火電廠新型事故貯油池設計研究

黃建城（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102）

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火電廠新型事故貯油池設計研究

黃建城
（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102）

摘要：基于連續性方程和伯努利方程，探討了虹吸管內液體平均流速的影響因素。設計并制作了虹吸破壞試驗裝置，用于研究排水管的虹吸破壞機制。在此基礎上，詳細闡述了新型事故貯油池的設計方案及工作原理。研究表明：在進油水管的端部設置90°彎頭，并在油水分離室內設置交錯隔墻，能有效改善整流效果；將連通孔布置于集水坑內，既可實現水封，又能增加有效儲油容積；設置于U形排水管駝峰段下方的L形進氣管，能有效觸發虹吸破壞，避免事故油排出池外，造成環境污染；此外，排水管外接的雨水井應就近布置，以減小沿程水頭損失，從而實現快速排水。

關鍵詞：事故貯油池；環境保護；油水分離；自動排水；虹吸破壞。

1 概述

油浸式變壓器具有絕緣散熱性好、投資經濟、維護簡便等優點，已廣泛應用于發電廠、變電站等電力工程。變壓器內的絕緣油屬可燃性液體，閃點為135 ℃左右，一旦發生事故噴油，短時間內大量的絕緣油噴涌而出，如不采取專門的防護措施，將造成環境污染，且極易引起火災。為避免環境污染、防止油火蔓延，必須將事故噴油與大量消防水的混合液排至具有貯油排水功能的事故貯油池，以便回收利用。另外，大型變壓器一般為露天布置，平時將有大量的雨水通過變壓器下方的擋油設施排至事故貯油池。因此，合理的事故貯油池設計應具有油水分離功能，并能將分離后的消防水迅速排出。

目前，關于事故貯油池的報道并不多見。周聲震采用單池式事故貯油池，通過L形排水管實現貯油排水。但是，在油水混合液的沖擊下，單池式事故貯油池的油水分離流程過短，流態紊亂，油水很難完全分離；況且，排水管一般略帶放坡，容易觸發虹吸排水，若不設置虹吸破壞機制，貯油池中的事故油可能排入雨水管網，造成環境污染。劉春昊等提出的帶油、水分離裝置的事故貯油池中，粗濾室、精濾室和排水室間流程短，且底部連通，容易出現短流，造成部分事故油排出池外，污染環境；另外，采用潛水泵抽吸排水，需要動力消耗和人員檢修，增加了營運成本。文獻［3］提出的事故貯油池中，一、二級分離室和排水室之間通過底部連通孔交錯連通，延長了含油廢水的流程，且不易出現短流；分離室內設置斜管填料，增加了油水接觸表面積，從而提高除油效率，但是所用的L形排水管也沒有設置虹吸破壞機制。此外，文獻［4］、［5］嘗試在排水管附近設一根短直管作為進氣管用于破壞虹吸，但是并未對方案進行試驗驗證。

可見，現有事故貯油池的排水方式主要為L形虹吸排水或潛水泵抽吸排水。前者未設置虹吸破壞機制，易將事故油排出池外，污染環境；而后者需要動力消耗和人員檢修，增加了建造成本和維護費用。另外，雙池式或多池式事故貯油池下方一般設有連通孔，且應預先灌水沒過孔頂，方可實現油水分離功能。本文針對上述問題展開研究，旨在提供一種油水分離效果好、建造維護成本低、含虹吸破壞機制的自動排水環保事故貯油池。

2 虹吸現象及其實現條件

虹吸是一種常見的流體力學現象，見圖1，液體在液面壓力（通常為大氣壓力）的作用下從液面較高的容器沿著曲管一側升高至最高點C，而后在重力的作用下再沿著曲管的另一側流入液面較低的容器，所經路徑其形如虹，故名之曰虹吸。

圖1 虹吸示意圖

根據連續性方程，不可壓縮流體作穩定流動時，同一流管的流量保持不變，即：

可見，液體的流速與流管的橫截面積成反比。由于容器截面積 遠遠大于曲管截面積 ，因此容器液面下降速度相對于曲管出口的流速 很小，可以忽略不計。

根據伯努利方程，不可壓縮流體作穩定流動時，單位重量流體從A點流到B點的過程中機械能保持不變，即：

當PA=PB=P0時，聯立式（1）～式（3）可得，

式中： Kv為流速損失系數。可見，曲管出口的流速主要取決于容器液面A與曲管出口端B的水頭壓差hBA。當曲管形狀確定后，液體在曲管中流動所產生的局部損失基本不變，此時若增大hBA且減小hAC則可以增大曲管的出流速度。

曲管產生虹吸現象必須滿足三個條件：（1）若出口端位于大氣中，則入口端容器液面需高于曲管出口端；若出口端淹沒在液體中，則入口端容器液面需高于出口端容器液面。（2）曲管的最高點與入口端容器液面的高度差不得高于大氣壓支持的液柱高度。（3）曲管必須充滿液體，這是觸發條件。

2 虹吸破壞試驗

為了研制一種有效的虹吸破壞方式，本文設計并制作了圖2（a）所示的虹吸破壞裝置。該裝置由1個透明容器及1根帶進氣管的排水管組成。其中，透明容器由5升裝的調和油桶剪制而成，并采用燒紅的螺柱熱熔穿孔，孔徑約為φ16 mm；排水管采用內徑12 mm×壁厚2 mm的透明PVC管彎制成U形管，U形管的駝峰下方采用燒紅的螺柱熱熔穿孔，孔徑約為φ8 mm；進氣管采用內徑6 mm×壁厚1 mm的透明PVC管彎制成，并插入排水管上預留的孔洞；排水管與進氣管連接處，以及排水管與透明容器連接處，采用熱熔膠棒密封。

圖2 虹吸破壞裝置

試驗中，先將透明容器的水位控制在U形排水管的駝峰附近，然后采用水壺往容器中緩慢加水。當水面上升至液面A時，排水管開始溢流排水，見圖2（b）；當水面上升至液面B時，排水管充滿水，將觸發虹吸排水，見圖2（c），排水管中的水流速度可由式（4）確定；當水面下降至液面C時，空氣將從進氣管進入排水管，虹吸終止，見圖2（d）。

3 新型事故貯油池及其工作原理

新型事故貯油池包括油水分離室1、排水室2、進油水管6和排水管7，見圖3。

進油水管與油水分離室連通。為了減小來流射程和來流對池內液體的擾動作用，并增加油水分離的流程長度，可將進油水管盡量外移，并在管口端部設置90°彎頭，油水混合液經過彎頭改變流向，直接噴向油水分離室底部。

圖3 新型事故貯油池

油水分離室內設置兩面用于增加油水分離流程的隔墻5，使油水分離路徑呈S形。S形的油水分離路徑可增加池內液體流動的沿程損失和局部損失，改善整流效果，從而使第一次油水分離更加徹底。

油水分離室的底部設置有集水坑4。連通孔3位于集水坑內，其高度小于集水坑的深度。如此，只需將集水坑灌滿水，即可實現水封，從而防止事故油進入排水室。并且，在滿足有效儲油容積的情況下，可以節約土建建造成本。

為了實現虹吸快速排水，并防止事故油排出池外，可采用含虹吸破壞機制的U形排水管，見圖3，即在排水管駝峰段底標高以下一定高度設置一根用于破壞虹吸的L形進氣管8。

排水管外接雨水井，排水室根據虹吸原理向雨水井排水。其中，雨水井應就近布置，以減小沿程水頭損失，實現快速排水。

油水分離室和排水室的頂部均設置有檢修孔10，檢修孔上方設置帶通氣孔的蓋板9，使事故貯油池內液面與大氣相通，從而保證虹吸順利實現。另外，為了便于工作人員檢修事故貯油池，油水分離室和排水室的內壁均設置有爬梯11，爬梯分別從油水分離室、排水室的底部延伸至檢修孔。

事故發生時，隨著大量的油水混合液排入油水分離室，排水室的液面不斷升高。當水面上升至排水管駝峰段的底標高時，排水管開始溢流排水；當排水管充滿水時，將觸發虹吸排水，直至排水室液面下降到L形進氣管的管口時，空氣進入排水管，虹吸終止。

4 結論

本文基于連續性方程和伯努利方程，探討了虹吸管內液體平均流速的影響因素。并且，設計制作了虹吸破壞試驗裝置，用于研究排水管的虹吸破壞機制。在此基礎上，詳細闡述了新型事故貯油池的設計方案及工作原理。通過研究，可以得出以下結論：

（1） 在進油水管的端部設置90°彎頭，并在油水分離室內設置交錯隔墻，能有效改善整流效果。

（2）將連通孔布置于集水坑內，既可實現水封，又能增加有效儲油容積。

（3）設置于U形排水管駝峰段下方的L形進氣管，能有效觸發虹吸破壞，避免事故油排出池外，造成環境污染。

（4）排水管外接的雨水井應就近布置，以減小沿程水頭損失，從而實現快速排水。

參考文獻：

［1］ 周聲震.變壓器事故油池：中國，200420060316. 1［P］.2005-07-16.

［2］ 劉春昊，戈廣金，陸青.帶油、水分離裝置的事故儲油池：中國，200810012880.9［P］.2010-02-24.

［3］ 袁建磊，等.一種事故油池：中國，201020138329.1［P］.2010-12-29.

［4］ 王蘇明.推薦一種自流式環保事故油池［J］.電力建設，2003，24（11）.

［5］ 王蘇明.變電所土建防火及安全設計存在的問題及解決辦法［J］.電力建設，2007，28（5）.

［6］ 尤明慶，陳小敏.實現虹吸過程的條件［J］.焦作工學院學報（自然科學版），2003，22（6）.

［7］ Hughes S W.The secret siphon［J］.Physics Education，2011，46（3）.

［8］ 孔瓏.工程流體力學［M］.北京：中國電力出版社，2014.

［9］ 屠大燕.流體力學與流體機械［M］.北京：中國建筑工業出版社，1994.

中圖分類號：TM621

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913（2016）01-0054-04

* 收稿日期：2015-11-21

作者簡介：黃建城（1980- ），男，福建連城人，博士，工程師，主要從事火電廠土建結構設計。

Design of a Novel Accident Oil Pool for Fossil-fired Power Plants

HUANG Jian-cheng
（Jiangsu Power Design Institute Co.， Ltd. of China Energy Engineering Group， Nanjing 211102， China）

Abstract:Based on the continuity equation and Bernoulli's equation， the Influencing factors on the mean flow rate of liquid emerging from a siphon are discussed. Then a siphon destruction testing apparatus is designed and constructed to investigate the siphon destruction mechanism of a drainpipe. Based on this， the design scheme and operating principle of a novel accident oil pool are expounded. It is found that the 90°elbow connected to the end of a oilwater intake pipe and the staggered partitions set up in the oil-water separation chamber can effectively ameliorate the flow pattern. It is also found that the communicating hole set up within a sump both implements hydraulic seal and increases effective oil storage volume. Moreover， a L-shaped air inlet pipe below the hump of a U-shaped drainpipe can effectively trigger siphon destruction. In addition， the rainwater well should be laid out near the accident oil pool to reduce the frictional head loss， thereby to realize high-speed drainage.

Key words:accident oil pool； environmental protection； oil-water separation； automatic drainage； siphon destruction.