CN204899225U - 大体积混凝土智能通水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于大体积混凝土工程技术领域，具体地涉及一种新型的大体积混凝土智能通水系统，包括：水温控制装置、通水换向装置、水管流量测控装置、测控装置，参数测量装置及测控服务器；所述水温控制装置与所述通水换向装置连接，所述通水换向装置与所述水管流量测控装置连接；所述水温控制装置、通水换向装置及水管流量测控装置与所述测控装置连接，所述测控装置与所述参数测量装置及测控服务器连接。本实用新型通过对混凝土通水设备通水流量、通水水温和通水方向的自动精准控制，可实现混凝土内部温度的可控，使得混凝土内部温度按照理想化温度进行控制。

Description

大体积混凝土智能通水系统

技术领域

本实用新型属于大体积混凝土工程技术领域，具体地涉及一种新型的大体积混凝土智能通水系统。

背景技术

通水冷却是大体积混凝土温控防裂的一项主要措施，早期主要采用人工通水的方式，通水流量、通水水温和降温速率不能够有效保证，换向也主要依靠人工，资料记录也主要依靠人工测量和记录，工作量巨大，耗时费力。

随着自动化监测技术、GPS技术、无线传输技术、自动控制技术的迅速发展，智能通水技术得以迅速发展，现有的智能通水系统主要是对流量的调节，且调节模型为通断式，即温度达到要求后停止通水，温度超标后启动通水，这种通水方式势必造成混凝土温度的不断冷激，在水管周边易于形成微裂缝，且对于通水水温只是提出了对通水水温的选择，并没有具体实现方法，因此，现有智能通水系统无法精确控制通水流量、通水水温和通水方向，有待进一步改进。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种准确预测下一时段的目标温度、自动精确地控制下一个时段的通水流量、通水水温和自动换向的一种新型的大体积混凝土智能通水系统。

本实用新型的技术解决方案是：提供一种大体积混凝土智能通水系统，包括：水温控制装置、通水换向装置、水管流量测控装置、测控装置，参数测量装置及测控服务器；水温控制装置与通水换向装置连接，通水换向装置与水管流量测控装置连接；水温控制装置、通水换向装置及水管流量测控装置与测控装置连接，测控装置与参数测量装置及测控服务器连接；参数测量装置用于获取温度及水压信息；水温控制装置通过测控装置与测控服务器通信实时调控通水水温；通水换向装置通过测控装置与测控服务器通信实时自动调控流向；水管流量测控装置通过测控装置与测控服务器通信实时对通水流量进行控制。

进一步，水温控制装置采用分层取水控制装置或冷却机组，分层取水控制装置包括设于水源不同深度的多个取水管路，每个取水管路设有用于实时测量水源不同深度温度的水源温度传感器及用于调控通水水温的电磁阀；通水换向装置布置于主通水管路上，用于实时记录换向信息并24小时自动调控流向；通水换向装置设有四个通水管路，分别连接进水口、排水口、进口冷却口及出口冷却口；分层取水控制装置通过输水管路与进水口连接；水管流量测控装置布置于主通水管路上用于实时测量水管水温及流量并对通水流量进行控制；参数测量装置包括：布置于坝址处用于实时测量坝址处温湿度的温湿度传感器，布置于大体积混凝土坝内部用于实时测量混凝土内部温度的多个温度传感器；设于进水口及排水口分别设有用于实时测量进口水温、出口水温的进口水温传感器及出口水温传感器；设于进水口及排水口的水压传感器；用于测量气温、地温、仓面温度的温度传感器；用于测量太阳辐射热的太阳辐射仪；用于测量温度梯度的温度梯度仪；大体积混凝土坝内部设有通水管，通水管的一端设于进口冷却口一侧并通过水管流量测控装置与主通水管路连接，另一端设于出口冷却口一侧并与主通水管路连接；测控装置与水源温度传感器、电磁阀、通水换向装置、水管流量测控装置、温湿度传感器、温度传感器、进口水温传感器、出口水温传感器、水压传感器、辐射仪及温度梯度仪连接；测控服务器还连接有用于测控骨料温度、机口温度、入仓温度、浇筑温度的测试记录仪；测控装置通过无线传输网络或有线传输网络与测控服务器连接。

进一步，测控服务器通过下式获取通水水温：

式中，T_w为混凝土的温度，ΔT_外界为外界温度在水管附近引起的温度增量，T₁(t)为某时刻的混凝土平均温度，θ₀Ψ(t)为某时刻的绝热温升，T₀为混凝土初温，t为时间；p＝k₂ga/D²，式中g为重力加速度，a为水管导温系数，D为水管直径，k₂为流量系数。

进一步，冷却机组包括设于水源内的取水管，冷却机组通过输水管与进水口连接；冷却机组通过测控装置接收测控服务器发送的冷却指令对通水水温进行自动调节。

进一步，通水换向装置包括四通及换向电磁阀，四通与换向电磁阀连接。

进一步，大体积混凝土坝内部的温度传感器的数量为三个，分别布置于浇筑块上下游方向长度的1/4、1/2、3/4处。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：通过对混凝土通水设备通水流量、通水水温和通水方向的自动精准控制，可实现混凝土内部温度的可控，使得混凝土内部温度按照理想化温度进行控制。

附图说明

图1示出了本实用新型大体积混凝土智能通水系统的结构框图；

图2示出了本实用新型大体积混凝土智能通水系统第一实施方式的结构示意图；

图3示出了本实用新型大体积混凝土智能通水系统第二实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

下面结合具体实例和说明书附图对本实用新型做进一步说明。

参图1及图3所示，图1示出了本实用新型大体积混凝土智能通水系统的结构框图；图2示出了本实用新型大体积混凝土智能通水系统第一实施方式的结构示意图；图3示出了本实用新型大体积混凝土智能通水系统第二实施方式的结构示意图。

本实施例提供了一种大体积混凝土智能通水系统，包括：水温控制装置10、通水换向装置20、水管流量测控装置30、测控装置40(装于配电箱内，配电箱装于坝址附近的分控站中)，参数测量装置50及测控服务器60；水温控制装置10与通水换向装置20连接，通水换向装置20与水管流量测控装置30连接；水温控制装置10、通水换向装置20及水管流量测控装置30与测控装置40连接，测控装置40与参数测量装置50及测控服务器60连接；参数测量装置50用于获取温度及水压信息；水温控制装置10通过测控装置40与测控服务器60通信实时调控通水水温；通水换向装置20通过测控装置40与测控服务器60通信实时自动调控流向；水管流量测控装置30通过测控装置40与测控服务器60通信实时对通水流量进行控制。

本实施例提供的智能通水系统通过对混凝土通水设备通水流量、通水水温和通水方向的自动精准控制，可实现混凝土内部温度的可控，使得混凝土内部温度按照理想化温度进行控制。

在本实施例中，水温控制装置10采用分层取水控制装置11或冷却机组12，分层取水控制装置包括设于水源70不同深度的多个取水管路，每个取水管路设有用于实时测量水源温度的水源温度传感器111及用于调控通水水温的电磁阀112。当采用水库分层取水时，布置水库不同深度的管路(深度不同水温不同)，管路上安装电磁阀，通过调整电磁阀实现水温的调节，若需要的流量大于供水最大流量时，则取供水最大流量，计算所需水温，通过电磁阀112调控通水水温。

通水换向装置20布置于主通水管路80上，用于实时记录换向信息并24小时自动调控流向；通水换向装置20设有四个通水管路，分别连接进水口21、排水口22、进口冷却口23及出口冷却口24；分层取水控制装置通过输水管路113与进水口21连接。

水管流量测控装置30布置于主通水管路80上用于实时测量水管水温及流量并对通水流量进行控制；

参数测量装置50包括：布置于坝址处用于实时测量坝址处温湿度的温湿度传感器，布置于大体积混凝土坝90内部用于实时测量混凝土内部温度的多个温度传感器51；设于进水口21及排水口22分别设有用于实时测量进口水温、出口水温的进口水温传感器52及出口水温传感器53；设于进水口21及排水口22的水压传感器；用于测量气温、地温、仓面温度的温度传感器；用于测量太阳辐射热的太阳辐射仪；用于测量温度梯度的温度梯度仪；

大体积混凝土坝90内部设有通水管91，通水管91的一端设于进口冷却口23一侧并通过水管流量测控装置30与主通水管路80连接，另一端设于出口冷却口24一侧并与主通水管路80连接。

测控装置40与水源温度传感器111、电磁阀112、通水换向装置20、水管流量测控装置30、温湿度传感器、温度传感器、进口水温传感器52、出口水温传感器53、水压传感器、太阳辐射仪及温度梯度仪连接；测控服务器60还连接有用于测控骨料温度、机口温度、入仓温度、浇筑温度的测试记录仪，测试记录仪通过无线网络与测控服务器连接实时测量骨料温度、机口温度、入仓温度和浇筑温度；测控装置40通过无线传输网络或有线传输网络与测控服务器60连接。本实施例的总控室可设在机房内，测控服务器60可布置于总控室内，服务器中安装有实时采集程序与调控程序，在施工现场布置无线网络(WIFI、ZIGBEE等)或有线网络，实现总控室与施工现场相关设备的实时通讯，实时采集与调控程序每天根据采集的信息实现自动计算(流量、流向、水温)，服务器根据计算量自动将通水流量、流向及水温下发给相关设备，实现设备的自动调控，调控完成后，设备自动返回通水正常与不正常的相关预警信息，施工人员可根据软件的预警信息进行相关处理。

在本实施例中，冷却机组包括设于水源70内的取水管121，冷却机组通过输水管122与进水口21连接，通过测控装置40接收测控服务器60发送的冷却指令进行通水水温的自动调节。

在本实施例中，通水换向装置20包括四通25及换向电磁阀26，四通25与换向电磁阀26连接，通过测控装置40接受测控服务器60发送的换向指令进行通水方向的24小时自动调节。

在本实施实例中，水管流量测控装置30接受测控服务器60发送的冷却所需流量实现通水流量的自动调节。

在本实施例中，大体积混凝土坝90内部的温度传感器51的数量为三个，取三支温度传感器51的平均值，实时测量混凝土内部温度。

本实施例的采集程序与调控程序通过建立混凝土智能通水冷却参数预测模型实现，具体包括：

(1)流量的控制：

该模型的主要功能是根据理想温度过程线已知降温目标的条件下预测通水水温和流量。该模型需考虑绝热温升、温度梯度及降温速率等多种因素。

考虑外表绝热的混凝土圆柱体，直径为D，长度为L，混凝土初温为T₀，初始进口水温为T_w，绝热温升为θ(τ)＝θ₀f(τ)，在绝热温升和水管冷却的共同作用下，混凝土平均温度为：

T₁(t)＝T_w+(T₀-T_w)e^-pt+θ₀Ψ(t)+ΔT_外界(1)

其中t为时间，T₁(t)为某时刻的混凝土平均温度，θ₀Ψ(t)为某时刻的绝热温升，外界温度在水管附近引起的温度增量为ΔT_外界，混凝土的温度为T_w，混凝土初温为T₀，绝热温升为θ₀f(τ)，进口水温为T_w，

p＝p₂＝k₂ga/D²(2)

式中g为重力加速度，a为水管导温系数，D为水管直径；

k₂＝2.09-1.35ξ+0.320ξ²(3)

$\mathrm{\Δ}erf\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\right)=erf(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}-erf(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j}}\left(\frac{h}{2\sqrt{{\mathrm{at}}_j+{\mathrm{\Δt}}_j}}\right))---\left(5\right)$

式中：为误差函数，h水管至混凝土表面的距离，a为导温系数，j为序号1,2,3,4……,t_j为时间，Δt_j为t_j时刻微小的时间增量；

式中：(T₁(t)-T₀)≤Δt,Δt为要求混凝土降温速率，根据计算确定，一冷不大于0.5℃/天，中冷及二冷阶段不大于0.3℃/天；

已知Δt，ΔT_外界，T₁(t)，可求出ξ，则通过

式中q_w为通水流量，λ为沿程损失系数，L为管长，c_w为水的比热，ρ_w为水的密度；ξ为流量系数；求出预测通水冷却流量。

(2)水温的控制：

若求出的通水流量大于最大通水流量，则需要通过调整通水水温进行调

节，取现场设备的最大通水流量为q_w，则由(1)式求出通水水温：

式中，T_w为混凝土的温度，ΔT_外界为外界温度在水管附近引起的温度增量，T₁(t)为某时刻的混凝土平均温度，θ₀Ψ(t)为某时刻的绝热温升，T₀为混凝土初温，t为时间；p＝k₂ga/D²，式中g为重力加速度，a为水管导温系数，D为水管直径，k₂为与ξ相关的流量系数。

(3)流向的控制：

通过自动换向装置实现通水流向的24小时系统自动调节。

该模型通过获取19种测量值作为流量、水温计算的依据，此19种测量要素分别为：气温、地温、仓面温度、仓面湿度、太阳辐射热、骨料温度、机口温度、入仓温度、浇筑温度、温度梯度、最高温度、进口水温、出口水温、通水流量、水管压差、一冷温度、中冷温度、二冷温度、降温速率。该流量水温预测模型不仅综合考虑了上述19种测量因子，同时计算考虑了上下层温差、相邻混凝土传热、绝热温升等因子，为数值仿真模型，而非通断式模型，实现了通水流量、通水水温和通水方向的自动精准控制。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

Claims (6)

1.一种大体积混凝土智能通水系统，其特征在于，包括：水温控制装置、通水换向装置、水管流量测控装置、测控装置，参数测量装置及测控服务器；所述水温控制装置与所述通水换向装置连接，所述通水换向装置与所述水管流量测控装置连接；所述水温控制装置、通水换向装置及水管流量测控装置与所述测控装置连接，所述测控装置与所述参数测量装置及测控服务器连接；所述参数测量装置用于获取温度及水压信息；所述水温控制装置通过所述测控装置与所述测控服务器通信实时调控通水水温；所述通水换向装置通过所述测控装置与所述测控服务器通信实时自动调控流向；所述水管流量测控装置通过所述测控装置与所述测控服务器通信实时对通水流量进行控制。

2.根据权利要求1所述的大体积混凝土智能通水系统，其特征在于，所述水温控制装置采用分层取水控制装置或冷却机组，所述分层取水控制装置包括设于水源不同深度的多个取水管路，每个取水管路设有用于实时测量水源温度的水源温度传感器及用于调控通水水温的电磁阀；

所述通水换向装置布置于主通水管路上，用于实时记录换向信息并24小时自动调控流向；所述通水换向装置设有四个通水管路，分别连接进水口、排水口、进口冷却口及出口冷却口；所述分层取水控制装置通过输水管路与所述进水口连接；

所述水管流量测控装置布置于主通水管路上用于实时测量水管水温及流量并对通水流量进行控制；

所述参数测量装置包括：布置于坝址处用于实时测量坝址处温湿度的温湿度传感器，布置于大体积混凝土坝内部用于实时测量混凝土内部温度的多个温度传感器；设于所述进水口及排水口分别设有用于实时测量进口水温、出口水温的进口水温传感器及出口水温传感器；设于所述进水口及排水口的水压传感器；用于测量气温、地温、仓面温度的温度传感器；用于测量太阳辐射热的太阳辐射仪；用于测量温度梯度的温度梯度仪；大体积混凝土坝内部设有通水管，所述通水管的一端设于所述进口冷却口一侧并通过所述水管流量测控装置与主通水管路连接，另一端设于出口冷却口一侧并与主通水管路连接；

所述测控装置与所述水源温度传感器、电磁阀、通水换向装置、水管流量测控装置、温湿度传感器、温度传感器、进口水温传感器、出口水温传感器、水压传感器、辐射仪及温度梯度仪连接；

所述测控服务器还连接有用于测控骨料温度、机口温度、入仓温度、浇筑温度的测试记录仪；

所述测控装置通过无线传输网络或有线传输网络与所述测控服务器连接。

3.根据权利要求2所述的大体积混凝土智能通水系统，其特征在于，所述测控服务器通过下式获取通水水温：

式中，T_w为混凝土的温度，ΔT_外界为外界温度在水管附近引起的温度增量，T₁(t)为某时刻的混凝土平均温度，θ₀Ψ(t)为某时刻的绝热温升，T₀为混凝土初温，t为时间；p＝k₂ga/D²，式中g为重力加速度，a为水管导温系数，D为水管直径，k₂为流量系数。

4.根据权利要求2所述的大体积混凝土智能通水系统，其特征在于，所述冷却机组包括设于水源内的取水管，所述冷却机组通过输水管与所述进水口连接；所述冷却机组通过所述测控装置接收所述测控服务器发送的冷却指令对通水水温进行自动调节。

5.根据权利要求2或4所述的大体积混凝土智能通水系统，其特征在于，所述通水换向装置包括四通及换向电磁阀，所述四通与换向电磁阀连接。

6.根据权利要求2所述的大体积混凝土智能通水系统，其特征在于，所述大体积混凝土坝内部的温度传感器的数量为三个，分别布置于浇筑块上下游方向长度的1/4；1/2；3/4处。