一种调控混凝土大坝温度的系统及方法与流程

本发明属于水利水电工程施工、混凝土大坝工程运行温度控制领域，具体涉及可分区双向调控混凝土大坝温度的系统及方法，特别适用于寒冷地区的混凝土大坝建设施工期及大坝运行期的温度调控，也可应用于寒冷地区其它建筑工程混凝土结构如堤坝、桥梁、公路、机场跑道等的温度调控。

背景技术：

混凝土具有良好抗压性能，但不能抵抗过大的拉应力，受自身结构、筑坝材料和环境温度变化等因素影响，混凝土坝体在不同时期存在内外温差较大的现象，并由此产生较大应力，易产生裂缝，从而破坏结构整体性，对大坝的安全运行产生影响。

我国中东部及低海拔地区的水电工程已经基本建设完成，在建和规划中的工程多处于我国西北高寒地区。这些地区气候条件复杂多变，有的日最大温差超过30℃，年最大温差超过80℃，极端低温条件还严重影响混凝土大坝的施工和长期运行。现有技术通常在低温季节施工时采用搭建保温棚等措施来营造正温小环境让混凝土浇筑顺利进行，而在运行期给大坝表面覆盖保温层抵御寒潮的冲击，但是效果并不理想，需要一种主动调控技术在气温的波动时段对大坝混凝土进行升温或降温，使其内、外温差趋于相近值，削减温度应力。

混凝土大坝建设和运行时间较长，相同部位不同阶段温控需求有差别，即使同一阶段也可能面临不同的调控标准。如施工期虽然以水化热增大为主，内部温度高于外部温度，但这种情况并不是呈线性变化，它在浇筑初期表现得更加剧烈；而运行期主要是平衡内外温度，在我国西北地区日温差和年温差相对更大，寒冷季节受外界温度剧烈变化影响，升温调控不能雷同一致，因此需要多样化的温度调控措施对混凝土大坝全生命周期进行调控，来缩小大坝混凝土内外温差和减小温度应力带来的危害。

另一方面，大坝混凝土体积庞大，浇筑时通常采用分坝段分仓浇筑进行，受浇筑时间、气温变化、混凝土配合比、太阳辐射角度、风向、水位变化等因素的影响，同一大坝不同部位的温度梯度也不尽相同，这就对温度调控提出了更高的要求，需要能对不同部位采取精准多样化的分区调控措施。

面对大坝混凝土存在的温控难题，水利行业专家学者开展了大量研究和实践工作，采取了一些有效的保护措施，但是也存在一定的弊端，主要存在以下几个方面：

（1）传统的温度控制方法主要是冷却通水，经历了从1934年在胡佛大坝首次采用到现在工程的广泛应用，具体做法为通过泵将低温河水直接泵入预先埋设在大坝混凝土内部的管道中，通过在流动过程中和混凝土进行热交换带走热量，流出混凝土坝体后直接排入河道。这种方法虽然对削减最高温度有一定作用，但是过程相对粗旷，主要在于西北地区河水大多为冰川融化而来，就算夏季温度也较低，低温河水和高温混凝土之间本身就存在较大的温度差。

（2）认识到上述问题后，技术人员对冷却通水技术加以了改进，如授权公告号“cn101701495a”中公开的“大体积混凝土温度控制的个性化通水方法”，就对传统冷却水管进行优化，通过改变流量和变换冷却水或河水的方式对大坝混凝土内部进行降温处理，但是只有降温措施，对于冬季严寒天气影响缺乏有效的应对措施；其次传统的通水冷却多依靠人工来操作泵电源、管道阀门、温度测量等，工作量大，时间长，受主观因素影响也较大，单次冷却后水就排出导致的水资源浪费也较大。

（3）为了解决传统技术的不足，先后有水利专家学者提出了温度智能调控的理念，授权公告号“cn102852145a”中公开的“在建大坝混凝土智能温度控制方法及系统”，设想了一种在建大坝的温度控制方法，但缺乏对运行期的大坝温度进行控制。授权公告号“zl201611116913.5”中公开了“可永久调控混凝土大坝温度的方法及装置”，虽打破了传统对混凝土大坝温度的控制方法，从框架上对混凝土大坝的温度控制可行性提供了一种设想，但暂时只在实验室阶段进行简单验证。授权公告号“zl201810950393.0”中公开了“智能温控大坝和温度调控方法”，比较全面系统的对混凝土大坝温度智能调控进行了阐述，但是主要在于控制策略和框架，没有拿出具体的调控设备和系统，无法付诸工程实践。

（4）传统技术主要考虑了浇筑初期以降温为目的的冷却通水，新温控理念虽然提到了冬季升温调控的一些设想，但是都没有针对调控介质开展深入研究和做出明确的界定，在寒冷地区冬季温度降到零度以下时介质形态、流动性能和换热性能等都会发生改变，如冷却所用的水虽然应用最广泛但是其冰点仅为0℃，冬季会结冰堵塞和冻胀破坏管路；防冻液冰点和沸点都满足但是比热容比水低，成本高，有一定毒性，采用传统的单次循环后就直接排入河道又明显不合理；一些油类介质又面临温度变化带来黏度和流动性改变的问题。

（5）其次对于上述技术，都没有解决在采用通水冷却技术控制混凝土温度过程中，需要定期对冷却通水的方向进行定期更换的实际问题，而这在大坝温控设计中是必须考虑的。在授权公告号“cn205276881u”中公开了“冷却水流向可调的冷却装置及大体积混凝土的冷却系统”，依靠2个出水管、2个进水管、4个阀门和2个分流器、1台泵来实现冷却水方向的变换，该系统零部件较多、结构复杂、操作程序多，还是采用人工控制手段实施。不能满足混凝土大坝温度调控需求。

综上所述，传统温控技术只考虑了混凝土大坝施工期的温度控制，未考虑混凝土大坝运行期的温度调控需求，而我国西北高寒地区气候条件复杂，混凝土内部和外部温差变幅较大，既需要对混凝土进行降温，也需要进行升温，主要存在以下问题亟待解决：

（1）改变传统冷却通水技术只能降温单向调控的限制，寻找一种除了降温调控外还可对混凝土大坝进行升温调控的方法，达到双向调控的目的。

（2）为全新温度调控理念的工程实践提供设备支持，研发一种可对大坝混凝土进行调控的设备和控制系统，让优异的调控策略能够在具体工程中得的实施。

（3）针对大坝混凝土冷却通水的设计要求，如低温差干预、分区调控、流向变换等，对调控设备的结构和功能进行设计。

（4）改变现有技术依靠人工操作的方式，实现自动化，最终将大数据、物联网、人工智能等技术应用到大坝混凝土温度调控设备的控制中，达到自动调控的标准。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决上述问题，提供可分区双向调控混凝土大坝温度的系统及方法，通过结构和功能设计，采用相应的组件及控制，实现依靠一套装置就可以提供多种（两种以上）的不同温度、不同流量的调控介质输出给布置在混凝土大坝内部的调控管网，且每组循环管路内的介质流量、温度实时自动可调，流向可随时自动变化，满足大坝混凝土的温控需求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种调控混凝土大坝温度的系统及方法，它包括温度补偿装置、介质更换装置、温度分区二次调节装置、可换向多联输出循环管路、控制系统；

所述温度补偿装置，可对调控介质进行升温或降温，根据需要生产温度可变的调控介质，并将调控介质提供给介质更换装置中的介质存储箱；

所述介质更换装置包括介质存储箱，介质更换装置使介质存储箱中的调控介质可更换，介质存储箱中的调控介质提供给可换向多联输出循环管路；在季节不同时，使介质存储箱中的调控介质在水及抗冻性能较好的液体之间切换。

所述可换向多联输出循环管路用于给调控管路提供流动方向可变的调控介质；用于混凝土温度调控的调控管路普遍较长，当调控介质从一端至另一端循环时，温度会逐渐衰减，当温度衰减到一定程度，通过温度传感器获知这一信息，进一步通过可换向多联输出循环管路对调控介质的流向进行换向，正向、反向提供具有一定温度的调控介质使混凝土中各处的温度保持一致，调控管路可设置于大坝混凝土内，也可设置于大坝混凝土的上下游面，可平行仓面布置，可垂直仓面布置，也可两者同时布置。

所述可换向多联输出循环管路中设有流量调节装置，流量调节装置包括可进行管路流量调节的泵，以及布置在输出管路中且位于泵后端的流量传感器。

在介质更换装置与可换向多联输出循环管路之间设有温度分区二次调节装置，温度分区二次调节装置包括加热器和温度传感器，加热器可对从介质更换装置流至可换向多联输出循环管路的调控介质进行加热。

包括多个温度分区二次调节装置、多组可换向多联输出循环管路，每个温度分区二次调节装置的介质流入端与介质存储箱的介质流出端连接，每个温度分区二次调节装置的介质流出端分别与对应的可换向多联输出循环管路的介质流入端连接。

所述控制系统用于接收各个温度传感器、液位传感器、流量传感器的实时监测数据，并对介质存储箱中调控介质的温度、可换向多联输出循环管路中调控介质的换向、流量调节装置中调控介质的流量、温度分区二次调节装置中调控介质的温度进行调节。

所述介质更换装置包括介质存储箱、多个备用介质存储箱，多个备用介质存储箱包括1号备用介质存储箱、2号备用介质存储箱，1号备用介质存储箱、2号备用介质存储箱各自装有不同的调控介质，1号备用介质存储箱中的调控介质可载入介质存储箱中，或者2号备用介质存储箱中的调控介质可载入介质存储箱中；可换向多联输出循环管路包括输出管路、第一输入管路、第二输入管路，第一输入管路的一端与介质存储箱连通、另一端与第一三通电磁阀的a端连接，第一三通电磁阀的b端与第二三通电磁阀的a端连接，输出管路的一端与介质存储箱连通、另一端与第二三通电磁阀的b端连接，第二三通电磁阀的c端与第三三通电磁阀的a端连接，第三三通电磁阀的b端与第二输入管路的一端连接，第二输入管路的另一端与介质存储箱连通，第一三通电磁阀的c端用于与调控管路的一端连接，第三三通电磁阀的c端用于与调控管路的另一端连接，它还包括泵，泵用于驱动各个管路中调控介质的流动。

在第一三通电磁阀与调控管路的近端之间设有第一介质更换排空管路三通电磁阀，第一介质更换排空管路三通电磁阀的a端通过介质更换排空管路与第二介质更换排空管路三通电磁阀的a端连接，第二介质更换排空管路三通电磁阀的其它端口分别与1号备用介质存储箱、2号备用介质存储箱连接。

所述一组温度分区二次调节装置、第一输入管路、输出管路、第二输入管路、泵、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀以及第三三通电磁阀可与调控管路形成可换向多联输出循环管路系统单元，每组可换向多联输出循环管路系统单元中调控介质的温度可由温度分区二次调节装置调节。

它还包括液位监测调节装置，液位调节监测装置包括设置于介质存储箱外部的外侧视液镜、液位计、液位调节管路，外侧视液镜包括透明的管壁，外侧视液镜上、下端与介质存储箱相连通，液位计的测量单元置入介质存储箱中，液位调节管路分为高液位排出管路、低液位补充管路和介质更换排空管路，高液位排出管路两端分别与介质存储箱的上端面以及备用介质存储箱的上端面连接，低液位补充管路分别与介质存储箱的底端以及备用介质存储箱的底端连接，低液位排出管路上布置有增压泵和电磁阀，当介质存储箱内介质低于限制液位时，电磁阀的阀门开启，增压泵开始工作，将备用介质箱内的调控介质泵入介质存储箱。

所述温度补偿装置包括蒸发器，蒸发器的制冷剂出口依次与压缩机、冷凝器、干燥过滤器、膨胀阀、蒸发器的制冷剂进口连接；蒸发器的调控介质出口依次与介质存储箱、循环泵、蒸发器的调控介质进口连接，还包括加热装置，加热装置可为电加热，也可为燃气加热，加热装置用于给介质存储箱内的调控介质加热。

一种用于混凝土多仓位温度调节的方法，它包括多组温度分区二次调节装置，它包括以下步骤：

步骤1）给各组温度分区二次调节装置的管路注入具有相同初始温度的调控介质；

步骤2）根据混凝土不同仓位对温度的要求，温度分区二次调节装置对各自管路内调控介质进行加热；

步骤3）各组温度分区二次调节装置管路中的调控介质提供给调控管路；

由以上步骤，通过多组温度分区二次调节装置对各自管路中具有相同初始温度的调控介质进行加热，使多组管路中的调控介质在加热升温后获得混凝土不同仓位所需的温度。

在步骤1）中，注入各组温度分区二次调节装置管路的具有相同初始温度的调控介质由温度补偿装置、介质更换装置提供。

一种大坝混凝土在浇筑初期的温度调控方法，控制系统监测得到环境温度t¹环境，混凝土内部温度t¹混凝土内；

当混凝土内部温度t¹混凝土内高于环境温度t¹环境且差值超过设计允许差值△t¹时，控制系统根据这一仓段混凝土调控需要，生产出目标低温调控介质温度t¹调；温度t¹调调控介质通过输出管路到达流量调节装置，当调控介质温度不变的情况下，根据所调控混凝土的实际情况进行流量调节，完成流量调节后的介质通过单套多联循环管路进行混凝土内部的调控管路开始循环降温；调控过程持续进行，并对调控效果进行实时评价，当混凝土内部温度t¹混凝土内与环境温度t¹环境差值大于设计允许差值△t¹时继续上述调控过程，当混凝土内部温度t¹混凝土内与环境温度t¹环境差值小于设计允许差值△t¹时停止本轮调控，但继续保持对混凝土温度和环境温度的监测，它包括流量调节装置，流量调节装置用于调节调控管路中调控介质的流速。

本申请是要保证混凝土内外温度差基本不变，控制在一个范围内，避免混凝土内外温度差过大，导致产生过大的温度应力使混凝土开裂，这对于大坝是非常危险的，所以我们采用引导式调控，逐步改变混凝土的内外温度差，最终使混凝土内外温度接近一致。

对于流量调节装置：当能量损耗较高或调控需求较大时，通过加快调控介质的流速进行快速调控；当能量损耗较小或调控需求较低时，通过降低调控介质的流速进行调控。

一种通过调控介质换向对大坝混凝土中温度进行调控的方法，它包括以下步骤：

1）控制系统监测得到调控管路管道进口温度t¹进，管道出口温度t¹出；

2）控制系统对调控管路管道进口温度t¹进、管道出口温度t¹出进行监测，得到两者的差值变化；

3）当差值大于设计允许温差△t¹时，或者当单一流向时长超过控制程序预先设定的间隔时间时，控制系统会自动进行综合分析，当某一条件先满足时就利用可换向多联输出循环管路对调控介质流向进行改变；

一种大坝混凝土在低温季节的温度调控方法，当混凝土外部温度t¹混凝土外低于内部温度t¹混凝土内且超过设计允许差值△t¹时，根据这一仓段混凝土调控需要生产高温调控介质温度t¹调，温度t¹调调控介质通过输出管路到达流量调节装置，当调控介质温度不变的情况下，根据所调控混凝土的实际情况进行流量调节，完成流量调节后的介质进入混凝土内部的调控管路开始对大坝混凝土的低温部分进行循环升温；调控过程持续进行，并对调控效果进行实时评价，当混凝土外部温度t¹混凝土外与混凝土内部温度t¹混凝土内大于设计允许差值△t¹时继续上述调控过程；当混凝土外部温度t¹混凝土外与内部温度t¹混凝土内差值小于设计允许差值△t¹时停止本轮调控，但继续保持对混凝土内部温度和外部温度的监测。

针对多个混凝土仓段，先采集每一仓混凝土的管道进口温度、管道出口温度、环境温度、混凝土外部温度、混凝土内部温度；然后根据每一仓混凝土的实际情况和允许温差得出调控需要的目标温度，对所有的调控目标温度进行比较，选择最低值作为温度补偿设备的生产温度，其它每一仓混凝土所需的调控介质通过二次升温装置后供给多联循环管路分别输入至混凝土内部的调控管路。

控制系统首先监测得到管道进口温度t¹进、t²进……tⁿ进，管道出口温度t¹出、t²出……tⁿ出，环境温度t¹环境、t²环境……tⁿ环境，混凝土外部温度t¹混凝土外、t²混凝土外……tⁿ混凝土外。混凝土内部温度t¹混凝土内、t²混凝土内……tⁿ混凝土内；根据每一仓混凝土的允许温差△t¹、△t²……△tⁿ得出调控需要的目标温度t¹调、t²调……tⁿ调。对t¹调、t²调……tⁿ调进行比较，选择最低值t^min调作为温度补偿源的生产温度；然后从介质存储箱流向每套多联循环管路的温度分区二次调节装置，此时通过每套单独的多联循环管路上与控制系统相连的温度传感器和加热器对t^min调介质进行升温，使其达到目标温度t¹调、t²调……tⁿ调，然后通过流量调节后进入混凝土调控管路中进行循环调控。

例如在西北地区的冬季，大坝内部温度是20摄氏度，大坝外部温度是零下20摄氏度，大坝外部温度与内部温度相差较大时，此时需要对大坝外部进行升温，可达到内外温差基本一致。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1）本发明既可以实现传统温控技术对混凝土大坝进行降温调控，又可以突破传统温控技术限制，更好的满足高寒地区大坝混凝土的施工及运行的温控需求。

2）本发明提供了一种可对混凝土温度进行调控的系统，不仅能够提供温度可变的调控介质，还可以实现流量自动可调，流向自动变换，该设备可达到多个分区控温的目的。

3）本系统能够提供较大温度范围（温度为5~80℃）的调控介质，实现了对传统温控技术的革新，即除了在建设期利用低温介质进行降温，也可以在寒冷季节利用高温介质进行升温补偿，在极寒条件下建设混凝土坝提供了保障。

4）本发明包含的可换向多联输出循环管路可以改变传统冷却通水技术中每隔一定时间需要对水流向进行调换时，先由人工切断泵电源停止供水，然后将泵从管道一端拆下安装在另一端，再通电供水循环的繁琐过程。本发明的流向自动变换结构设计，仅依靠3个两位三通电磁阀和控制系统，就可以快速实现流向的定时自动变换，不需要停止泵的运行，保持了混凝土温度调控的连续性。

5）本发明拥有温度分区二次调节装置，通过在每套多联循环管路的输出管路上布置有加热器和温度传感器，可对温度补偿源生产的低温调控介质，需要进行二次调节的进行二次升温调控，使每套多联循环管路可根据混凝土需要输出不同温度的调控介质，实现单台设备就可输出不同温度介质对混凝土大坝进行温度调控。

6）本发明设计有流量调节装置，通过流量传感器、变频泵和控制系统可以对多联循环管路内调控介质的流量进行实时调节，实现单台设备就可输出不同流量介质对混凝土大坝进行温度调控。（如：混凝土水化热较大、温升较高），在调控介质温度不变的情况下，可以给予较高流量的介质供应，既满足了小温差调控的要求，又可以快速带走混凝土内热量，达到控制温升的目的。

7）本发明在每套多联循环管路上都布置有流量调节装置，这样单台设备既可输出不同温度介质外，又可输出不同流量的介质，让对混凝土的温度调控更加个性化、精准化。

8）本发明的调控介质是在封闭循环管内运行，其能量补充依靠温度补偿源进行，除了降温以外还具备升温调控的功能，达到双向调节的目的。相对于传统的冷却通水技术采用低温河水冷却流出后直接排入自然环境，本装置采用封闭循环运行，调控介质基本上没有损失，具有节省资源的优点，可实现调控介质的更换。同时可以根据气候环境选择适合的调控介质（如在我国北方寒冷地区冬季气温往往在零度以下，水往往会结冰堵塞管路，采用乙二醇的水基溶液或者其他抗冻性能好的防冻液就可以避免这种现象的产生，使用范围更广更灵活）。

9）本发明的介质存储箱设置有液位监测和自动补液装置，当混凝土大坝温度调控系统长时间运行时，可对存储箱内的介质液位进行观测和自动调节，无需人员经常性值守，更加安全高效。

10）本发明特别适用于低温极寒地区大坝混凝土的温度调控，通过输出不同温度、不同流速的调控介质对混凝土提供不同的温度源，来实现内部温度和外部温度的基本一致性，减少温度梯度和温度应力带来的危害，为我国西部极高寒地区混凝土大坝的建设和运行提供一种技术可能性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中温度补偿系统的结构示意图；

图3为本发明中介质更换装置的结构示意图；

图4为本发明中混凝土大坝的结构示意图；

图5为本发明中调控介质换向的流程图；

图6为本发明中控制系统对多个混凝土仓内温度进行调节的流程图；

图7为本发明中调控介质在可换向多联输出循环管路、大坝混凝土内的调控管路中进行换向的流程图。

具体实施方式

如图1至图7所示，提供如下实施例，一种调控混凝土大坝温度的系统及方法，包括温度补偿源、调控介质、液位监测调节、介质更换装置、可换向多联输出循环管路、温度分区二次调节装置、流量调节装置、控制系统。

1、关于温度补偿源，它具有可对调控介质进行升温和降温的功能，根据需要生产温度可变的调控介质，提供给外部的可换向多联输出循环管路；

所述温度补偿源由制冷压缩机、冷凝器、冷凝器风机、蒸发器、膨胀阀、加热器、介质存储箱、内循环泵、制冷剂组成。

所述温度补偿设备压缩机可为热泵，除了具有制冷功能外还同时具备基础加热功能，更加节能。

所述加热器可为电热丝、电热管和燃气炉等。

所述加热器可以布置在介质存储箱内部，也可布置在介质存储箱底部或者布置在连接介质存储箱与蒸发器的内循环管路上。

所述温度补偿源可提供最低温度5℃，最高温度80℃的调控介质。

调控介质通过内循环泵在蒸发器和介质存储箱之间流动，将高温介质输送至蒸发器进行热交换降温，然后输送回介质存储箱。

所述温度补偿源的用电设备和传感器都与控制系统相连接，通过设定后可自动化运行。

由于介质存储箱内介质温度会根据混凝土调控需求变化，为了能够缓冲这种因温度变化所引起介质体积的膨胀或收缩现象以及隔离补给水水压对调控管路的影响，可选择膨胀箱体。

本发明的使用条件通常情况下为低温极寒地区，冬季环境温度低，夏季干燥，环境温度变幅大，为了抵御环境温度对介质温度的影响，在箱体外需要增加一层保温层，降低能量损耗，达到节能的目的。

保温层可采用聚氨酯硬质泡沫、聚乙烯泡沫、苯板等保温效果好的材料，厚度可在3~15cm。

控制过程实施例说明：

在控制系统人机交互设备操作面板设定调控介质需要达到的温度t0和偏差值△t，利用温度传感器测得的介质存储箱内温度t1与其进行比较，当t1大于t0时，控制系统中与制冷压缩机、冷凝器风机、内循环泵相连的继电器模块吸合开始运行，对调控介质进行降温，当t1与t0相同时停止工作；当生产出来的低温调控介质经过大坝混凝土调控管道完成调控过程变成高温介质进入存储箱，使介质温度t1再次高于t0+△t时，设备制冷部分再次启动。

反之当t1小于于t0时，控制系统中与加热器相连的继电器模块吸合开始运行，对调控介质进行升温，当t1与t0相同时停止工作；当生产出来的低温调控介质经过大坝混凝土调控管道完成调控过程变成高温介质进入存储箱，使介质温度t1再次低于t0+△t时，设备加热部分再次启动。

所述调控介质为流动性好、比热容大、冰点低而沸点高的液态物质。

可选的，调控介质可以为纯净水、乙二醇的水基型溶液、氯化钙溶液或丙二醇无水溶液等抗冻性好的液体。

在其中一种实施例中，同时拥有两种调控介质，一种为纯净水，比热大，热交换效率高；一种为乙二醇的水基型溶液、氯化钙溶液或丙二醇无水溶液，具有冰点低、沸点高特点，在低温下不容易结冰，但是价格相对较高，比热容小，调控效果低。

根据使用环境变化可对调控介质进行选型和更换，当环境最低温度高于0℃时，采用纯净水作为调控介质给大坝混凝土进行温度调控；当环境温度低于0℃时，选用抗冻性能好的调控介质。

2、关于液位监测调节装置介质更换装置，它由外侧视液镜、液位计、液位调节管路、两个两位两通电磁阀、四个三位两通电磁阀和两台增压泵组成。

所述外侧视液镜呈柱状结构，管壁为透明材质且具有刻度值，布置在介质存储箱外部，外侧视液镜上下端与介质存储箱相连通，可直观动态显示内部调控介质液位，便于技术人员实时观测。

所述液位计为投入式液位监测传感器，测量范围0~5m，测量精度可达0.5mm，可输出4-20ma信号、开关量信号和485通讯信号，测量单元置入介质存储箱中，信号端与调控设备的控制系统相连接。

在其中一种实施例中可对两种不同的调控介质实现自动替换，在设备内布置有液位调节管路、两位两通电磁阀、增压泵。设备通过所述调节管路和外部的两个备用介质储存箱相连接。

所述液位调节管路由高液位排出管路、低液位补充管路和介质更换排空管路三部分组成。其中高液位排出管路和低液位补充管路连接介质存储箱与外部的备用介质存储箱；介质更换排空管路将每套多联循环和外部的备用介质存储箱连接。

备用介质存储箱布置的位置要低于介质存储箱，所述高液位排出管路与介质存储箱连接点位于最高限制液位平面，当介质存储箱内液位过高时经排出管路自动流入备用介质存储箱。

所述低液位排出管路上布置有增压泵和两位两通电磁阀，当介质存储箱内介质低于限制液位时，两位两通电磁阀门开启，同时增压泵开始工作，将备用介质箱内的调控介质泵入介质存储箱。

泵为耐高温泵，布置在低液位补充管路上。

与介质存储箱相同，为了抵御环境温度对介质温度的影响，在备用介质存储箱外部需要增加一层保温层，降低能量损耗，达到节能的目的；保温层可采用聚氨酯硬质泡沫、聚乙烯泡沫、苯板等保温效果好的材料，厚度可在3~15cm.

为了减小环境温度对介质温度的影响，一是降低热量损耗，二是防止极端低温环境使调控介质凝结，可在输出管路和输入管路外部设置一层保温材料；保温材料可为橡塑海绵、超细玻璃棉、岩棉、聚氨酯材料等，厚度可在0.5cm~5cm.

调控设备自动运行时，通过液位计实时监测介质存储箱内的液位，并输入给温度调控设备的控制系统，当长时间运行或调控管路出现渗漏导致调控介质液位降低而使加热器裸露工作时，会造成过热损坏和短路，甚至发生火灾，这时控制系统会根据预设的液位下限值，控制两位两通电磁阀和增压泵开启，将备用介质存储箱内的调控介质泵入介质存储箱。

3、关于液位监测调节装置及介质更换的方法：

在控制系统人机交互设备操作面板设定介质存储箱中液位上下限值l下、l上，通过液位传感器对介质存储箱内的液位进行实时监测，当l1的值在两者之间时设备正常运行液位调节装置不运行，当l1低于l下时，控制系统通过控制1号两位两通电磁阀、增压泵继电器吸合，打开1号两位两通电磁阀、增压泵，将与介质存储箱内相同的补充介质（1号备用介质存储箱）抽入，对其进行补充直至达到上下限中间值为止。

反之，当调控管道中介质大量回流入介质存储箱时，液位传感器监测液位l1高于l上时，调控介质通过高液位排出管路直接溢流至装有和介质存储箱内相同调控介质的1号备用介质存储箱，直至液位达到上下限中间值l0为止。

优选地，环境最低温度在0℃以上进行混凝土大坝调控时选用水作为调控介质，当环境最低温度在0℃以下进行混凝土大坝调控时选用防冻性能好的调控介质，并实现自动更换。

介质更换过程实施例说明：

介质更换需要先将介质存储箱、多联循环管路和混凝土中调控管道内部的调控介质排空，然后用另一种调控介质进行补充和替换，实施过程自动进行，具体可分为以下四步进行。

第一步排空介质存储箱：在控制系统人机交互设备操作面板设定介质更换的临界温度，当环境最高温度出现低于零摄氏度情况时，关闭液位自动调节系统（此时液位降低不会触发自动补充功能），控制连接多联循环管路和介质更换排空管路的两位三通电磁阀门开启方向，让调控介质不通过输入管路回入介质存储箱，而是通过介质更换排空管路进入1号备用介质存储箱，直到介质存储箱内液位为0时停止。

第二步补充抗冻调控介质：当液位为0后，启动液位自动调节系统，与2号备用介质存储箱相连的两位两通电磁阀门开启，同时增压泵启动，将抗冻调控介质输入进行补充，使介质存储内液位回至正常。

第三步调控管路内调控介质替换：当介质存储箱内液位回归正常后，再次启动排空程序，即控制连接多联循环管路和介质更换排空管路的两位三通电磁阀门开启方向，让调控介质不通过输入管路回入介质存储箱，而是通过介质更换排空管路进入1号备用介质存储箱，通过对管道容积和流量的计算得到排空时间，当管道内原调控介质全部排出完成两种介质的替换后，控制连接多套多联循环管路和排空管路的两位三通电磁阀门开启方向，让调控介质回入介质存储箱。

第四步：当环境最低温度一直高于零度后，再次重复上述过程，用水对抗冻调控介质进行自动替换。

4、关于可换向多联输出循环管路，它包括输出管路、多个两位三通电磁阀、输入管路组成，通过与大坝混凝土内的管路连接形成封闭式的管路。

所述输出管路一端与介质存储箱相连，一端通过两位三通电磁阀与输入管路相连；管道可以选用不锈钢、hdpe、pe等材质的圆形管材，管道内直径可在25mm~40mm之间。

所述两位三通电磁阀为一进两出式结构，在两个出口端内各布置有一个电磁开关，每个开关可以单独控制其开闭。两位三通电磁阀的阀体材质为黄铜和ss316，密封材质为nbr、viton、ptpe。

所述两位三通电磁阀布置在输出管路和输入管路的交汇处，其电磁开关通过信号线与控制系统相连，在控制系统上直接可以设置和操控单个阀门的开闭，从而改变介质的流向。

为了满足大坝混凝土温控需求，使混凝土内部各点温度均匀下降，除了控制调控介质温度外，还需要对其混凝土内部的调控介质流向进行改变，避免进出口端温度长期不均。

可换向多联输出循环管路实施例说明：

初始流向：调控介质从介质存储箱经输出管路流至2号两位三通电磁阀，此时2号两位三通电磁阀的阀门1开启阀门2闭合使介质经输入管路1流向2号两位三通电磁阀，

此时1号两位三通电磁阀的阀门2开启阀门1闭合使介质流向大坝混凝土内的调控管路，调控介质完成对混凝土的调控后从输入管路2流向3号两位三通电磁阀，此时3号两位三通电磁阀的阀门2开启阀门1闭合使介质回入介质存储箱中。

通过在控制系统的人机交互设备面板设置流向定时变化的时间△t，当初始流向时长达到△t时，或者通过对预先准备在管道进出口的温度传感器传输的温度数据进行对比分析，当进口温度t¹进、t²进……tⁿ进与出口温度t¹出、t²出……tⁿ进的差值大于允许温差△t¹时，控制系统通过控制3个电磁阀继电器开关6个阀门的开闭来改变介质的流向，具体如下：

当需要改变流向时：调控介质依然从输出管路至两位三通电磁阀2，这样泵的流向不用改变，不用停止泵的运行。调控介质从介质存储箱经输出管路流至2号两位三通电磁阀，此时2号两位三通电磁阀的阀门2开启阀门1闭合使介质经输入管路2流向3号两位三通电磁阀，此时3号两位三通电磁阀的阀门1开启阀门2闭合使介质流向大坝混凝土内的调控管路，调控介质完成对混凝土的调控后从输入管路1流向1号两位三通电磁阀，此时1号两位三通电磁阀的阀门1开启阀门2闭合使介质回入介质存储箱中。

流向变换由控制系统通过模拟信号控制多个电磁阀门的开闭即可自动完成，流量变换过程不需要人工操作，混凝土调控设备始终保持正常运行。

5、关于温度分区二次调节装置，它包括多套多联循环管路、温度传感器、加热器组成。

所述温度分区二次调节装置由两套以上多联循环管路组成。每套循环管路都可提供不同温度的调控介质，当混凝土内部不同部位存在不一样的温度调控需求时，可以利用一台调控设备上不同的多联循环管路来实现。

所述温度传感器布置在输出管路内部，通过信号线与控制系统相连，可以对管路内部的介质的温度进行实时监测，传感器可以选用pt100铂电阻温度传感器。

所述加热器布置在输出管路中，其电源开关由控制系统控制，根据需要可对从介质存储箱输出的调控介质进行升温，当温度达到设定值时加热器开关断开停止加热。

现有的类似设备和技术不能仅依靠一个介质箱提供不同温度的介质，通过采用本装置可以给大坝混凝土提供多种温度区间在5~80℃的介质。

温度分区二次调节装置实施例说明：

经过温度补偿设备生产的温度为t1的低温调控介质通过两套（可为多套）独立的多联循环管路流至大坝混凝土内部，可以在控制系统人机交互设备上分别设定两套多联循环管路的介质目标温度t2和t3，设定值t2和t3温度值均应高于t1，如需更低温度可以通过设置t1来满足。

温度为t1的调控介质经过1号输出管路时，1号输出管路上的温度传感器会实时监测得到温度t3，控制系统对t4于t2进行比较，当t4低于t2时，加热器开始工作，当t4达到t2的设定值时停止加热。

同样当温度为t1的调控介质经过2号输出管路时，2号输出管路上的温度传感器会实时监测得到温度t5，控制系统对t5于t3进行比较，当t5低于t3时，加热器开始工作，当t5达到t3的设定值时停止加热。

这样一套本装置就可以给大坝混凝土提供至少2种不同温度的调控介质，让温度调控更加精准和个性化。

6、关于流量调节装置，它包括变频泵、流量传感器组成。

所述变频泵电机频率可以控制和改变，对管道内部调控介质的压力和流速进行任意调节，其变频信号控制器与控制系统连接。

所述流量传感器布置在输出管路的变频泵后端，测量方向与介质流动方向一致。流量传感器通过信号线与控制系统连接，其监测的管道内部实时流量数据通过模拟信号传输给控制系统主机。

通过在控制系统上设置流量值，利用流量传感器监测得到的实时流量进行对比，当流量高于设定值时，控制系统降低变频泵的电机频率减小流量至设定值，反之当实测流量低于设定值时，控制系统提高变频泵的电机频率增大流量至设定值，达到控制和稳定调控介质流量的目的。

如同5中述温度分区二次调控装置所布置的两套以上多联循环管路，通过每套多联循环管路上的变频调节，可以达到分区流量调节的目的。实现对混凝土温度调控的更加多样化和精准性。

7、关于控制系统，它包括电控箱、多个继电器、多种传感器、多个模拟量模块、plc主机及其plc控制程序、人机交互设备和组态软件、多种报警器组成。

所述电控箱作为整套混凝土温度调控系统的电气化硬件承载平台，包含一个或多个低压开关设备以及与之相关的控制、测量、信号、保护、调节等设备。

所述多个继电器用来与混凝土温度调控系统的大功率用电设备如压缩机、加热器等连接，用小电流控制大电流，起到自动调节、安全保护、转换电路等作用。

多个模拟量模块用来与布置的温度传感器、液位传感器、流量传感器等模拟量输入信号的元器件连接，并与plc主机相连接，直接将信号传输至plc主机。

所述plc主机是一种可编程逻辑控制器，它与多个继电器、模拟量模块和人机交互设备连接。在其内部存储有执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制温度调控系统的自动化运行。plc控制程序是针对温度调控系统在面临混凝土不同温度调控需求和不同工况下各设备的运行协议和具体操作方法，通过编程开发的一套控制软件，可以实现温度实时调节、流量实时调节、流向实时变换等功能。

所述人机交互设备和组态软件可实现操作人员与控制系统的交流与控制，它与plc主机相连接。本系统采用的人机交互设备可为触摸式显示屏，通过组态软件将plc控制系统的协议和温度调控系统的运行设计成直观画面展示给操作人员，同时通过虚拟的按键可进行控制系统的设定，进而控制继电器等元器件的开闭，实现对系统各用电设备的自动化控制运行。

所述多种报警器包括相序保护器、声光报警器、急停开关、超温保护等，当设备运行出现意外突发情况时，通过声音、光线等措施提醒管理人员进行检查维护，极端情况下还可以通过自动断电保护等方式确保温度调控系统的安全。

本发明还提供一种可分区双向调控混凝土大坝的建设方法，它包括以下步骤：

步骤1）：混凝土浇筑前，将混凝土温度调控设备布置在大坝附近，将介质液位监测调节及介质更换装置的调节管路预留接口和备用介质箱连接。

步骤2）：将混凝土温度调控设备与分仓浇筑的大坝混凝土相连接。具体为将布置在混凝土内部的温度传感器与调控设备的控制系统相连接；将调控设备的多联循环管路与混凝土内的调控管路相连接。

步骤3）：混凝土开始浇筑前，对混凝土温度调控设备及其控制系统进行调试。

步骤4）：混凝土浇筑开始后，开启混凝土温度调控设备对其开始进行温度监测和温度调控。

步骤5）：每台混凝土温度调控设备拥有多套多联循环管路，一个混凝土仓段连接一套多联循环管路；后续每完成一个仓段的混凝土浇筑，即按上述步骤布置相应的将调控管路和温度传感器与混凝土温度调控设备连接。

大坝混凝土具体温度调控过程：

当混凝土温度调控设备仅连接一个混凝土仓段时，控制系统首先监测得到管道进口温度t¹进，管道出口温度t¹出，环境温度t¹环境，混凝土内部温度t¹混凝土内。

浇筑初期：当混凝土内部温度t¹混凝土内高于环境温度t¹环境且差值超过设计允许差值△t¹时，控制系统根据这一仓段混凝土调控需要，生产出目标低温调控介质温度t¹调；温度t¹调调控介质通过输出管路到达流量调节装置，当调控介质温度不变的情况下，根据所调控混凝土的实际情况进行流量调节，完成流量调节后的介质通过单套多联循环管路进入混凝土内部的调控管路开始循环降温；调控过程持续进行，并对调控效果进行实时评价，当混凝土内部温度t¹混凝土内与环境温度t¹环境差值大于设计允许差值△t¹时继续上述调控过程，当混凝土内部温度t¹混凝土内与环境温度t¹环境差值小于设计允许差值△t¹时停止本轮调控，但继续保持对混凝土温度和环境温度的监测，它包括流量调节装置，流量调节装置用于调节调控管路中调控介质的流速。

换向调控：浇筑初期水化热较大所需持续调控时间较大，由于混凝土内部调控管道较长，随着热交换的进行会导致管道进口温度t¹进与管道出口温度t¹出差值变大，当差值大于设计允许温差△t¹时，或者当单一流向时长超过控制程序预先设定的间隔时间时，控制系统会自动进行综合分析，当某一条件先满足时就利用可换向多联输出循环管路对调控介质流向进行改变。

低温季节：当混凝土外部温度t¹混凝土外低于内部温度t¹混凝土内且超过设计允许差值△t¹时，根据这一仓段混凝土调控需要生产高温调控介质温度t¹调，温度t¹调调控介质通过输出管路到达流量调节装置，当调控介质温度不变的情况下，根据所调控混凝土的实际情况进行流量调节，完成流量调节后的介质进入混凝土内部的调控管路开始对大坝混凝土的低温部分进行循环升温；调控过程持续进行，并对调控效果进行实时评价，当混凝土外部温度t¹混凝土外与混凝土内部温度t¹混凝土内大于设计允许差值△t¹时继续上述调控过程；当混凝土外部温度t¹混凝土外与内部温度t¹混凝土内差值小于设计允许差值△t¹时停止本轮调控，但继续保持对混凝土内部温度和外部温度的监测。

当混凝土温度调控设备连接多个混凝土仓段时，可以针对不同仓段混凝土需求提供不同温度的调控介质对其进行干预，通过缩小内外温差达到削减温度应力的目的。但与仅连接单仓（分区）混凝土进行调控相比，需要先采集每一仓（分区）混凝土的管道进口温度、管道出口温度、环境温度、混凝土内部温度，然后根据每一仓（分区）混凝土的实际情况和允许温差得出调控需要的目标温度，对所有的调控目标温度进行比较，选择最低值作为温度补偿设备的生产温度，其它每一仓（分区）混凝土所需的调控介质通过二次升温装置后供给多联循环管路分别输入至混凝土内部的调控管路。具体如下：

对于连接多仓（仓数n）混凝土（浇筑初期）：控制系统首先监测得到管道进口温度t¹进、t²进……tⁿ进，管道出口温度t¹出、t²出……tⁿ出，环境温度t¹环境、t²环境……tⁿ环境，混凝土外部温度t¹混凝土外、t²混凝土外……tⁿ混凝土外。混凝土内部温度t¹混凝土内、t²混凝土内……tⁿ混凝土内；根据每一仓混凝土的允许温差△t¹、△t²……△tⁿ得出调控需要的目标温度t¹调、t²调……tⁿ调。对t¹调、t²调……tⁿ调进行比较，选择最低值t^min调作为温度补偿源的生产温度；然后从介质存储箱流向每套多联循环管路的温度分区二次调节装置，此时通过每套单独的多联循环管路上与控制系统相连的温度传感器和加热器对t^min调介质进行升温，使其达到目标温度t¹调、t²调……tⁿ调，然后通过流量调节后进入混凝土调控管路中进行循环调控。

本发明通过对不同分区的混凝土提供不同温度、不同流量的介质进行调控，来实现内部温度和外部温度的基本一致性，减少温度梯度和温度应力带来的危害，为我国西部极高寒地区混凝土大坝的建设和运行提供一种技术可能性。

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