變壓器方形事故油池尺寸設(shè)計(jì)研究

瞿子涵，張 瑩，蔡 萱，官建敏

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077)

1 引言

變壓器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[1，2]，主要用于變壓器事故排油時(shí)通過(guò)油水分離達(dá)到對(duì)廢油的儲(chǔ)存，對(duì)有效避免損失擴(kuò)大具有不容忽視的作用[3，4]。

含油污水處理的最基本、最重要的一種方法是重力分離法，它是利用油水的密度差進(jìn)行分離[5，6]。在應(yīng)用重力法對(duì)含油污水進(jìn)行分離時(shí)，人們提出了著名的“淺池理論”，即含油污水中油滴的分離效率與油滴的上浮速度和上浮面積成正比，與分離設(shè)備的處理量成反比，而與油水分離設(shè)備的高度及油滴的上浮時(shí)間無(wú)關(guān)[7]。多年以來(lái)，利用重力對(duì)油水進(jìn)行分離的方法作為一種基本而簡(jiǎn)便的物理除油方法在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。李輝等[8]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)到更好的水油分離效果。郭增輝等[9]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。王蘇明[10]指出了目前事故油池存在的問(wèn)題，論述了 1個(gè)環(huán)保事故油池的布置，利用虹吸形成自流的工藝，以及進(jìn)出口高差計(jì)算等。

為了研究變壓器事故油池尺寸對(duì)重力法油水分離效果的影響，分析油池最佳設(shè)計(jì)尺寸，本研究在原有60 m3方形油池基礎(chǔ)上，在長(zhǎng)度方向增加5 m3、10 m3和20 m3，分析油池尺寸對(duì)排水口處的平均油滴含量、不同粒徑油滴含量的影響，結(jié)合斯托克斯公式，給出方形油池的尺寸設(shè)計(jì)方案。

2 數(shù)值模型

方形油池的初始模型和尺寸如圖1所示，油層設(shè)計(jì)(虛線以上)厚度為1800 mm，水層設(shè)計(jì)厚度為300 mm，油層設(shè)計(jì)容積為60 m3。模型總體積約為72.6 m3。為了防止事故油的回流，事故油池的入口中心高于設(shè)計(jì)油面425 mm，但是在計(jì)算過(guò)程中僅需要考慮油層和水層的流動(dòng)，不需要考慮空氣層的流動(dòng)，因此建模時(shí)將事故油水混合物的入口設(shè)置在實(shí)際入口下方對(duì)應(yīng)的模型表面上。

圖1 60 m3方形事故油池模型尺寸(mm)

2.1 數(shù)學(xué)模型

本研究采用歐拉法多相流模型，即將多相流描述為互滲透連續(xù)體，包含了相體積分?jǐn)?shù)的概念，相體積分?jǐn)?shù)表示每個(gè)相所占據(jù)的空間，使用αq表示，所有相的體積分?jǐn)?shù)之和為1[11,12]。

2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)《變電站和換流站給水排水設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T 5143-2016)[13]和《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB50229-2019)[14]以及《武漢市暴雨強(qiáng)度公式及設(shè)計(jì)暴雨雨型》(DB4201/T 541～2020)的規(guī)定，設(shè)置進(jìn)口各流量和油比例如表1所示。進(jìn)口各粒徑油滴體積分?jǐn)?shù)根據(jù)Delvigne和Sweeney[15]于1988年即開(kāi)展油的自然分散粒徑分布研究結(jié)果設(shè)置，其研究表明油滴數(shù)量與油滴直徑成冪數(shù)關(guān)系，且油滴數(shù)量不隨深度的變化而變化，油滴數(shù)量與油滴直徑的關(guān)系通過(guò)擬合可得：

表1 進(jìn)口流量和油比例

Nd=6.66×105d-1.3

(1)

式(1)中Nd為油滴數(shù)量，d為油滴直徑。根據(jù)上述公式計(jì)算如表2所示油的自然分散粒徑分布。出口處采用自然出流邊界。

表2 計(jì)算模型中不同粒徑的油滴所占體積分?jǐn)?shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 增加長(zhǎng)度方向

圖2給出20 min時(shí)3年1遇降雨情況下不同方案的事故油體積分?jǐn)?shù)分布云圖和5 mg/L環(huán)保臨界分界面。從圖2中可以看出，隨著增加體積的增大，超過(guò)5 mg/L環(huán)保臨界分界面部分逐漸變小，與長(zhǎng)度方向上體積變化有明顯關(guān)系。

圖2 3年1遇降雨時(shí)方形事故油池長(zhǎng)度方向增加5 m3、10 m3、20 m3和原設(shè)計(jì)20 min時(shí)事故油體積分?jǐn)?shù)分布

圖3給出無(wú)降雨和3年1遇降雨時(shí)，在長(zhǎng)度方向增大5 m3、10 m3和20 m3后排水口處的平均事故油濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，相比方形油池原設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度方向體積增加5 m3、10 m3和20 m3后(長(zhǎng)度分別增加0.6 m、1.2 m和2.4 m)，排水口處事故油濃度超標(biāo)的時(shí)間相比原油池分別延后了大約1 min、2 min和4 min。在20 min事故油排盡時(shí)排水口處的事故油濃度達(dá)到最大值，最大值都有明顯減少，3年1遇降雨情況下排水口處事故油含量峰值分別為195、167、62 mg/L，相比原油池(557 mg/L)顯著降低。

圖3 方形事故油池長(zhǎng)度方向增加5 m3、10 m3和20 m3排水口平均事故油濃度隨時(shí)間的變化

3.2 綜合對(duì)比分析

3.2.1 排水口事故油含量超標(biāo)時(shí)間

通過(guò)模擬結(jié)果分析，事故油含量超標(biāo)(5 mg/L)時(shí)間與油池的容積成正比。

3.2.2 排水口事故油最大超標(biāo)含量

事故油的最大超標(biāo)量的影響因素較多。其中比較重要的影響因素有：

(1)首先是油池設(shè)計(jì)水層的容積ΔV。油池的水層容積越大，一方面水量的增加可以稀釋油滴的含量，另一方面水層容積的增大會(huì)減小水層的流速，加強(qiáng)油水分離效果。

(2)進(jìn)口流量Q。進(jìn)口流量越小，油水混合物的滯留時(shí)間越長(zhǎng)，最大超標(biāo)量越小。

(3)設(shè)計(jì)水層的厚度h。水層厚度決定了油滴向下移動(dòng)至排水口的距離，距離越大，油滴在水層停留越長(zhǎng)，越不容易發(fā)生泄漏排出。

(4)油滴的上浮速度u。油滴的上浮速度越大，越容易分離，但油滴上浮速度與油滴的斯托克斯數(shù)有關(guān)，對(duì)于固定粒徑油滴可以看作常數(shù)。

因此，利用量綱分析，將以上4個(gè)參數(shù)組合構(gòu)建以下無(wú)量綱參數(shù)：

(2)

該參數(shù)的量綱為L(zhǎng)3/L3，與事故油體積分?jǐn)?shù)具有相同的量綱。根據(jù)方形油池的設(shè)計(jì)參數(shù)，上述公式中V和h為油池尺寸。

模擬研究結(jié)果表明，事故油最大超標(biāo)含量與上述無(wú)量綱參數(shù)大致呈線性關(guān)系(油滴的上浮速度u合并至公式系數(shù)內(nèi))：

(3)

比例系數(shù)β=0.3092。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)多相流理論模型，開(kāi)展變壓器事故油池在不同容積、不同結(jié)構(gòu)下的油水分離效果。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析得到如下主要結(jié)論。

(1)油池容積是影響油水分離效果的主要影響因素，較大的冗余容積，即水層設(shè)計(jì)容積，一方面可以稀釋油滴的含量，另一方面可減小水層的流速。從而使事故油超標(biāo)的時(shí)間延后，最大超標(biāo)含量降低，增強(qiáng)了油水分離效果。