風力發電機組塔筒垂直度檢測方法研究

何水娥

（安徽省地質實驗研究所（國土資源部合肥礦產資源監督檢測中心），安徽 合肥 230001）

伴隨綠色清潔能源市場不斷推進，使得風力發電項目得以迅速推廣，截至2019年上半年，全國累計裝機1.93億千瓦。風力發電機組塔筒屬于高聳建筑，塔架偏心，基礎不均勻沉降超過允許值，在壓力荷載和動力荷載作用下，將給風電機組吊裝及運行帶來安全隱患，輕則使風機達不到設計運行效率，重則將造成塔架傾覆嚴重后果。因此，為確保風力發電機組的施工運營安全，必須對風力發電機組塔架進行垂直度檢測[1]。

1 風力發電機組塔筒垂直度測量內容

風力發電機組塔筒垂直度主要通過風電塔中心的水平偏移量和傾斜度來體現，可通過截面中心的水平位移量來求取，從而判斷塔筒的傾斜。風力發電機組塔筒就是風力發電的塔桿，在風力發電機組中主要起支撐作用，同時吸收機組震動。風力發電機塔筒為上細下粗圓柱體，塔筒高度約82m。因此風機塔筒不便于攀爬，發射照準設備安置困難。因此，常規的用儀器照準在構筑物上布設的照準標志或反射片的垂直度檢測方法不適用于風電塔筒垂直度檢測[2]。

2 風力發電機塔筒垂直度檢測方法

2.1 基礎沉降量觀測方法

如圖1所示，在風機塔筒平臺上布設四個沉降監測點，采用天寶DINI03等高精度水準儀，采用一二等水準觀測方法，對四點的相對高差進行觀測。通過兩次觀測高差之差計算塔筒垂直度。

圖1 風電塔筒沉降監測點示意圖

此方法要求風機塔筒施工運營前取得監測點初試觀測值，在整個運營期間點位要保存完好。

2.2 全站儀前方交會法

全站儀前方交會法是一種不接觸測量，實際操作簡單。具體操作如下：在地面距風力發電機塔筒約1.5倍其高度的水平距離處，選擇便于觀測、相互通視的兩點A、B，坐標為（XA，YA）、（XB，YB），且使A、B兩點與風力發電機組大致成90°角，利用前方交會法測出上、下圓截面的圓心。具體方法如圖2所示，在控制點A、B處分別架設全站儀，測得風力發電機組塔筒上、下水平圓截面的圓心O1和O2角度值。根據前方交會計算公式，計算O1與O2的坐標值，將O1點投影到O2點的截面，得到水平偏移量與偏移方向。上下圓截面的高差值h可以由全站儀直接測得。計算風力發電機組塔筒的垂直高度，垂直度=水平偏移量/高差h。

圖2 全站儀前方交會觀測方法示意圖

前方交會法不僅能測垂直度，而且當有傾斜時，還能測量傾斜量和傾斜方向。其精度取決于交會柱心點坐標精度。交會精度與交會圖形及測量精度有關。但此方法在實際操作中，因塔筒邊緣與遠處天的顏色接近，很難采集到的塔筒邊線，觀測誤差較大。

2.3 三點畫圓法

三點畫圓法即利用不在同一直線上的三點能確定唯一外接圓的原理，測量風電塔筒某一橫截面上三個點坐標，求取該圓截面的圓心坐標。具體操作如圖3所示：首先在距風電機組一定距離處架設好全站儀，全站儀照準頂部塔筒連接處的筒頂部某一橫截面，測定截面上3個坐標點A1，A2，A3，再用全站儀照準底部塔筒某一連接處的截面線，測定該截面上的3個點坐標B1，B2，B3，同時測量兩截面高差h，內業通過計算求得圓心點坐標A0，B0，計算兩點間距離S，垂直度=坐標差S/h。

圖3 三點畫圓法示意圖

此方法操作簡單，對儀器架設位置要求低，全站儀自由設站，也降低了儀器對中誤差，提高了點位精度。在山區風力發電項目中具有更強的適用性。

3 三點畫圓法應用

位于江西省贛州市南康區的風力發電場風機塔筒垂直度檢測項目中，因風電機組平臺上布設的沉降監測點位在運營期間有些被破壞了，無法獲得沉降累積差，山區通視條件差等多種因素，選用三點畫圓法檢測風機塔筒垂直度。部分檢測成果如表1所示[3-5]。

表1 風力發電塔筒垂直度檢測計算成果表

4 結語

根據風力發電機組塔筒為上細下粗的超高圓柱體等特點，在實際施測過程中，通過比較分析，研究的的三種方法中，三點畫圓法最具實際操作性。在類似的項目中，具有重要的指導意義。