法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-07-23
授权
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2017-09-15
实质审查的生效 IPC(主分类):G05B13/04 申请日:20170419
实质审查的生效
2017-08-22
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种混凝土仓面小气候自适应控制方法，属于水利水电工程技术领域。
背景技术
控制浇筑温度是混凝土温控防裂的重要措施之一，控制混凝土仓面环境温度是控制浇筑温度的重要手段。
中国专利CN201520908963.1公开了一种混凝土仓面小气候控制系统，其包括喷雾机构、数据采集子系统、仓面气候控制子系统，数据采集子系统采集的混凝土仓面的气候数据(温湿度数据、风速数据、太阳辐射数据等)传输至仓面气候控制子系统，仓面气候控制子系统根据该气候数据及预设的气候阈值或气候阈值范围控制喷雾机构的喷雾方式、喷雾范围及喷雾水压。该系统能够实现根据混凝土仓面的各参数实时控制喷雾机构动作，实现混凝土仓面的温度控制。其中的喷雾机构形式多种多样，喷雾机即是常用的喷雾装置，通过调节不同的功率可实现不同的喷雾量，达到不同的降温效果。现有的喷雾机已经具有自动调节功率和喷雾量的功能，但是，在混凝土仓面温度控制过程中，尚没有根据采集的混凝土仓面的温度等参数，自适应调节喷雾机功率、喷雾量的方法。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种混凝土仓面小气候自适应控制方法，可根据混凝土入仓温度、仓面温度、风速、太阳辐射等参数及喷雾机水温参数自适应地调节喷雾量，使得混凝土仓面的浇筑温度达到目标浇筑温度，实现混凝土仓面温度的准确控制调节。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种混凝土仓面小气候自适应控制方法，由数据采集子系统采集混凝土仓面的温度、风速、太阳辐射、喷雾机水温参数，包括：
确定喷雾机的喷雾量为：
其中，Tw为喷雾机水温，vw为混凝土仓面的风速，kf和ke为系数，通过试验或现场反分析确定；Tay为外界环境温度，其计算公式为：
Tay＝Tat+ΔTa(2)
其中，Tat外界气温；ΔTa为太阳辐射热引起的日平均环境温度增量，计算公式为；
其中，S为混凝土仓面的太阳辐射；
Tas为达到设计的目标浇筑温度所对应的目标混凝土仓面环境温度，其计算公式为：
其中，T1为入仓温度，φ1为平仓作用影响系数，φ2为铺筑层间歇影响系数，
Tpg＝Tps-ΔTP(5)
其中，Tps为目标浇筑温度，ΔTP为老铺筑层混凝土热传导引起的浇筑温度修正项。
所述平仓作用影响系数φ1的计算方法为，
φ1＝kt(6)
其中，t为混凝土入仓后到平仓前所经历的时间，单位为分钟；k为经验系数；小型工程在缺乏资料情况下，取k＝0.003(1℃/min)；对于大中型坝体，需要通过工程类比或实测方法获得经验系数；
所述铺筑层间歇影响系数φ2的计算方法为：
其中：
老铺筑层混凝土热传导引起的浇筑温度的修正项ΔTP的计算方法为：
其中，
对于水化放热引起的温度回升
采用指数形式拟合时，
采用双曲线形式拟合时，
其中，θ0为绝热温升终值；a和b、n均为常数，根据绝热温升曲线性质决定；
等效水化放热时间
其中，Tc为绝热温升试验块的初始温度；Δτ为铺筑薄层间歇时间。
当铺筑层厚度为0.3m时，新老混凝土温差为1℃时，老混凝土热传导影响系数
其中，比热的单位为kJ/(kg·℃)。
当铺筑层厚度为0.4m时，新老混凝土温差为1℃时，老混凝土热传导影响系数
当铺筑层厚度为0.5m时，新老混凝土温差为1℃时，老混凝土热传导影响系数
本发明的优点是：
本发明的混凝土仓面小气候自适应控制方法，利用数据采集子系统采集的混凝土仓面的温度、风速、太阳辐射等参数及喷雾机的水温参数等参数，根据设定的目标浇筑温度，确定混凝土仓面所需的目标喷雾量，根据计算得到的目标喷雾量自适应地调整喷雾机的功率，以使喷雾机的喷雾量达到目标喷雾量，进而保证混凝土仓面可达到目标浇筑温度，在现有的混凝土仓面小气候控制系统基础上，能够根据实时采集的混凝土仓面的各参数，自适应地调节喷雾量，达到准确控制调节混凝土仓面温度的目的。
附图说明
图1是不同导热系数和表面放热系数的比值条件下单位温度差引起的混凝土温升的公式计算值和有限元计算验证值的对比结果示意图。
图2是图1所示对比结果的误差分析图。
图3是不同比热条件下单位温度差引起的混凝土温升的公式计算值和有限元计算验证值的对比结果示意图。
图4是图3所示对比结果的误差分析图。
图5是本发明于一具体实施例中喷雾机的部署方式图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开的混凝土仓面小气候自适应控制方法，包括：
1、浇筑期间水化热温升。
等效水化放热时间为：
其中，Tc为绝热温升试验块的初始温度；T1为入仓温度；
水化放热引起的温度回升为
采用指数形式拟合时，水化放热引起的温度回升为：
其中，θ0为绝热温升终值；a和b均为常数，根据绝热温升曲线性质决定。
采用双曲线形式拟合时，水化放热引起的温度回升为：
其中，θ0为绝热温升终值；n为常数，根据绝热温升曲线性质所决定。
使用式(1)-式(3)时应特别注意铺筑薄层间歇时间的单位，避免出现因时间单位而引起的错误。
2、入仓温度、外界环境温度与浇筑温度的关系。
混凝土浇筑期间，外界环境温度引起的浇筑温度增量可采用迭代方法计算。
计算初值按下式考虑：
其中，Ta为环境温度；
φ1＝kt(5)
其中，t为混凝土入仓后到平仓前所经历的时间，单位为分钟；k为经验系数。小型工程缺乏资料情况下，取k＝0.003(1℃/min)；对于大中型坝体，需要通过工程类比或实测方法获得经验系数。
其中，
浇筑温度通过迭代计算得到，迭代递推计算公式为：
当n≥3时，即进行三次以上迭代可获得精确的浇筑温度计算值。
混凝土浇筑过程中，下层混凝土的热传导将影响新浇筑混凝土的浇筑温度，新老混凝土温差为1℃时，老混凝土热传导影响系数
最终，得到混凝土浇筑温度为：
Tp＝Tp估n+ΔTP(8)
其中，Tp为混凝土浇筑温度，单位为℃；ΔTP为老混凝土热传导引起的浇筑温度的修正项，单位为℃；Tp估n为第n次的估算值，一般取3次估算值。
由老混凝土热传导引起的浇筑温度修正项ΔTP的计算方法为：
表1当铺筑层厚度为0.3m时，老混凝土热传导影响系数
表2当铺筑层厚度为0.4m时，老混凝土热传导影响系数
表3当铺筑层厚度为0.5m时，老混凝土热传导影响系数
3、对上述预测混凝土浇筑温度的方法进行验证。
式(4)中，铺筑层间歇影响系数φ2的取值和验证。
设：
φ2＝φ21φ22Δτ(10)
其中，φ21为表面热交换影响系数，φ22为内部热传导的影响系数。
φ21为表面热交换影响系数，其与导热系数和表面放热系数的比值
其中，a和b为待定系数。
φ22为内部热传导影响系数，其与导温系数相关，考虑到混凝土密度相差不大，故设：
其中，d和e为待定系数。
1)表面热交换影响系数系数φ21确定
根据朱伯芳院士的《大体积混凝土温度应力与温度控制》的理论解，可采用以下计算条件确定φ21和φ22：
浇筑温度按0℃考虑，外界温度按10℃考虑。混凝土浇筑模型顶面散热，其余面绝热。混凝土浇筑模型高度为0.5m，导热系数为164kJ/m·d·℃，比热为0.9kJ/kg·℃，计算表面放热系数为100-1200kJ/m2·d·℃情况下，单位温度差引起的混凝土温升。将系数d的取值定为182.2，则φ22＝1，根据计算结果即得到比热0.9kJ/kg·℃且导热系数取值为164kJ/m·d·℃时，表面放热系数变化情况下单位温度差引起的单位时间混凝土温升，并由此得到系数φ21。表4为在浇筑间歇期Δτ分别为3～8个小时情况下，φ21φ22值(φ22＝1)。根据计算结果，
表4浇筑间歇期Δτ分别为3～8个小时情况下，φ21φ22值(φ22＝1)
当间歇时间为5小时、比热为0.9kJ/kg·℃、导热系数取值164kJ/m·d·℃、φ22＝1，且铺筑层间歇影响系数取值为
2)内部热传导的影响系数φ22确定
计算条件：浇筑温度按0℃考虑，外界温度按10℃考虑。混凝土浇筑模型顶面散热，其余面绝热；导热系数为164kJ/m·d·℃，表面放热系数为600kJ/m2·d·℃，计算比热为0.6-1.2kJ/kg·℃情况下单位温度差引起的混凝土温升，并由此得到φ22。
表5和表6分别为导热系数为164kJ/m·d·℃，表面放热系数为600kJ/m2·d·℃时，不同比热情况下φ21φ22和φ22的取值。根据计算结果可知，φ22值和浇筑间歇的时间无关，仅和比热相关。
当间歇时间为5小时、导热系数为164kJ/m·d·℃、表面放热系数为600kJ/m2·d·℃且
表5表面放热系数为600kJ/m2·d·℃时，不同比热情况下的φ21φ22值
表6表面放热系数为600kJ/m2·d·℃时，不同比热情况下φ22值
3)φ2适用范围的验证
根据式(10)式(11)和式(12)，可以确定φ2的取值：
本发明采取了不同的混凝土材料参数验证式(13)的正确性，表7和表8分别为表面放热系数为900kJ/m2·d·℃、导热系数为164kJ/m·d·℃，不同的比热情况下计算得到的φ21φ22值和φ22值；表9和表10分别为表面放热系数为300kJ/m2·d·℃、导热系数为164kJ/m·d·℃，不同的比热情况下，计算得到的φ21φ22值和φ22值。根据计算结果，φ21φ22值和φ22值均与铺筑层浇筑间歇时间无关，且均能较好的利用式(13)拟合。
表7导热系数为164kJ/m·d·℃，不同比热情况下φ21φ22值
表8导热系数为164kJ/m·d·℃，不同比热情况下φ22值
表9导热系数为164kJ/m·d·℃，不同比热情况下φ21φ22值
表10导热系数为164kJ/m·d·℃，不同比热情况下φ22值
4、由老混凝土热传导引起的浇筑温度的修正项ΔTP的取值方法。
计算条件：浇筑温度按0℃考虑，外界温度按10℃考虑。混凝土浇筑模型底面散热，其余面绝热；导热系数为164kJ/m·d·℃，表面放热系数为100000kJ/m2·d·℃，计算比热为0.6-1.2kJ/kg·℃情况下，单位温度差引起的混凝土温升。计算结果见表1～表3，分别对应铺筑层厚度分别为0.3m、0.4m、0.5m情况下，老混凝土热传导引起的老混凝土热传导影响系数
5、确定喷雾量
上述式(7)～式(9)是根据已知的入仓温度、混凝土仓面环境温度得到预测的混凝土浇筑温度。那么，在设计院提供的目标浇筑温度(已知定值)的基础上，根据式(7)～式(9)进行反推，可得到为达到该目标浇筑温度所对应的目标混凝土仓面环境温度，进一步的，根据所要达到的目标混凝土仓面温度，确定喷雾机所需提供的喷雾量。具体为：
根据目标浇筑温度，得到达到该目标浇筑温度所需的目标混凝土仓面环境温度为：
其中，T1为入仓温度，可由人工实时监测获得，φ1为平仓作用影响系数，φ2为铺筑层间歇影响系数，
Tpg＝Tps-ΔTP(15)
其中，Tps为给定的目标浇筑温度，ΔTP为老混凝土热传导引起的浇筑温度修正项，其根据式(19)确定；即在目标混凝土浇筑温度基础上，去除老混凝土热传导影响的混凝土浇筑温度增量。
根据式(14)计算得到目标混凝土仓面环境温度，确定喷雾机的喷雾量为：
其中，Tw为水温，其由喷雾机中装设的温度传感器采集的温度信号确定；vw为风速，其由混凝土仓面上方安装的风速传感器采集的风速信号确定；kf和ke为系数，通过试验或现场反分析确定；Tay为外界环境温度，其根据式(17)确定：
Tay＝Tat+ΔTa(17)
其中，Tat为气温，其由混凝土仓面上方安装的温度传感器采集的温度信号确定；ΔTa为太阳辐射热引起的日平均环境温度增量，单位为℃，计算公式为；
S为太阳辐射的实测值，单位为kJ/(m2·h)，其由混凝土仓面上方安装的太阳辐射传感器采集的太阳辐射信号确定。
本发明中，老铺筑层是指混凝土已浇筑结束的铺筑层，新铺筑层是指在已浇筑结束的老铺筑层的表面正在浇筑的混凝土层。由老铺筑层混凝土热传导引起的浇筑温度的修正项ΔTP的计算方法为：
其中，为老混凝土热传导影响系数，TPo为老铺筑层混凝土的实测浇筑温度。
即，本发明是利用现有的数据采集子系统采集混凝土仓面的各项参数(包括温度、风速、太阳辐射等)及喷雾机中的水温参数等参数，根据设定的目标浇筑温度，利用式(16)确定混凝土仓面所需的目标喷雾量，根据计算得到的目标喷雾量调整喷雾机的功率，使得喷雾机的喷雾量达到目标喷雾量，进而使得混凝土仓面达到目标浇筑温度。
于一具体实施例中，乌东德电站坝体沿河流左右岸的宽度一般为20m，大坝一般修建在河谷中，往往有大风的作用。如图5所示，在河流两岸部署数据采集子系统及喷雾机，喷雾机的间距为20m，喷雾机距离上游和下游坝体表面10m左右；为使喷雾量均匀，喷雾机的水平转角设置在180°以上，垂直转角设置为向下10°以上、向上60°；根据设计的目标浇筑温度及计算得到的目标喷雾量，调整喷雾机的功率，使得喷雾机的喷雾量达到目标喷雾量，保证混凝土仓面的浇筑温度达到目标浇筑温度。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
机译： 塔架的制造方法，特别是用于风能机组塔架的方法，其中至少一个扇形环塔架是由预制的混凝土零件制造而成的，这些混凝土零件彼此并排布置，并具有水平的和塔架的两个接触面。一种由至少一个扇形环塔式混凝土组成的风能单元。它是由混凝土预制件环形成的，这些预制件彼此并排布置，并具有两个水平接触面。
机译： 一种用于以软胶水清洁蒸汽发生器加热面清洁的自适应控制方法
机译： 自动起飞的仓仓控制方法无效
