范長俊，劉偉誠

(1. 南方電網廣東中山供電局，廣東 中山 528401；2. 廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663)

隨著國家碳達峰和碳中和戰(zhàn)略的推進實施，風電投資建設發(fā)展迅猛，正逐步承擔起電網主力電源的職能。風電機組(以下簡稱“風機”)發(fā)展到5.5 MW、8 MW、10 MW、12 MW等大容量機型，其塔筒越來越高，直徑越來越大。

風機塔筒為高聳結構，長細比大，需要承受動靜荷載的相互作用(除塔筒、發(fā)電機組及葉片自身重量構成的靜荷載外，還有橫風作用產生的不規(guī)則水平荷載，及發(fā)電機組運行傳動形成的動荷載)。在動靜荷載的長期作用下，風機在運行過程中會出現(xiàn)基礎不均勻變形、塔筒傾斜以及塔筒結構形變，從而導致其結構失衡[1]。后果輕則影響發(fā)電機組的正常工作，重則出現(xiàn)倒塔、葉片開裂脫落和斷裂、傳動系統(tǒng)失效等重大災難性事故發(fā)生。

當前對風機塔筒基礎形變的常規(guī)監(jiān)測方法包括：利用水準儀定期觀測基礎不均勻沉降、用全站儀測量塔筒傾斜[2-3]，以及傳感器在線實時監(jiān)測[4-8]等。其中：通過水準儀對風機基礎沉降的觀測來推算風機塔筒傾斜，往往會成倍放大傾斜結果[9]；全站儀的傾斜觀測過程復雜，對場地要求高，且從個別測點推算塔筒中心的數(shù)據(jù)精度難以滿足要求；在線傳感監(jiān)測實施成本較高。

近年來，三維激光全數(shù)字掃描技術為實現(xiàn)風機塔筒結構的高密度、高精度表面數(shù)字建模提供了新的技術手段[10-20]。三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的又一次技術革命。它通過高速激光掃描測量的方法，可大面積、高分辨率地快速獲取被測物體表面各個點的三維坐標、反射率、顏色等信息，從而快速復建出1∶1的真彩色三維點云模型，為數(shù)據(jù)處理與分析等工作提供基礎。將該技術應用于風機塔筒結構分析時，首先利用三維激光掃描儀掃描獲取風電塔筒的三維點云數(shù)據(jù)；繼而采用配套軟件對點云數(shù)據(jù)進行去噪、平滑等處理；最后根據(jù)不同的分析需求，建立形變計算和分析模型[10]。例如：文獻[11]利用天寶TX8三維激光掃描儀采集風機塔筒三維數(shù)據(jù)，再計算風機塔位的垂直度偏移量；文獻[12]介紹了利用Leica C10三維激光掃描儀對河北大唐某風電場進行風機塔筒傾斜觀測的操作實踐以及結果；文獻[13-16]分別通過不同風電場實例對比了三維激光掃描技術和免棱鏡全站儀的傾斜度計算和觀測誤差；文獻[17-20]針對三維激光掃描儀獲取的風機點云數(shù)據(jù)，提出在風機塔筒不同高度任意截取橫截面點云，利用最小二乘原理擬合橫截面點云的圓心坐標來求取傾斜率的方法。以上各方法均針對塔筒中心傾斜進行測試研究，未完整獲取塔筒結構的實際形態(tài)，成果不夠完整。

本文結合廣東某風電場的風機塔筒檢測實踐情況，介紹塔筒三維激光掃描和分析計算方法，同時采用傳統(tǒng)的沉降觀測和全站儀免棱鏡觀測2種工程方法進行傾斜量測算，對3種技術方法的檢測結果進行對比驗證。

1 2種常規(guī)風機塔筒傾斜觀測方法

1.1 風機基礎平臺不均勻沉降法推算塔筒傾斜量

陸上風機基礎沉降觀測的常規(guī)方法之一是采用精密二等水準測量方法定期觀測布設于風機基礎平臺上的沉降觀測點。為保證數(shù)據(jù)觀測的絕對精度，需要在風機周圍布設3個穩(wěn)定的沉降觀測基準點作為參考基準。根據(jù)在風機基礎沉降監(jiān)測點測得的絕對沉降量，可以計算出基礎沉降速率，進而判斷地基基礎穩(wěn)定情況及沉降趨勢。根據(jù)監(jiān)測點間的相對沉降量(即不均勻沉降量)，可以推算出不均勻沉降引起的塔筒結構傾斜及安全情況。

1.2 全站儀免棱鏡觀測塔筒傾斜

風機塔筒高度普遍超過50 m，塔筒由合金鋼材制作而成，在設計和建造階段往往并未考慮運營維護階段對塔筒結構進行傾斜數(shù)據(jù)采集的需求，沒有在預定位置安裝觀測標志。因而現(xiàn)場采用全站儀對風機塔筒進行傾斜觀測時，一般只能考慮免棱鏡模式。

在觀測塔筒前，為保證整體觀測精度，需在風機基礎周圍布設3個基準點，兼顧平面和高程，對基準點進行導線觀測，將控制點三維坐標建立在統(tǒng)一坐標系下，便于在對塔筒觀測過程中兩測站數(shù)據(jù)統(tǒng)一可驗證。圖1和圖2所示分別為利用全站儀免棱鏡傾斜觀測示意圖和現(xiàn)場觀測圖。

圖2 全站儀免棱鏡觀測現(xiàn)場

如圖1所示：利用已經布設好的控制點T1、T2、T3在地面上標定2個固定標志A(點A)和B(點B)作為傾斜觀測的測站，A、B位于相互垂直的2個方向上，離風機塔筒的水平距離不小于風機塔筒高度的1.5倍。首先在測站A，用全站儀分別照準塔筒底部及頂部同一高度兩側視線與塔筒的相切點A1、A2、A3、A4，讀出對應的水平角方向值∠1、∠2、∠4、∠5，分別計算塔筒底部及頂部的半和角：

圖1 全站儀免棱鏡傾斜觀測示意圖

(1)

式中∠3和∠6分別為測站至底部中心O1和測站至頂部中心O2方向的角度值。

測站A至底部中心與頂部中心角度值之差α=∠6-∠3，測站A至底部中心O1的水平距離

(2)

式中：L1、L2分別為測站與塔筒底部切點A1、A2的水平距離。同樣地，在測站B重復測站A的操作及計算，得到測站B至塔筒底部與頂部中心角度值之差β，以及測站B至底部中心O2的水平距離S2。

則風機塔筒頂部中心相對于底部中心的總偏移量

(3)

(4)

式中a1、a2分別為塔筒頂部中心O2相對于底部中心O1在垂直于AO1、BO1方向的偏歪分量。

風機塔筒傾斜率

i=a/h1.

(5)

式中h1為風機塔筒的垂直高度。

2 三維激光掃描技術觀測塔筒傾斜及結構形變

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀由1臺高速精確的激光測距儀和1組引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡組成。三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算目標點P與掃描儀的距離S。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系：X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值λ和縱向掃描角度觀測值σ。參考圖3所示的測量原理，通過式(6)計算空間測點P的三維坐標[11-12]：

圖3 三維掃描測點坐標

XP=Scosσcosλ；YP=Scosσsinλ；

ZP=Ssinσ.

(6)

本文選用FARO Focus 3D-S330型脈沖式三維激光掃描儀。在掃描開始前，在風機周邊均勻布設多個球形標靶，確保在每站掃描過程中至少將6個標靶球掃描進去，且相鄰兩測站保證4個公共重疊標靶，這樣可以保證后期數(shù)據(jù)拼接精度。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

將掃描完成的測站數(shù)據(jù)統(tǒng)一導入FARO Focus 3D S330隨機配套軟件FARO Technologies Scene進行數(shù)據(jù)處理，包括點云數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)預處理、去噪點、均一化處理點云間隔、統(tǒng)一掃描分辨率等。

建立風機塔筒點云模型，將數(shù)據(jù)導出為PTS格式后[4]，再導入南方測繪TOU三維點云數(shù)據(jù)處理軟件，從塔筒底部0.5 m起高程方向每間距1 m對點云數(shù)據(jù)模型進行切片處理，按照最小二乘原理對每個切片截面數(shù)據(jù)進行圓形擬合。

在同一高程截面測點(xi，yi)滿足式(7)，其中(x0,y0)為設定高程截面測點的擬合圓心坐標，R為擬合圓的半徑。

(xi-x0)2+(yi-y0)2=R2.

(7)

對于被擬合截面的所有測點，利用式(8)、(9)進行最小二乘擬合計算，依次按照各截取標高得到每個掃描切片位置的圓心和半徑。

(8)

(9)

2.3 塔筒傾斜與形變測算

點云切片數(shù)據(jù)經南方測繪TOU三維點云數(shù)據(jù)處理軟件處理后，可以導出不同高度下各截面圓心平面坐標相對于底部圓心的偏移量及偏移方位，并根據(jù)各高度截面偏移量與底部截面的相對高程，按式(5)計算得到傾斜率。

風機塔筒的橫截面設計采用標準圓形結構，在鋼結構的加工、運輸、安裝過程中，外力作用會使結構產生變形，且在長期運行過程中的風力作用下，風機塔筒結構承受著側向荷載及軸向扭力作用，會產生一定的結構振動疲勞。利用三維激光掃描獲得豐富的點云數(shù)據(jù)，還可以計算每個截面位置的橢圓度，進一步描述塔筒形變情況。

3 應用實例與結果對比

3.1 工程實例

針對在茂名市電白區(qū)麻崗鎮(zhèn)建設的熱水風電場進行風機塔筒傾斜檢測。所在風電場平均海拔約400 m，總裝機容量為50 MW。其中，一期安裝32臺單機容量為1.5 MW和1臺2 MW的風力發(fā)電機組。以風電場2臺風機(編號為9號和14號)為例，介紹檢測過程和結果。

3.2 風機基礎平臺不均勻沉降法檢測結果

從風機投產沉降觀測點埋設后初始值采集至當前測試時間段間的沉降結果及沉降因數(shù)，推算出的傾斜量見表1。

表1 風機基礎不均勻沉降觀測推算塔筒傾斜率

3.3 全站儀免棱鏡檢測結果

采用全站儀免棱鏡觀測法對風電場9號風機及14號風機塔筒進行傾斜觀測，結果見表2。

表2 全站儀免棱鏡模式觀測風機塔筒傾斜率

對比表1和表2，可以看出2種方法測得的傾斜度差別較大，尤其是9號風機。

3.4 三維激光掃描檢測過程與數(shù)據(jù)分析

對9號風機與14號風機塔筒均按4站觀測，保證塔筒掃描數(shù)據(jù)的完整性。三維激光掃描現(xiàn)場布置如圖4所示。

圖4 三維激光掃描現(xiàn)場布置

采用2.2節(jié)的方法進行點云數(shù)據(jù)預處理，結果如圖5所示。進而進行切片和截面圓形擬合，如圖6所示。

圖5 點云預處理前后數(shù)據(jù)

圖6 點云去噪和切片后各截面投影

采用2.3節(jié)的方法計算可得9號風機塔筒及14號風機塔筒的傾斜率、偏移方位角和橢圓度等形變數(shù)據(jù)。圖7和圖8分別繪制了9號和14號風機塔筒在不同高度的傾斜率、橢圓度等變化曲線。

圖7 9號風機塔筒傾斜和形變情況

圖8 14號風機塔筒傾斜和形變情況

可以看出9號風機整體傾斜量較小，在20.5～61.5 m高度區(qū)間，傾斜率在0.035% ～ 0.063%，平面位移量在11.2～35.2 mm區(qū)間。相對而言，14號風機塔筒傾斜量隨高度的增加基本呈現(xiàn)線性趨勢：在20.5～61.5 m高度區(qū)間，傾斜率在0.060%～0.126%，平面位移量在12.0～77.1 mm區(qū)間。這一結果與全站儀檢測結果較為吻合，但更加全面和精細化。綜合來看，2臺風機塔筒傾斜率均滿足規(guī)范要求的0.03%以內。

分析橢圓度曲線發(fā)現(xiàn)，風機塔筒結構形變較大的區(qū)域主要集中在風機塔筒頂部10～15 m范圍，靠近發(fā)電機組及葉片結構區(qū)域，屬于受側向荷載及偏航振動影響而結構應力變化較為集中的區(qū)域。

3.5 3種檢測結果對比分析

a)效率對比。采用電子水準儀觀測基礎不均勻沉降推算塔筒傾斜需從項目建設開始定期復測，延續(xù)周期長，觀測周期超過1年，觀測過程需要3人。采用全站儀觀測塔筒傾斜，需要在風機周圍提前布設3個控制點并進行聯(lián)測，觀測過程需要3人配合完成，且對場地要求高。全站儀免棱鏡觀測需要人工瞄準切線點，觀測過程難度大，效率低，完成現(xiàn)場觀測需要3 h，塔筒頂部觀測仰角大，觀測不便。采用三維激光掃描不需要布設控制點，只需現(xiàn)場擺放球形標靶，設站完后自動完成掃描，整個過程只需45 min，速度快，且可以單人完成，效率高。

b)精度對比。不均勻沉降推算塔筒傾斜精度低，沉降觀測點平面距離是風機塔筒高度的1/8～1/9，不符合長邊推算短邊的原則。采用全站儀觀測，因為塔筒沒有設置標準的觀測標志，整個操作過程會引入較多誤差，特別是切線點的判斷，不僅影響角度觀測精度也影響距離觀測精度，測點誤差在25～30 mm。采用三維激光掃描，單站能覆蓋塔筒1/3的范圍，采用4站觀測有足夠多的重疊區(qū)域，且相鄰測站間滿足4個以上的公共球形標靶，點云測量及拼接誤差在3 ～ 5 mm，點云拼接精度高。

c)有效信息量對比。水準沉降觀測只能獲取基礎沉降的準確信息，而塔筒傾斜原因很多，包括不均勻沉降、外部側向風荷載、結構振動、風機及葉片荷載，以及軸向扭轉應力等，沉降推算傾斜不準確。采用全站儀觀測只能獲得特征區(qū)域的傾斜量，且數(shù)據(jù)信息量少，存在偶然性，數(shù)據(jù)信息不能覆蓋整個結構。三維激光掃描提取的塔筒信息不僅可以發(fā)現(xiàn)塔筒不同高度位置的傾斜率偏差，而且能反映塔筒不同高度傾斜的方位。此外，由于有完整的塔筒表面坐標數(shù)據(jù)，還能計算每個切片位置的橢圓度，從而在一定程度上反映塔筒結構自身的形變信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)更加全面和完整。

4 結束語

運行期對風機塔筒傾斜及結構形變監(jiān)測是風機安全評估的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)電子水準儀觀測基礎不均勻沉降，以及全站儀測量塔筒整體傾斜均難以準確全面評價風機塔筒傾斜和結構變形。三維激光掃描技術能獲取塔筒不同高度截面點云數(shù)據(jù)，通過擬合算法得到塔筒不同高度位置中心相對底部的偏移量、傾斜率、偏移方位和結構橢圓度等完整的形變數(shù)據(jù)，為運營維護提供參考，在陸上風機結構變形監(jiān)測中具有推廣應用前景。