Page 66 - 2021年第52卷第7期

水冷却管网一般布置在岸坡和坝后栈桥上 ［18］ ，为了便于随施工进度进行管网的转移与重复利用，移
动式制冷水站被广泛应用 ［19］ 。运行过程中，主要通过冷水机组显示屏或管网安装的压力计、温度
计、流量计观测冷却水的供应状态 ［20］ ，并定期手动对换向阀门、管道泵、制冷水站等进行调控 ［15-17］ 。
随着智能通水技术的广泛应用，特高拱坝混凝土温控变得更加实时、在线、精准和个性化，但
制冷水站与管网系统的响应并没有变得更加柔性和精准，主要体现在：（1）制冷水站常按设计最大容
量进行配置，造成较大的能源浪费；（2）冷却水在管网中的沿程水头损失与水温变化不可知，冷却水
的供应常不能满足智能通水系统的运行需求；（3）未实现对通水冷却管网的动态智能调控，实际操作
过程中常因人工调控滞后或疏漏造成换向不及时或管路通水异常。
［6］
本文在前期工作 的应用基础上，为弥补通水冷却管网在线监测与智能联控研究空白，进一步提
升混凝土施工温控质量与效率，在白鹤滩特高拱坝现场开展智能联控原型试验，实现对冷却水温
度、压力、流量的在线监测和对通水流向的智能调控，以揭示管网冷却水输送时空规律，为全面实
现通水冷却管网智能联控提供科学依据。

2 混凝土温控冷却水需求分析

2.1 冷却水需求确定方法 大体积混凝土温度受胶凝材料水化热、边界散热和通水冷却换热的影响
而随龄期动态变化，为控制混凝土温度按照预设的目标曲线发展，需要定量计算各热源、冷源及边
界对混凝土温度的热流量，进而确定各项温控措施的具体参数，如依据通水冷却应提供的换热量确
定冷却水的温度、流量与流向等。基于热力学第一定律，单仓混凝土换热的计算可简化描述如下：
]
- å
t
cm[ T ( ) t - T ( ) = ϕ - ϕ + ϕ （1）
0 + e
t
式中：c 为该仓混凝土的比热容，J/（kg·℃）；m 为质量，kg； T ( ) t 、T ( )分别为混凝土当前时刻 t 和
0
初始 t 时刻的平均温度，即混凝土的目标温控曲线； ϕ 为混凝土的水化热；ϕ 为通水换热量；ϕ 为
0 + - e
与基岩、混凝土及大气等边界的换热量，J。
含冷却水管的混凝土结构的传热过程可描述为：（1）与冷却水之间，冷却水通过对流与冷却水管
换热，冷却水管通过导热与混凝土换热；（2）与基岩及周围混凝土之间，主要换热方式为热传导；
（3）与大气之间，主要换热方式为热辐射+热对流。三种换热方式的理论计算公式为：
ϕ dT
q = = -λ （2）
d A dx
q = hDT = h(T - T ) （3）
v l f
ϕ = εAσT 4 （4）
r r
式中： q 为导热热流密度，J/m ； ϕ 为导热量，J； A 为换热面积，m ； λ 为导热系数，J/（m·℃）；
2
2
d
2
dT dx 为某方向的温度梯度，℃/m； q 为对流热流密度，J/m ； h 为表面传热系数，J/（m·℃）； T 为
v l
流体温度，℃； T 为壁面温度，℃； ϕ 为热辐射量，J； ε 为物体的黑度； σ 为斯忒藩-玻尔兹曼
f r
2
常量，J/（m·K ）； T 为物体的热力学温度，K。
4
r
如图 1 所示，基于式（1）和温控设计标准中给定的混凝土目标温控曲线 T ( ) t 可以计算出通水冷却
应带走的换热量 ϕ ，进一步基于混凝土温控的传热过程，基于热传导式（2）、热对流式（3）和热辐射
-
式（4）的传热理论公式，可以进一步计算出冷却水的需求曲线，即流量 Q 、水温 T 和流向 D 需求
n n n
曲线。也可通过仿真分析或其它智能控制算法如 Fuzzy-PID 等计算混凝土温度与冷却水流量、水温及
流向的相关性，形成相应的冷却水需求曲线，如下式：
ì T ijk ∈{T ，T ， }
ï ï n 1 2
W ijk = í Q ijk ∈[0，Q ] （5）
n n m
ï ï ijk
î D n ∈{+1， - 1 }
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