陳俊
(廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司)
試驗爐設(shè)計主體采用立式垂直布置結(jié)構(gòu),主要針對垂直建筑構(gòu)件等進行耐火極限試驗。如:防火玻璃、門、墻體、板、窗等建筑構(gòu)件,為抗火災(zāi)設(shè)計結(jié)構(gòu)及材料選用提供科學實驗依據(jù)。試驗爐外形尺寸為4500(長)×4300(高)×1600(寬),爐膛內(nèi)尺寸3000(長)×3200(高)×1000(深),容積9.6.m3,最高試驗溫度1300℃,功率≥2000Kw,爐瞠壓力≤20Pa,試驗時間≥6 小時,使用液化石油氣作燃料,其中試驗爐體為固定設(shè)罝,用鋼框安裝試件兼作爐門,可拆裝移動,通過吊機運至爐前。見圖1。
圖1 試驗爐正面簡圖
試驗爐運用自動控制系統(tǒng)取代人工控制,具有操作方便人機介面友好、控制精度高、實驗數(shù)據(jù)采集及時準確等優(yōu)點,達到模擬火災(zāi)時的升溫過程和對試件進行耐火極限試驗?zāi)康摹?/p>
試驗爐的升溫設(shè)計按照國家GB/T9978-2008 標準曲線進行,見圖2。試驗設(shè)備主要包括:試驗爐本體、燃燒裝置、燃氣供應(yīng)系統(tǒng)、試驗爐自動控制系統(tǒng)、其它控制系統(tǒng)、上位計算機及操作軟件(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 試驗爐升溫時間曲線
包括一套鋼制結(jié)構(gòu)框架、爐墻體、爐門、操作平臺、燃氣、助燃空氣輸送管道,閥門儀表、執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)等,爐墻采用標準高鋁輕質(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 支燃氣噴槍,12 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等。
試驗爐燃燒配備共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點火,配有專用燃燒監(jiān)控裝置,采用擴散式燃燒方式,在噴嘴出口配有異形碳化硅通孔磚,作空氣與燃氣預(yù)混合燃燒通道。
瓶裝液相液化氣使用時運至現(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)一級減至10~15kPa 送入設(shè)備供氣主管道,使用時由二級減壓至2500~3000Pa,再細過濾并穩(wěn)壓后供給試驗爐使用。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,對燃氣壓力進行測控,滿足安全和工藝需要。
擬采用系統(tǒng)整體失誤風險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象,將數(shù)據(jù)實時報上位計算機處理并接收其指令,對試驗爐自動控制。見圖3。
圖3 試驗爐自動控制系統(tǒng)示意框圖
2.4.1 燃燒裝置點火運行控制
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 個智能溫控儀表和1 支熱電偶操控2 臺噴槍的助燃空氣調(diào)節(jié)閥開度),共分8 組﹙余下四支熱電偶只作測量用﹚。每支噴槍配有點火燃燒監(jiān)控裝置、助燃空氣﹙自/手﹚動調(diào)節(jié)閥、空燃比例閥、燃氣電磁通斷閥等裝置。燃燒裝置在噴槍點火時,采用計算機控制界面手動方式,啟動助燃空氣鼓風、爐內(nèi)引風機以維持爐一定爐膛負壓,此時燃氣、助燃空氣管道壓力必須穩(wěn)定在設(shè)定范圍之內(nèi)。計算機給點火命令之后,智能溫控儀表少量打開噴槍前助燃空氣調(diào)節(jié)閥,同時使燃氣管道上的空燃比例閥按比例開度,PLC(程控器)依設(shè)定程序向點火監(jiān)控裝置、邏輯電柜送出控制信號,打開對應(yīng)噴槍的燃氣電磁閥接通空燃比例閥燃氣,由點火監(jiān)控裝置輸出﹙數(shù)秒﹚高電壓至噴槍點火棒點火并驗證點火﹙點火監(jiān)控裝置反饋的噴槍點火、運行、熄火信號﹚是否有效,如未能點燃或熄火,則送熄火信號關(guān)閉燃氣電磁閥,并鎖定再次點火時間間隔,防止因無效點火過多引起燃氣入爐而積聚,在重新點火時發(fā)生爆炸。當8 組LPG 噴槍點火依設(shè)定的順序點燃火后,試驗爐按既定控制程序和升溫曲線執(zhí)行。
2.4.2 爐溫的測控
試驗運行時,各組智能溫控儀表依計算機要求,用執(zhí)行機構(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爐升溫。爐內(nèi)測溫熱電偶輸出信號送智能儀表接收,信號經(jīng)3 秒/次、5 次采集順延平均值后,由A/D 轉(zhuǎn)換顯示﹙與此同時將運行狀態(tài)信號送計算機顯示記錄且指令﹚,計算機按照各點采集反饋溫度,計算平均溫度,與既定標準升溫曲線對照,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)與實際爐內(nèi)采集溫度比較,計算出溫度偏差后,用PID 調(diào)節(jié)方法追蹤,輸出電流信號控制執(zhí)行機構(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,實行閉環(huán)反饋控制。
2.4.3 爐內(nèi)壓力測控
試驗爐運行時,爐壓由所選的壓力傳感器送出電流信號給智能壓控表接收,經(jīng)3 秒/次,5 次采集順延平均值后由A/D 轉(zhuǎn)換顯示﹙同時將運行狀態(tài)信號送計算機顯示記錄﹚,計算機按照采集反饋壓力與控制標準對照并記錄,智能壓控表按計算機指示數(shù)值輸出電流信號控制引風機調(diào)頻器,調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速改變爐壓力,實行閉環(huán)反饋控制。
2.4.4 試件背火面溫度檢測判定
按標準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,采集速率1~10 秒/次,﹙時間可修改﹚5 次采集順延平均后,計算平均溫度值,顯示各溫度數(shù)值并輸出標淮數(shù)字信號,經(jīng)Rs485/232 轉(zhuǎn)換傳計算機顯示記錄。
2.4.5 其它控制系統(tǒng)
試驗安全、工藝上要求聯(lián)鎖控制通常包括以下功能:
⑴燃氣壓力高、低超限聯(lián)鎖(燃氣電磁總閥)保護、報警;
⑵氣化房液化燃氣壓力低于0.15MPa 和泄漏達危險濃度時發(fā)出警報;
⑶引風機、鼓風機(跳閘)斷電時即關(guān)閉燃氣主閥、助燃空氣壓力不足報警;
⑷引風機開啟后須延時2min 才能開動鼓風機,待燃氣壓力在上下限設(shè)定值時,才能開啟燃氣總閥,總閥開啟1min 后點火器才可通電控制點火;
⑸設(shè)定引風機在燃氣總電磁閥、鼓風機關(guān)閉之后,才能延時關(guān)閉;
⑹投入自動執(zhí)行升溫曲線運行時,若噴槍熄火,系統(tǒng)鎖定用手動方式對應(yīng)控制執(zhí)行機構(gòu),手動調(diào)節(jié)助燃空氣閥的百分比開度返回點火狀態(tài)才能點火;
⑺試件背火溫度超限時發(fā)信報警;
⑻爐膛超溫、超壓、風機排煙超溫時報警等;
⑼所有動力控制均有(就地/遠程)切換開關(guān),且在操控電柜上可方便切換。
試驗安全、工藝要求聯(lián)鎖動作,控制要求指令主要來自計算機,由PLC(控制器)執(zhí)行已既定的程序(必要時可通過計算機修改),通過過程調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。
2.4.6 計算機及操作軟件
計算機和操控電柜置于試驗爐主控制室內(nèi),通過帶隔離保護型RS232/485 與各智能儀表、顯示溫度壓力儀表及PLC(程控器)通迅,隨時檢測通迅各點情況。運行參數(shù)采集后,對需要控制部分,依據(jù)設(shè)計軟件優(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)、信號處理,對操控整個系統(tǒng)起監(jiān)視、決策作用??刂栖浖蠡緝?nèi)容:
⑴顯示正面試驗?zāi)M板、熱電偶、噴槍、鼓、引風機,自動點火器等運行狀態(tài),實時顯示試驗過程中的各類工藝參數(shù)狀態(tài),設(shè)有各組燃燒器點火、鼓、引風機,燃氣總閥啟閉按鍵,火焰運行狀態(tài)監(jiān)視,有爐膛溫度壓力超限、燃氣、助燃空氣壓力超壓、欠壓、熄火故障、等報警顯示功能;
⑵顯示記錄(所有參數(shù)記錄30S/次)試驗爐升溫運行過程中的各單點、平均爐壓及溫度、試件背火面各單點、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可按要求對升溫曲線、爐壓控制程序進行設(shè)定命名并儲存調(diào)用;⑷記錄顯示與系統(tǒng)各點通迅狀態(tài),故障顯示報警;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)庫能長期儲存歷史數(shù)據(jù)供隨時打印調(diào)用。
試驗爐研制后,經(jīng)過調(diào)試,自動控制、采集系統(tǒng)經(jīng)過二年時間不斷地對建筑材料構(gòu)件進行耐火極限試驗,符合《建筑構(gòu)件耐火性能試驗方法》GB/T9978-2008 要求,達到國內(nèi)先進水平,且運行狀況穩(wěn)定。