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江水源热泵项目取水方式及适用条件研究

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  摘要:取水方式的合理性设计是江水源热泵项目应用的关键技术之一,需要综合考虑不同制约因素及不同取水方式的适用条件。通过总结常用取水方式的特点、优缺点以及适用条件,结合相关工程实例,提出了江水源热泵项目取水设计原则、特点并介绍了相关法规要求,可为类似工程提供参考。
  关键词:江水源热泵;取水方式;适用条件;设计原则
  中图法分类号:TU833文献标志码:A DOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.05.010
  区域供冷供热系统是集中制取冷水、热水或蒸汽供给建筑群内用户的系统,如浅层地热能、中深层地热能、冷热电三联供和电厂余热等系统。浅层地热能是指江、河、湖、海及地表以下200m以内、温度低于25°C的岩土体和地下水中的热能,经热泵系统采集后用于建筑供冷供热。江水源热泵系统是一种以江水作为冷热源的供冷供热系统,具有高效节能、运行稳定和环境效益显著等特点。江水源热泵要求取水点水量充足稳定、水温与水质合适。江水水沙条件复杂、水位变幅较大,是制约江水源热泵技术推广应用的重要因素口’。本文分析了现有取水方式的优缺点,提出了江水源热泵取水方式的设计原则。
  1常用取水方式及优缺点
  1.1常用取水方式
  (1)岸边式取水。其进水间与泵房分为合建式和分建式两种基本形式(见图1~2)。
  (2)河床式取水。按照进水管形式分为自流管、虹吸管和水泵直接取水等形式(见图3~5)。
  (3)缆车式取水。由建造于岸坡上的缆车从江河湖库取水的方式进行取水。通过卷扬机绞动钢丝绳牵引设有水泵机组的泵车,使其沿斜坡轨道随水位涨落而上下移动取水(见图6)。
  (4)浮船式取水。缆车也可由浮船取代,即将浮船上的水泵出水管与岸边输水管道连通(见图7),浮船随水位变化升降,保证泵房表层取水。
  (5)渗滤取水。主要由地面泵站、集水导井、江底隧道、汇水硐室、渗滤孔群、反冲系统和水量控制系统等构筑物组成(见图8)。集水竖井抽水后产生水位降深,江水位与竖井问的水位差导致江水下渗,穿过滤床表层滤膜、砂卵石层和特制过滤器后进入汇水硐室和井巷,可将有机污物和杂质过滤净化,滤床表层的过滤物又被流动的江水冲刷更新。
  1.2不同取水方式的优缺点
  取水方式的选择是否恰当,直接影响取水的水质、水量、安全性、可靠性,投资、运行管理以及河流的综合利用,各取水方式的优缺点如下。
  (1)岸边合建式取水。布置紧凑,占地面积小,水泵吸水管路短,运行管理方便,但土建结构复杂,施工较困难。
  (2)岸边分建式取水。土建结构简单、施工较容易,但操作管理不便,吸水管路较长,增加了水头损失,运行安全性劣于合建式。
  (3)自流管取水。自流管淹没在水中,河水靠重力自流;与虹吸管相比,自流管一般不会发生因漏气导致取水中断或水量减小的情况,因此取水比较可靠,但敷设自流管时,开挖土石方量较大。
  (4)虹吸管取水。与自流管相比,该法提高了埋管高程,可减少水下土石方量,缩短工期,节约投资;但虹吸管对管材及施工质量要求较高、运行管理要求严格,且为了保证严密不漏气,需要抽真空设备。因此,其可靠性低于自流管。
  (5)水泵直接取水。可以利用水泵吸水高度減少泵房深度,且无需集水问,故结构简单,施工方便,造价较低。
  (6)缆车式取水。缆车移动较浮船更为便捷,缆车受风浪影响小、更加稳定,但缆车取水的水下工程量和基建投资高于浮船取水。
  (7)浮船式取水。该法投资少、建设快、易于施工,适应性和灵活性强,能经常获取含沙量少的表层水。但河流水位涨落时,需要移动船位,阶梯式连接时需拆换接头,可能导致短时停止供水,不利于人员操作管理,且易受水流、风浪、航运影响,供水的安全可靠性较差。
  (8)渗滤取水。初期取水水质较好,运行较简单,对环境影响小,但施工较为复杂,投资较高,滤床及过滤器易堵塞,因此取水风险较大。
  2不同取水方式的适用条件
  根据取水量和水质要求,结合河床地形、河床冲淤、水位变幅、冰冻和航运等情况以及施工条件,在保证取水安全可靠的前提下,通过技术经济比较确定取水方式。
  (1)岸边式取水适用于岸坡较陡、主流近岸、岸边有足够水深、水质和地质条件较好、水位变幅不大等情况。其中,合建式适用于岸坡较陡、岸边水流较深、地质条件较好、水位变幅和流速较大、取水量大、安全性要求高等情况;分建式适用于河岸地质条件较差、对河道断面及航道影响较大等情况。
  (2)河床式取水适用于河床稳定、河岸较平坦、枯水期主流远离岸边、岸边水深不足或水质较差、河心有足够水深和良好水质等情况。其中,自流管取水适用于取水量较大、河道宽阔、河心离岸较远等情况。虹吸管取水适用于河滩宽阔、河岸较高、河床为坚硬岩石、埋设自流管需开挖大量土石方、管道需要穿越防洪堤等情况;水泵直接取水适用于河道水质良好、漂浮物少、取水量小、水泵吸水头部较大等情况。
  (3)缆车式取水适用于河岸工程地质条件较好、岸坡有适宜的倾角(10°-28°)、水位变幅较大(10-35m)、河流漂浮物少等情况。
  (4)浮船式取水适用于以下情况:河床较稳定,岸边有适宜倾角;河流水位变化幅度在10-35m,水位变化速度小于2 m/h;枯水期水深大于1.5m或不小于两倍的囤船深度;河道水流平稳、漂浮物少、风浪较小、停泊条件良好。
  (5)渗滤取水适用于河流中含天然砂卵石层、河道底部可设置渗滤设施等情况。
  3取水设计原则、特点及法规要求
  3.1设计原则
  江水源热泵项目取水方式与常规江水取水方式类似,但又有其独特性。江水源热泵项目以水为换热载体,冬天取热、夏天排热,换热后的江水再排至江中。取水方式和取水口位置的选择应考虑下列设计原则。   (1)取水点应选择水质较好的地带;
  (2)取水头部有足够的水深及良好的工程地质条件;
  (3)取水头部和取水管道不受泥沙、漂浮物等影响;
  (4)取水点尽量靠近主要用水地点;
  (5)取水构筑物不妨碍行洪和通航,并符合河道整治规划的要求;
  (6)取水所处断面的河床冲淤多年平衡,河岸稳定;
  (7)取水构筑物需避开河流上的人工构筑物或天然障碍物。
  3.2江水源热泵取水特点
  (1)取水量波动变化。江水源热泵项目取水量具有间歇性、波动性等特点。供冷季取水量大,采暖季取水量小,逐时取水量受大气温度的影响而产生变化,过渡季节一般不取水。
  (2)取退水總量恒定。江水源热泵取上来的水经换热后再退回原水体中,仅利用水体的热能,原水体的总水量基本无变化。
  (3)取水水温适宜。水源热泵机组正常运行时要求水源的最佳温度为15°C-25°C,夏季供冷时需较低温度的水源,冬季采暖时需较高温度的水源,适宜的水温条件才能确保机组正常运行并使机组长时问处于高效运行区间。
  (4)水处理方式多样化。江水源热泵取水时尽可能选择水质较好的水源,当江水水质满足热泵机组换热器进水要求时,可直接进入机组;当江水中的泥沙含量、浊度等不能满足热泵机组换热器正常运行时,应设置相关水处理措施,如格栅过滤、物理沉淀、旋流除砂、全自动反冲洗等。
  3.3制约因素
  (1)饮用水水源保护要求。按照HJ338-2018《饮用水水源保护区划分技术规范》规定,河流型饮用水水源一级保护区水域长度一般为取水口上游1000m、下游100m;二级保护区水域长度为从一级保护区上游侧延伸2 000m,下游侧延伸200m的距离。《中华人民共和国水污染防治法》第六十五条规定,“禁止在饮用水水源一级保护区内新建、改建、扩建与供水设施和水源保护无关的建设项目;已建成的与供水设施和水源保护无关的建设项目,由县级以上人民政府责令拆除或者关闭。江水源热泵取水口不能建在饮用水源保护范围内”。
  (2)自然保护区要求。根据《中华人民共和国自然保护区条例》,在自然保护区范围内不得从事相关开采活动。江水源热泵取水口必须满足该规定。
  (3)航道要求。江水源热泵项目取水方式需满足航道要求。河床式取水不能影响航道安全,不能造成断航、碍航等后果。
  (4)岸线规划要求。取水口的选取须满足岸线资源规划和功能分区要求,协调好与用水区域、码头区域、配套支持区域的关系。
  (5)顺应河势变化趋势。河势会受到降雨量、洪水等因素的影响而发生经常性变化,江水源热泵取水方式需根据河势演变分析的结果,选择不淤、冲刷稳定的河段布置。
  (6)满足河道行洪要求。取水构筑物应严格遵循不影响河道安全行洪的原则。
  (7)尽量不影响第三方涉水的合法权益。取水构筑物不能侵占桥梁、隧道、铁路等设施的安全保护范围,不影响附近码头、轮渡的安全运行。
  4应用实例
  南京鼓楼软件园江水源热泵项目取水口位于夹江中,附近岸边用地紧张,水体含泥沙量小、浮游生物较少、水质硬度低,采用河床式取水方式。武当山丹江口水库水源热泵项目为空调冷却水系统取水,为保证取水的可靠性、减少投资、方便施工,采用浮船式取水方式。重庆某酒店为节省土地和节能,采用渗滤取水方式。重庆江北城CBD江水源热泵1期项目采用天然河床渗滤+人工河床渗滤+直取水的联合取水方式。
  5结语
  本文阐述了岸边式、河床式、缆车式、浮船式和渗滤等5种取水方法的原理及其优缺点,提出江水源热泵项目取水方式的主要设计原则和限制性因素,可为类似工程提供参考。
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