淺談建筑構(gòu)件及材料耐火極限試驗(yàn)爐操控系統(tǒng)

陳俊

（廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司）

1 試驗(yàn)爐作用及性能

試驗(yàn)爐設(shè)計(jì)主體采用立式垂直布置結(jié)構(gòu)，主要針對(duì)垂直建筑構(gòu)件等進(jìn)行耐火極限試驗(yàn)。如：防火玻璃、門、墻體、板、窗等建筑構(gòu)件，為抗火災(zāi)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及材料選用提供科學(xué)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)爐外形尺寸為4500（長）×4300（高）×1600（寬），爐膛內(nèi)尺寸3000（長）×3200（高）×1000（深），容積9.6.m3，最高試驗(yàn)溫度1300℃，功率≥2000Kw，爐瞠壓力≤20Pa，試驗(yàn)時(shí)間≥6 小時(shí)，使用液化石油氣作燃料，其中試驗(yàn)爐體為固定設(shè)罝，用鋼框安裝試件兼作爐門，可拆裝移動(dòng)，通過吊機(jī)運(yùn)至爐前。見圖1。

圖1 試驗(yàn)爐正面簡圖

試驗(yàn)爐運(yùn)用自動(dòng)控制系統(tǒng)取代人工控制，具有操作方便人機(jī)介面友好、控制精度高、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及時(shí)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到模擬火災(zāi)時(shí)的升溫過程和對(duì)試件進(jìn)行耐火極限試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2 試驗(yàn)爐主要設(shè)備

試驗(yàn)爐的升溫設(shè)計(jì)按照國家GB/T9978-2008 標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行，見圖2。試驗(yàn)設(shè)備主要包括：試驗(yàn)爐本體、燃燒裝置、燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)、試驗(yàn)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)、其它控制系統(tǒng)、上位計(jì)算機(jī)及操作軟件(測量數(shù)據(jù)采集處理、顯示記錄、指令控制通迅按鈕)等。

圖2 試驗(yàn)爐升溫時(shí)間曲線

2.1 爐本體

包括一套鋼制結(jié)構(gòu)框架、爐墻體、爐門、操作平臺(tái)、燃?xì)?、助燃空氣輸送管道，閥門儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)等，爐墻采用標(biāo)準(zhǔn)高鋁輕質(zhì)磚砌筑、爐膛內(nèi)粘貼含鋯陶瓷纖維氈，墻厚約450mm，爐墻兩側(cè)分別在上、下位置設(shè)有觀察爐內(nèi)情況的防火玻璃觀察孔。爐頂部用耐火材料構(gòu)件蓋頂，爐底部設(shè)三個(gè)排煙孔，再接排煙總管道匯合出爐膛外，由處理系統(tǒng)處理排放。爐本體背部均布16 支燃?xì)鈬姌專?2 支熱電偶，3 支爐壓力探針及其它管道閥門儀表附件,并裝有所需聯(lián)接管支撐及人員操作平臺(tái)等。

2.2 燃燒裝置

試驗(yàn)爐燃燒配備共16 支LPG（液化氣）中速噴槍，火焰長度300 ～600mm，每支功率120Kw，總功率1920Kw，每小時(shí)耗LPG 液化氣量約170Kg，助燃空氣量約2500m3。燃燒噴槍用電火花形式自動(dòng)點(diǎn)火，配有專用燃燒監(jiān)控裝置，采用擴(kuò)散式燃燒方式，在噴嘴出口配有異形碳化硅通孔磚，作空氣與燃?xì)忸A(yù)混合燃燒通道。

2.3 燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)

瓶裝液相液化氣使用時(shí)運(yùn)至現(xiàn)場汽化房，液相液化氣出瓶后經(jīng)粗過濾，用汽化加熱爐使液化氣從液相變成氣相，壓力約0.5MPa，經(jīng)一級(jí)減至10～15kPa 送入設(shè)備供氣主管道，使用時(shí)由二級(jí)減壓至2500～3000Pa，再細(xì)過濾并穩(wěn)壓后供給試驗(yàn)爐使用。供氣管道設(shè)有電磁總氣閥、高、低壓安全開關(guān)，安全閥、放散閥、排污閥、穩(wěn)壓閥、壓力傳感器及指示儀表等裝置，對(duì)燃?xì)鈮毫M(jìn)行測控，滿足安全和工藝需要。

2.4 試驗(yàn)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)

擬采用系統(tǒng)整體失誤風(fēng)險(xiǎn)較少的分散型控制方式，用智能PID 溫﹙壓﹚測控儀表和PLC 程控器作直接測控對(duì)象，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)上位計(jì)算機(jī)處理并接收其指令，對(duì)試驗(yàn)爐自動(dòng)控制。見圖3。

圖3 試驗(yàn)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)示意框圖

2.4.1 燃燒裝置點(diǎn)火運(yùn)行控制

16 支LPG 噴槍、12 支熱電偶均布于爐內(nèi)后墻，2 支噴槍為1 組（每組由1 個(gè)智能溫控儀表和1 支熱電偶操控2 臺(tái)噴槍的助燃空氣調(diào)節(jié)閥開度），共分8 組﹙余下四支熱電偶只作測量用﹚。每支噴槍配有點(diǎn)火燃燒監(jiān)控裝置、助燃空氣﹙自/手﹚動(dòng)調(diào)節(jié)閥、空燃比例閥、燃?xì)怆姶磐〝嚅y等裝置。燃燒裝置在噴槍點(diǎn)火時(shí)，采用計(jì)算機(jī)控制界面手動(dòng)方式，啟動(dòng)助燃空氣鼓風(fēng)、爐內(nèi)引風(fēng)機(jī)以維持爐一定爐膛負(fù)壓，此時(shí)燃?xì)?、助燃空氣管道壓力必須穩(wěn)定在設(shè)定范圍之內(nèi)。計(jì)算機(jī)給點(diǎn)火命令之后，智能溫控儀表少量打開噴槍前助燃空氣調(diào)節(jié)閥，同時(shí)使燃?xì)夤艿郎系目杖急壤y按比例開度，PLC（程控器）依設(shè)定程序向點(diǎn)火監(jiān)控裝置、邏輯電柜送出控制信號(hào)，打開對(duì)應(yīng)噴槍的燃?xì)怆姶砰y接通空燃比例閥燃?xì)?，由點(diǎn)火監(jiān)控裝置輸出﹙數(shù)秒﹚高電壓至噴槍點(diǎn)火棒點(diǎn)火并驗(yàn)證點(diǎn)火﹙點(diǎn)火監(jiān)控裝置反饋的噴槍點(diǎn)火、運(yùn)行、熄火信號(hào)﹚是否有效，如未能點(diǎn)燃或熄火，則送熄火信號(hào)關(guān)閉燃?xì)怆姶砰y，并鎖定再次點(diǎn)火時(shí)間間隔，防止因無效點(diǎn)火過多引起燃?xì)馊霠t而積聚，在重新點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆炸。當(dāng)8 組LPG 噴槍點(diǎn)火依設(shè)定的順序點(diǎn)燃火后，試驗(yàn)爐按既定控制程序和升溫曲線執(zhí)行。

2.4.2 爐溫的測控

試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，各組智能溫控儀表依計(jì)算機(jī)要求，用執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)助燃空氣閥、改變空燃比例閥開啟大小方法控制入噴槍混合氣量燃燒使?fàn)t升溫。爐內(nèi)測溫?zé)犭娕驾敵鲂盘?hào)送智能儀表接收，信號(hào)經(jīng)3 秒/次、5 次采集順延平均值后，由A/D 轉(zhuǎn)換顯示﹙與此同時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)送計(jì)算機(jī)顯示記錄且指令﹚，計(jì)算機(jī)按照各點(diǎn)采集反饋溫度，計(jì)算平均溫度，與既定標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對(duì)照，給與相應(yīng)噴槍組智能溫控儀表調(diào)節(jié)參數(shù)。智能儀表用調(diào)節(jié)參數(shù)與實(shí)際爐內(nèi)采集溫度比較，計(jì)算出溫度偏差后，用PID 調(diào)節(jié)方法追蹤，輸出電流信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)助燃空氣閥的百分比開度﹙帶閥位反饋指示﹚，相應(yīng)增、減噴槍功率，控制該組噴槍組區(qū)域的溫度升降，實(shí)行閉環(huán)反饋控制。

2.4.3 爐內(nèi)壓力測控

試驗(yàn)爐運(yùn)行時(shí)，爐壓由所選的壓力傳感器送出電流信號(hào)給智能壓控表接收，經(jīng)3 秒/次，5 次采集順延平均值后由A/D 轉(zhuǎn)換顯示﹙同時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)送計(jì)算機(jī)顯示記錄﹚，計(jì)算機(jī)按照采集反饋壓力與控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照并記錄，智能壓控表按計(jì)算機(jī)指示數(shù)值輸出電流信號(hào)控制引風(fēng)機(jī)調(diào)頻器，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變爐壓力，實(shí)行閉環(huán)反饋控制。

2.4.4 試件背火面溫度檢測判定

按標(biāo)準(zhǔn)要求在各類不同試件背火面粘貼若干支K型熱電偶，由溫度采集變送器接收電偶信號(hào)，采集速率1～10 秒/次，﹙時(shí)間可修改﹚5 次采集順延平均后，計(jì)算平均溫度值，顯示各溫度數(shù)值并輸出標(biāo)淮數(shù)字信號(hào)，經(jīng)Rs485/232 轉(zhuǎn)換傳計(jì)算機(jī)顯示記錄。

2.4.5 其它控制系統(tǒng)

試驗(yàn)安全、工藝上要求聯(lián)鎖控制通常包括以下功能：

⑴燃?xì)鈮毫Ω?、低超限?lián)鎖（燃?xì)怆姶趴傞y）保護(hù)、報(bào)警；

⑵氣化房液化燃?xì)鈮毫Φ陀?.15MPa 和泄漏達(dá)危險(xiǎn)濃度時(shí)發(fā)出警報(bào)；

⑶引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)（跳閘）斷電時(shí)即關(guān)閉燃?xì)庵鏖y、助燃空氣壓力不足報(bào)警；

⑷引風(fēng)機(jī)開啟后須延時(shí)2min 才能開動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，待燃?xì)鈮毫υ谏舷孪拊O(shè)定值時(shí)，才能開啟燃?xì)饪傞y，總閥開啟1min 后點(diǎn)火器才可通電控制點(diǎn)火；

⑸設(shè)定引風(fēng)機(jī)在燃?xì)饪傠姶砰y、鼓風(fēng)機(jī)關(guān)閉之后，才能延時(shí)關(guān)閉；

⑹投入自動(dòng)執(zhí)行升溫曲線運(yùn)行時(shí)，若噴槍熄火，系統(tǒng)鎖定用手動(dòng)方式對(duì)應(yīng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，手動(dòng)調(diào)節(jié)助燃空氣閥的百分比開度返回點(diǎn)火狀態(tài)才能點(diǎn)火；

⑺試件背火溫度超限時(shí)發(fā)信報(bào)警；

⑻爐膛超溫、超壓、風(fēng)機(jī)排煙超溫時(shí)報(bào)警等；

⑼所有動(dòng)力控制均有(就地/遠(yuǎn)程)切換開關(guān)，且在操控電柜上可方便切換。

試驗(yàn)安全、工藝要求聯(lián)鎖動(dòng)作，控制要求指令主要來自計(jì)算機(jī)，由PLC（控制器）執(zhí)行已既定的程序（必要時(shí)可通過計(jì)算機(jī)修改），通過過程調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

2.4.6 計(jì)算機(jī)及操作軟件

計(jì)算機(jī)和操控電柜置于試驗(yàn)爐主控制室內(nèi)，通過帶隔離保護(hù)型RS232/485 與各智能儀表、顯示溫度壓力儀表及PLC（程控器）通迅，隨時(shí)檢測通迅各點(diǎn)情況。運(yùn)行參數(shù)采集后，對(duì)需要控制部分，依據(jù)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化條件得出各控制回路的給定值，發(fā)出必要的指令數(shù)據(jù)、信號(hào)處理，對(duì)操控整個(gè)系統(tǒng)起監(jiān)視、決策作用?？刂栖浖蠡緝?nèi)容：

⑴顯示正面試驗(yàn)?zāi)M板、熱電偶、噴槍、鼓、引風(fēng)機(jī)，自動(dòng)點(diǎn)火器等運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)過程中的各類工藝參數(shù)狀態(tài)，設(shè)有各組燃燒器點(diǎn)火、鼓、引風(fēng)機(jī)，燃?xì)饪傞y啟閉按鍵，火焰運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，有爐膛溫度壓力超限、燃?xì)?、助燃空氣壓力超壓、欠壓、熄火故障、等?bào)警顯示功能；

⑵顯示記錄（所有參數(shù)記錄30S/次）試驗(yàn)爐升溫運(yùn)行過程中的各單點(diǎn)、平均爐壓及溫度、試件背火面各單點(diǎn)、平均溫度、煙氣溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)曲線表格；

⑶可按要求對(duì)升溫曲線、爐壓控制程序進(jìn)行設(shè)定命名并儲(chǔ)存調(diào)用；⑷記錄顯示與系統(tǒng)各點(diǎn)通迅狀態(tài)，故障顯示報(bào)警；⑸在獲得修改權(quán)限條件下，允許修改各控制參數(shù)的設(shè)定，數(shù)據(jù)庫能長期儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)供隨時(shí)打印調(diào)用。

3 結(jié)語

試驗(yàn)爐研制后，經(jīng)過調(diào)試，自動(dòng)控制、采集系統(tǒng)經(jīng)過二年時(shí)間不斷地對(duì)建筑材料構(gòu)件進(jìn)行耐火極限試驗(yàn)，符合《建筑構(gòu)件耐火性能試驗(yàn)方法》GB/T9978-2008 要求，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，且運(yùn)行狀況穩(wěn)定。