變電站事故油池體積優(yōu)化研究

王 暉，蔡 萱，李 輝，劉曉華，喻培元

(1.湖北安源安全環(huán)保科技有限公司，湖北 武漢 430040；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430071；3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修分公司，湖北 武漢 430071)

1 引言

因礦物油具有良好絕緣、散熱和消弧效果，目前大型電力變壓器大部分為油浸式變壓器，但變壓器運(yùn)行、檢修產(chǎn)生的廢變壓器油屬于危險廢物[1]，如果未得到妥善處置，會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2～4]。事故油池作為變壓器故障或火災(zāi)發(fā)生后排油的主要構(gòu)筑物，主要用于變壓器事故排油時通過油水分離達(dá)到對廢油的儲存，對有效避免損失擴(kuò)大具有不容忽視的作用[5,6]。由于變壓器火災(zāi)發(fā)生概率低，事故油池的使用率更低，故變壓器事故油池的設(shè)計一般不考慮復(fù)雜、昂貴的處理設(shè)施[7,8]。油水分離最方便、經(jīng)濟(jì)的辦法是重力法，即利用油的容重比水的容重小和油水不相溶性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)油水分離(圖1、圖2)[9]。

圖1 變壓器及事故油坑

圖2 變壓器的排油路徑

2 油池現(xiàn)狀

目前在建或運(yùn)行中的變電站主變壓器事故油池通常為包括進(jìn)出口的圓柱體或長方體，進(jìn)口較高，接近池頂，出口較低，接近池底，結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土為主。

由于變壓器油的密度小于水，當(dāng)變壓器發(fā)生事故時，廢油排放至事故油池后，在水力停留時間足夠長時，油水混合液受重力作用自然分成界面清晰的兩層，此時底部的水在壓力作用下由管道排出，從而保證對變壓器油的截留貯存。但是，事故排油時水噴霧系統(tǒng)打開，短時間內(nèi)噴出大量水霧對變壓器進(jìn)行滅火、降溫，此外，在暴雨、洪水等極端情況，會有更多的雨水進(jìn)入排油管，排油管道內(nèi)主要為油、水兩相紊流[10,11]，而傳統(tǒng)事故油池構(gòu)造中油水混合物行程較短，可能易導(dǎo)致廢油與水分離不充分，外排后產(chǎn)生二次污染。常見事故油池原理簡圖見圖3。

圖3 常見事故油池油水分離原理

目前，事故油池的設(shè)計容量己由《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB50229-2019)中主變壓器油量的60%增加到《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB50229-2019)中主變壓器油量的100%。從運(yùn)行效果及相關(guān)學(xué)者[12]的研究來看，當(dāng)事故油池容量為主變壓器壓器油量的100%時，無降雨條件下發(fā)生事故，出水能夠滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)三級標(biāo)準(zhǔn)。

3 三年一遇情況下，油池油水分離效果分析

以有效容積為50 m3的圓柱形油池為模擬對象，采用Gambit軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。事故油量按50 m3(100%)設(shè)計，以武漢地區(qū)三年一遇暴雨計算降雨量，同時考慮排入100 m3的消防用水，事故時的排油時間按《變電所給水排水設(shè)計規(guī)程》(DL/T5143-2002)中規(guī)定的20 min(1200 s)將事故油排盡進(jìn)行設(shè)計(圖4)。

圖4 三年一遇降雨情況下50 m3事故油池內(nèi)事故油體積分?jǐn)?shù)分布

圖5為三年一遇降雨情況下50 m3事故油池出口處事故油含量隨泄漏時間的變化情況，在大約250 s開始就有油污隨排水泄漏出來，但含量非常低，不大于1 mg/L。在大約1137 s時，排水中的油污含量超過10 mg/L，最大達(dá)到88g/L。因此，三年一遇降雨時事故油池的排水未能達(dá)標(biāo)排放。

圖5 三年一遇降雨情況下事故油池出口處事故油含量隨泄漏時間的變化

三年一遇的降雨中，事故油池進(jìn)口管道中油的下降至70%，大部分油滴仍可正常分離，但有極少部分的油滴隨排水排出，但是由于事故油池內(nèi)事故油的含量降低至85～90%，導(dǎo)致當(dāng)前容積不足以容納所有事故油，因此產(chǎn)生事故油泄漏風(fēng)險。

4 油池優(yōu)化

目前針對事故油池優(yōu)化的研究，主要有改變深寬比、增加檔板、加大出口深度等[13～15]，從上述模擬結(jié)果來看，三年一遇的降雨時，產(chǎn)生事故油泄漏風(fēng)險的主要原因是容積不足，同時考慮到結(jié)構(gòu)的簡單與運(yùn)維的方便，優(yōu)先采用增大體積這一方式，暫不考慮其他方式。

增大原有油池體積，有效容積由原來的50 m3增加到60 m3(直徑不變，深度加大)。其他條件和上述模擬一致：事故油量50 m3、排入100 m3的消防用水、武漢地區(qū)三年一遇暴雨、20 min將事故油排盡(圖6)。

圖6給出了三年一遇暴雨情況下60 m3事故油池內(nèi)事故油體積分?jǐn)?shù)分布。從圖中可以看出，增大體積后的事故油池油水分離過程與原事故油池?zé)o顯著區(qū)別，由于事故油池容積增大，油水分界面遠(yuǎn)高于排水口高度，故60 m3事故油池沒有油污泄漏風(fēng)險(圖7、圖8)。

圖6 三年一遇降雨情況下60 m3事故油池內(nèi)事故油體積分?jǐn)?shù)分布

圖7 1200 s時60 m3事故油池內(nèi)事故油體積分?jǐn)?shù)隨高度的分布

圖8 三年一遇降雨情況下60 m3事故油池出口處事故油含量隨泄漏時間的變化

事故油池的容積應(yīng)根據(jù)變壓器油的總泄漏量和事故油池內(nèi)油層的含油量綜合確定。為了確定事故油池內(nèi)油層的含油量，本文通過(1)式計算油層的平均含油量：

(1)

其中，V油層表示事故油池內(nèi)油層的總體積，可通過對(2)式所示的函數(shù)積分得到：

(2)

(3)

根據(jù)上述公式計算得到60 m3事故油池內(nèi)油層的含油量約為89.1%。

因此，事故油池的儲油設(shè)計有效容積至少應(yīng)為最大變壓器油泄漏量的100/89.1×100%=112%。

5 結(jié)論與建議

按照目前變壓器油量的100%設(shè)計的事故油池在三年一遇暴雨時發(fā)生事故，有漏油風(fēng)險，通過加大油池體積能有效降低泄漏風(fēng)險，當(dāng)油池體積增大為油量的112%時，能有效防止事故漏油情況的發(fā)生。為降低暴雨時，油池發(fā)生事故泄漏風(fēng)險，建議加大事故油池體積。