冷卻通水智能控制系統及其在錦屏一級拱壩中的應用

王繼敏,周厚貴,譚愷炎

(1.雅礱江流域水電開發有限公司,四川 成都 610051; 2.中國能源建設集團有限公司,北京 100022;3.葛洲壩集團試驗檢測有限公司,湖北 宜昌 443002)

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冷卻通水智能控制系統及其在錦屏一級拱壩中的應用

王繼敏1,周厚貴2,譚愷炎3

(1.雅礱江流域水電開發有限公司,四川 成都 610051; 2.中國能源建設集團有限公司,北京 100022;3.葛洲壩集團試驗檢測有限公司,湖北 宜昌 443002)

為提高大體積混凝土通水冷卻的效率,實現精準控制與透明管理,防控混凝土裂縫,研制了冷卻通水智能控制系統。經過3年實際工程現場試驗與應用性研究,解決了該系統在水電工程大體積混凝土施工期復雜條件下穩定可靠運行的關鍵問題,并最終應用于世界最高雙曲拱壩——錦屏一級拱壩工程中。結果表明,該系統實現了大體積混凝土施工期溫度控制的標準化、精細化和智能化,極大地提高了大體積混凝土溫控的效率。

混凝土;冷卻通水; 智能控制;溫控;錦屏一級拱壩

混凝土通水冷卻技術的成功應用最早見于1936年建成的美國胡佛水壩,施工人員通過預先在混凝土中埋設金屬水管,在混凝土澆筑過程中和澆筑完成后向水管通水,由冷卻水的流動將水泥水化產生的熱量帶出壩體混凝土,達到減小溫差、控制溫度裂縫的目的。由于鋼管安裝既麻煩也不能滿足快速施工要求,且費用較高,后逐步被PVC管替代。在冷卻水管中通制冷水或河水的早期通水流量是固定的,由于不同部位的溫控要求不相同,除了控制通水時間,開始嘗試通不同流量和不同水溫的水,即實施個性化通水冷卻,該技術在三峽三期工程得到全面應用,創造了“無縫大壩”的壩工奇跡[1]。

隨著近期中國錦屏、小灣、溪洛渡等高壩大庫的建設,特高拱壩的長期安全性,特別是其溫控防裂受到水電工程建設界的更大關注。通過研究與實踐,我國在建特高拱壩在混凝土材料選擇、施工期溫度控制理論方面取得可喜的成績[2],通水冷卻技術在工程實踐中也不斷得到創新發展,對大體積混凝土通水冷卻智能化的研究逐漸重視起來,但不少成果仍停留在室內試驗或工程現場試驗階段,本文介紹一種在世界最高拱壩中大規模使用的冷卻通水全智能控制系統,供同類工程和科研人員參考。

1 冷卻通水智能控制系統結構及組成

目前混凝土冷卻通水的測控多為人工操作,即人工觀測記錄進水溫度、出水溫度、通水流量、混凝土內部溫度、悶溫溫度等數據,根據設計溫控要求,依靠通水降溫經驗確定通水流量或時間,其流量調節或開斷也由人工操作完成。所謂冷卻通水智能控制系統[3],是指大壩的溫度及冷卻通水控制全部實現自動化,包括數據采集自動化、數據處理自動化、數據分析決策智能化、通水控制自動化4個部分。即在冷卻通水各管路分別安裝流量傳感器、溫度傳感器,在混凝土內部安裝溫度傳感器,各傳感器通過電纜接入多通道測控設備,測控設備通過有線或無線設備與主機連接并按照主機控制程序要求自動采集進出水溫、流量和混凝土溫度數據,同時將采集的數據實時上傳至主機數據庫,實現數據采集自動化;安裝在主機上的數據處理軟件根據主控程序設定的周期對采集的數據進行自動計算處理,包括進出水溫差、降溫幅度、降溫速率、通水時段、控制偏差等,并輸出現場溫控日報表,實現數據處理自動化;主控程序將前述自動處理的數據與預定的設計溫控過程線進行比較,包括最高溫度、降溫速率、內部溫差、目標溫度,根據實際溫度與預設的溫度控制線差值計算下一時段降溫需求,并根據這個需求確定下一時段的通水流量,實現數據分析決策智能化;最后在每組管路上安裝1個電動控制閥門,控制閥門通過有線或無線設備與多通道通水冷卻測控設備連接,主控程序根據設定的調控周期,依據上述過程得出的通水計劃(下一時段通水流量)和閥門的流量-開度關系,對閥門下達開度(等效開度)調節指令,實現通水控制自動化。系統結構如圖1所示。

圖1 混凝土冷卻通水智能控制系統結構示意圖

2 冷卻通水智能控制模型種類

2.1 準確性控制模型

2.1.1 模型及邊界、初始條件設定

混凝土壩溫度仿真計算模型研究已較成熟,但由于施工現場邊界條件復雜,很難采集到完整、準確的邊界條件參數,導致施工期仿真計算結果容易出現較大偏差,尤其是采用反演計算方法進行通水控制需要即時反饋,對邊界數據采集提出了即時性、準確性、完整性的要求,這些都很難直接采用已有的仿真計算系統解決,所以研究了基于澆筑塊的混凝土溫度場仿真計算方法[4]。針對單一壩體澆筑塊,考慮與之相鄰的上部壩塊、下部壩塊對其溫度有較大影響,故將其上部壩塊和下部壩塊的部分切入構成目標壩塊模型,如圖2所示(倉高3m,每倉鋪設2層水管,下層水管貼近收倉面,上層水管距離下層水管1.5 m,溫度計布置在2層水管中間)。該模型計算方法特點如下:①以目標壩塊任意時刻的實測溫度場作為初始溫度場,完全忽略從澆筑時刻至起算時刻期間的邊界條件,將仿真計算結果與實測溫度進行比較,對模型參數進行反演優化,實現混凝土內部溫度的短期預測;②冷卻水管周圍的網格節點,沿著冷卻水管徑向布置,同時網格單元逐漸從靠近水管處的較小體積過渡到遠處的較大體積,對冷卻水管進行精細模擬;③溫度場計算采用從平面到空間的方法,即在與水管正交的方向切取若干個垂直截面,按照平面溫度場算法計算各垂直截面的溫度場,再合成空間溫度場;④采用試算法獲得滿足設計溫控要求的通水參數,對通水進行反饋控制。

計算參數包括:水管參數(水管組數、水管間距、水管內徑、水管外徑、管材導熱系數)、模板參數(模板厚度、模板導熱系數、模板放熱系數、保溫材料厚度、保溫材料導熱系數、保溫材料傳熱系數、拆模時間)、上下游面保溫板參數(覆蓋時間、導熱系數、傳熱系數、厚度)、左右岸相鄰壩塊參數(澆筑時間、高程、模板參數)、上下壩塊參數(澆筑時間、實測溫度場)、倉面保溫參數(保溫被厚度、覆蓋時間、拆除時間、導熱系數、傳熱系數)、混凝土熱學參數(導溫系數、導熱系數、放熱系數、絕熱溫升)、氣溫、通水參數(流量、水溫)、混凝土實測溫度。

圖2 目標壩塊溫度場仿真模型的建立

2.1.2 含冷卻水管壩塊溫度場精細模擬方法

要實現壩塊溫度場的精細仿真,就需要如實反映壩塊中冷卻水管對溫度場的影響。因此模型網格一要盡可能如實地定位冷卻水管的位置,二要根據冷卻水管周圍混凝土沿水管徑向溫度梯度大的實際情況,網格在水管周圍布置得密集一些,在水管周圍沿水管徑向多布置幾層單元,如圖3所示。

圖3 垂直截面的網格剖分示意圖(單位：m)

冷卻水管一般呈蛇形布置,見圖4(a),為了方便模型網格劃分,對蛇形水管拐彎處進行簡化處理,即將直線段的水管適當延長,將彎段的水管略去,如圖4(b)所示。這樣處理僅僅對水管彎段附近很小范圍內的溫度場有一定影響,對總體溫度場的影響幾乎可以忽略不計。

圖4 蛇形水管處理

2.1.3 反饋控制方法

雖然是采用現場實測的材料熱學參數進行短期仿真預測,但由于模型建立中的假設條件、試驗誤差等因素都會影響仿真計算精度,基于本系統具有連續的混凝土內部溫度實測數據,故可以利用其對模型參數進行反演優化,優化流程見圖5。經過上述模型參數優化后,其計算精度大為提升,以錦屏一級拱壩工程作為計算實例,除初期個別點最大偏差為0.4℃,其余均在0.2℃以內。參數優化前后計算結果見圖6。

圖5 溫度場仿真與參數反分析流程

圖6 模型參數優化前后仿真溫度與實測溫度對比

基于上述混凝土溫度精確仿真計算模型,容易對冷卻通水進行反饋控制。模型采用試算法變換通水參數,計算混凝土溫度,并與給定的目標溫度進行比較,將符合給定溫度要求的通水參數作為通水控制參數。這個過程主要是通過對數據的分析計算,獲得滿足控制溫度的通水參數。試算時采用半分法來確定通水參數,這樣能夠盡快地獲得較為合理的值。

2.2 仿人工智能控制模型

大體積混凝土通水冷卻仿人工智能控制系統[5]采用流量和溫度傳感器組獲取通水水溫、流量以及混凝土內部溫度,安裝電動閥門實現通水流量調節控制,測控裝置安裝算法軟件后儲存溫控設計要求、水溫與流量、混凝土溫度等數據,對通水降溫的效率進行計算,并將混凝土內部溫度與設計要求的目標溫度進行比較,找出差距后按照同樣的降溫效率增減流量,指揮閥門動作調節至計算流量,通過不斷感知和反復學習修正,實現目標溫度的智能化控制。其算法原理如下:

計算通水流量時,考慮到除通水參數外其他熱交換邊界條件基本不變或短期內變化很小,混凝土發熱均勻,則混凝土熱量變化只與通水流量有關。假定混凝土溫度變化與通水總量呈線性關系,則可計算前一階段單位流量的降溫系數,即實際降溫流量系數,并以此系數以及當期混凝土溫度、混凝土溫控技術參數(目標溫度和日降溫幅度限值)、計劃的降溫時段等參數計算未來的通水流量。在計算前一階段的單位流量的降溫系數時追溯天數以短為好,通常為1～3d,對于邊界條件變化較小的情況,追溯天數可稍長。實際工程中,由于邊界條件總是變化的,假定條件也是有出入的,計算結果與實際情況會有一定差異,需要進行修正。本模型通過將混凝土溫度的計算值與實測值進行比較,動態調整實際降溫流量系數,進行反復自學習逼近計算,使因假定條件和邊界條件的變化以及滯后效應帶來的誤差得到較好的修正。

2.3 自適應等效流量控制模型

該模型采用“Bang-bang Control”原理,根據設計和施工要求,預先設置一條混凝土溫度變化過程線,定時自動采集混凝土溫度,將采集到的溫度與預設溫度對比,若高于預設溫度則打開冷卻水管的閥門通水;否則,就關閉閥門,使混凝土溫度在預設溫度線的導引下逐步降至規定溫度。整個過程無須測量流量,直接用溫度指標產生決策,以達到簡化系統、及時控制的目的[6-7]。

該模型通過間斷通水的方式,實現小溫差[8]、自適應通水冷卻。即閥門開啟通水后,冷水帶走混凝土熱量而梯次降溫,待中心點溫度降至控制溫度以下時停止通水,混凝土溫度從水管遠端開始回升,因傳熱的滯后效應和水管中存留的冷水制冷作用,當中心點溫度回升至控制溫度以上時,水管近端混凝土溫度仍比較低,此時閥門重新開啟通水,其溫度梯度遠小于初次通水的情況,對混凝土造成的“冷擊”也小得多,所以采用該模型控制的通水冷卻不會給混凝土帶來額外的損傷,是一種新的小溫差、自適應冷卻通水方法。此外,可通過設置閥門占空比,實現小間隔自動通斷,進一步減小“冷擊”幅度。

2.4 3種智能控制模型的比較

在以上3種冷卻通水智能控制模型中,準確性控制模型是基于熱傳導理論的混凝土溫度精確仿真而建立,為了保證計算參數尤其是氣象參數的準確性,需要在施工區域現場建立局地小型氣象站,并實現與控制系統間的數據自動實時傳送,同時還應建立自動控制閥門開度與流量的量化關系,需要在管路設置流量測試系統。仿人工智能控制模型同樣是基于管路流量與混凝土溫度關系所建,控制因變量離不開水管流量。由此這兩種模型建立的智能通水系統由于管路中必須設置流量傳感器,使得系統的成本顯著增加,同時給安裝、維護帶來不便,且由于管路中雜質沉淀較多極易造成傳感器失效而引起系統故障。

自適應等效流量控制模型建立的智能通水系統則完全擺脫了流量與水溫兩個參量,使整個系統變得“干凈利落”,大大降低了成本與故障率,可靠性高。

3 冷卻通水智能控制系統在錦屏一級拱壩中的應用

錦屏一級拱壩位于典型的深V形河谷,壩高305.0 m,為已建世界第一高拱壩,壩頂高程1 885 m,水庫正常蓄水位1 880 m,死水位1 800 m,壩頂軸線弧長552.43 m,壩頂寬度16.0 m,壩底厚度63.0 m,貼角最大厚度達78 m,厚高比0.207,共澆筑混凝土方量507萬m3。與同類工程相比,具有混凝土防裂要求高、兩岸壩基坡陡、壩段少、壩體厚度大、結構孔洞多、壩區晝夜溫差大且冬季干燥多風、混凝土原材料抗裂性能不優等特點,所以,本工程除采取混凝土配合比優化、溫度梯度控制與分期冷卻、“早冷卻、小溫差、緩冷卻”細化與個性化通水、全齡期養護與全過程保溫等綜合溫控措施外[2],還研發并應用了大體積混凝土冷卻通水智能控制系統,取得了良好的工程應用效果。

依據前述不同的控制模型,研制了2套冷卻通水智能控制系統,其中流量法控制系統采用仿人工智能控制模型或準確性控制模型;等效流量法(也稱間歇通斷法)控制系統采用自適應等效流量控制模型。工程應用前進行了現場試驗,主要為了檢驗系統的適應性、準確性和穩定性。選取5個壩段包括一期、中期、二期通水共12個壩塊進行冷卻通水試驗。試驗表明:2套控制系統在現場都能夠良好運行,最高溫度控制完全滿足設計要求,降溫速率合格率分別為98.86%、99.36%,個別點降溫速率超標與混凝土內部溫度數據庫的數據滯后有關。其中,流量法控制系統結構相對較復雜,安裝工作量大且對現場環境的要求較高,成本也較高。間歇通斷法控制系統的原理、控制算法、系統結構與設備安裝等都較簡單,能夠很好地適應工程施工過程中的惡劣環境,這些都使得其可靠性大為提高,而且因為結構簡單其成本也較低。某試驗塊典型控溫效果見圖7。

通過現場試驗與應用研究,實現了冷卻水控制系統與混凝土溫度信息、冷卻水信息的無縫鏈接,并優選間歇通斷法控制系統用于實際工程大體積混凝土通水冷卻智能控制中。于2013年4月起在錦屏一級大壩工程右側大壩14～25壩段全面應用,累計控制104倉位的280套冷卻水管和193支溫度計,其典型控制效果見圖8。圖中細實線為預先設置的溫度過程線(目標溫度),粗實線為實測溫度過程線。

圖7 間歇通斷法某試驗塊典型控溫效果

圖8 間歇通斷法典型控溫過程線 (閥門130-12，狀態：停水，開度：0)

由圖8可以看出,實測溫度過程線與預設溫度過程線吻合良好,這說明利用此控制系統,混凝土溫度完全可以實現按設計要求的降溫過程,實現“早冷卻、小溫差、緩冷卻”的目的。由于預設溫度過程線時兼顧了溫控設計要求,所以,實際溫度控制結果在諸如最高溫度、降溫速率、降溫時長、內部溫差、溫度回升等方面也自然會達到設計規定的指標。表1為采用冷卻通水智能控制系統后的控溫效果統計結果。

表1 智能控制系統控溫效果統計結果

由于通水冷卻是隨著混凝土的施工同步進行的,環境惡劣、邊界條件復雜,與現場供電、供水、局地氣候、網絡設施、施工布置、施工進度等緊密相關,任何一個環節失控都會影響測控系統的正常運行,系統故障得不到及時妥善處置必然導致混凝土工程質量的波動,所以這類系統必須有人工干預的接口,以確保通水質量與混凝土質量。如圖7中2013年2月中旬(春節期間)實測混凝土溫度偏離預設值就是因為施工現場臨時電路故障沒有得到及時處置所致。其他故障原因還包括:冷水機組停機或檢修、冷卻水管爆管、冷卻水管上的手動閥門被人為關閉、服務器停電太久、不間斷電源耗盡后停機等,還有的工程混凝土溫度數據由其他系統獲取,這些數據因各種原因不能及時通信導致控制數據源缺失。這些都需要在運行中加強巡視并通過人工干預予以恢復。所以,在混凝土冷卻通水智能控制系統的全面推廣應用中必須加強現場巡視與人工干預的力度,以確保智能控制系統正常運行。

4 結 語

a. 大體積混凝土冷卻通水控制的自動化、智能化是大勢所趨,對提高大體積混凝土的施工質量控制水平、防控裂縫具有重要意義。

b. 高可靠性是高拱壩冷卻通水智能控制系統設計與選型的首選因素,工程應用必須加強施工現場網絡、電源與水管的維護,確保智能控制系統正常運行。

c. 間歇通斷法自適應等效流量控制系統相比通常的流量法控制系統,具有控制原理清晰、系統結構簡單、設備安裝容易、適應惡劣環境、可靠性高、成本低廉等優點。該系統可廣泛應用于水壩混凝土施工中,具備良好的應用前景,也可供電力、港口、工業與民用建筑和交通工程建設大體積混凝土施工借鑒。

[1] 周厚貴.無裂縫混凝土大壩施工技術與實踐[J].水力發電,2010,36(2):1-4.(ZHOU Hougui.Construction technology and practice for no crack concrcte dam[J].Water Power,2010,36(2):1-4.(in Chinese))

[2] 王繼敏,段紹輝,胡書紅,等.錦屏一級水電站特高拱壩溫控防裂技術與實踐[J].水利水電技術,2013,44(12):41-46.(WANG Jimin, DUAN Shaohui, HU Shuhong, et al. Practice and technology of temperature control and anti-cracking for super-high arch dam of Jinping Ⅰ Hydropower Station[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2013,44(12):41-46.(in Chinese))

[3] 周厚貴,譚愷炎,陳軍琪,等.混凝土智能冷卻通水系統:201010228838.8[P].2010-07-16.

[4] 譚愷炎,陳志遠,李萌,等.一種基于澆筑塊的混凝土溫度場仿真計算方法:201410052497.1[P]. 2014-2-17.

[5] 周厚貴,陳軍琪,譚愷炎,等.一種大體積混凝土冷卻通水流量控制方法:201110318693.5[P]. 2011-10-19.

[6] 陳志遠,譚愷炎,王振振.大體積混凝土冷卻通水智能控制方法的應用[J].水力發電,2014,40(7):57-59.(CHEN Zhiyuan,TAN Kaiyan,WANG Zhenzhen.A new intelligent control method on cooling water of mass concrete[J].Water Power,2014,40(7):57-59.(in Chinese))

[7] 陳志遠,周厚貴,余英,等.一種間歇通斷式大體積混凝土冷卻通水控制系統:201210333844.9[P]. 2015-2-18.

[8] 朱伯芳.小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向[J].水利水電技術,2009,40(1):44-50.(ZHU Bofang. Pipe cooling of concrete dam from earlier age with smaller temperature difference and longer time[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2009,40(1):44-50.(in Chinese))

Intelligent water-cooling control system and its application in Jinping-I Arm Dam//

WANG Jimin1, ZHOU Hougui2, TAN Kaiyan3

(1.YanglongRiverHydropowerDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610051,China; 2.ChinaEnergyEngineeringGroupCo.,Ltd.,Beijing100022,China; 3.GezhoubaGroupTestingCo.,Ltd.,Yichang443002,China)

In order to improve water-cooling efficiency for massive concrete, to achieve precise control and transparent management, and to prevent and control concrete cracks, an intelligent water-cooling control system was developed. After three years of field trials of practical engineering and applicability research, key technology for stable and reliable operation under complex conditions in mass concrete construction of hydropower projects was created, and eventually the system was applied to the highest hyperbolic arch dam in the world, the Jinping-I Arm Dam. The results show that the system can realize standardization, refinement, and intelligentization of temperature control during the construction period of mass concrete, and greatly improve the efficiency of temperature control of mass concrete.

concrete; water cooling; intelligent control; temperature control; Jinping-I Arm Dam

王繼敏(1964—),男,教授級高級工程師,主要從事水利水電工程建設管理工作。E-mail:wangjimin@ylhdc.com.cn

譚愷炎(1969—)，男，教授級高級工程師，主要從事水利水電工程安全監測及施工管理等工作。E-mail:gzbtky@cggc.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.01.009

TV544+.91

A

1006-7647(2017)01-0050-05

2016-01-08 編輯：駱 超)