變電站裝配式高效油水分離事故油池研究

王 晟，瞿子涵，蔡 萱，喻培元

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

0 引言

變壓器運行、檢修過程產(chǎn)生的廢變壓器油屬于危險廢物［1-6］。事故油池是變壓器故障或火災(zāi)時儲存排油的主要構(gòu)筑物。事故發(fā)生時，變壓器油由主變的排油閥門進入其下方的事故油坑，再通過油坑下方的排油管道進入事故油池［7-8］。

圖1中變壓器下方鋪滿了鵝卵石，鵝卵石下方即為事故油坑。變電站日常運行中，下雨時雨水會通過鵝卵石進入事故油池，所以大部分情況下，事故油池中儲有一定量的雨水。事故發(fā)生時，變壓器油進入事故油池，由于變壓器油的密度小于水的密度，變壓器油浮于雨水之上，通過油水分離裝置，變壓器油將雨水擠出油池，雨水通過油水分離裝置進入雨水管網(wǎng)，而變壓器油儲存于事故油池中，實現(xiàn)油水分離，防止變壓器油泄漏［9-10］（如圖2所示）。

圖1 變壓器下方事故油池坑Fig.1 Accident oil pool below transformer

圖2 事故油池油水分離原理簡圖Fig.2 Schematic diagram of oil water separation principle of accident oil pool

目前，大部分事故油池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工方式為現(xiàn)場澆筑。事故油池作為隱蔽地下工程，設(shè)計施工時可能存在進出水標高不匹配、池容無法核實、油水分離裝置設(shè)計不規(guī)范等問題，且施工完成后整改成本高、擴建難度大。

現(xiàn)行的《GB 50229-2019火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標準》要求事故油池的設(shè)計容量不低于最大單臺主變壓器油量的100%。從現(xiàn)有變電站運行效果來看，事故油池體積按最大單臺主變壓器油量的100%設(shè)計時，暴雨情況下，油水分離需要一定的時間，短時間內(nèi)油水無法有效分離，存在一定的漏油風險。

1 裝配式方案研究

通過采用裝配式方案進行標準化設(shè)計，規(guī)范油池結(jié)構(gòu)、體積，可以有效規(guī)避目前設(shè)計、施工時可能存在的一些不規(guī)范性的問題；同時裝配式油池采用現(xiàn)場拼裝的施工方式，可以降低施工期的環(huán)境污染，縮短工期［11-12］。

目前常見的裝配式建筑總體分為混凝土預制件與金屬預制件兩類。事故油池屬于地下工程，需要有較好抗壓性能。為了分析不同材質(zhì)的抗壓性能，針對同一結(jié)構(gòu)油池分別選取普通碳素鋼、304不銹鋼、316不銹鋼、C30混凝土4種材料分別進行模擬分析。

從圖3、表1的對比可以看出，在裝滿水的事故油池中，其最大范式等效應(yīng)力遠小于屈服強度，說明4種材料均能滿足油池抗壓性能的要求。再者，事故油池需要保持較好的密封性，當采用混凝土預制件時，現(xiàn)場拼裝存在一定的濕作業(yè)、施工工期更長，從施工工期方面來看，金屬預制件更優(yōu)。此外，金屬預制件相對較輕，安裝方便，拆解回收率高。最后，還需要考慮的因素是耐腐蝕性能，混凝土預制件耐腐蝕性較好，金屬預制件在刷防腐蝕涂料后，也能滿足耐腐性能要求。綜合考慮，建議采用金屬預制件的裝配式方案。

表1 不同材料力學載荷結(jié)果Table 1 Results of mechanical load of different materials

圖3 不同材料下范式等效應(yīng)力圖Fig.3 Paradigms and other effects of different materials

2 油池體積和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 模擬條件

以武漢地區(qū)3年一遇暴雨計算降雨量，同時考慮排入100 m3的消防用水（消防用水流量取15 L/s），事故時的排油時間按《DL/T 5143-2002變電所給水排水設(shè)計規(guī)程》中規(guī)定的20 min將事故油排盡進行設(shè)計。

降雨量考慮使用武漢地區(qū)的暴雨強度公式（1）進行計算：

式（1）中，q為暴雨強度（L/（s·ha））；t為積水時間；P為重現(xiàn)年。

通過暴雨強度可求得主變集油坑匯集的降雨量：

式（2）中，Q為雨水量（L/s）；Ψ為徑流系數(shù)，各種屋面、混凝土和瀝青路面的徑流系數(shù)取值0.9；F為匯水面積0.038 4 ha。

選用歐拉-群體平衡模型耦合模擬油水分離過程，用Gambit軟件進行建模和網(wǎng)格劃分［13-20］。

從理論分析，影響油水分離效果最主要的兩個因素為：油滴粒徑和停留時間。油滴粒徑越大、停留時間越長，分離效果越好。前期研究［21-29］采用高速攝影技術(shù)測得油水混合物中油滴粒徑分布為：1 mm～3 mm（大顆粒油滴）約占70%，0.5 mm～1 mm（小顆粒油滴）約占25%，0.1 mm～0.5 mm（微小顆粒油滴）約占5%（注：實驗中由于乳化油粒徑非常小，拍攝圖像方法無法對其進行測量，故上述分布不含乳化油這類小粒徑油滴），前期研究采用100%大顆粒油滴進行模擬分析，研究結(jié)果表明當油池體積增大為油量的112%時，能夠確保在上述暴雨、消防水等條件下，變壓器發(fā)生事故時基本無漏油風險［30］。

為了更好地模擬實際情況，本文將采用更接近實際情況的變壓器油（70%大顆粒油滴、25%小顆粒油滴、5%微小顆粒油滴）進行模擬。事故油池有效容積仍設(shè)為油量的112%，其他降雨、消防水等條件保持不變。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.1 總體形狀比選

圖4分別展示了圓柱形-立式、圓柱形-臥式、長方體形-臥式3種形狀的油池。首先，臥式油池更符合淺池理論，油水分離效果更好；此外，針對裝配式方案，考慮進出水管，臥式油池更便于安裝，接口相對更少，因此臥式油池優(yōu)于立式油池。圓柱形-臥式油池相比于長方體形-臥式油池，具有更好的力學性能，同時也更易制作。綜合考慮，建議優(yōu)先采用圓柱形-臥式裝配型油池。

圖4 幾種不同形式金屬預制件裝配式油池Fig.4 Several different forms of prefabricated metal oil pools

2.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用圓柱形-臥式事故油池，總體積為30 m3，油池總長7.92 m，內(nèi)部長度為7.896 m，內(nèi)徑2.2 m，進口中心距離油池底部高度為2.0 m，出口中心高度距底部0.1 m，且距離左邊界為0.4 m，有效容積（容納變壓器油）為27.07 m3，在進行加入擋板的改裝之后，容積在26.88～27.07 m3之間，取26.88 m3便于后續(xù)計算，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)前期研究結(jié)果，事故油池有效容積應(yīng)為事故油體積的112%，因此設(shè)定事故油體積24 m3。因此模擬的邊界條件為：事故油量24 m3，事故油流量則為24/20/60×1 000 m3/s=20 L/s；消防用水100 m3，消防用水流量15 L/s；武漢地區(qū)3年一遇暴雨。

圖5 裝配式鋼結(jié)構(gòu)變電站事故油池正視圖Fig.5 View of accident oil pool in prefabricated steel structure substation

通過在事故油池內(nèi)部加設(shè)擋流板和隔板來降低流速，加大停留時間，提高油水分離效果。圖6為基礎(chǔ)模型，其中A、B各為一組隔板，C為擋流板。A1、B1為左隔板，A2、B2為右隔板。出口距離底面0.1 m，入口與擋流板C的距離為0.5 m，A、B隔板分別位于油池水平方向的1/3與2/3處。

圖6 事故油池基礎(chǔ)模型Fig.6 Basic model of accident oil pool

根據(jù)改變檔流板、隔板的數(shù)量、水平位置、高低，進出口位置、高度等，共設(shè)置13種不同方案，如表2所示。

表2 13種不同事故油池方案Table 2 13 different accident oil pool plans

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 擋流板位置的影響

圖7是a、b、c 3種模型的模擬結(jié)果（其中藍色代表水、紅色代表油、中間色代表油水混合物，不同顏色代表水中不同含油量），從圖7可以看出分離效果為：b＜a＜c。對于擋流板的最佳條件是模型c。若擋流板C不開口（b模型），水流只能通過擋流板下方的空隙進入事故油池主體腔，在不斷積蓄的水流壓力下，導致事故油池下方混合液體流動速度加快，不利于延長油水分離時間，導致較差的油水分離效果。擋流板上部需開口，擋流板存在且上部開口（距筒體上部10 cm）效果優(yōu)于無擋流板情況。

圖7 a、b、c事故油體積分數(shù)分布Fig.7 Accident oil volume fraction distribution of a，b，c plan

2.3.2 出水口位置的影響

分離效果：k略好于m。說明出口中心距筒體左邊界0.4 m優(yōu)于1.5 m，這是因為油水混合液體主要從下部流過，距左邊界0.4 m比1.5 m多了1.1 m的油水分離距離，因此k模型優(yōu)于m模型。但是因為擋流板與隔板上部開口，會有部分液體經(jīng)由上部進行油水分離，這部分液體最后會在筒體下部匯聚，匯聚點距筒體左邊界在0.5 m內(nèi)，所以k模型優(yōu)于m模型，但是優(yōu)勢不明顯。

2.3.3 入口高差的影響

分離效果：h＜j。基礎(chǔ)模型中入口高度為2 m，入口直徑為0.2 m，當擋流板上部距殼體0.1 m時（模型h），擋流板上邊緣與入口上切線平行，導致部分混合液體進入事故油池后沒有被擋流板擋住減速，而是直接以較高速度從擋流板上部空隙中穿過去，導致上部本應(yīng)以很緩慢水平速度進行油水分離的液體加快速度流動，不利于油水分離。其流場分布如圖8（a）所示。

圖8 不同入口高度入口附近速度矢量圖Fig.8 Velocity vector diagram near entrance at different entrance heights

為進一步降低入口位置的不利影響，將入口下移0.1 m，改進后的效果如圖8（b）所示（模型j），由圖可知，入口下移后，沿入口向上的垂直速度分量增大，水平速度分量減小，導致事故油池上部分流速減緩，利于油水分離。

2.3.4 隔板位置及數(shù)量的影響

分離效果：（d、f、g）＜c＜e＜m＜（k、l）＜h＜j＜i，其中d、f、g模型油水分離效果相當，k、l模型油水分離效果相當。

1）（d、f、g）＜c＜e，表明增加隔板，且隔板上部開口20 cm，能提高油水分離效果；

2）e＜h，表明一組（兩塊）隔板的效果優(yōu)于一塊；

3）k、l模型油水分離效果相當表明：當不改變兩塊隔板間的距離，只改變兩塊隔板在油池中位置，基本不影響油水分離效果；

4）k＜j，表明下端開口并不是越低越好，模擬試驗結(jié)果表明上開口20 cm，下開口分別是20 cm，40 cm油水分離效果最佳；

5）j＜i，表明適當增大兩塊隔板間的距離能提高油水分離效果；

6）所有13個模型中，i模型的油水分離效果最好，且僅有i模型的出水滿足含油量低于10 mg/L，如表3所示。

表3 4種典型模型出口處不同時間出水含油量模擬結(jié)果（單位：mg/L）Table 3 Simulation results of effluent oil content at different times at the outlet of 4 typical models（unit:mg/L）

3 最優(yōu)的裝配式油池方案

綜合上述裝配式方案和油水分離性能兩方面的研究，金屬預制件裝配式油池排水、土建荷載、抗?jié)B防腐等性能能夠滿足日常運行要求。且其性能優(yōu)于混凝土預制件，優(yōu)先選擇金屬預制件裝配式油池；油池體積應(yīng)不小于油量的112%，優(yōu)先選擇i模型：設(shè)置1塊擋流板、2塊隔板，隔板A1上部距殼體0.2 m，下部距殼體0.2 m；隔板B2上部距殼體0.2 m，下部距殼體0.4 m，兩塊隔板分別位于油池水平方向的1/3與2/3處，入口高度為1.9 m。

4 結(jié)語

采用金屬預制件的裝配式方案可以解決事故油池設(shè)計、施工不規(guī)范問題，開創(chuàng)事故油池一體化、綠色化設(shè)計施工的新模式。在油池體積結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，油池有效體積應(yīng)不低于油量的112%，在油池中適當位置增加擋流板、隔板，能夠確保3年一遇暴雨（武漢地區(qū)）條件下，出水含油量小于10 mg/L，有效降低變壓器油泄漏的環(huán)境風險。