CN102852146A - 大体积混凝土实时在线个性化换热智能温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统，涉及高混凝土坝浇筑过程中混凝土通水冷却的控制，对无缝大坝的建设具有重要意义。主要特点包括：１）在新浇筑大体积混凝土中安装传感器实时测量混凝土温度；２）进出水管上安装内插式数字测温装置测量进出水温度，并通过进出水温差实时求出混凝土温度的平均降幅；3）根据2）中求出的混凝土温度降幅，确定实时流量；4）通过在通水水管上安装集成温度、流量和开度控制的一体流温控制装置，实现远程实时、在线自动采集与反馈控制；5）根据温控采集仪、一体流温控制装置的温控信息采集分析，基于时间和空间温控梯度曲线、实现对大体积混凝土温度的智能个性化控制，达到浇筑无缝大坝的目的。

Description

大体积混凝土实时在线个性化换热智能温度控制系统

技术领域

本发明涉及大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统，尤其涉及高混凝土坝浇筑过程中混凝土换热的控制。

背景技术

对于特高拱坝，施工期的防裂的重点是混凝土温度控制。拱坝混凝土的温度问题主要应从控制温度和改善约束两方面来解决。从温控角度，混凝土浇筑温度、混凝土最高温度以及最终稳定温度是三个特征温度，最高温度等于浇筑温度加上水化热温升。而最终稳定温度取决于当地气候条件和坝体结构形式，所以工程上主要控制的是浇筑温度和水化热温升。目前高拱坝的施工中温度控制主要控制3个温差：基础温差、内外温差和上下层温差。基础温差通过最高温度控制，内外温差通过表面保温和内部通水冷却温度控制，上下层温差则通过混凝土最高温度及合理的通水冷却过程控制。通水冷却第一次在工程领域中的正式应用源于上世纪30年代，1931年美国垦务局在欧瓦希（Owyhee）拱坝上进行了混凝土水管冷却的现场试验，结果令人满意。此后的两年，美国垦务局在修建胡佛水坝（Hoover）的过程中首次在混凝土仓中全面预埋冷却水管进行人工冷却，起到了较理想的温控防裂效果。随后冷却水管以其应用的灵活性、可靠性及多用性等特点，在世界各国混凝土坝的施工中被广泛采用。我国在1955年修建第一座混凝土拱坝——响洪甸拱坝时，首次采用了预埋冷却水管，建成后得到了不错的防裂效果。随后，在三峡大坝、周公宅拱坝、二滩拱坝、大潮山围堰、索风营水电站碾压混凝土坝、龙滩水电站碾压混凝土重力坝、白沙水库、锦屏一级拱坝、溪洛渡拱坝等众多的大型水利工程中得到了广泛应用，并获得了较好的温控防裂效果。从众多的大体积混凝土工程实践当中，可以看出水管冷却这种人工冷却的方法，已成为混凝土坝设计和施工中不可或缺的一项关键温控防裂措施。

大量工程实践表明，在高温季节浇筑混凝土时，受入仓温度、太阳辐射和通水冷却等外界条件的影响，混凝土浇筑仓温度很难完全控制不超过容许最高温度。为了使混凝土材料性能正常发展，必须使混凝土浇筑仓最高温度达到合适的温度。即混凝土浇筑仓的最高温度不能过高，也不能过低。大坝施工期温控的目的是通过人工通水冷却实施温度控制，使混凝土温度保持在设计温度（按照设计的“温度-时间曲线”）附近，从而使施工程序和质量可控。简单的说，整个通水冷却是一个温度目标控制，是按照设计要求，将每阶段的混凝土温度调整（降低或升温），或控制在一定的T温度点附近。但有很多因素会直接影响温度控制效果，这些因素大致分类如下：（1）不同气温、不同浇筑温度、不同水管间距、不同施工细节（夯实程度、水管布置合理程度等）等，可能导致浇筑块的密度不同，从而导致内部发热状态不一致，要求对各浇筑块个体化冷却控制；（2）不同仓水管变形程度不同，导致需要不同流量控制，最好做到每组冷却支管单独温控；（3）人工调整通水流量间隔长，人工采集温度和流量数据工作量大、且受主观因素以及设备运行状况影响较大；（4）目前控制不能做到实时、在线，现有冷却系统受制于工程施工传统、工程配套技术水平与施工成本的限制，难以布置足够的相关采集仪器，难以做到实时动态的反馈控制。

目前大坝施工期控温采用的方法和系统主要弊端包含：

（1）目前通水冷却或加热的监控主要通过人工球阀、水银温度计和传统水表采用人工记录，然后根据记录数据进行人工现场调控流量。人工调整通水流量间隔长，人工采集温度和流量数据工作量大、且受主观因素以及设备运行状况影响较大。

（2）现有通水系统精度差，效率低，数据可靠度不高，采集时间间隔长，信息反馈慢，常常导致混凝土温控控制不理想。

（3）现有控温由于不存在自动在建混凝土大坝温度控制采集系统，而且也不存在具体的控制策略。往往不能够将大坝混凝土温度精确控制在设计温度曲线附近，人工测量与控制往往不能够实时，导致实际大坝温度控制与预期偏离很大。因此大坝施工中，在保温效果不佳，或者突遇寒潮时，往往防裂效果差，容易导致大坝开裂破坏。

（4）现有技术中，人工控制混凝土大坝温度时，也难实现大坝多坝段整体温度协调地控制，不同坝段仓号混凝土温度控制难以精细化、个性化控温。

（5）现有的控温技术中，控制手段单一，检测设备与控制设备之间的接口单一，设备基本没有互通互联，为控制大坝混凝土的温度带来困难和诸多不便。

由于现有技术中存在以上种种不足，为了克服上述问题，为了简单实现浇筑块的温度控制，就必须摆脱控制系统对大量人员的依赖、对大量材料的依赖，实现自动通水精细控温；理论基础上建立大体积混凝土结构的知识专家库，硬件建设上解决好通水端，控制端设备耐久性，预警系统上建立好预警分析决策服务，从而达到形成无缝大体积混凝土结构的目的，目前国内外尚没有这方面的系统研究工作。本发明提供了一种能够实时在线控制的热交换智能控制系统，其具有实时控制、操作简单和大坝防裂好等技术效果。

发明内容

根据上述问题本发明提出了一种大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统和方法。

一种大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统，其包括：在新浇筑大体积混凝土中安装的数字温度传感器，实时测量混凝土温度；在所有或部分换热管上安装的第一内插式数字测温装置，实时测量换热介质温度；在所有或部分换热管上安装的控制装置，对换热介质的流量和方向控制。

其中所述控制装置为一体流温控制装置，所述一体流温控制装置包括：第二内插式数字测温装置，实时测量换热介质的温度；双向智能控制阀，对换热介质的流量和方向进行控制；流量计，实时测量换热介质的流量和方向。

大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统还包括智能控制箱，其接收第一内插式数字测温装置以及一体流温控制装置的测量信号，并对一体流温控制装置进行PLC控制。

大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统还包括服务器，其接收智能控制箱的数据，分析得出流量控制方案，并反馈给智能控制箱，智能控制箱根据接收的流量控制方案对一体流温控制装置进行控制。

其中各装置之间的数据传递采用有线或无线的方式进行。

其中混凝土中安装的数字温度传感器在混凝土内的分布方式为：所述数字温度传感器位于两层水管中间同一高层布置；优选的布置形式有线型、星型、均布型或者纺锤型。按照这种方式分布温度计可以精确的实时测量出混凝土内部的温度场变化。

其中所述第一内插式数字测温装置和/或第二内插式数字测温装置包括：一个三通，三通的水平管左右端口分别与换热管连接，三通的垂直管内设置绝热密封环、中空螺丝和温度传感器，绝热密封环与温度传感器靠中空螺丝与三通的垂直管内螺纹连接固定。

其中在三通的垂直管内下部设置绝热密封环，上部设置中空螺丝，温度传感器穿过中空螺丝和绝热密封环插入三通水平管内部。

所述绝热密封环由密封和绝热两种材料构成，下部是密封材料，上部是绝热材料。

所述温度传感器，由温度传感器探头和导线组成，导线与温度传感器探头电连接，优选所述温度传感器探头端头位于三通水平管中轴线上。

一种大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制方法，所用的控制系统包括：在新浇筑大体积混凝土中安装的数字温度传感器，实时测量混凝土温度；在所有或部分换热管上安装的第一内插式数字测温装置，实时测量换热介质温度；在所有或部分换热管上安装的控制装置，对换热介质的流量和方向控制。

其中所述控制装置为一体流温控制装置，所述一体流温控制装置包括：第二内插式数字测温装置，实时测量换热介质的温度；双向智能控制阀，对换热介质的流量和方向进行控制；流量计，实时测量换热介质的流量和方向。

大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统还包括智能控制箱，其接收第一内插式数字测温装置以及一体流温控制装置的测量信号，并对一体流温控制装置进行PLC控制。

大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统还包括服务器，其接收智能控制箱的数据，分析得出流量控制方案，并反馈给智能控制箱，智能控制箱根据接收的流量控制方案对一体流温控制装置进行控制。

其中各装置之间的数据传递采用有线或无线的方式进行。

其中混凝土中安装的数字温度传感器在混凝土内的分布方式为：所述数字温度传感器位于两层水管中间同一高层布置；优选的布置形式有线型、星型、均布型或者纺锤型。按照这种方式分布温度计可以精确的实时测量出混凝土内部的温度场变化。

其中所述第一内插式数字测温装置和/或第二内插式数字测温装置包括：一个三通，三通的水平管左右端口分别与换热管连接，三通的垂直管内设置绝热密封环、中空螺丝和温度传感器，绝热密封环与温度传感器靠中空螺丝与三通的垂直管内螺纹连接固定。

其中在三通的垂直管内下部设置绝热密封环，上部设置中空螺丝，温度传感器穿过中空螺丝和绝热密封环插入三通水平管内部。

所述绝热密封环由密封和绝热两种材料构成，下部是密封材料，上部是绝热材料。

所述温度传感器，由温度传感器探头和导线组成，导线与温度传感器探头电连接，优选所述温度传感器探头端头位于三通水平管中轴线上。

由于存在密封绝热环，可以保证温度传感器探头不与三通及外界空气接触，提高了测量精度。

中空螺钉与温度传感器拧入三通垂直管中，使得中空螺钉能够对绝热密封环产生足够压迫作用不致在水压下泄露，且温度传感器探头恰能位于三通水平管中轴线上。

测温装置经过与管壁的绝热处理，能排除外界气温对测温的干扰，准确测量进出口的水温，能准确预测大体积混凝土内部热交换量。

温度传感器探头端头位于水管中轴线，与测温对象充分接触，保证了测温的精度。

本发明提供的大体积混凝土通水冷却中通水系统温度采集系统，有益效果如下：

（1）、结合进、出水温度的智能通水基本理论对实际的已浇混凝土温度预测的结果较好，说明该方法切实可行。

（2）、智能通水系统在运行过程中大坝、进出口温度的实时远程采集实现了在线、实时、自动化采集控制。

（3）、智能通水系统可以做到根据控温要求对通水温度、流量、换向等通水信息的实时记录和反馈控制，对于大体积混凝土工程的温控精细化、过程化信息智能管理可以起到科学支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明；

图1本发明的系统结构示意图；

图2大坝仓面埋设温度计分布示意图

图3管道内部温度测量装置正面剖视图。

图4管道内部温度测量装置侧面剖视图。

图5流量预测和温度预测计算流程图。

1内插数字测温装置；2浇筑时预埋入混凝土块中数字温度传感器；3智能控制箱；4控制服务器；5双向智能控制阀；6双向涡轮流量计；7一体流温控制装置；8三通，9温度传感器探头，10导线，11止水绝热环，12中空螺钉。

具体实施方式

以混凝土通水冷却中通水控制实现实时、在线个性化控制，具体实施方案为：

（1）安装在每组冷却水管出水管的内插数值测温装置1；

（2）浇筑时预埋入混凝土块中各点的数字温度传感器2，传感器埋设方式见图2；

（3）对通水水管水温、流量进行实时采集和控制的一体流温控制装置7安装在每组冷却水管的进水管上，一体流温控制装置7是将双向智能控制阀5、双向涡轮流量计5和内插数值测温装置1集成到一起的控制装置。

（4）智能控制箱3，控制箱设备包含PLC以及多通道温度采集仪，将实时采集的数据通过无线或有线上传至服务器4；

（5）服务器4，接收实际通水过程中采集的混凝土温度、进出水温度、通水流量数据，根据采集的数据进行分析，对智能控制箱3反馈流量数据，智能控制箱3根据反馈的流量数据对一体流温控制装置进行控制。

内插式数字测温装置1的结构和安装方法为：

三通8下端左右两端口配有螺纹，分别与通水水管相连接。三通上端口配有螺纹，把止水绝热环11从上端口放入压紧，把温度传感器从上端口和止水绝热环11中插入，使温度传感器探头位于三通下端部分的中轴上。中空螺钉12通过螺纹与三通8上端口连接，对止水绝热环、温度传感器探头9和导线10进行固定，导线下端与温度传感器探头上端电连接。

数据分析方法为：

根据传热学的傅里叶定律，对于常物性的三维有内热源导热问题，可以得到基本的热传导方程，通过对方程的求解并改写成适于程序编制的差分形式

其中，水化热的导数θ'依据所采用的水化热函数形式决定，工程中应用指数形式的水化热函数较多，即

θ(τ)=θ₀(1-e^-mτ)                (2)

式中，θ₀代表混凝土的绝热温升值，m代表水化热放热系数。

一般来说，在不考虑仓面散热、仓四周散热、混凝土的不均匀温度场条件下，式(1)基本可以对混凝土平均温度场的发展趋势进行较准确的模拟。

在实际应用过程中，利用式(1)可以做到对混凝土温度发展趋势的预测，其中所需的信息为混凝土材料参数、前时刻混凝土温度、通水温差、通水流量等。

在对温度预测的基础上，我们可以反向计算得到达到目标温度所需的理论流量:

$q_w\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{[T(\mathrm{\τ}+\mathrm{\Δ\τ})-T\left(\mathrm{\τ}\right)]/\mathrm{\Δ\τ}-{\mathrm{\θ}}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_w\left(\mathrm{\τ}\right)c_w\left(\mathrm{\τ}\right)[T_{w-\mathrm{in}}\left(\mathrm{\τ}\right)-T_{w-\mathrm{out}}\left(\mathrm{\τ}\right)]/{\mathrm{\ρ}}_c{c}_c{V}_c}---\left(3\right)$

带入水化热函数表达式，得

$q_w\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{[T(\mathrm{\τ}+\mathrm{\Δ\τ})-T\left(\mathrm{\τ}\right)]/\mathrm{\Δ\τ}-{\mathrm{\θ}}_{0}m{e}^{-\mathrm{m\τ}}}{{\mathrm{\ρ}}_w\left(\mathrm{\τ}\right)c_w\left(\mathrm{\τ}\right)[T_{w-\mathrm{in}}\left(\mathrm{\τ}\right)-T_{w-\mathrm{out}}\left(\mathrm{\τ}\right)]/{\mathrm{\ρ}}_c{c}_c{V}_c}---\left(4\right)$

其中，τ单位为d，q_w单位为L/min，T(τ+Δτ)可以称为目标温度，即设计阶段制定的标准温度曲线。公式符号说明见表1和表2。

表1符号说明

表2常量参数

根据以上理论分析编制相应的计算分析软件，计算流程图如图5。其中采用模糊聚类算法进行分析计算。模糊聚类算法是一种基于划分的聚类算法，它的思想就是使得被划分到同一簇的对象之间相似度最大，而不同簇之间的相似度最小。

Claims (20)

1.一种大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制系统，其包括：在新浇筑大体积混凝土中安装的数字温度传感器，实时测量混凝土温度；在所有或部分换热管上安装的第一内插式数字测温装置，实时测量换热介质温度；在所有或部分换热管上安装的控制装置，对换热介质的流量和方向控制。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制装置为一体流温控制装置，所述一体流温控制装置包括：第二内插式数字测温装置，实时测量换热介质的温度；双向智能控制阀，对换热介质的流量和方向进行控制；流量计，实时测量换热介质的流量和方向。

3.如权利要求2所述的系统，其还包括智能控制箱，其接收第一内插式数字测温装置以及一体流温控制装置的测量信号，并对一体流温控制装置进行PLC控制。

4.如权利要求3所述的系统，其还包括服务器，其接收智能控制箱的数据，分析得出流量控制方案，并反馈给智能控制箱，智能控制箱根据接收的流量控制方案对一体流温控制装置进行控制。

5.如权利要求1－4任一所述的系统，其中各装置之间的数据传递采用有线或无线的方式进行。

6.根据上述权利要求之一的系统，其中混凝土中安装的数字温度传感器在混凝土内的分布方式为：所述数字温度传感器位于两层水管中间同一高层布置；优选的布置形式有线型、星型、均布型或者纺锤型。

7.如上述权利要求之一的系统，其中所述第一内插式数字测温装置和/或第二内插式数字测温装置包括：一个三通，三通的水平管左右端口分别与换热管连接，三通的垂直管内设置绝热密封环、中空螺丝和温度传感器，绝热密封环与温度传感器靠中空螺丝与三通的垂直管内螺纹连接固定。

8.如权利要求7所述的系统，其中在三通的垂直管内下部设置绝热密封环，上部设置中空螺丝，温度传感器穿过中空螺丝和绝热密封环插入三通水平管内部。

9.如权利要求8所述的系统，所述绝热密封环由密封和绝热两种材料构成，下部是密封材料，上部是绝热材料。

10.如权利要求7－9任一所述的系统，所述温度传感器，由温度传感器探头和导线组成，导线与温度传感器探头电连接，优选所述温度传感器探头端头位于三通水平管中轴线上。

11.一种大体积混凝土实时在线个性化换热智能控制方法，所用的控制系统包括：在新浇筑大体积混凝土中安装的数字温度传感器，实时测量混凝土温度；在所有或部分换热管上安装的第一内插式数字测温装置，实时测量换热介质温度；在所有或部分换热管上安装的控制装置，对换热介质的流量和方向控制。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述控制装置为一体流温控制装置，所述一体流温控制装置包括：第二内插式数字测温装置，实时测量换热介质的温度；双向智能控制阀，对换热介质的流量和方向进行控制；流量计，实时测量换热介质的流量和方向。

13.如权利要求12所述的方法，所用的控制系统还包括智能控制箱，其接收第一内插式数字测温装置以及一体流温控制装置的测量信号，并对一体流温控制装置进行PLC控制。

14.如权利要求13所述的方法，所用的控制系统还包括服务器，其接收智能控制箱的数据，分析得出流量控制方案，并反馈给智能控制箱，智能控制箱根据接收的流量控制方案对一体流温控制装置进行控制。

15.如权利要求11－14任一所述的方法，其中各装置之间的数据传递采用有线或无线的方式进行。

16.根据权利要求11－15任一所述的方法，其中混凝土中安装的数字温度传感器在混凝土内的分布方式为：所述数字温度传感器位于两层水管中间同一高层布置；优选的布置形式有线型、星型、均布型或者纺锤型。

17.根据权利要求11－16任一所述的方法，其中所述第一内插式数字测温装置和/或第二内插式数字测温装置包括：一个三通，三通的水平管左右端口分别与换热管连接，三通的垂直管内设置绝热密封环、中空螺丝和温度传感器，绝热密封环与温度传感器靠中空螺丝与三通的垂直管内螺纹连接固定。

18.如权利要求17所述的方法，其中在三通的垂直管内下部设置绝热密封环，上部设置中空螺丝，温度传感器穿过中空螺丝和绝热密封环插入三通水平管内部。

19.如权利要求18所述的方法，所述绝热密封环由密封和绝热两种材料构成，下部是密封材料，上部是绝热材料。

20.如权利要求17－19任一所述的方法，所述温度传感器，由温度传感器探头和导线组成，导线与温度传感器探头电连接，优选所述温度传感器探头端头位于三通水平管中轴线上。

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