掃描儀為大空間風力發電塔運營維護監測

項目概述

風電場需要定期對風機進行日常的巡視、檢修和維護，因為地域偏遠，設備分散，對于出現的各種故障難以做到快速，高效地排風能作為一種資源極其豐富的清潔可再生能源，得到越來越多國家的關注排查解決。盡管風力發電前景廣闊，但其高昂的維護與檢修費用卻導致了總體運行成本的居高不下。

風力發電的檢修主要在兩方面，風力發電機和風電塔。風電塔塔筒屬于典型的薄壁結構， 在風機運行產生的長期疲勞荷載或者極端環境荷載下，塔筒表面微小凹坑也可能導致塔筒的局部屈曲；另外，作為一類頭重腳輕的高聳結構，長期往復的循環荷載患有可能造成地基變松， 塔身傾斜，進而對風電機運行造成一定的損害。

因此，塔筒的外形檢測對風電塔安全有重要意義。在少數涉及風電塔外形檢測的相關工作中，傳統方法主要采用全站儀進行測量，通常費事費力，獲取的數據比較單一，無法精細化地對風電塔外形結構進行全面分析管理。

由于風電塔結構簡單直觀，應用三維激光掃描技術可較好地實現外形描繪、幾何形狀變化、垂直度檢測等風電塔檢測項目。通過采用三維激光掃描技術對風電塔的外形進行掃描，并把測量數據應用于風電塔建模，從而驗證結構的幾何變形，并對其垂直度進行檢測評估。

1. 三維激光掃描儀工作原理：掃描儀內置的激光發射器發射出激光，通過中心鏡面的反射， 使激光投射在物體表面，再由該處反射回掃描儀接收模塊，從而獲得從掃描儀中心到物體表面該點處的數據并對該點進行定位。中心鏡面通過旋轉將激光豎直向方向 360°均勻射出；與此同時機座中心馬達使機器主體水平方向 360°旋轉。通過這樣的過程，獲得以掃描儀為中心全景大空間的三維坐標數據。三維激光掃描測繪技術因其快速、靈活的作業模式，精確飽滿地獲取全方位的三維空間位置、色彩、影像信息，實現測量對象的真實全方位、全細節的完整記錄，數據可進行深加工形成各種實用精細的成果，較其它測量方式具有絕對的優越性。

2. 作業流程：

外業數據采集：首先進行現場勘查，由于掃描環境較為空曠，特征點較少，故需根據環境布置標靶球。布置完標靶球根據實際情況設置分辨率、質量、是否需要色彩、掃描時間等數據，設置完成后即可點擊開始掃描。

1) 數據處理：數據處理主要為各站的點云拼接，可在 FARO 自帶軟件里進行全自動拼接。

2) 數據分析：通過軟件提取不同高度的點云數據生成斷面，通過比對不同站生成的斷面可得到不同高度不同時間發電機的偏移量。進行塔筒中心軸線擬合，通過點云擬合的中心軸線與設計模型（或上一期掃描數據）的中心軸線對比，可以得到偏差值，通過中心軸線的變化，來判斷塔筒變化趨勢或者規律，或進行其它計算與分析。

表 1：葉片靜止發電塔不同時刻偏移量

表 2：葉片轉動不同時刻發電塔偏差量 

將發電塔點云切片導入CAD，根據切片擬合出切片圓心，連出中軸線。

上圖：切片導入

上圖：軸線擬合

此次掃描一共掃描 7 站，分別為 11、12、13、14、15、16、17 期數據，其中 11、12、13、14 為葉片轉動時數據，15、16、17 為葉片靜止時數據，進行分組，11 期、14 期為一組，12 期、13 期為一組，15 期、16 期為一組，16 期、17 期為一組，將每組數據軸線進行對比。

上圖：11 期、14 期軸線對比 a

上圖：11 期、14 期軸線對比 b

上圖：12、13 期軸線對比 a

上圖：12、13 期軸線對比 b

上圖：15、16 期軸線對比 a

上圖：15、16 期軸線對比 b

上圖：16、17 期軸線對比a

上圖：16、17 期軸線對比b

表 3：角度偏差

為提高結果準確度，角度的計算采用公式推導得到，在角度足夠小，邊長較長的情況下，求出弧度值后，在根據轉換關系，將弧度值換算為角度值，即得到表中數據。表格中，前兩組數據為葉片轉動時，不同時刻的角度偏差，后兩組為葉片停止轉動時的角度偏差， 可以看出，整體上來說，角度偏移極小，后兩組數據明顯小于前兩組數據。