魏錦德，王 駿，劉 豐，凃道勇

(中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

風(fēng)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(guó)的重視，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行是風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備管理的重要內(nèi)容[1]。風(fēng)機(jī)塔筒作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分，支撐著機(jī)艙和葉輪，使葉輪等部件在高空中運(yùn)行，同時(shí)吸收機(jī)組震動(dòng)[2]。風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，受到基礎(chǔ)地質(zhì)條件、溫度、風(fēng)向風(fēng)速、日曬、雨淋等外力影響，風(fēng)機(jī)塔筒的機(jī)械強(qiáng)度、機(jī)械震動(dòng)、塔架螺栓都會(huì)發(fā)生不同程度變化；在風(fēng)速、重力、葉片扭力的作用下，風(fēng)機(jī)塔筒不可避免地發(fā)生傾斜[3]。

因此，采用一定的技術(shù)手段，對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的傾斜情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效彌補(bǔ)風(fēng)電機(jī)組自身設(shè)計(jì)不足、運(yùn)行環(huán)境惡劣等因素帶來的安全隱患，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)營(yíng)具有重大的意義。

1 監(jiān)測(cè)原理

風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)塔筒傾斜

圖1中P0(x0,y0,h0) 為風(fēng)機(jī)塔筒底部橫截面圓心坐標(biāo)和高程，Pi(xi,yi,hi)為高程為hi的塔筒橫截面圓心坐標(biāo)和高程，Δh為高程hi的塔筒橫截面相對(duì)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(jì)算按式(1)計(jì)算：

hi處的塔筒的垂直度θ的計(jì)算按式(2)計(jì)算：

2 監(jiān)測(cè)方法

常用的傾斜監(jiān)測(cè)方法主要有吊錘線法、激光鉛垂儀投測(cè)法、前方交會(huì)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(cè)法儀器設(shè)備簡(jiǎn)便，觀測(cè)方法簡(jiǎn)單，被施工單位廣泛采用；但由于風(fēng)機(jī)塔筒的高度一般65～100 m，分節(jié)吊裝，中間不通視，艙內(nèi)設(shè)備較多，不方便預(yù)留觀測(cè)孔洞，無法采用這兩種方法進(jìn)行風(fēng)機(jī)塔筒傾斜監(jiān)測(cè)。

因此，風(fēng)機(jī)塔筒傾斜監(jiān)測(cè)一般采用前方交會(huì)法、三維激光掃描儀法、全站儀免棱鏡法進(jìn)行。

2.1 前方交會(huì)法

前方交會(huì)法操作簡(jiǎn)單方便，如圖2所示測(cè)站點(diǎn)宜選在距離風(fēng)機(jī)1.5～2倍風(fēng)機(jī)塔筒高度的水平距離處，選擇2個(gè)測(cè)站點(diǎn)，并作為互相的定向點(diǎn)；兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)與風(fēng)機(jī)夾角約90°，這樣可以提高測(cè)量精度[5]。在2個(gè)已知點(diǎn)A(xA,yA)、B(xB,yB)分別架設(shè)全站儀，以另一個(gè)點(diǎn)定向后，觀測(cè)hi處的塔筒橫截面的兩條切線的水平角，從而計(jì)算出已知點(diǎn)A、B和塔筒橫截面圓心O的夾角∠OAB和∠OBA。

圖2 前方交會(huì)法

塔筒橫截面圓心O(xO,yO)的坐標(biāo)按式(3)計(jì)算：

通過觀測(cè)出不同高度的塔筒橫截面圓心坐標(biāo)，可以計(jì)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(jiǎn)單，觀測(cè)精度較高，但是山地風(fēng)電場(chǎng)地形起伏較大，樹木茂密，現(xiàn)場(chǎng)通視條件較差，兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)與風(fēng)機(jī)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(duì)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行高精度掃描，沿著風(fēng)機(jī)塔筒四周設(shè)置4個(gè)測(cè)站，每隔90°架設(shè)一個(gè)測(cè)站，掃描方式采用標(biāo)靶定向拼接的自由架站方式，獲取風(fēng)機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；進(jìn)行點(diǎn)云拼接匹配，去噪點(diǎn)并提取點(diǎn)云，建立高精度三維立體模型[6]。從風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)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(biāo)。將這些塔筒截面圓心坐標(biāo)連成的線就是風(fēng)機(jī)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(diǎn)，但數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，設(shè)備昂貴，限制了廣泛應(yīng)用[7]。

2.3 全站儀免棱鏡法

風(fēng)機(jī)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(huì)法測(cè)量時(shí)，常常無法準(zhǔn)確觀測(cè)出測(cè)站與風(fēng)機(jī)塔筒截面兩條切線的水平角，從而影響測(cè)量精度。但風(fēng)機(jī)塔筒每高15 m一般都有一個(gè)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(fēng)狀態(tài)下靜止的風(fēng)機(jī)塔筒不同高度的線圈上若干個(gè)離散點(diǎn)坐標(biāo)(至少4個(gè))，不同離散點(diǎn)高程應(yīng)小于3 cm。由于一個(gè)測(cè)站只能采集半個(gè)圓截面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為了提高測(cè)量精度，參考前方交會(huì)法選取兩個(gè)合適的測(cè)站點(diǎn)，并作為互相的定向點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)塔筒不同高度圓截面上整個(gè)圓周上均勻地采集離散點(diǎn)坐標(biāo)，離散點(diǎn)一般不少于10個(gè)[8]。

采用SQL Server用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，在.Net Framework的基礎(chǔ)上開發(fā)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件DMDP，并取得了軟件著作權(quán)。軟件設(shè)計(jì)主要思路是：采用正交距離最小二乘平差方法，進(jìn)行風(fēng)機(jī)塔筒圓曲線擬合，并計(jì)算出每個(gè)離散點(diǎn)擬合殘差，剔除殘差較大的離散點(diǎn)后反復(fù)迭代解算，得出塔筒不同高度圓截面的圓心坐標(biāo)和半徑的最優(yōu)值。根據(jù)風(fēng)機(jī)塔筒不同高度圓截面的圓心坐標(biāo)和高程，計(jì)算出風(fēng)機(jī)塔筒傾斜情況。

用全站儀免棱鏡法進(jìn)行傾斜監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位誤差m點(diǎn)主要由全站儀的測(cè)角誤差mα和測(cè)距誤差ms引起的，可以按下式計(jì)算：

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

根據(jù)誤差傳播定律，塔筒垂直度θ的測(cè)量中誤差mθ約為±3 mm。

根據(jù)JGJ 8—2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》要求，風(fēng)機(jī)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(cè)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(fēng)機(jī)塔筒傾斜監(jiān)測(cè)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(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)觀測(cè)仰角較大時(shí)，可以使用全站儀的望遠(yuǎn)鏡相機(jī)或彎管目鏡瞄準(zhǔn)風(fēng)機(jī)塔筒的線圈。若有條件，風(fēng)機(jī)吊裝后在風(fēng)機(jī)頂部粘貼幾個(gè)反射片，可以有效地提高觀測(cè)精度。

3 實(shí)例分析

某山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)采用型號(hào)為運(yùn)達(dá)風(fēng)電WD121-2000機(jī)組，高度為80 m，風(fēng)機(jī)塔筒為75 m，塔筒基礎(chǔ)型式為圓形板式擴(kuò)展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級(jí)別為一級(jí)。根據(jù)業(yè)主委托，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)塔筒的傾斜情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分別采用前方交會(huì)法和全站儀免棱鏡法，觀測(cè)微風(fēng)狀態(tài)下(小于5 m/s)靜止的1號(hào)風(fēng)機(jī)的塔筒傾斜情況，觀測(cè)結(jié)果，見表1所列。

表1 風(fēng)機(jī)的塔筒傾斜觀測(cè)結(jié)果

由表1可知，分別采用前方交會(huì)法和全站儀免棱鏡法觀測(cè)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(cè)誤差允許范圍內(nèi)。風(fēng)機(jī)的塔筒垂直度最大為0.002 1，小于JGJ 8—2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》要求的風(fēng)機(jī)塔筒傾斜的允許變形值0.005。因此，該風(fēng)機(jī)塔筒傾斜情況處于正常允許范圍內(nèi)。

隨著風(fēng)向變化，風(fēng)機(jī)機(jī)艙必須通過旋轉(zhuǎn)，迎著風(fēng)向才能最大效率地利用風(fēng)能。隨著風(fēng)機(jī)機(jī)艙位置的變化，風(fēng)機(jī)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(huì)發(fā)生改變。實(shí)際觀測(cè)過程中，應(yīng)聯(lián)系風(fēng)電場(chǎng)管理人員按照順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)機(jī)艙0°、90°、180°、270°，在同一測(cè)站分別觀測(cè)不同旋轉(zhuǎn)角度下的風(fēng)機(jī)塔筒傾斜情況，所有方向的塔筒傾斜量都應(yīng)在正常允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

為保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)營(yíng)，通過測(cè)量技術(shù)手段對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的傾斜情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重大的意義。根據(jù)以上理論分析和實(shí)例應(yīng)用表明，采用全站儀免棱鏡法與前方交會(huì)法測(cè)量風(fēng)機(jī)塔筒的傾斜情況，得到的測(cè)量結(jié)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(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。