黃晶晶

（甘肅省地質(zhì)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050）

習近平總書記提出“綠水青山，就是金山銀山”的理念，讓人們更加認識到保護人類居住環(huán)境的重要性。風能作為一種清潔能源，大力發(fā)展既能獲得一定的經(jīng)濟效益，同時又不會對環(huán)境造成污染，于國于民都是一件好事。甘肅風力資源豐富，隨著國家支持力度的增強，越來越多的風力發(fā)電廠建設(shè)運行，投入運行的風力發(fā)電機也逐漸增多，風力發(fā)電機的運行環(huán)境、運行安全、運行效率等問題也慢慢凸顯出來，從而受到了多方關(guān)注。

風力發(fā)電機塔筒是整個風力發(fā)電機組的支撐部分，為整個風力發(fā)電機組的安全運轉(zhuǎn)提供保障。在風力發(fā)電機組長期循環(huán)運轉(zhuǎn)的影響下，可能會使風力發(fā)電機塔筒傾斜、彎曲、變形，從而導致整個機組異常運行甚至發(fā)生倒塌事故。為了避免發(fā)生風力發(fā)電機塔筒傾斜的事故，需要及時掌握風力發(fā)電機塔筒的外部形變情況。為防止此類事故的發(fā)生，風力發(fā)電廠會定期組織安排人員對風力發(fā)電機塔筒進行監(jiān)測。風力發(fā)電機塔筒一般高度均在50m 以上，塔筒材料一般為合金鋼，但是一旦風機塔筒吊裝完成，想在風力發(fā)電機塔筒外側(cè)做測量標志，利用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段監(jiān)測其形變、彎曲等情況，工作難度相當大。利用三維激光掃描技術(shù)檢測風力發(fā)電機塔筒的異常形變是目前較為先進、高效的測量技術(shù)，它具有非接觸、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化等特點，可以很好的補充傳統(tǒng)測量監(jiān)測方面的不足，極大的縮短了外業(yè)作業(yè)時間，減小返工的可能性，有效解決了傳統(tǒng)風力發(fā)電機塔筒形變監(jiān)測中存在的時效性、精確性、安全性等問題。

文章數(shù)據(jù)來自地面型Riegl VZ-2000 三維激光掃描儀采集的某發(fā)電廠風力發(fā)電機塔筒的點云數(shù)據(jù)。該風力發(fā)電廠塔筒高度高于65m，海拔高度在1200m～1350m 之間，常年氣溫處在-20°～28°之間。處理軟件為武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司提供的HD_3LS_SCENE 等系列軟件以及美國MathWorks出品的matlab 軟件。

1 點云數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)風力發(fā)電廠的地形、環(huán)境以及考慮到風力發(fā)電機塔筒的形狀、位置等情況，本次監(jiān)測在風力發(fā)電機塔筒附近布設(shè)兩個監(jiān)測點，掃描視場角保持在360°/100 以上，兩次獨立測站掃描得到的點云數(shù)據(jù)也不能互不影響。本次實驗數(shù)據(jù)為該廠A 區(qū)1#風力發(fā)電機塔筒數(shù)據(jù)。

2 點云數(shù)據(jù)處理

2.1 點云數(shù)據(jù)拼接、去噪點及切片處理

點云數(shù)據(jù)拼接、去噪點及切片處理過程主要利用武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司提供的HD_3LS_SCENE、HDPt Vector 軟件。

所采集的點云數(shù)據(jù)拼接、去噪點后，將建立的塔筒模型從最底部整數(shù)位置開始每間隔4m 高度裁出一個厚度為0.05m，由點云數(shù)據(jù)組成的圓環(huán)形切片。如圖1，圖2 所示。

圖1 總點云數(shù)據(jù)及去噪點后數(shù)據(jù)對比

圖2 去噪后和切片點云數(shù)據(jù)俯視圖

2.2 利用matlab 軟件編程提取切片圓心坐標

三維激光掃描儀在獲取點云數(shù)據(jù)時，每個點都有其在該獨立坐標系中的固定坐標(X，Y)，通過在近似同一高度H（0.05m 范圍內(nèi)）的所有點數(shù)據(jù)（X1,Y1），（X2,Y2），…（Xn,Yn）坐標進行擬合，求出圓心坐標（x,y）。同一高程切片數(shù)據(jù)都應(yīng)滿足方程

對同一高度H（0.05m 范圍內(nèi)）的所有點坐標數(shù)據(jù)，進行最小二乘擬合計算：

當取得最小值時的（x,y），即為高度H 上切片圓圓心坐標。

依據(jù)此編程語言可在Matlab 軟件中很輕松的計算出每個切片圓心坐標(xi，yi)。表1 為風力發(fā)電廠A 區(qū)1#風力發(fā)電機塔筒切片圓心坐標及傾斜率計算記錄表：

表1 A 區(qū)1# 風機塔筒切片圓心坐標及傾斜率計算結(jié)果

由此表，也可以做出X-H 曲線圖來反應(yīng)縱向傾斜分量的變化趨勢,Y-H 曲線圖來反應(yīng)橫向傾斜分量的變化趨勢,D-H 曲線圖來反應(yīng)傾斜量隨著高度變化的趨勢。這三種曲線圖可以很直觀的分析風力發(fā)電機塔筒是否發(fā)生彎曲，以及可能發(fā)生彎曲的部位和程度。

2.3 計算風機塔筒傾斜率

以風力發(fā)電機塔筒最底部圓環(huán)圓心坐標（x1，y1)與風力發(fā)電機塔筒頂部圓環(huán)圓心坐標（xn，yn)平行距離除以兩切片間塔筒高度H 為傾斜率i。

由表1 計算的結(jié)果可以看出，A 區(qū)1# 風力發(fā)電機塔筒傾斜率在0.3681‰～1.9801‰之間。

根據(jù)規(guī)范要求，當風力發(fā)電機塔筒高度在60m≤H≤80m，傾斜率低于5‰時，則表示該風機形變在可控范圍內(nèi)，由此可以判斷，該風力發(fā)電機暫時無安全隱患。

3 結(jié)論

為確保風力發(fā)電機組安全、正常運行，對風力發(fā)電機塔筒進行長期的形變監(jiān)測工作是風力發(fā)電廠后期維護工作中的一項基本需求。由于傳統(tǒng)的測量方法一般是以觀測監(jiān)測點的位移和高程差值變化來判斷，無法直觀詳盡的反映風機塔筒結(jié)構(gòu)的形變趨勢。三維激光掃描儀在數(shù)據(jù)采集中，明顯比全站儀、RTK 占據(jù)優(yōu)勢，大量的點云數(shù)據(jù)分析對風力發(fā)電機塔筒監(jiān)測結(jié)果會更準確，更全面。采用相應(yīng)軟件也可以清晰直觀的表達出風力發(fā)電機塔筒的形變、傾斜情況。對于業(yè)主方而言，在人力、物力、財力上也得到了很好的節(jié)約。