关于水电厂转轮修复机器人的几点思考

罗光辉

摘  要：在水轮机设备中，转轮是其中的核心部件。在水轮机实际应用中，转轮裂纹可以说是经常出现的一类问题，且会对电厂的运行安全产生影响，也给电厂造成了很大的经济损失。传统水轮机转轮在修复时采用的人工作业效率低下，修复环境十分不利于工人的安全。另一方面更换已损坏的转轮时，由于存在手工新转轮和旧转轮在形状上有差异的情况，对水轮机的工作状态造成重要影响，大大降低了水轮机工作效率，提高了发电成本，降低了发电质量。转轮修复机器人的出现，大大降低了检修周期，同时也避免了替换转轮时可能出现的形状差异问题和人工修复的安全隐患，减少了电厂的发电成本，提高经济效益。

关键词：转轮问题;转轮修复;机器人

中图分类号：TP242         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）30-0072-02

Abstract： In hydraulic turbine equipment， runner is the core component. In the practical application of hydraulic turbine， runner crack can be said to be a kind of frequent problems， and will have an impact on the operation safety of the power plant and cause great economic losses to the power plant. The manual operation efficiency of the traditional hydraulic turbine runner in the repair is low， and the repair environment is not conducive to the safety of the workers. On the other hand， when replacing the damaged runner， due to the difference in shape between the new manual runner and the old runner， it has an important influence on the working state of the hydraulic turbine， greatly reduces the working efficiency of the hydraulic turbine and improves the cost of power generation. The quality of power generation is reduced. The appearance of the runner repair robot not only greatly reduces the maintenance cycle， but also avoids the possible shape difference and the hidden danger of manual repair， reduces the power generation cost of the power plant and improves the economic benefit.

Keywords： runner problem; runner repair; robot

1 概述

随着社会经济的发展，智能控制、机械、通讯、电子等技术水平得到了大幅提升， 机器人技术得到了长足发展。人类对于机器人的需求是旺盛的，机器人的出现可以大幅缩减生产成本，解放劳动者，提高生产效率。机器人对于制造业的发展具有重要作用：工业上机器人的广泛应用可以提升生产效率，提升产品生产制造的良品率，提高加工和检测精度，大大提升产品的质量。機器人也可广泛应用于医疗、教育、服务、军事等诸多领域，提升这些领域的发展水平。机器人技术的发展能有效推动社会经济的发展，水电厂转轮修复机器人是机器人领域的重要部分。

2 机器人技术发展和工业领域的应用

2.1 机器人技术的发展

机器人技术的出现目的是在于解放人类的双手，以及代替人类从事一些重复性、劳动量大的工作，以及精度要求高的一些工作。机器人技术的发展一般可以概括为三阶段：第一阶段的机器人仅仅只能进行一些简单的操作，根据编程人员所固化的程序设定，按照已定好的步骤进行简单的重复性工作，不能与外界进行信息交互，以及不能反馈信息;第二阶段的机器人具有了一定的感觉，即通过特定的传感器和程序实现拥有力觉、触觉、视觉等能力，即感知机器人;第三阶段机器人将具有识别、推理、规划和学习等类似于人类大脑运行的能力，它可以把感知到的信息通过自身信息处理中心的分析和处理，对其做出智能化的处理行为，因此能在非特定的环境下作业，即智能机器人阶段。

2.2 机器人在工业领域的应用

《美国金属市场报》在1960年正式将工业上自动处理操作的机械命名为“工业机器人”，美国机器人协会将“工业机器人”定义为：“用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器， 或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置[2]”。这些年来机器人技术的大力发展和广泛应用让社会对机器人技术有了一个更好的需求，人们对机器人的需求越来越大，使得机器人的应用领域越来越广泛，目前及今后机器人重点应用领域归纳起来有： 制造工业机器人、空间作业机器人、水下作业机器人、地面及地下作业机器人、食品加工机器人、设备检测或维修机器人、工程施工作业机器人、医疗机器人、家庭机器人等。水轮机修复专用机器人属于设备检测或维修机器人领域，也是当下及未来都很热门的机器人重点研究领域。

3 电厂转轮破坏

3.1 转轮破坏简介

电厂发电系统中的水轮机是非常重要的组成部分，关乎着电厂的发电质量和发电效率。水轮机是一种让两种不同能量进行转化的动力机械，即将流水的动能转化为机械能的一种装置，在水电站中，流水的动能带动转轮转动，转化的机械能带动发电机运行产生电量。水轮机设备的核心部件为转轮，即只有能在流水中能正常运行的转轮才能够进行能量转化，将水能转换成机械能实现发电机发电。因此转轮部件运行状态的好坏直接影响着水轮机的工作状态，影响着发电机的发电效率和质量，最终影响着电厂的经济效益。其表面粗糙度超标、材料质量低下、叶型不匹配以及尺寸精度差都将对机组的使用寿命以及效率产生影响，导致出现裂纹现象，因此要做好修复维护工作。

3.2 转轮修复机器人及其发展现状

水力发电是世界上一种重要的发电手段，水力发电也是世界电力来源的重要途径。水电站中水轮机由于工作量大，长时间处于水流量大的水域，使得水轮机中的转轮都会出现一定的汽蚀、磨损问题，因此要定期停机对其进行相关的检修工作。水轮机体积较大，其结构也较为复杂，转轮问题的检修工作流程较多，使得检修工作整体的工作量很大，劳动环境较差，由于发电厂的性质决定了修复工期小，使得人工修复的劳动强度很大，人工手动补焊、打磨等手段效率低下，质量不稳定，易受外界因素影响。为了减少人工过程，降低维修过程中的风险，减少成本消耗，一些电厂提出采用自动化设备进行水轮机的修复工作，从而减少甚至是放弃人工介入维修流程。“研究在机坑内对水轮机转轮汽蚀磨蚀表面进行全位置补焊与打磨的专用机器人——水轮机修复专用机器人，将具有极其广泛的应用前景[3]”。水轮机修复第一步是对水轮机转轮叶片的修复。转轮叶片由于长时间处于水流中来回运动，其叶片会有部分区域产生汽蚀现象，对转轮修复的第一步就是对产生汽蚀的区域进行切削工作，以去除表皮汽蚀部分，在利用专用修复机器人对切除部位進行填充焊接，在完成补焊后再对转轮叶片进行打磨工作，保证焊后的叶片与叶片的原始形状保持一致，没有外观上的误差。这种专用机器人制造涉及到很多门学科，是一件非常复杂的技术。机器人机构学、机器人运动学、动力学、操作机轨迹规划及控制、传感技术以及部分涉及到计算机在焊接控制方面的应用及焊接工艺参数的优化等共同交叉研究，还有水轮机转轮叶片线形测绘等等诸多科学技术问题。国外在转轮修复机器人研究领域由于起步早，积累要比国内深厚很多，特别是以加拿大、法国和德国为首的一些工业实力较强的国家已经实现了半自动化或自动化机器人修复活动。

法国的电力公司在所属480个水电站中建立了30多处配备了最新自动修复机器人及其他较为先进的自动化设备的水电检修中心，通过变位机与机器人配合基本淘汰了水轮机维修车间工作中人工的部分，实现了修复的智能化、自动化。

加拿大转轮修复机器人技术实力世界领先。加拿大魁北克水电局自八十年代初开始进行对转轮修复机器人技术的研究，历经了十多年的研发，研制出了水轮机修复专用机器人，并将其命名为Scompi。Scompi是一种可以在机坑内对水轮机叶片进行补焊和打磨的轻便灵巧的、可在狭窄空间作业的、串联机构的六自由度特点的水轮机修复专用机器人，已在加拿大、德国等国家的水电站和水轮机制造厂得到应用。

3.3 水轮机修复专用机器人在我国的应用前景

我国是在70年代末80年代初开始水轮机修复机器人研制工作。中国地理面积非常大，东西跨度大、海拔差异大，形成西高东低的地势。我国水资源丰富，拥有数量较多的江河水域，从1908年建设云南石龙坝水电站至今已有200多座大型水电站已经完成建设并投入使用。我国是世界上水电在建规模最大、水电发展速度最快的国家，当前我国面临着水轮机转轮磨损腐蚀严重的问题，磨损就更为严重。腐蚀磨损破坏使水轮机效率下降，大大降低了发电机的发电效率。另一方面转轮腐蚀严重使得水轮机内对流严重造成设备振动加剧，严重威胁到水电站运行安全和电网运行安全。随着社会经济的发展，人们对电力的需求越来越大，水轮机的工作量大大增加，水轮机的腐蚀磨损情况越来越严重，使得水轮机的修复工作越来越多，所以水轮机修复专用机器人已成为我国水电行业中水轮机修复工作的重要装备。

4 水电厂转轮修复机器人通过验收

兰州刘家峡水电厂转轮修复机器人通过了由甘肃省电力公司科环部、生技部、刘家峡水电厂、哈尔滨理工大学、甘肃省电力试验研究所等单位组成的验收组的阶段验收。Scompi机器人是我国水电厂首次从加拿大引进的专为解决水轮机转轮修复的机器人，Scompi机器人的工作是补焊和修复水轮机转轮磨蚀区，实现修复工作的自动化，减少人工修复的比例，该验收成功是我国水电厂转轮修复工作中的一大发展。当前我国在水电厂转轮修复工作中人工修复的比例仍然还很大，效率低下，继续与世界接轨，提高我国水电厂转轮修复工作的效率，保证水电厂经济效益，保障经济发展。

5 结束语

水电厂转轮修复机器人通过验收标志着我国水电厂转轮维修工作正式进入自动化、智能化时代，也标志着我国水电厂维修工作的进步。机器人的接入既减轻工作人员的劳动强度又保证了维修效率，并保证转轮的修复质量，大大提高了社会的经济效益。当前我国在水电厂转轮修复机器人技术方面还很薄弱，还需要我们深入研究。

参考文献：

[1]秦汉.机器人技术的发展与应用综述[J].赤峰学院学报（自然科学版），2018（02）：23-24.

[2]蒋新松.国外机器人的发展及我们的对策研究[J].机器人，2017，1（01）：58-64.

[3]杨萍，李鹤岐，黄建龙，等.水轮机修复专用机器人的发展现状及应用展望[J].机器人技术与应用，2017（03）：31-32.

[4]董娜娜.智能控制在机器人中的应用研究[J].时代农机，2019，46（02）：26-27.