1.本发明关于寒冷地区百米级超高拱坝混凝土接缝灌浆混凝土冷却领域，尤指一种寒冷区混凝土拱坝自适应通水冷却系统及其调控方法。
背景技术：
2.寒冷地区一年四季气温变化幅度大，冬季气温可以达到零下10℃以下，夏季气温可以达到30℃以上。对于寒冷区拱坝的施工灌浆混凝土冷却阶段是关键，但是寒冷区通水冷却水温的条件面临两个严重的技术挑战：需要根据环境及施工阶段实现不同冷却水温的调节；同时由于寒冷季节气温过低常常会出现冷水机组出水结冰等现象，需要通热水防止上述现象，但是常常会导致冷却水温无法控制的问题。上述问题在于寒冷区非常普遍，造成拱坝升温、降温、控温阶段无法实现目标温度，常常出现拱坝接缝灌浆完成后缝再次张开的现象或者直接导致大体积混凝土出现裂缝的现象。基于上述现象，本发明提出了一种寒冷区拱坝的自适应通水冷却系统及方法。
技术实现要素：
3.本发明的目的在于提供一种寒冷区混凝土拱坝自适应通水冷却系统及其调控方法，旨在解决在混凝土大坝施工过程中根据混凝土的温度变化需求精确控制冷却水的温度的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种寒冷区混凝土拱坝自适应通水冷却系统及其调控方法，所述系统包括冷水机组、自适应控制单元、稀土厚膜速热单元以及自适应电磁阀；
6.所述冷水机组，其进水口连通水源，其出水口连接所述自适应电磁阀，所述自适应电磁阀分别连接第一出水管路和第二出水管路，其中所述第一出水管路连接所述稀土厚膜速热单元的进水口，所述第二出水管路与所述稀土厚膜速热单元的出水管路交汇后连接混凝土仓的冷却管路；所述自适应控制单元通信连接所述稀土厚膜速热单元以及自适应电磁阀；
7.所述调控方法包括：
8.所述自适应控制单元获取所述大坝浇筑过程中混凝土对应的三期九阶段冷却控温曲线；
9.基于所述三期九阶段冷却控温曲线获取当前混凝土的目标温度；
10.基于所述目标温度获取当前混凝土所需的冷却水水温和冷却水通水流量；
11.基于当前混凝土所需的冷却水水温和冷却水通水流量并利用下式获取第一管路对应的流量qc和第二管路对应的流量qh：
[0012][0013]
其中，tc为所述第一管路对应的水温，th为所述稀土厚膜速热单元的出水管路对应
的水温，tm为所述当前混凝土所需的冷却水水温，qm为所述当前混凝土所需的冷却水通水流量；
[0014]
所述自适应控制单元按所述流量qc和流量qh控制所述自适应电磁阀的开度。
[0015]
较佳地，“基于所述目标温度获取当前混凝土所需的冷却水水温和冷却水通水流量”的步骤包括：
[0016]
按下式所示的方法获取当前混凝土所需的冷却水水温和冷却水通水流量：
[0017][0018]
k＝2.08-1.174ξ 0.256ξ2[0019][0020]
s＝0.971 0.1485ξ-0.0445ξ2[0021][0022][0023][0024]
式中：tm为当前混凝土所需的冷却水水温，t为当前混凝土的目标温度，δθ(τ)为龄期相关的绝热温升值，τ为养护龄期，t0为混凝土初始温度，t为混凝土通水冷却时间，a为混凝土导温系数，d为混凝土的冷却直径，λ为混凝土导热系数，λ1为冷却管路导热系数，c为冷却管路外半径，r0为冷却管路内半径，s为相邻冷却管路间距，π为圆周率，qm为当前混凝土所需的冷却水通水流量，l为混凝土的冷却管路长度，cw为冷却水比热，ρw为冷却水密度，ξ为预设的冷却水等效导温系数。
[0025]
较佳地，所述三期九阶段冷却控温曲线对应的三期分别为一期冷却、中期冷却和二期冷却；所述三期九阶段冷却控温曲线对应的九阶段分别一冷控温龄期t1、降温龄期t2、中冷控温龄期t3、降温龄期t4、二次控温龄期t5、二冷降温龄期t6、控温龄期t7、控温龄期t8、二次控温龄期t9。
[0026]
较佳地，所述自适应控制单元是无线通信连接所述稀土厚膜速热单元以及自适应电磁阀。
[0027]
本发明的优点在于：
[0028]
本发明提供的种寒冷区混凝土拱坝自适应通水冷却系统及其调控方法，在混凝土大坝施工过程中能够根据混凝土的温度变化需求精确控制冷却水的温度，保障混凝土施工的温控措施。
附图说明
[0029]
图1是本发明的一种寒冷区混凝土拱坝自适应通水冷却系统的结构示意图；
[0030]
图2是本发明的一种三期九阶段冷却控温曲线的示意图。
具体实施方式
[0031]
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
[0032]
参阅附图1，图1示例性示出了一种寒冷区混凝土拱坝自适应通水冷却系统的主要结构。如图1所示，本实施例提供的寒冷区混凝土拱坝自适应通水冷却系统包括冷水机组1、自适应控制单元2、稀土厚膜速热单元3以及自适应电磁阀4。冷水机组1的进水口连通水源，其出水口连接自适应电磁阀4，自适应电磁阀4分别连接第一出水管路和第二出水管路，其中第一出水管路连接稀土厚膜速热单元2的进水口，第二出水管路与稀土厚膜速热单元2的出水管路交汇后连接混凝土仓的冷却管路5，冷却管路5的末端可以连接一回水机组6。自适应控制单元2通信连接稀土厚膜速热单元3以及自适应电磁阀4。稀土厚膜速热单元3是一种现有的快速加热的装置，混凝土大坝的通水冷却所需的水流量很大，若仅使用稀土厚膜速热单元3直接将水的温度升高到所需的温度，则稀土厚膜速热单元3无法满足冷却水的流量要求，为此，本发明通过自适应电磁阀4分出第一出水管路和第二出水管路，第一管路的水经稀土厚膜速热单元3使水温快速升高，之后，稀土厚膜速热单元2流出的水与第二出水管路的水混合后，流入混凝土仓的冷却管路5。可以理解是，稀土厚膜速热单元3流出水的温度是高于实际所需的温度，稀土厚膜速热单元2流出的水与第二出水管路的水混合后，得到冷却水的流量以及温度才是实际所需要的。
[0033]
冷却水的流量以及温度控制是基于自适应控制单元2计算得到，并通过控制稀土厚膜速热单元3和自适应电磁阀4来实现的。自适应控制单元2为系统的控制模块，其可以运算混凝土仓的三期九阶段冷却控温曲线及其对应的实施计划、控制稀土厚膜速热单元3的运行状态、控制自适应电磁阀4开合控制及流量。控制稀土厚膜速热单元3的运行状态主要包括加热开始时间、关闭时间及水温温升值，出水温度等。控制自适应电磁阀4开合控制及流量主要包括控制流入第一出水管路以及第二出管路的流量。
[0034]
自适应控制单元2是无线通信连接稀土厚膜速热单元3以及自适应电磁阀4。具体地，自适应控制单元2包含电源、信号发射器和接收器、稀土厚膜速热单元控制器和自适应电磁阀控制器。电源为自适应控制单元2提供电力。信号发射器和接收器是用于将自适应控制单元2的控制指令发送给稀土厚膜速热单元3、自适应电磁阀4，或者接收来自稀土厚膜速热单元3、自适应电磁阀4的状态信息。稀土厚膜速热单元控制器用于控制稀土厚膜速热单元3的运行。自适应电磁阀控制器用于控制自适应电磁阀4的开度。
[0035]
稀土厚膜速热单元3是由多个稀土厚膜速热管路连接组成，稀土厚膜速热管路具有体积小巧、加热速度快、节能的优点。稀土厚膜速热管路的数量根据现场施工的通水最大流量q
max
及最大通水水温变化幅度
△
t进行确定。具体可以按公式(1)所示的方法确定稀土厚膜速热管路的数量
[0036][0037]
其中，n为稀土厚膜速热管路的数量，r为稀土厚膜速热管路的半径，t
x
为稀土厚膜的加热速率，单位(℃/s)，l为单个稀土厚膜速热管路的长度。本实施例中，根据现场施工条件通常按照2.5m3/h的流量计算，通常设定10m左右的稀土厚膜管长即可满足通水最大要求。
[0038]
自适应电磁阀4为调节通水流量的关键装置，由于混凝土大坝(拱坝)需要根据不同的龄期提供不同的水温，因此自适应电磁阀4需要根据实际需求调节电磁阀开度，保障通过稀土厚膜速热单元3的通水流量。自适应电磁阀4的关键在于能够做到每秒微调开度，直至流量满足需求。进一步地，不同的龄期对应的水温和水流量均不同，本发明采用稀土厚膜速热单元3作为冷却水的加热装置，能够做到根据实际需求随时变化供水的温度，并且在不需要加热时立即关闭，相对于传统的太阳能加热或锅炉加热，其应用于混凝土大坝的通水冷却能够大大节约能耗。
[0039]
本实施例提供的一种寒冷地区混凝土大坝通水冷却智能调控方法是基于自适应控制单元控制实现，该调控方法包括：
[0040]
步骤s1：自适应控制单元获取大坝浇筑过程中混凝土对应的三期九阶段冷却控温曲线。
[0041]
参阅附图2，图2为一种三期九阶段冷却控温曲线的示意图。三期九阶段冷却控温曲线对应的三期分别为一期冷却、中期冷却和二期冷却；三期九阶段冷却控温曲线对应的九阶段分别一冷控温龄期t1、降温龄期t2、中冷控温龄期t3、降温龄期t4、二次控温龄期t5、二冷降温龄期t6、控温龄期t7、控温龄期t8、二次控温龄期t9。
[0042]
步骤s2：基于三期九阶段冷却控温曲线获取当前混凝土的目标温度。具体地，根据三期九阶段冷却控温曲线并基于当前时间对应的温度，为当前混凝土的目标温度。
[0043]
步骤s3：基于目标温度获取当前混凝土所需的冷却水水温和冷却水通水流量。
[0044]
具体地，按公式(2)至公式(8)所示的方法获取当前混凝土所需的冷却水水温和冷却水通水流量：
[0045][0046]
k＝2.08-1.174ξ 0.256ξ2ꢀꢀ
(3)
[0047][0048]
s＝0.971 0.1485ξ-0.0445ξ2ꢀꢀꢀ
(5)
[0049][0050][0051][0052]
式中：tm为当前混凝土所需的冷却水水温，t为当前混凝土的目标温度，δθ(τ)为龄期相关的绝热温升值，τ为养护龄期，t0为混凝土初始温度，t为混凝土通水冷却时间，a为混凝土导温系数，d为混凝土的冷却直径，λ为混凝土导热系数，λ1为冷却管路导热系数，c为冷却管路外半径，r0为冷却管路内半径，s为相邻冷却管路间距，π为圆周率，qm为当前混凝土所需的冷却水通水流量，l为混凝土的冷却管路长度，cw为冷却水比热，ρw为冷却水密度，ξ为预设的冷却水等效导温系数。
[0053]
步骤s4：基于当前混凝土所需的冷却水水温和冷却水通水流量并利用公式(9)获
取第一管路对应的流量qc和第二管路对应的流量qh：
[0054][0055]
其中，tc为第一管路对应的水温，th为稀土厚膜速热单元的出水管路对应的水温，tm为当前混凝土所需的冷却水水温，qm为当前混凝土所需的冷却水通水流量。
[0056]
步骤s5：自适应控制单元按流量qc和流量qh控制自适应电磁阀的开度。
[0057]
通过控制自适应电磁阀的开度使得第一管路对应的流量qc和第二管路对应的流量qh满足计算要求，进而使冷却管路的冷却水水温和冷却水通水流量满足当前需要，最终使得混凝土冷却过程满足三期九阶段冷却控温曲线。
[0058]
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的参数、方法或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些参数、方法或者装置所固有的要素。
[0059]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。