侯 東 劉曉圣 姬 軍 王廣克 聶京凱

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司， 北京 100032)

換流站是電力系統(tǒng)重要的組成部分，若發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重影響居民的日常生活，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)外曾發(fā)生過(guò)多起換流站火災(zāi)，如2019年泉城換流站火災(zāi)造成1死2傷，同年的沂南換流站火災(zāi)造成變壓器及設(shè)備被燒毀損壞，而一些具有防火封堵的電廠，即使發(fā)生火災(zāi)，損失也會(huì)減少，如1994年北京石景山電廠火災(zāi)，電纜隧道全部燒毀，但是地面控制設(shè)備卻完好無(wú)損；2004年重慶電信大樓火災(zāi)，一樓二樓完全過(guò)火，但是移動(dòng)通信機(jī)房卻幸免于難[1]。鑒于此，國(guó)內(nèi)外均制定了防火封堵材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)防火封堵材料進(jìn)行了大量研究。Ackerman研究了阻火貫穿件和多種密封劑的特性，結(jié)果表明使用滲透劑可以使試件在火災(zāi)中保持剛性[2]；Nam通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)防火貫穿件可以防止火災(zāi)的擴(kuò)散以保持防火封堵墻和地板的完整性[3]；Marsden等研究了一種新型的可應(yīng)用于PEX和PEX-AI-PEX管道的阻火器，結(jié)果表明：PEX和PEX-A1-PEX管在室溫下的性能相似，但在高溫下的性能差別很大，PEX-Al-PEX管道在高溫載荷下更易破碎[4]；鐘偉華考慮到換流站內(nèi)部的電磁環(huán)境，將新型材料應(yīng)用于換流站內(nèi)部的電纜屏蔽和防火封堵，結(jié)果表明新型的防火封堵模型可以有效地屏蔽電磁場(chǎng)，并穩(wěn)定換流站內(nèi)部的磁場(chǎng)，具有封堵效果好，施工方便等特點(diǎn)[5]。Sun提出了防火封堵技術(shù)的綜合應(yīng)用，以新型防火封堵片為代表，介紹了防火封堵產(chǎn)品的現(xiàn)狀，并進(jìn)行了原因分析，最后從產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品選擇和施工應(yīng)用四個(gè)方面提出了相應(yīng)的建議，試圖為解決防火封堵問(wèn)題提供一些新的思路和方法[6]；張苗研究了防火封堵對(duì)抑制火焰?zhèn)鞑サ淖饔?，利用FDS軟件模擬了不同寬度、不同位置防火封堵下幕墻保溫系統(tǒng)的火災(zāi)蔓延情況,討論了防火措施和抑制火焰?zhèn)鞑サ挠行院涂尚行?并提出了最優(yōu)的防火構(gòu)造組合[7]；朱輝利用ANSYS軟件對(duì)防火密封墻進(jìn)行了熱分析,通過(guò)分析溫度場(chǎng)、熱通量和溫度梯度等主要熱力學(xué)參數(shù)得出了更為優(yōu)秀的防火墻結(jié)構(gòu)[8]?；趪?guó)內(nèi)外的研究，本文采用ANSYS 軟件對(duì)HC標(biāo)準(zhǔn)溫升條件下的單層及多層不同厚度復(fù)合夾芯板的防火性能進(jìn)行了研究，得到了各防火板背火面的溫升曲線及耐火極限，提出新的耐火性能高、可用于換流站的防火封堵的復(fù)合夾芯板。

1 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

1.1 模型及邊界條件

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性，選取文獻(xiàn)[9]中的單面受火條件下的巖棉夾芯板溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，所用模型如圖1所示。

a—文獻(xiàn)[9]中的模型； b—本文模型； c—局部網(wǎng)格。Ls為巖棉板表面包被的鋼板厚度；Lg為巖棉板厚度；T1,T2均為巖棉板與鋼板夾層面的溫度。

考慮瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程，采用熱源為ISO 834的標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線：

Ts(t)=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中：Ts(t)為t時(shí)刻的溫度；T0為初始溫度；t為時(shí)間。

其他熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 熱力學(xué)參數(shù)

鋼板及巖棉接觸面間的熱傳導(dǎo)系數(shù)λ采用式(2)計(jì)算：

(2)

式中：λs和λc分別為鋼板及巖棉的熱傳導(dǎo)系數(shù)，J/(kg·K)。

1.2 結(jié)果對(duì)比

圖2為本文和文獻(xiàn)[9]數(shù)值模擬得到的背火面溫度對(duì)比。可知：兩者升溫曲線趨勢(shì)一致，最大誤差為8.37%，吻合度較高，說(shuō)明本文的數(shù)值模擬方法是正確的。產(chǎn)生誤差的主要原因在于兩者使用的巖棉板的熱工參數(shù)的差別。本文是針對(duì)換流站進(jìn)行數(shù)值模擬，所以采用的是換流站防火封堵材料常用的熱工參數(shù)值，如表2所示，而文獻(xiàn)[9]所用熱工參數(shù)為建筑常用值，即巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.035+0.000 16T，比熱容為1 030 J/(kg·K)，密度為120 kg/m3。

圖2 背火面溫度對(duì)比

2 計(jì)算模型及邊界條件

選用巖棉、硅酸鋁針刺毯、ALC(加氣水泥)板等材料進(jìn)行換流站封堵防火板的設(shè)計(jì)。為了加固組合防火板，選用碳鋼作為組合板的表面;為了更好地理解組合板各板交界面處的溫度變化，也對(duì)碳鋼進(jìn)行了耐火極限的分析。所有板的長(zhǎng)度×寬度均為1 m×1 m，厚度和組合方式如表3所示，密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物理參數(shù)如表2所示。耐火極限定義為背火面溫度任一點(diǎn)超過(guò)該點(diǎn)初始溫度180 ℃時(shí)，便可以認(rèn)為構(gòu)件失去隔熱性，達(dá)到其耐火極限。

表2 材料熱力學(xué)參數(shù)

表3 不同材料隔熱板厚度

3 仿真結(jié)果分析

3.1 單層板耐火極限

巖棉、硅酸鋁針毯、碳鋼、ALC四種材料單板背火面的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示?？芍间搶?duì)于熱量的阻隔效果最差，2 743 s便達(dá)到了耐熱極限，且后續(xù)背火面溫度上升和時(shí)間呈現(xiàn)出線性關(guān)系，升溫較快，不適合作為防火板的主要材料。

圖3 四種材料的背火面溫度隨時(shí)間的變化曲線

巖棉材料在2 935 s達(dá)到了耐火極限，與鋼板不同的是，巖棉板在后續(xù)的加熱中溫度上升趨勢(shì)逐漸變緩，經(jīng)過(guò)3 h的加熱，背火面溫度最終達(dá)到283 ℃。

ALC與硅酸鋁材料的耐火性能最好，到達(dá)耐火極限時(shí)都達(dá)到8 000 s以上，并且經(jīng)過(guò)3 h的加熱，ALC與硅酸鋁板的背火面最高溫度分別為185.65 ℃與190.77 ℃。二者從整體升溫趨勢(shì)來(lái)看，硅酸鋁的溫度均在ALC之上，但是硅酸鋁的升溫趨勢(shì)較為平緩，而ALC板的溫升曲線斜率更大且在3 h加溫結(jié)束時(shí)二者溫度比較接近，可以預(yù)期在更長(zhǎng)時(shí)間的加熱中ALC板的耐火性能可能會(huì)低于硅酸鋁板。

ALC板在安裝與運(yùn)輸中很容易損壞，使得ALC板在作為防火板使用時(shí)，受到很大的局限，又因?yàn)锳LC板一旦出現(xiàn)破損，后續(xù)的修補(bǔ)非常容易脫落，這給后期防火板的維護(hù)造成了很大的難度，所以硅酸鋁材料是換流站隔熱板的理想材料。又由空氣的導(dǎo)熱系數(shù)極小可知，在理論上多層夾芯板在相同厚度下的隔熱性能要強(qiáng)于單一固體材料制成的隔熱板。所以本次最終選用多層夾芯板作為隔熱板進(jìn)行研究。采用硅酸鋁作為夾芯板的主要材料進(jìn)行不同條件下的防火性能研究。

3.2 空氣層厚度對(duì)夾芯板耐火極限的影響

對(duì)于多層夾芯板的熱力學(xué)模擬，首先固定兩側(cè)硅酸鋁的厚度，通過(guò)改變中間的空氣層厚度來(lái)觀察空氣層厚度對(duì)夾芯板耐火極限的影響，模擬結(jié)果如圖4所示?？芍郴鹈鏈囟入S著空氣層厚度的增大而減小，其中只有空氣層厚度為20 mm厚時(shí)，夾芯板于9 543 s到達(dá)耐火極限180 ℃。

圖4 不同空氣層厚度夾芯板背火面的溫度隨時(shí)間的變化

圖5給出了背火面溫度隨空氣層厚度的變化曲線?？芍?二者呈線性關(guān)系,并滿足關(guān)系式:

圖5 背火面溫度隨空氣層厚度的變化曲線

T=197.2-0.87x

(3)

式中：T為背火面溫度,℃;x為空氣層的厚度，mm。

為了更深入地研究夾芯板中空氣層對(duì)背火面溫度的影響，圖6給出了夾芯板各個(gè)交界面處的溫度曲線。

圖6b為1 mm厚鋼板面與硅酸鋁間夾層的溫度?？芍?，升溫曲線與環(huán)境升溫曲線基本相同。這是由于鋼板導(dǎo)熱性能良好，且厚度僅為1 mm，對(duì)溫度傳導(dǎo)影響非常低。

圖6c為硅酸鋁與空氣層的夾層的溫度，即經(jīng)由厚度為40 mm的硅酸鋁到達(dá)空氣層時(shí)的溫度?？芍獪厣€的趨勢(shì)與溫差值都很小。

a—交界面標(biāo)號(hào)； b—交界面1； c—交界面2； d—交界面3； e—交界面4。

圖6d為溫度經(jīng)由空氣層到達(dá)硅酸鋁面時(shí)的溫度，各夾芯板的溫差主要出現(xiàn)在這個(gè)夾面?？芍嚎諝鈱釉胶?，升溫越慢；加溫3 h后，空氣層厚度為50 mm的防火板升溫到570.48 ℃；空氣層厚度為20 mm的防火板升溫到675.43 ℃，兩者溫差為104.95 ℃。

圖6e為熱量穿過(guò)第二層硅酸鋁到達(dá)鋼面的溫度?？芍寒?dāng)空氣層厚度為20,30,40,50 mm的夾芯板時(shí)，這一層的最終溫度分別由交界面3的675.43，638.44，602.27，570.48 ℃降到187.95，175.98，166.96，159.04 ℃。此層降溫效果最大，對(duì)比第一層硅酸鋁的降溫情況，最后一層降溫如此之大的原因是，第二層硅酸鋁的加熱面所受溫度較小，升溫時(shí)間較第一層硅酸鋁有滯后，所以溫度下降得多。因此，對(duì)于復(fù)合夾芯板來(lái)講，硅酸鋁厚度相等時(shí)，背火面溫度隨著空氣層厚度的增大而減小，夾芯板組合方式中厚度為1-40-50-40-1時(shí)的耐火性能最好。

圖7給出了不同空氣層厚度的夾芯板在加熱3 h后的溫度分布。由圖7可以較為直觀地看出各層上的溫度分布。即溫度基本上都集中于迎火面一側(cè)的硅酸鋁板上，經(jīng)過(guò)空氣層時(shí)溫度會(huì)急劇下降，體現(xiàn)出多層夾芯板較單層板在相同厚度下有更強(qiáng)的隔熱能力。

a—1-40-20-40-1； b—1-40-30-40-1； c—1-40-40-40-1； d—1-40-50-40-1。

3.3 硅酸鋁厚度對(duì)夾芯板耐火極限的影響

圖8給出了相同空氣層厚度、不同硅酸鋁厚度夾芯板背火面溫度隨時(shí)間的變化情況?？芍?，硅酸鋁的厚度為30 mm時(shí)，加溫9 372 s時(shí)背火面溫度達(dá)到耐火極限值180 ℃，其余各厚度均未達(dá)到耐火極限。

圖8 相同空氣層厚度、不同硅酸鋁厚度夾芯板背火面溫度隨時(shí)間的變化

為了進(jìn)一步分析硅酸鋁厚度對(duì)溫度的影響，依然給出夾芯板各個(gè)交界面處的溫度變化曲線，如圖9所示。可知：不同硅酸鋁厚度時(shí)，前三層的溫差較小。由此可見(jiàn)，對(duì)于固定空氣層厚度時(shí)，第二層的硅酸鋁厚度對(duì)于背火面的溫度影響更大。

a—交界面1； b—交界面2； c—交界面3； d—交界面4。

4 火燒試驗(yàn)

由第3節(jié)的仿真結(jié)果可知，多層夾芯板組合方式為碳鋼-硅酸鋁-空氣-硅酸鋁-碳鋼，當(dāng)厚度分別為1，40，50，40，1 mm時(shí)的耐火性能最好，其加熱3 h后的溫度為153.7 ℃。為了測(cè)試其是否滿足耐火極限要求，進(jìn)行了火燒試驗(yàn)。相比于給定多層夾芯板受火面的HC標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，火燒試驗(yàn)時(shí)，受火面的溫升更快，對(duì)材料的耐火性能要求更高。

4.1 試驗(yàn)裝置

由于氣體燃料可以任意調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需的熱釋放速率，故選取丙烷作為燃料[10]，用多孔氣體燃燒器模擬火源，燃燒器尺寸為0.1 m×0.1 m。試驗(yàn)中所需要的燃料由丙烷燃料罐供應(yīng)，并由氣瓶閥門控制以供給燃料，丙烷減壓閥安裝在氣瓶出口處以控制試驗(yàn)過(guò)程中的丙烷壓力。燃料的質(zhì)量流量由質(zhì)量流量計(jì)控制，可根據(jù)試驗(yàn)中需要的熱釋放速率來(lái)調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)的大小。

采用K型熱電偶來(lái)測(cè)量夾芯板受火面及背火面各節(jié)點(diǎn)的升溫過(guò)程。熱電偶由重金屬材料鎳鉻鎳鋁和鎳鉻鎳硅組成，其測(cè)溫范圍為-200～1 300 ℃。試驗(yàn)用多層夾芯板如圖10所示，熱電偶布置及數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖10 多層夾芯板

圖11 熱電偶布置及數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

1)首先進(jìn)行相同尺寸板的火燒預(yù)試驗(yàn)。多次調(diào)節(jié)丙烷供氣的質(zhì)量流量，使燃燒火焰盡量均勻地分布在板表面，且實(shí)時(shí)觀測(cè)板表面熱電偶讀數(shù)，使受火面溫度達(dá)到1 100 ℃，如圖12所示。

圖12 火燒試驗(yàn)

2)把板換成圖10中的多層夾芯板，使用1)中調(diào)節(jié)好的火源功率，開(kāi)始進(jìn)行夾芯板的火燒試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受火面各節(jié)點(diǎn)的溫度。

3)持續(xù)燃燒3 h，測(cè)定夾芯板背火面的溫度變化數(shù)據(jù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖13為夾芯板背火面升溫曲線?？芍?，火燒試驗(yàn)中得到的背火面的溫度快速升高到最高值后，在最高值附近有微小的波動(dòng)。這是因?yàn)榛馃囼?yàn)中火焰蔓延需要一段時(shí)間，所以溫度有個(gè)上升段；當(dāng)火焰擴(kuò)散至整個(gè)受火面之后，燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài)，受火面的溫度在平均值附近做微小波動(dòng)，所以背火面的溫度也在平均值附近做微小波動(dòng)。由火燒試驗(yàn)得到的背火面的最高溫度為165.9 ℃，小于180 ℃，滿足耐火極限，故符合設(shè)計(jì)要求。

圖13 夾芯板背火面溫升曲線

5 結(jié) 論

1)對(duì)單層ALC、碳鋼板、巖棉板以及硅酸鋁板，其耐火性能由大到小排列為:ALC板、硅酸鋁板、巖棉板、碳鋼板；

2)當(dāng)硅酸鋁厚度相等時(shí)，空氣層夾層的厚度對(duì)于背火面的溫度起決定性作用；

3)當(dāng)空氣層夾層的厚度相等時(shí)，前幾層對(duì)于溫度的影響并不大，最后一層硅酸鋁的厚度對(duì)于溫度影響最大；

4)對(duì)夾芯防火板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加大空氣層的厚度，并且可以嘗試設(shè)計(jì)夾層厚度不一的防火板，以在厚度一定的情況下，最有效地增強(qiáng)防火板的隔熱效能。