管腔式變壓器事故油池設(shè)計(jì)

趙世海

摘要：為了解決目前多數(shù)電站事故油池結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工不便、安全性能不高等問題，介紹了一種新型管腔式變壓器事故油池，該事故油池由一個(gè)腔體和一根管道組成，正常運(yùn)行情況下只需保證池內(nèi)有水且淹沒管底一定高程即可。對(duì)事故油池的工作原理、設(shè)計(jì)和計(jì)算方法以及注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)描述。新型管腔式變壓器事故油池可用于解決現(xiàn)有事故油池結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大的問題，節(jié)約了資源和費(fèi)用，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變壓器事故油池;管腔式;油水分離;水電站

中圖法分類號(hào)：TM41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.009

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）08 - 0044 - 04

0 引 言

大中型油浸式變壓器絕緣與導(dǎo)熱性能好，能夠解決大容量變壓器散熱和高電壓絕緣問題，且投資經(jīng)濟(jì)、維護(hù)簡(jiǎn)便，運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)境要求低，得以廣泛應(yīng)用[1]。但當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)極端故障時(shí)，可能會(huì)造成變壓器油的溢出。早期系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般將油排入事故油池，較少考慮設(shè)置排水和油水分離措施，特別是露天布置的變壓器，會(huì)因?yàn)槠綍r(shí)的大雨或暴雨導(dǎo)致事故油池充滿雨水，如果這些雨水不能及時(shí)排出，一旦變壓器發(fā)生事故排油，變壓器油將無(wú)法進(jìn)入油池而溢出，從而間接排入河流，將對(duì)河流造成嚴(yán)重污染。因此，設(shè)置油水分離功能排水設(shè)施的事故油池十分必要。

李輝等[2]利用數(shù)值模擬研究了事故油池油水分離性能，發(fā)現(xiàn)目前事故油池的重力隔油法只能初步實(shí)現(xiàn)浮油與水的分離，水中仍含有可溶油，也會(huì)隨水外排。因此采用了一種油水分離器設(shè)備，對(duì)事故排油進(jìn)一步處理，從而達(dá)到更好水油分離效果。郭增輝等[3]通過(guò)設(shè)置廊道及隔板等對(duì)油池進(jìn)行構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)，并安裝自動(dòng)排水裝置，以提高油水分離效率，從而減少因廢油排放引起的污染。但以往設(shè)置具有油水分離功能排水設(shè)施的事故油池，一般需要額外增加設(shè)備，加大項(xiàng)目投資，還存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工難度較大等問題。因此，本文提出了管腔式事故油池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)比分析了管腔式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，闡述了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程，旨在簡(jiǎn)化施工方案，節(jié)省工程投資。

1 事故油池型式

1.1 三腔式結(jié)構(gòu)

目前，已建變壓器事故油池多為兩腔或三腔結(jié)構(gòu)，下面選擇現(xiàn)有電站常見的三腔結(jié)構(gòu)事故油池與本文設(shè)計(jì)的事故油池進(jìn)行比較。常見的事故油池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

正常運(yùn)行時(shí)，A腔與B腔需有一定水量，淹沒下部連通孔一定高度，B腔右側(cè)墻體高度低于左側(cè)墻體。當(dāng)變壓器事故排油時(shí)，油和水在B腔充分沉淀，由于油水比重不同，且不溶于水，因此油會(huì)慢慢進(jìn)入C腔，水會(huì)從A腔排水口排出[3]。

對(duì)于戶外變壓器，當(dāng)有長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí)，雨水會(huì)進(jìn)入事故油池。當(dāng)B腔的進(jìn)水量大于A腔的排水量時(shí)，C腔就會(huì)充滿雨水，從而沒有足夠空間容納變壓器事故排油，詳細(xì)情況如圖2所示。

考慮到最不利工況，當(dāng)C腔雨水沒有及時(shí)排出，而此時(shí)又正好發(fā)生變壓器事故，那么變壓器絕緣油將會(huì)通過(guò)排水管，流入下游河流，對(duì)河流造成污染，如圖3所示。

當(dāng)事故排油工況達(dá)到最終平衡后，事故油池狀態(tài)如圖4所示。

由此可見，該事故油池方案在極端工況下并不安全，存在一定環(huán)保隱患。

1.2 管腔式結(jié)構(gòu)

為避免不利情況的發(fā)生，進(jìn)一步優(yōu)化事故油池結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)總結(jié)，本文設(shè)計(jì)的事故油池為管腔式，如圖5所示。

由圖5可以看出：該事故油池只有一個(gè)腔體和一根管道組成，正常運(yùn)行情況下只需保證池內(nèi)有水且淹沒管底一定高程即可。如果為室內(nèi)事故油池，可以在變壓器運(yùn)行之前，提前向池內(nèi)注入要求水量;如果為戶外事故油池，在工程建設(shè)期由于降水，腔體內(nèi)基本可以保證具有安全運(yùn)行的水位。當(dāng)變壓器有事故發(fā)生時(shí)，事故油池運(yùn)行狀態(tài)見圖6。

由圖6可以看出：當(dāng)事故排油時(shí)，由于腔體內(nèi)原本就有一定清水，油混水通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入腔體后，因油水比重不同，油會(huì)慢慢浮于水的上表面，收集于腔體之內(nèi)，而分離后的清水則會(huì)通過(guò)排水口向下游排出。達(dá)到平衡后，油池最終狀態(tài)如圖7所示。

比較以上兩種事故油池方案可以看出：管腔式事故油池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省油池占地面積與體積，節(jié)約大量資源及費(fèi)用，且更加安全可靠，便于推廣利用。

2 事故油池設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

2.1 事故油池有效容積確定

根據(jù)GB50872-2014《水電工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)設(shè)有水噴霧、細(xì)水霧滅火設(shè)施時(shí)，公共事故油池容積按最大一臺(tái)充油設(shè)備的全部油量和滅火水量之和確定。當(dāng)公共事故油池內(nèi)設(shè)有油水分離設(shè)施時(shí)，容積按最大一臺(tái)充油設(shè)備的100%油量確定。該規(guī)范中提及的事故油池容積，即為滿足事故排油時(shí)最低要求的有效容積。在設(shè)計(jì)時(shí)事故油池總?cè)莘e要大于有效容積，現(xiàn)場(chǎng)有條件的可以適當(dāng)加大事故油池的有效容積[4]。

根據(jù)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，事故油池有效容積按下列3種情況計(jì)算[5]：

（1）室內(nèi)主變且無(wú)水噴霧系統(tǒng)，其主變事故油池的有效容積一般按單臺(tái)主變的總油量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）主變?cè)O(shè)置細(xì)水噴霧系統(tǒng)，其主變事故油池的有效容積一般按單臺(tái)主變的總油量加上噴霧水量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)于室內(nèi)主變?cè)O(shè)置普通水噴霧系統(tǒng)，如果供水采用消防水池（無(wú)連續(xù)補(bǔ)水設(shè)施），則主變事故油池的有效容積一般按單臺(tái)主變的總油量加上水池的有效容積進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 事故油池排水設(shè)計(jì)

對(duì)于室內(nèi)主變?cè)O(shè)置普通水噴霧系統(tǒng)，如果供水采用消防水池（有連續(xù)補(bǔ)水設(shè)施），或者水源取自水庫(kù)，則事故油池應(yīng)設(shè)置油水分離和排水設(shè)施[6]。

當(dāng)變壓器布置在室外時(shí)，如果遇到長(zhǎng)時(shí)間的大雨，事故油池若沒有排水設(shè)施，油池可能會(huì)被雨水灌滿或溢出，這種情況下也應(yīng)設(shè)置排水措施[7]。

2.3 事故油池相關(guān)參數(shù)計(jì)算

2.3.1 平面尺寸確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，初步確定事故油池可能的平面尺寸，然后根據(jù)高度計(jì)算或開挖深度限制進(jìn)行必要調(diào)整。

2.3.2 深度（高度）尺寸確定

深度（高度）相關(guān)尺寸見圖8。

（1）h1、h2計(jì)算。如圖8所示：根據(jù)事故油池的平面尺寸和一臺(tái)主變油的總體積，可利用式（1）和式（2）計(jì)算出油池中油的高度（h1+h2）和水的高度（h1），即排水管底部的安裝高程[8]。

式中：V為主變油的總體積， m3;S為事故油池的平面凈面積， m2;ρoil為主變油的密度，約0.895 t/m3;ρwater為水的密度，取1.0 t/m3。

（2）h3計(jì)算。事故油池排水管能否順利排出，主要取決于壓差（h2+h3），因此，可用式（3）計(jì)算[9-10]。

式中：[∑ξ]為事故油池排水管總阻力損失系數(shù)（包括沿程損失系數(shù)與局部損失系數(shù)）;v為管道內(nèi)水的流速， m/s;g為重力加速度， m/s2。

根據(jù)式（3），由于流量已經(jīng)確定（流量取主變消防供水泵流量），如果管徑已經(jīng)確定，可計(jì)算出高度h3，如果給定h3，則可以計(jì)算出排水管的最小內(nèi)徑。

（3）h4計(jì)算。主變油坑內(nèi)的油水能否順利進(jìn)入事故油池，主要取決于壓差h4，因此，可用式（4）計(jì)算：

根據(jù)式（4），由于流量已經(jīng)確定（流量取主變消防供水泵流量），如果管徑已經(jīng)確定，可計(jì)算出高度h4，如果給定h4，則可以計(jì)算出排水管的最小內(nèi)徑。

（4）h0計(jì)算。h0為油水分界面距離排水管進(jìn)口的安全高度，沒有特別規(guī)定，建議采用800 mm，但最好不小于500 mm。

以上為管腔式油池方案相關(guān)尺寸計(jì)算，可據(jù)此對(duì)事故油池進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3 事故油池設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

（1）根據(jù)GB50872-2014《水電工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定：公共事故油池應(yīng)設(shè)置排油、排水設(shè)施。為便于檢修，事故油池需要設(shè)進(jìn)人孔及活動(dòng)蓋板，以方便工作人員抽取廢油和下井檢修，一般配置移動(dòng)式潛水泵進(jìn)行抽排。進(jìn)人孔要高出地面并設(shè)有通氣管，進(jìn)人口的寬度應(yīng)設(shè)置合理，方便檢修人員操作。事故油池內(nèi)部應(yīng)設(shè)供檢修人員上下進(jìn)出的檢修鋼爬梯[11]。

（2）事故油池的總?cè)莘e，應(yīng)保證所有的事故油排入池中后，仍有一定高度的水面。

（3）因?yàn)樵摲N事故油池只有一個(gè)腔體，油和水分離路徑較短，以防止事故排油時(shí)，發(fā)生流態(tài)紊亂，油和水不能徹底分離，油隨水流排出池外而污染環(huán)境。變壓器投入運(yùn)行前，需檢查油池底部是否具有正常運(yùn)行水位，最好采用高水位，且將排水（油）口淹沒一定深度[12]。

（4）變壓器油坑排水（油）管出水口最好向上布置，位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離事故油坑排水管進(jìn)口位置，最好對(duì)角線布置，以增加油水分離的時(shí)間。

（5）多臺(tái)變壓器共用1個(gè)事故油池時(shí)，應(yīng)注意各進(jìn)油管標(biāo)高，以防止發(fā)生倒灌現(xiàn)象。

（6）事故油池排水管出口為淹沒出流，則應(yīng)在排水管頂部設(shè)置通氣管，以免形成虹吸現(xiàn)象，把廢油排到河道，污染河流。

（7）對(duì)于室外事故油池，排水可結(jié)合電站的站區(qū)排水系統(tǒng)綜合考慮。

（8）對(duì)于具有自流條件，但有開挖深度限制的事故油池，盡可能減小腔內(nèi)儲(chǔ)水空間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，只對(duì)事故油池局部進(jìn)行深挖即可。

（9）對(duì)于沒有自流條件，不方便排入河流的情況，可以不設(shè)置排水管，但需設(shè)置兩個(gè)腔體，變壓器事故排油后用潛水泵排出多余積水，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖9，具體計(jì)算過(guò)程與管腔式事故油池相同。

4 結(jié) 語(yǔ)

事故油池是水電站內(nèi)的重要建筑物之一。在工程設(shè)計(jì)中，合理選擇滿足規(guī)范要求變壓器油容量的事故油池，是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。容量選擇過(guò)大，增加了工程建設(shè)的投資，造成資源的浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì);容量選擇過(guò)小，不能完全容納事故排油，運(yùn)行安全得不到保障，且極易造成環(huán)境污染。

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（編輯：江 文）