为响应国家的能源战略与政策,重庆市江北城CBD利用地域优势,规划全部使用嘉陵江水为整个江北城中央商务区提供冷热源,从而减少耗电以及污染气体的排放。

　　 本项目采用嘉陵江水源作为夏季冷却水,取消了各单体建筑冷却塔等设备,将大大改善城区内的热岛效应,节约用水量,降低噪声。冬季采用江水源热泵系统提供热源,取消了燃气锅炉,减少了有害气体的排放。在整个CBD区域选取两个能源中心,即一号站、二号站,在两个能源中心集中布置冷热源机组及相关设备,本取水工程专为二号能源站提供处理后的江水。

　　 根据二号能源站主机设备技术要求,二号能源站夏季设计取水量为10 500m³/h,冬季设计取水量为3 600m³/h,每年三月初至五月底的枯水季节设计取水量按7 500m³/h计算。夏季极限工况(所取江水温度30℃时)的设计取水量13 000m³/h,冬季极限工况(所取江水温度7 ℃ 时)的取水量5 400m³/h,因此,为满足极限工况下取水量要求,本工程的设计取水量为13 000m³/h。

　　 根据已建的与本工程采用同一水源的某大型水厂常年运行资料分析,原水水质基本达到《地面水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水体水质和《生活饮用水水源水质标准》(CJ 3020-93)二级标准要求。原水水质有如下特点:

　　 (1)季节性多砂,近十年来每年有1~2个月原水含砂量大,主要集中在6~10月。

　　 (2)季节性高浊,原水一般浊度4~30NTU,一年中有1个月的原水浊度较高,最高月平均浊度约200NTU,2000~2015年最高日浊度达3 200NTU。

　　 (3)部分水质指标超标:铁含量、BOD₅、COD及耗氧量有时超过标准,细菌指标及大肠菌超标。

　　 本工程水源热泵能源站水质要求参照空调用水及制冷机组冷却水质^[1]并结合所采用的热泵机组性能要求确定,见表1。设计取水水温(进入二号能源站房入口处)不得高于江水自然温度0.5 ℃。

　　 本工程设计选取的工艺流程见图1。

　　 拟定取水点地处重庆市江北城CBD的嘉陵江边,背靠重庆大剧院,对岸为长江与嘉陵江交汇之地的朝天门,因此,取水工程位于两江景观核心区域,根据规划要求,本工程应尽量“埋”于嘉陵江岸边河床下。

　　 由于工程建设地点狭小,设计将干式深井取水泵房、斜管沉砂池、送水泵房以及加药间、排泥泵房合建。为兼顾景观及防洪要求,合建后的构筑物采用封闭、承压式(可承受嘉陵江百年一遇洪水位,即194.3 m)的结构形式,构筑物顶部结构标高为167.7~175.5m,江水位较高时,可淹没构筑物(除吊装塔);为满足设备吊装需要,仅两座设备吊装塔顶部满足一年一遇洪水位(单座吊装塔平面尺寸为14.65m×8.3m,顶部吊装孔平面尺寸为4.0m×2.2m,平时采用特制防洪门封闭),其顶部标高为185m;考虑到嘉陵江水位较高时的运行维护及确保人员安全,通过两条地下通道与岸上连通(单座地下通道断面尺寸为2.8m×3.4m),并在岸上设置半地下式通风机房,对泵站内部通风及消防排烟。

　　 工程顶部露出河岸部分进行绿化处理,扩大了岸边绿化面积,因此,在对外部景观几乎无影响的情况下,该取水工程可实现洪水季节的正常安全运行和维护管理。

　　 新建2个钢制取水头部(分别为高位、低位取水头部),建成后总取水能力为13 000m³/h,单个取水头部尺寸为L×B×H=13.00m×2.252m×1.44m。

　　 考虑到该取水工程的安全性及能源站运行的可靠性,采用格栅间隙相对较小的钢制斜板箱式取水头部,可去除大部分粗砂,同时拦截江水中的漂浮物、杂物。

　　 低位取水头部至泵站的重力流管每根长436m,其中前段长20m的DN900管道水下架设,河岸段DN900管道长66.3m及DN1 100管道长303.5m直接埋于河床下。

　　 高位取水头部至DN1 100重力流总管的两根DN900支管,每根分别长约73 m和72 m,大部分直接埋在河床下。

　　 取水泵房为干式泵房,按设计流量为13 000m³/h一次建成。取水泵房设置4台水泵机组,采用变频调速调节流量。极限工况下4台泵全速运行,单台水泵机组Q=3 550 m³/h,H =20 m,配套电机为280kW,380V。取水泵房平面净尺寸为25.4m×21.4m,高12.65m(外顶板至内底板)。取水泵房内配置2台10t电动单轨吊车。

　　 由于取水泵房及沉砂池水面高程低于洪水位,取水泵房还设置有2根DN1 200超越管,外江水位较高时原水可超越取水泵直接进入沉砂池。

　　 在取水泵房还设置有加矾系统,以便在江水高浊度时投加。混凝剂使用固态的碱式氯化铝;溶解池、溶液池合建,并分为两格,单格平面尺寸为3.5m×3.2m;加药量的自动控制均按流量配比自动投加,配置6 台计量泵(2 台备用)。单台Q=2 000L/h,H=30m,P=1.5kW。设计最大投加量为20~40mg/L,投配药液含量不小于5%(固体碱铝商品质量计)。

　　 斜管沉砂池按设计流量为13 000 m³/h一次建成。斜管沉砂池平面尺寸29.8 m×21.5 m,池深6.17 m,斜管沉砂池分为两格。 液面负荷34.2m³/(m²·h)(上升流速9.5 mm/s),采用池底阀排泥。沉砂池共设置60个池底阀,一斗一阀。池底阀采用二位四通电磁阀控制压力水驱动。排泥水通过排泥渠流入排泥泵房集水井。

　　 排泥泵井平面尺寸9.35m×3.75m,集水井深4.0m。排泥泵房设置4台潜水泵,2大2小,大泵机组参数为Q=1 000m³/h,H=40m,P=250kW;小泵机组参数为Q=500 m³/h,H =40 m,P =110kW。排泥泵房内配置1台10t电动单轨吊车。

　　 经斜管沉砂池去除大部分0.1mm及以上的细砂,然后再将处理后的水二次提升进入能源站。

　　 二级泵房为干式泵房,土建与设备规模均按设计流量为13 000m³/h一次建成。二级泵房平面净尺寸25.4m×13.65m,高12.8m(外顶板至内底板)。泵房吸水池平面净尺寸6.25 m×21.05 m。泵房设置4台水泵机组,采用变频调速调节流量,极限情况下4台机组全速运行,单台水泵机组为Q=3 550m³/h,H =49~50 m,配套电机630kW,10kV。二级泵房内配置1台10t电动单轨吊车。

　　 1号地下通道为连接岸上与二级提升泵房及沉砂池的地下通道,B×H=2.8m×3.4m,L=75m,采用钢筋混凝土结构形式;1 号地下通道内安装2根800mm×800mm风管。2号地下通道为连接岸上与取水泵房的地下通道,B×H=2.8m×3.4m,L=75m,采用钢筋混凝土结构形式;2号地下通道内安装2根800mm×500mm风管。

　　 输水管道按设计流量13 000 m³/h一次建成,新建取水工程二级泵房至能源站输水管道采用一根DN1 500钢管。管道长78m,凸点处设置排气阀。

　　 通风系统包括地下式取水工程的通风及排烟设计,该建筑为地下建筑,由二级泵房、沉砂池及取水泵房三个部分组成,以沉砂池中间为界,分成2个防火分区。

　　 风机房设置在岸上,风机房进口在洪水位以上,风机房设置3台送风机箱,单台Q=27 540 m³/h,H=652Pa,N=11kW;同时设置3 台双速排风(烟)机箱,单台Q=28 772/42 420m³/h,H=420/918Pa,N=22/28kW。

　　 地下式取水工程不同于岸上常规取水工程,尤其是在地下两级提升,由于水下工程投资较高,中转调节吸水池容积较小,因此,重点是设计上如何实现安全运行,避免重大事故的发生。

　　 由于一、二级泵在运行中的流量不可能完全一致,而吸水井调节容积有限,能源站直接控制二级泵,一级泵取水量必须能及时与二级泵或能源站用水量匹配,因此一、二级泵运行中流量必须关联。

　　 同时,二级泵流量应根据能源站机组运行要求确定,适宜于用一级泵控制来保持调节吸水池水位。为保证运行安全,调节吸水池设置“最高、高、中、低、最低”五级水位(见图2),当调节吸水池水位低于设计最低水位时,一、二级泵全停,当高于设计最高水位时,一级泵全停。通过自控实现了一、二级水泵的联动以及流量匹配,经过运行调试,成功实现了调节吸水池的水位基本恒定在设计中水位,可将一、二级的流量差控制在5%以内。

　　 为进一步降低能耗,本取水泵房设置超越管,当嘉陵江水位超过沉砂池水面时,超越管上的活塞调流阀开启(此时关闭取水泵机组),并严格控制进水量,为避免失电或事故时洪水自灌淹没地下(水下)构筑物,在超越管上采用快速关闭阀,停电时可立即切断原水进入地下构筑物。

　　 由于嘉陵江洪水暴涨暴落,洪水期间日变幅可达十余米,超越管设置了电动活塞阀,以便于在外江水位变化较快的情况下精确控制所需流量。

　　 本工程内部及外部交通设计相对困难,尤其是泵站与外部的交通联系尤为困难,由于外部景观要求较高,本工程未采用栈桥方案解决人员及交通运输,而是根据地理环境及结构设计的特殊性,采用对景观无影响的地下通道的交通方式,解决人员交通,通过在泵站顶部的两个设备吊装塔(顶部平时采用防洪井盖封闭)来实现设备、材料运输(见图3)。根据工程安装施工期间及运行期间的情况来看,证明这种交通方式是合理可行的,尤其是未对江北城的沿江景观造成较大的影响。

　　 由于本工程取水点位于嘉陵江的凸岸,远离深槽,而根据枯水位及河床的关系,取水头部只能设置于深槽,但会影响嘉陵江通航,为确保安全,必须将取水头部顶部低于航道允许的船舶吃水深度以下一定安全深度(取水头部顶部距离最低通航水位4.3m),且取水头部底部在已贴近河床的情况下(取水头部底部距离河床仅0.3m),取水头部的高度也必须压缩至1.2m以下,因此,本次设计采用双向进水、斜板式取水头部(见图4和图5)。取水头部前后都设置格栅,格栅间距37mm,栅条与江水流向角度为145°,避免了大粒径的泥砂直接进入取水头部。

　　 同时为确保工程取水的安全性,增设高位取水头部,位于浅滩处千厮门大桥桥墩背后,做为非枯水期的备用取水头部。

　　 由于本工程主体工程为封闭式结构,因此设置了送风和排风系统,以及消防排烟系统。 水源热泵取水工程,对水温控制的要求很高,本设计要求取水水温(进入二号能源站房入口处)不得高于江水自然温度0.5 ℃。由于一、二级泵房水泵电机布置较集中且空间狭小,设计需根据设备散热量精确计算风量,避免地下空间室内温度过高而使供水温度升高。

　　 规模较大的地下(水下)工程,由于空间限制,难以安装大型机械除渣设备,如原水中浮渣较多,需要考虑对浮渣的去除。本工程取水口位于嘉陵江水面3m以下,并且设置了格栅及斜板,使得进水含渣量及含砂量大幅减少,在沉砂池前部进水区设置了12mm×12mm不锈钢钢丝网兜拦截浮渣,但水中仍然会含有少量绳线状纤维杂质,所幸对后续热交换设备基本未造成影响。

　　 地下(水下)工程中的大型设备应采取减震降噪措施,大型设备应有隔音罩。为便于巡视及维修,地下空间的照明不能有死角,管廊及设备区域的照明亮度要考虑充足。

　　 地下尤其是水下工程内部潮湿现象非常严重,应充分考虑电器、仪表等电气设备的选型,尽量选择带防潮设计的产品。

　　 发展江水源热泵系统可以促进长江、嘉陵江水资源的综合利用并带来可观的节能、减排、低碳的环保效益。重庆市江北城CBD区域江水源热泵二号能源站取水工程于2014年建成投运,成为当时已建成的国内最大的江水源热泵取水工程,同时也是目前规模最大的地下及水下承压式取水工程,随着该工程的设计、建设及运行,将会为今后大量推广的江水源热泵或其他有特殊要求的取水工程提供经验。