油浸变压器消防排水系统的计算与设计

储剑锋

(华东电力设计院，上海 200063)

1 概述

油浸变压器是发电厂的核心设备，但其内部贮有大量绝缘油，火灾危险性大。《火力发电厂与变电站设计防火规范》第7.1.11条以强制性条文规定，“当油浸变压器容量为9×104kV·A及以上时，应设置火灾探测报警系统、水喷雾灭火系统或其他灭火系统”。

大型变压器的消防给水流量很大，消防排水中常含有少量油污，可能造成污染。因此，变压器的消防排水，除应按消防流量设计外，在排水设施上应采取油水分隔措施。

目前不同设计院在设计变压器消防排水系统时，做法多有不同。我院在设计某国外项目时，通过学习研究，整理出一套较为完整的变压器消防排水系统的计算方法，可以通过计算确定水封井、排水管、事故隔油池的规格。该方法在多个工程项目上得到应用，并不断完善。

2 变压器消防及排水

2.1 变压器消防水流量

为确定变压器消防排水的规模，首先应确定变压器水消防的流量及排水量，主要的相关规定如下：

(1)变压器室外消火栓用水量不应小于10 L/s、持续喷射时间不小于2 h。

(2)变压器本体设计喷雾强度不应小于20 L/ min·m2、持续喷雾时间不小于0.4 h。

(3)变压器的集油坑设计喷雾强度不应小于6 L/ min·m2、持续喷雾时间不小于0.4 h。

(4)变压器的保护面积应按扣除底面面积以外的变压器外表面面积确定外，还包括油枕、冷却器的外表面面积和集油坑的投影面积。

(5)变压器电缆沟连接处宜增设水喷雾喷头，强度不小于13 L/ min·m2、持续喷雾时间不小于0.4 h。

变压器水喷雾灭火系统的喷头选型及布置应满足上述规定，变压器消防时实际室外消火栓及水喷雾流量需按照供水系统进行管网计算而确定。

2.2 变压器消防排水措施

变压器消防排水系统应能将变压器事故过程中溅溢的绝缘油经适当隔火灭火措施后及时排尽，排水在事故隔油池中经隔油处理后达标排放，油经回收处理后再利用。

(1) 变压器发生火灾时有燃油溢(喷)出，为防止油火在水面燃烧、扩散，通常采取两道隔火灭火措施：一是变压器下设置有集油坑用于贮油、挡油，且集油坑内铺设有厚度不小于250 mm的卵石层，可起到隔火降温作用，防止燃烧扩散；二是变压器集油坑的排水出口设置有水封井，可起到阻隔水面游火作用，防止燃烧沿排水管网蔓延。

(2)变压器集油坑的排水出口处设置的水封井宜采用钢筋混凝土结构。水封井的水封深度不应小于250 mm，干旱地区可采用500 mm或更大的水封深度。水封井的井底宜设深度为300～500 mm的沉泥槽。

(3)变压器消防排水管的管径、坡度宜按20 min内将事故油排尽选择，当变压器设有水喷雾灭火系统时，消防排水流量还应叠加水喷雾流量。如果变压器区域场地雨水经水封井、检查井等汇集进来时，排水流量可考虑叠加水喷雾与雨水两者之中的较大流量。

(4)变压器消防排水管宜选择球墨铸铁管，承插式胶圈接口，内外壁均需防腐。

常用的25号变压器油的运动粘度技术指标为：40℃时不大于13 mm2/s、－10℃时不大于200 mm2/s。在10℃时，变压器油的运动粘度约为50 mm2/s，水的运动粘度为1.3 mm2/s，在变压器消防排水过程中，暂按油水混合物的运动粘度以20 mm2/s计，按重力流、满流进行简化计算，常用管径、坡度可参考表1。

表1 变压器排水管常用管径坡度

3 变压器事故隔油池原理

变压器消防排水和(/或)变压器区域的雨水经排水管、水封井(/检查井)等，汇集进入事故隔油池。变压器绝缘油以可浮油、分散油的状态掺混在水流中，从事故隔油池进水区的隔墙下部进入隔油区，在隔油区流速变缓，水流中挟带的泥沙等较重颗粒将沉降落底，而较轻的油颗粒则爬升到水面上，并被后隔墙阻挡滞留下来。由此一来，清水从后隔墙下部进入出水区，经出水管可排至附近雨水下水道。典型的变压器事故隔油池的平、剖面图见图1、图2。

事故隔油池出水管道上应设置方便封堵的措施，进水管上也可相应设置。例如在进水管和出水管上分别安装法兰闷头或铸铁闸门，以便采用灌水方式逐步抬高油位，使浮油经集油槽全部进入邻近的集油井，同时利用移动式泵抽取至专门设施进行处理回用。需要注意的是，正常时该法兰闷头不得安装或保持闸门全开，保证进、出水管畅通。

4 变压器事故隔油池计算

4.1 事故隔油计算主要设计输入

为计算变压器事故隔油池的规格，主要设计输入可按如下规定确定：

图1 变压器事故隔油池平面图

图2 变压器事故隔油池剖面图

(1) 变压器事故隔油池设计贮油量(Woil)，按最大一台变压器总油量的60%考虑，(m3)。

(2) 变压器事故排水设计流量(Q)除考虑排放事故溢(喷)油的流量外，还需要叠加消防排水流量或变压器区域汇集的雨水流量(取大值)，(m3/s)。

(3) 其他主要设计参数选取：油水密度之比(ρ)：一般为0.8～0.9，视油品不同而定。

油粒爬升速度(Voil)：根据试验确定，一般约0.0025 m/s。

隔墙下流速(Vh)：一般不大于0.05 m/s。

隔油区水平流速(V)：一般不大于0.01 m/s。

油水分界面：至少高出隔墙下过流孔顶0.5 m。

油面上部净空：不宜小于0.5 m。

隔油区长宽比(LPW)：一般可取3。

隔油池底板坡度：一般可取2%。

4.2 隔油区主要尺寸的确定

隔油区内主流缓慢水平运动，同时较重颗粒在沉淀、较轻油颗粒在爬升，运动状态也比较复杂，隔油效果主要受到油粒爬升速度、主流水平流速的影响。

隔油区是隔油池关键部分，其主要尺寸可以按照如下步骤计算确定：

(1) 事故隔油池的进水管内底标高应高于排水堰顶标高，其差值应根据计算确定，一般可取5～10 cm；排水堰顶标高应高于出水管内底标高，其差值宜不小于5 cm。

(2) 隔油区最小水平截面积

(3) 隔油区宽度：

W可向上取整。

(4) 隔油区长度

L=W×LPW

(注：假定隔油区液体深度为h，则液体流经隔油区的时间为L/(Q/(h×W))=(h×W×L)/Q，要求在此时间间隔内油粒至少爬升 h的高度，由此可以确定隔油区最小水平截面积A h。)

(5) 贮油高度

Hoil=Woil/(W×L)

(6) 设计油水分界面标高

=排水堰顶标高－ρ×Hoil

设计油面标高

=排水堰顶标高+ (1－ρ)×Hoil

(注：上述界面标高是指排水结束时状态，此时出水区水面与排水堰顶齐平。)

4.3 事故隔油池其他尺寸的确定

在确定隔油区尺寸后，宜复核隔油区水平流速，必要时可通过加深隔油池来降低水平流速。

进水区下部宜设集泥坑，其容积按初期雨水挟泥量确定，可按地面汇集雨水流量乘以200s估算。

5 其他说明

据调查，变压器火灾时，即使发生爆炸事故，真正进入隔油池的油量一般只为变压器总油量的10%～30%，因此隔油区水平流速将比设计值略小，实际处理效果会更好。

根据布置的需要，变压器事故隔油池同样可以承接主厂房汽轮机油系统的消防排水，此时事故隔油池的规模需进行必要的复核。

当变压器、汽轮机油系统设有事故排油门时，这部分紧急疏油宜通过特定的管道直接排入密封的排油箱(坑)中，集中回收处理；由于事故隔油池并非密封的结构，不建议将紧急疏油也引入变压器事故隔油池，否则设计人员需慎重考虑相关安全、环保措施。

6 结论

按照本文推荐的计算思路和方法，通过计算确定变压器事故排水系统的工艺尺寸，有利于规范设计、提高设计质量。

[1]GB 50229－2006，火力发电厂与变电站设计防火规范 [S]．

[2]DL/T5339－2006，火力发电厂水工设计规范 [S]．

[3]GB 50219－95，水喷雾灭火系统设计规范 [S]．

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