CN102508499A - 一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，包括以下步骤：1)获取混凝土历史通水降温效率的值；2)根据混凝土历史通水降温效率值和未来需要的降温幅度和降温时段计算需要的下一步流量控制值；通过上述步骤使混凝土温度按照设计要求均匀下降。本发明提供的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，通过引入实际降温流量系数α的动态调整并配合滞后系数ξ的辅助修正，实现了控制混凝土内部温度均匀平稳下降，并在预期时间内达到控制目标温度的目的。且实现冷却水流量的自动计算，排除人工控制的随意性，进一步提高了大体积混凝土的施工质量。

Description

一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土浇筑中的冷却控制方法，特别是一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法。

背景技术

大体积混凝土在浇筑后，例如大坝的坝体，由于水泥水化放热的作用，其内部会产生大量热量导致温度急剧升高，如果这些热量不能很好地排出会导致混凝土内部产生拉应力继而产生裂缝，造成质量事故。目前，除了采用降低混凝土拌和物温度、覆盖保温被等措施外，最直接和有效的方法是给混凝土内部埋设冷却水管，并通入冷却水来排出热量。采用冷却水管冷却混凝土的主要目标是，使混凝土温度均匀平稳地下降并在预期时间内达到控制目标温度。由于混凝土的传热性能并不好，所以混凝土温度的滞后性很大，加之混凝土温度受到周边条件的影响，如气温、日照和相邻混凝土的浇筑等边界条件的变化，给混凝土的温度控制造成了困难。

目前，我国混凝土冷却通水工程，根据工程经验和实测混凝土温度变化过程线规律，划分一期、中期、二期通水降温三个阶段，各阶段分别采用人工凭经验的按固定流量和水温进行通水降温。降温原则就是超温了就加大流量；降温速率过快就降低流量或关闭。这样的经验控制法经常出现温度陡升陡降和反弹等现象，对混凝土的质量很不利。

中国专利“201010579967.1”公开了一种大体积混凝土冷却水管布置方法；中国专利“201010219769.4”公开了一种混凝土冷却通水数据自动化采集系统；中国专利“201010228838.8”公开了一种混凝土智能冷却通水系统；以上的专利文件中记载的采用冷却水管冷却混凝土的技术方案，为实现本发明提供了基础，但是上述专利文献中均未记载如何具体通过流量控制实现混凝土内部温度平稳均匀下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，可以控制混凝土内部温度均匀平稳下降。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，包括以下步骤：

1)获取混凝土历史通水降温效率的值；

2)根据混凝土历史通水降温效率值和未来需要的降温幅度和降温时段计算需要的下一步流量控制值；

通过上述步骤使混凝土温度按照设计要求平稳均匀下降。

所述的混凝土历史通水降温效率在计算中以实际降温流量系数α表述，该系数是以追溯天数内的实际平均降温速率除以追溯天数内平均流量得到的。

所述的实际平均降温速率以公式：

计算得到；

式中：

v_实：实际平均降温速率，℃/天；

T₀：追溯天数开始时的混凝土温度，℃；

T：当前混凝土温度，℃；

t₀：追溯天数。

所述的追溯天数为1-5天。

进一步优化的方案中，还包括以下步骤：瞬时降温速率修正，如果v_t＞v_限，则进行修正，否则不修正；

进行修正后的下一步流量控制值以公式：

计算得到；

式中：

Q′_t+1：进行修正后的下一步流量控制值，m³/h；

Q_t+1：实际下一步流量控制值，m³/h；

v_限：降温速率限制，℃/天；

v_t：当前实际降温速率，℃/天。

所述的下一步流量控制值是用理论目标降温速率除以实际降温流量系数α得到理论下一步流量控制值；再进行滞后效应修正，得到实际下一步流量控制值。

所述的下一步流量控制值以公式：Q_t+1＝Q_理-(Q_t-Q_理)×ξ计算得到；

其中

式中：

Q_t+1：实际下一步流量控制值，m³/h；

Q_理：理论下一步流量控制值，m³/h

Q_t：当前流量值，m³/h；

ξ：滞后系数；

v_理：理论目标降温速率，℃/天；

α：实际降温流量系数；

T：当前混凝土温度，℃；

T_c：目标温度，℃；

t₁：预期冷却天数，天；

t：当前已冷却天数，天。

所述的滞后效应在计算中用滞后系数ξ表述，滞后系数ξ取值为0.5～1.0。

本发明方法的原理在于：

1、一期冷却阶段处于混凝土浇筑初期，又分为控温阶段和降温阶段，控温阶段指混凝土浇筑时刻至混凝土最高温度出现后时刻，该阶段由于水泥水化放热，其内部会产生大量热量导致温度急剧升高，该阶段通水冷却主要起控制温度上升幅度的作用，一般根据设计参数按系统最大流量通水，通过采集混凝土温度分析是否满足技术要求，否则调整设计参数；降温阶段指从混凝土最高温度出现后时刻起至降至指定温度时刻止，该阶段冷却通水流量控制方法与中期、二期通水流量控制方法相同。一期冷却控温阶段与降温阶段划分参见附图2。

2、中期冷却和二期冷却阶段中，假定混凝土发热是均匀的，短期内由于混凝土的边界条件一定，不考虑沿途水温的变化，则散热的变化主要与通水流量有关，这样混凝土温度变化就与流量有很强的相关性。通过计算前一阶段单位流量的降温系数，即实际降温流量系数α，以此系数、当期混凝土温度、混凝土温度技术要求(温度限值和日降温幅度限值)、计划的降温时段等参数计算未来的通水流量。其中，计算前一阶段的单位流量的降温系数中追溯天数时段以短为好，通常为1～3天，对于边界条件变化较小的可选择追溯天数长些，变化较大的可短些。

3、实际工程中，由于边界条件总是变化的，假定条件也是有出入的，所以这个算法计算的结果可能与实际情况有差异，但是通过下一阶段混凝土温度的计算值与实测值的比较，即本发明中采用的实际降温流量系数α的自行动态调整，进行多次的逼近计算，使假定的条件、边界条件的变化以及滞后效应带来的误差得到较好的修正，最终达到控制混凝土的温度均匀下降的目的。

本发明提供的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，通过引入实际降温流量系数α的动态调整并配合滞后系数ξ的辅助修正，实现了控制混凝土内部温度均匀平稳下降，并在预期时间内达到控制目标温度的目的。且实现冷却水流量的自动计算，排除人工控制的随意性，进一步提高了大体积混凝土的施工质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中分期冷却降温过程示意图。

图2为本发明实施例中的分期冷却降温过程示意图。

具体实施方式

本控制方法的基础参数：

1.Qmax，通水最大流量，由冷却通水系统设计确定；

2.ξ，滞后系数(用于消除控制中的温度滞后产生的问题，这是一个在实践中总结的经验参数)；

3.t0，追溯天数(例如3天，表示根据前3天的实际降温效果来计算下一控制间隔的控制流量)。

4.控制要求参数：

如图1中所示：

(a)混凝土降温过程分为一期冷却、中期冷却、二期冷却三个阶段，如图。

(b)一期控温阶段流量采取全开方式直接按最大流量进行通水。

(c)一期降温阶段流量控制值计算方法如下：

1、计算理论目标降温速率＝(当前温度-目标温度)/(预期冷却天数-当前已冷却天数)，即

如果V_理＞V_限，应延长预期冷却天数。其中：

v_理：理论目标降温速率，℃/天；

v_限：降温速率限制，℃/天；

T：当前温度，℃；

T_c：目标温度，℃；

t₁：预期冷却天数，天；

t：当前已冷却天数，天。

2、计算平均流量＝追溯天数内的流量按其持续时间的加权平均值，即 $\stackrel{\‾}{Q}=\mathrm{\Σ}\left(Q_i\frac{t_i}{\mathrm{\Σ}{t}_i}\right),$ 其中：

平均流量，m³/h；

Q_i：各时刻的实测流量，m³/h；

t_i：各实测流量的持续时间，h。

3、计算实际平均降温速率＝(追溯天数开始时的混凝土温度-当前温度)/追溯天数，即

其中：

v_实：实际平均降温速率，℃/天；

T₀：追溯天数开始时的混凝土温度，℃；

T：当前混凝土温度，℃；

t₀：追溯天数，天；在实际工程运用中发现，追溯天数不是越短越好，也不是越长越好，短则无法避免滞后效应对降温速率的影响，而长则边界条件变化过多，造成计算不能逼近当前实际降温流量系数，所以在工程运用中通常取1-5天，优化的方案为取2-4天。对于边界条件变化较小的可选择追溯天数长些，例如取5天，变化较大的可短些，例如取1天。

4计算实际降温流量系数＝实际平均降温速率/平均流量，即

其中：

α：实际降温流量系数；

v_实：实际平均降温速率，℃/天；

平均流量，m³/h。

5、计算理论下一步流量控制值＝理论目标降温速率/实际降温流量系数，即

其中：

Q_理：理论下一步流量控制值，m³/h；

v_理：理论目标降温速率，℃/天。

6、计算实际下一步流量控制值＝理论流量控制值-(当前流量值-理论流量控制值)×滞后系数，即Q_t+1＝Q_理-(Q_t-Q_理)×ξ，其中：

Q_t+1：实际下一步流量控制值，m³/h；

Q_t：当前流量值，m³/h；

ξ：滞后系数，滞后系数是一个经验参数，通常取值0.5～1.0，其意义是用超调来抵消滞后产生的问题。

7、瞬时降温速率修正：如果v_t＞v_限，则进行修正，否则不修正。修正后的下一步流量控制值＝降温速率限制值/当前实际降温速率×实际下一步流量控制值，即

其中：

Q′_t+1：进行修正后的下一步流量控制值，m³/h；

v_限：降温速率限制，℃/天；

Q_t+1：实际下一步流量控制值，m³/h；

v_t：当前实际降温速率，℃/天。

8、如果Q′_t+1＞Q_max则说明冷却通水的参数设置不合理，需要调整设计，如预期冷却降温时间、最大冷却通水流量等；如果Q′_t+1为负数则说明已提前达到冷却效果，不需继续通水冷却。

实施例：

本控制方法应用于某水电站混凝土大坝，其冷却降温分为一期冷却、中期冷却和二期冷却三个阶段，其中一期冷却分控温阶段和降温阶段，其中一期冷却的控温阶段直接按系统设计的最大流量进行通水冷却，从一期冷却的降温阶段至中期、二期冷却阶段采用本发明的控制方法进行流量控制。具体实施如下：

A、收集冷却通水设计参数(以该工程某一部位为例)：

该电站每隔4小时测一次混凝土温度；通水最大流量Q_max＝7.5m³/h；滞后系数ξ＝0.5；追溯天数t₀＝3天；

控制要求参数：

B、一期冷却计算：

(a)一期控温阶段流量按最大流量进行控制，即：7.5m³/h；

(b)一期降温阶段流量控制值计算：

1、理论目标降温速率

如果V_理＞V_限，程序发出警报，提示操作员应延长预期冷却天数。

T：当前温度，℃；控制间隔(4h)内的某一个固定时间所测得的混凝土温度。

t：当前已冷却天数，天。

2、平均流量＝前3天的流量加权平均值，即

3、实际平均降温速率

其中：

T₀：3天前的混凝土温度，℃；

t₀：追溯天数，本例中取值为3天。

4、实际降温流量系数

5、理论下一步流量控制值

6、实际下一步流量控制值Q_t+1＝Q_理-(Q_t-Q_理)×0.5

7、瞬时降温速率修正：如果v_t＞v_限，则进行修正，否则不修正。修正后的下一步流量控制值

8、如果Q′_t+1＞7.5m³/h则说明冷却通水的参数设置不合理，需要调整设计，如预期冷却降温时间、最大冷却通水流量等；如果Q′_t+1为负数则说明已提前达到冷却效果，不需继续通水冷却。

(C)中期冷却阶段流量控制值计算：

1、理论目标降温速率

如果V_理＞V_限中，程序发出警报，提示操作员应延长预期冷却天数。

T：当前温度，℃；控制间隔(4h)内的某一个固定时间所测得的混凝土温度。

t：当前已冷却天数，天。

T_c中：中期目标温度，℃，本例中为18℃。

t_中：预期中期冷却天数，天；本例中为30天。

2、平均流量＝前3天的流量加权平均值，即

3、实际平均降温速率

其中：

T₀：3天前的混凝土温度，℃；

t₀：追溯天数，本例中取值为3天。

4、实际降温流量系数

5、理论下一步流量控制值

6、实际下一步流量控制值Q_t+1＝Q_理-(Q_t-Q_理)×0.5

7、瞬时降温速率修正：如果v_t＞v_限中，则进行修正，否则不修正。修正后的下一步流量控制值

8、如果Q′_t+1＞7.5m³/h则说明冷却通水的参数设置不合理，需要调整设计，如预期冷却降温时间、最大冷却通水流量等；如果Q′_t+1为负数则说明已提前达到冷却效果，不需继续通水冷却。

(D)二期冷却降温算法同中期冷却算法：

1、理论目标降温速率

如果V_理＞V_限2，程序发出警报，提示操作员应延长预期冷却天数。

T：当前温度，℃；控制间隔(4h)内的某一个固定时间所测得的混凝土温度。

t：当前已冷却天数，天。

T_c2：二期目标温度，℃，本例中为13℃。

T₂：预期二期冷却天数，天；本例中为42天。

2、平均流量＝前3天的流量加权平均值，即

3、实际平均降温速率

其中：

T₀：3天前的混凝土温度，℃；

t₀：追溯天数，本例中取值为3天。

4、实际降温流量系数

5、理论下一步流量控制值

6、实际下一步流量控制值Q_t+1＝Q_理-(Q_t-Q_理)×0.5

7、瞬时降温速率修正：如果v_t＞v_限2，则进行修正，否则不修正。修正后的下一步流量控制值

8、如果Q′_t+1＞7.5m³/h则说明冷却通水的参数设置不合理，需要调整设计，如预期冷却降温时间、最大冷却通水流量等；如果Q′_t+1为负数则说明已提前达到冷却效果，不需继续通水冷却。

另外，本发明的控制方法可采用计算机实现自动计算。在该水电站采用了MSSQL Server作为数据库，T-SQL编程实现，减少人工操作，方便快捷。

Claims (9)

1.一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)获取混凝土历史通水降温效率的值；

2)根据混凝土历史通水降温效率值和未来需要的降温幅度和降温时段计算需要的下一步流量控制值；

通过上述步骤使混凝土温度按照设计要求平稳均匀下降。

2.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于：所述的混凝土历史通水降温效率在计算中以实际降温流量系数α表述，该系数是以追溯天数内的实际平均降温速率除以追溯天数内平均流量得到的。

3.根据权利要求2所述的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于：所述的实际平均降温速率以公式：

计算得到；

式中：

v_实：实际平均降温速率，℃/天；

T₀：追溯天数开始时的混凝土温度，℃；

T：当前混凝土温度，℃；

t₀：追溯天数。

4.根据权利要求2或3所述的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于：所述的追溯天数为1-5天。

5.根据权利要求4所述的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于还包括以下步骤：瞬时降温速率修正，如果v_t＞v_限，则进行修正，否则不修正；进行修正后的下一步流量控制值以公式：

计算得到；

式中：

Q′_t+1：进行修正后的下一步流量控制值，m³/h；

Q_t+1：实际下一步流量控制值，m³/h；

v_限：降温速率限制，℃/天；

v_t：当前实际降温速率，℃/天。

6.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于：所述的下一步流量控制值是用理论目标降温速率除以实际降温流量系数α得到理论下一步流量控制值；再进行滞后效应修正，得到实际下一步流量控制值。

7.根据权利要求6所述的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于：所述的下一步流量控制值以公式：Q_t+1＝Q_理-(Q_t-Q_理)×ξ计算得到；

其中

式中：

Q_t+1：实际下一步流量控制值，m³/h；

Q_理：理论下一步流量控制值，m³/h

Q_t：当前流量值，m³/h；

ξ：滞后系数；

v_理：理论目标降温速率，℃/天；

α：实际降温流量系数；

T：当前混凝土温度，℃；

T_c：目标温度，℃；

t₁：预期冷却天数，天；

t：当前已冷却天数，天。

8.根据权利要求6或7所述的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于：所述的滞后效应在计算中用滞后系数ξ表述，滞后系数ξ取值为0.5～1.0。

9.根据权利要求6或7所述的一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法，其特征在于：所述的v_理＞v_限时，提示人工干预修改t₁。

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