專利名稱：大體積混凝土實時在線個性化換熱智能溫度控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統，尤其涉及高混凝土壩澆筑過程中混凝土換熱的控制。
背景技術：
對于特高拱壩，施工期的防裂的重點是混凝土溫度控制。拱壩混凝土的溫度問題主要應從控制溫度和改善約束兩方面來解決。從溫控角度，混凝土澆筑溫度、混凝土最高溫度以及最終穩定溫度是三個特征溫度，最高溫度等于澆筑溫度加上水化熱溫升。而最終穩
定溫度取決于當地氣候條件和壩體結構形式，所以工程上主要控制的是澆筑溫度和水化熱溫升。目前高拱壩的施工中溫度控制主要控制3個溫差基礎溫差、內外溫差和上下層溫差。基礎溫差通過最高溫度控制，內外溫差通過表面保溫和內部通水冷卻溫度控制，上下層溫差則通過混凝土最高溫度及合理的通水冷卻過程控制。通水冷卻第一次在工程領域中的正式應用源于上世紀30年代，1931年美國墾務局在歐瓦希(Owyhee)拱壩上進行了混凝土水管冷卻的現場試驗，結果令人滿意。此后的兩年，美國墾務局在修建胡佛水壩(Hoover)的過程中首次在混凝土倉中全面預埋冷卻水管進行人工冷卻，起到了較理想的溫控防裂效果。隨后冷卻水管以其應用的靈活性、可靠性及多用性等特點，在世界各國混凝土壩的施工中被廣泛采用。我國在1955年修建第一座混凝土拱壩——響洪甸拱壩時，首次采用了預埋冷卻水管，建成后得到了不錯的防裂效果。隨后，在三峽大壩、周公宅拱壩、ニ灘拱壩、大潮山圍堰、索風營水電站碾壓混凝土壩、龍灘水電站碾壓混凝土重力壩、白沙水庫、錦屏ー級拱壩、溪洛渡拱壩等眾多的大型水利工程中得到了廣泛應用，并獲得了較好的溫控防裂效果。從眾多的大體積混凝土工程實踐當中，可以看出水管冷卻這種人工冷卻的方法，已成為混凝土壩設計和施工中不可或缺的ー項關鍵溫控防裂措施。大量工程實踐表明，在高溫季節澆筑混凝土吋，受入倉溫度、太陽輻射和通水冷卻等外界條件的影響，混凝土澆筑倉溫度很難完全控制不超過容許最高溫度。為了使混凝土材料性能正常發展，必須使混凝土澆筑倉最高溫度達到合適的溫度。即混凝土澆筑倉的最高溫度不能過高，也不能過低。大壩施工期溫控的目的是通過人工通水冷卻實施溫度控制，使混凝土溫度保持在設計溫度(按照設計的“溫度-時間曲線”)附近，從而使施工程序和質量可控。簡單的說，整個通水冷卻是ー個溫度目標控制，是按照設計要求，將每階段的混凝土溫度調整(降低或升溫)，或控制在一定的T溫度點附近。但有很多因素會直接影響溫度控制效果，這些因素大致分類如下(I)不同氣溫、不同澆筑溫度、不同水管間距、不同施工細節(夯實程度、水管布置合理程度等)等，可能導致澆筑塊的密度不同，從而導致內部發熱狀態不一致，要求對各澆筑塊個體化冷卻控制；(2)不同倉水管變形程度不同，導致需要不同流量控制，最好做到每組冷卻支管単獨溫控；(3)人工調整通水流量間隔長，人工采集溫度和流量數據工作量大、且受主觀因素以及設備運行狀況影響較大；(4)目前控制不能做到實時、在線，現有冷卻系統受制于工程施工傳統、工程配套技術水平與施工成本的限制，難以布置足夠的相關采集儀器，難以做到實時動態的反饋控制。
目前大壩施工期控溫采用的方法和系統主要弊端包含(I)目前通水冷卻或加熱的監控主要通過人工球閥、水銀溫度計和傳統水表采用人工記錄，然后根據記錄數據進行人エ現場調控流量。人工調整通水流量間隔長，人工采集溫度和流量數據工作量大、且受主觀因素以及設備運行狀況影響較大。(2)現有通水系統精度差，效率低，數據可靠度不高，采集時間間隔長，信息反饋慢，常常導致混凝土溫控控制不理想。(3)現有控溫由于不 存在自動在建混凝土大壩溫度控制采集系統，而且也不存在具體的控制策略。往往不能夠將大壩混凝土溫度精確控制在設計溫度曲線附近，人工測量與控制往往不能夠實時，導致實際大壩溫度控制與預期偏離很大。因此大壩施工中，在保溫效果不佳，或者突遇寒潮時，往往防裂效果差，容易導致大壩開裂破壞。(4)現有技術中，人工控制混凝土大壩溫度時，也難實現大壩多壩段整體溫度協調地控制，不同壩段倉號混凝土溫度控制難以精細化、個性化控溫。(5)現有的控溫技術中，控制手段単一，檢測設備與控制設備之間的接ロ単一，設備基本沒有互通互聯，為控制大壩混凝土的溫度帶來困難和諸多不便。由于現有技術中存在以上種種不足，為了克服上述問題，為了簡單實現澆筑塊的溫度控制，就必須擺脫控制系統對大量人員的依賴、對大量材料的依賴，實現自動通水精細控溫；理論基礎上建立大體積混凝土結構的知識專家庫，硬件建設上解決好通水端，控制端設備耐久性，預警系統上建立好預警分析決策服務，從而達到形成無縫大體積混凝土結構的目的，目前國內外尚沒有這方面的系統研究工作。本發明提供了一種能夠實時在線控制的熱交換智能控制系統，其具有實時控制、操作簡單和大壩防裂好等技術效果。
發明內容
根據上述問題本發明提出了ー種大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統和方法。ー種大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統，其包括在新澆筑大體積混凝土中安裝的數字溫度傳感器，實時測量混凝土溫度；在所有或部分換熱管上安裝的第一內插式數字測溫裝置，實時測量換熱介質溫度；在所有或部分換熱管上安裝的控制裝置，對換熱介質的流量和方向控制。其中所述控制裝置為一體流溫控制裝置，所述一體流溫控制裝置包括第二內插式數字測溫裝置，實時測量換熱介質的溫度；雙向智能控制閥，對換熱介質的流量和方向進行控制Γ流量計，實時測量換熱介質的流量和方向。大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統還包括智能控制箱，其接收第一內插式數字測溫裝置以及一體流溫控制裝置的測量信號，并對一體流溫控制裝置進行PLC控制。大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統還包括服務器，其接收智能控制箱的數據，分析得出流量控制方案，并反饋給智能控制箱，智能控制箱根據接收的流量控制方案對一體流溫控制裝置進行控制。其中各裝置之間的數據傳遞采用有線或無線的方式進行。其中混凝土中安裝的數字溫度傳感器在混凝土內的分布方式為所述數字溫度傳感器位于兩層水管中間同一高層布置；優選的布置形式有線型、星型、均布型或者紡錘型。按照這種方式分布溫度計可以精確的實時測量出混凝土內部的溫度場變化。其中所述第一內插式數字測溫裝置和/或第二內插式數字測溫裝置包括ー個三通，三通的水平管左右端ロ分別與換熱管連接，三通的垂直管內設置絕熱密封環、中空螺絲和溫度傳感器，絕熱密封環與溫度傳感器靠中空螺絲與三通的垂直管內螺紋連接固定。其中在三通的垂直管內下部設置絕熱密封環，上部設置中空螺絲，溫度傳感器穿過中空螺絲和絕熱密封環插入三通水平管內部。所述絕熱密封環由密封和絕熱 兩種材料構成，下部是密封材料，上部是絕熱材料。所述溫度傳感器，由溫度傳感器探頭和導線組成，導線與溫度傳感器探頭電連接，優選所述溫度傳感器探頭端頭位于三通水平管中軸線上。ー種大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制方法，所用的控制系統包括在新澆筑大體積混凝土中安裝的數字溫度傳感器，實時測量混凝土溫度；在所有或部分換熱管上安裝的第一內插式數字測溫裝置，實時測量換熱介質溫度；在所有或部分換熱管上安裝的控制裝置，對換熱介質的流量和方向控制。其中所述控制裝置為一體流溫控制裝置，所述一體流溫控制裝置包括第二內插式數字測溫裝置，實時測量換熱介質的溫度；雙向智能控制閥，對換熱介質的流量和方向進行控制Γ流量計，實時測量換熱介質的流量和方向。大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統還包括智能控制箱，其接收第一內插式數字測溫裝置以及一體流溫控制裝置的測量信號，并對一體流溫控制裝置進行PLC控制。大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統還包括服務器，其接收智能控制箱的數據，分析得出流量控制方案，并反饋給智能控制箱，智能控制箱根據接收的流量控制方案對一體流溫控制裝置進行控制。其中各裝置之間的數據傳遞采用有線或無線的方式進行。其中混凝土中安裝的數字溫度傳感器在混凝土內的分布方式為所述數字溫度傳感器位于兩層水管中間同一高層布置；優選的布置形式有線型、星型、均布型或者紡錘型。按照這種方式分布溫度計可以精確的實時測量出混凝土內部的溫度場變化。其中所述第一內插式數字測溫裝置和/或第二內插式數字測溫裝置包括ー個三通，三通的水平管左右端ロ分別與換熱管連接，三通的垂直管內設置絕熱密封環、中空螺絲和溫度傳感器，絕熱密封環與溫度傳感器靠中空螺絲與三通的垂直管內螺紋連接固定。其中在三通的垂直管內下部設置絕熱密封環，上部設置中空螺絲，溫度傳感器穿過中空螺絲和絕熱密封環插入三通水平管內部。所述絕熱密封環由密封和絕熱兩種材料構成，下部是密封材料，上部是絕熱材料。所述溫度傳感器，由溫度傳感器探頭和導線組成，導線與溫度傳感器探頭電連接，優選所述溫度傳感器探頭端頭位于三通水平管中軸線上。由于存在密封絕熱環，可以保證溫度傳感器探頭不與三通及外界空氣接觸，提高了測量精度。中空螺釘與溫度傳感器擰入三通垂直管中，使得中空螺釘能夠對絕熱密封環產生足夠壓迫作用不致在水壓下泄露，且溫度傳感器探頭恰能位于三通水平管中軸線上。
測溫裝置經過與管壁的絕熱處理，能排除外界氣溫對測溫的干擾，準確測量進出ロ的水溫，能準確預測大體積混凝土內部熱交換量。溫度傳感器探頭端頭位于水管中軸線，與測溫對象充分接觸，保證了測溫的精度。本發明提供的大體積混凝土通水冷卻中通水系統溫度采集系統，有益效果如下(I)、結合進、出水溫度的智能通水基本理論對實際的已澆混凝土溫度預測的結果較好，說明該方法切實可行。(2)、智能通水系統在運行過 程中大壩、進出口溫度的實時遠程采集實現了在線、實時、自動化采集控制。(3)、智能通水系統可以做到根據控溫要求對通水溫度、流量、換向等通水信息的實時記錄和反饋控制，對于大體積混凝土工程的溫控精細化、過程化信息智能管理可以起到科學支撐。
下面結合附圖和實施例對本發明進行進一步說明；圖I本發明的系統結構示意圖；圖2大壩倉面埋設溫度計分布示意3管道內部溫度測量裝置正面剖視圖。圖4管道內部溫度測量裝置側面剖視圖。圖5流量預測和溫度預測計算流程圖。I內插數字測溫裝置；2澆筑時預埋入混凝土塊中數字溫度傳感器；3智能控制箱；4控制服務器；5雙向智能控制閥；6雙向渦輪流量計；7 —體流溫控制裝置；8三通，9溫度傳感器探頭，10導線，11止水絕熱環，12中空螺釘。
具體實施例方式以混凝土通水冷卻中通水控制實現實時、在線個性化控制，具體實施方案為( I)安裝在每組冷卻水管出水管的內插數值測溫裝置I ;(2)澆筑時預埋入混凝土塊中各點的數字溫度傳感器2，傳感器埋設方式見圖2 ；(3)對通水水管水溫、流量進行實時采集和控制的一體流溫控制裝置7安裝在每組冷卻水管的進水管上，一體流溫控制裝置7是將雙向智能控制閥5、雙向渦輪流量計5和內插數值測溫裝置I集成到一起的控制裝置。(4)智能控制箱3，控制箱設備包含PLC以及多通道溫度采集儀，將實時采集的數據通過無線或有線上傳至服務器4 ；(5)服務器4，接收實際通水過程中采集的混凝土溫度、進出水溫度、通水流量數據，根據采集的數據進行分析，對智能控制箱3反饋流量數據，智能控制箱3根據反饋的流量數據對一體流溫控制裝置進行控制。內插式數字測溫裝置I的結構和安裝方法為三通8下端左右兩端ロ配有螺紋，分別與通水水管相連接。三通上端ロ配有螺紋，把止水絕熱環11從上端ロ放入壓緊，把溫度傳感器從上端口和止水絕熱環11中插入，使溫度傳感器探頭位于三通下端部分的中軸上。中空螺釘12通過螺紋與三通8上端ロ連接，對止水絕熱環、溫度傳感器探頭9和導線10進行固定，導線下端與溫度傳感器探頭上端電連接。數據分析方法為根據傳熱學的傅里葉定律，對于常物性的三維有內熱源導熱問題，可以得到基本的熱傳導方程，通過對方程的求解并改寫成適于程序編制的差分形式
權利要求
1.一種大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統，其包括在新澆筑大體積混凝土中安裝的數字溫度傳感器，實時測量混凝土溫度；在所有或部分換熱管上安裝的第一內插式數字測溫裝置，實時測量換熱介質溫度；在所有或部分換熱管上安裝的控制裝置，對換熱介質的流量和方向控制。
2.如權利要求I所述的系統，其中所述控制裝置為一體流溫控制裝置，所述一體流溫控制裝置包括第二內插式數字測溫裝置，實時測量換熱介質的溫度；雙向智能控制閥，對換熱介質的流量和方向進行控制；流量計，實時測量換熱介質的流量和方向。
3.如權利要求2所述的系統，其還包括智能控制箱，其接收第一內插式數字測溫裝置以及一體流溫控制裝置的測量信號，并對一體流溫控制裝置進行PLC控制。
4.如權利要求3所述的系統，其還包括服務器，其接收智能控制箱的數據，分析得出流量控制方案，并反饋給智能控制箱，智能控制箱根據接收的流量控制方案對一體流溫控制裝置進行控制。
5.如權利要求I一 4任一所述的系統，其中各裝置之間的數據傳遞采用有線或無線的方式進行。
6.根據上述權利要求之一的系統，其中混凝土中安裝的數字溫度傳感器在混凝土內的分布方式為所述數字溫度傳感器位于兩層水管中間同一高層布置；優選的布置形式有線型、星型、均布型或者紡錘型。
7.如上述權利要求之一的系統，其中所述第一內插式數字測溫裝置和/或第二內插式數字測溫裝置包括一個三通，三通的水平管左右端口分別與換熱管連接，三通的垂直管內設置絕熱密封環、中空螺絲和溫度傳感器，絕熱密封環與溫度傳感器靠中空螺絲與三通的垂直管內螺紋連接固定。
8.如權利要求7所述的系統，其中在三通的垂直管內下部設置絕熱密封環，上部設置中空螺絲，溫度傳感器穿過中空螺絲和絕熱密封環插入三通水平管內部。
9.如權利要求8所述的系統，所述絕熱密封環由密封和絕熱兩種材料構成，下部是密封材料，上部是絕熱材料。
10.如權利要求7- 9任一所述的系統，所述溫度傳感器，由溫度傳感器探頭和導線組成，導線與溫度傳感器探頭電連接，優選所述溫度傳感器探頭端頭位于三通水平管中軸線上。
11.一種大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制方法，所用的控制系統包括在新澆筑大體積混凝土中安裝的數字溫度傳感器，實時測量混凝土溫度；在所有或部分換熱管上安裝的第一內插式數字測溫裝置，實時測量換熱介質溫度；在所有或部分換熱管上安裝的控制裝置，對換熱介質的流量和方向控制。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述控制裝置為一體流溫控制裝置，所述一體流溫控制裝置包括第二內插式數字測溫裝置，實時測量換熱介質的溫度；雙向智能控制閥，對換熱介質的流量和方向進行控制；流量計，實時測量換熱介質的流量和方向。
13.如權利要求12所述的方法，所用的控制系統還包括智能控制箱，其接收第一內插式數字測溫裝置以及一體流溫控制裝置的測量信號，并對一體流溫控制裝置進行PLC控制。
14.如權利要求13所述的方法，所用的控制系統還包括服務器，其接收智能控制箱的數據，分析得出流量控制方案，并反饋給智能控制箱，智能控制箱根據接收的流量控制方案對一體流溫控制裝置進行控制。
15.如權利要求11- 14任一所述的方法，其中各裝置之間的數據傳遞采用有線或無線的方式進行。
16.根據權利要求11- 15任一所述的方法，其中混凝土中安裝的數字溫度傳感器在混凝土內的分布方式為所述數字溫度傳感器位于兩層水管中間同一高層布置；優選的布置形式有線型、星型、均布型或者紡錘型。
17.根據權利要求11- 16任一所述的方法，其中所述第一內插式數字測溫裝置和/或第二內插式數字測溫裝置包括一個三通，三通的水平管左右端口分別與換熱管連接，三通的垂直管內設置絕熱密封環、中空螺絲和溫度傳感器，絕熱密封環與溫度傳感器靠中空螺絲與三通的垂直管內螺紋連接固定。
18.如權利要求17所述的方法，其中在三通的垂直管內下部設置絕熱密封環，上部設置中空螺絲，溫度傳感器穿過中空螺絲和絕熱密封環插入三通水平管內部。
19.如權利要求18所述的方法，所述絕熱密封環由密封和絕熱兩種材料構成，下部是密封材料，上部是絕熱材料。
20.如權利要求17- 19任一所述的方法，所述溫度傳感器，由溫度傳感器探頭和導線組成，導線與溫度傳感器探頭電連接，優選所述溫度傳感器探頭端頭位于三通水平管中軸線上。
全文摘要
本發明大體積混凝土實時在線個性化換熱智能控制系統，涉及高混凝土壩澆筑過程中混凝土通水冷卻的控制，對無縫大壩的建設具有重要意義。主要特點包括１)在新澆筑大體積混凝土中安裝傳感器實時測量混凝土溫度；２)進出水管上安裝內插式數字測溫裝置測量進出水溫度，并通過進出水溫差實時求出混凝土溫度的平均降幅；3)根據2)中求出的混凝土溫度降幅，確定實時流量；4)通過在通水水管上安裝集成溫度、流量和開度控制的一體流溫控制裝置，實現遠程實時、在線自動采集與反饋控制；5)根據溫控采集儀、一體流溫控制裝置的溫控信息采集分析，基于時間和空間溫控梯度曲線、實現對大體積混凝土溫度的智能個性化控制，達到澆筑無縫大壩的目的。
文檔編號G05D23/19GK102852146SQ20121029899
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月21日 優先權日2012年8月21日
發明者李慶斌, 林鵬, 胡昱, 周紹武, 汪志林, 洪文浩, 王仁坤, 李炳峰 申請人:清華大學, 中國長江三峽集團公司, 中國水電顧問集團成都勘測設計研究院