油浸變壓器消防排水系統(tǒng)的計算與設(shè)計

儲劍鋒

(華東電力設(shè)計院，上海 200063)

1 概述

油浸變壓器是發(fā)電廠的核心設(shè)備，但其內(nèi)部貯有大量絕緣油，火災(zāi)危險性大?！痘鹆Πl(fā)電廠與變電站設(shè)計防火規(guī)范》第7.1.11條以強(qiáng)制性條文規(guī)定，“當(dāng)油浸變壓器容量為9×104kV·A及以上時，應(yīng)設(shè)置火災(zāi)探測報警系統(tǒng)、水噴霧滅火系統(tǒng)或其他滅火系統(tǒng)”。

大型變壓器的消防給水流量很大，消防排水中常含有少量油污，可能造成污染。因此，變壓器的消防排水，除應(yīng)按消防流量設(shè)計外，在排水設(shè)施上應(yīng)采取油水分隔措施。

目前不同設(shè)計院在設(shè)計變壓器消防排水系統(tǒng)時，做法多有不同。我院在設(shè)計某國外項目時，通過學(xué)習(xí)研究，整理出一套較為完整的變壓器消防排水系統(tǒng)的計算方法，可以通過計算確定水封井、排水管、事故隔油池的規(guī)格。該方法在多個工程項目上得到應(yīng)用，并不斷完善。

2 變壓器消防及排水

2.1 變壓器消防水流量

為確定變壓器消防排水的規(guī)模，首先應(yīng)確定變壓器水消防的流量及排水量，主要的相關(guān)規(guī)定如下：

(1)變壓器室外消火栓用水量不應(yīng)小于10 L/s、持續(xù)噴射時間不小于2 h。

(2)變壓器本體設(shè)計噴霧強(qiáng)度不應(yīng)小于20 L/ min·m2、持續(xù)噴霧時間不小于0.4 h。

(3)變壓器的集油坑設(shè)計噴霧強(qiáng)度不應(yīng)小于6 L/ min·m2、持續(xù)噴霧時間不小于0.4 h。

(4)變壓器的保護(hù)面積應(yīng)按扣除底面面積以外的變壓器外表面面積確定外，還包括油枕、冷卻器的外表面面積和集油坑的投影面積。

(5)變壓器電纜溝連接處宜增設(shè)水噴霧噴頭，強(qiáng)度不小于13 L/ min·m2、持續(xù)噴霧時間不小于0.4 h。

變壓器水噴霧滅火系統(tǒng)的噴頭選型及布置應(yīng)滿足上述規(guī)定，變壓器消防時實際室外消火栓及水噴霧流量需按照供水系統(tǒng)進(jìn)行管網(wǎng)計算而確定。

2.2 變壓器消防排水措施

變壓器消防排水系統(tǒng)應(yīng)能將變壓器事故過程中濺溢的絕緣油經(jīng)適當(dāng)隔火滅火措施后及時排盡，排水在事故隔油池中經(jīng)隔油處理后達(dá)標(biāo)排放，油經(jīng)回收處理后再利用。

(1) 變壓器發(fā)生火災(zāi)時有燃油溢(噴)出，為防止油火在水面燃燒、擴(kuò)散，通常采取兩道隔火滅火措施：一是變壓器下設(shè)置有集油坑用于貯油、擋油，且集油坑內(nèi)鋪設(shè)有厚度不小于250 mm的卵石層，可起到隔火降溫作用，防止燃燒擴(kuò)散；二是變壓器集油坑的排水出口設(shè)置有水封井，可起到阻隔水面游火作用，防止燃燒沿排水管網(wǎng)蔓延。

(2)變壓器集油坑的排水出口處設(shè)置的水封井宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水封井的水封深度不應(yīng)小于250 mm，干旱地區(qū)可采用500 mm或更大的水封深度。水封井的井底宜設(shè)深度為300～500 mm的沉泥槽。

(3)變壓器消防排水管的管徑、坡度宜按20 min內(nèi)將事故油排盡選擇，當(dāng)變壓器設(shè)有水噴霧滅火系統(tǒng)時，消防排水流量還應(yīng)疊加水噴霧流量。如果變壓器區(qū)域場地雨水經(jīng)水封井、檢查井等匯集進(jìn)來時，排水流量可考慮疊加水噴霧與雨水兩者之中的較大流量。

(4)變壓器消防排水管宜選擇球墨鑄鐵管，承插式膠圈接口，內(nèi)外壁均需防腐。

常用的25號變壓器油的運動粘度技術(shù)指標(biāo)為：40℃時不大于13 mm2/s、－10℃時不大于200 mm2/s。在10℃時，變壓器油的運動粘度約為50 mm2/s，水的運動粘度為1.3 mm2/s，在變壓器消防排水過程中，暫按油水混合物的運動粘度以20 mm2/s計，按重力流、滿流進(jìn)行簡化計算，常用管徑、坡度可參考表1。

表1 變壓器排水管常用管徑坡度

3 變壓器事故隔油池原理

變壓器消防排水和(/或)變壓器區(qū)域的雨水經(jīng)排水管、水封井(/檢查井)等，匯集進(jìn)入事故隔油池。變壓器絕緣油以可浮油、分散油的狀態(tài)摻混在水流中，從事故隔油池進(jìn)水區(qū)的隔墻下部進(jìn)入隔油區(qū)，在隔油區(qū)流速變緩，水流中挾帶的泥沙等較重顆粒將沉降落底，而較輕的油顆粒則爬升到水面上，并被后隔墻阻擋滯留下來。由此一來，清水從后隔墻下部進(jìn)入出水區(qū)，經(jīng)出水管可排至附近雨水下水道。典型的變壓器事故隔油池的平、剖面圖見圖1、圖2。

事故隔油池出水管道上應(yīng)設(shè)置方便封堵的措施，進(jìn)水管上也可相應(yīng)設(shè)置。例如在進(jìn)水管和出水管上分別安裝法蘭悶頭或鑄鐵閘門，以便采用灌水方式逐步抬高油位，使浮油經(jīng)集油槽全部進(jìn)入鄰近的集油井，同時利用移動式泵抽取至專門設(shè)施進(jìn)行處理回用。需要注意的是，正常時該法蘭悶頭不得安裝或保持閘門全開，保證進(jìn)、出水管暢通。

4 變壓器事故隔油池計算

4.1 事故隔油計算主要設(shè)計輸入

為計算變壓器事故隔油池的規(guī)格，主要設(shè)計輸入可按如下規(guī)定確定：

圖1 變壓器事故隔油池平面圖

圖2 變壓器事故隔油池剖面圖

(1) 變壓器事故隔油池設(shè)計貯油量(Woil)，按最大一臺變壓器總油量的60%考慮，(m3)。

(2) 變壓器事故排水設(shè)計流量(Q)除考慮排放事故溢(噴)油的流量外，還需要疊加消防排水流量或變壓器區(qū)域匯集的雨水流量(取大值)，(m3/s)。

(3) 其他主要設(shè)計參數(shù)選?。河退芏戎?ρ)：一般為0.8～0.9，視油品不同而定。

油粒爬升速度(Voil)：根據(jù)試驗確定，一般約0.0025 m/s。

隔墻下流速(Vh)：一般不大于0.05 m/s。

隔油區(qū)水平流速(V)：一般不大于0.01 m/s。

油水分界面：至少高出隔墻下過流孔頂0.5 m。

油面上部凈空：不宜小于0.5 m。

隔油區(qū)長寬比(LPW)：一般可取3。

隔油池底板坡度：一般可取2%。

4.2 隔油區(qū)主要尺寸的確定

隔油區(qū)內(nèi)主流緩慢水平運動，同時較重顆粒在沉淀、較輕油顆粒在爬升，運動狀態(tài)也比較復(fù)雜，隔油效果主要受到油粒爬升速度、主流水平流速的影響。

隔油區(qū)是隔油池關(guān)鍵部分，其主要尺寸可以按照如下步驟計算確定：

(1) 事故隔油池的進(jìn)水管內(nèi)底標(biāo)高應(yīng)高于排水堰頂標(biāo)高，其差值應(yīng)根據(jù)計算確定，一般可取5～10 cm；排水堰頂標(biāo)高應(yīng)高于出水管內(nèi)底標(biāo)高，其差值宜不小于5 cm。

(2) 隔油區(qū)最小水平截面積

(3) 隔油區(qū)寬度：

W可向上取整。

(4) 隔油區(qū)長度

L=W×LPW

(注：假定隔油區(qū)液體深度為h，則液體流經(jīng)隔油區(qū)的時間為L/(Q/(h×W))=(h×W×L)/Q，要求在此時間間隔內(nèi)油粒至少爬升 h的高度，由此可以確定隔油區(qū)最小水平截面積A h。)

(5) 貯油高度

Hoil=Woil/(W×L)

(6) 設(shè)計油水分界面標(biāo)高

=排水堰頂標(biāo)高－ρ×Hoil

設(shè)計油面標(biāo)高

=排水堰頂標(biāo)高+ (1－ρ)×Hoil

(注：上述界面標(biāo)高是指排水結(jié)束時狀態(tài)，此時出水區(qū)水面與排水堰頂齊平。)

4.3 事故隔油池其他尺寸的確定

在確定隔油區(qū)尺寸后，宜復(fù)核隔油區(qū)水平流速，必要時可通過加深隔油池來降低水平流速。

進(jìn)水區(qū)下部宜設(shè)集泥坑，其容積按初期雨水挾泥量確定，可按地面匯集雨水流量乘以200s估算。

5 其他說明

據(jù)調(diào)查，變壓器火災(zāi)時，即使發(fā)生爆炸事故，真正進(jìn)入隔油池的油量一般只為變壓器總油量的10%～30%，因此隔油區(qū)水平流速將比設(shè)計值略小，實際處理效果會更好。

根據(jù)布置的需要，變壓器事故隔油池同樣可以承接主廠房汽輪機(jī)油系統(tǒng)的消防排水，此時事故隔油池的規(guī)模需進(jìn)行必要的復(fù)核。

當(dāng)變壓器、汽輪機(jī)油系統(tǒng)設(shè)有事故排油門時，這部分緊急疏油宜通過特定的管道直接排入密封的排油箱(坑)中，集中回收處理；由于事故隔油池并非密封的結(jié)構(gòu)，不建議將緊急疏油也引入變壓器事故隔油池，否則設(shè)計人員需慎重考慮相關(guān)安全、環(huán)保措施。

6 結(jié)論

按照本文推薦的計算思路和方法，通過計算確定變壓器事故排水系統(tǒng)的工藝尺寸，有利于規(guī)范設(shè)計、提高設(shè)計質(zhì)量。

[1]GB 50229－2006，火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火規(guī)范 [S]．

[2]DL/T5339－2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范 [S]．

[3]GB 50219－95，水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范 [S]．

[4]SIEMENS．Design of Oil Separator Pit [K]．GURGAON：Rajesh Mandal，1999．