油浸變壓器消防排水系統的計算與設計

儲劍鋒

(華東電力設計院，上海 200063)

1 概述

油浸變壓器是發電廠的核心設備，但其內部貯有大量絕緣油，火災危險性大。《火力發電廠與變電站設計防火規范》第7.1.11條以強制性條文規定，“當油浸變壓器容量為9×104kV·A及以上時，應設置火災探測報警系統、水噴霧滅火系統或其他滅火系統”。

大型變壓器的消防給水流量很大，消防排水中常含有少量油污，可能造成污染。因此，變壓器的消防排水，除應按消防流量設計外，在排水設施上應采取油水分隔措施。

目前不同設計院在設計變壓器消防排水系統時，做法多有不同。我院在設計某國外項目時，通過學習研究，整理出一套較為完整的變壓器消防排水系統的計算方法，可以通過計算確定水封井、排水管、事故隔油池的規格。該方法在多個工程項目上得到應用，并不斷完善。

2 變壓器消防及排水

2.1 變壓器消防水流量

為確定變壓器消防排水的規模，首先應確定變壓器水消防的流量及排水量，主要的相關規定如下：

(1)變壓器室外消火栓用水量不應小于10 L/s、持續噴射時間不小于2 h。

(2)變壓器本體設計噴霧強度不應小于20 L/ min·m2、持續噴霧時間不小于0.4 h。

(3)變壓器的集油坑設計噴霧強度不應小于6 L/ min·m2、持續噴霧時間不小于0.4 h。

(4)變壓器的保護面積應按扣除底面面積以外的變壓器外表面面積確定外，還包括油枕、冷卻器的外表面面積和集油坑的投影面積。

(5)變壓器電纜溝連接處宜增設水噴霧噴頭，強度不小于13 L/ min·m2、持續噴霧時間不小于0.4 h。

變壓器水噴霧滅火系統的噴頭選型及布置應滿足上述規定，變壓器消防時實際室外消火栓及水噴霧流量需按照供水系統進行管網計算而確定。

2.2 變壓器消防排水措施

變壓器消防排水系統應能將變壓器事故過程中濺溢的絕緣油經適當隔火滅火措施后及時排盡，排水在事故隔油池中經隔油處理后達標排放，油經回收處理后再利用。

(1) 變壓器發生火災時有燃油溢(噴)出，為防止油火在水面燃燒、擴散，通常采取兩道隔火滅火措施：一是變壓器下設置有集油坑用于貯油、擋油，且集油坑內鋪設有厚度不小于250 mm的卵石層，可起到隔火降溫作用，防止燃燒擴散；二是變壓器集油坑的排水出口設置有水封井，可起到阻隔水面游火作用，防止燃燒沿排水管網蔓延。

(2)變壓器集油坑的排水出口處設置的水封井宜采用鋼筋混凝土結構。水封井的水封深度不應小于250 mm，干旱地區可采用500 mm或更大的水封深度。水封井的井底宜設深度為300～500 mm的沉泥槽。

(3)變壓器消防排水管的管徑、坡度宜按20 min內將事故油排盡選擇，當變壓器設有水噴霧滅火系統時，消防排水流量還應疊加水噴霧流量。如果變壓器區域場地雨水經水封井、檢查井等匯集進來時，排水流量可考慮疊加水噴霧與雨水兩者之中的較大流量。

(4)變壓器消防排水管宜選擇球墨鑄鐵管，承插式膠圈接口，內外壁均需防腐。

常用的25號變壓器油的運動粘度技術指標為：40℃時不大于13 mm2/s、－10℃時不大于200 mm2/s。在10℃時，變壓器油的運動粘度約為50 mm2/s，水的運動粘度為1.3 mm2/s，在變壓器消防排水過程中，暫按油水混合物的運動粘度以20 mm2/s計，按重力流、滿流進行簡化計算，常用管徑、坡度可參考表1。

表1 變壓器排水管常用管徑坡度

3 變壓器事故隔油池原理

變壓器消防排水和(/或)變壓器區域的雨水經排水管、水封井(/檢查井)等，匯集進入事故隔油池。變壓器絕緣油以可浮油、分散油的狀態摻混在水流中，從事故隔油池進水區的隔墻下部進入隔油區，在隔油區流速變緩，水流中挾帶的泥沙等較重顆粒將沉降落底，而較輕的油顆粒則爬升到水面上，并被后隔墻阻擋滯留下來。由此一來，清水從后隔墻下部進入出水區，經出水管可排至附近雨水下水道。典型的變壓器事故隔油池的平、剖面圖見圖1、圖2。

事故隔油池出水管道上應設置方便封堵的措施，進水管上也可相應設置。例如在進水管和出水管上分別安裝法蘭悶頭或鑄鐵閘門，以便采用灌水方式逐步抬高油位，使浮油經集油槽全部進入鄰近的集油井，同時利用移動式泵抽取至專門設施進行處理回用。需要注意的是，正常時該法蘭悶頭不得安裝或保持閘門全開，保證進、出水管暢通。

4 變壓器事故隔油池計算

4.1 事故隔油計算主要設計輸入

為計算變壓器事故隔油池的規格，主要設計輸入可按如下規定確定：

圖1 變壓器事故隔油池平面圖

圖2 變壓器事故隔油池剖面圖

(1) 變壓器事故隔油池設計貯油量(Woil)，按最大一臺變壓器總油量的60%考慮，(m3)。

(2) 變壓器事故排水設計流量(Q)除考慮排放事故溢(噴)油的流量外，還需要疊加消防排水流量或變壓器區域匯集的雨水流量(取大值)，(m3/s)。

(3) 其他主要設計參數選取：油水密度之比(ρ)：一般為0.8～0.9，視油品不同而定。

油粒爬升速度(Voil)：根據試驗確定，一般約0.0025 m/s。

隔墻下流速(Vh)：一般不大于0.05 m/s。

隔油區水平流速(V)：一般不大于0.01 m/s。

油水分界面：至少高出隔墻下過流孔頂0.5 m。

油面上部凈空：不宜小于0.5 m。

隔油區長寬比(LPW)：一般可取3。

隔油池底板坡度：一般可取2%。

4.2 隔油區主要尺寸的確定

隔油區內主流緩慢水平運動，同時較重顆粒在沉淀、較輕油顆粒在爬升，運動狀態也比較復雜，隔油效果主要受到油粒爬升速度、主流水平流速的影響。

隔油區是隔油池關鍵部分，其主要尺寸可以按照如下步驟計算確定：

(1) 事故隔油池的進水管內底標高應高于排水堰頂標高，其差值應根據計算確定，一般可取5～10 cm；排水堰頂標高應高于出水管內底標高，其差值宜不小于5 cm。

(2) 隔油區最小水平截面積

(3) 隔油區寬度：

W可向上取整。

(4) 隔油區長度

L=W×LPW

(注：假定隔油區液體深度為h，則液體流經隔油區的時間為L/(Q/(h×W))=(h×W×L)/Q，要求在此時間間隔內油粒至少爬升 h的高度，由此可以確定隔油區最小水平截面積A h。)

(5) 貯油高度

Hoil=Woil/(W×L)

(6) 設計油水分界面標高

=排水堰頂標高－ρ×Hoil

設計油面標高

=排水堰頂標高+ (1－ρ)×Hoil

(注：上述界面標高是指排水結束時狀態，此時出水區水面與排水堰頂齊平。)

4.3 事故隔油池其他尺寸的確定

在確定隔油區尺寸后，宜復核隔油區水平流速，必要時可通過加深隔油池來降低水平流速。

進水區下部宜設集泥坑，其容積按初期雨水挾泥量確定，可按地面匯集雨水流量乘以200s估算。

5 其他說明

據調查，變壓器火災時，即使發生爆炸事故，真正進入隔油池的油量一般只為變壓器總油量的10%～30%，因此隔油區水平流速將比設計值略小，實際處理效果會更好。

根據布置的需要，變壓器事故隔油池同樣可以承接主廠房汽輪機油系統的消防排水，此時事故隔油池的規模需進行必要的復核。

當變壓器、汽輪機油系統設有事故排油門時，這部分緊急疏油宜通過特定的管道直接排入密封的排油箱(坑)中，集中回收處理；由于事故隔油池并非密封的結構，不建議將緊急疏油也引入變壓器事故隔油池，否則設計人員需慎重考慮相關安全、環保措施。

6 結論

按照本文推薦的計算思路和方法，通過計算確定變壓器事故排水系統的工藝尺寸，有利于規范設計、提高設計質量。

[1]GB 50229－2006，火力發電廠與變電站設計防火規范 [S]．

[2]DL/T5339－2006，火力發電廠水工設計規范 [S]．

[3]GB 50219－95，水噴霧滅火系統設計規范 [S]．

[4]SIEMENS．Design of Oil Separator Pit [K]．GURGAON：Rajesh Mandal，1999．