（15），安全距离开关，其中，在机器人本体前端安装有四台敲渣电机（1），磨棍驱动轴（15）后部安装有安全距离开关。

2.根据权利要求1所述的燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统，其特征在于：所述机器人长0.8m，宽0.6m，高0.38m。

3.根据权利要求1所述的燃煤电站锅炉高温炉膛结焦结渣机器人处置系统，其特征在于：该机器人的吸附机由固定在驱动链外侧的四十四块尺寸为41mm×27mm×25mm的永磁体构成，其中，单块永磁体吸附力为8.6Kg。

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