火电厂新型事故贮油池设计研究

黄建城（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）



火电厂新型事故贮油池设计研究

黄建城
（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

摘要：基于连续性方程和伯努利方程，探讨了虹吸管内液体平均流速的影响因素。设计并制作了虹吸破坏试验装置，用于研究排水管的虹吸破坏机制。在此基础上，详细阐述了新型事故贮油池的设计方案及工作原理。研究表明：在进油水管的端部设置90°弯头，并在油水分离室内设置交错隔墙，能有效改善整流效果；将连通孔布置于集水坑内，既可实现水封，又能增加有效储油容积；设置于U形排水管驼峰段下方的L形进气管，能有效触发虹吸破坏，避免事故油排出池外，造成环境污染；此外，排水管外接的雨水井应就近布置，以减小沿程水头损失，从而实现快速排水。

关键词：事故贮油池；环境保护；油水分离；自动排水；虹吸破坏。

1 概述

油浸式变压器具有绝缘散热性好、投资经济、维护简便等优点，已广泛应用于发电厂、变电站等电力工程。变压器内的绝缘油属可燃性液体，闪点为135 ℃左右，一旦发生事故喷油，短时间内大量的绝缘油喷涌而出，如不采取专门的防护措施，将造成环境污染，且极易引起火灾。为避免环境污染、防止油火蔓延，必须将事故喷油与大量消防水的混合液排至具有贮油排水功能的事故贮油池，以便回收利用。另外，大型变压器一般为露天布置，平时将有大量的雨水通过变压器下方的挡油设施排至事故贮油池。因此，合理的事故贮油池设计应具有油水分离功能，并能将分离后的消防水迅速排出。

目前，关于事故贮油池的报道并不多见。周声震采用单池式事故贮油池，通过L形排水管实现贮油排水。但是，在油水混合液的冲击下，单池式事故贮油池的油水分离流程过短，流态紊乱，油水很难完全分离；况且，排水管一般略带放坡，容易触发虹吸排水，若不设置虹吸破坏机制，贮油池中的事故油可能排入雨水管网，造成环境污染。刘春昊等提出的带油、水分离装置的事故贮油池中，粗滤室、精滤室和排水室间流程短，且底部连通，容易出现短流，造成部分事故油排出池外，污染环境；另外，采用潜水泵抽吸排水，需要动力消耗和人员检修，增加了营运成本。文献［3］提出的事故贮油池中，一、二级分离室和排水室之间通过底部连通孔交错连通，延长了含油废水的流程，且不易出现短流；分离室内设置斜管填料，增加了油水接触表面积，从而提高除油效率，但是所用的L形排水管也没有设置虹吸破坏机制。此外，文献［4］、［5］尝试在排水管附近设一根短直管作为进气管用于破坏虹吸，但是并未对方案进行试验验证。

可见，现有事故贮油池的排水方式主要为L形虹吸排水或潜水泵抽吸排水。前者未设置虹吸破坏机制，易将事故油排出池外，污染环境；而后者需要动力消耗和人员检修，增加了建造成本和维护费用。另外，双池式或多池式事故贮油池下方一般设有连通孔，且应预先灌水没过孔顶，方可实现油水分离功能。本文针对上述问题展开研究，旨在提供一种油水分离效果好、建造维护成本低、含虹吸破坏机制的自动排水环保事故贮油池。

2 虹吸现象及其实现条件

虹吸是一种常见的流体力学现象，见图1，液体在液面压力（通常为大气压力）的作用下从液面较高的容器沿着曲管一侧升高至最高点C，而后在重力的作用下再沿着曲管的另一侧流入液面较低的容器，所经路径其形如虹，故名之曰虹吸。

图1 虹吸示意图

根据连续性方程，不可压缩流体作稳定流动时，同一流管的流量保持不变，即：

可见，液体的流速与流管的横截面积成反比。由于容器截面积 远远大于曲管截面积 ，因此容器液面下降速度相对于曲管出口的流速 很小，可以忽略不计。

根据伯努利方程，不可压缩流体作稳定流动时，单位重量流体从A点流到B点的过程中机械能保持不变，即：

当PA=PB=P0时，联立式（1）～式（3）可得，

式中： Kv为流速损失系数。可见，曲管出口的流速主要取决于容器液面A与曲管出口端B的水头压差hBA。当曲管形状确定后，液体在曲管中流动所产生的局部损失基本不变，此时若增大hBA且减小hAC则可以增大曲管的出流速度。

曲管产生虹吸现象必须满足三个条件：（1）若出口端位于大气中，则入口端容器液面需高于曲管出口端；若出口端淹没在液体中，则入口端容器液面需高于出口端容器液面。（2）曲管的最高点与入口端容器液面的高度差不得高于大气压支持的液柱高度。（3）曲管必须充满液体，这是触发条件。

2 虹吸破坏试验

为了研制一种有效的虹吸破坏方式，本文设计并制作了图2（a）所示的虹吸破坏装置。该装置由1个透明容器及1根带进气管的排水管组成。其中，透明容器由5升装的调和油桶剪制而成，并采用烧红的螺柱热熔穿孔，孔径约为φ16 mm；排水管采用内径12 mm×壁厚2 mm的透明PVC管弯制成U形管，U形管的驼峰下方采用烧红的螺柱热熔穿孔，孔径约为φ8 mm；进气管采用内径6 mm×壁厚1 mm的透明PVC管弯制成，并插入排水管上预留的孔洞；排水管与进气管连接处，以及排水管与透明容器连接处，采用热熔胶棒密封。

图2 虹吸破坏装置

试验中，先将透明容器的水位控制在U形排水管的驼峰附近，然后采用水壶往容器中缓慢加水。当水面上升至液面A时，排水管开始溢流排水，见图2（b）；当水面上升至液面B时，排水管充满水，将触发虹吸排水，见图2（c），排水管中的水流速度可由式（4）确定；当水面下降至液面C时，空气将从进气管进入排水管，虹吸终止，见图2（d）。

3 新型事故贮油池及其工作原理

新型事故贮油池包括油水分离室1、排水室2、进油水管6和排水管7，见图3。

进油水管与油水分离室连通。为了减小来流射程和来流对池内液体的扰动作用，并增加油水分离的流程长度，可将进油水管尽量外移，并在管口端部设置90°弯头，油水混合液经过弯头改变流向，直接喷向油水分离室底部。

图3 新型事故贮油池

油水分离室内设置两面用于增加油水分离流程的隔墙5，使油水分离路径呈S形。S形的油水分离路径可增加池内液体流动的沿程损失和局部损失，改善整流效果，从而使第一次油水分离更加彻底。

油水分离室的底部设置有集水坑4。连通孔3位于集水坑内，其高度小于集水坑的深度。如此，只需将集水坑灌满水，即可实现水封，从而防止事故油进入排水室。并且，在满足有效储油容积的情况下，可以节约土建建造成本。

为了实现虹吸快速排水，并防止事故油排出池外，可采用含虹吸破坏机制的U形排水管，见图3，即在排水管驼峰段底标高以下一定高度设置一根用于破坏虹吸的L形进气管8。

排水管外接雨水井，排水室根据虹吸原理向雨水井排水。其中，雨水井应就近布置，以减小沿程水头损失，实现快速排水。

油水分离室和排水室的顶部均设置有检修孔10，检修孔上方设置带通气孔的盖板9，使事故贮油池内液面与大气相通，从而保证虹吸顺利实现。另外，为了便于工作人员检修事故贮油池，油水分离室和排水室的内壁均设置有爬梯11，爬梯分别从油水分离室、排水室的底部延伸至检修孔。

事故发生时，随着大量的油水混合液排入油水分离室，排水室的液面不断升高。当水面上升至排水管驼峰段的底标高时，排水管开始溢流排水；当排水管充满水时，将触发虹吸排水，直至排水室液面下降到L形进气管的管口时，空气进入排水管，虹吸终止。

4 结论

本文基于连续性方程和伯努利方程，探讨了虹吸管内液体平均流速的影响因素。并且，设计制作了虹吸破坏试验装置，用于研究排水管的虹吸破坏机制。在此基础上，详细阐述了新型事故贮油池的设计方案及工作原理。通过研究，可以得出以下结论：

（1） 在进油水管的端部设置90°弯头，并在油水分离室内设置交错隔墙，能有效改善整流效果。

（2）将连通孔布置于集水坑内，既可实现水封，又能增加有效储油容积。

（3）设置于U形排水管驼峰段下方的L形进气管，能有效触发虹吸破坏，避免事故油排出池外，造成环境污染。

（4）排水管外接的雨水井应就近布置，以减小沿程水头损失，从而实现快速排水。

参考文献：

［1］ 周声震.变压器事故油池：中国，200420060316. 1［P］.2005-07-16.

［2］ 刘春昊，戈广金，陆青.带油、水分离装置的事故储油池：中国，200810012880.9［P］.2010-02-24.

［3］ 袁建磊，等.一种事故油池：中国，201020138329.1［P］.2010-12-29.

［4］ 王苏明.推荐一种自流式环保事故油池［J］.电力建设，2003，24（11）.

［5］ 王苏明.变电所土建防火及安全设计存在的问题及解决办法［J］.电力建设，2007，28（5）.

［6］ 尤明庆，陈小敏.实现虹吸过程的条件［J］.焦作工学院学报（自然科学版），2003，22（6）.

［7］ Hughes S W.The secret siphon［J］.Physics Education，2011，46（3）.

［8］ 孔珑.工程流体力学［M］.北京：中国电力出版社，2014.

［9］ 屠大燕.流体力学与流体机械［M］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

中图分类号：TM621

文献标志码：B

文章编号：1671-9913（2016）01-0054-04

* 收稿日期：2015-11-21

作者简介：黄建城（1980- ），男，福建连城人，博士，工程师，主要从事火电厂土建结构设计。

Design of a Novel Accident Oil Pool for Fossil-fired Power Plants

HUANG Jian-cheng
（Jiangsu Power Design Institute Co.， Ltd. of China Energy Engineering Group， Nanjing 211102， China）

Abstract:Based on the continuity equation and Bernoulli's equation， the Influencing factors on the mean flow rate of liquid emerging from a siphon are discussed. Then a siphon destruction testing apparatus is designed and constructed to investigate the siphon destruction mechanism of a drainpipe. Based on this， the design scheme and operating principle of a novel accident oil pool are expounded. It is found that the 90°elbow connected to the end of a oilwater intake pipe and the staggered partitions set up in the oil-water separation chamber can effectively ameliorate the flow pattern. It is also found that the communicating hole set up within a sump both implements hydraulic seal and increases effective oil storage volume. Moreover， a L-shaped air inlet pipe below the hump of a U-shaped drainpipe can effectively trigger siphon destruction. In addition， the rainwater well should be laid out near the accident oil pool to reduce the frictional head loss， thereby to realize high-speed drainage.

Key words:accident oil pool； environmental protection； oil-water separation； automatic drainage； siphon destruction.