全封闭燃气自动加热耐火试验炉的研制

全封闭燃气自动加热耐火试验炉的研制【摘要】为测试防火门、防火窗等建筑防火分隔设施的耐火极限，按照GB/T7633标准的技术要求，设计了全封闭式燃气自动加热炉。该装置采用全封闭炉型设计，以液化石油气为燃料，进行明火加热，通过自动或手动控制燃气供给、送排风系统达到燃烧过程温度的同步，其自动化程度、升温曲线与标准曲线拟合度、安全系数均满足标准要求。【关键词】全封闭建筑构件自动加热炉耐火试验建筑火灾的日益增多，使得人们对建筑防火分隔设施在火灾中的防火作用愈来愈重视。利用建筑构件燃烧试验装置研究其耐火性能是采用的主要手段之一。建筑构件的耐火性能是以建筑构件耐火极限来表示的，是指在标准耐火试验条件下，建筑构件、配件或结构从受火的作用时起，到失去稳定性、完整性或隔热性时止的这段时间。建筑构件耐火极限的大小是建筑物防御火灾的能力表现，是研究建筑结构耐火性能的重要手段。本文的建筑构件燃烧试验装置采用全封闭设计，专门用于防火门、防火卷帘、防火窗等燃烧试验，通过增加相应的辅助设备可以开展消防风机、通风管道、防火阀等相应的检测工作。1试验装置的基本原理全封闭燃气自动加热炉是模拟防火门等建筑构件在实际火灾情况下耐火性能的试验装置，按照国际标准人为制造一种标准环境对建筑构件进行燃烧试验，通过设置在炉内、试验样品背火面的热感应元件和辐射计来记录炉内、试验样品的升温过程，通过观察试验样品在规定时间内的热稳定性、完整性和隔热性的状况，从而确定试验样品所能达到的耐火时间，判定其耐火极限，通过研究受火构件温度场的发展变化过程，为建筑构件抗火灾设计提供科学依据。2创造性的关键技术（1）采用多种耐火材料，解决了试验过程中频繁升降温及长时间高温环境下工作对燃烧炉安全性的要求。（2）采用全封闭式炉体，空气供给量根据燃烧需要自动调节，下排风出口设计，燃烧温度均匀，便于废气处理。（3）采用液化气作为燃料，根据GB/T7633升温曲线研制燃烧装置温度自动控制系统，实现标准所需炉内温度、压力等参数要求。（4）采用燃气控制系统，远传压力表对气源压力进行控制，通过控制程序采取限制措施，增加了装置使用安全。（5）采用检验监控系统，对试验过程中的参数传输、试验过程等方面进行监控。3技术关键问题的解决3.1炉体材料选用加热炉通常工作在1000℃左右，炉体受连续高温工作、频繁升降温、燃烧试验产生大量废气等诸多不利情况影响，故炉体材料的选用直接影响到燃烧炉的使用寿命，不当材料的使用甚至会造成炉体变形和炸裂，带来安全隐患。因此炉体材料主要依据以下几方面进行选用：（1）材料要有较好的耐高温性，可在一定高温、一定时间条件下保持良好稳定性。（2）材料具有较高的高温荷重软化温度。（3）材料具有抗热震性。材料应具有抵抗温度急剧变化的性能。（4）材料具有高温体积稳定性。防止材料受热时膨胀，对试件产生载荷，给检测带来误差。（5）材料具有耐侵蚀性，能够抵御燃烧产生的各种废气的侵蚀。（6）材料具有较低的导热系数和热容，有效地降低加热炉的热效率，减少加热炉的燃料消耗量，降低试验成本。炉体各部位组合使用的耐火材料如表1所示。加热炉是用于建筑构件耐火等级试验的，其本身经济效益指标也是考虑其实用性的一个重要方面，由于该设备采用了燃气系统自动控制，燃烧效率有了很大提高，结合多种炉体材料配合使用，其节能效果明显提高。3.2炉型及送排风设计3.2.1炉型设计本装置选择全封闭式垂直结构，试验装置由“[”型固定模块和“I”型轻质活动模块组成，根据GB/T9978.1《建筑构件耐火试验方法》中对试件尺寸提出的要求，确定固定模块尺寸为3.7m×3.0m×3.5m，活动模块尺寸为2.9m×3m。“[”型固定模块的三面墙体上共布置20个燃烧器、5个炉内温度测温点、3个静压力测量点。其中两个短边墙上均匀分布5个燃烧器，正面墙体上均匀分布10个燃烧器。温度测温点采用丝径为0.75mm～1.50mm、精度小于15℃的热电偶，每个测温点距离试件的受火面100mm。炉内各点温度与平均温度随时显示在控制台的温度显示器上。压力测量点分布在靠近试件侧面的一条竖向轴线上，分别在试件的顶边、底边及试件三分之一高度的位置。加热炉内燃烧温度控制示意图如图1。3.2.2送排风设计加热炉内的燃烧需要供给相应的空气量来助燃，同时燃烧后的废气需要有效的排出。按标准时间--温度曲线的要求，在不同的燃烧时间，燃烧温度不同，需要的燃气量、空气量、排风量也不同，在上述参数不断变化的同时，要满足加热炉在实验过程中102Pa的稳定压力。本装置的送排风系统由排烟风机、管道系统、微差压力变送器、调节气、排烟阀等装置组成，加热炉的送风按照燃烧所需的最大耗氧量设计，炉内压力控制则通过排风控制实现。通过测定炉内压差来自动控制炉内的送排风：炉内测压点测定试验炉内压力，通过微差压力变送器比较设定值与炉内实际压力值，控制系统示意图如下。本装置的排烟管道设在炉体内侧下部，分左右两支在燃烧炉后方合并成一根主烟道。加热炉在送排风系统及压力控制的设计上采用全封闭设计，强制送风可调，自动控制下排风，保持炉内压力稳定，燃烧温度均匀。同时主烟道内设排烟风机和调压阀，可有效排出废气，便于废气集中处理，更加符合环保要求。3.3燃烧过程控制3.3.1燃烧控制系统设计原理按照标准GB/T7633标准规定，耐火性能试验应采用明火加热，使试样受到与实际火灾相似的火焰作用，燃烧实验装置应满足以下升温条件：T-T0=345lg（8t+1）其中：t—试验所经历的时间，min；T—升温到t时间的炉内温度，℃；T0—炉内初始温度，℃。按照该试验过程，炉内温度的上升随时间而变化的时间-温度标准曲线如下。3.3.2燃烧过程的计算机控制为满足标准温度-时间曲线的要求，其燃气和送风设计要易于控制，满足初始时间升温速度快且炉内温度分布均匀的要求。本项目采用液化石油气作为燃料，燃烧系统供气利用计算机自动调节，控制系统根据国家标准GB9978对试件受火面的升温要求而设计，通过采集炉内温度及试件背火面的温度而准确判断试件的耐火性能。在各个控制系统的共同作用下，全封闭燃气加热炉的加热过程实现的温度、压力值完全符合标准要求。3.4燃气系统设计3.4.1燃气系统组成加热炉的燃气系统包括液化石油气钢瓶组、输气管道、管道保温系统、气化器、稳压罐、远程压力表、泄放阀、燃烧器以及点火装置等。燃气由液化石油气瓶组供应，通过气化器、稳压罐等安全保障系统保证燃气供应的稳定性。（1）燃气供应瓶组：本项目的燃气供给通过燃气瓶组实现。燃气供应瓶组的供气量按每樘防火门试验中的燃气使用最大量的三倍进行设计。（2）气化器：气化器气化能力按一次试验最大用气量设计，选用热水式气化装置，以水为加热介质通过电加热，由温度保持在60℃的水将液态的液化气加热成气态，工作稳定可靠，安全性强。（3）燃气安全保障系统：燃气供应安全保障系统由减压阀、稳压罐、压力报警装置组成，设于气化器和燃气安全阀组之间，主要用于气量气压调节，保证燃气安全，采用高低压报警方式，设计为低压0.08MPa和高压0.1MPa响铃报警。（4）燃气管道：燃气主管道按燃烧器最大用气量进行设计，尽量减少管道连接管件，避免因接头过多增加燃气泄漏的可能。同时，燃气管道和燃烧器之间采用耐高压不锈钢波纹管连接，并在接口处加装聚四氟平垫，保证连接口具有较好的气密性。为了保证低温下燃气恒压输出，整个管道保温系统除采用保温材料外还增加热水循环加热，热水温度保持在40℃左右。3.4.2燃气安全控制设计燃气安全控制上采用多道程序保证点火的安全性。具体程序如下：（1）燃气供应系统采用远程控制。保证压力恒定和气源充足，防止气源不稳对燃烧试验结果产生影响外，避免气源压力过低或过高引起的安全隐患。（2）点火前进行清扫炉膛的操作。在加热炉控制程序上增加了点火前的清扫程序，清除炉内可能存在的可燃气体，防止贸然点火时发生爆燃。（3）设置安全点火程序。在炉膛内设置常明火，并且采用手动点火和自动点火两种方式。连续三次，确认点火成功后方可进行燃烧器正式点火。（4）设置燃烧器燃烧情况监视器。在炉外设置监视器，检验人员通过显示屏可以直观地观察到常明火和燃烧器的点火及燃烧情况，并可以监视整个试验过程炉内燃烧情况，当常明火和燃烧器出现不燃烧、燃烧不正常等情况时操作人员可以立即采取处置措施。（5）在控制程序上采取了限制措施。如常明火不点燃程序无法继续进行，防止误操作或在常明火没点燃的情况下进行燃烧试验。另外在每个燃烧器上还设置了小型长明火，燃烧器点燃时先点燃小火再点燃燃烧器，保证每个燃烧器都能准确点燃。3.5监控系统设计3.5.1检验过程监控3.5.2安全监控通过安全监控系统，可以有效监视试验装置内部火焰、气流和异常状况，便于及时发现和处理安全隐患，减少检测事故，降低事故的严重性。减少偶然事件、操作失误及恶劣气候对检测的影响。4结语全封闭燃气自动加热炉，其自动化程度、升温曲线与标准曲线拟合度、安全系数满足标准检验要求；解决了燃气