★南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司孔吉宏
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★南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司丘恩華,呂毅松
★中冶武勘智誠(chéng)(武漢)工程技術(shù)有限公司王宇軒
關(guān)鍵詞:水電站檢修;輔助決策;沉浸式;虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)
因?yàn)樗娬镜奶厥庑裕娬镜慕ㄔO(shè)受到環(huán)境的限制較大,不能像火電、核電等可以按照現(xiàn)代化工業(yè)流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè),導(dǎo)致各個(gè)電站的設(shè)備、設(shè)施差別較大。同時(shí)因?yàn)樗娬镜奶厥庑裕O(shè)備不能隨意拆卸了解內(nèi)部結(jié)構(gòu),二維圖紙苦澀難懂需要較高識(shí)圖基礎(chǔ)。過(guò)去在水電站內(nèi)必須依靠相當(dāng)熟悉現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的工作人員參與才能制定一套相對(duì)可執(zhí)行的檢修方案,然后隨著檢修次數(shù)增加來(lái)不斷對(duì)原檢修方案進(jìn)行修正,一旦重要零部件需要臨時(shí)性檢修時(shí),則需要較大精力去制定一套與之對(duì)應(yīng)的檢修方案,為確保檢修質(zhì)量,往往會(huì)延長(zhǎng)檢修周期,擴(kuò)大檢修范圍。本文提出基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)搭建一個(gè)與真實(shí)水電站設(shè)備、設(shè)施完全一致的虛擬環(huán)境,不限時(shí)間、不限空間地進(jìn)行檢修預(yù)演,快速地為真實(shí)水輪發(fā)電機(jī)組檢修提供輔助決策依據(jù),以達(dá)到縮短檢修周期、提高檢修質(zhì)量的目的。
1 水電站檢修概述
水電站檢修[1]是為保持或恢復(fù)水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的性能而進(jìn)行的檢查和修理。它一般包括水輪發(fā)電機(jī)組擴(kuò)大性大修、大修、小修、搶修和小型技術(shù)改造。
1.1 水電站檢修等級(jí)
現(xiàn)行水電站檢修等級(jí)規(guī)定是以檢修規(guī)模和停機(jī)時(shí)間為指標(biāo),共分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。A修:對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行全面的拆卸、維修;B修:針對(duì)機(jī)組某個(gè)部件存在的問(wèn)題,進(jìn)行機(jī)組部分解體檢查、維修;C修:根據(jù)設(shè)備實(shí)際磨損及規(guī)律,重點(diǎn)地檢查、修理、清掃;D修:對(duì)機(jī)組及相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行缺陷處理。
1.2 檢修等級(jí)組合方式
常規(guī)水電站水輪發(fā)電機(jī)組根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中面臨的綜合因素確定A修間隔一般為5~10年。在兩次A級(jí)檢修之間,安排1次機(jī)組B級(jí)檢修,除有A、B級(jí)檢修年外,每年安排1次C級(jí)檢修,并可視情況,每年增加1次D級(jí)檢修。
2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)介紹
常見(jiàn)的沉浸式系統(tǒng)有:基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)(VR)、完全沉浸多通道單面顯示系統(tǒng)(CAVE)。
沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)其明顯的特點(diǎn)是:利用頭盔顯示器或完全沉浸多通道單面顯示系統(tǒng)把使用人員的視覺(jué)封閉起來(lái),產(chǎn)生虛擬視覺(jué),完全對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行再現(xiàn)。
2.1 沉浸式虛擬環(huán)境硬件組成
本文采用的硬件顯示方案為多通道單面沉浸式系統(tǒng),如圖1所示。系統(tǒng)由四部分組成:LED顯示系統(tǒng)、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、虛擬外設(shè)裝置。其中LED顯示系統(tǒng)是由頂幕、正幕、地幕、左幕、右幕共計(jì)5個(gè)平面組成的立體環(huán)境,給使用者呈現(xiàn)一個(gè)可同時(shí)觀看的由5個(gè)平面組成的3D圖像,使其完全沉浸在圖像組成的虛擬空間內(nèi)。
圖1 多通道單面沉浸式系統(tǒng)
2.2 沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)功能
沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)是由驅(qū)動(dòng)核心功能實(shí)現(xiàn)的軟件及與支持功能實(shí)現(xiàn)的硬件外設(shè)共同組成的。軟件采用模塊化架構(gòu),支持多線程技術(shù),不僅可以驅(qū)動(dòng)高性能圖形卡的多種渲染器,還可以通過(guò)自身模型實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入、動(dòng)態(tài)干涉檢查、實(shí)時(shí)分析、動(dòng)畫(huà)及渲染等復(fù)雜功能。
3 沉浸式虛擬環(huán)境搭建流程
3.1 采用1:1比例構(gòu)建三維模型
本文介紹的方案是以實(shí)物水電站所有機(jī)電設(shè)備為最小單位建模單元分塊,然后采用工業(yè)三維建模軟件制作開(kāi)發(fā)三維精細(xì)化模型[2]。精確建模流程如圖2所示。
圖2 設(shè)備精確三維建模流程圖
首先是辨識(shí)最小物理單位設(shè)備在三維精細(xì)化模型上所表達(dá)出的特征量,例如:一顆螺栓、一個(gè)帶孔的蓋子、一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸等。
其次是參照實(shí)物機(jī)電設(shè)備組合狀態(tài),給相應(yīng)最小物理單位的三維模型添加相應(yīng)約束關(guān)系,例如:兩面重合、兩個(gè)軸同心、孔和軸同心等,裝配組合成最小功能單元的部件。部件是由下級(jí)零件裝配而成,既可以由單獨(dú)的零件組合而成,也可以由子部件組成。然后按照水電站機(jī)電設(shè)備實(shí)際結(jié)構(gòu),將各部件最終組合裝配成為完整的一套與實(shí)際相同的水電站機(jī)電模型,如圖3所示。
圖3 精確三維部件裝配流程
最后是模型管理分析,將結(jié)合現(xiàn)實(shí)設(shè)備為三維裝配體添加自由度、設(shè)備質(zhì)量特征等物理屬性,并同時(shí)開(kāi)展干涉檢查,以確保相關(guān)聯(lián)的各個(gè)三維模型間無(wú)重疊現(xiàn)象。
3.2 基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行三維精確模型成果應(yīng)用
模型設(shè)備屬性[3]定義:對(duì)載入沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)的水電廠設(shè)備模型進(jìn)行名稱屬性定義,導(dǎo)入設(shè)備模型數(shù)據(jù)信息(包括:設(shè)備/元件名稱、編號(hào)、材質(zhì)、廠家信息等),可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景化對(duì)設(shè)備或設(shè)備元件屬性信息的交互呈現(xiàn)。
通過(guò)操作人員在沉浸式虛擬環(huán)境系統(tǒng)[4]裝配建模模式下對(duì)載入的三維模型場(chǎng)景引導(dǎo)拆裝,可在裝配體中動(dòng)態(tài)、直觀地將零部件進(jìn)行移動(dòng)和碰撞檢測(cè)。最后,基于“可拆即可裝”的假定,將拆卸順序和路徑予以“反演”,即可得到電廠設(shè)備檢修的裝配順序和路徑。
4 檢修輔助決策中的應(yīng)用
4.1 電站待檢修設(shè)備故障情況
某水電站在正常發(fā)電中,巡檢人員發(fā)現(xiàn)在水輪機(jī)室內(nèi),其用于控制進(jìn)入水輪機(jī)水流大小的動(dòng)力設(shè)備主接力器后缸蓋漏油。該接力器重量為6.2噸,內(nèi)部壓力油工作壓力4.0Mpa,長(zhǎng)此以往繼續(xù)漏油,將可能造成:工作壓力降低,接力動(dòng)作不靈活,甚至在整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí),不能及時(shí)停機(jī)等后果;長(zhǎng)此以往將油液漏至下游河道,將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。
此機(jī)組故障屬于不能長(zhǎng)期帶病運(yùn)行故障,需安排適當(dāng)?shù)臋z修周期進(jìn)行徹底處理。
4.2 傳統(tǒng)檢修方案
由于水車室內(nèi)空間狹小,接力器后缸蓋又處于一個(gè)混凝土孔洞內(nèi),在重量大、外部接線管路復(fù)雜、其裝配體本身對(duì)安裝工藝要求很高的情況下,以往類似缺陷處理經(jīng)驗(yàn),相關(guān)技術(shù)人員都是制定擴(kuò)大范圍的檢修方案:將整臺(tái)套水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)入A修狀態(tài),拆吊出水輪機(jī)室上方所有零部件(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、上機(jī)架、下機(jī)架、推力軸承等),然后采用起吊設(shè)備將待維修接力器吊出機(jī)坑,完成相應(yīng)檢修后,再對(duì)所有拆卸的零部件進(jìn)行回裝。
因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)工程信息做支持,即使耗費(fèi)大量人力、財(cái)力編制出在水車室內(nèi)的檢修方案,也沒(méi)有一個(gè)切實(shí)可行的驗(yàn)證手段來(lái)驗(yàn)證檢修方案,盲目采用新方案將可能造成不可控的設(shè)備損傷、人員傷亡等。
4.3 輔助決策制定檢修方案
基于本文所介紹的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中已載入該電站三維精確模型,技術(shù)人員通過(guò)在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行反復(fù)拆裝、維修演練等操作,可以讓使用者體驗(yàn)到虛擬檢修所帶來(lái)的便捷性,也可以即時(shí)驗(yàn)證以往只能停留在想法中的檢修方案。經(jīng)多方案驗(yàn)證,最終形成新的檢修方案:
首先拆開(kāi)接力器外部連接管路,然后將控制環(huán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30度(控制環(huán)為接力器前部操作動(dòng)作傳動(dòng)設(shè)備),第三步是選擇合理吊點(diǎn)及吊具將接力器在水機(jī)室內(nèi)吊出接力器座,第四步是將接力器整理逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)獲得最大操作空間,如圖4所示。
圖4 主接力器檢修方案示意
4.4 實(shí)際檢修效果
該電站最終采用通過(guò)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模擬出的新檢修方案,將檢修工作縮短在4天內(nèi)就完成原計(jì)劃50天的檢修任務(wù),極大縮短了檢修工期,為電站節(jié)約了檢修費(fèi)用,增加了發(fā)電收益。實(shí)施新方案達(dá)到了原預(yù)期所有檢修目的。
作者簡(jiǎn)介:
孔吉宏(1987-),男,廣東梅州人,高級(jí)工程師,學(xué)士,現(xiàn)就職于南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司,研究方向?yàn)樗娬緳z修運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。
黃 昆(1982-),男,四川綿陽(yáng)人,高級(jí)工程師,碩士,現(xiàn)就職于四川省武都引水工程運(yùn)管中心,研究方向?yàn)樗娬緳z修、運(yùn)行與控制。
丘恩華(1980-),男,廣西玉林人,高級(jí)工程師,碩士,現(xiàn)就職于南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司,研究方向?yàn)樗娬緳z修運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。
呂毅松(1986-),男,河南三門峽人,高級(jí)工程師,本科,現(xiàn)就職于南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司,研究方向?yàn)樗娬緳z修運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。
王宇軒(1990-),男,湖北仙桃人,工程師,本科,現(xiàn)就職于中冶武勘智誠(chéng)(武漢)工程技術(shù)有限公司,研究方向?yàn)樗娬緳z修運(yùn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。
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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊