CN117515991A - 一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统及方法，包括引补水系统、水量分配及混水系统、加压水泵及冷热交换系统、循环水及辅助装置系统、弃水排放系统；引补水系统引入的水体依次流入取水池，通过水泵将取水池中的水送入冷热交换装置利用，完成热交换后从冷热交换装置流出的水体若不能利用，水体入循环水渠及辅助装置系统，使水体在重力自流过程中恢复水体温度，并流至混水池前端温控分流闸附近，再次判断恢复温度的水体能否再利用，如能再利用水体进入混水池内与补给水混合、进入取水池，通过水泵将取水池中的水送入冷热交换装置利用。采用本发明可节约江河直取水量约75～80％，并解决直取直排方式影响江河局部水环境等难题。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统及方法。
背景技术
江河水冷热资源是一种清洁绿色能源，是地球上水体大循环(蒸发、降雨、地表水径流等)的产物，年复一年，循环往复，可重复利用，但江河水资源量有限，据统计，长江、珠江、松花江、黄河等流域年径流量分别约为9500亿m3、3300亿m3、762亿m3、580亿m3，且时空分布不均匀。因此高效、节约、循环、综合利用江河水冷热资源，既是国家保护江河水资源安全的要求，也是合理利用江河水冷热资源的发展需要。
目前我国城市建筑江水源冷热空调、气化LNG(液化天然气)、数据储存与算力中心散热、工业热电厂钢厂冷却用水、冷热水养殖业等行业江河水冷热资源的利用蓬勃发展，但将江河水作为冷热资源的利用方式基本为粗放式的，通常是直接抽取江河水，经过冷热交换利用后直接排放。由于各项目在获取江河水冷热资源的过程中需要大量水，一般单个项目年用水量达到几千万吨级甚至上亿吨，而当前各区域江河水资源用量有限，国家实行取水许可制，由水行政主管部门例如省级水利厅或水利部流域机构办理取水许可并收取水资源费，同时传统江河水冷热资源的粗放利用，产生了大量弃水直排江河内，改变江河一定范围内水温场，影响江河局部生态环境。这些因素已严重制约了我国江河水冷热资源的利用和发展。
因而亟需开发一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统及方法，既能减少从江河中取水的规模，即减少江河直接水资源用量，降低工程运行成本；又能在水循环的过程中，使经过冷热交换后温度升高或降低的水，尽快恢复温度，减少对江河局部生态环境的影响。
发明内容
本发明目的是提供一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统及方法，以减少江河水资源直取用量，并解决经过冷热交换后温度升高或降低的水直排而影响江河局部水生态环境等难题。
为实现以上目的，本发明技术方案为：
一种高效节水循环利用江河水冷热资源系统，包括引补水系统，还包括与引补水系统连通的水量分配及混水系统、与水量分配及混水系统连通的加压水泵及冷热交换系统、与加压水泵及冷热交换系统连通的循环水及辅助装置系统、与循环水及辅助装置系统连通的弃水排放系统；
引补水系统引入的水体依次流入混水池、取水池；取水池中的水体通过加压水泵房加压送入冷热交换装置利用，完成冷热交换后从冷热交换装置流出的水体通过温控分流阀判断分流方向；
如果从冷热交换装置流出的水体能直接再利用时，则水体通过温控分流阀分流进入回水管，送至混水池内与补给水混合后再次循环利用；
如果从冷热交换装置流出的水体不能直接利用，则水体通过温控分流阀后进入循环水及辅助装置系统包括的循环水渠及消能溢流装置、紊流装置、调蓄水库中不断流动，水体在流动过程中通过散热或吸热，尽快恢复水体温度，并逐渐流动至混水池前端的温控分流闸，通过温度判断是否可再利用；
如果循环水及辅助装置系统中的水体能全部或部分满足再利用条件时，则通过循环水利用量分配公式，算得水体实际利用量，温控分流闸据此调控进入混水池内水体的量，且与混水池中的补给水混合后，再次进入冷热交换装置利用；
如果循环水及辅助装置系统中的水体不满足再利用条件部分，属于不能再利用的弃水，则进入弃水排放系统。
循环水及辅助装置系统中流动水体需通过水力学计算，满足全过程重力自流条件。
进一步的是，所述的引补水系统包括引补水头部、引水管道、辅助闸门，所述引水管道一端位于江河内，另一端与水量分配及混水系统包括的混水池连通；
所述引水管道伸入江河内的一端即引补水头部呈喇叭状，用于进水；
引水管道一端与引补水头部连接，作为引补水的通道，引水管道另一端与混水池连通。
进一步的是，所述水量分配及混水系统包括温控分流闸、混水池、混水器、取水池及配套闸阀；
温控分流闸，能依据循环后水体实测温度、预设温度、冷热交换装置需水量等参数通过单片机计算循环水利用分配量，并动态调节闸门的开启度，控制水体流向(路径)和流量；
所述混水池及混水器，为将引补水、循环水、回水汇合并平衡调配、搅拌均衡的水池。依据水量总体平衡原理(Q(t)＝Q 1(t)+Q2(t))，按满足再利用之循环水量最大化，不足部分由引补水系统补给的原则，分配进入混水池的水量；同时利用混水池内混水器，将循环利用水和补给水等充分混合并测温，水温合适则进入取水池，供水泵加压输送；
进一步的是，所述加压水泵及冷热交换系统包括加压水泵、冷热交换装置及配套联通管道；
加压水泵，将取水池内水温合适的水体通过水泵加压送至冷热交换装置；
冷热交换装置，江河水冷热资源利用(冷热交换)之专用设备，根据项目的不同功能选用；
联通管道，将各系统或装置联通、输送水体的通道；
进一步的是，所述温控分流阀，依据冷热交换装置出机口水体实测温度、预设温度，动态调节闸门，控制出机口水体流向，若水温能直接满足再利用条件，则水体流向回水管侧进入混水池内再利用，若水温不能满足再利用条件，则水体流向循环水及辅助装置系统，与大气等充分接触，通过散热或吸热，尽量恢复水体温度；
进一步的是，所述循环水及辅助装置系统包括循环水渠、消能溢流装置、紊流装置、调蓄水库、拦渣闸等；循环水渠是该子系统中连接线，消能溢流装置、紊流装置及调蓄水库等是连接线上节点类似于藤与瓜的关系；
所述的消能溢流装置，为塔型或跌水型，主要为消减出机口水流速度和动能，同时增加水体与空气接触面积，加快循环水体温度恢复；
紊流装置，设置在水渠上带有异形齿状构筑物，能促使水体翻滚或跳跃流动，增加渠道内水体温度上下混合均匀，并增加水与空气接触面，加快循环水体温度恢复；
调蓄水库，设置在循环水渠中段或尾段的临时储存循环水体的水塘或水池，与水渠连通，能调节或临时储存循环水，延长水体散热或吸热时程，促进循环水体温度恢复；
拦渣闸：网状或格栅状，能过水且拦截粗颗粒渣的板式结构，拦截循环水渠运行过程中粗物体；
进一步的是，所述弃水排放系统包括与循环水渠连通排水渠管，根据需要设置的临时储存水塘、沟或排水前池等，以及延伸至江河的连接管道等；
一种通过所述江河水冷热资源系统实现高效节水循环利用的方法：
引补水系统引入的江河水依次流入混水池、取水池；取水池中的水体通过加压水泵，加压送入冷热交换装置利用，完成冷热交换后从冷热交换装置流出的水体通过温控分流阀；
温控分流阀预先设置阈值：如果水体用于降温(水体吸收装置热量并降低装置温度，如电厂冷却水或夏季空调等场景)，温控分流阀感知水体温度：当从冷热交换装置流出的水体温度在所述阈值以下，则温控分流阀的阀芯转动封堵通向右侧循环水及辅助装置系统的管道，水体流向左侧的回水管，所述的回水管与混水池连通，水体从左侧回水管流至混水池内，与混水池内的补给水混合后再次利用；当从冷热交换装置流出的水体温度在所述阈值以上，则温控分流阀的阀芯转动封堵朝向左侧的回水管，水体流向循环水及辅助装置系统，在水体流动过程中通过散热恢复水体温度；
如果水体用于升温(水体传给装置热量并升高装置温度，如气化LNG或冬季空调等场景)，温控分流阀感知水体温度：当从冷热交换装置流出的水体温度在所述阈值以下，则温控分流阀的阀芯转动封堵朝向左侧的回水管，水体流向循环水及辅助装置系统，在水体流动过程中通过吸热恢复水体温度；当从冷热交换装置流出的水体温度在所述阈值以上，则温控分流阀的阀芯转动封堵通向右侧的循环水及辅助装置系统的管道，水体流向左侧的回水管，所述的回水管与混水池连通，水体从左侧回水管流至混水池内，与混水池内的补给水混合后再次利用。
进一步的是，所述从冷热交换装置流出的水体流向循环水及辅助装置系统后，所述水体沿着循环水渠及消能溢流装置等辅助装置，流动至混水池前端的温控分流闸，再依据循环后水体实测温度、预设温度、需水量等参数计算循环水利用分配量，来动态调节闸门的开启度，控制水体流向混水池内水量，进入混水池的水体与混水内补给水混合后再循环利用，而多余水则流向弃水排放系统。
本发明的有益效果是：
本发明高效节水循环利用江河水冷热资源系统可实现江河水冷热资源多次循环利用，本发明优点包括：
1.节约水资源，在达到同样热交换效果的情况下，采用本发明可节约江河水资源量75～80％；
将本发明用于LNG气化实例：天然气在凝点-161.5℃变成液体，方便运输和储存，但用时需气化，用江河水气化最安全经济；采用高效节水循环利用江河水冷热资源系统，使所述LNG气化，通过计算和实践，江河水冷热资源最高可重复循环利用4～5次，则从江河直接取水量仅为项目需水量的15～25％左右，即节约江河直取水量75％～85％，节水效果明显，从而实现减少使用江河水资源的目的。
2.循环水及辅助装置系统中水体在流动过程中是重力自流，水体利用循环水渠及辅助装置与大气等大面积、长时程充分接触，恢复水体温度，从而获取绿色清洁冷热能源再利用，过程中无需消耗电等其它能源。
3.减少江河水资源直取用量后，进而减少工程运行成本
据LNG气化项目分析计算，在采用高效节水循环利用江河水冷热资源系统和方法后，在同等热交换效果时，较传统直取直排等方式利用江水资源，可节约水资源量75％以上，也就是每年可直接减少从长江中取水量4700万t，仅减少水资源费缴纳一项支出即可节省运行成本约500万元，长江多年平均径流量约9500亿吨，若能推广应用，其经济价值非常可观。
较采用燃烧天然气方法气化LNG，每年节省运行费用近5000万元，还能减少碳排放。
4.减少了排水对江河等的影响
采用传统直取直排，取排水量大，经过冷热交换后温度升高或降低的弃水直接排放至江河中，改变江河一定范围内水温度场，影响江河的局部水生态环境。
采用高效节水循环利用江河水冷热资源系统和方法后，引补水和排水量均大大减少，其影响范围自然减小；在循环水渠内适当恢复水温，也可尽量减少弃水排放对局部江河的水生态环境影响程度。
5.改善厂区水环境景观
可以将本发明中的消能溢流装置等设计成景观塔型或跌水型，结合厂区循环水渠造景，水系流动，就是生态景观的一环。
6.净化水质
本发明中水体在循环水渠或调蓄水库流动时，水体流速慢、停留时间长，可以促进水体中泥沙等悬浮物沉淀，在利用时无需再添加净化水质的添加剂，减少运行费用和对环境的影响。
7.本发明用途广泛
本发明可用于城市建筑江水源空调、数据储存与算力中心散热、气化LNG(液化天然气)、热电厂钢厂等工业冷却水、农业养殖业等行业。
附图说明
图1为本发明水循环利用系统示意图。
图2为本发明引补水系统及水量分配及混水系统局部放大图。
图中：引补水系统1：引补水头部11，引水管道12，第一辅助闸门13；水量分配及混水系统2：温控分流闸21，混水池22，混水器23，取水池24；第二辅助闸门25；加压水泵及冷热交换系统3：加压水泵31，配套管道32，冷热交换装置33，回水管34；循环水及辅助装置系统4：温控分流阀41，消能溢流装置42，循环水渠43，紊流装置44，调蓄水库45，拦渣闸46；弃水排放系统5：挡水堰51，排水管渠52，第三辅助闸门53，排水前池54，排水口55；水体6。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明高效节水循环利用江河水冷热资源系统包括引补水系统1、与引补水系统1连通的水量分配及混水系统2、与水量分配及混水系统2连通的加压水泵及冷热交换系统3、与加压水泵及冷热交换系统3连通的循环水及辅助装置系统4、与循环水及辅助装置系统4连通的弃水排放系统5。
引补水系统1将有冷热利用价值的江河水引入或补给至水量分配及混水系统2包括的混水池22内，所述的引补水系统1包括引补水头部11、引水管道12、第一辅助闸门13，所述的引补水头部11为喇叭口状，用于进水；引水管道12与引补水头部11连接，作为引补水的通道；第一辅助闸门13设置在引水管道12尾端，所述第一辅助闸门13为常开闸门，仅在不能从江河中引入水体6时才关闭，比如系统大修或防汛时期或其它按照规定不能从江河中引入水体6的时期。
水量分配及混水系统2包括温控分流闸21、混水池22及混水器23；温控分流闸21的开启度可根据循环后水体6实测温度、预设温度和冷热交换装置需水量等参数，通过计算所得的循环水利用分配量进行调节；混水池22是引补水、循环水、回水汇合并平衡调配、搅拌均衡的水池，混水池22将引补水、循环水、回水汇合并搅拌均衡，供水泵加压输送至冷热交换装置33利用；作为本发明的一个优选实施方式，可以在混水池内设置一个混水器23，混水器23将进入混水池内补给水、循环水、回水等充分混合，使水温尽量均衡；所述混水器23是一个搅拌装置，安装在混水池横梁上，可按照预先设置的频率自动进行搅拌工作。
加压水泵及冷热交换系统3包括加压水泵31、配套管道32、冷热交换装置33；加压水泵31将混合后进入取水池24内水体6通过水泵加压送至冷热交换装置33；配套管道32及回水管34用于连接装置间输送水体6；冷热交换装置33是江河水冷热资源利用的专用设备。
循环水及辅助装置系统4包括温控分流阀41、消能溢流装置42、循环水渠43、紊流装置44、调蓄水库45、拦渣闸46；其中温控分流阀41依据冷热交换装置33出水口水体的实测温度、预设温度，动态调节闸门，控制水体6流向路径；消能溢流装置42可以设置成塔型或跌水型，用于消散出水管口水体6动能，同时加快水体6的温度恢复；循环水渠43用于促进循环水体6散热或吸热，尽量恢复水体6温度，利于水体6再次利用；紊流装置44使水体6在循环水渠43流动过程中充分混合，加快水体6温度恢复；调蓄水库45可延长水体6散热或吸热时程，调节或临时储存水体6；拦渣闸46拦截循环水渠运行过程中粗物体。
弃水排放系统5将循环后不能再利用的水体6排放，弃水排放系统5包括挡水堰51、排水渠管52、第三辅助闸门53，排水前池54，排水口55；排水前池54一端与循环水渠43连通，另一端与排水渠管52连通，挡水堰51设置在排水前池54的水体入口处，挡水堰51限制渠内水倒流，堰后水位低于堰顶，挡水堰51是设置在排水渠道内的挡水堰体，让上游水高于下游水，防止水倒流；流入弃水排放系统5内的水体6通过排水渠管52排放；排水渠管52一端与排水前池54连通，另一端伸入弃水排放地江河内，第三辅助闸门53设置在排水渠管52上，第三辅助闸门53为常开闸门，仅在不能向江河内排水期间例如防汛期间关闭。
排水前池54与排水口55连通，排水前池54可将循环水渠不能再利用的水临时存储，可根据情况通过排水渠管52将不能再利用的水体排放。
本发明中，先通过引补水系统1从江河引水，通过引补水系统1引入的江河水在重力作用下依次流入混水池22、取水池24；再通过加压水泵31将水体送入冷热交换装置33利用，完成冷热交换后从冷热交换装置33流出的水体6通过温控分流阀41，自动判断是否可以直接再利用，如果从冷热交换装置33流出的水体6能直接再利用时，则从冷热交换装置33流出的水体6通过回水管34送至混水池22内与补给水混合后再利用；如果从冷热交换装置33流出的水体6不能直接利用，则从冷热交换装置33流出的水体6进入循环水及辅助装置系统4，水体6在流动过程中不断散热或吸热，尽快恢复水体温度，当循环水渠43中的水体6流动至混水池22前端温控分流闸21附近，再次自动判断循环水渠43中的水体6是否满足利用条件，包括循环水渠43中的水体6全部或部分满足利用条件，如果循环水渠43中的水体6满足利用条件时，则循环水渠43中水体6通过温控分流闸21进入混水池22内与混水池22内补给水混合后再次利用；如果循环水渠43中水体6不满足利用条件，属于不能再次利用的弃水，则循环水渠43中的水体6进入弃水排放系统5包括的排水渠管52排放。
本发明实施例中江河水循环利用系统以取长江水举例说明。
本发明中的引补水系统1包括引补水头部11、引水管道12、第一辅助闸门13；所述引水管道12一端穿过长江堤防伸入长江内，引水管道12另一端与水量分配及混水系统2包括的混水池22连通；所述引水管道12伸入长江内的一端呈喇叭状，且设置有网状物，以防止江河中的树叶、垃圾等进入引水管道12；所述引水管道12可以是钢管、混凝土管道或者高强度的塑料管道，江水在重力作用下流入引水管道12，再从引水管道12流入混水池22内。
引水管道12可以是一个或多个，如图1所示，本发明实例中设置两个引水管道12。
混水池22为设置在地下的方形水池，混水池22包括一个顶面敞口，五面有封板；混水池22的高程低于长江取水水位，优选是混水池22的高程低于长江枯水位，所述的长江水位或长江枯水位以长江水位历史数据确定；所述混水池22位于引水管道12末端与引水管道12连通，江水在重力作用下流入引水管道12后，再由引水管道12进入混水池22。混水池22内水位略低于江水位，若同高程时，混水池22内外水压平衡，江水不进入混水池22，则表示循环水利用量最大化。
引水管道12尾端设置第一辅助闸门13，所述第一辅助闸门13为常开闸门，仅在不能从江河中引入水体6时才关闭，比如防汛时期或者其它按照规定不能从江河中引入水体6的时期。
作为一种优选方式，可以在引水管道12尾部，混水池22前端设置引水沉砂池，引水沉砂池与引水管道12连通，引水沉砂池与混水池22之间通过输水管道连通，江水中的泥砂可在引水沉砂池中沉淀，引水沉砂池顶部设置井口，类似于城市下水管道的清理，可定期使用泵车通过所述的井口清理引水沉砂池中的泥土。
江水进入混水池22后，与循环水体6混合，再进入取水池24。取水池24为设置在地下的方形水池，取水池24与混水池22相邻并设置连通管。取水池24底板与混水池22同高或者略低于混水池22，便于江水在重力作用下由混水池22流至取水池24；取水池24可以是一个或多个，如图1所示，本发明实例中设置有两个取水池24，两个分别位于混水池22两侧，取水池24与混水池22连通部位设置有第二辅助闸门25，所述的第二辅助闸门25为常开闸门，第二辅助闸门25仅在清理混水池22或者取水池24时关闭。
江水进入取水池24后，再通过加压水泵31，将水体送入气化器等冷热交换装置33利用。
加压水泵房内可设置多台水泵，每台水泵的吸水管与取水池连通，根据需水量控制每台水泵的开启；如图1所示，在本发明实例中，设置四台水泵，根据实际使用需求，四台水泵可同时工作，也可仅部分水泵工作。
经过冷热交换装置33进行热交换后，江水温度改变，如果是将江水用于降温，例如江水用于夏季江水源空调，则经过冷热交换装置完成热交换后，江水温度升高，装置温度降低；如果是将江水用于升温，例如江水用于-161.5℃的LNG气化，则经过冷热交换装置完成热交换后，江水温度降低，装置温度升高。
江水在冷热交换装置33内完成热交换后，从冷热交换装置33流出，通过循环水及辅助装置系统4包括的温控分流阀41，温控分流阀41是一个一进两出的温控三通阀，两出的通道可以是其中一个通道全开，另一个通道全关闭，根据实测江水温度与预设温度判断，温控分流阀41的阀芯转动可封堵其中一个通道，使另一个通道全开，通过温控三通阀的路径切换实现水体流动方向的控制。
根据从冷热交换装置33流出水体的实测温度和预先设置阈值，判断所述水体是否可以直接再利用。如果江水用于降温，当从冷热交换装置流出的江水温度在所述阈值以下，则可以直接再利用，当从冷热交换装置流出的江水温度在所述阈值以上，则不能直接再利用；如果江水用于升温，当从冷热交换装置流出的江水温度在所述阈值以下，则不能直接再利用，当从冷热交换装置流出的江水温度在所述阈值以上，则可以直接再利用；所述阈值的设置，可以根据具体项目实际使用情况设置。
以图1举例说明，预先设置阈值，如果江水用于降温，例如江水用于夏季江水源空调，温控分流阀41感知水体温度：当从冷热交换装置33流出的水体温度在所述阈值以下，则温控分流阀41的阀芯转动封堵通向右侧循环水渠43的输水管道，从冷热交换装置33流出的水体流向左侧回水管34，所述的回水管34尾端与混水池22连通，则水体通过左侧回水管34流至混水池22内，与混水池22内的补给水混合后流至取水池24，再通过加压水泵31加压，将水体送入气化器等冷热交换装置33利用。当从冷热交换装置33流出的水体温度在所述阈值以上，则温控分流阀41的阀芯转动封堵朝向左侧的回水管34，从冷热交换装置33流出的水体流向右侧循环水及辅助装置系统4，沿着循环水渠43依次流经消能溢流装置42、紊流装置44、调蓄水库45、拦渣闸46，在流动过程中水体通过不断散热恢复水体温度后，到达混水池22前端的温控分流闸21，通过计算，再次判断是否可利用，若能利用则进入混水池22混合后进取水池24，再通过加压水泵31加压，将水体送入气化器等冷热交换装置33利用，若不能利用则进入弃水排放系统5。
预先设置阈值，如果江水用于升温，例如江水用于使-161.5℃的LNG气化，温控分流阀41感知水体温度：当从冷热交换装置流出的水体温度在所述阈值以下，则温控分流阀41的阀芯转动封堵朝向左侧的回水管34，从冷热交换装置33流出的水体通向右侧循环水及辅助装置系统4，沿着循环水渠43依次流经消能溢流装置42、紊流装置44、调蓄水库45、拦渣闸46，在流动过程中水体通过不断吸热恢复水体温度后，到达混水池22前端的温控分流闸21，通过计算，再次判断是否可利用，若能利用则进入混水池22混合后进取水池24，再通过加压水泵31加压，将水体送入气化器等冷热交换装置33利用，若不能利用则进入弃水排放系统5。
当从冷热交换装置流出的水体温度在所述阈值以上，则温控分流阀41的阀芯转动封堵通向右侧的循环水及辅助装置系统4，从冷热交换装置33流出的水体流向左侧的回水管34，所述的回水管34与混水池22连通，水体从左侧回水管34流至混水池22内，与混水池22内补给水混合后流入取水池24，再通过加压水泵31加压，将水体送入气化器等冷热交换装置33利用。
所述的消能溢流装置42可设置成塔型或跌水型，从冷热交换装置33流出的水体流经过消能溢流装置42，沿着循环水渠43流经紊流装置44，所述紊流装置44为促进循环水渠中水体翻滚或水跃等特有异形齿状构筑物。
水体在紊流装置44中一方面可通过紊流装置特有异形齿状结构降低流速；另外一方面，水体在紊流装置44中可与大气充分接触，促使江水能够尽快恢复温度。
作为一种优选的实施方式，可沿着循环水渠43，每间隔300m～600m设置一套紊流装置44。
如果水体在经过消能溢流装置42、循环水渠43、紊流装置44后水体温度恢复不够充分，作为一种优选的实施方式，可在循环水渠中部或尾部设置调蓄水库45，调蓄水库45是一个临时调节储水池，水体沿着循环水渠流动至调蓄水库45中，水体在调蓄水库45中慢速运动，增加与大气接触时程，以使江水在调蓄水库45中能够进一步恢复温度。
如图1及图2所示，循环水体在重力的作用下沿着循环水渠43流动至混水池22前端的温控分流闸21，温控分流闸21可根据实测的水体温度自动调节开度大小，使得循环水及辅助装置系统4中的水体6全部或部分通过温控分流闸21进入混水池22内；温控分流闸21具体设置在混水池22与循环水渠43尾端相邻的侧壁，将两者连通，当循环水渠43中的水体流动至温控分流闸21时，通过计算，再次判循环水渠43中的水体是否满足再利用条件，包括全部满足或部分满足再利用条件，若能再利用时循环水渠43中的水体6通过温控分流闸21进入混水池22内与补给水混合后利用，若不能再次利用，则进入弃水排放系统5包括的排水渠管52排放至江河中；具体是，当循环水渠43中的水体流动通过温控分流闸21时，温控分流闸21根据实测水体温度、预设温度、需水量等参数计算利用水分配量，动态调控温控分流闸21的开启度，以控制循环水渠43中的部分或全部水体通过温控分流闸21流入混水池22内与补给水混合后利用，多余的水体6则流动至弃水排放系统5包括的的排水渠管52排放，所述的排水渠管52一端与循环水渠43尾端连通，排水渠管52另一端则伸入江河内，将循环水渠43中的弃水排入江河内；排水渠管52与循环水渠43连通的一端的高程高于长江水位时，循环水渠43中的弃水可在重力作用下沿着排水渠管52排入江河内。
本发明中，循环水利用量分配计算公式为Q(t)＝Q1(t)+Q2(t)和(t1×Q1(t)+t2×Q2(t))/Q(t)≥t或(t1×Q1(t)+t2×Q2(t))/Q(t)≦t。
依据水量总体平衡原理Q(t)＝Q1(t)+Q2(t)，其中Q(t)为冷热交换装置33进行热交换所需的水量，为已知数；Q1(t)为从江中直取或补给的水量；Q2(t)为循环利用水量，t为进入冷热交换装置33中所要求的水体温度，即热冷热交换装置33入口处要求水温，是根据项目实际热交换需要设定的值，为已知数；t1为江水温度，t2为从循环水渠流动至混水池22前端温控分流闸21测得的水温。循环利用水量分配计算要求在混合水温满足冷热交换装置进口水温t的条件下，不断试算使Q2(t)循环利用水量最大值，也就是Q1(t)直取或者补给水量最小化，得出循环利用水分配量，温控分流闸21根据计算循环水利用分配量，自动调控闸门开启度，实现水量的分配和调控。
本发明最低目标是江河直取水至少循环利用1次，年江河直取水量与总利用需水量比不超过0.5即节水50％以上；本发明一般目标是循环利用4～5次，年节约江河水资源75～85％即江河直取水量与利用需水量比为15～25％。
完成冷热交换后，从冷热交换装置33流出的水体进入循环水渠43后，应尽量促使水体温度恢复。江水温度的恢复程度，直接关系到重复利用次数或节水效果，所述江水升温或降温大小ΔT，与循环水渠长度L、循环水深H、水体6停留时间t以及大气温度T1、风速v、湿度等直接相关，同时与工程合理循环次数等相关。
通过模型计算和实践验证，为了达到高效节水效果，本发明循环水渠或管道最佳长度是1.0km～12.0km；循环水渠内流水深度0.5m～1.0m；湿周与水渠或管道过水断面之比不小于10；水体6在循环水渠最佳停留时间1.5小时～10小时。
本发明中的临时调蓄储水池45可结合场地地形设置，最佳容积0.5～5小时冷热交换装置利用需水量。
本发明实施例中，利用江水冷热资源的厂区优选设置在江河水源地附近，避免江水输送过程中的资源损失。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作；另外，江河泛指地表的江、河及江河上的湖泊、水库等，因此不能理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统，包括引补水系统(1)，其特征在于：还包括与引补水系统(1)连通的水量分配及混水系统(2)、与水量分配及混水系统(2)连通的加压水泵及冷热交换系统(3)、与加压水泵及冷热交换系统(3)连通的循环水及辅助装置系统(4)、与循环水及辅助装置系统(4)连通的弃水排放系统(5)；
引补水系统(1)引入的水体(6)流入冷热交换装置(33)进行热交换，完成热交换后，从冷热交换装置流出的水体(6)通过温控分流阀判断分流方向，如果从冷热交换装置(33)流出的水体(6)能直接再利用时，则从冷热交换装置(33)流出的水体(6)通过温控分流阀(41)后再通过回水管(34)送至混水池(22)内与补给水混合后再利用；如果从冷热交换装置(33)流出的水体(6)不能直接利用，则从冷热交换装置(33)流出的水体(6)通过温控分流阀(41)后进入循环水及辅助装置系统(4)，水体(6)在循环水及辅助装置系统(4)内流动过程中，不断散热或吸热恢复水体温度，并流至混水池前端的温控分流闸(21)，再次判断恢复温度后的水体(6)是否可再利用；
如果循环水及辅助装置系统(4)中的水体(6)满足再利用条件，则循环水及辅助装置系统(4)中的水体(6)全部或部分通过温控分流闸(21)进入混水池(22)内，与混水池(22)中的补给水混合后，再次进入冷热交换装置(33)利用；如果循环水及辅助装置系统(4)中的水体(6)不满足再利用条件则所述水体(6)进入弃水排放系统(5)排出。
2.根据权利要求1所述的一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统，其特征在于：所述引补水系统(1)引入的水体(6)依次流入水量分配及混水系统(2)包括的混水池(22)、取水池(24)；取水池(24)中的水体通过加压水泵(31)加压将取水池(24)中的水体送入冷热交换装置(33)利用，完成热交换后从冷热交换装置(33)流出的水体(6)通过温控分流阀(41)；
所述循环水及辅助装置系统(4)包括循环水渠(43)，循环水渠(43)中的水体(6)流经消能溢流装置(42)、紊流装置(44)、调蓄水库(45)后流至混水池前端的温控分流闸(21)。
3.根据权利要求1所述的一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统，其特征在于：所述的引补水系统(1)包括引补水头部(11)、引水管道(12)、第一辅助闸阀(13)，所述引水管道(12)一端伸入江河内，引水管道(12)另一端与水量分配及混水系统(2)包括的混水池(22)连通；
所述引水管道(12)伸入江河内一端即引补水头部(11)呈喇叭状，用于进水；
引水管道(12)一端与引补水头部(11)连接，作为引补水的通道，另一端与混水池(22)连通；
第一辅助闸阀(13)设置在引水管道(12)尾端。
4.根据权利要求1所述的一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统，其特征在于：所述水量分配及混水系统(2)包括温控分流闸(21)、混水池(22)、混水器(23)、取水池(24)、第二辅助闸阀(25)；
温控分流闸(21)根据水体(6)的温度进行开启度的动态调节；
所述的混水池(22)与引水管道(12)连通，混水池(22)为设置在地下的水池；取水池(24)与混水池(22)相邻设置并连通，取水池(24)与混水池(22)的连接部设置有第二辅助闸阀(25)。
5.根据权利要求1所述的一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统，其特征在于：所述加压水泵及冷热交换系统(3)包括加压水泵(31)、冷热交换装置(33)；
加压水泵(31)的吸水管与取水池(24)连通，加压水泵(31)的输水管与冷热交换装置(33)连通。
6.根据权利要求1所述的一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统，其特征在于：所述循环水及辅助装置系统(4)包括温控分流阀(41)、消能溢流装置(42)、循环水渠(43)、紊流装置(44)、调蓄水库(45)、拦渣闸(46)；
温控分流阀(41)依据冷热交换装置(33)出水口的水体实测温度调节阀的开启方向；所述温控分流阀(41)设置在冷热交换装置(33)出水口后的管道上，温控分流阀(41)一侧连接回水管(34)，所述的回水管(34)与混水池(22)连通；温控分流阀(41)另一侧连接循环水及辅助装置系统(4)；
消能溢流装置(42)、紊流装置(44)、调蓄水库(45)及拦渣闸(46)设置在循环水渠(43)上；
所述的消能溢流装置(42)为塔型或者跌水形状，消能溢流装置(42)通过输水管道与温控分流阀(41)连通；
紊流装置(44)与消能溢流装置(42)连通，紊流装置(44)为设置在循环水渠(43)上带有异形齿状构筑物；
调蓄水库(45)为厂区地面上开口的水塘或水池，调蓄水库(45)与紊流装置(44)通过输水管道连通。
7.根据权利要求1所述的一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统，其特征在于：所述弃水排放系统(5)包括挡水堰(51)、排水渠管(52)、第三辅助闸门(53)、排水前池(54)，排水前池(54)与循环水渠(43)连通，挡水堰(51)设置在排水前池(54)的水体入口处，排水渠管(52)一端与排水前池(54)连通，另一端伸入弃水排放地江河内，第三辅助闸门(53)设置在排水渠管(52)上。
8.根据权利要求1所述的一种高效节水循环利用江河水冷热资源的系统，其特征在于：所述温控分流闸(21)设置在混水池(22)与循环水渠(43)相邻的侧壁上，将循环水渠(43)与混水池(22)连通。
9.一种通过权利要求1-8中任一权利要求所述的高效节水循环利用江河水冷热资源的系统实现水冷热资源循环利用的方法，其特征在于：
引补水系统(1)引入的水体依次流入混水池(22)、取水池(24)；取水池(24)中的水体通过加压水泵房内设置的加压水泵(31)将取水池(24)中的水体送入冷热交换装置(33)利用，完成热交换后从冷热交换装置(33)流出的水体(6)通过温控分流阀(41)；
根据预先设置阈值判断：
如果水体用于降温，温控分流阀(41)感知水体温度：当从冷热交换装置(33)流出的水体温度在所述阈值以下，则温控分流阀(41)的阀芯转动封堵通向右侧的循环水及辅助装置系统(4)的管道，从冷热交换装置(33)流出的水体流向左侧的回水管(34)，所述的回水管(34)与混水池(22)连通，从冷热交换装置(33)流出的水体从左侧回水管(34)流至混水池(22)内，与混水池(22)内的补给水混合后再利用；当从冷热交换装置(33)流出的水体温度在所述阈值以上，则温控分流阀(41)的阀芯转动封堵朝向左侧的回水管(34)，从冷热交换装置(33)流出的水体流向右侧循环水及辅助装置系统(4)，通过散热恢复水体温度；
如果水体用于升温，温控分流阀(41)感知水体温度：当从冷热交换装置流出的水体温度在所述阈值以下，则温控分流阀(41)的阀芯转动封堵朝向左侧的回水管(34)，从冷热交换装置(33)流出的水体(6)流向循环水及辅助装置系统(4)，通过吸热恢复水体温度；当从冷热交换装置流出的水体温度在所述阈值以上，则温控分流阀(41)的阀芯转动封堵通向右侧的循环水及辅助装置系统(4)的管道，从冷热交换装置(33)流出的水体流向左侧的回水管(34)，所述的回水管(34)与混水池(22)连通，从冷热交换装置(33)流出的水体从左侧回水管(34)流至混水池(22)内，与混水池(22)内的补给水混合后再次利用。
10.根据权利要求9所述的水冷热资源循环利用的方法，其特征在于：所述从冷热交换装置(33)流出的水体(6)流向右侧循环水及辅助装置系统后，所述水体(6)沿着循环水渠(43)流经消能溢流装置(42)、紊流装置(44)、调蓄水库(45)，并流至混水池(22)前端的温控分流闸(21)，温控分流闸(21)依据水体实测温度、预设温度、冷热交换装置需水量动态调控温控分流闸(21)的开启度，控制水体(6)流入混水池(22)内的流量或弃水排放系统(5)内的流量。
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