風(fēng)機(jī)塔筒傾斜的液體靜力水準(zhǔn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法研究

周振宇，高 曉，趙浩鵬

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色清潔能源，受到世界各國(guó)的重視。作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分，風(fēng)電場(chǎng)的塔筒支撐著機(jī)艙和葉輪穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)吸收機(jī)組震動(dòng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求塔筒有足夠的穩(wěn)定性，因此，需采取測(cè)量手段對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中風(fēng)機(jī)塔筒安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是通過(guò)水準(zhǔn)儀來(lái)測(cè)定高程的變化，這種方法雖然能滿足各種精度要求、靈活性大，但耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力，且觀測(cè)數(shù)據(jù)有限，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，不宜大規(guī)模推廣。隨著軟硬件技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及通信技術(shù)的發(fā)展，液體靜力水準(zhǔn)自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)為風(fēng)機(jī)塔筒全天候無(wú)人實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了實(shí)現(xiàn)的可能[1]。

1 靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)

1.1 靜力水準(zhǔn)測(cè)量基本原理

液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量實(shí)質(zhì)上是利用在重力作用下靜止液面總是保持同一水平面的特性來(lái)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的高差和變化量[2-4]，其原理如圖1所示。

圖1 液體靜力水準(zhǔn)基本原理

在工作基點(diǎn)及需要監(jiān)測(cè)點(diǎn)上設(shè)置主機(jī)，通過(guò)軟管連通，其內(nèi)部充適量防凍液。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出測(cè)量指令后，若觀測(cè)點(diǎn)發(fā)生垂直位移，則會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位置變化，該變化值將轉(zhuǎn)化為一個(gè)電信號(hào)輸出，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后直接發(fā)送至計(jì)算機(jī)[5]。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，確定沉降相關(guān)信息，為有關(guān)部門提供所需的資料。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

靜力水準(zhǔn)儀基準(zhǔn)點(diǎn)液位變化量Δhj(mm)可按下列公式計(jì)算：

Δhj=Kj·(Fj-FOj)

(1)

式中，Kj為基準(zhǔn)點(diǎn)傳感器系數(shù)，mm/F；Fj為基準(zhǔn)點(diǎn)當(dāng)前讀數(shù)，F(xiàn)；FOj為基準(zhǔn)點(diǎn)初始讀數(shù)，F(xiàn)。

各觀測(cè)點(diǎn)液位變化量Δhi(mm)可按下列公式計(jì)算：

Δhi=Ki·(Fi-FOi)

(2)

式中，Ki為觀測(cè)點(diǎn)傳感器系數(shù)，mm/F；Fi為觀測(cè)點(diǎn)當(dāng)前讀數(shù)，F(xiàn)；FOi為觀測(cè)點(diǎn)初始讀數(shù)，F(xiàn)。

各觀測(cè)點(diǎn)沉降或抬高的變化量ΔHi(mm)可按下列公式計(jì)算：

ΔHi=Δhj-Δhi=Kj·(Fj-FOj)-Ki·(Fi-FOi)

(3)

2 液體靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 安裝靜力水準(zhǔn)儀

根據(jù)設(shè)計(jì)要求在風(fēng)機(jī)塔的測(cè)點(diǎn)處確定標(biāo)高，各測(cè)點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀安裝標(biāo)高應(yīng)相同。

通過(guò)膨脹螺栓將系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀安裝架固定在墻壁上，并確保各安裝架標(biāo)高基本相同。同時(shí)，安裝靜力水準(zhǔn)儀時(shí)，應(yīng)考慮其中觀測(cè)電纜的走線方向與保護(hù)方法。

2.2 安裝貯液容器

各測(cè)點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀安裝架固定完成后，安裝貯液筒底板于安裝架的3個(gè)調(diào)節(jié)螺栓上，并通過(guò)水平泡調(diào)節(jié)螺桿上的螺母使貯液筒底板保持水平。同時(shí)，貯液容器安裝完成后，應(yīng)核定和調(diào)整各測(cè)點(diǎn)高程是否保持一致。

吳興區(qū)是湖州市的建筑石料開發(fā)利用基地。歷史上不合理的礦山開采造成了吳興區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞，資源的浪費(fèi)，與生態(tài)文明建設(shè)要求不相符合。為解決這一問題，吳興區(qū)以實(shí)施“百礦示范、千礦整治”活動(dòng)、“四邊三化”行動(dòng)、“礦山復(fù)綠”行動(dòng)為契機(jī)，2003年起采取規(guī)劃引導(dǎo)、分步實(shí)施，因礦制宜、分類治理，工程示范、典型引路等措施，持續(xù)深入開展礦山生態(tài)治理，消除安全隱患，改善礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境，有效利用礦地。截至2017年底，累計(jì)治理廢棄礦山（關(guān)閉礦山）30余個(gè)，產(chǎn)出土地約3000余畝（其中復(fù)墾成耕地約2000余畝，已作建設(shè)用地利用約1000畝），為吳興區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。

2.3 連接通液管

在多點(diǎn)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置主通液管和副通液管，即各測(cè)點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀之間并非直接連通，而是各自通過(guò)副通液管與主通液管連通。當(dāng)各測(cè)點(diǎn)連通后，應(yīng)用卡箍將通液管管口與管接頭相聯(lián)處鎖緊，防止松動(dòng)與漏液。

2.4 安裝傳感器

先旋下靜力水準(zhǔn)儀上端蓋，再取下磁致伸縮液位傳感器測(cè)桿上的止位環(huán)與浮球。將傳感器測(cè)桿插入靜力水準(zhǔn)儀上端蓋的螺紋孔中，用力旋緊使之固定牢靠。再將之前取下的浮子按原方向穿在傳感器測(cè)桿上，同時(shí)將止位環(huán)復(fù)位固定在測(cè)桿端部，最后旋緊傳感器的上端蓋。

2.5 連接通氣管

系統(tǒng)中通氣管的作用在于保持各測(cè)點(diǎn)靜力水準(zhǔn)儀貯液容器內(nèi)的液面壓力一致，各測(cè)點(diǎn)通氣管應(yīng)相互連通并僅在一端與大氣相通。

2.6 數(shù)據(jù)采集與傳輸

在計(jì)算機(jī)上安裝自動(dòng)測(cè)量單元數(shù)據(jù)采集管理軟件，可任意選擇其中實(shí)時(shí)采集、定時(shí)采集、離線采集的方式采集和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸方式通常可采用有線通訊方式和無(wú)線通訊方式[6-7]。

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)工程位于華能陜西某風(fēng)電場(chǎng)，場(chǎng)區(qū)地表為濕陷性黃土，厚度約16 m左右。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用的是干作業(yè)擴(kuò)底混凝土灌注樁(端承樁)。承臺(tái)底部為直徑16 m、高1.1 m的圓柱，上部為頂面直徑6 m、高1 m的圓柱。風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)環(huán)是聯(lián)結(jié)風(fēng)機(jī)塔筒與塔筒基礎(chǔ)的紐帶，為一直徑約4 m的圓形鋼環(huán)，由許多螺栓將其固定在另一相同的預(yù)埋在基礎(chǔ)上的鋼環(huán)上。安裝時(shí)要求基礎(chǔ)環(huán)環(huán)面為水平面，考慮各種誤差的存在，規(guī)定環(huán)面的傾斜度不大于2 mm?；A(chǔ)沉降及塔筒所受風(fēng)力的影響都能從基礎(chǔ)環(huán)面的傾斜變化中反映出來(lái)。因此，在基礎(chǔ)環(huán)四周均勻、對(duì)稱布設(shè)8個(gè)測(cè)量缽體作為本次測(cè)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(1～8)，如圖2所示。將防凍液(凝固點(diǎn)：-20℃)作為連通液體，并在其表面覆蓋少許甘油以減小揮發(fā)現(xiàn)象對(duì)測(cè)量精度的影響。該套液體靜力水準(zhǔn)儀最小監(jiān)測(cè)周期為 0.3 s，靈敏度為0.01 mm。在考慮監(jiān)測(cè)精度與有效性的基礎(chǔ)上，為減小觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采樣間隔設(shè)定為180 s。

3.2 監(jiān)測(cè)成果分析

圖3為本工程7#風(fēng)機(jī)塔筒某期液體靜力水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與同時(shí)期利用標(biāo)稱精度為每千米高差中數(shù)偶然中誤差±0.3 mm的天寶TrimbleDiNi電子水準(zhǔn)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)沉降曲線對(duì)比圖。

圖2 塔筒監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

影響液體靜力水準(zhǔn)高程測(cè)量精度的因素主要包括外界條件和儀器因素。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離較近時(shí)，連通的兩個(gè)缽體相隔較近，由溫度和氣壓差異引起的測(cè)量誤差較小[8]。當(dāng)各觀測(cè)頭溫差小于2 ℃，且采取一定的防風(fēng)措施后，該液體靜力水準(zhǔn)裝置監(jiān)測(cè)精度優(yōu)于0.1 mm。因此，液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量可以得到很高的精度，完全能滿足風(fēng)機(jī)塔筒變形監(jiān)測(cè)的需要。

圖3 塔筒基礎(chǔ)環(huán)水平度曲線對(duì)比圖

4 結(jié) 語(yǔ)

由于液體靜力水準(zhǔn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)精度高、自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[9-10]，可廣泛應(yīng)用于有輻射、爆炸危險(xiǎn)或蒸汽、塵埃等污染的區(qū)域。同時(shí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)空間狹小、監(jiān)測(cè)點(diǎn)不通視或因空氣紊流等影響，光學(xué)測(cè)量不能正常作業(yè)時(shí)，該系統(tǒng)可發(fā)揮積極作用。

經(jīng)過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)液體靜力水準(zhǔn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)也存在一些不足。比如：當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)較大、風(fēng)機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度會(huì)受到一定的影響，這主要是由于溫度和氣壓的差異引起的誤差；另外，由于液體的粘滯作用，靜力水準(zhǔn)儀中管路內(nèi)部的液體需要時(shí)間才能流動(dòng)并且平衡，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量沉降變化量，對(duì)于在建工程應(yīng)用效果不佳。