變壓器方形事故油池尺寸設計研究

瞿子涵，張 瑩，蔡 萱，官建敏

(國網湖北省電力公司電力科學研究院，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發生后排油的主要構筑物[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，與分離設備的處理量成反比，而與油水分離設備的高度及油滴的上浮時間無關[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域得到廣泛應用。李輝等[8]利用數值模擬研究了事故油池油水分離性能，發現目前事故油池的重力隔油法只能初步實現浮油與水的分離，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]通過設置廊道及隔板等對油池進行構造優化設計，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，分析油池最佳設計尺寸，本研究在原有60 m3方形油池基礎上，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，結合斯托克斯公式，給出方形油池的尺寸設計方案。

2 數值模型

方形油池的初始模型和尺寸如圖1所示，油層設計(虛線以上)厚度為1800 mm，水層設計厚度為300 mm，油層設計容積為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置在實際入口下方對應的模型表面上。

圖1 60 m3方形事故油池模型尺寸(mm)

2.1 數學模型

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體，包含了相體積分數的概念，相體積分數表示每個相所占據的空間，使用αq表示，所有相的體積分數之和為1[11,12]。

2.2 邊界條件設置

根據《變電站和換流站給水排水設計規程》(DL/T 5143-2016)[13]和《火力發電廠與變電站設計防火標準》(GB50229-2019)[14]以及《武漢市暴雨強度公式及設計暴雨雨型》(DB4201/T 541～2020)的規定，設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根據Delvigne和Sweeney[15]于1988年即開展油的自然分散粒徑分布研究結果設置，其研究表明油滴數量與油滴直徑成冪數關系，且油滴數量不隨深度的變化而變化，油滴數量與油滴直徑的關系通過擬合可得：

表1 進口流量和油比例

Nd=6.66×105d-1.3

(1)

式(1)中Nd為油滴數量，d為油滴直徑。根據上述公式計算如表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

3 模擬結果與分析

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分布云圖和5 mg/L環保臨界分界面。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和原設計20 min時事故油體積分數分布

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律。從圖中可以看出，相比方形油池原設計，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時間

通過模擬結果分析，事故油含量超標(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含量

事故油的最大超標量的影響因素較多。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，最大超標量越小。

(3)設計水層的厚度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有關，對于固定粒徑油滴可以看作常數。

因此，利用量綱分析，將以上4個參數組合構建以下無量綱參數：

(2)

該參數的量綱為L3/L3，與事故油體積分數具有相同的量綱。根據方形油池的設計參數，上述公式中V和h為油池尺寸。

模擬研究結果表明，事故油最大超標含量與上述無量綱參數大致呈線性關系(油滴的上浮速度u合并至公式系數內)：

(3)

比例系數β=0.3092。

4 結論

本研究根據多相流理論模型，開展變壓器事故油池在不同容積、不同結構下的油水分離效果。通過對模擬結果的分析得到如下主要結論。

(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。從而使事故油超標的時間延后，最大超標含量降低，增強了油水分離效果。