范長俊，劉偉誠

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

隨著國家碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略的推進(jìn)實(shí)施，風(fēng)電投資建設(shè)發(fā)展迅猛，正逐步承擔(dān)起電網(wǎng)主力電源的職能。風(fēng)電機(jī)組(以下簡稱“風(fēng)機(jī)”)發(fā)展到5.5 MW、8 MW、10 MW、12 MW等大容量機(jī)型，其塔筒越來越高，直徑越來越大。

風(fēng)機(jī)塔筒為高聳結(jié)構(gòu)，長細(xì)比大，需要承受動(dòng)靜荷載的相互作用(除塔筒、發(fā)電機(jī)組及葉片自身重量構(gòu)成的靜荷載外，還有橫風(fēng)作用產(chǎn)生的不規(guī)則水平荷載，及發(fā)電機(jī)組運(yùn)行傳動(dòng)形成的動(dòng)荷載)。在動(dòng)靜荷載的長期作用下，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)基礎(chǔ)不均勻變形、塔筒傾斜以及塔筒結(jié)構(gòu)形變，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)失衡[1]。后果輕則影響發(fā)電機(jī)組的正常工作，重則出現(xiàn)倒塔、葉片開裂脫落和斷裂、傳動(dòng)系統(tǒng)失效等重大災(zāi)難性事故發(fā)生。

當(dāng)前對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)形變的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法包括：利用水準(zhǔn)儀定期觀測(cè)基礎(chǔ)不均勻沉降、用全站儀測(cè)量塔筒傾斜[2-3]，以及傳感器在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4-8]等。其中：通過水準(zhǔn)儀對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降的觀測(cè)來推算風(fēng)機(jī)塔筒傾斜，往往會(huì)成倍放大傾斜結(jié)果[9]；全站儀的傾斜觀測(cè)過程復(fù)雜，對(duì)場(chǎng)地要求高，且從個(gè)別測(cè)點(diǎn)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(cè)實(shí)施成本較高。

近年來，三維激光全數(shù)字掃描技術(shù)為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)的高密度、高精度表面數(shù)字建模提供了新的技術(shù)手段[10-20]。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。它通過高速激光掃描測(cè)量的方法，可大面積、高分辨率地快速獲取被測(cè)物體表面各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率、顏色等信息，從而快速復(fù)建出1∶1的真彩色三維點(diǎn)云模型，為數(shù)據(jù)處理與分析等工作提供基礎(chǔ)。將該技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)分析時(shí)，首先利用三維激光掃描儀掃描獲取風(fēng)電塔筒的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；繼而采用配套軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算和分析模型[10]。例如：文獻(xiàn)[11]利用天寶TX8三維激光掃描儀采集風(fēng)機(jī)塔筒三維數(shù)據(jù)，再計(jì)算風(fēng)機(jī)塔位的垂直度偏移量；文獻(xiàn)[12]介紹了利用Leica C10三維激光掃描儀對(duì)河北大唐某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)塔筒傾斜觀測(cè)的操作實(shí)踐以及結(jié)果；文獻(xiàn)[13-16]分別通過不同風(fēng)電場(chǎng)實(shí)例對(duì)比了三維激光掃描技術(shù)和免棱鏡全站儀的傾斜度計(jì)算和觀測(cè)誤差；文獻(xiàn)[17-20]針對(duì)三維激光掃描儀獲取的風(fēng)機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出在風(fēng)機(jī)塔筒不同高度任意截取橫截面點(diǎn)云，利用最小二乘原理擬合橫截面點(diǎn)云的圓心坐標(biāo)來求取傾斜率的方法。以上各方法均針對(duì)塔筒中心傾斜進(jìn)行測(cè)試研究，未完整獲取塔筒結(jié)構(gòu)的實(shí)際形態(tài)，成果不夠完整。

本文結(jié)合廣東某風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)塔筒檢測(cè)實(shí)踐情況，介紹塔筒三維激光掃描和分析計(jì)算方法，同時(shí)采用傳統(tǒng)的沉降觀測(cè)和全站儀免棱鏡觀測(cè)2種工程方法進(jìn)行傾斜量測(cè)算，對(duì)3種技術(shù)方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 2種常規(guī)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜觀測(cè)方法

1.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)不均勻沉降法推算塔筒傾斜量

陸上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降觀測(cè)的常規(guī)方法之一是采用精密二等水準(zhǔn)測(cè)量方法定期觀測(cè)布設(shè)于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)上的沉降觀測(cè)點(diǎn)。為保證數(shù)據(jù)觀測(cè)的絕對(duì)精度，需要在風(fēng)機(jī)周圍布設(shè)3個(gè)穩(wěn)定的沉降觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為參考基準(zhǔn)。根據(jù)在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的絕對(duì)沉降量，可以計(jì)算出基礎(chǔ)沉降速率，進(jìn)而判斷地基基礎(chǔ)穩(wěn)定情況及沉降趨勢(shì)。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)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(jié)構(gòu)傾斜及安全情況。

1.2 全站儀免棱鏡觀測(cè)塔筒傾斜

風(fēng)機(jī)塔筒高度普遍超過50 m，塔筒由合金鋼材制作而成，在設(shè)計(jì)和建造階段往往并未考慮運(yùn)營維護(hù)階段對(duì)塔筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)采集的需求，沒有在預(yù)定位置安裝觀測(cè)標(biāo)志。因而現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行傾斜觀測(cè)時(shí)，一般只能考慮免棱鏡模式。

在觀測(cè)塔筒前，為保證整體觀測(cè)精度，需在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍布設(shè)3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，兼顧平面和高程，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)線觀測(cè)，將控制點(diǎn)三維坐標(biāo)建立在統(tǒng)一坐標(biāo)系下，便于在對(duì)塔筒觀測(cè)過程中兩測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)一可驗(yàn)證。圖1和圖2所示分別為利用全站儀免棱鏡傾斜觀測(cè)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖。

圖2 全站儀免棱鏡觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

如圖1所示：利用已經(jīng)布設(shè)好的控制點(diǎn)T1、T2、T3在地面上標(biāo)定2個(gè)固定標(biāo)志A(點(diǎn)A)和B(點(diǎn)B)作為傾斜觀測(cè)的測(cè)站，A、B位于相互垂直的2個(gè)方向上，離風(fēng)機(jī)塔筒的水平距離不小于風(fēng)機(jī)塔筒高度的1.5倍。首先在測(cè)站A，用全站儀分別照準(zhǔn)塔筒底部及頂部同一高度兩側(cè)視線與塔筒的相切點(diǎn)A1、A2、A3、A4，讀出對(duì)應(yīng)的水平角方向值∠1、∠2、∠4、∠5，分別計(jì)算塔筒底部及頂部的半和角：

圖1 全站儀免棱鏡傾斜觀測(cè)示意圖

(1)

式中∠3和∠6分別為測(cè)站至底部中心O1和測(cè)站至頂部中心O2方向的角度值。

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

(2)

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

則風(fēng)機(jī)塔筒頂部中心相對(duì)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(duì)于底部中心O1在垂直于AO1、BO1方向的偏歪分量。

風(fēng)機(jī)塔筒傾斜率

i=a/h1.

(5)

式中h1為風(fēng)機(jī)塔筒的垂直高度。

2 三維激光掃描技術(shù)觀測(cè)塔筒傾斜及結(jié)構(gòu)形變

2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀由1臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀和1組引導(dǎo)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(hào)，經(jīng)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(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀的距離S。三維激光掃描測(cè)量一般為儀器自定義坐標(biāo)系：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直?？刂凭幋a器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值λ和縱向掃描角度觀測(cè)值σ。參考圖3所示的測(cè)量原理，通過式(6)計(jì)算空間測(cè)點(diǎn)P的三維坐標(biāo)[11-12]：

圖3 三維掃描測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

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(fēng)機(jī)周邊均勻布設(shè)多個(gè)球形標(biāo)靶，確保在每站掃描過程中至少將6個(gè)標(biāo)靶球掃描進(jìn)去，且相鄰兩測(cè)站保證4個(gè)公共重疊標(biāo)靶，這樣可以保證后期數(shù)據(jù)拼接精度。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

將掃描完成的測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)一導(dǎo)入FARO Focus 3D S330隨機(jī)配套軟件FARO Technologies Scene進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、去噪點(diǎn)、均一化處理點(diǎn)云間隔、統(tǒng)一掃描分辨率等。

建立風(fēng)機(jī)塔筒點(diǎn)云模型，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為PTS格式后[4]，再導(dǎo)入南方測(cè)繪TOU三維點(diǎn)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(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行切片處理，按照最小二乘原理對(duì)每個(gè)切片截面數(shù)據(jù)進(jìn)行圓形擬合。

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

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

(7)

對(duì)于被擬合截面的所有測(cè)點(diǎn)，利用式(8)、(9)進(jìn)行最小二乘擬合計(jì)算，依次按照各截取標(biāo)高得到每個(gè)掃描切片位置的圓心和半徑。

(8)

(9)

2.3 塔筒傾斜與形變測(cè)算

點(diǎn)云切片數(shù)據(jù)經(jīng)南方測(cè)繪TOU三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件處理后，可以導(dǎo)出不同高度下各截面圓心平面坐標(biāo)相對(duì)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(duì)高程，按式(5)計(jì)算得到傾斜率。

風(fēng)機(jī)塔筒的橫截面設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)圓形結(jié)構(gòu)，在鋼結(jié)構(gòu)的加工、運(yùn)輸、安裝過程中，外力作用會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，且在長期運(yùn)行過程中的風(fēng)力作用下，風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)承受著側(cè)向荷載及軸向扭力作用，會(huì)產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞。利用三維激光掃描獲得豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以計(jì)算每個(gè)截面位置的橢圓度，進(jìn)一步描述塔筒形變情況。

3 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)果對(duì)比

3.1 工程實(shí)例

針對(duì)在茂名市電白區(qū)麻崗鎮(zhèn)建設(shè)的熱水風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)機(jī)塔筒傾斜檢測(cè)。所在風(fēng)電場(chǎng)平均海拔約400 m，總裝機(jī)容量為50 MW。其中，一期安裝32臺(tái)單機(jī)容量為1.5 MW和1臺(tái)2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。以風(fēng)電場(chǎng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)(編號(hào)為9號(hào)和14號(hào))為例，介紹檢測(cè)過程和結(jié)果。

3.2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)不均勻沉降法檢測(cè)結(jié)果

從風(fēng)機(jī)投產(chǎn)沉降觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)后初始值采集至當(dāng)前測(cè)試時(shí)間段間的沉降結(jié)果及沉降因數(shù)，推算出的傾斜量見表1。

表1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不均勻沉降觀測(cè)推算塔筒傾斜率

3.3 全站儀免棱鏡檢測(cè)結(jié)果

采用全站儀免棱鏡觀測(cè)法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)9號(hào)風(fēng)機(jī)及14號(hào)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行傾斜觀測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 全站儀免棱鏡模式觀測(cè)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜率

對(duì)比表1和表2，可以看出2種方法測(cè)得的傾斜度差別較大，尤其是9號(hào)風(fēng)機(jī)。

3.4 三維激光掃描檢測(cè)過程與數(shù)據(jù)分析

對(duì)9號(hào)風(fēng)機(jī)與14號(hào)風(fēng)機(jī)塔筒均按4站觀測(cè)，保證塔筒掃描數(shù)據(jù)的完整性。三維激光掃描現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示。

圖4 三維激光掃描現(xiàn)場(chǎng)布置

采用2.2節(jié)的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，結(jié)果如圖5所示。進(jìn)而進(jìn)行切片和截面圓形擬合，如圖6所示。

圖5 點(diǎn)云預(yù)處理前后數(shù)據(jù)

圖6 點(diǎn)云去噪和切片后各截面投影

采用2.3節(jié)的方法計(jì)算可得9號(hào)風(fēng)機(jī)塔筒及14號(hào)風(fēng)機(jī)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(hào)和14號(hào)風(fēng)機(jī)塔筒在不同高度的傾斜率、橢圓度等變化曲線。

圖7 9號(hào)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜和形變情況

圖8 14號(hào)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜和形變情況

可以看出9號(hào)風(fēng)機(jī)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(duì)而言，14號(hào)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜量隨高度的增加基本呈現(xiàn)線性趨勢(shì)：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(jié)果與全站儀檢測(cè)結(jié)果較為吻合，但更加全面和精細(xì)化。綜合來看，2臺(tái)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜率均滿足規(guī)范要求的0.03%以內(nèi)。

分析橢圓度曲線發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)形變較大的區(qū)域主要集中在風(fēng)機(jī)塔筒頂部10～15 m范圍，靠近發(fā)電機(jī)組及葉片結(jié)構(gòu)區(qū)域，屬于受側(cè)向荷載及偏航振動(dòng)影響而結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較為集中的區(qū)域。

3.5 3種檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

a)效率對(duì)比。采用電子水準(zhǔn)儀觀測(cè)基礎(chǔ)不均勻沉降推算塔筒傾斜需從項(xiàng)目建設(shè)開始定期復(fù)測(cè)，延續(xù)周期長，觀測(cè)周期超過1年，觀測(cè)過程需要3人。采用全站儀觀測(cè)塔筒傾斜，需要在風(fēng)機(jī)周圍提前布設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)并進(jìn)行聯(lián)測(cè)，觀測(cè)過程需要3人配合完成，且對(duì)場(chǎng)地要求高。全站儀免棱鏡觀測(cè)需要人工瞄準(zhǔn)切線點(diǎn)，觀測(cè)過程難度大，效率低，完成現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)需要3 h，塔筒頂部觀測(cè)仰角大，觀測(cè)不便。采用三維激光掃描不需要布設(shè)控制點(diǎn)，只需現(xiàn)場(chǎng)擺放球形標(biāo)靶，設(shè)站完后自動(dòng)完成掃描，整個(gè)過程只需45 min，速度快，且可以單人完成，效率高。

b)精度對(duì)比。不均勻沉降推算塔筒傾斜精度低，沉降觀測(cè)點(diǎn)平面距離是風(fēng)機(jī)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(cè)，因?yàn)樗矝]有設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的觀測(cè)標(biāo)志，整個(gè)操作過程會(huì)引入較多誤差，特別是切線點(diǎn)的判斷，不僅影響角度觀測(cè)精度也影響距離觀測(cè)精度，測(cè)點(diǎn)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(cè)有足夠多的重疊區(qū)域，且相鄰測(cè)站間滿足4個(gè)以上的公共球形標(biāo)靶，點(diǎn)云測(cè)量及拼接誤差在3 ～ 5 mm，點(diǎn)云拼接精度高。

c)有效信息量對(duì)比。水準(zhǔn)沉降觀測(cè)只能獲取基礎(chǔ)沉降的準(zhǔn)確信息，而塔筒傾斜原因很多，包括不均勻沉降、外部側(cè)向風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、風(fēng)機(jī)及葉片荷載，以及軸向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等，沉降推算傾斜不準(zhǔn)確。采用全站儀觀測(cè)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(gè)結(jié)構(gòu)。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(biāo)數(shù)據(jù)，還能計(jì)算每個(gè)切片位置的橢圓度，從而在一定程度上反映塔筒結(jié)構(gòu)自身的形變信息，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加全面和完整。

4 結(jié)束語

運(yùn)行期對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜及結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測(cè)是風(fēng)機(jī)安全評(píng)估的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)電子水準(zhǔn)儀觀測(cè)基礎(chǔ)不均勻沉降，以及全站儀測(cè)量塔筒整體傾斜均難以準(zhǔn)確全面評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)塔筒傾斜和結(jié)構(gòu)變形。三維激光掃描技術(shù)能獲取塔筒不同高度截面點(diǎn)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(duì)底部的偏移量、傾斜率、偏移方位和結(jié)構(gòu)橢圓度等完整的形變數(shù)據(jù)，為運(yùn)營維護(hù)提供參考，在陸上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)中具有推廣應(yīng)用前景。