瞿子涵，張 瑩，蔡 萱，官建敏

(國網(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[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行分離[5，6]。在應(yīng)用重力法對含油污水進行分離時，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間無關(guān)[7]。多年以來，利用重力對油水進行分離的方法作為一種基本而簡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現(xiàn)浮油與水的分離，水中仍含有可溶油，也會隨水外排。因此采用了一種油水分離器設(shè)備，對事故排油進一步處理，從而達到更好的水油分離效果。郭增輝等[9]通過設(shè)置廊道及隔板等對油池進行構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計，并安裝自動排水裝置，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題，論述了 1個環(huán)保事故油池的布置，利用虹吸形成自流的工藝，以及進出口高差計算等。

為了研究變壓器事故油池尺寸對重力法油水分離效果的影響，分析油池最佳設(shè)計尺寸，本研究在原有60 m3方形油池基礎(chǔ)上，在長度方向增加5 m3、10 m3和20 m3，分析油池尺寸對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(虛線以上)厚度為1800 mm，水層設(shè)計厚度為300 mm，油層設(shè)計容積為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)計油面425 mm，但是在計算過程中僅需要考慮油層和水層的流動，不需要考慮空氣層的流動，因此建模時將事故油水混合物的入口設(shè)置在實際入口下方對應(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，包含了相體積分數(shù)的概念，相體積分數(shù)表示每個相所占據(jù)的空間，使用αq表示，所有相的體積分數(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)計規(guī)程》(DL/T 5143-2016)[13]和《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準》(GB50229-2019)[14]以及《武漢市暴雨強度公式及設(shè)計暴雨雨型》(DB4201/T 541～2020)的規(guī)定，設(shè)置進口各流量和油比例如表1所示。進口各粒徑油滴體積分數(shù)根據(jù)Delvigne和Sweeney[15]于1988年即開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)系通過擬合可得：

表1 進口流量和油比例

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 計算模型中不同粒徑的油滴所占體積分數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 增加長度方向

圖2給出20 min時3年1遇降雨情況下不同方案的事故油體積分數(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5 mg/L環(huán)保臨界分界面部分逐漸變小，與長度方向上體積變化有明顯關(guān)系。

圖2 3年1遇降雨時方形事故油池長度方向增加5 m3、10 m3、20 m3和原設(shè)計20 min時事故油體積分數(shù)分布

圖3給出無降雨和3年1遇降雨時，在長度方向增大5 m3、10 m3和20 m3后排水口處的平均事故油濃度隨時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，相比方形油池原設(shè)計，長度方向體積增加5 m3、10 m3和20 m3后(長度分別增加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事故油排盡時排水口處的事故油濃度達到最大值，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 方形事故油池長度方向增加5 m3、10 m3和20 m3排水口平均事故油濃度隨時間的變化

3.2 綜合對比分析

3.2.1 排水口事故油含量超標(biāo)時間

通過模擬結(jié)果分析，事故油含量超標(biāo)(5 mg/L)時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減小水層的流速，加強油水分離效果。

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

(3)設(shè)計水層的厚度h。水層厚度決定了油滴向下移動至排水口的距離，距離越大，油滴在水層停留越長，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個參數(shù)組合構(gòu)建以下無量綱參數(shù)：

(2)

該參數(shù)的量綱為L3/L3，與事故油體積分數(shù)具有相同的量綱。根據(jù)方形油池的設(shè)計參數(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。通過對模擬結(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)的時間延后，最大超標(biāo)含量降低，增強了油水分離效果。