一種海上風機基樁自動檢測裝置及檢修方法

陳 浩 譚景巍

（武漢理工大學，湖北 武漢430000）

1 海上風機基樁自動檢測裝置需求分析

能源是人類生存和發展的必需品，隨著人類對于海洋的探索以及意識到可持續發展才是長遠之計，海上風能這種清潔能源隨之發展，海上風機作為將風能轉化為電能的裝置，它的發展前景自然十分可觀。

為了獲得更高的轉化效率，風機一般會轉成迎風面，因此受到風力荷載會比較大，同時風機的塔筒也會受到海浪的影響，因此風機會逐漸發生傾斜和侵蝕，影響風機的發電效率，甚至日積月累下，當風機的基樁傾斜或者破壞到一定程度，風機甚至會發生倒塌等嚴重事故。為了使風機能夠正常保持高效率地發電工作，定期進行檢測和維修是必不可少的。

現在的風機塔筒檢測工作一般都是由人工進行的。對于風機塔筒的垂直度檢測，通常采用常規檢測技術，即利用全站儀在風機塔筒結構的搭接處、焊縫明顯處觀測數據，通過對觀測數據的計算得到風機塔筒的垂直度。因此人工進行相應的檢測免不了有人為誤差，而且全站儀的精度、壽命等因素也是會影響測量的數據。對于海水侵蝕檢測，人眼雖然可以直觀地觀察到相應情況，但是對于侵蝕的程度來說比較主觀，因此對于維修的決策會有誤判的情況，產生浪費人力物力的情況。總的來說，人工檢測十分費時費力且難免存在誤差。

圖1 自動升降檢測環俯視透視圖及建模圖

圖2 保護充電樁剖面圖及建模

因此準確進行風機塔筒垂直度、侵蝕程度的檢測就是十分有必要的。為此作者設計出一種海上風機基樁自動檢測裝置及檢修方法（申請號、專利號202011550642.0），該裝置總的來說由三部分構成：自動升降檢測環、保護充電樁、GNSS-R 海面風場遙感信號反射裝置。該裝置利用三維激光掃描技術等技術途徑，實現了海上風機傾斜度和侵蝕衰老程度等指標的檢測、遠程信號傳輸等功能，解決了海上風機檢修繁瑣且風險高、人力資源成本大等問題，實現遠程檢測，具有較高的行業應用價值。

2 裝置組成

自動升降檢測環由容納保護盒、伸縮桿、球形滾輪、電池、掃描檢測儀、陀螺儀傳感器六部分組成。四個容納保護盒通過伸縮桿連接，形成一個環狀結構，球形滾輪安裝于每一個容納保護盒的內側中部，掃描檢測儀安裝于容納保護盒內側并在球形滾輪上方，掃描檢測儀的徑向寬度分別小于所述球形滾輪的直徑，電池和陀螺儀傳感器安裝于容納保護盒內部。（圖1）

保護充電樁由充電口、指示燈、海拔傳感器三部分組成。指示燈位于錐形塔尖，海拔傳感器安裝于中軸線上，充電口安裝于保護充電樁內部。

信號處理傳輸裝置包括信號接收裝置、信號處理裝置和信號發送裝置，安裝在保護充電樁塔頂。（圖2）

3 實施方式

3.1 自動升降檢測環的升降

在檢測時，自動升降檢測環通過球形滾輪的滾動結合伸縮桿的長度變化進行水平和垂直運動。具體表現為：在下降時，伸縮桿長度變長，在重力的作用下自動升降檢測環會下降，同時風機塔筒的輕微傾斜度（上細下粗）會給環提供一個支持力，使其下降平穩，這個方法可以減少能量消耗；在上升時，球形滾輪提供向上的動力，同時伸縮桿長度變短；在發生意外時，球形滾輪的制動裝置將自動制動，與伸縮桿的收縮同步進行。（圖3）

3.2 自動升降檢測環的檢測

圖3 球形滾輪示意圖及裝置與風機建模

圖4 海上風機基樁自動檢測裝置工作流程圖

在自動升降檢測環升降的過程中，環上的掃描儀將同步工作，為了確保掃描的準確性，球形滾輪會在進行水平滾動后多次掃描，避免有掃描盲區。環上的陀螺儀傳感器也會同時工作，陀螺儀傳感器的存在，使得掃描出來的模型與大環境結合，即能夠表明某截面的水平傾斜朝向，這會進一步的提升掃描精度和準確性。在掃描完畢后，自動升降檢測環將會回歸保護充電樁。

3.3 信息傳輸

在自動升降檢測環回歸保護充電樁后，掃描的數據將通過保護充電樁頂部的信號處理傳輸裝置傳輸回遠程辦公室，同時充電樁里的海拔傳感器的數據也將同步傳輸。

3.4 信息處理

辦公室里的工作人員可以將傳輸回來的數據進行分析比較。掃描儀傳輸回來的數據可以進行建模，建出來的模型可以直觀的反應出侵蝕的部位、大小、范圍等，同時也可以直觀計算出風機塔筒各處的傾斜程度。

海拔傳感器放在固定的充電樁上看起來沒用，實際上通過掃描儀的數據建立的模型我們可以計算出塔筒的變化高度，而通過海拔傳感器我們則可以知道風機基樁的海拔變化，將兩者進行對比，我們便可以知道風機高度變矮是因為塔筒變形還是因為地基沉降，因為地基沉降也是一個不容小覷的問題。

同樣的為了使遠程辦公人員能夠進行更有依據的、客觀的判斷，該裝置采用了GNSS-R 海面風場遙感技術，該技術不僅可以進行信號傳輸，還可以利用反射信號進行相應的海洋環境的遙感檢測，獲得海面風場、海面高度、有效波高等參數來配合相關數據計算推斷出相應的維修時間。這里的維修時間不僅僅是風機大概多久之后需要進行維修，也是指當確定需要維修后，計算出一個天氣好、海洋環境好，適合維修的時間，讓維修工作安全高效。

遠程辦公人員在結合各方面信息后進行判斷后，若確定需要維修，則會發出信號，使得保護充電樁的指示燈亮起，這個舉措可以人性化地指出對應需要維修的風機，方便工作人員直觀地找到問題風機并進行維修，省去了找風機這種浪費時間的工作。（圖4）

3.5 能量來源及工作保護

保護充電樁的能量來源無疑就是海上風機產生的電，直接利用風機發的電有利也有弊，好處是可以直接使用，避免傳輸過程的損耗；弊端則是風機發的電并不穩定，可能存在沒有風、風不大等等不可抗力因素，因此保護機制就十分重要了。自動升降檢測環在回歸充電樁后，將進行充電以及電量檢測，若檢測到自動升降檢測環的電量不足以完成一次檢測或電池衰老嚴重時，充電口將鎖緊自動升降檢測環，以免檢測環因電量不足無法返回充電樁；在自動升降檢測環發生電池衰老嚴重、掃描儀損壞、長時間沒有回歸保護充電樁時，指示燈將自動亮起并發出相應信號通知遠程工作人員。

海洋環境具有高溫、高濕、有鹽霧，光照和反射強等特點，裝置工作環境較為惡劣。因此將有以下舉措提高裝置壽命：裝置外露部分（容納盒、伸縮桿、充電樁）使用10CrMoAl 鋼材，同時涂上ZS-711 防腐涂料，這會大大提高抗腐蝕性和抗氧化性。同時充電口為嵌入式，避免充電器發生銹蝕問題，甚至造成整個風機損壞。

4 結論

綜上所述，海上風機基樁自動檢測裝置的發展前景顯而易見的樂觀，解決風機基樁自動檢測迫在眉睫。本文針對現在的海上風機基樁的窘迫現狀，設計出能夠完美解決相應問題的裝置，該裝置不僅可以進行精確自動檢測，還可以結合相應的GNSS-R 海面風場遙感技術，進行維修時間的推斷，并且人性化地指出相應的問題風機，實現了遠程檢測，具有較高的行業應用價值。