风机塔筒倾斜的监测方法对比分析

魏锦德，王 骏，刘 丰，凃道勇

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

风力发电作为一种绿色清洁能源已经越来越受到世界各国的重视，而风力发电机组的安全运行是风电场设备管理的重要内容[1]。风机塔筒作为风力发电机的重要组成部分，支撑着机舱和叶轮，使叶轮等部件在高空中运行，同时吸收机组震动[2]。风机在长期运行过程中，受到基础地质条件、温度、风向风速、日晒、雨淋等外力影响，风机塔筒的机械强度、机械震动、塔架螺栓都会发生不同程度变化；在风速、重力、叶片扭力的作用下，风机塔筒不可避免地发生倾斜[3]。

因此，采用一定的技术手段，对风机塔筒的倾斜情况进行监测，可以有效弥补风电机组自身设计不足、运行环境恶劣等因素带来的安全隐患，对风电机组的安全运营具有重大的意义。

1 监测原理

风机塔筒的倾斜情况主要通过不同高度塔筒横截面圆心的水平偏移量和垂直度来体现，具体如图1所示。

图1 风机塔筒倾斜

图1中P0(x0,y0,h0) 为风机塔筒底部横截面圆心坐标和高程，Pi(xi,yi,hi)为高程为hi的塔筒横截面圆心坐标和高程，Δh为高程hi的塔筒横截面相对于塔筒底部的高度。

hi处的塔筒横截面圆心的水平偏移量ΔS的计算按式(1)计算：

hi处的塔筒的垂直度θ的计算按式(2)计算：

2 监测方法

常用的倾斜监测方法主要有吊锤线法、激光铅垂仪投测法、前方交会法、三维激光扫描仪法、全站仪免棱镜法[4]。吊锤线法和激光铅垂仪投测法仪器设备简便，观测方法简单，被施工单位广泛采用；但由于风机塔筒的高度一般65～100 m，分节吊装，中间不通视，舱内设备较多，不方便预留观测孔洞，无法采用这两种方法进行风机塔筒倾斜监测。

因此，风机塔筒倾斜监测一般采用前方交会法、三维激光扫描仪法、全站仪免棱镜法进行。

2.1 前方交会法

前方交会法操作简单方便，如图2所示测站点宜选在距离风机1.5～2倍风机塔筒高度的水平距离处，选择2个测站点，并作为互相的定向点；两个测站点与风机夹角约90°，这样可以提高测量精度[5]。在2个已知点A(xA,yA)、B(xB,yB)分别架设全站仪，以另一个点定向后，观测hi处的塔筒横截面的两条切线的水平角，从而计算出已知点A、B和塔筒横截面圆心O的夹角∠OAB和∠OBA。

图2 前方交会法

塔筒横截面圆心O(xO,yO)的坐标按式(3)计算：

通过观测出不同高度的塔筒横截面圆心坐标，可以计算出塔筒横截面圆心的水平偏移量和垂直度。该种方法操作简单，观测精度较高，但是山地风电场地形起伏较大，树木茂密，现场通视条件较差，两个测站点与风机夹角难以满足要求。

2.2 三维激光扫描仪法

利用三维激光扫描仪对风机塔筒进行高精度扫描，沿着风机塔筒四周设置4个测站，每隔90°架设一个测站，扫描方式采用标靶定向拼接的自由架站方式，获取风机点云数据；进行点云拼接匹配，去噪点并提取点云，建立高精度三维立体模型[6]。从风机塔筒基础环开始，向上每间隔15 m做截面曲线处理并创建塔筒的正射影像图，并提取塔筒截面圆心坐标。将这些塔筒截面圆心坐标连成的线就是风机塔筒的倾斜线。

三维激光扫描仪具有精度高、速度快等优点，但数据处理较为复杂，设备昂贵，限制了广泛应用[7]。

2.3 全站仪免棱镜法

风机塔筒表面光滑，表面漆一般为通体白色，又属于高耸建筑物，不方便粘贴反射片。采用前方交会法测量时，常常无法准确观测出测站与风机塔筒截面两条切线的水平角，从而影响测量精度。但风机塔筒每高15 m一般都有一个圆曲线的线圈，线圈是基本处于水平方向的圆截面，采用高精度全站仪免棱镜模式，分别采集微风状态下静止的风机塔筒不同高度的线圈上若干个离散点坐标(至少4个)，不同离散点高程应小于3 cm。由于一个测站只能采集半个圆截面的坐标数据，为了提高测量精度，参考前方交会法选取两个合适的测站点，并作为互相的定向点，在风机塔筒不同高度圆截面上整个圆周上均匀地采集离散点坐标，离散点一般不少于10个[8]。

采用SQL Server用于存储监测数据的数据库，在.Net Framework的基础上开发的变形监测数据处理软件DMDP，并取得了软件著作权。软件设计主要思路是：采用正交距离最小二乘平差方法，进行风机塔筒圆曲线拟合，并计算出每个离散点拟合残差，剔除残差较大的离散点后反复迭代解算，得出塔筒不同高度圆截面的圆心坐标和半径的最优值。根据风机塔筒不同高度圆截面的圆心坐标和高程，计算出风机塔筒倾斜情况。

用全站仪免棱镜法进行倾斜监测，监测点的点位误差m点主要由全站仪的测角误差mα和测距误差ms引起的，可以按下式计算：

式中：a为固定误差；b为比例误差；D为测距，m；ρ为206 265″。现以徕卡TS60智能型全站仪为例，测距D取150 m，该仪器在使用免棱镜模式的测距精度为2 mm+2 ppm，测角误差ma为0.5″，测距误差ms约为2 mm，监测点的点位误差m点约为2.1 mm。塔筒的垂直度θ的测量误差mθ计算式：

根据误差传播定律，塔筒垂直度θ的测量中误差mθ约为±3 mm。

根据JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》要求，风机塔筒倾斜的允许变形值为0.005，如75 m高的塔筒顶部圆心的水平偏移量允许变形值为375 mm；塔筒垂直度的测量中误差mθ小于允许变形值的1/10～1/20。因此，TS60智能型全站仪免棱镜法能够满足风机塔筒倾斜监测精度的要求。

全站仪免棱镜法具有精度高、速度快、仪器操作简单的优点。当观测仰角较大时，可以使用全站仪的望远镜相机或弯管目镜瞄准风机塔筒的线圈。若有条件，风机吊装后在风机顶部粘贴几个反射片，可以有效地提高观测精度。

3 实例分析

某山地风电场风机采用型号为运达风电WD121-2000机组，高度为80 m，风机塔筒为75 m，塔筒基础型式为圆形板式扩展基础，基础设计级别为一级。根据业主委托，对风电场风机塔筒的倾斜情况进行监测。分别采用前方交会法和全站仪免棱镜法，观测微风状态下(小于5 m/s)静止的1号风机的塔筒倾斜情况，观测结果，见表1所列。

表1 风机的塔筒倾斜观测结果

由表1可知，分别采用前方交会法和全站仪免棱镜法观测得到的塔筒横截面圆心的水平偏移量相差最大为3.2 mm，塔筒垂直度相差最大为0.000 1，在观测误差允许范围内。风机的塔筒垂直度最大为0.002 1，小于JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》要求的风机塔筒倾斜的允许变形值0.005。因此，该风机塔筒倾斜情况处于正常允许范围内。

随着风向变化，风机机舱必须通过旋转，迎着风向才能最大效率地利用风能。随着风机机舱位置的变化，风机塔筒受力方向和整体重心发生变化，塔筒的倾斜情况也会发生改变。实际观测过程中，应联系风电场管理人员按照顺时针或逆时针旋转机舱0°、90°、180°、270°，在同一测站分别观测不同旋转角度下的风机塔筒倾斜情况，所有方向的塔筒倾斜量都应在正常允许范围内。

4 结语

为保障风电机组的安全运营，通过测量技术手段对风机塔筒的倾斜情况进行监测具有重大的意义。根据以上理论分析和实例应用表明，采用全站仪免棱镜法与前方交会法测量风机塔筒的倾斜情况，得到的测量结果基本一致，数据可靠。全站仪免棱镜法具有精度高、速度快、操作简单的优点。