風機塔筒傾斜的監(jiān)測方法對比分析

魏錦德，王 駿，劉 豐，凃道勇

(中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

風力發(fā)電作為一種綠色清潔能源已經(jīng)越來越受到世界各國的重視，而風力發(fā)電機組的安全運行是風電場設備管理的重要內(nèi)容[1]。風機塔筒作為風力發(fā)電機的重要組成部分，支撐著機艙和葉輪，使葉輪等部件在高空中運行，同時吸收機組震動[2]。風機在長期運行過程中，受到基礎地質條件、溫度、風向風速、日曬、雨淋等外力影響，風機塔筒的機械強度、機械震動、塔架螺栓都會發(fā)生不同程度變化；在風速、重力、葉片扭力的作用下，風機塔筒不可避免地發(fā)生傾斜[3]。

因此，采用一定的技術手段，對風機塔筒的傾斜情況進行監(jiān)測，可以有效彌補風電機組自身設計不足、運行環(huán)境惡劣等因素帶來的安全隱患，對風電機組的安全運營具有重大的意義。

1 監(jiān)測原理

風機塔筒的傾斜情況主要通過不同高度塔筒橫截面圓心的水平偏移量和垂直度來體現(xiàn)，具體如圖1所示。

圖1 風機塔筒傾斜

圖1中P0(x0,y0,h0) 為風機塔筒底部橫截面圓心坐標和高程，Pi(xi,yi,hi)為高程為hi的塔筒橫截面圓心坐標和高程，Δh為高程hi的塔筒橫截面相對于塔筒底部的高度。

hi處的塔筒橫截面圓心的水平偏移量ΔS的計算按式(1)計算：

hi處的塔筒的垂直度θ的計算按式(2)計算：

2 監(jiān)測方法

常用的傾斜監(jiān)測方法主要有吊錘線法、激光鉛垂儀投測法、前方交會法、三維激光掃描儀法、全站儀免棱鏡法[4]。吊錘線法和激光鉛垂儀投測法儀器設備簡便，觀測方法簡單，被施工單位廣泛采用；但由于風機塔筒的高度一般65～100 m，分節(jié)吊裝，中間不通視，艙內(nèi)設備較多，不方便預留觀測孔洞，無法采用這兩種方法進行風機塔筒傾斜監(jiān)測。

因此，風機塔筒傾斜監(jiān)測一般采用前方交會法、三維激光掃描儀法、全站儀免棱鏡法進行。

2.1 前方交會法

前方交會法操作簡單方便，如圖2所示測站點宜選在距離風機1.5～2倍風機塔筒高度的水平距離處，選擇2個測站點，并作為互相的定向點；兩個測站點與風機夾角約90°，這樣可以提高測量精度[5]。在2個已知點A(xA,yA)、B(xB,yB)分別架設全站儀，以另一個點定向后，觀測hi處的塔筒橫截面的兩條切線的水平角，從而計算出已知點A、B和塔筒橫截面圓心O的夾角∠OAB和∠OBA。

圖2 前方交會法

塔筒橫截面圓心O(xO,yO)的坐標按式(3)計算：

通過觀測出不同高度的塔筒橫截面圓心坐標，可以計算出塔筒橫截面圓心的水平偏移量和垂直度。該種方法操作簡單，觀測精度較高，但是山地風電場地形起伏較大，樹木茂密，現(xiàn)場通視條件較差，兩個測站點與風機夾角難以滿足要求。

2.2 三維激光掃描儀法

利用三維激光掃描儀對風機塔筒進行高精度掃描，沿著風機塔筒四周設置4個測站，每隔90°架設一個測站，掃描方式采用標靶定向拼接的自由架站方式，獲取風機點云數(shù)據(jù)；進行點云拼接匹配，去噪點并提取點云，建立高精度三維立體模型[6]。從風機塔筒基礎環(huán)開始，向上每間隔15 m做截面曲線處理并創(chuàng)建塔筒的正射影像圖，并提取塔筒截面圓心坐標。將這些塔筒截面圓心坐標連成的線就是風機塔筒的傾斜線。

三維激光掃描儀具有精度高、速度快等優(yōu)點，但數(shù)據(jù)處理較為復雜，設備昂貴，限制了廣泛應用[7]。

2.3 全站儀免棱鏡法

風機塔筒表面光滑，表面漆一般為通體白色，又屬于高聳建筑物，不方便粘貼反射片。采用前方交會法測量時，常常無法準確觀測出測站與風機塔筒截面兩條切線的水平角，從而影響測量精度。但風機塔筒每高15 m一般都有一個圓曲線的線圈，線圈是基本處于水平方向的圓截面，采用高精度全站儀免棱鏡模式，分別采集微風狀態(tài)下靜止的風機塔筒不同高度的線圈上若干個離散點坐標(至少4個)，不同離散點高程應小于3 cm。由于一個測站只能采集半個圓截面的坐標數(shù)據(jù)，為了提高測量精度，參考前方交會法選取兩個合適的測站點，并作為互相的定向點，在風機塔筒不同高度圓截面上整個圓周上均勻地采集離散點坐標，離散點一般不少于10個[8]。

采用SQL Server用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，在.Net Framework的基礎上開發(fā)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件DMDP，并取得了軟件著作權。軟件設計主要思路是：采用正交距離最小二乘平差方法，進行風機塔筒圓曲線擬合，并計算出每個離散點擬合殘差，剔除殘差較大的離散點后反復迭代解算，得出塔筒不同高度圓截面的圓心坐標和半徑的最優(yōu)值。根據(jù)風機塔筒不同高度圓截面的圓心坐標和高程，計算出風機塔筒傾斜情況。

用全站儀免棱鏡法進行傾斜監(jiān)測，監(jiān)測點的點位誤差m點主要由全站儀的測角誤差mα和測距誤差ms引起的，可以按下式計算：

式中：a為固定誤差；b為比例誤差；D為測距，m；ρ為206 265″?，F(xiàn)以徠卡TS60智能型全站儀為例，測距D取150 m，該儀器在使用免棱鏡模式的測距精度為2 mm+2 ppm，測角誤差ma為0.5″，測距誤差ms約為2 mm，監(jiān)測點的點位誤差m點約為2.1 mm。塔筒的垂直度θ的測量誤差mθ計算式：

根據(jù)誤差傳播定律，塔筒垂直度θ的測量中誤差mθ約為±3 mm。

根據(jù)JGJ 8—2016《建筑變形測量規(guī)范》要求，風機塔筒傾斜的允許變形值為0.005，如75 m高的塔筒頂部圓心的水平偏移量允許變形值為375 mm；塔筒垂直度的測量中誤差mθ小于允許變形值的1/10～1/20。因此，TS60智能型全站儀免棱鏡法能夠滿足風機塔筒傾斜監(jiān)測精度的要求。

全站儀免棱鏡法具有精度高、速度快、儀器操作簡單的優(yōu)點。當觀測仰角較大時，可以使用全站儀的望遠鏡相機或彎管目鏡瞄準風機塔筒的線圈。若有條件，風機吊裝后在風機頂部粘貼幾個反射片，可以有效地提高觀測精度。

3 實例分析

某山地風電場風機采用型號為運達風電WD121-2000機組，高度為80 m，風機塔筒為75 m，塔筒基礎型式為圓形板式擴展基礎，基礎設計級別為一級。根據(jù)業(yè)主委托，對風電場風機塔筒的傾斜情況進行監(jiān)測。分別采用前方交會法和全站儀免棱鏡法，觀測微風狀態(tài)下(小于5 m/s)靜止的1號風機的塔筒傾斜情況，觀測結果，見表1所列。

表1 風機的塔筒傾斜觀測結果

由表1可知，分別采用前方交會法和全站儀免棱鏡法觀測得到的塔筒橫截面圓心的水平偏移量相差最大為3.2 mm，塔筒垂直度相差最大為0.000 1，在觀測誤差允許范圍內(nèi)。風機的塔筒垂直度最大為0.002 1，小于JGJ 8—2016《建筑變形測量規(guī)范》要求的風機塔筒傾斜的允許變形值0.005。因此，該風機塔筒傾斜情況處于正常允許范圍內(nèi)。

隨著風向變化，風機機艙必須通過旋轉，迎著風向才能最大效率地利用風能。隨著風機機艙位置的變化，風機塔筒受力方向和整體重心發(fā)生變化，塔筒的傾斜情況也會發(fā)生改變。實際觀測過程中，應聯(lián)系風電場管理人員按照順時針或逆時針旋轉機艙0°、90°、180°、270°，在同一測站分別觀測不同旋轉角度下的風機塔筒傾斜情況，所有方向的塔筒傾斜量都應在正常允許范圍內(nèi)。

4 結語

為保障風電機組的安全運營，通過測量技術手段對風機塔筒的傾斜情況進行監(jiān)測具有重大的意義。根據(jù)以上理論分析和實例應用表明，采用全站儀免棱鏡法與前方交會法測量風機塔筒的傾斜情況，得到的測量結果基本一致，數(shù)據(jù)可靠。全站儀免棱鏡法具有精度高、速度快、操作簡單的優(yōu)點。