CN103835506B - 一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制方法，采用混凝土温度场，仿真计算出混凝土坝块的温度场数值模型。预设的冷却水流量，进行仿真预测未来时刻的浇筑块温度场，并与计划未来同一时刻的温度场进行对比。按照针对流量-温度的闭环控制理论，建立自动化控制系统，温度通过自动采集系统进行采集，然后按照上述步骤一、步骤二进行流量预测，最后按照这个预测流量进行控制现场阀门，达到合适流量范围。本发明一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制系统，有助于提高面对日益复杂的混凝土温控局面的能力，能够提高混凝土温控效果。而且能够保证温控效果的稳定性。同时还减少了现场巡查和调控任务，提高工作人员工作期间的安全性。

Description

一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制方法

技术领域

本发明一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制方法，涉及混凝土温控领域。

背景技术

大体积混凝土工程中裂缝问题是普遍存在的，而其中最主要的裂缝是由温度引起的温度裂缝。混凝土中水泥水化热引起温度上升，由于混凝土体积过大，从而导致混凝土内部散热慢。混凝土表面由于和外部环境接触，所以散热条件比较好，因此散热比较快。从而导致混凝土表面和混凝土内部有温差，进而就会产生温度应力。控制混凝土温度应力的措施就是混凝土温控措施，因为大体积混凝土相对于小体积混凝土内部散热更难，所以温控措施对于大体积混凝土的施工质量的保证就显得尤为重要了。

现有混凝土温控技术中很重要的一个方法就是采用冷却通水方式。现场温控人员收集混凝土各个浇筑仓内预埋温度计的温度，并根据人工经验判断冷却水管的通水日计划流量，这种人工方式主要依赖现场通水计划人员的经验，这种方式会对系统的稳定性造成很大的隐患，容易出现由于人员变动及考虑不周造成通水控制命令错误，最后出现温控事故。

发明内容

本发明提供一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制方法，有助于提高面对日益复杂的混凝土温控局面的能力，能够提高混凝土温控效果。而且能够保证温控效果的稳定性。同时还减少了现场巡查和调控任务，提高工作人员工作期间的安全性。

本发明采取的技术方案为：一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制方法，包括以下步骤：

步骤一：采用混凝土温度场，仿真计算出混凝土坝块的温度场数值模型；

步骤二：预设的冷却水流量，进行仿真预测未来时刻的浇筑块温度场，并与计划未来同一时刻的温度场进行对比；

步骤三：按照针对流量-温度的闭环控制理论，建立自动化控制系统，温度通过自动采集系统进行采集，然后按照上述步骤一、步骤二进行流量预测，最后按照这个预测流量进行控制现场阀门，达到合适流量范围。

所述步骤一中：根据冷却水的流量及温度，进行将来时的温度场预测，采用对过往一天的温度场进行反分析，能够获得最接近现场实际情况的相关计算常量。

所述步骤二中：抽取几个关键温度点进行对比，如若不同则采取增量或者减量的方式进行计算，每次计算都采用半分法尽快获得能够最近似拟合计划温度场对应的流量，此流量即为第二日的控制流量，即为求解符合计划温度场的控制流量最优解，采用温度场仿真方法计算。

通过混凝土温度场仿真获得预测温度场，然后将计划温度场与预测温度场进行对比，如果符合就停止计算，输出该初始预测流量作为下一步冷却通水控制的流量；

如果不符合，就采取在现场流量最大值和流量为零之间，求取符合计划温度场的预测流量最优解，按照半分法进行流量调整，最后能求得一个最优解，该最优解就作为下一步冷却通水控制的流量。

本发明一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，技术效果如下：

1）、随着现代化建设进程的推进，工程建设量越来越大，混凝土块也出现了越来越大的趋势，在这种情况下温控面临的困难也越来越多，依靠人工经验进行的冷却通水措施也越来越难以解决问题。本发明有助于提高面对日益复杂的混凝土温控局面的能力，能够提高混凝土温控效果，而且能够保证温控效果的稳定性。同时还减少了现场巡查和调控任务，这能够大大提高工作人员工作期间的安全性。

2）、本发明控制系统采用拟合计划温度场的方法进行流量计划，能够精准的进行冷却通水流量控制，不同于现行的人工控制方式，粗放控制。

3）、本发明控制系统能够大大减少对温控计划人员的经验依赖，提高系统的稳定性，不同于现行人工方式，太过依赖人工经验，而且无法避免人工经验的不全面的造成的后果。

4）、本发明能够利用各种互联网平台，实现数据的实时展示，能够保证温控数据的透明度，促进施工温控质量的提高。

5）、本发明控制系统能够结合自动控制系统，进行远程自动智能控制冷却通水，开启施工现场的温控自动化进程。

6）、本发明能大大降低现场温控人员的工作量，针对施工现场工作危险因素众多的情况，能够降低工作人员的风险。

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为本发明通水流量控制预测原理图；

图2为本发明通水流量控制系统。

图3为本发明温度场模型图。

具体实施方式

本发明一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤一：采用混凝土温度场，仿真计算出混凝土坝块的温度场数值模型。根据冷却水的流量及温度，进行将来时的温度场预测，采用对过往一天的温度场进行反分析，能够获得最接近现场实际情况的相关计算常量。

1、模型的建立：对于单一坝块:，其内部温度场受上、下相邻坝块的影响较大，而受左右岸相邻坝块的影响比较有限。考虑分别将将与其相邻的上部坝块、下部坝块部分融入，构成目标坝块模型。由于坝块的厚度相对于其水平向尺寸而言很小，可视为薄板体。那么对于任一单一坝块，其三维温度场受同一坝段上部坝块和下部坝块的影响较大，而受左岸和右岸相邻坝块的影响有限。在上部坝块、下部坝块接触面上没有温度测点的条件下，如果不对上部坝块、下部坝块进行考虑，那么单一坝块在与上部坝块、下部坝块接触面处的边界传热情况就难以确定。因此考虑分别将上部坝块、下部坝块的一部分融入到目标坝块模型中。应该在上部坝块、下部坝块取多大一部分，坝块内部埋置的温度测点对简化问题提供了条件。对于类似薄板体的坝块，其某一高程平面上的温度场较为均匀。那么在取得测点温度的情况下就可以近似地推测测点所在平面上节点的温度，这就形成了一个确定的边界条件。目标坝块模型包括：下部坝块中心温度测点所在高程面以上部分；如果顶上相邻坝块已经浇筑，上部坝块中心温度测点所在高程面以下部分。

2.坝块模型网格划分：要实现坝块温度场的精细仿真，就需要将坝块中冷却水管对温度场的影响如实反映。因此模型网格一要尽可能真实地定位冷却水管的位置；二要能够提高冷却水管周围沿半径方向上的混凝土温度梯度精度。对于冷却水管，模型中应严格体现水管布置的高程、水平间距及竖直间距、水管直径等信息。在其他方面可以按照一般情况处理，比如冷却水管与上下游坝面保持的距离等内容。这样可以有效减少施工一线的人员操作，同时又不会影响温度场仿真精度。为了提高温度梯度的精度，在模型网格上采取如下措施：冷却水管周围的网格节点沿着冷却水管的径向方向布置，同时网格单元逐渐从靠近冷却水管处的较小体积过渡到远处较大的体积。模型网格中并未包含薄薄的水管壁部分。为一垂直于水管的平面的网格划分情况。从图3中也可以看到，在平面温度场计算中一般采用三角形单元。

步骤二：预设的冷却水流量，进行仿真预测未来时刻的浇筑块温度场，并与计划未来同一时刻，一般为第二天的同一时刻的温度场进行对比。抽取几个关键温度点进行对比，一般为实际埋设温度计的位置处所测温度进行对比。如若不同则采取增量或者减量的方式进行计算，每次计算都采用半分法尽快获得能够最近似拟合计划温度场对应的流量，此流量即为第二日的控制流量，即为求解符合计划温度场的控制流量最优解，采用温度场仿真方法计算。其中半分法主要采用根据取值范围中值进行计算以判定取值应该在范围内的大值部分还是小值部分的方法进行循环计算直至得出最优解。由于流量与温度场温度的关系满足正相关的条件，可以采用半分法。先取流量范围的中值即Qmax/2（Qmax为现场主管最大流量，一般是7～8m³/h）进行温度预测，然后将预测温度场与计划温度场进行对比（主要是采用几个关键温度点进行对比）。如果温度相较计划温度要高，则再将流量范围取为0～Qmax/2。如果温度相较计划温度要低，则再将流量范围取为Qmax/2～Qmax。按照这种方法进行不断缩小温度范围，直至达到最优值。

步骤三：按根据闭环控制理论，建立自动化控制系统，温度通过自动采集系统进行采集，然后按照上述步骤一、步骤二进行流量预测，最后按照这个预测流量进行控制现场阀门，不断根据测得的流量调整阀门开度使冷却水达到规定合适流量。如图2控制系统的结构图所示，在现场部署自动化控制系统。现场采集的温度值通过网络传输至服务器，服务器根据温度场仿真模型进行仿真运算，能够获得现场浇筑块的温度场情况。然后在此刻温度场的情况进行计算，获得满足下一计算时刻（一般为第二天相同时间点）计划温度场的最佳流量值。最后依靠自动化系统将该流量命令执行到阀门上，实现流量控制。

1.现场网络铺设，要求使用大功率工业用AP进行现场部署，能够覆盖住全部混凝土主供水管道位置或者根据混凝土浇筑进度调整覆盖范围，保证所有正在进行冷却通水的混凝土主供水管区域能够覆盖无线网络，且网络信号强度要能达到-75dBm。

2.部署混凝土浇筑温度自动采集与信息集成监控技术，主要由现场监测站、后方监测管理中心和通讯网络构成。现场监测站布置在混凝土浇筑块附近，各浇筑仓温度计的电缆向上牵引（底部）和向下预埋至监测站位置。现场监测站通过数据采集单元对所纳入的温度传感器进行数据采集、存储，通过光纤通信网络接收上位机的控制指令，上传监测数据至数据库服务器（兼做数据采集计算机），进行数据判断和成果计算，并按规定的格式统一存放在系统数据库中。通过专用数据导入程序自动将监测结果导入温控信息集成监控系统数据库中。混凝土温度采集系统采用自动采集，按照规定定时（一般都是两个小时）获取所有已经埋设温度计的温度值，并根据此温度来进行分析控制冷却通水。获取的温度数据采用数据库保存，能够进行数据的调用。

3.上位机上部署智能冷却通水控制系统的软件，并与现场已经覆盖的无线网络进行连接通信，按照要求设定同一网段（比如均为192.168.101.X），保证智能冷却通水控制系统内的所有设备能够进行正常通信。该控制软件实现了对步骤一和步骤二产生的计划流量的具体实施，能够将所计算出来的计划流量通过无线通信方式发送至现场无线控制终端。

4.在安装智能冷却通水控制系统的硬件部分之前，对无线控制终端进行测试，能够在网络下与服务器进行通信和正常控制。无线控制终端工作模式主要作为上位机和现场电动阀门及流量计进行控制和通信的桥梁，将接受到的上位机通过无线网络发送的阀门开度信号转化为4～20mA的电流信号，通过有线的信号线向电动阀门发送，另外将接受到的阀门开度反馈及流量计的流量电信号均转化成无线信号发送给上位机。根据现场的水管控制数量确定无线控制终端的可并行控制的水管数量，一般采用18通道的无线控制终端。

5.安装无线控制终端的供电系统包括UPS及漏电保护开关。

6.在每个受控冷却水管上安装电动阀门，需与现有施工现场所用水管尺寸正常装配。电动阀门要求能够根据电流控制信号的大小，调节阀门的开度，实现电动阀门0～100%的开度任意调节。通过电信号控制电动阀门的开度调节，实现流量的控制。

7.在每个受控冷却水管上安装流量计，并通过信号线与无线控制终端进行通信。流量计的精度能够达到0.01m³/h,其所测流量数据通过无线控制终端向上位机发送。

8.在每个受控冷却水管上安装温度计，并通过信号线与无线控制终端进行通信。温度计的精度能够达到0.01℃，其所测温度数据通过无线控制终端向上位机发送。

9.上位机根据接受到的流量数据，确定阀门开度大小是否合适，按照设定的调整频率和幅度进行开度调整，并将命令通过无线控制终端发送给电动阀门，最后实现所测流量与计划流量一直。

10.安装无线控制终端的电源线，及其与电动阀门之间的通信线和阀门电源线，还有流量计与无线控制终端的信号电源线。应参照系统结构图，安装需符合电气设备安装规定，保证现场用电安全及设备安全。

11.运行时，先将浇筑坝块的基本信息输入系统，包括坝块设计参数、坝块过程参数、上下层坝块参数等，并且根据坝块施工期冷却过程线设定预埋温度计的计划温度曲线，作为计划温度场的关键温度点温度曲线。

12.根据现场情况，将预埋温度计与相影响的水管进行关联，根据该温度计所测温度计算出的流量控制所关联水管。

13.在日常运行过程中，应每日进行现场巡查，查看现场电动阀门的运行状况，对损坏的阀门进行更换，并进行规律统计，做好针对性的阀门防护措施。

14.根据现场情况，规律性地查看每个水管对应的温度曲线，对于曲线不正常的情况，要及时进行调整，保证其恢复正常。

Claims (2)

1.一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：采用混凝土温度场，仿真计算出混凝土坝块的温度场数值模型；

步骤二：预设的冷却水流量，进行仿真预测未来时刻的浇筑块温度场，并与计划未来同一时刻的温度场进行对比；

步骤三：按照针对流量-温度的闭环控制理论，建立自动化控制系统，温度通过自动采集系统进行采集，然后按照上述步骤一、步骤二进行流量预测，最后按照这个预测流量进行控制现场阀门，达到合适流量范围；

所述步骤一中：根据冷却水的流量及温度，进行将来时的温度场预测，采用对过往一天的温度场进行反分析，能够获得最接近现场实际情况的相关计算常量；

所述步骤二中：抽取几个关键温度点进行对比，如若不同则采取增量或者减量的方式进行计算，每次计算都采用半分法尽快获得能够最近似拟合计划温度场对应的流量，此流量即为第二日的控制流量，即为求解符合计划温度场的控制流量最优解，采用温度场仿真方法计算。

2.根据权利要求1所述一种基于数值模型的混凝土通水冷却流量控制方法，其特征在于，通过混凝土温度场仿真获得预测温度场，然后将计划温度场与预测温度场进行对比，如果符合就停止计算，输出初始预测流量作为下一步冷却通水控制的流量；如果不符合，就采取在现场流量最大值和流量为零之间，求取符合计划温度场的预测流量最优解，按照半分法进行流量调整，最后能求得一个最优解，该最优解就作为下一步冷却通水控制的流量。