基于三維激光掃描的風(fēng)電機組塔筒傾斜及結(jié)構(gòu)形變檢測應(yīng)用

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有限公司，廣東 廣州 510663)

隨著國家碳達峰和碳中和戰(zhàn)略的推進實施，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)電機組(以下簡稱“風(fēng)機”)發(fā)展到5.5 MW、8 MW、10 MW、12 MW等大容量機型，其塔筒越來越高，直徑越來越大。

風(fēng)機塔筒為高聳結(jié)構(gòu)，長細比大，需要承受動靜荷載的相互作用(除塔筒、發(fā)電機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)電機組運行傳動形成的動荷載)。在動靜荷載的長期作用下，風(fēng)機在運行過程中會出現(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)電機組的正常工作，重則出現(xiàn)倒塔、葉片開裂脫落和斷裂、傳動系統(tǒng)失效等重大災(zāi)難性事故發(fā)生。

當(dāng)前對風(fēng)機塔筒基礎(chǔ)形變的常規(guī)監(jiān)測方法包括：利用水準(zhǔn)儀定期觀測基礎(chǔ)不均勻沉降、用全站儀測量塔筒傾斜[2-3]，以及傳感器在線實時監(jiān)測[4-8]等。其中：通過水準(zhǔn)儀對風(fēng)機基礎(chǔ)沉降的觀測來推算風(fēng)機塔筒傾斜，往往會成倍放大傾斜結(jié)果[9]；全站儀的傾斜觀測過程復(fù)雜，對場地要求高，且從個別測點推算塔筒中心的數(shù)據(jù)精度難以滿足要求；在線傳感監(jiān)測實施成本較高。

近年來，三維激光全數(shù)字掃描技術(shù)為實現(xiàn)風(fēng)機塔筒結(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)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(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量的方法，可大面積、高分辨率地快速獲取被測物體表面各個點的三維坐標(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)機塔筒結(jié)構(gòu)分析時，首先利用三維激光掃描儀掃描獲取風(fēng)電塔筒的三維點云數(shù)據(jù)；繼而采用配套軟件對點云數(shù)據(jù)進行去噪、平滑等處理；最后根據(jù)不同的分析需求，建立形變計算和分析模型[10]。例如：文獻[11]利用天寶TX8三維激光掃描儀采集風(fēng)機塔筒三維數(shù)據(jù)，再計算風(fēng)機塔位的垂直度偏移量；文獻[12]介紹了利用Leica C10三維激光掃描儀對河北大唐某風(fēng)電場進行風(fēng)機塔筒傾斜觀測的操作實踐以及結(jié)果；文獻[13-16]分別通過不同風(fēng)電場實例對比了三維激光掃描技術(shù)和免棱鏡全站儀的傾斜度計算和觀測誤差；文獻[17-20]針對三維激光掃描儀獲取的風(fēng)機點云數(shù)據(jù)，提出在風(fēng)機塔筒不同高度任意截取橫截面點云，利用最小二乘原理擬合橫截面點云的圓心坐標(biāo)來求取傾斜率的方法。以上各方法均針對塔筒中心傾斜進行測試研究，未完整獲取塔筒結(jié)構(gòu)的實際形態(tài)，成果不夠完整。

本文結(jié)合廣東某風(fēng)電場的風(fēng)機塔筒檢測實踐情況，介紹塔筒三維激光掃描和分析計算方法，同時采用傳統(tǒng)的沉降觀測和全站儀免棱鏡觀測2種工程方法進行傾斜量測算，對3種技術(shù)方法的檢測結(jié)果進行對比驗證。

1 2種常規(guī)風(fēng)機塔筒傾斜觀測方法

1.1 風(fēng)機基礎(chǔ)平臺不均勻沉降法推算塔筒傾斜量

陸上風(fēng)機基礎(chǔ)沉降觀測的常規(guī)方法之一是采用精密二等水準(zhǔn)測量方法定期觀測布設(shè)于風(fēng)機基礎(chǔ)平臺上的沉降觀測點。為保證數(shù)據(jù)觀測的絕對精度，需要在風(fēng)機周圍布設(shè)3個穩(wěn)定的沉降觀測基準(zhǔn)點作為參考基準(zhǔn)。根據(jù)在風(fēng)機基礎(chǔ)沉降監(jiān)測點測得的絕對沉降量，可以計算出基礎(chǔ)沉降速率，進而判斷地基基礎(chǔ)穩(wěn)定情況及沉降趨勢。根據(jù)監(jiān)測點間的相對沉降量(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 全站儀免棱鏡觀測塔筒傾斜

風(fēng)機塔筒高度普遍超過50 m，塔筒由合金鋼材制作而成，在設(shè)計和建造階段往往并未考慮運營維護階段對塔筒結(jié)構(gòu)進行傾斜數(shù)據(jù)采集的需求，沒有在預(yù)定位置安裝觀測標(biāo)志。因而現(xiàn)場采用全站儀對風(fēng)機塔筒進行傾斜觀測時，一般只能考慮免棱鏡模式。

在觀測塔筒前，為保證整體觀測精度，需在風(fēng)機基礎(chǔ)周圍布設(shè)3個基準(zhǔn)點，兼顧平面和高程，對基準(zhǔn)點進行導(dǎo)線觀測，將控制點三維坐標(biāo)建立在統(tǒng)一坐標(biāo)系下，便于在對塔筒觀測過程中兩測站數(shù)據(jù)統(tǒng)一可驗證。圖1和圖2所示分別為利用全站儀免棱鏡傾斜觀測示意圖和現(xiàn)場觀測圖。

圖2 全站儀免棱鏡觀測現(xiàn)場

如圖1所示：利用已經(jīng)布設(shè)好的控制點T1、T2、T3在地面上標(biāo)定2個固定標(biāo)志A(點A)和B(點B)作為傾斜觀測的測站，A、B位于相互垂直的2個方向上，離風(fēng)機塔筒的水平距離不小于風(fēng)機塔筒高度的1.5倍。首先在測站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A1、A2、A3、A4，讀出對應(yīng)的水平角方向值∠1、∠2、∠4、∠5，分別計算塔筒底部及頂部的半和角：

圖1 全站儀免棱鏡傾斜觀測示意圖

(1)

式中∠3和∠6分別為測站至底部中心O1和測站至頂部中心O2方向的角度值。

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

(2)

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

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

風(fēng)機塔筒傾斜率

i=a/h1.

(5)

式中h1為風(fēng)機塔筒的垂直高度。

2 三維激光掃描技術(shù)觀測塔筒傾斜及結(jié)構(gòu)形變

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀由1臺高速精確的激光測距儀和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，經(jīng)物體表面漫反射后，沿相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算目標(biāo)點P與掃描儀的距離S。三維激光掃描測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。控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值λ和縱向掃描角度觀測值σ。參考圖3所示的測量原理，通過式(6)計算空間測點P的三維坐標(biāo)[11-12]：

圖3 三維掃描測點坐標(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)機周邊均勻布設(shè)多個球形標(biāo)靶，確保在每站掃描過程中至少將6個標(biāo)靶球掃描進去，且相鄰兩測站保證4個公共重疊標(biāo)靶，這樣可以保證后期數(shù)據(jù)拼接精度。

2.2 點云數(shù)據(jù)處理

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

建立風(fēng)機塔筒點云模型，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為PTS格式后[4]，再導(dǎo)入南方測繪TOU三維點云數(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對點云數(shù)據(jù)模型進行切片處理，按照最小二乘原理對每個切片截面數(shù)據(jù)進行圓形擬合。

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

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

(7)

對于被擬合截面的所有測點，利用式(8)、(9)進行最小二乘擬合計算，依次按照各截取標(biāo)高得到每個掃描切片位置的圓心和半徑。

(8)

(9)

2.3 塔筒傾斜與形變測算

點云切片數(shù)據(jù)經(jīng)南方測繪TOU三維點云數(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高程，按式(5)計算得到傾斜率。

風(fēng)機塔筒的橫截面設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)圓形結(jié)構(gòu)，在鋼結(jié)構(gòu)的加工、運輸、安裝過程中，外力作用會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，且在長期運行過程中的風(fēng)力作用下，風(fēng)機塔筒結(jié)構(gòu)承受著側(cè)向荷載及軸向扭力作用，會產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)振動疲勞。利用三維激光掃描獲得豐富的點云數(shù)據(jù)，還可以計算每個截面位置的橢圓度，進一步描述塔筒形變情況。

3 應(yīng)用實例與結(jié)果對比

3.1 工程實例

針對在茂名市電白區(qū)麻崗鎮(zhèn)建設(shè)的熱水風(fēng)電場進行風(fēng)機塔筒傾斜檢測。所在風(fēng)電場平均海拔約400 m，總裝機容量為50 MW。其中，一期安裝32臺單機容量為1.5 MW和1臺2 MW的風(fēng)力發(fā)電機組。以風(fēng)電場2臺風(fēng)機(編號為9號和14號)為例，介紹檢測過程和結(jié)果。

3.2 風(fēng)機基礎(chǔ)平臺不均勻沉降法檢測結(jié)果

從風(fēng)機投產(chǎn)沉降觀測點埋設(shè)后初始值采集至當(dāng)前測試時間段間的沉降結(jié)果及沉降因數(shù)，推算出的傾斜量見表1。

表1 風(fēng)機基礎(chǔ)不均勻沉降觀測推算塔筒傾斜率

3.3 全站儀免棱鏡檢測結(jié)果

采用全站儀免棱鏡觀測法對風(fēng)電場9號風(fēng)機及14號風(fēng)機塔筒進行傾斜觀測，結(jié)果見表2。

表2 全站儀免棱鏡模式觀測風(fēng)機塔筒傾斜率

對比表1和表2，可以看出2種方法測得的傾斜度差別較大，尤其是9號風(fēng)機。

3.4 三維激光掃描檢測過程與數(shù)據(jù)分析

對9號風(fēng)機與14號風(fēng)機塔筒均按4站觀測，保證塔筒掃描數(shù)據(jù)的完整性。三維激光掃描現(xiàn)場布置如圖4所示。

圖4 三維激光掃描現(xiàn)場布置

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

圖5 點云預(yù)處理前后數(shù)據(jù)

圖6 點云去噪和切片后各截面投影

采用2.3節(jié)的方法計算可得9號風(fēng)機塔筒及14號風(fēng)機塔筒的傾斜率、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號和14號風(fēng)機塔筒在不同高度的傾斜率、橢圓度等變化曲線。

圖7 9號風(fēng)機塔筒傾斜和形變情況

圖8 14號風(fēng)機塔筒傾斜和形變情況

可以看出9號風(fēng)機整體傾斜量較小，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。相對而言，14號風(fēng)機塔筒傾斜量隨高度的增加基本呈現(xiàn)線性趨勢：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)果與全站儀檢測結(jié)果較為吻合，但更加全面和精細化。綜合來看，2臺風(fēng)機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)機塔筒結(jié)構(gòu)形變較大的區(qū)域主要集中在風(fēng)機塔筒頂部10～15 m范圍，靠近發(fā)電機組及葉片結(jié)構(gòu)區(qū)域，屬于受側(cè)向荷載及偏航振動影響而結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化較為集中的區(qū)域。

3.5 3種檢測結(jié)果對比分析

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

b)精度對比。不均勻沉降推算塔筒傾斜精度低，沉降觀測點平面距離是風(fēng)機塔筒高度的1/8～1/9，不符合長邊推算短邊的原則。采用全站儀觀測，因為塔筒沒有設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的觀測標(biāo)志，整個操作過程會引入較多誤差，特別是切線點的判斷，不僅影響角度觀測精度也影響距離觀測精度，測點誤差在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站觀測有足夠多的重疊區(qū)域，且相鄰測站間滿足4個以上的公共球形標(biāo)靶，點云測量及拼接誤差在3 ～ 5 mm，點云拼接精度高。

c)有效信息量對比。水準(zhǔn)沉降觀測只能獲取基礎(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、風(fēng)機及葉片荷載，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)，還能計算每個切片位置的橢圓度，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)測數(shù)據(jù)更加全面和完整。

4 結(jié)束語

運行期對風(fēng)機塔筒傾斜及結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測是風(fēng)機安全評估的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)電子水準(zhǔn)儀觀測基礎(chǔ)不均勻沉降，以及全站儀測量塔筒整體傾斜均難以準(zhǔn)確全面評價風(fēng)機塔筒傾斜和結(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)，為運營維護提供參考，在陸上風(fēng)機結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中具有推廣應(yīng)用前景。