油浸變壓器事故油池的優化設計

程浩

（中國核電工程有限公司鄭州分公司，鄭州 450000）

1 引言

在各種變電站中，油浸變壓器因其價格低廉等優勢，已經得到了十分廣泛的應用。 但當發生火災時，油浸變壓器油坑中大量的油外流又存在諸多問題[1]。一方面事故油外流會造成火災蔓延， 另一方面外流的事故油流入雨水管網也會對環境保護帶來不利的影響。 隨著國家對安全以及環保問題越來越重視， 如何科學高效地處置變電站事故油的排放問題已經成為相關領域專業人士關注的一個熱點。 根據GB 50229—2019《火力發電廠與變電站設計防火標準》中6.7.8 條規定，戶外單臺油量為1 000 kg 以上的電氣設備，應設置貯油或擋油設施，其容積宜按設備油量的20%設計， 并能將事故油排至總事故貯油池。 總事故貯油池的容量應按其接入的油量最大的設備確定，并設置油水分離裝置。 當不能滿足上述要求時，應設置能容納相應電氣設備全部油量的貯油設施， 并設置油水分離裝置。

本文將以某工程35 kV 變電站的事故油池的設計與事故為例，分析如何低成本、高效地設置事故油池，以達到安全衛生，環境友好的目標。

2 典型事故油池的優缺點分析

事故油池根據油水分離的原理可分為過濾式、 氣浮式和重力式。 因重力式投資成本低，在大多數變電站的事故油池中都采用重力式。 重力式事故油池一般由進油管、出水管、通氣管和人孔等組成。 在沒有發生事故時，進油管和出水管中無液體流動，油池內則保存有一定體積的水，水面最高點和出水管管底平齊。 在日常維護時，需要及時補水，以保證在發生事故時，事故油池能正常工作。 當發生事故時，油通過進油管進入油池內，因為水的密度比油大，在重力的作用下，油會逐漸上浮，而水則通過出水管被壓出，從而達到油水分離的目的。 根據池型的不同， 常見的重力式事故油池又可分為三腔結構事故油池和一體式事故油池兩種。

2.1 三腔結構事故油池

三腔結構事故油池是一種在變電站中較為常見的事故油池，具有自動實現油水分離，施工簡便等特點[2]。它的原理圖如圖1 所示， 油池被兩個隔墻分為1#、2#、3#三個腔體，2#腔體右邊的隔墻比左邊隔墻低。 正常工況下，1#和2#腔體內儲存有水，事故發生時，油通過管道進入2#腔體，與2#腔體中的水混合。 因為水的密度比油大，在重力的作用下，油逐漸上浮，通過2#腔體右側隔墻溢流到3#腔體，水則被壓到1 腔體，并通過排水管排出，最終實現油水分離。

圖1 三腔結構事故油池原理圖

但是三腔結構事故油池因只有1#腔體能夠存貯事故油，會導致油池體積過大，增加投資及用地成本。

2.2 兩腔式事故油池

兩腔式事故油池的池型如圖2 所示， 油池被隔墻分為兩個腔體，兩個腔體通過底部的孔洞連接。 在未發生事故時，事故油池內貯存有一定高度的水，發生事故時，變壓器油坑內的油通過管道從進油管排入2#室， 底部的水在油的壓力下通過隔墻底部的孔洞流入1#室，1#室內的水位逐漸升高，最終通過排水管，排入室外管網。 兩腔式事故油池相比三腔式少了一個腔體，在一定程度上，減少了油池的體積，但依然還是存在一半的體積沒有被充分利用。

圖2 兩腔式事故油池原理圖

2.3 一體式事故油池

一體式事故油池是變電站中運用比較多的事故油池，其與三腔式以及兩腔式最大的不同就是把隔墻取消， 如圖3 所示。 這樣在經過油水分離之后，油最終儲存在油池中，不會有閑置空間，大大減少了油池的體積，且池型簡單，施工也十分簡便。 但同時也存在水力停留時間太短，油水分離不徹底，最終排水中依舊存留有油等問題。

圖3 一體式事故油池原理圖

3 35 kV 變電站事故油池設計計算

3.1 油池設計計算

本工程事故油池對傳統的一體式事故油池進行了改進，將油池通過隔墻分成3 格， 油通過管道進入， 由于隔墻的作用，在油池內做折流流動，大大增加了水力停留時間，使得油水分離的效果更好。

式中，Δh 為進油管與出水管的標高差，m；h水為出水管底至油水分界面的高度，m；ρ水為水的密度，kg/m3。

圖4 油池計算原理圖

3.2 事故油池的優化設計

1）要確保最終油水分離完成之后，油不會泄露到室外管網中， 就要保證油池中油水混合物的水平流動時間大于油的上浮時間。

最不利情況下，油從油池的最底部開始上浮，油的上浮速度為v1=0.07 mm/s[4]，取油水混合液體在油池中水平方向流速為v2=3.0 m/s，出水管距離池底部h′=0.2 m。

油池的長度假設為L，為保證油水能完全分離，則需：

可得，L>8.57 m。

即油池的長度應大于8.57 m。 如果想滿足此長度，則會大大增加油池的體積，增加投資和用地成本，因此，本工程事故油池對傳統的一體式事故油池進行了改進， 將油池通過隔墻分成3 格，油通過管道進入，由于隔墻的作用，在油池內做折流流動，油池的長度為3 m，通過設置兩個隔墻，總的水流長度為9 m，滿足油上浮所需的水力停留時間要求。

2）一般的事故油池進油管都是平行于池底，這樣會使油水混合物會呈拋物線流出，一方面使流程變短，另一方面也因其沖擊力過大會使油水進一步混合。 本工程對此進行了改進，使進油管的進油口朝下，改變了油的流態，使得流程變長，保證油水分離有足夠的水力停留時間。

3）將出水管底部局部下沉，并將出水管伸入池底部，這樣在最終油水分離完成之后， 出水管底部處仍然會保留一定體積的水，可以有效防止油通過排水管排入室外管網中，達到環境友好的目的。 最終的事故油池如圖5 所示。

圖5 事故油池平面圖

3.3 事故油池設計中需要注意的問題

1）為方便檢修，事故油池需設置人孔，人孔及其蓋板應該高出地面，并在池體設置通氣管，事故油池內應設置鋼爬梯[5]。

2）因事故油池設置為淹沒出流，為防止初期油水混合物分離不及時，廢油直接從排水管排出，油池內在投用時，應注入一定高度的水，水位與出水管管底平齊。 平時需注意維護，若發現水位過低，應該及時補水。 在暴雨過后，應該對池內水位進行檢測，如發現池內水位高于出水管，則應及時排出，以免發生事故時，油不能排入油池。

3）油池應注意做放水防滲設計，以避免油水滲入地下，進而對環境造成污染。

4 結語

在變電站設置事故油池對于及時阻斷火災和環境保護中都有極其重要的意義。 傳統一體式事故油池油水分離不徹底，油會泄露到環境中，進而對環境造成污染。 本工程在傳統事故油池的基礎上進行了優化改進。 在不增加油池體積的前提下，通過增加隔墻， 改變進油管的進油方向以及將出水管底部局部下沉等措施，使油水混合物在油池內做折流流動，增加了水力停留時間，大大提高了油水分離的效果，達到了安全，經濟、高效、環境友好的設計目的。 本事故油池的設計對之后類似工程的設計運用也有一定的參考意義。