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从核电厂安全测试中学到的教训可以帮助解决全国性的水危机吗?

张贴者 Jim Burelbach博士 在09.18.20

水是宝贵的自然资源和宝贵的商品,对全世界的生命都是至关重要的。但是根据美国土木工程师协会的说法,我们在美国的自来水管道分配网络的等级为“ D减”,这意味着它们接近“失败”。

在美国,超过一百万英里的自来水管道中的许多管道是在20年代初至中期安装的 预期寿命为75到100年的世纪-并且以每年平均240,000的平均速度折断。*如果我们不采取任何措施,由于老化的管道由于诸如以下情况而继续恶化,这一数字可能会上升:

  • 酸性土壤的腐蚀和公用事业的阴极接地
  • 通常由冻融循环造成的土壤重量不均会降低,并在老化的管道上产生不均匀的载荷
  • 水温38o F或以下会使铸铁管更脆

即使管道没有出现恶化的迹象,当管道不能承受因快速启动和停止水流而引起的快速负载瞬变(水锤事件)以满足用水者的需求时,它们也会破裂。

 

美国自来水厂协会(AWWA)估计,维持和扩展美国自来水管道服务,以满足未来25年的预计用水需求,将花费1万亿美元。随着COVID-19的到来以及资金缺口的增加,市政当局可能会倾向于将重点放在优先事项上,而不是跟上那些将清洁水输送到家庭,工业,医院等的必不可少的管道的运行和维护。

 

主线中断对于市政当局而言尤其昂贵且耗时,并且对其劳动力造成危险。洪水,封路,停水和烧水还可能使居民和企业面临风险。为了公共卫生和经济增长,公用事业需要在可能的情况下探索破坏性较小,成本较低的替代方案,以替代总水管。

 

了解水锤可能会导致解决方案

浪涌抑制器

核电厂(以及许多其他工业过程)以各种方式使用水,基本上是产生蒸汽热并发电,一旦蒸汽将能量输送到涡轮机,蒸汽就会再次凝结。**福斯进行的热工水力测试&Associates,LLC(FAI)支持 核安全分析 已经说明了基于水力现象的水锤对供水管道的潜在破坏作用。我们还看到了如何抑制导致水锤的浪涌有助于保护那些相同的管道免于达到其断裂点。

 

那么,抑制浪涌是否可以成为一种解决方案,该解决方案应用于水行业,可以大大延长其基础设施的使用寿命,从而节省数百万美元并避免不必要的水损失?

 

首先,让我们看一下造成水锤的原因。供水系统通常由数英里的管道组成,这些管道被弯头和T形管所阻塞,而弯管和T形管则需要为客户供水。水系统还具有阀门和消防栓,其中许多阀门由大量用户操作,例如制造商,洗车或灭火系统。

 

当水高速流动并且阀门快速启动,或者水遇到弯头或T形时,被迫减慢速度,然后以更大的动量向前冲。供水系统中的这些不均匀的压力变化会导致气蚀,从而导致水击。在巨大的压力下,水会寻找系统中的最薄弱点以释放出水。那是很可能发生主要中断的时候。

 

将此与另一种液体传输系统中发生的情况进行比较。石油行业的分配管道所使用的压力(800至1200 psi)比水行业大10倍,但主要中断很少。这是因为,石油行业系统可以在设计上逐步过渡,而不是在管道中使用T角和90°角来服务多个家庭和工业,并且可以更好地控制阀门。

 

人们普遍认为,低温会导致电源破裂。尽管我们证明了低温(38o F或以下)会使铸铁管变脆并导致破裂,并不是唯一的因素是寒冷的天气。休斯顿平均气温只有18天, 32o F or less 然而,与其他美国城市相比,它每英里遇到的主要中断次数更多。 

 

这些例子-石油工业的主要中断很少,而气候温暖的城市却有许多中断-提供了证据,主要是水锤/气蚀对我们的水基础设施造成了很大的破坏。

 

抑制电涌的水锤

 

FAI的工程师在1990年代开始探索电涌抑制在防止水锤在核工业中的作用。但是在此之前,伊利诺伊州迅速发展的Burr Ridge村的公共工程总监一直在他的职业生涯早期就注意到,随着对水的需求不断增加,更多的主要事故发生了。在目睹了反复出现的水污染风险和工人生命危险之后,霍华德·海尔(Howard Heil)是一个农民的儿子,他长大后解决问题并自己修理,发现了一种模式。他对主要中断之处特别感兴趣 没有 发生-高架水箱和泵站附近。他还考虑了自己对住宅水暖的了解。砰砰的声音表示水系统缺少充满空气的容积,该容积无法吸收因快速打开或关闭水而引起的压力突然变化,这在厨房,浴室或洗衣房中经常发生。

 

1994年,Heil开始引入与水槽和Burr Ridge供水系统中的住宅水管相同的电涌抑制原理。在主要休息地点时,他观察了管道的破裂情况。如果是圆周断裂(如铅笔折断)或喷出断裂(即管道裂开时),他和他的工作人员会在维修过程中植入不锈钢空气密封罐。 (他了解到锈蚀孔由生锈的孔来证明,用浪涌抑制很难防止,但可以推迟。)他的“约翰尼-苹果籽”风格工作的结果是,伯尔·里奇经历的断裂少得多并且减少了水的流失,延长了供水系统的寿命,并延迟了居民和企业不受欢迎的特殊税收评估。

 

浪涌抑制器2

海尔理论的科学依据

在1990年代初期,Heil来到FAI的办公室,该办公室位于他监督的水厂旁的伯尔里奇(Burr Ridge)。拜访的目的是维修水表,但他开始与员工进行对话,讨论如何在隔壁的水厂安装电涌抑制器。他分享了有关该设备如何减轻水锤现象的发现,在这种情况下,由于最近增加的一口井,水源的激活和去激活增加了水锤现象。

 

FAI的工程师对Heil的工作很感兴趣,他立即意识到FAI的技术知识和水锤演示实验室是他自己的实践经验的补充。 FAI的团队与Heil和一家制造商合作,开发了该产品的早期模型,信息手册,甚至是台式显示器,以展示抑制电涌的科学原理。 FAI还与Heil一起参加了一些他的早期继续教育研讨会,以帮助“老师”教育水行业如何抑制电涌,以保护他们的水管。

 

1995年,福斯之一&协会的创始人罗伯特·亨利(Robert E. Henry)博士是机械工程师,是两相流领域公认的专家,他得出的结论是,抑制喘振可以大大延长水分配系统的使用寿命并降低维护成本。您可以阅读他的白皮书报告 这里.

 

Heil取得了一些成功,说服了芝加哥地区内外的其他市政当局尝试了对Burr Ridge村非常有效的电涌抑制措施。他稍后将跟进他们,以将数据添加到他的发现中并开发出不断改进其产品的方法。早期采用者包括都在伊利诺伊州的DuPage County Water,Oak Park和Hickory Hills。另外,密歇根州的安阿伯(Ann Arbor)和威斯康星州的格林贝(Green Bay),以及美国其他少数几个已经使用电涌抑制20年或更长时间的人。 Heil的跟进对话证实,与安装电涌抑制设备之前相比,这些系统遇到的主要中断更少。

 

开放“开箱即用”的思维

 

Heil没有资源来保存详细记录和量化结果。但是他坚持认为,如果市政当局这样做,他们将(像他一样)学习在何处放置浪涌抑制器来镇静水锤,并避免对任何脆弱的水分配系统造成损害。

 

一直存在精确测量液体传输中何时何地出现峰值和高压的技术。今天,可以通过计算机轻松查看和跟踪此信息。为什么不能将这些数据用于更快,更有效地确定问题区域并主动预防潜在灾难? 这甚至可能是应用来自FAI母公司Westinghouse LLC的可用机器学习技术的机会。

 

浪涌抑制器3

目前尚不清楚为什么没有更广泛地使用浪涌抑制来保护我们国家必不可少的但几乎不可行的供水系统。 Heil继续倡导其专利的水解决方案,并对自己进行进一步的教育,包括参加FAI的一项水锤培训课程,他是自来水公司的唯一参与者。对他来说,抑制浪涌是一个常识,它是解决不断增长的令人担忧的问题的明智之举。他认为,不幸的是,自来水行业变化缓慢,太多决策者陷入了困境。

 

但是,维持生命用水的需求并没有消失。随着我们努力恢复经济稳定并找到运营和维护供水系统所需的资金,基本基础设施将继续恶化。前进的一种方法是从测试和扩展创新中汲取经验,例如电涌抑制,其成本远低于完全更换电源的成本,并且可以节省数百万美元。用Heil的话来说,“向我证明那是行不通的。” 

福斯克&Associates,LLC(FAI)很高兴为您提供支持 Heil2O水解决方案 扩大行之有效的电涌抑制技术的应用范围。 

 

For more information on surge suppression or 水锤 issues in municipal water systems please contact 福斯克&下方的Associates LLC,或发送电子邮件 [email protected].

联系我们

 

资料来源:

*资源: //www.infrastructurereportcard.org/cat-item/drinking-water

**资源: //nuclear.duke-energy.com/2014/01/22/importance-of-water-at-nuclear-plants

话题: 核安全, 水锤

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