耐火試驗爐的設計與實現(xiàn)

付曉光 張曉穎 李海建 王 堃

（中國建筑材料檢驗認證中心有限公司，北京 100024）

1 前言

隨著建筑業(yè)以及各種新型建筑材料的不斷發(fā)展，人們對建筑構件的耐火性能越來越重視。建筑構件的耐火性能一般通過在耐火試驗爐中進行耐火試驗得到檢測。本文介紹的耐火試驗爐完全按照我國對建筑構件耐火試驗方法所提出的最新的GB/T 9978—2008系列標準進行設計。建筑構件的耐火試驗就是按照標準中的溫度、壓力在耐火試驗爐中模擬火災的環(huán)境，通過對完整性，隔熱性等指標進行分析從而判定試件的耐火性能。

1.1 爐內(nèi)溫度[1]

GB9978.1-2008-T標準規(guī)定試驗爐內(nèi)的平均溫度隨時間的變化規(guī)律必須符合以下關系式：T=345*lg（8*t+1）+20

式中：T—爐內(nèi)平均溫度，單位是攝氏度（℃）；t—時間，單位為分鐘（min）。

該關系式表示的建筑構件耐火試驗爐內(nèi)標準時間--平均溫度曲線如圖1所示。

1.2 爐內(nèi)壓差[1]

GB9978.1-2008-T標準規(guī)定盡管壓力梯度隨爐內(nèi)溫度的改變會有輕微的變化，仍要保證爐內(nèi)高度處每米的壓力梯度值為8 Pa，并且控制爐內(nèi)壓力的變化，使其在試驗開始5 min后壓力值為（15±5）Pa，10 min后 壓 力 值 為（17±3）Pa。

圖1 標準時間--溫度曲線

2 耐火試驗爐的整體結構

建筑構件耐火試驗爐的爐型主要有四種[2]：

(1)水平爐,用于做梁、板、吊頂?shù)人浇ㄖ嫾突鹪囼灒?/p>

(2)墻爐,用于做墻、防火門、窗等非承重建筑構件耐火試驗；

(3)柱爐,用于做柱等承重建筑構件耐火試驗；

(4)多功能爐,用于做梁、板、柱、墻等多種建筑構件耐火試驗。

本文介紹的耐火試驗爐屬于墻爐，用于墻、門、窗等非承重建筑構件耐火試驗。目前，耐火試驗爐一般采用柴油、天然氣、液化石油氣作為燃料。考慮到使用柴油或天然氣作燃料，需要為試驗爐配備地下油庫或天然氣管道，該試驗爐采用灌裝液化石油氣作為燃料。同時，由于人工控制穩(wěn)定性和準確性差，該試驗爐采用自動控制系統(tǒng)，不僅提高了試驗的穩(wěn)定性和準確性，而且操作簡單，可自動存儲試驗數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了成本。

綜上所述，該建筑構件耐火試驗爐采用液化石油氣作為燃料，采用自動控制系統(tǒng)保證爐內(nèi)的溫度和壓力完全符合標準要求。所以，該耐火試驗爐由爐體、燃氣控制和電氣控制三部分構成，如圖2所示。

圖2 耐火試驗爐整體結構框圖

3 爐體部分

該耐火試驗爐的爐體部分包括：爐膛、煙道和窯車三部分。爐膛的結構如圖3所示。

圖3 爐膛結構示意圖

該耐火試驗爐的爐膛采用鋼結構框架，在鋼結構框架中間用耐火磚砌成爐壁，爐壁內(nèi)側貼有高溫耐火棉，外側用彩鋼板包裹。爐膛的內(nèi)部空間 是3.05m*3.05m*1.2m，爐 壁 厚65cm。在 兩側爐壁內(nèi)嵌有八個高速燒嘴，提供爐膛內(nèi)升溫所需的熱量；在后側爐壁設計有三個排煙孔，連接到后面的煙道，將爐膛內(nèi)的煙氣排出，控制壓力；在后側爐壁還設計有四個觀火孔，用來觀察試驗時試件受火面和火焰的情況；十根鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶通過后側爐壁一直伸到距離試件受火面10cm處，用來測量試件受火面的溫度，作為爐膛內(nèi)溫度自動控制的依據(jù)。燒嘴、排煙孔、觀火孔和熱電偶在爐膛內(nèi)的具體位置如圖3所示。

該耐火試驗爐采用后排煙方式，煙道位于爐膛后面，爐內(nèi)煙氣由三個排煙孔進入煙道，排到大氣中。煙道的室內(nèi)部分是不銹鋼管，由于溫度很高，用焰棉做了保溫；室外部分是鐵管，并且在不銹鋼管和鐵管的結合處設計有排煙風機。

窯車是試件的載體，將試件固定到試驗位置，進行試驗。窯車高4.3m寬3.5m，由車體和試件平臺組成。車體設計有四個地輪，可以在鋼軌上運動；在距車體面2m高處設計有工作平臺，方便對試件被火面進行粘貼熱電偶、檢查完整性等操作，并有扶梯方便上下。試件平臺是一個3.5mx3.5m的方形鋼結構框架，其作用是將試件砌在試件平臺上，等試件養(yǎng)護好后，用電葫蘆把砌有試件的試件平臺吊裝到車體上，然后把窯車推到試驗位置并固定，然后開始試驗。在車體上有四個掛鉤和六個固定槽；掛鉤鉤住試件平臺兩側的不銹鋼柱，將試件平臺固定在車體上；固定槽通過兩側爐壁的手輪將整個窯車固定到試驗位置。

4 燃氣控制部分

該耐火試驗爐采用灌裝液化石油氣作為燃料，因此需要燃氣控制部分將液相的液化石油氣轉化成低壓的氣相液化石油氣，便于在燒嘴中與空氣混合被點著，燃氣控制部分的構成如圖4所示。液化石油氣瓶分為兩組，每組四瓶。試驗時使用其中的一組，當壓力低于設定值，液相切換閥會自動切換到另一組，這樣就可以防止試驗中燃料突然耗盡，使實驗中斷。由于液化石油氣由液相轉化為氣相需要吸收大量熱量，所以液相的液化石油氣通過液相切換閥首先進入汽化器，在汽化器中吸收熱量轉化成氣相。此時，液化石油氣的壓力接近1兆帕,而燃燒所需的壓力大約為幾千帕，所以需要經(jīng)過兩級減壓閥達到。在兩級減壓閥之間有氣液分離器，主要作用是把液化石油氣中的水份分離出來。

圖4 燃氣控制部分結構框圖

試驗中，總電磁閥和八個電磁閥分別控制整個氣路和各個分支氣路的通斷。當二級減壓后的液化石油氣壓力過高時，放散閥會自動打開穩(wěn)定壓力，將部分液化石油氣排入大氣；當壓力再高時，高壓檢測開關動作，停止試驗，以防發(fā)生危險。當壓力很低時，低壓檢測開關動作，提示操作員燃氣壓力過低，可能需要更換液化石油氣。

5 電氣控制部分

該耐火試驗爐的電氣控制部分主要完成對爐內(nèi)溫度、壓力的控制，由硬件部分和軟件部分構成。

5.1 硬件部分

硬件部分包括：嵌入式一體化工控機、PLC、巡檢儀、3個空氣壓力傳感器、3個信號輸入隔離處理器、2個變頻器、2臺風機、8根爐溫熱電偶、8個熱電偶信號隔離處理器、8個點火器、8個燃氣電磁閥、8個電動蝶閥、30根背溫熱電偶、總電磁閥、高低壓檢測傳感器以及各種繼電器、接觸器和開關等。硬件系統(tǒng)各個電氣部分的相互關系如圖5所示。

圖5 硬件部分結構框圖

PLC是進行各種操作和溫度控制的核心，該試驗爐采用三菱的FX3u系列PLC。通過控制柜或觸摸屏上的按鈕進行各種操作，例如：手/自動方式切換、啟/停變頻器和風機、開/關主電磁閥和電動蝶閥、啟/停點火器等，就是PLC通過輸入端子讀入相關按鈕的狀態(tài)，經(jīng)運算后，通過輸出端子控制相應繼電器的通斷進而完成各種操作。

變頻器上電，排煙/助燃風機運轉穩(wěn)定，打開主電磁閥后，就可以進行點火操作：點火器上電后開始在燒嘴中的電極點火，同時打開燃氣電磁閥，使液化石油氣和助燃空氣在燒嘴中的燃燒室按標準比例混合；如果點燃，則點火器在燒嘴中的火焰檢測電極會檢測到火焰，停止點火，工作指示燈亮，并且燃氣電磁閥保持開啟狀態(tài)；如果沒有點燃或中途滅火，點火器在9秒時間內(nèi)一直點火，9秒內(nèi)仍無火焰信號，則關閉燃氣電磁閥，報警指示燈亮。

PLC進行溫度控制的過程是：爐溫熱電偶測量爐內(nèi)溫度，熱電偶輸入信號隔離處理器將熱電偶信號送入AD擴展模塊轉換為標準數(shù)字信號，PLC主單元將輸入的溫度值與設定溫度值進行比較，如果低于設定值，則通過輸出端子控制電動蝶閥增加開啟時間，即增加大火時間，進行升溫；如果高于設定值，則通過輸出端子控制電動蝶閥減少開啟時間，即減少大火時間，停止升溫。

壓力主要由變頻器進行控制。空氣壓力傳感器測量助燃空氣壓力/爐內(nèi)壓力，經(jīng)信號輸入隔離處理器對信號處理后送入助燃/排煙變頻器，變頻器按照自身的算法進行數(shù)據(jù)處理后，通過輸出相應的電壓和頻率控制風機轉速，達到控制壓力的目的。

嵌入式一體化工控機主要作用是進行人機交互，其中央處理單元以ARM為核心（主頻400MHz），并采用10.4英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率640×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024），嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)WinCE.NET（中文版）和MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運行版）。工控機通過RS485與巡檢儀通信，讀取試件背火面溫度，作為判斷試件隔熱性的依據(jù)。巡檢儀的作用是采集各路背火面測溫熱電偶的信號，并轉換成標準數(shù)字信號，通過RS485發(fā)送給工控機。巡檢儀還有冷端補償和上下限報警功能，確保所讀取溫度和控制的準確性。工控機通過RS485與PLC通信，將溫度、壓力和各個電氣部分的狀態(tài)以及其它控制信息顯示在顯示屏上；同時工控機將各種操作信息發(fā)送給PLC完成對整個試驗流程的控制。

5.2 軟件部分

軟件部分包括工控機的MCGS組態(tài)軟件和PLC程序。PLC程序的執(zhí)行流程如圖6所示。

利用工控機的MCGS組態(tài)軟件設計人機交互界面，包括：主控界面、爐溫曲線界面、試件溫度界面、歷史記錄界面和參數(shù)整定界面，如圖7所示。

主控界面如圖7(a)所示，中央部分用動畫模擬試驗爐的運行情況：爐膛內(nèi)布置八個燒嘴，實時顯示大小火的變化；十根熱電偶、排煙風機、助燃風機和主電磁閥的運行狀態(tài)也實時顯示。右側實時顯示助燃空氣壓力、爐內(nèi)上下不壓力、爐內(nèi)平均溫度值和設定值以及運行時間等控制信息。下側設計有排煙/助燃風機啟停按鈕和實驗開始/結束按鈕，用以控制試驗進程；還設計了爐溫曲線、試件溫度、歷史記錄和參數(shù)整定按鈕，可以切換到其他界面。其他界面也有相同按鈕。

爐溫曲線界面如圖7(b)所示，隨著試驗的進行，不斷繪制出爐內(nèi)升溫曲線和試件被火面平均溫度；其中紅色曲線是爐內(nèi)平均溫度，綠色曲線是標準時間—溫度曲線，便于比較。在右側上下角，分別顯示日期、時間和運行時間。圖8是某次實驗中爐內(nèi)升溫曲線和標準時間—溫度曲線。由圖中可以看出，除了在剛開始的快速升溫階段溫度稍微超調(diào)之外，其他時段溫度曲線與標準時間—溫度曲線幾乎重合，溫差在5℃以內(nèi)。

試件溫度界面如圖7(c)所示，中央部分顯示30個試件背火面熱電偶的溫度值和狀態(tài)，并且可以根據(jù)試驗要求任意選擇不同的熱電偶；右側顯示環(huán)境溫度、初始溫度、平均溫度以及日期、時間等信息。圖9是試件背火面平均溫度曲線。從圖中可以看出，隨著試驗的進行試件背火面平均溫度不斷升高。

歷史記錄界面如圖7(d)所示，主要記錄歷史數(shù)據(jù)，包括：日期時間、設定溫度、平均爐溫、各個熱電偶的溫度值、爐內(nèi)壓力、初始溫度、環(huán)境溫度等記錄。下側的設置按鈕可以快速定位需要顯示的歷史數(shù)據(jù)，“Copy to USB”按鈕用來將所選的歷史記錄復制到優(yōu)盤中，并且可以在PC機上用Excel軟件打開、處理，方便對實驗數(shù)據(jù)進行分析。

參數(shù)整定界面如圖7(e)所示，左側可以輸入或顯示比例增益、積分時間、微分增益、微分時間、調(diào)節(jié)周期、最小動作時間和控制輸出等PID控制參數(shù)以及設定溫度、實際溫度、助燃空氣壓力和爐內(nèi)壓力等試驗信息；同時還可以在右側實時顯示曲線。

圖6 PLC程序流程圖

圖7 人機交互界面

圖8 升溫曲線和標準時間—溫度曲線

圖9 試件背火面平均溫度曲線

6 結論

該耐火試驗爐調(diào)試完成后，進行了多次試驗，對溫度、壓力控制準確，對試件隔熱性、完整性判斷正確；并且采用自動控制方式，操作簡單，具有很好的穩(wěn)定性，達到國內(nèi)先進水平，具有很好的推廣應用價值。

[1] GB9978.1-2008-T 建筑構件耐火試驗方法 第1部分：通用要求 8-9

[2]王廣軍，邊慶策等 建筑構件耐火性能試驗爐的研制與應用 建筑科學,1996(2)：29-35

[3]劉建勇，李海倫 國外某耐中型火試驗爐的設計消防技術與產(chǎn)品信息，2008（3）：10-12

[4]李萍，曾令可 建筑構件多功能耐火試驗爐的設計 華南理工大學報，2007（12）：102-106

[5]潘小勇，王莉莉 耐火試驗爐計算機控制系統(tǒng)的設計 機械與設備，2006（5）：18-20