变压器方形事故油池尺寸设计研究

瞿子涵，张 莹，蔡 萱，官建敏

(国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077)

1 引言

变压器事故油池作为变压器故障或火灾发生后排油的主要构筑物[1，2]，主要用于变压器事故排油时通过油水分离达到对废油的储存，对有效避免损失扩大具有不容忽视的作用[3，4]。

含油污水处理的最基本、最重要的一种方法是重力分离法，它是利用油水的密度差进行分离[5，6]。在应用重力法对含油污水进行分离时，人们提出了著名的“浅池理论”，即含油污水中油滴的分离效率与油滴的上浮速度和上浮面积成正比，与分离设备的处理量成反比，而与油水分离设备的高度及油滴的上浮时间无关[7]。多年以来，利用重力对油水进行分离的方法作为一种基本而简便的物理除油方法在工程领域得到广泛应用。李辉等[8]利用数值模拟研究了事故油池油水分离性能，发现目前事故油池的重力隔油法只能初步实现浮油与水的分离，水中仍含有可溶油，也会随水外排。因此采用了一种油水分离器设备，对事故排油进一步处理，从而达到更好的水油分离效果。郭增辉等[9]通过设置廊道及隔板等对油池进行构造优化设计，并安装自动排水装置，以提高油水分离效率，从而减少因废油排放引起的污染。王苏明[10]指出了目前事故油池存在的问题，论述了 1个环保事故油池的布置，利用虹吸形成自流的工艺，以及进出口高差计算等。

为了研究变压器事故油池尺寸对重力法油水分离效果的影响，分析油池最佳设计尺寸，本研究在原有60 m3方形油池基础上，在长度方向增加5 m3、10 m3和20 m3，分析油池尺寸对排水口处的平均油滴含量、不同粒径油滴含量的影响，结合斯托克斯公式，给出方形油池的尺寸设计方案。

2 数值模型

方形油池的初始模型和尺寸如图1所示，油层设计(虚线以上)厚度为1800 mm，水层设计厚度为300 mm，油层设计容积为60 m3。模型总体积约为72.6 m3。为了防止事故油的回流，事故油池的入口中心高于设计油面425 mm，但是在计算过程中仅需要考虑油层和水层的流动，不需要考虑空气层的流动，因此建模时将事故油水混合物的入口设置在实际入口下方对应的模型表面上。

图1 60 m3方形事故油池模型尺寸(mm)

2.1 数学模型

本研究采用欧拉法多相流模型，即将多相流描述为互渗透连续体，包含了相体积分数的概念，相体积分数表示每个相所占据的空间，使用αq表示，所有相的体积分数之和为1[11,12]。

2.2 边界条件设置

根据《变电站和换流站给水排水设计规程》(DL/T 5143-2016)[13]和《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)[14]以及《武汉市暴雨强度公式及设计暴雨雨型》(DB4201/T 541～2020)的规定，设置进口各流量和油比例如表1所示。进口各粒径油滴体积分数根据Delvigne和Sweeney[15]于1988年即开展油的自然分散粒径分布研究结果设置，其研究表明油滴数量与油滴直径成幂数关系，且油滴数量不随深度的变化而变化，油滴数量与油滴直径的关系通过拟合可得：

表1 进口流量和油比例

Nd=6.66×105d-1.3

(1)

式(1)中Nd为油滴数量，d为油滴直径。根据上述公式计算如表2所示油的自然分散粒径分布。出口处采用自然出流边界。

表2 计算模型中不同粒径的油滴所占体积分数

3 模拟结果与分析

3.1 增加长度方向

图2给出20 min时3年1遇降雨情况下不同方案的事故油体积分数分布云图和5 mg/L环保临界分界面。从图2中可以看出，随着增加体积的增大，超过5 mg/L环保临界分界面部分逐渐变小，与长度方向上体积变化有明显关系。

图2 3年1遇降雨时方形事故油池长度方向增加5 m3、10 m3、20 m3和原设计20 min时事故油体积分数分布

图3给出无降雨和3年1遇降雨时，在长度方向增大5 m3、10 m3和20 m3后排水口处的平均事故油浓度随时间的变化规律。从图中可以看出，相比方形油池原设计，长度方向体积增加5 m3、10 m3和20 m3后(长度分别增加0.6 m、1.2 m和2.4 m)，排水口处事故油浓度超标的时间相比原油池分别延后了大约1 min、2 min和4 min。在20 min事故油排尽时排水口处的事故油浓度达到最大值，最大值都有明显减少，3年1遇降雨情况下排水口处事故油含量峰值分别为195、167、62 mg/L，相比原油池(557 mg/L)显著降低。

图3 方形事故油池长度方向增加5 m3、10 m3和20 m3排水口平均事故油浓度随时间的变化

3.2 综合对比分析

3.2.1 排水口事故油含量超标时间

通过模拟结果分析，事故油含量超标(5 mg/L)时间与油池的容积成正比。

3.2.2 排水口事故油最大超标含量

事故油的最大超标量的影响因素较多。其中比较重要的影响因素有：

(1)首先是油池设计水层的容积ΔV。油池的水层容积越大，一方面水量的增加可以稀释油滴的含量，另一方面水层容积的增大会减小水层的流速，加强油水分离效果。

(2)进口流量Q。进口流量越小，油水混合物的滞留时间越长，最大超标量越小。

(3)设计水层的厚度h。水层厚度决定了油滴向下移动至排水口的距离，距离越大，油滴在水层停留越长，越不容易发生泄漏排出。

(4)油滴的上浮速度u。油滴的上浮速度越大，越容易分离，但油滴上浮速度与油滴的斯托克斯数有关，对于固定粒径油滴可以看作常数。

因此，利用量纲分析，将以上4个参数组合构建以下无量纲参数：

(2)

该参数的量纲为L3/L3，与事故油体积分数具有相同的量纲。根据方形油池的设计参数，上述公式中V和h为油池尺寸。

模拟研究结果表明，事故油最大超标含量与上述无量纲参数大致呈线性关系(油滴的上浮速度u合并至公式系数内)：

(3)

比例系数β=0.3092。

4 结论

本研究根据多相流理论模型，开展变压器事故油池在不同容积、不同结构下的油水分离效果。通过对模拟结果的分析得到如下主要结论。

(1)油池容积是影响油水分离效果的主要影响因素，较大的冗余容积，即水层设计容积，一方面可以稀释油滴的含量，另一方面可减小水层的流速。从而使事故油超标的时间延后，最大超标含量降低，增强了油水分离效果。