火電廠新型事故貯油池設(shè)計(jì)研究

黃建城（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102）

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火電廠新型事故貯油池設(shè)計(jì)研究

黃建城
（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102）

摘要：基于連續(xù)性方程和伯努利方程，探討了虹吸管內(nèi)液體平均流速的影響因素。設(shè)計(jì)并制作了虹吸破壞試驗(yàn)裝置，用于研究排水管的虹吸破壞機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了新型事故貯油池的設(shè)計(jì)方案及工作原理。研究表明：在進(jìn)油水管的端部設(shè)置90°彎頭，并在油水分離室內(nèi)設(shè)置交錯(cuò)隔墻，能有效改善整流效果；將連通孔布置于集水坑內(nèi)，既可實(shí)現(xiàn)水封，又能增加有效儲(chǔ)油容積；設(shè)置于U形排水管駝峰段下方的L形進(jìn)氣管，能有效觸發(fā)虹吸破壞，避免事故油排出池外，造成環(huán)境污染；此外，排水管外接的雨水井應(yīng)就近布置，以減小沿程水頭損失，從而實(shí)現(xiàn)快速排水。

關(guān)鍵詞：事故貯油池；環(huán)境保護(hù)；油水分離；自動(dòng)排水；虹吸破壞。

1 概述

油浸式變壓器具有絕緣散熱性好、投資經(jīng)濟(jì)、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站等電力工程。變壓器內(nèi)的絕緣油屬可燃性液體，閃點(diǎn)為135 ℃左右，一旦發(fā)生事故噴油，短時(shí)間內(nèi)大量的絕緣油噴涌而出，如不采取專(zhuān)門(mén)的防護(hù)措施，將造成環(huán)境污染，且極易引起火災(zāi)。為避免環(huán)境污染、防止油火蔓延，必須將事故噴油與大量消防水的混合液排至具有貯油排水功能的事故貯油池，以便回收利用。另外，大型變壓器一般為露天布置，平時(shí)將有大量的雨水通過(guò)變壓器下方的擋油設(shè)施排至事故貯油池。因此，合理的事故貯油池設(shè)計(jì)應(yīng)具有油水分離功能，并能將分離后的消防水迅速排出。

目前，關(guān)于事故貯油池的報(bào)道并不多見(jiàn)。周聲震采用單池式事故貯油池，通過(guò)L形排水管實(shí)現(xiàn)貯油排水。但是，在油水混合液的沖擊下，單池式事故貯油池的油水分離流程過(guò)短，流態(tài)紊亂，油水很難完全分離；況且，排水管一般略帶放坡，容易觸發(fā)虹吸排水，若不設(shè)置虹吸破壞機(jī)制，貯油池中的事故油可能排入雨水管網(wǎng)，造成環(huán)境污染。劉春昊等提出的帶油、水分離裝置的事故貯油池中，粗濾室、精濾室和排水室間流程短，且底部連通，容易出現(xiàn)短流，造成部分事故油排出池外，污染環(huán)境；另外，采用潛水泵抽吸排水，需要?jiǎng)恿ο暮腿藛T檢修，增加了營(yíng)運(yùn)成本。文獻(xiàn)［3］提出的事故貯油池中，一、二級(jí)分離室和排水室之間通過(guò)底部連通孔交錯(cuò)連通，延長(zhǎng)了含油廢水的流程，且不易出現(xiàn)短流；分離室內(nèi)設(shè)置斜管填料，增加了油水接觸表面積，從而提高除油效率，但是所用的L形排水管也沒(méi)有設(shè)置虹吸破壞機(jī)制。此外，文獻(xiàn)［4］、［5］嘗試在排水管附近設(shè)一根短直管作為進(jìn)氣管用于破壞虹吸，但是并未對(duì)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

可見(jiàn)，現(xiàn)有事故貯油池的排水方式主要為L(zhǎng)形虹吸排水或潛水泵抽吸排水。前者未設(shè)置虹吸破壞機(jī)制，易將事故油排出池外，污染環(huán)境；而后者需要?jiǎng)恿ο暮腿藛T檢修，增加了建造成本和維護(hù)費(fèi)用。另外，雙池式或多池式事故貯油池下方一般設(shè)有連通孔，且應(yīng)預(yù)先灌水沒(méi)過(guò)孔頂，方可實(shí)現(xiàn)油水分離功能。本文針對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)研究，旨在提供一種油水分離效果好、建造維護(hù)成本低、含虹吸破壞機(jī)制的自動(dòng)排水環(huán)保事故貯油池。

2 虹吸現(xiàn)象及其實(shí)現(xiàn)條件

虹吸是一種常見(jiàn)的流體力學(xué)現(xiàn)象，見(jiàn)圖1，液體在液面壓力（通常為大氣壓力）的作用下從液面較高的容器沿著曲管一側(cè)升高至最高點(diǎn)C，而后在重力的作用下再沿著曲管的另一側(cè)流入液面較低的容器，所經(jīng)路徑其形如虹，故名之曰虹吸。

圖1 虹吸示意圖

根據(jù)連續(xù)性方程，不可壓縮流體作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，同一流管的流量保持不變，即：

可見(jiàn)，液體的流速與流管的橫截面積成反比。由于容器截面積 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于曲管截面積 ，因此容器液面下降速度相對(duì)于曲管出口的流速 很小，可以忽略不計(jì)。

根據(jù)伯努利方程，不可壓縮流體作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，單位重量流體從A點(diǎn)流到B點(diǎn)的過(guò)程中機(jī)械能保持不變，即：

當(dāng)PA=PB=P0時(shí)，聯(lián)立式（1）～式（3）可得，

式中： Kv為流速損失系數(shù)。可見(jiàn)，曲管出口的流速主要取決于容器液面A與曲管出口端B的水頭壓差hBA。當(dāng)曲管形狀確定后，液體在曲管中流動(dòng)所產(chǎn)生的局部損失基本不變，此時(shí)若增大hBA且減小hAC則可以增大曲管的出流速度。

曲管產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象必須滿足三個(gè)條件：（1）若出口端位于大氣中，則入口端容器液面需高于曲管出口端；若出口端淹沒(méi)在液體中，則入口端容器液面需高于出口端容器液面。（2）曲管的最高點(diǎn)與入口端容器液面的高度差不得高于大氣壓支持的液柱高度。（3）曲管必須充滿液體，這是觸發(fā)條件。

2 虹吸破壞試驗(yàn)

為了研制一種有效的虹吸破壞方式，本文設(shè)計(jì)并制作了圖2（a）所示的虹吸破壞裝置。該裝置由1個(gè)透明容器及1根帶進(jìn)氣管的排水管組成。其中，透明容器由5升裝的調(diào)和油桶剪制而成，并采用燒紅的螺柱熱熔穿孔，孔徑約為φ16 mm；排水管采用內(nèi)徑12 mm×壁厚2 mm的透明PVC管彎制成U形管，U形管的駝峰下方采用燒紅的螺柱熱熔穿孔，孔徑約為φ8 mm；進(jìn)氣管采用內(nèi)徑6 mm×壁厚1 mm的透明PVC管彎制成，并插入排水管上預(yù)留的孔洞；排水管與進(jìn)氣管連接處，以及排水管與透明容器連接處，采用熱熔膠棒密封。

圖2 虹吸破壞裝置

試驗(yàn)中，先將透明容器的水位控制在U形排水管的駝峰附近，然后采用水壺往容器中緩慢加水。當(dāng)水面上升至液面A時(shí)，排水管開(kāi)始溢流排水，見(jiàn)圖2（b）；當(dāng)水面上升至液面B時(shí)，排水管充滿水，將觸發(fā)虹吸排水，見(jiàn)圖2（c），排水管中的水流速度可由式（4）確定；當(dāng)水面下降至液面C時(shí)，空氣將從進(jìn)氣管進(jìn)入排水管，虹吸終止，見(jiàn)圖2（d）。

3 新型事故貯油池及其工作原理

新型事故貯油池包括油水分離室1、排水室2、進(jìn)油水管6和排水管7，見(jiàn)圖3。

進(jìn)油水管與油水分離室連通。為了減小來(lái)流射程和來(lái)流對(duì)池內(nèi)液體的擾動(dòng)作用，并增加油水分離的流程長(zhǎng)度，可將進(jìn)油水管盡量外移，并在管口端部設(shè)置90°彎頭，油水混合液經(jīng)過(guò)彎頭改變流向，直接噴向油水分離室底部。

圖3 新型事故貯油池

油水分離室內(nèi)設(shè)置兩面用于增加油水分離流程的隔墻5，使油水分離路徑呈S形。S形的油水分離路徑可增加池內(nèi)液體流動(dòng)的沿程損失和局部損失，改善整流效果，從而使第一次油水分離更加徹底。

油水分離室的底部設(shè)置有集水坑4。連通孔3位于集水坑內(nèi)，其高度小于集水坑的深度。如此，只需將集水坑灌滿水，即可實(shí)現(xiàn)水封，從而防止事故油進(jìn)入排水室。并且，在滿足有效儲(chǔ)油容積的情況下，可以節(jié)約土建建造成本。

為了實(shí)現(xiàn)虹吸快速排水，并防止事故油排出池外，可采用含虹吸破壞機(jī)制的U形排水管，見(jiàn)圖3，即在排水管駝峰段底標(biāo)高以下一定高度設(shè)置一根用于破壞虹吸的L形進(jìn)氣管8。

排水管外接雨水井，排水室根據(jù)虹吸原理向雨水井排水。其中，雨水井應(yīng)就近布置，以減小沿程水頭損失，實(shí)現(xiàn)快速排水。

油水分離室和排水室的頂部均設(shè)置有檢修孔10，檢修孔上方設(shè)置帶通氣孔的蓋板9，使事故貯油池內(nèi)液面與大氣相通，從而保證虹吸順利實(shí)現(xiàn)。另外，為了便于工作人員檢修事故貯油池，油水分離室和排水室的內(nèi)壁均設(shè)置有爬梯11，爬梯分別從油水分離室、排水室的底部延伸至檢修孔。

事故發(fā)生時(shí)，隨著大量的油水混合液排入油水分離室，排水室的液面不斷升高。當(dāng)水面上升至排水管駝峰段的底標(biāo)高時(shí)，排水管開(kāi)始溢流排水；當(dāng)排水管充滿水時(shí)，將觸發(fā)虹吸排水，直至排水室液面下降到L形進(jìn)氣管的管口時(shí)，空氣進(jìn)入排水管，虹吸終止。

4 結(jié)論

本文基于連續(xù)性方程和伯努利方程，探討了虹吸管內(nèi)液體平均流速的影響因素。并且，設(shè)計(jì)制作了虹吸破壞試驗(yàn)裝置，用于研究排水管的虹吸破壞機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了新型事故貯油池的設(shè)計(jì)方案及工作原理。通過(guò)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1） 在進(jìn)油水管的端部設(shè)置90°彎頭，并在油水分離室內(nèi)設(shè)置交錯(cuò)隔墻，能有效改善整流效果。

（2）將連通孔布置于集水坑內(nèi)，既可實(shí)現(xiàn)水封，又能增加有效儲(chǔ)油容積。

（3）設(shè)置于U形排水管駝峰段下方的L形進(jìn)氣管，能有效觸發(fā)虹吸破壞，避免事故油排出池外，造成環(huán)境污染。

（4）排水管外接的雨水井應(yīng)就近布置，以減小沿程水頭損失，從而實(shí)現(xiàn)快速排水。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TM621

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913（2016）01-0054-04

* 收稿日期：2015-11-21

作者簡(jiǎn)介：黃建城（1980- ），男，福建連城人，博士，工程師，主要從事火電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

Design of a Novel Accident Oil Pool for Fossil-fired Power Plants

HUANG Jian-cheng
（Jiangsu Power Design Institute Co.， Ltd. of China Energy Engineering Group， Nanjing 211102， China）

Abstract:Based on the continuity equation and Bernoulli's equation， the Influencing factors on the mean flow rate of liquid emerging from a siphon are discussed. Then a siphon destruction testing apparatus is designed and constructed to investigate the siphon destruction mechanism of a drainpipe. Based on this， the design scheme and operating principle of a novel accident oil pool are expounded. It is found that the 90°elbow connected to the end of a oilwater intake pipe and the staggered partitions set up in the oil-water separation chamber can effectively ameliorate the flow pattern. It is also found that the communicating hole set up within a sump both implements hydraulic seal and increases effective oil storage volume. Moreover， a L-shaped air inlet pipe below the hump of a U-shaped drainpipe can effectively trigger siphon destruction. In addition， the rainwater well should be laid out near the accident oil pool to reduce the frictional head loss， thereby to realize high-speed drainage.

Key words:accident oil pool； environmental protection； oil-water separation； automatic drainage； siphon destruction.