风力发电机组塔筒垂直度检测方法研究

何水娥

（安徽省地质实验研究所（国土资源部合肥矿产资源监督检测中心），安徽 合肥 230001）

伴随绿色清洁能源市场不断推进，使得风力发电项目得以迅速推广，截至2019年上半年，全国累计装机1.93亿千瓦。风力发电机组塔筒属于高耸建筑，塔架偏心，基础不均匀沉降超过允许值，在压力荷载和动力荷载作用下，将给风电机组吊装及运行带来安全隐患，轻则使风机达不到设计运行效率，重则将造成塔架倾覆严重后果。因此，为确保风力发电机组的施工运营安全，必须对风力发电机组塔架进行垂直度检测[1]。

1 风力发电机组塔筒垂直度测量内容

风力发电机组塔筒垂直度主要通过风电塔中心的水平偏移量和倾斜度来体现，可通过截面中心的水平位移量来求取，从而判断塔筒的倾斜。风力发电机组塔筒就是风力发电的塔杆，在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。风力发电机塔筒为上细下粗圆柱体，塔筒高度约82m。因此风机塔筒不便于攀爬，发射照准设备安置困难。因此，常规的用仪器照准在构筑物上布设的照准标志或反射片的垂直度检测方法不适用于风电塔筒垂直度检测[2]。

2 风力发电机塔筒垂直度检测方法

2.1 基础沉降量观测方法

如图1所示，在风机塔筒平台上布设四个沉降监测点，采用天宝DINI03等高精度水准仪，采用一二等水准观测方法，对四点的相对高差进行观测。通过两次观测高差之差计算塔筒垂直度。

图1 风电塔筒沉降监测点示意图

此方法要求风机塔筒施工运营前取得监测点初试观测值，在整个运营期间点位要保存完好。

2.2 全站仪前方交会法

全站仪前方交会法是一种不接触测量，实际操作简单。具体操作如下：在地面距风力发电机塔筒约1.5倍其高度的水平距离处，选择便于观测、相互通视的两点A、B，坐标为（XA，YA）、（XB，YB），且使A、B两点与风力发电机组大致成90°角，利用前方交会法测出上、下圆截面的圆心。具体方法如图2所示，在控制点A、B处分别架设全站仪，测得风力发电机组塔筒上、下水平圆截面的圆心O1和O2角度值。根据前方交会计算公式，计算O1与O2的坐标值，将O1点投影到O2点的截面，得到水平偏移量与偏移方向。上下圆截面的高差值h可以由全站仪直接测得。计算风力发电机组塔筒的垂直高度，垂直度=水平偏移量/高差h。

图2 全站仪前方交会观测方法示意图

前方交会法不仅能测垂直度，而且当有倾斜时，还能测量倾斜量和倾斜方向。其精度取决于交会柱心点坐标精度。交会精度与交会图形及测量精度有关。但此方法在实际操作中，因塔筒边缘与远处天的颜色接近，很难采集到的塔筒边线，观测误差较大。

2.3 三点画圆法

三点画圆法即利用不在同一直线上的三点能确定唯一外接圆的原理，测量风电塔筒某一横截面上三个点坐标，求取该圆截面的圆心坐标。具体操作如图3所示：首先在距风电机组一定距离处架设好全站仪，全站仪照准顶部塔筒连接处的筒顶部某一横截面，测定截面上3个坐标点A1，A2，A3，再用全站仪照准底部塔筒某一连接处的截面线，测定该截面上的3个点坐标B1，B2，B3，同时测量两截面高差h，内业通过计算求得圆心点坐标A0，B0，计算两点间距离S，垂直度=坐标差S/h。

图3 三点画圆法示意图

此方法操作简单，对仪器架设位置要求低，全站仪自由设站，也降低了仪器对中误差，提高了点位精度。在山区风力发电项目中具有更强的适用性。

3 三点画圆法应用

位于江西省赣州市南康区的风力发电场风机塔筒垂直度检测项目中，因风电机组平台上布设的沉降监测点位在运营期间有些被破坏了，无法获得沉降累积差，山区通视条件差等多种因素，选用三点画圆法检测风机塔筒垂直度。部分检测成果如表1所示[3-5]。

表1 风力发电塔筒垂直度检测计算成果表

4 结语

根据风力发电机组塔筒为上细下粗的超高圆柱体等特点，在实际施测过程中，通过比较分析，研究的的三种方法中，三点画圆法最具实际操作性。在类似的项目中，具有重要的指导意义。