变压器事故油池设计优化模拟研究

2022-06-23瞿子涵官建敏

绿色科技 2022年10期

蔡萱，许超，瞿子涵，官建敏

(1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院, 湖北武汉 430077；2.湖北安源安全环保科技有限公司，湖北武汉 430040)

1 引言

变压器日常运行和设备维护过程中，变压器可能发生故障，造成变压器油有发生泄漏的风险[1，2]。目前，运行的变电站都会规划、设计和建造事故油池，作为收集泄漏变压器油的构筑物[3，4]。事故油池通常为方形和圆形，方形油池在建造工程相较于圆形简单，但在占地面积方面比圆形油池大[5，6]。

目前，应用广泛的重力式油水分离相比于气浮法和过滤法，具有操作结构简单、建造造价低、维护费用低、分离效果好等优势[7]。许多研究人员基于仿真模拟对事故油池的油水分离效果进行研究分析，同时也提出各个改进方案提升现有事故油池的油水分离效率。李辉等[8]利用仿真模拟软件对事故油池的油水分离情况进行了分析，得出事故油池难以高效的完全分离浮油和水的结论。郑业忠[9]基于仿真模拟对圆形事故油池进行研究，提出了3种改进方案，并得出添加挡板为最有方案。程道仓[10]运用EPS填料，并且安装侧向斜管的方法来提高变压器事故油池油水分离率。郑耀斌等[11]通过改进事故油池的进口、排水方式、构造等方面，进而优化事故油池的设计。郭增辉等[12]通过设置廊道和隔板，以及增加自动排水装置，以达到提高分离效率的目的。刘晓华等[13]创造性的提出了移动式一体化含油废水处理装置，从而避免事故油池废水外排造成新的污染问题。蔡世腾等[14]提出可以采用无动力重力式油水分离器和折板导流器可溶性油处理系统，提高事故油池分离效率。

目前，方形事故油池广泛应用于工程实际之中，且在日常运行过程中的性能还无法完全满足变电站的实际需求。为了进一步对现有变电站设计方案进行优化设计，本研究在原有60 m3方形油池基础上，在高度和宽度方向增加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。

2 数值模拟

2.1 数学模型

欧拉法多相流模型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[15，16]。

2.2 边界条件

根据《变电站和换流站给水排水设计规程》(DL/T 5143-2016)和《火力发电厂与变电站设计防火标准》(GB50229-2019)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，设置了事故排油量、消防用水以及降雨量如表1所示。不同粒径的油滴所占体积分数见表2。

表1 进口流量和油的比例

表2 计算模型中不同粒径的油滴所占体积分数

3 模拟结果和分析

3.1 增加高度方向

图1给出给出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1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，与高度方向上体积变化有明显关系。

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

图2给出了无降雨和3年1遇降雨下，在高度方向增大5 m3、10m3和20 m3后排水口处的平均事故油浓度随时间的变化规律。从图2中可以看出，相比方形油池原设计，高度方向体积增加5 m3、10 m3和20 m3后，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；在事故油最大超标浓度上，增加高度的效果更显著，3年1遇降雨情况下排水口处事故油含量峰值分别为157、117、48 mg/L，较增加长度时的峰值降低了20%～30%。

图2 方形事故油池高度方向增加5 m3、10 m3和20 m3排水口平均事故油浓度随时间的变化

3.2 增加宽度方向

图3给出了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。5 mg/L环保临界分界面变化趋势与高度方向变化一致。

图4给出了无降雨和3年1遇降雨下，在宽度方向增大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4中可以看出，在宽度方向增加5 m3和10 m3时，排水口处事故油浓度超标时间的延后效果上与增加高度方向基本一致，而在宽度方向增加20 m3时相比增加高度方向，事故油浓度超标的时间提前近1 min。而在减少最大事故油上浓度方面，在宽度方向增加5m3和10 m3时，减少事故油含量的效果与增加高度基本一致；在宽度方向增加20 m3时，其效果与在高度方向增加20 m3相比略差。