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        變電站事故油池體積優(yōu)化研究

        2021-02-21 03:33劉曉華喻培元
        綠色科技 2021年24期
        關(guān)鍵詞:油量油水油層

        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?,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(xiǎn)廢物[1],如果未得到妥善處置,會(huì)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(shí)通過油水分離達(dá)到對廢油的儲(chǔ)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(jì)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(shí),廢油排放至事故油池后,在水力停留時(shí)間足夠長時(shí),油水混合液受重力作用自然分成界面清晰的兩層,此時(shí)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(shí)水噴霧系統(tǒng)打開,短時(shí)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(huì)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(jì)容量己由《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),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(jì),以武漢地區(qū)三年一遇暴雨計(jì)算降雨量,同時(shí)考慮排入100 m3的消防用水,事故時(shí)的排油時(shí)間按《變電所給水排水設(shè)計(jì)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(jì)(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(shí)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(shí),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(shí)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(shí)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(xiǎn)。

        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(shí),產(chǎn)生事故油泄漏風(fēng)險(xiǎn)的主要原因是容積不足,同時(shí)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(xiǎn)(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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(chǔ)油設(shè)計(jì)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(jì)的事故油池在三年一遇暴雨時(shí)發(fā)生事故,有漏油風(fēng)險(xiǎn),通過加大油池體積能有效降低泄漏風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)油池體積增大為油量的112%時(shí),能有效防止事故漏油情況的發(fā)生。為降低暴雨時(shí),油池發(fā)生事故泄漏風(fēng)險(xiǎn),建議加大事故油池體積。

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