重力式风力发电机基础沉降观测技术研究及应用

第４０卷第２６期　２　０　１　４年９月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．２６　Ｓｅｐ．　２０１４　・２１７・　文章编号：１００９—６８２５（２０１４）２６—０２１７－０２　重力式风力发电机基础沉降观测技术研究及应用　袁铁柱　（新疆风电工程设计咨询有限责任公司，新疆乌鲁木齐８３００６３）　摘要：通过在风机塔简内悬挂发光源，发光源的正下方固定标盘，在标盘中的刻度显示基础的倾斜率，实现了无需计算，可直接　判断风机基础的倾斜率是否超出规范要求，提高了观测的精确性，在第一时间消除了因风机基础不均匀沉降而产生的隐患。　关键词：发光源，标盘，倾斜率　中图分类号：ＴＵ４３３　随着我国风电装机规模快速的增长，风力发电机组数量也同　步增加，据不完全统计中国目前的装机容量为７５　ＧＷ，假设单机　容量为１．５　ＭＷ，则有５万多台风力发电机投入生产，其基础形式　大部分为重力式基础。　风力发电机为高耸构筑物，高耸构筑物对基础的沉降及不均　匀沉降要求很高，尤其是风力机在运行中主要受到水平风荷载作　用，上部结构对基础产生弯矩作用，更容易造成重力式基础的不　均匀沉降，若基础不均匀沉降量过大，则会影响上部机组正常工　作甚至导致倒塔的事故，所以在风力机组运行过程中要定期对基　础进行不均匀沉降观测。常规的做法是：在每台风力机基础露出　地面的核心筒部位（混凝土）上对称埋设４个沉降观测点，一般为　钢筋头或铆钉，在运行中定期通过测量仪器对观测点进行高程观　测、整理观测数据、与原始数据进行对比、计算，得出基础的倾斜　率，判断不均匀沉降是否超出规范要求。在观测及计算等一系列　工作中，架设仪器、测量、记录、对比计算等，工作量大、程序繁杂、　不易操作。在测量过程中难免产生人为误差、仪器误差、环境误　差、方法误差、人员误差等，如果各种误差因素累积，有可能误差　过大而影响最终的结果，给出一个错误的判断，对风力机基础及　上部机组的安全带来了一定的隐患。　风力发电机基础的沉降观测没有具体的规范规定，大部分设　计单位依据ＧＢ　５００２６－２００７工程测量规范中的高耸结构观测点的　设计为依据，观测点设置的位置大相径庭，观测点的做法没有统　一的标准，观测的仪器也不一样，有的甚至同一风电场观测的人　员不能相对固定，观测结果的精确性受到质疑。通过对以往的项　目进行回访时，项目公司提出一些意见，观测不方便，误差比较　大，还需要专业的计算等等。　１　研究概述　随着风电事业的快速发展，建设项目的地形及地质条件愈来　愈差，由此也增加了风力发电机基础产生不均匀沉降而导致风机　倾斜的可能性，如果倾斜率超过规范要求，不能够及时发现及处　理，则会出现严重的后果，比如基础被拉裂、倒塔等现象，所以沉　降观测的及时性及精确性尤为重要。采用在塔筒内悬挂激光笔，　在基础平台内埋设标盘，通过激光笔投影，对标盘进行读数的方　法进行观测，这种方法主要有以下优点：１）在标盘中直接刻度基　础的倾斜率，通过激光笔投影直接可以观测到最终结果，减少了　由于观测及计算产生的误差，如果超过规范要求，可以最直接的　观测到风机不均匀沉降的方位，可以及时进行工程处理，提高风　机基础的安全性。２）不需要再用仪器进行测量，省去了不少的人　力物力，且操作简单，不需要专业人员进行观测。　收稿日期：２０１４—０４－２３　作者简介：袁铁柱（１９８３一），男，硕士，工程师　文献标识码：Ａ　２理论计算及验证　２．１理论推导计算　发光源悬挂在中央，高度与基础直径相同如图１所示，在基　础沉降量为ｃＤ时，倾斜率ｔａｎＯ＝　ＣＤ；已知：基础为刚性基础，ＡＢ＝　Ｈ，根据相似三角形原理，此时在Ｈ高度处悬挂的发光源观察到的　倾斜率应该为ｔａｎＯ＝音＝　ＣＤ，故￡＝ＣＤ。　假设ＡＢ＝１７　０００　ｍｍ，当倾斜率为１％ｏ时，ＣＤ＝Ｌ＝１７　ｍｍ。　水平沉降距离￡　８工　图１激光笔悬挂在塔筒中部且高度与基础直径相同时示意图　发光源悬挂在中央，悬挂高度与基础直径不等：Ｈ。＜Ｈ，如图　２所示。　水平沉降距离　廿　峨　十　啪窀　米１０叵　蜒　．　～　｝水　｝　距离ＬｌｌＬ～　ｌ　…～～～　厂———　塞塑ｌ　ｌ＼　图２激光笔悬挂在塔筒中部且高度与基础直径不等时示意图　根据三角形相似性质，相似三角形对应边成比例：　Ｌ一一Ｈ—Ｈ．生一，一—　一　旦　Ｈ　假设Ｈ．＝１０　０００　ｍｍ，Ｈ＝１７　０００　ｍｍ（基础直径），倾斜率为　１‰时，Ｌ＝１７　ｍｍ，则Ｌ１＝１０　ｍｍ。　发光源悬挂不在中央，悬挂高度为　如图３所示：发光源由　塔筒中部平移至塔筒边缘，故Ｌ２＝Ｌ。，　＝Ｈ　，所以不均匀沉降的　观测只与发光源的悬挂高度有关系，而与悬挂的方位没有关系。　２．２理论验证计算　根据理论原理如果基础发生不均匀沉降导致塔筒发生倾斜，　利用发光源倾斜不同的角度，来表示不同的倾斜率，但是在试验　・２１８・　第４０卷第２６期　２　０　１　４年９月　山　西　建　筑　阶段塔筒不可能倾斜，人为量取不同的角度，操作起来比较麻烦，　用纽扣式电池供电。　故采用平行移动水平位移的方式来验证（见图４）。　水平沉降距离Ｌ：　３．２　标盘　材质采用不锈钢，厚度约为２　ｍｍ，制作过程中在标盘底部对　称四角处预留长约４０　ｍｍ，直径为８　ｍｍ的预埋件用于固定标盘，　如图６所示。　＼　’　，　编号　基础倾斜率　备注　圈３激光笔悬挂在塔筒边缘且高度与基础直径不等时示意图　水平移动距离ｍ　ｏ　■　一　●一，ｒ　２１　２１‰　正常　■　３４　３　４‰　正常　‰　倾斜根限　５　５‰　危险　Ｕ　注１）标牌上１号，２号，３号，４号，５号圆的半径分别为１０　ｍｍ，２０　１１１１１３，　３０ｍｍ，４０ｍｍ，５０ｍｉｌｌ，２）标牌上４号圆为蓝色，５号圆为红色，其余为原色　图６标盘制作简图　３．３　支架　材料采用Ｑ２３５钢板及不锈钢钢管，竖担钢板的尺寸为厚度　图４平行移动水平位移验证图　１６　ｍｍ，长度为１　２００　ｍｍ，宽度为１００　ｍｍ，竖担上每隔１００　ｍｍ处　２　ｍｍ的孑Ｌ，可以根据现场需要实际调整竖担的　假设风机倾斜率为１％ｏ时，三＝１０　ｍｍ，根据相似三角形原理：　预留两个直径为１０　ｍｍ位置的需要。横担采用直径为１６　ｍｍ，　当塔筒没有倾斜时，发光源移动距离ｍ＝１０　ｍｍ时，垂直射到标盘　长度，以满足悬挂在１的刻度即为ｌ‰。　故验证时分别将激光笔移动为２０　ｍｍ，３０　ｍｍ，　厚度为２．５　ｍｍ的不锈钢管，横担长度２５０　ｍｍ，在２００　ｍｍ处刻　　１０　ｍｍ，一３０　ｍｍ，一４０　ｍｍ进行验证，理论上照射到标盘上读数　槽，以便每次观测悬挂的位置保持统一。具体做法如图７所示。一应该为２，３，１，３，４。　３设备简介　３．１　发光源　普通激光笔在１０　ｍ处的照射斑点无法达到我们的精度要求　（斑点直径小于１．５　ｍｍ），据了解调查目前国内最先进的蓝光激　光模组才能达到这个精度，故选用了激光模组，性能如下：　材质选用铝，表面处理采用阳极雾黑处理，使用寿命：连续输　出，使用寿命大于５　０００　ｈ，射程小于３００　ｍ，光斑形状／直径：１０　ｍ　量卞　ｌ　苄丰　高　Ｉ薹圭丰　ｌ。牛昌　—　处光点小于１．５　ｍｍ，工作电压：６　Ｖ，工作温度：一２Ｏ℃一＋６０℃。　激光模组简图见图５。　－。０　图７支架制作图　４结语　该项目主要应用于风机基础的不均匀沉降的观测，通过发光　源照射到标盘的不同位置，表示不同的倾斜率，无需计算，直接判　断风机不均匀沉降的程度及倾斜方向，代替了传统的通过观测计　算的方法来判断风机基础不均匀沉降。通过现场实际操作验证　图５激光模组简图　理论的准确性及现场的可操作性，本项目安装简单、便于操作及　这种激光模组的尺寸可以自己根据实际要求进行定做，通过　观测，受到现场观测人员的好评。　与厂家沟通也可以加大重量，目前市场上普遍只能使用干电池盒　参考文献：　来供电，没有纽扣式电池来供电，与厂家沟通通过定做可以实现采　［１］　ＧＢ　５００２６－２００７，工程测量规范［Ｓ］．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｇｒａｖｉｔｙ・ｔｙｐｅ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ＹＵＡＮ　Ｔｉｅ．ｚｈｕ　（Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｇ　ｎＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００６３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｈａｎｇｓ　ｌｕｍｉｎｏｕｓ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｆｉｘｅｓ　ｓｃａｌｅ　ｐｌａｔｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｌｕｍｉｎｏｕｓ　ｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｔｉｌｔ　ｒａｔｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｃａｌｅ　ｐｌａｔｅ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｉｔ　ｃａｎ　ｉｄｅｎｔｉｆｙ　ｔｈｅ　ｔｉｌｔ　ｒａｔｅ　ｓｃｏｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ａ－　ｖｏｉｄｓ　ｈａｚａｒｄｓ　ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｕｎｅｖｅｎ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｕｍｉｎｏｕｓ　ｓｏｕｒｃｅ，ｓｃａｌｅ　ｐｌａｔｅ，ｔｉｌｔ　ｒａｔｅ