變壓器事故油池設計優化模擬研究

蔡 萱，許 超，瞿子涵，官建敏

(1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院, 湖北 武漢 430077；2.湖北安源安全環保科技有限公司，湖北 武漢 430040)

1 引言

變壓器日常運行和設備維護過程中，變壓器可能發生故障，造成變壓器油有發生泄漏的風險[1，2]。目前，運行的變電站都會規劃、設計和建造事故油池，作為收集泄漏變壓器油的構筑物[3，4]。事故油池通常為方形和圓形，方形油池在建造工程相較于圓形簡單，但在占地面積方面比圓形油池大[5，6]。

目前，應用廣泛的重力式油水分離相比于氣浮法和過濾法，具有操作結構簡單、建造造價低、維護費用低、分離效果好等優勢[7]。許多研究人員基于仿真模擬對事故油池的油水分離效果進行研究分析，同時也提出各個改進方案提升現有事故油池的油水分離效率。李輝等[8]利用仿真模擬軟件對事故油池的油水分離情況進行了分析，得出事故油池難以高效的完全分離浮油和水的結論。鄭業忠[9]基于仿真模擬對圓形事故油池進行研究，提出了3種改進方案，并得出添加擋板為最有方案。程道倉[10]運用EPS填料，并且安裝側向斜管的方法來提高變壓器事故油池油水分離率。鄭耀斌等[11]通過改進事故油池的進口、排水方式、構造等方面，進而優化事故油池的設計。郭增輝等[12]通過設置廊道和隔板，以及增加自動排水裝置，以達到提高分離效率的目的。劉曉華等[13]創造性的提出了移動式一體化含油廢水處理裝置，從而避免事故油池廢水外排造成新的污染問題。蔡世騰等[14]提出可以采用無動力重力式油水分離器和折板導流器可溶性油處理系統，提高事故油池分離效率。

目前，方形事故油池廣泛應用于工程實際之中，且在日常運行過程中的性能還無法完全滿足變電站的實際需求。為了進一步對現有變電站設計方案進行優化設計，本研究在原有60 m3方形油池基礎上，在高度和寬度方向增加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。

2 數值模擬

2.1 數學模型

歐拉法多相流模型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[15，16]。

2.2 邊界條件

根據《變電站和換流站給水排水設計規程》(DL/T 5143-2016)和《火力發電廠與變電站設計防火標準》(GB50229-2019)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，設置了事故排油量、消防用水以及降雨量如表1所示。不同粒徑的油滴所占體積分數見表2。

表1 進口流量和油的比例

表2 計算模型中不同粒徑的油滴所占體積分數

3 模擬結果和分析

3.1 增加高度方向

圖1給出給出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1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，與高度方向上體積變化有明顯關系。

圖1 3年1遇降雨時方形事故油池高度方向增加5 m3、10 m3、20 m3和原設計20 min時事故油體積分數分布

圖2給出了無降雨和3年1遇降雨下，在高度方向增大5 m3、10m3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2中可以看出，相比方形油池原設計，高度方向體積增加5 m3、10 m3和20 m3后，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；在事故油最大超標濃度上，增加高度的效果更顯著，3年1遇降雨情況下排水口處事故油含量峰值分別為157、117、48 mg/L，較增加長度時的峰值降低了20%～30%。

圖2 方形事故油池高度方向增加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 增加寬度方向

圖3給出了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。5 mg/L環保臨界分界面變化趨勢與高度方向變化一致。

圖4給出了無降雨和3年1遇降雨下，在寬度方向增大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4中可以看出，在寬度方向增加5 m3和10 m3時，排水口處事故油濃度超標時間的延后效果上與增加高度方向基本一致，而在寬度方向增加20 m3時相比增加高度方向，事故油濃度超標的時間提前近1 min。而在減少最大事故油上濃度方面，在寬度方向增加5m3和10 m3時，減少事故油含量的效果與增加高度基本一致；在寬度方向增加20 m3時，其效果與在高度方向增加20 m3相比略差。

圖3 3年1遇降雨時方形事故油池寬度方向增加5 m3、10 m3、20 m3和原設計20 min時事故油體積分數分布

圖4 方形事故油池寬度方向增加5 m3、10 m3和20 m3排水口平均事故油濃度隨時間的變化

4 研究結論

本研究根據多相流理論模型，開展變壓器事故油池在尺寸優化方案下的油水分離效果。通過對模擬結果的分析得到如下主要結論。

(1)增大事故油池容積能有效地減少最大事故油上濃度，同時延后事故油濃度超標時間。

(2)事故油池增加相同容積，增加高度對于提升事故油池油水分離性能的效果增加顯著。