大型水电站进水口漂浮物智能化打捞装备研发及应用

  完成单位：中国长江电力股份有限公司

  主要完成人：曾辉、刘绍新、陈钢、魏晓翔、雷海威、唐德锋、张海龙、文宇、刘稳、刘博智

一、研发背景

（一）提升安全风险管控能力的必由之路

葛洲坝是世界上最大的低水头、大流量水电站，每年汛期长江流域暴雨冲刷或洪水淹没导致葛洲坝-三峡沿岸大量生活垃圾、杂草树木、动物尸体等被带入江中，致使进入葛洲坝的上游漂浮物剧增。葛洲坝漂浮物特点是来污量大、汇聚速度快、大体积漂浮物多。排漂会对下游造成环境污染，严禁采用；清漂速度慢会造成机组出力下降、影响电网稳定，需提高清理效率；人员长期处于高温、高湿且临水作业环境会增加人身伤害风险，需要减少作业时间。

企业必须从理念上强化为民保平安、为民谋幸福的责任感使命感，牢固树立安全发展理念，始终把人民群众生命安全放在第一位的目标，把统筹发展和安全落实到各领域各环节，要求企业研发硬核科技装备投入坝前漂浮物清理工作，实现安全风险关口前移，从根本上提升安全风险管控能力。

（二）做世界水电行业引领者的必然选择

2018年国家给予三峡工程“一个标志、三个典范”高度评价，提出必须靠我们自己努力奋斗，拥有真正的属于自已的大国重器的希望和要求，针对水电站、水库面临的共性清漂难题，攻关水库全自动、全流程机械清污技术，以其掌握核心技术、关键技术，实现推动水电行业发展。

（三）创新驱动发展的自然依归

“核心技术、关键技术，化缘是化不来的，要靠自己拼搏。”始终坚持求真务实、开拓创新的追求，传承源自三峡工程的大国创新精神和工匠精神。自发电以来，葛洲坝电站先后使用了瓣式清污抓斗、门式清污机以及回转式清污机等设备，涵盖了行业内的主要清污方式。

基于几代人的经技术积累，项目团队系统开展了全自动清污机器人的研制，满足葛洲坝汛期的大清污能力、大水深、大体积等多种复杂清污工况的要求，同时具备自动清污、漂浮物自动清理、数据储存、数据分析等功能。

二、发明团队介绍

刘绍新，教授级高级工程师，葛洲坝电厂副厂长，总体负责项目前期调研及可行性分析，确定项目研究路线，对方案设计进行总体把关审核，推进项目按计划执行等。

陈钢，教授级高级工程师，葛洲坝电厂副总工程师，项目前期调研及方案设计，方案比选、方案审核，协调项目相关事宜。

曾辉，高级工程师，葛洲坝电厂主任专业师，项目负责人，具体负责项目的实施，负责项目可行性分析、相关方案的审核以及项目质量的总体控制。

魏晓翔，高级工程师，葛洲坝电厂成本控制主任，负责项目可行性分析、相关方案的审核以及项目质量的总体控制。

张海龙，高级工程师，葛洲坝电厂水工/金结主任师，具体负责协调工装现场试用。

文宇，高级工程师，葛洲坝电厂机械水工维修部主任，具体负责项目前期调研，具体负责项目具体负责协调工装现场试用。

周伍，高级工程师，葛洲坝电厂机械水工维修部副主任，参与协调工装现场试用。

刘稳，高级工程师，葛洲坝电厂水工/金结设备主任，参与协调工装现场试用。

三、成果(专利)简介

（一）概述

几十年来，为彻底解决水电站上游漂浮物难题，水电从业人员采取了各种尝试。现行清污设备都需要人辅助清污，作业人员不仅要面临高温酷暑的环境，在作业时还存在落水安全隐患，尚不能完全满足现场复杂的清污工况。

2019年葛洲坝电厂成立了项目攻关团队开展大型水电站进水口漂浮物智能化打捞装备研发及应用，研究设计制造出一套全新的水电站坝前动水清漂设备---水电站清污机器人，于2021年1月15日现场试运行，实现对坝前漂浮物的打捞、暂存、称重、装车全流程全自动作业。

本专利为清污机器人的一项核心专利，相关知识产权详见下表。该项成果在葛洲坝水电站汛期清漂作业中的成功应用，为解决低水头径流式水电站连续全自动清污难题开辟了新的路径，取得水电站坝前漂浮物打捞革新性进步。其中“水电站清污机器人”项目，已申请发明专利5项（授权4项，公开实审1项），授权实用新型专利8项，授权软件著作权1项；并通过了第三方科技科查新及成果评价，经过专家评审认定项目成果为国内首创，总体技术创新达到国际先进水平。

表1  主要知识产权目录

（二）内涵

该成果开创性的设计开发了液压重载机器人控制技术、大惯量重载机器人精确定位控制技术、多液压轴伺服同步控制技术、户外强电场环境下的工业无线传输技术等先进技术应用于水电站清污机器人。并辅以已较成熟的AGV防撞技术、无线遥控技术等技术，实现了清污机器人远程操控，全自动运行。能够满足清污现场多种工况，具备自动清污功能。实现不同种类漂浮物自动清理、数据储存、数据分析。避免了员工在高温、高湿的恶劣环境下工作，同时也避免了员工下水清理漂浮物等危险作业。经过2021年汛期的试运行，成果达到了预期目标，提高了水面漂浮物的清理效率，为保护长江流域生态环境做出了突出贡献。

（三）主要做法

1.技术路线

（1）为了提高清污适应性，清污机器人分为不同的清污模式，两种清污执行末端对应不同工况：

图1 清污机器人作业流程

（2）通过闸口拦污栅两侧压差数据和远程视屏监控相结合的方式，对所要清漂的闸口进行确认，将闸口编号对应的信息发送给清污机器人，清污机器人对抓具进行自检，如果抓具与所接受的指令对应，进行清漂程度；反之更换抓具后再进入清漂程序，通过清漂后依次提升、临时存储，达到存储量后再卸料转运：

2.水电站清污机器人性能指标：

水电站清污机器人性能指标见表2所示。

表2  水电站清污机器人性能指标

（四）主要创新点

1.针对低水头、大流量水电站清污困难问题，首创长行程大负载的水电站清污机器人系统解决方案，达到国际领先水平。

通过对低水头、大流量水电站的漂浮物类型、清污工况、清污工艺进行研究，突破长距离大负载坝体门机轨道机器人结构设计、大惯量重载机器人精确定位、基于视觉的机器人在线污物识别、户外强电场环境下的机器人作业无线传输等共性关键技术和面向低水头、大流量水电站清污过程的应用关键技术，发展自动控制与效率驱动的水电站清污新原理与新方法，成功研制坝体门机轨道行程270米、负载10吨的水电站清污机器人，该成果为国际首创。将机器人智能技术应用到低水头、大流量水电站清污过程中，提出机器人化的智能物料识别、自动抓取、暂存、自动装卸、智能满料判断等水电站清污新工艺与新方法，并不断优化清污工艺流程，解决传统水电站清污方法中普遍存在的人力消耗多、易卡机停运、清污效率低、清污工况受限等难题。

2.自主研制国内首套应用于重载提升作业的刚性重载长行程向下伸缩多级伸缩臂，达到国内领先水平。

传统清污起重机构只能承受压力，提升大惯量构件时晃动剧烈，清污时需要人工辅助慢速移动，效率低且存在一定安全隐患。为解决清污起重机构难题，提出一种基于倍程技术的伸缩臂机构方案，采用三节套筒式钢结构、液压驱动、重载多排链条连接三者结合的关键技术，研制能够承受重载、长行程的多级伸缩结构。通过对伸缩臂结构的合理优化设计以及新型同步技术在双臂机器人上的应用，实现双臂同步精准运动、即时停止、智能调平及异常安全保护功能，保障系统的运行平稳性和定位准确度，成功研制单套负载5吨、行程15米的刚性重载长行程向下伸缩多级伸缩臂，该成果为国内首创。

3.突破水电站清污作业过程中人机动态交互的数字孪生技术，达到国内一流水平。

针对水电站清污监测中高温、高湿的恶劣环境问题，研究水电站清污作业过程中人机动态交互的数字孪生技术，构建水电站清污机器人数字孪生模型。基于WEBGL技术实现清污机器人大臂、小车、料斗、刮平机构、抓斗、大车等机构的实时状态显示，同时显示各机构真实的偏移量和旋转量，基于三维渲染技术开发无遮挡的机器人交互界面，使操作人员无需亲临现场即可查看当前的姿态和运动情况。基于多传感器数据同步及管理技术，开发专用于水电站的数字化清污控制管理系统，实现远程操控、设备报警、汛期预警、监控录像、操作日志、清污数据分析等功能。

4.针对大型全自动重载设备定位精度差的问题，自主研发大惯量重载清污机器人精确定位控制方法，达到国内一流水平。

针对传统的大型全自动设备负载重、惯量大，很难保证较高的定位精度水平等问题，研究大惯量重载机械结构的控制策略，自主研发大惯量重载清污机器人的精确定位控制方法。通过对三环控制技术在大惯量重载机器人上的应用优化，实现机器人大臂、清污抓斗等执行机构的精确定位。基于机器人编码器及激光传感器应用技术，实现水电站清污机器人的速度、位置双闭环反馈。最终解决大惯量重载水电站清污机器人的精确定位需求，重复定位精度为±10mm，达到国内一流水平。

四、成果（专利）转化情况介绍

大型水电站进水口漂浮物智能化打捞装备(清污机器人)已在葛洲坝电站投入使用2年多，运行稳定，清污效率显著提高；20分钟可完成一次自动卸车、清漂量27m³，单日清漂量最大达600m³。

该机器人可快速完成不同水深条件下，从细小浮渣到合抱大树等各种大小漂浮物的打捞、抓取工作。同时，它能远程配合中控室，实现机组拦污栅压差判断、清漂定位、加压抓取、料斗缓存、快速装卸等功能，同时自带排水系统，可有效避免清漂过程对坝面造成的二次污染。

该项目是一项践行长江大保护理念，颠覆传统的人力半机械化清漂模式的科技创新典范，成果可广泛应用于低水头径流式水电站。

五、经济效益与社会效益介绍

（一）经济效益

清污机器人投入使用后，运行稳定，对比原来清漂方式，效率显著提高，20分钟可完成一次自动卸车，清漂27m³，单日清漂量最大达600m³。

汛期由于水面漂浮物影响，将导致2米左右的水头损失，二江电站7台机组每小时将损失发电量月16万千瓦时。清污机器人投入使用后，克服了高温、降雨等不利天气对清污作业的影响，提升了作业效率，降低了漂浮物造成的发电水头损失，使葛洲坝电站年发电量增加超过1亿千瓦时，若以每度电上网电价0.2元测算，每年可产生直接经济效益2000万元，并可节约大量人工成本，而且可在公司所属各电站复制推广。它的成功投运掀开了大型水电站坝前清污新篇章，吸引了“学习强国”等各大主流媒体竞相报道。

（二）安全效益

充分利用先进科技装备，提升本质安全水平，这是从根本上消除安全隐患的有效途径。清污机器人具备全自动清污功能，取代了原本的半自动清污设备及人工干预的清污方式。

清污机器人基于清污夹爪能够实现对插入拦污栅的大树干等不规则漂浮物的抓取，避免了员工亲自到水下作业可能造成的人身伤亡风险。

清污机器人基于清污抓斗能够用于常规清污，可水下作业，有效清除拦污栅的吸附物，避免了人员在高温、高湿的恶劣环境下长时间工作导致中暑、碰伤等职业健康安全风险。

（三）社会及环保效益

“两山”理念已经深入人心，葛洲坝电厂全面融入到贯彻落实习近平生态文明思想的大战略、大框架、大逻辑中，聚焦主责主业，当好绿色发展排头兵。

清污机器人是行业内首个能够实现漂浮物全流程处置的装备，可快速完成不同水深条件下，各种大小漂浮物的打捞、抓取工作。此外，它能远程配合中控室，实现机组拦污栅压差判断、清漂定位、加压抓取、料斗缓存、快速装卸等功能，同时自带排水系统，可有效避免清漂过程对坝面造成的二次污染。它显著了提高水电站拦污栅前漂浮物的清理效率，有效支撑大型水电站高效健康运行，漂浮物的高效清理，为保护长江生态环境，创造良好的社会效益贡献力量。