CN105155540A - 一种在建大体积混凝土的智能水冷控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在建大体积混凝土的智能水冷控制方法及系统，该系统包括热交换装置、热交换辅助装置和控制装置；热交换管道为设置在大体积混凝土中的多根管道：热交换辅助装置通过冷热水的混合和变向向热交换装置精准输送换热介质，并对经过换热的介质进行回收利用；控制系统通过对混凝土内部温度信息及管道内换热介质的温度信息的采集，对换热辅助装置进行精确控制，其控制方法可预先编程输入控制系统。本发明可实时、系统的测量混凝土内部的温度，进而为混凝土水化成型的不同阶段智能定制控制策略，针对混凝土内部径向的温度梯度特点制定出灵活的通水温度和流量；本发明对换热后的介质进行回收利用，提高了物的利用效率。

Description

一种在建大体积混凝土的智能水冷控制方法及系统

技术领域：

本发明涉及混凝土冷却，特别是涉及一种在建大体积混凝土的智能水冷控制方法及系统。

技术背景：

大体积混凝土在浇筑成型过程中会产生大量的热量，由于混凝土表面热量散发较快而中心热量散发缓慢，故会在混凝土中心与混凝土表面形成明显温度梯度，产生对应的温度应力，把混凝土拉裂形成裂缝。对应于控制大体积混凝土裂缝产生的技术手段从设计角度到施工角度都有一些，其中较为常见的有：选择低水化热的水泥及配料、优化混凝土配合比、控制混凝土浇筑温度、分块浇筑及优化结构形式等，其中最为实用和有效的控制方法就是水冷技术。自从1931年美国垦务局第一次在欧瓦希(Owyhee)拱坝上试验了混凝土水冷技术开始，混凝土水冷技术已经在各种大体积混凝土建设项目中得到广泛的应用和认可。

传统的水冷技术方案自身其实是存在缺陷的：传统的水冷管道铺设方法采用单进单出、在混凝土中迂回通过的方式，这样的设置方法既不能有针对地控制混凝土内部呈径向的温度梯度特点，也会在顺着冷却水流向的路径中产生新的温度梯度(进水口温度低吸热快，而出水口温度高吸热慢)，这样不仅不利于降低原有的温度梯度，还会使得原本呈径向的温度梯度变得更为复杂，难以预测和控制；再者冷却用水所适宜的温度一般在30℃左右，温度太低会在管道周边形成“冷击”效应，加剧裂缝的形成，而温度太高又失去了换热的效率，所以如何制备并储存适宜温度的冷却水也是施工过程中的一道难题，传统水冷方法为求实用多直接使用常温水进行冷却，亦或者少数使用温水进行换热但又无法精确控制其给水温度，给控制过程带来不确定性；另外传统单进单出的水冷方案对换热后的热水往往直接排放掉，无法加以利用，既浪费了其物力资源，又对环境产生了不好影响。

传统的水冷控制方案也存在着诸多不足，过去的做法通常是采用一定的有限元方法进行模拟预测，把控水冷技术实施的方向和进度，然后基于施工经验，人工地进行采样和调控。其不足之处在于，由于大气环境的不可预见性和水冷管道换热的复杂性所限，实际水冷情况与有限元方法模拟出的结果相比有一定变化，而传统技术的调节能力不足，无法对这其中的变化进行即时修正，导致实际效果跟计划目标总是相距甚远；另外基于经验性的、人工的采样和调控会造成操作过程产生明显的误差甚至错误，以及导致调控过程滞后，影响实际控制效果；此外土建行业规范如《公路桥涵施工技术规范》等要求“冷却水管进出口的温差宜小于或等于10℃，且浇筑体的降温速率不宜大于2.0℃/d”，人工通水冷却手段简陋且不可控制，跟实际需要相距甚远。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种实时地对水冷速率进行智能、准确地控制的大体积混凝土智能水冷控制方法及系统。

一种在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，包括热交换装置、热交换辅助装置和控制装置；

所述热交换管道为设置在大体积混凝土中的多根管道；在大体积混凝土从上到下或者从下到上，每间隔0.8‐1m的纵向高度布置一层管道，每一层有若干根管道，从大体积混凝土的边沿到中心，每间隔0.8‐1m的水平距离布置一根管道；

所述控制装置包括控制器、温度传感器、第一电动三通阀门、第二电动三通阀门、第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀、第四电动球阀、第一电磁阀、第二电磁阀；控制器分别与温度传感器、第一电动三通阀门、第二电动三通阀门、第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀、第四电动球阀、第一电磁阀和第二电磁阀连接；温度传感器有多个，分别安装在第一分流器、第三分流器和大体积混凝土中，在大体积混凝土中多个温度传感器间隔设置在两根管道之间；

所述热交换辅助装置包括热水箱、冷水箱、第一分流器、第二分流器、第三分流器、第四分流器；热水箱分别通过第一管道、第九管道和第十管道与第一电动三通阀门、第一分流器和第二分流器连接，第一电动三通阀门分别通过第二管道和第五管道与第一分流器和第二分流器连接；冷水箱通过第三管道与第二电动三通阀门连接，第二电动三通阀门分别通过第四管道和第六管道与第三分流器和第四分流器连接；热水箱和冷水箱内设有水泵；热水箱与第一分流器和第二分流器连接的管道上分别设有第二电磁阀和第一电磁阀；第一分流器和第三分流器分别通过多根管道与大体积混凝土中多根去程管道连接；第一分流器与大体积混凝土中多根去程管道连接的管道上设有第一电动球阀，第三分流器与大体积混凝土中多根去程管道连接的管道上设有第二电动球阀；第二分流器和第四分流器分别通过多根管道与大体积混凝土中多根回程管道连接；第二分流器与大体积混凝土中多根回程管道连接的管道上设有第四电动球阀，第四分流器与大体积混凝土中多根回程管道连接的管道上设有第三电动球阀；第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀和第四电动球阀都包含多个阀门，每根管道上都有一个阀门；所述去程管道和回程管道是变化的。

为进一步实现本发明目的，优选地，管道为76mm内径的镀锌钢管，管道转角处设接头，每处转角均保持角度为90°。

优选地，第一根管道保持其距离外边界0.8‐1m的距离沿着混凝土外围边界布置。

同一根管道的出口端与进口端的水平距离控制在2m以内。

每一层的管道纵向上下措置在10cm内。

所述大体积混凝土中在同一水平层两根间隔管道之间水平距离各0.4‐0.5m的位置预埋温度传感器，沿管道长度每间隔4‐6m长度在管道两侧各安置一处温度传感器，管道拐角处增加一个温度传感器，温度传感器的整体布置上在大体积混凝土的平面上呈放射形分布。

所述第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀和第四电动球阀为流量控制阀。

所述第二电磁阀和第一电磁阀为开闭控制阀门。

应用上述系统的大体积混凝土智能水冷控制方法，包括如下步骤：

1)通过有限元软件优化出整体进度控制方案，提取其各个时间节点大体积混凝土整体和局部的温度信息，储存在控制器中，设为实际水冷进度目标；根据实际工程特性制定合理的大体积混凝土内部温度梯度控制水平，预存取在控制器中作为控制标准；

2)控制器通过分析预埋在大体积混凝土中的温度传感器采集的温度数据获得整体水冷控制速率参数及温度梯度参数，由整体水冷控制速率参数比对预设在控制器中的进度目标，修正得出当前所需的冷却水总体温度T及速率V；由温度梯度参数比对预设的温度梯度控制水平分配出各个管道冷却水的个体温度T₀及速率V₀；

3)对应于大体积混凝土内部温度分布内高外低呈径向分布的特点，设置中心层管道冷却水流以较快的冷却速度，即较低的温度T₀和较大的速率V₀；外层管道冷却水流以较小的冷却速率，即较高的温度T₀和较小的速率V₀；控制器通过实时采集预埋在各个分流器中的温度传感器的数据，获得冷热水流即时温度值T₁和T₂；

4)控制器根据分析得出的各股冷却水流控制温度T₀及速率V₀，结合冷热水流的即时温度T₁和T₂，反算出所需的冷热水即时流量V₁和V₂，并将其指令发送至各个电动球阀；

$\left\{\begin{array}{c}\frac{T_1{V}_1+T_2{V}_2}{V_1+V_2}=T_0\\ V_1+V_2=V_0\end{array}\right.$

式中T₁和T₂为实测数据，T₀和V₀为控制系统分析得出的控制参数，都为已知量；

控制器协同控制第一电动三通阀门、第二电动三通阀门、第一电磁阀、第二电磁阀的开闭状态，用以实现冷却水流的循环变向；

控制器通过控制第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀、第四电动球阀的流量，实现对混合冷却水温度T₀及速率V₀的控制，进而控制水冷速率。

所述的热交换辅助装置中采用的三通阀门为电动三通阀门，通过执行控制系统的变向控制指令，对水的流向进行控制。

所述的热交换辅助装置中采用的开闭状态阀门为电磁阀门，通过执行控制系统的开闭控制指令，配合三通阀门对水的流向进行控制。

所述的热交换辅助装置中采用的流量调节阀为电动球阀，通过执行控制系统的流量控制指令，对冷却水的温度和速率进行调配。

本发明用来采集混凝土内部温度和分流器中水流温度的传感器为PT100型温度传感器，它具有快速响应、精确可靠的特点，通过连接温度采集仪将温度信息反馈给控制系统。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1)本发明热交换管道在平面上呈回形布置，每一平面层布置有若干根管道，最外围管道保持其距离外边界0.8‐1m的距离沿着混凝土外围布满整个边界，较里层管道依次向里递进设置，保持其与外层管道在径向距离上0.8‐1m的间隔，使四边的管道都与之平行，此间隔距离有利于冷却水的吸热。

2)本发明热交换管道的同一根管道两根进出水口的距离控制在2m以内，便于管道的检查和管理；同一层不同管道的端口间隔开来分散地布置在混凝土的侧面上，避免管道端口的集中造成局部冷却速度过大，产生温度梯度。

3)为保证水冷效果，相邻两根管道之间在径向平面上保持0.8‐1m的距离；每个水平层各个管道的布置尽量保持在同一高度，如果施工条件不允许可将不同管道在纵向上措置10cm；按照实际工程体量情况设定若干水平层管道，不同水平层的管道布置在纵向上保持0.8‐1m的距离，利于混凝土整体均匀散热。

4)本发明PT100型温度传感器呈放射形分布在与水冷管道同一平面，两排管道中间处布置若干温度传感器，保持其距离两侧管道各0.4‐0.5m，使其分布在相邻管道中间位置，并依此递增到平面中心及外围区域。管道侧面布置传感器的数量由此管道的长度决定，优选每间隔4‐6m沿管道长度一侧增设一处传感器，管道拐角处酌情增减；温度传感器的整体布置上在大体积混凝土的平面上呈放射形分布。

5)本发明控制装置协调控制电动三通阀门的流向及电磁阀门的开闭状态实现冷却水流的变向循环；通过控制各电动球阀的流量，实现对混合冷却水温度及速率的控制，进而控制换热速率。

6)本发明控制装置控制水流变向的循环时间间隔与换热系统整体换热速率相对应，是一个先快后慢的过程，考虑到单向通水时间较长将导致大体积混凝土内部出现明显的局部温度梯度，优选变向的时间间隔设为5min、10min，分别对应于大体积混凝土内部升温及温度较高阶段、温度较低阶段；与之对应的，控制系统在每次水流变向的时刻重新分析各温度传感器的实时数据，更新出新的控制参数，对水冷速率自动进行调整；热交换辅助装置通过引流换热后热水进入热水箱重复利用，提高了物的利用效率，省去了高温水的制备工作。

附图说明：

图1为在建大体积混凝土的智能化水冷控制系统的结构示意图；

图2为图1中的热交换管道平面截图；

图3为图2中的A‐A截面图；

图4为传统水冷技术方案管道平面布置图(mm)；

图5为本发明实施例水冷技术方案管道平面布置图(mm)；

图6为不设置水冷方案Z＝2m高处5d温度场模拟图；

图7为传统水冷技术方案Z＝2m高处5d温度场模拟图；

图8为本发明实施例水冷技术方案Z＝2m高处5d温度场模拟图；

图9为传统水冷技术方案X＝6m处5d温度场；

图10为本发明实施例水冷技术方案X＝6m处5d温度场模拟图。

图中示出：热水箱1‐1、冷水箱1‐2、第一分流器2‐1、第二分流器2‐2、第三分流器2‐3、第四分流器2‐4、第一电动三通阀门4‐1、第二电动三通阀门4‐2、第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5、第四电动球阀4‐6、第一电磁阀4‐7、第二电磁阀4‐8、温度传感器6、第一管道3‐1、第二管道3‐2、第三管道3‐3、第四管道3‐4、第五管道3‐5、第六管道3‐6、第七管道3‐7、第八管道3‐8、第九管道3‐9和第十管道3‐10。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。

一种在建大体积混凝土的智能化水冷控制系统，包括热交换管道、热交换辅助装置和控制装置；

如图2、3所示，热交换管道为设置在大体积混凝土1中的多根管道；在大体积混凝土1从上到下或者从下到上，每间隔0.8‐1m的纵向高度布置一层管道，每一层有若干根管道，从大体积混凝土1的边沿到中心，每间隔0.8‐1m的水平距离布置一根管道，第一根管道沿着混凝土外围布满整个边界，如图2中的第七管道3‐7和第八管道3‐8，其中第七管道3‐7为去程管道，第八管道3‐8为回程管道，第七管道3‐7和第八管道3‐8是连通的；管道依次向内递进设置，与外层相邻管道在径向距离为0.8‐1m；相邻水平层管道之间纵向的高差为0.8m；优选管道为76mm内径的镀锌钢管，管道转角处设接头，每处转角均保持角度为90°。优选同一根管道的出口端与进口端的水平距离控制在2m以内，便于管道的检查和管理；优选同一水平层不同管道的进出口开口端间隔开来分散地布置在混凝土的侧面上，避免管道端口的集中造成局部冷却速度过快，产生温度梯度。

每层水冷管道的布置尽量保持在同一平面，如果施工条件不允许可将不同管道在纵向上下措置10cm。

控制装置包括控制器3、温度传感器6、第一电动三通阀门4‐1、第二电动三通阀门4‐2、第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5、第四电动球阀4‐6、第一电磁阀4‐7、第二电磁阀4‐8；控制器3分别与温度传感器6、第一电动三通阀门4‐1、第二电动三通阀门4‐2、第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5、第四电动球阀4‐6、第一电磁阀4‐7和第二电磁阀4‐8连接；温度传感器6有多个，分别安装在第一分流器2‐1、第三分流器2‐3和大体积混凝土1中，在大体积混凝土1中多个温度传感器6间隔设置在两根管道之间；大体积混凝土1中在同一水平层两根间隔管道之间水平距离各0.4‐0.5m的位置预埋温度传感器6，使其分布在相邻两根管道中间，保持沿管道长度每间隔4‐6m长度在管道两侧各安置一处温度传感器6，管道拐角处增加一个温度传感器6，温度传感器6的整体布置上在大体积混凝土1的平面上呈放射形分布。

如图1所示(图中箭头方向为水流单向循环过程)，热交换辅助装置包括热水箱1‐1、冷水箱1‐2、第一分流器2‐1、第二分流器2‐2、第三分流器2‐3、第四分流器2‐4；热水箱1‐1分别通过第一管道3‐1、第九管道3‐9和第十管道3‐10与第一电动三通阀门4‐1、第一分流器2‐1和第二分流器2‐2连接，第一电动三通阀门4‐1分别通过第二管道3‐2和第五管道3‐5与第一分流器2‐1和第二分流器2‐2连接；冷水箱1‐2通过第三管道3‐3与第二电动三通阀门4‐2连接，第二电动三通阀门4‐2分别通过第四管道3‐4和第六管道3‐6与第三分流器2‐3和第四分流器2‐4连接；热水箱1‐1和冷水箱1‐2内设有水泵，泵送水到第一管道3‐1和第三管道3‐3中。

热水箱1‐1与第一分流器2‐1和第二分流器2‐2连接的管道上分别设有第二电磁阀4‐8和第一电磁阀4‐7；第一分流器2‐1和第三分流器2‐3分别通过多根管道与大体积混凝土1中多根去程管道连接；第一分流器2‐1与大体积混凝土1中多根去程管道连接的管道上设有第一电动球阀4‐3，第三分流器2‐3与大体积混凝土1中多根去程管道连接的管道上设有第二电动球阀4‐4；第二分流器2‐2和第四分流器2‐4分别通过多根管道与大体积混凝土1中多根回程管道连接；第二分流器2‐2与大体积混凝土1中多根回程管道连接的管道上设有第四电动球阀4‐6，第四分流器2‐4与大体积混凝土1中多根回程管道连接的管道上设有第三电动球阀4‐5；第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5和第四电动球阀4‐6都包含多个阀门，每根管道上都有一个阀门。

上面的去程管道和回程管道都是瞬时的，因为通过阀门控制，水流的方向不时变换，只是为了表述方便，将首次的水流去程的管道定义为去程管道，将首次回流的管道定义为回程管道，去程管道和回程管道没有明显的分界点，是连通在一起的。

第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5和第四电动球阀4‐6为流量控制阀，控制相应管道中的水流流量；第二电磁阀4‐8和第一电磁阀4‐7为开闭控制阀门，控制相应管道的开闭状态。温度传感器6优选PT100型温度传感器。

本发明安装于大体积混凝土内部的多根管道用于实现混凝土内部的热量交换，将热量从大体积混凝土中导出，以控制大体积混凝土整体的温度梯度。

冷水箱1‐2用于对低温水的储备；热水箱1‐1用于对高温水的储备和经过换热的热水回收；其中每个水箱配备一台水泵，其功率示总共所需的管道条数而定。

在水冷工作开始之前通过有限元软件优化出整体进度控制方案，提取其各个时间节点大体积混凝土1整体和局部的温度信息，储存在控制器3中，设为实际水冷进度目标；根据实际工程特性人工制定合理的大体积混凝土1内部温度梯度控制水平，预存取在控制系统3中作为控制标准。

控制器3通过分析预埋在大体积混凝土1中的温度传感器6采集的温度数据获得整体水冷控制速率参数及温度梯度参数，由整体水冷控制速率参数比对预设在控制器3中的进度目标，修正得出当前所需的冷却水总体温度T及速率V；进一步由温度梯度参数比对预设的温度梯度控制水平分配出各个管道冷却水的个体温度T₀及速率V₀。

对应于大体积混凝土1内部温度分布内高外低呈径向分布的特点，设置中心层管道冷却水流以较快的冷却速度，即较低的温度T₀和较大的速率V₀；外层管道冷却水流以较小的冷却速率，即较高的温度T₀和较小的速率V₀。

控制器3通过实时采集预埋在各个分流器中的温度传感器6的数据，获得冷热水流即时温度值T₁和T₂。

控制器3根据分析得出的各股冷却水流控制温度T₀及速率V₀，结合冷热水流的即时温度T₁和T₂，反算出所需的冷热水即时流量V₁和V₂(算法如下)，并将其指令发送至电动球阀。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{T_1{V}_1+T_2{V}_2}{V_1+V_2}=T_0\\ V_1+V_2=V_0\end{array}\right.$

式中T₁和T₂为实测数据，T₀和V₀为控制系统分析得出的控制参数，也是已知量。则以上方程组变为V₁和V₂未知量的线性方程组，便于解出。

该系统中所示阀门均为电气化控制阀门，包括各电动三通阀门、电动球阀及电磁阀门，用于接受控制器3发回的指令，并自发响应。

控制器3协同控制第一电动三通阀门4‐1、第二电动三通阀门4‐2、第一电磁阀4‐7、第二电磁阀4‐8的开闭状态，用以实现冷却水流的循环变向。

控制器3通过控制第一电动球阀4‐3、第二电动球阀4‐4、第三电动球阀4‐5、第四电动球阀4‐6的流量，实现对混合冷却水温度T₀及速率V₀的控制，进而控制水冷速率。

以一股在第七管道3‐7中混合的冷却水为例说明水流循环及控制过程：

热水箱1‐1中的水泵将热水送至进第一管道3‐1，通过第一电动三通阀门4‐1的控制将热水转送至第二管道3‐2，随后热水进入第一分流器2‐1(第二电磁阀4‐8闭合)，分流成若干股热水流(示工程实际需要而定)；

冷水箱1‐2中的水泵将冷水送至进第三管道3‐3，通过第二电动三通阀门4‐2的控制将冷水通过第四管道3‐4进入第三分流器2‐3，分流成若干股冷水流(与热水流相对应)；

通过第一电动球阀4‐3(流量控制阀门)后特定流量的热水与通过第二电动球阀4‐4后特定流量的冷水在第七管道3‐7中混合，得到预定温度T₀及速率V₀的冷却用水，实现对冷却用水温度和流量的精确控制；

第七管道3‐7中的冷却用水在通过换热系统换热后回到第八管道3‐8中，在吸收了换热系统混凝土内部的热量后换热水被加热，此时第四电动球阀4‐6状态为全开，第一电动三通阀门4‐1在第五管道3‐5的方向关闭，第一电磁阀4‐7状态为打开，故水流被引入第二分流器2‐2，进而通过第十管道3‐10被导入热水箱1‐1实现重复利用；

以上所述为单根管道的单向循环及控制实例，其他管道情况与上述相似，不一一赘述。

本发明可方便实现在换热系统同一管道内水流的变向，换热辅助系统是一个上下对称的结构，故通过相反与上述阀门的开合情况的操作即可实现。

以一股在第八管道3‐8中混合的冷却水为例说明水流反向循环及控制过程：

热水箱1‐1中的水泵将热水送至进第一管道3‐1，通过第一电动三通阀门4‐1的控制将热水转送至第五管道3‐5，随后热水进入第二分流器2‐2(第一电磁阀4‐7闭合)，分流成若干股热水流(示工程实际需要而定)；

冷水箱1‐2中的水泵将冷水送至进第三管道3‐3，通过第二电动三通阀门4‐2的控制将冷水通过第六管道3‐6进入第四分流器2‐4，分流成若干股冷水流(与热水流相对应)；

通过第四电动球阀4‐6(流量控制阀门)后特定流量的热水与通过第三电动球阀4‐5后特定流量的冷水在第八管道3‐8中混合，得到预定温度T₀及速率V₀的冷却用水，实现对冷却用水温度和流量的精确控制；

第八管道3‐8中的冷却用水在通过换热系统换热后回到第七管道3‐7中，在吸收了换热系统混凝土内部的热量后换热水被加热，此时第一电动球阀4‐3状态为全开，第一电动三通阀门4‐1在第二管道3‐2的方向关闭，第二电磁阀4‐8状态为打开，故水流被引入第一分流器2‐1，进而通过第九管道3‐9被导入热水箱1‐1实现重复利用；

水流变向的循环时间间隔与换热系统整体换热速率相对应，是一个先快后慢的过程，考虑到单向通水时间较长将导致大体积混凝土1内部出现明显的局部温度梯度，优选变向的时间间隔设为5min、10min，分别对应于大体积混凝土1内部升温及温度较高阶段、温度较低阶段；与之对应的，控制系统在每次水流变向的时刻重新分析各温度传感器的实时数据，更新出新的控制参数，对水冷速率自动进行调整。

实施例

以一个尺寸为14m(X)×6m(Y)×4m(Z)的大体积混凝土块作为对象，取C30混凝土，其配合比如下表1。利用ANSYS有限元软件进行传统水冷技术、本发明技术方案及不设置水冷三种方案的温度场仿真模拟，采用solid70单元离散混凝土，fluid116单元模拟水管的作用，计算步长设为1h。环境温度定为20℃，混凝土入模温度25℃，管道直径80mm(镀锌铁管)，混凝土绝热温升曲线采用复合指数式，所用水泥水化热总量Q₀＝330kJ/kg，混凝土和冷却水的热力学参数如下表2、3所示：

表1混凝土施工配合比(kg/m³)

名称

水泥

水

砂子

石子

外加剂

外加剂Ⅱ

					Ⅰ
							用量	450	160	819	920	9.24	42.00

表2混凝土热力学参数及边界条件

表3冷却水热力学参数

传统水冷技术布管方案与本发明所采取的布管方案均设置3层管道，三层管道的Z方向的高度分别为1m、2m和3m。为利于比对结果，两种水冷技术方案在各层采用均值相等(温度及速率)的通水条件，管道总长也基本相当。

传统水冷技术布管方式(平面)如图4所示，采用不间断连续通水方式从管道一端流向另一端，其中中间层(2m高处)管道入水温度为28℃，流量为1.4m³/h；上下层(1m、3m高处)管道的入水温度为32℃，流量为1.2m³/h。

本实施例所采取的水冷方案布管方式(平面)如图5所示，采用冷却水循环变向方式在各个管道中交替流动，为便于计算取水流交替时间间隔为1h，各个管道中的冷却水统一改变流向。其中中间层(2m高处)三根管道入水温度分别为25℃、28℃、31℃，流量分别为1.6m³/h、1.4m³/h、1.2m³/h(从内圈到外圈)；上下层(1m、3m高处)各三根管道入水温度分别为29℃、32℃、35℃，流量分别为1.4m³/h、1.2m³/h、1.0m³/h(从内圈到外圈)。

考虑到实际管道布置情况，将同一水平层内圈管道设置在整数米位置(1m、2m和3m)，每一层中圈管道在内圈管道平面高度基础上抬高10cm，外圈管道在内圈管道平面高度基础上降低10cm。

如图6所示为不设置水冷方案Z＝2m高处5d温度场，大体积混凝土内部截面等温线E＝54℃，F＝61℃，G＝68℃，H＝75℃，最高温出现在截面中心位置，数值为76.758℃，温度分布呈径向递减至混凝土外边界。

图7为传统水冷技术方案Z＝2m高处5d温度场，大体积混凝土内部截面等温线C＝35℃，D＝40℃，E＝45℃，F＝50℃，G＝55℃，H＝60℃，最高温出现在截面下游y＝0一端，数值为60.230℃。图7显示，在水冷管道周围局部呈现出一定的温度梯度变化，整体上在保留了其内高外低呈径向分布的温度特点的同时沿着y轴负方向温度逐渐递增，在y轴方向表现出明显的温度梯度。

图8为本实施例水冷技术方案Z＝2m高处5d温度场。图中大体积混凝土内部截面等温线C＝35℃，D＝40℃，E＝45℃，F＝50℃，最高温分布在里层两管道内外围区域，最大值为54.157℃。图示显示在水冷管道周围局部呈现出一定的温度梯度变化，而整体上温度分布保持了其内高外低呈径向分布的特点。

图9为传统水冷技术方案X＝6m高处5d温度场。图中大体积混凝土内部截面等温线C＝35℃，D＝40℃，E＝45℃，F＝50℃，G＝55℃，H＝60℃。图示显示在水冷管道周围局部范围内出现了较明显的温度梯度，其中最大温差达到近21℃，且其温度梯度分布范围较小，由此产生的温度应力很容易造成沿水管路径周围的混凝土开裂。

图10为本实施例水冷技术方案X＝6m高处5d温度场。图中大体积混凝土内部截面等温线C＝35℃，D＝40℃，E＝45℃，F＝50℃。图示显示水管周边局部范围的温度梯度分布范围较图6中更广，且温差更小，其中最大温度梯度仅为12℃，这样的控制效果明显有利于减少甚至杜绝沿水管路径周围的混凝土形成裂缝。

综上所述，对比图6、图7、图8模拟结果可以看到，Z＝2m高处截面5d(120h)三种技术方案所产生的最高温度分别为76.758℃、60.230℃、54.157℃，其中传统的水冷技术方案比不设置水冷的方案最高温降低了16.5℃，本实施例水冷技术方案比传统水冷技术方案最高温又降低了6.1℃，所产生的混凝土内部的温度梯度最小，其产生的温度应力也会最小；此外，本实施例水冷技术方案避免了传统水冷技术方案所会造成的在y方向的明显的温度梯度，温度场与不设置水冷的混凝土水化热相似，很大程度保留了其原有的内高外地曾径向分布的温度特点，整体性更好，这样有利于控制混凝土内部温度应力的产生。

结合图7、图8、图9、图10模拟结果可以看到，在本方案水冷管道周边所形成的温度梯度分布特点，明显比传统水冷技术方案的要平缓和均匀，这样能更好的降低冷却管道周边产生的温度应力，有利于控制管道沿径的裂缝产生。

Claims (9)

1.一种在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，其特征在于，包括热交换装置、热交换辅助装置和控制装置；

所述热交换管道为设置在大体积混凝土中的多根管道；在大体积混凝土从上到下或者从下到上，每间隔0.8‐1m的纵向高度布置一层管道，每一层有若干根管道，从大体积混凝土的边沿到中心，每间隔0.8‐1m的水平距离布置一根管道；

所述控制装置包括控制器、温度传感器、第一电动三通阀门、第二电动三通阀门、第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀、第四电动球阀、第一电磁阀、第二电磁阀；控制器分别与温度传感器、第一电动三通阀门、第二电动三通阀门、第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀、第四电动球阀、第一电磁阀和第二电磁阀连接；温度传感器有多个，分别安装在第一分流器、第三分流器和大体积混凝土中，在大体积混凝土中多个温度传感器间隔设置在两根管道之间；

所述热交换辅助装置包括热水箱、冷水箱、第一分流器、第二分流器、第三分流器、第四分流器；热水箱分别通过第一管道、第九管道和第十管道与第一电动三通阀门、第一分流器和第二分流器连接，第一电动三通阀门分别通过第二管道和第五管道与第一分流器和第二分流器连接；冷水箱通过第三管道与第二电动三通阀门连接，第二电动三通阀门分别通过第四管道和第六管道与第三分流器和第四分流器连接；热水箱和冷水箱内设有水泵；热水箱与第一分流器和第二分流器连接的管道上分别设有第二电磁阀和第一电磁阀；第一分流器和第三分流器分别通过多根管道与大体积混凝土中多根去程管道连接；第一分流器与大体积混凝土中多根去程管道连接的管道上设有第一电动球阀，第三分流器与大体积混凝土中多根去程管道连接的管道上设有第二电动球阀；第二分流器和第四分流器分别通过多根管道与大体积混凝土中多根回程管道连接；第二分流器与大体积混凝土中多根回程管道连接的管道上设有第四电动球阀，第四分流器与大体积混凝土中多根回程管道连接的管道上设有第三电动球阀；第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀和第四电动球阀都包含多个阀门，每根管道上都有一个阀门；所述去程管道和回程管道是变化的。

2.根据权利要求1所述的在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，其特征在于，管道为76mm内径的镀锌钢管，管道转角处设接头，每处转角均保持角度为90°。

3.根据权利要求1所述的在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，其特征在于，每层第一根管道保持其距离外边界0.8‐1m的距离沿着混凝土外围边界布置。

4.根据权利要求1所述的在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，其特征在于，同一根管道的出口端与进口端的水平距离控制在2m以内。

5.根据权利要求1所述的在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，其特征在于，每一层的管道纵向上下措置在10cm内。

6.根据权利要求1所述的在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，其特征在于，所述大体积混凝土中在同一水平层两根间隔管道之间水平距离各0.4‐0.5m的位置预埋温度传感器，沿管道长度每间隔4‐6m长度在管道两侧各安置一处温度传感器，管道拐角处增加一个温度传感器，温度传感器的整体布置上在大体积混凝土的平面上呈放射形分布。

7.根据权利要求1所述的在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，其特征在于，所述第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀和第四电动球阀为流量控制阀。

8.根据权利要求1所述的在建大体积混凝土的智能水冷控制系统，其特征在于，所述第二电磁阀和第一电磁阀为开闭控制阀门。

9.应用权利要求1‐8任一项所述系统的大体积混凝土智能水冷控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)通过有限元软件优化出整体进度控制方案，提取其各个时间节点大体积混凝土整体和局部的温度信息，储存在控制器中，设为实际水冷进度目标；根据实际工程特性制定合理的大体积混凝土内部温度梯度控制水平，预存取在控制器中作为控制标准；

2)控制器通过分析预埋在大体积混凝土中的温度传感器采集的温度数据获得整体水冷控制速率参数及温度梯度参数，由整体水冷控制速率参数比对预设在控制器中的进度目标，修正得出当前所需的冷却水总体温度T及速率V；由温度梯度参数比对预设的温度梯度控制水平分配出各个管道冷却水的个体温度T₀及速率V₀；

3)对应于大体积混凝土内部温度分布内高外低呈径向分布的特点，设置中心层管道冷却水流以较快的冷却速度，即较低的温度T₀和较大的速率V₀；外层管道冷却水流以较小的冷却速率，即较高的温度T₀和较小的速率V₀；控制器通过实时采集预埋在各个分流器中的温度传感器的数据，获得冷热水流即时温度值T₁和T₂；

4)控制器根据分析得出的各股冷却水流控制温度T₀及速率V₀，结合冷热水流的即时温度T₁和T₂，反算出所需的冷热水即时流量V₁和V₂，并将其指令发送至各个电动球阀；

$\left\{\begin{array}{c}\frac{T_1{V}_1+T_2{V}_2}{V_1+V_2}=T_0\\ V_1+V_2=V_0\end{array}\right.$

控制器协同控制第一电动三通阀门、第二电动三通阀门、第一电磁阀、第二电磁阀的开闭状态，用以实现冷却水流的循环变向；

控制器通过控制第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀、第四电动球阀的流量，实现对混合冷却水温度T₀及速率V₀的控制，进而控制水冷速率。