变电站事故油池体积优化研究

王 晖，蔡 萱，李 辉，刘晓华，喻培元

(1.湖北安源安全环保科技有限公司，湖北 武汉 430040；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430071；3.国网湖北省电力有限公司检修分公司，湖北 武汉 430071)

1 引言

因矿物油具有良好绝缘、散热和消弧效果，目前大型电力变压器大部分为油浸式变压器，但变压器运行、检修产生的废变压器油属于危险废物[1]，如果未得到妥善处置，会造成严重的环境污染[2～4]。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，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[5,6]。由于变压器火灾发生概率低，事故油池的使用率更低，故变压器事故油池的设计一般不考虑复杂、昂贵的处理设施[7,8]。油水分离最方便、经济的办法是重力法，即利用油的容重比水的容重小和油水不相溶性质，实现油水分离(图1、图2)[9]。

图1 变压器及事故油坑

图2 变压器的排油路径

2 油池现状

目前在建或运行中的变电站主变压器事故油池通常为包括进出口的圆柱体或长方体，进口较高，接近池顶，出口较低，接近池底，结构以钢筋混凝土为主。

由于变压器油的密度小于水，当变压器发生事故时，废油排放至事故油池后，在水力停留时间足够长时，油水混合液受重力作用自然分成界面清晰的两层，此时底部的水在压力作用下由管道排出，从而保证对变压器油的截留贮存。但是，事故排油时水喷雾系统打开，短时间内喷出大量水雾对变压器进行灭火、降温，此外，在暴雨、洪水等极端情况，会有更多的雨水进入排油管，排油管道内主要为油、水两相紊流[10,11]，而传统事故油池构造中油水混合物行程较短，可能易导致废油与水分离不充分，外排后产生二次污染。常见事故油池原理简图见图3。

图3 常见事故油池油水分离原理

目前，事故油池的设计容量己由《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)中主变压器油量的60%增加到《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)中主变压器油量的100%。从运行效果及相关学者[12]的研究来看，当事故油池容量为主变压器压器油量的100%时，无降雨条件下发生事故，出水能够满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)三级标准。

3 三年一遇情况下，油池油水分离效果分析

以有效容积为50 m3的圆柱形油池为模拟对象，采用Gambit软件进行建模和网格划分。事故油量按50 m3(100%)设计，以武汉地区三年一遇暴雨计算降雨量，同时考虑排入100 m3的消防用水，事故时的排油时间按《变电所给水排水设计规程》(DL/T5143-2002)中规定的20 min(1200 s)将事故油排尽进行设计(图4)。

图4 三年一遇降雨情况下50 m3事故油池内事故油体积分数分布

图5为三年一遇降雨情况下50 m3事故油池出口处事故油含量随泄漏时间的变化情况，在大约250 s开始就有油污随排水泄漏出来，但含量非常低，不大于1 mg/L。在大约1137 s时，排水中的油污含量超过10 mg/L，最大达到88g/L。因此，三年一遇降雨时事故油池的排水未能达标排放。

图5 三年一遇降雨情况下事故油池出口处事故油含量随泄漏时间的变化

三年一遇的降雨中，事故油池进口管道中油的下降至70%，大部分油滴仍可正常分离，但有极少部分的油滴随排水排出，但是由于事故油池内事故油的含量降低至85～90%，导致当前容积不足以容纳所有事故油，因此产生事故油泄漏风险。

4 油池优化

目前针对事故油池优化的研究，主要有改变深宽比、增加档板、加大出口深度等[13～15]，从上述模拟结果来看，三年一遇的降雨时，产生事故油泄漏风险的主要原因是容积不足，同时考虑到结构的简单与运维的方便，优先采用增大体积这一方式，暂不考虑其他方式。

增大原有油池体积，有效容积由原来的50 m3增加到60 m3(直径不变，深度加大)。其他条件和上述模拟一致：事故油量50 m3、排入100 m3的消防用水、武汉地区三年一遇暴雨、20 min将事故油排尽(图6)。

图6给出了三年一遇暴雨情况下60 m3事故油池内事故油体积分数分布。从图中可以看出，增大体积后的事故油池油水分离过程与原事故油池无显著区别，由于事故油池容积增大，油水分界面远高于排水口高度，故60 m3事故油池没有油污泄漏风险(图7、图8)。

图6 三年一遇降雨情况下60 m3事故油池内事故油体积分数分布

图7 1200 s时60 m3事故油池内事故油体积分数随高度的分布

图8 三年一遇降雨情况下60 m3事故油池出口处事故油含量随泄漏时间的变化

事故油池的容积应根据变压器油的总泄漏量和事故油池内油层的含油量综合确定。为了确定事故油池内油层的含油量，本文通过(1)式计算油层的平均含油量：

(1)

其中，V油层表示事故油池内油层的总体积，可通过对(2)式所示的函数积分得到：

(2)

(3)

根据上述公式计算得到60 m3事故油池内油层的含油量约为89.1%。

因此，事故油池的储油设计有效容积至少应为最大变压器油泄漏量的100/89.1×100%=112%。

5 结论与建议

按照目前变压器油量的100%设计的事故油池在三年一遇暴雨时发生事故，有漏油风险，通过加大油池体积能有效降低泄漏风险，当油池体积增大为油量的112%时，能有效防止事故漏油情况的发生。为降低暴雨时，油池发生事故泄漏风险，建议加大事故油池体积。