陳俊

（廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司）

1 試驗爐作用及性能

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>

2 試驗爐主要設(shè)備

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

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、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。

2.2 燃燒裝置

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。

2.3 燃氣供應(yīng)系統(tǒng)

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。

2.4 試驗爐自動控制系統(tǒng)

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。

3 結(jié)語

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。