一種海上風機基樁自動檢測裝置及檢修方法

陳 浩 譚景巍

（武漢理工大學，湖北 武漢430000）

1 海上風機基樁自動檢測裝置需求分析

能源是人類生存和發(fā)展的必需品，隨著人類對于海洋的探索以及意識到可持續(xù)發(fā)展才是長遠之計，海上風能這種清潔能源隨之發(fā)展，海上風機作為將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它的發(fā)展前景自然十分可觀。

為了獲得更高的轉(zhuǎn)化效率，風機一般會轉(zhuǎn)成迎風面，因此受到風力荷載會比較大，同時風機的塔筒也會受到海浪的影響，因此風機會逐漸發(fā)生傾斜和侵蝕，影響風機的發(fā)電效率，甚至日積月累下，當風機的基樁傾斜或者破壞到一定程度，風機甚至會發(fā)生倒塌等嚴重事故。為了使風機能夠正常保持高效率地發(fā)電工作，定期進行檢測和維修是必不可少的。

現(xiàn)在的風機塔筒檢測工作一般都是由人工進行的。對于風機塔筒的垂直度檢測，通常采用常規(guī)檢測技術，即利用全站儀在風機塔筒結(jié)構的搭接處、焊縫明顯處觀測數(shù)據(jù)，通過對觀測數(shù)據(jù)的計算得到風機塔筒的垂直度。因此人工進行相應的檢測免不了有人為誤差，而且全站儀的精度、壽命等因素也是會影響測量的數(shù)據(jù)。對于海水侵蝕檢測，人眼雖然可以直觀地觀察到相應情況，但是對于侵蝕的程度來說比較主觀，因此對于維修的決策會有誤判的情況，產(chǎn)生浪費人力物力的情況?？偟膩碚f，人工檢測十分費時費力且難免存在誤差。

圖1 自動升降檢測環(huán)俯視透視圖及建模圖

圖2 保護充電樁剖面圖及建模

因此準確進行風機塔筒垂直度、侵蝕程度的檢測就是十分有必要的。為此作者設計出一種海上風機基樁自動檢測裝置及檢修方法（申請?zhí)?、專利?02011550642.0），該裝置總的來說由三部分構成：自動升降檢測環(huán)、保護充電樁、GNSS-R 海面風場遙感信號反射裝置。該裝置利用三維激光掃描技術等技術途徑，實現(xiàn)了海上風機傾斜度和侵蝕衰老程度等指標的檢測、遠程信號傳輸?shù)裙δ?，解決了海上風機檢修繁瑣且風險高、人力資源成本大等問題，實現(xiàn)遠程檢測，具有較高的行業(yè)應用價值。

2 裝置組成

自動升降檢測環(huán)由容納保護盒、伸縮桿、球形滾輪、電池、掃描檢測儀、陀螺儀傳感器六部分組成。四個容納保護盒通過伸縮桿連接，形成一個環(huán)狀結(jié)構，球形滾輪安裝于每一個容納保護盒的內(nèi)側(cè)中部，掃描檢測儀安裝于容納保護盒內(nèi)側(cè)并在球形滾輪上方，掃描檢測儀的徑向?qū)挾确謩e小于所述球形滾輪的直徑，電池和陀螺儀傳感器安裝于容納保護盒內(nèi)部。（圖1）

保護充電樁由充電口、指示燈、海拔傳感器三部分組成。指示燈位于錐形塔尖，海拔傳感器安裝于中軸線上，充電口安裝于保護充電樁內(nèi)部。

信號處理傳輸裝置包括信號接收裝置、信號處理裝置和信號發(fā)送裝置，安裝在保護充電樁塔頂。（圖2）

3 實施方式

3.1 自動升降檢測環(huán)的升降

在檢測時，自動升降檢測環(huán)通過球形滾輪的滾動結(jié)合伸縮桿的長度變化進行水平和垂直運動。具體表現(xiàn)為：在下降時，伸縮桿長度變長，在重力的作用下自動升降檢測環(huán)會下降，同時風機塔筒的輕微傾斜度（上細下粗）會給環(huán)提供一個支持力，使其下降平穩(wěn)，這個方法可以減少能量消耗；在上升時，球形滾輪提供向上的動力，同時伸縮桿長度變短；在發(fā)生意外時，球形滾輪的制動裝置將自動制動，與伸縮桿的收縮同步進行。（圖3）

3.2 自動升降檢測環(huán)的檢測

圖3 球形滾輪示意圖及裝置與風機建模

圖4 海上風機基樁自動檢測裝置工作流程圖

在自動升降檢測環(huán)升降的過程中，環(huán)上的掃描儀將同步工作，為了確保掃描的準確性，球形滾輪會在進行水平滾動后多次掃描，避免有掃描盲區(qū)。環(huán)上的陀螺儀傳感器也會同時工作，陀螺儀傳感器的存在，使得掃描出來的模型與大環(huán)境結(jié)合，即能夠表明某截面的水平傾斜朝向，這會進一步的提升掃描精度和準確性。在掃描完畢后，自動升降檢測環(huán)將會回歸保護充電樁。

3.3 信息傳輸

在自動升降檢測環(huán)回歸保護充電樁后，掃描的數(shù)據(jù)將通過保護充電樁頂部的信號處理傳輸裝置傳輸回遠程辦公室，同時充電樁里的海拔傳感器的數(shù)據(jù)也將同步傳輸。

3.4 信息處理

辦公室里的工作人員可以將傳輸回來的數(shù)據(jù)進行分析比較。掃描儀傳輸回來的數(shù)據(jù)可以進行建模，建出來的模型可以直觀的反應出侵蝕的部位、大小、范圍等，同時也可以直觀計算出風機塔筒各處的傾斜程度。

海拔傳感器放在固定的充電樁上看起來沒用，實際上通過掃描儀的數(shù)據(jù)建立的模型我們可以計算出塔筒的變化高度，而通過海拔傳感器我們則可以知道風機基樁的海拔變化，將兩者進行對比，我們便可以知道風機高度變矮是因為塔筒變形還是因為地基沉降，因為地基沉降也是一個不容小覷的問題。

同樣的為了使遠程辦公人員能夠進行更有依據(jù)的、客觀的判斷，該裝置采用了GNSS-R 海面風場遙感技術，該技術不僅可以進行信號傳輸，還可以利用反射信號進行相應的海洋環(huán)境的遙感檢測，獲得海面風場、海面高度、有效波高等參數(shù)來配合相關數(shù)據(jù)計算推斷出相應的維修時間。這里的維修時間不僅僅是風機大概多久之后需要進行維修，也是指當確定需要維修后，計算出一個天氣好、海洋環(huán)境好，適合維修的時間，讓維修工作安全高效。

遠程辦公人員在結(jié)合各方面信息后進行判斷后，若確定需要維修，則會發(fā)出信號，使得保護充電樁的指示燈亮起，這個舉措可以人性化地指出對應需要維修的風機，方便工作人員直觀地找到問題風機并進行維修，省去了找風機這種浪費時間的工作。（圖4）

3.5 能量來源及工作保護

保護充電樁的能量來源無疑就是海上風機產(chǎn)生的電，直接利用風機發(fā)的電有利也有弊，好處是可以直接使用，避免傳輸過程的損耗；弊端則是風機發(fā)的電并不穩(wěn)定，可能存在沒有風、風不大等等不可抗力因素，因此保護機制就十分重要了。自動升降檢測環(huán)在回歸充電樁后，將進行充電以及電量檢測，若檢測到自動升降檢測環(huán)的電量不足以完成一次檢測或電池衰老嚴重時，充電口將鎖緊自動升降檢測環(huán)，以免檢測環(huán)因電量不足無法返回充電樁；在自動升降檢測環(huán)發(fā)生電池衰老嚴重、掃描儀損壞、長時間沒有回歸保護充電樁時，指示燈將自動亮起并發(fā)出相應信號通知遠程工作人員。

海洋環(huán)境具有高溫、高濕、有鹽霧，光照和反射強等特點，裝置工作環(huán)境較為惡劣。因此將有以下舉措提高裝置壽命：裝置外露部分（容納盒、伸縮桿、充電樁）使用10CrMoAl 鋼材，同時涂上ZS-711 防腐涂料，這會大大提高抗腐蝕性和抗氧化性。同時充電口為嵌入式，避免充電器發(fā)生銹蝕問題，甚至造成整個風機損壞。

4 結(jié)論

綜上所述，海上風機基樁自動檢測裝置的發(fā)展前景顯而易見的樂觀，解決風機基樁自動檢測迫在眉睫。本文針對現(xiàn)在的海上風機基樁的窘迫現(xiàn)狀，設計出能夠完美解決相應問題的裝置，該裝置不僅可以進行精確自動檢測，還可以結(jié)合相應的GNSS-R 海面風場遙感技術，進行維修時間的推斷，并且人性化地指出相應的問題風機，實現(xiàn)了遠程檢測，具有較高的行業(yè)應用價值。