王 暉，蔡 萱，李 輝，劉曉華，喻培元

(1.湖北安源安全環(huán)?？萍加邢薰荆?武漢 430040；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.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到對廢油的儲存，對有效避免損失擴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)計一般不考慮復雜、昂貴的處理設(shè)施[7,8]。油水分離最方便、經(jīng)濟的辦法是重力法，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

目前在建或運行中的變電站主變壓器事故油池通常為包括進出口的圓柱體或長方體，進口較高，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)計防火標準》(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)計防火標準》(GB50229-2019)中主變壓器油量的100%。從運行效果及相關(guān)學者[12]的研究來看，當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《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)三級標準。

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)事故油體積分數(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，最大達到88g/L。因此，三年一遇降雨時事故油池的排水未能達標排放。

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%，導致當前容積不足以容納所有事故油，因此產(chǎn)生事故油泄漏風險。

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)事故油體積分數(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無顯著區(qū)別，由于事故油池容積增大，油水分界面遠高于排水口高度，故60 m3事故油池沒有油污泄漏風險(圖7、圖8)。

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

圖7 1200 s時60 m3事故油池內(nèi)事故油體積分數(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，有漏油風險，通過加大油池體積能有效降低泄漏風險，當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)生事故泄漏風險，建議加大事故油池體積。