三维激光扫描仪在风力发电机塔筒形变监测中的应用

黄晶晶

（甘肃省地质勘查开发局第三地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730050）

习近平总书记提出“绿水青山，就是金山银山”的理念，让人们更加认识到保护人类居住环境的重要性。风能作为一种清洁能源，大力发展既能获得一定的经济效益，同时又不会对环境造成污染，于国于民都是一件好事。甘肃风力资源丰富，随着国家支持力度的增强，越来越多的风力发电厂建设运行，投入运行的风力发电机也逐渐增多，风力发电机的运行环境、运行安全、运行效率等问题也慢慢凸显出来，从而受到了多方关注。

风力发电机塔筒是整个风力发电机组的支撑部分，为整个风力发电机组的安全运转提供保障。在风力发电机组长期循环运转的影响下，可能会使风力发电机塔筒倾斜、弯曲、变形，从而导致整个机组异常运行甚至发生倒塌事故。为了避免发生风力发电机塔筒倾斜的事故，需要及时掌握风力发电机塔筒的外部形变情况。为防止此类事故的发生，风力发电厂会定期组织安排人员对风力发电机塔筒进行监测。风力发电机塔筒一般高度均在50m 以上，塔筒材料一般为合金钢，但是一旦风机塔筒吊装完成，想在风力发电机塔筒外侧做测量标志，利用传统的监测手段监测其形变、弯曲等情况，工作难度相当大。利用三维激光扫描技术检测风力发电机塔筒的异常形变是目前较为先进、高效的测量技术，它具有非接触、高密度、高精度、数字化、自动化等特点，可以很好的补充传统测量监测方面的不足，极大的缩短了外业作业时间，减小返工的可能性，有效解决了传统风力发电机塔筒形变监测中存在的时效性、精确性、安全性等问题。

文章数据来自地面型Riegl VZ-2000 三维激光扫描仪采集的某发电厂风力发电机塔筒的点云数据。该风力发电厂塔筒高度高于65m，海拔高度在1200m～1350m 之间，常年气温处在-20°～28°之间。处理软件为武汉海达数云技术有限公司提供的HD_3LS_SCENE 等系列软件以及美国MathWorks出品的matlab 软件。

1 点云数据获取

根据风力发电厂的地形、环境以及考虑到风力发电机塔筒的形状、位置等情况，本次监测在风力发电机塔筒附近布设两个监测点，扫描视场角保持在360°/100 以上，两次独立测站扫描得到的点云数据也不能互不影响。本次实验数据为该厂A 区1#风力发电机塔筒数据。

2 点云数据处理

2.1 点云数据拼接、去噪点及切片处理

点云数据拼接、去噪点及切片处理过程主要利用武汉海达数云技术有限公司提供的HD_3LS_SCENE、HDPt Vector 软件。

所采集的点云数据拼接、去噪点后，将建立的塔筒模型从最底部整数位置开始每间隔4m 高度裁出一个厚度为0.05m，由点云数据组成的圆环形切片。如图1，图2 所示。

图1 总点云数据及去噪点后数据对比

图2 去噪后和切片点云数据俯视图

2.2 利用matlab 软件编程提取切片圆心坐标

三维激光扫描仪在获取点云数据时，每个点都有其在该独立坐标系中的固定坐标(X，Y)，通过在近似同一高度H（0.05m 范围内）的所有点数据（X1,Y1），（X2,Y2），…（Xn,Yn）坐标进行拟合，求出圆心坐标（x,y）。同一高程切片数据都应满足方程

对同一高度H（0.05m 范围内）的所有点坐标数据，进行最小二乘拟合计算：

当取得最小值时的（x,y），即为高度H 上切片圆圆心坐标。

依据此编程语言可在Matlab 软件中很轻松的计算出每个切片圆心坐标(xi，yi)。表1 为风力发电厂A 区1#风力发电机塔筒切片圆心坐标及倾斜率计算记录表：

表1 A 区1# 风机塔筒切片圆心坐标及倾斜率计算结果

由此表，也可以做出X-H 曲线图来反应纵向倾斜分量的变化趋势,Y-H 曲线图来反应横向倾斜分量的变化趋势,D-H 曲线图来反应倾斜量随着高度变化的趋势。这三种曲线图可以很直观的分析风力发电机塔筒是否发生弯曲，以及可能发生弯曲的部位和程度。

2.3 计算风机塔筒倾斜率

以风力发电机塔筒最底部圆环圆心坐标（x1，y1)与风力发电机塔筒顶部圆环圆心坐标（xn，yn)平行距离除以两切片间塔筒高度H 为倾斜率i。

由表1 计算的结果可以看出，A 区1# 风力发电机塔筒倾斜率在0.3681‰～1.9801‰之间。

根据规范要求，当风力发电机塔筒高度在60m≤H≤80m，倾斜率低于5‰时，则表示该风机形变在可控范围内，由此可以判断，该风力发电机暂时无安全隐患。

3 结论

为确保风力发电机组安全、正常运行，对风力发电机塔筒进行长期的形变监测工作是风力发电厂后期维护工作中的一项基本需求。由于传统的测量方法一般是以观测监测点的位移和高程差值变化来判断，无法直观详尽的反映风机塔筒结构的形变趋势。三维激光扫描仪在数据采集中，明显比全站仪、RTK 占据优势，大量的点云数据分析对风力发电机塔筒监测结果会更准确，更全面。采用相应软件也可以清晰直观的表达出风力发电机塔筒的形变、倾斜情况。对于业主方而言，在人力、物力、财力上也得到了很好的节约。