基于无人机的火电厂热力管网巡检数据分析与故障诊断

国能寿光发电有限责任公司 孙 强 北京电科智擎科技有限公司 张雪松

当前热力管网所用检查方式效率比较低，检测缺少安全有效手段，而无人机技术逐渐成熟，效率高且成本低，将无人机用于热力管网巡查能够提高巡检效率。本文以某公司为例，对基于无人机的火电厂热力管网巡检数据分析与故障诊断进行探讨。

1 热力管网巡检中的无人机技术优势

数据采集能力强。无人机是一种可装备许多系统模块与传感器的载体，如高清摄像头、红外线传感器，这些设备可用于采集热力管网工作数据，保障巡检数据采集能力。此外配合计算机系统模块，可实时分析数据问题，判断热力管网运行故障原因之所在，在实时监控中高效处理热力管网运行故障。

效率高。过去巡检热力管网时需要安排许多人力和物力资源，不仅效率低同时效果也并不是很突出。使用无人机技术时可以提前设定无人机巡检路线，让无人机自主飞行巡检热力管网，不需要投入过多的资源就能高效率完成巡检。此外无人机具备全程巡检与多点巡检功能[1]。同传统巡检模式相比，无人机巡检效率高、用时短、巡检范围大；安全性强。热力管网环境复杂，高压、高温的热力管网环境严重威胁巡检人员安全。使用无人机巡检不需要触碰管道，可以使用远程设备实现远程操控、采集热力管网运行数据。

2 无人机巡检系统内容

中枢处理。该模块作用为集中处理无人机采集获得的音频以及图像数据，分析管道运行状况。如工作人员可以使用中枢处理模块处理数据，对比正常状态下的管道运行数据，得出管道运行是否存在问题。将管道感知技术与人工智能技术相结合，配合无人机即可达成热力管网的巡检工作[2]。

地面控制。即依靠无线信号技术同航路检测通信，能够让工作人员实时调节与控制无人机的运行状态。该模块直接由工作人员操控，工作人员也可以提前将自动指令输入到无人机运行程序，让无人机自行执行任务，包括在指定时间或地点拍摄、按照规划线路飞行。地面控制这一模块的作用主要为当发生突发意外时，工作人员可以使用地面控制模块及时操控减少损失，也可以根据需要随时调整无人机的飞行轨迹和运行路径。

航路检测。无人机通常都会搭载各种各样的传感器，如红外传感器，无人机将传感器作为航路检测模块。此外无人机还可搭载监测装置，实时记录指定地点照片与视频，获得三维模型数据，并将数据发送给中枢处理模块，完成数据分析与处理。某公司热力管网巡检中的无人机工作内容如表1所示。

表1 热力管网巡检中的无人机作用体现

3 本公司热力管网巡检中的无人机技术

热力管网巡检中无人机主要使用可见光处理模块处理数据，依靠图像标定、特征提取以及图像拼接一类的技术，配合红外线传感器，用相应的信号接收器与传感器就能采集所需视频信息和图像，完成数据采集工作。热力管网巡检中无人机使用智能图像对比分析，可以智能对比采集获得的房屋情况、地貌特征图像信息，判断管道有没有施工、破坏以及泄漏等情况。靠着动态监测能力，将各种场景与时态的图片合成与拼接到一起，对比过去特定时间段图像[3]。如果对比中发现存在不良状态或是状态改变，则使用反馈系统实时传输信息给控制端，即时解决管道运行问题。

无人机搭载高清摄像机、LED 照明系统以及热像仪等设备，工作人员可以远程操控无人机。被放置在无人机顶部的摄像机可以随时捕捉无人机飞行期间的上方与下方图像便于人机对话，满足无人机飞行巡检期间的观察要求。所搭载的高清摄像机具有广角拍摄能力，任何光度条件下无人机设备都可以拍摄图像，并将视频流记录到无人机搭载的SD卡。凭借30帧帧率以及1920×1080分辨率保障低光条件下的拍摄质量[4]。

无人机拥有照明系统，在黑暗环境的探索与检查中不需要借助外力照明就能将整个空间照亮。工作人员可以使用地面工作站进行LED 灯光照明强度的调整，为无人机提供均匀照明。如无人机飞行轨迹改变需要调整照相机视角，则光束会根据周围照明度自行调整光束，具备智能照明能力。无人机中拥有无限中继通信能力，可以为工作人员提供实时的视频数据，减少管道对空间信号传输屏蔽影响。其通信系统拥有长距离、双向、数字信号传输能力，可以将无人机采集的数据、视频下行传输到地面站，也可以使用上行传输的方式将命令发给无人机。

应急监测巡检使用气位置标注技术，利用红外传感器就能监测热力管网的管道情况，进而判断热力管道有无泄露。使用可见光载体判断管道周围是否存在自然灾害以及自然灾害造成的影响[5]。无人机设备在分析输电线路故障中使用图像识别技术，依靠深度卷积神经网络算法分析识别热力管网的泄露与缺陷问题。使用图像识别技术，可以在分析处理与识别管道缺陷的同时，优化管道缺陷图像分析与处理过程，服务于管道的分析与识别综合需要，使用系统中的深度卷积神经网络算法分类识别热力管网各种缺陷。

4 无人机在本公司热力管网巡检数据分析与故障诊断中的应用

使用无人机设备巡检热力管网中，为系统配置多台显示器，可以随时利用显示器了解无人机现场实时画面，也可以使用移动终端设备了解无人机的飞行状态和程序执行情况。无人机从检查室入口进入管沟并沿着管沟飞行，飞行期间可以实时录像，如图1所示。

图1 管道保温层拍摄画面

使用红外摄像机拍摄的结果就能掌握保温层状态。飞行期间无人机可以随时悬停，进而让工作人员获得更广阔的视角[6]。除此之外，也可以手动操控无人机抵近飞行，观测细节特写。在飞行至其他检查室以后顺着来的路线返回飞回地面。

4.1 分析热量

当前火电厂的热源热量指标一般按照供热面积和热指标需要确定采暖期的功需求热量，供热面积指标的大小和围护结构热量传递情况以及建筑物层高、平面尺寸有关。使用面积热量负荷不够细致相对笼统，是一种平均值。当前火电厂使用各种各样的供暖方式，包括喷射泵、混水泵、地暖与散热器，此外建筑物也有非节能建筑与节能建筑物，很多建筑物都有热计量设备的安装，不同建筑物有着不同的用热负荷，但不论如何火电厂都需要使用热力管网将热能输送到建筑物。

即便热力管网厚度比较大也可使用无人机设备使用红外线传感器、热像仪采集获得热力管网的运行情况，了解热力管网热量情况。无人机设备在采集获取了热量数据后，可将数据发送给对面控制模块以及中枢处理系统，工作人员根据计算判断供应热量是否满足规定要求，随时调整供应热量，减少成本的同时保障供热质量，按照用热面积合理调整热量入户方案，计算出更合理、更科学的热负荷。

4.2 分析温度

热力管网输送热能的过程中，依靠一、二次供回水温度和温差。稳定状态下的热力管网在不考虑沿途热损失情况下，热力管网热量供应能力需要同用户散热设备散热量以及用户热负荷数据相同。如某非智能建筑为四柱式散热器，当地规定冬季供热温度需要达到20℃，根据需要供回水温度设计为95℃/70℃，散热指数B=0.35，实际流量和设计流量比为1，实际热量70W/m2，设计热量米67W/m2。根据计算散热器的平均温度需要达到82.5℃，供回水温度设计为95℃/70℃。在使用中需要按照热平衡原理，即建筑物热负荷必须与设计热负荷相同，保障全天的稳定连续运行。

本公司在设计散热器系统的时候，因为存在层层加余量的问题，所以会出现偏大的容量情况，理论热指标与实际指标不相同，故需要进行调整与修正。此时可以安排无人机设备依靠其携带的各种传感器，配合中枢处理模块进行计算，最终得出：二次供回水温度83℃/58℃，温差23.8℃，回水低0.7℃，供水低1.9℃，温差1.2℃，散热器的平均温度为69.2℃。因为沿途存在热损失，所以使用无人机采集的供回水温度数据为合理数据。经过检测用户家中室温保持在21℃左右，可以实现室温稳定。

4.3 分析与确定流量

按照热量温差与供回水温度，用公式进行流量确定。热力管网运行中流量的计算十分重要，关系到管网系统判定管道有无泄露或者水压是否充足。一直以来供热管网平衡流量都是比较困难的事情，以预设流量进行管网平衡，往往很难达到管网远端流量预设需要，许多用户的室内温度并不达标，对此有必要确定管网中流量循环情况。过大的循环流量易损坏系统调节能力，导致用户不能获得最佳流量，且会浪费过多的电能。所以在流量计算中不能单纯用理论公式，还要结合实际判断流量问题。使用无人机设备，利用搭载的传感器对管网的进出口流量以及半路流量进行监测就能准确掌握管网的流量问题。在保障热循环流量以及热流量比一次网的循环流量大时，就可以实现热量与流量的最佳分配目标。

4.4 分析与确定热力管网压力

必须保障热力管网输出压力足以将热能输送到每一户家庭，才能让各家各户在冬季享受温暖。集中供热中不论是系统运行还是停止都要达到下述技术指标：首先，同用户系统连接的管网压力必须小于用户管道构件以及采暖设备承压能力。供热管网中有着一次水补二次装置、混水泵、喷射机组，应留意压力有无升高，以防用户的采暖设备受损；其次，要保障用户系统、换热站、一次水管路以及热源不会有汽化情况出现。对于超过100℃水温部位，管网压力必须比水温汽化压力大。高温条件下当热力管网遇到断电问题，管道压力如果比汽化饱和压力低，就会出现局部汽化情况。

最后，为防止倒空现象出现，减少管道腐蚀以及系统无法正常运行问题发生，需要确保热力管网压力比用户系统最高静压力大，且需要预留5mH2O富裕压力，防止压力波动对管网造成不利影响。通常情况下用户的最高供回水都会安装自动排气装置，防止出现假倒空问题。多数循环泵的吸入口压力必须比30mH2O 大，不能使用IS 热网循环泵，否则容易出现损坏。根据以上需要，安排无人机进行热力管网巡检，调查热力管网线路中各部位的具体情况，随时通知工作人员调整管网压力，节省成本的同时保障热能输送质量，防止管道受损。

综上所述，无人机是一种很适合用于热力管网巡检的技术手段，凭借着强大的运行能力可以有效应付各类环境，无人机很适合用于热力管网巡检，是值得大力推广的技术。