消防排烟风机综合性能测试平台设计

2018-07-03邱金水李正昊

造船技术 2018年3期

梁勇，邱金水，李正昊

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033)

0 引言

在舰船发生火灾的情况下，排除火灾烟气最常用的方法是机械排烟，需依靠排烟风机来实现。在舰艇防排烟系统中，消防排烟风机是一种有组织地往舱室内送入新鲜空气或排出舱内火灾烟气的输送设备，也可用于其他灾害场合送风、排气、排毒、稀释有毒有害气体等，是机械防排烟系统和加压送风系统中必不可少的部分，在防排烟系统中起到至关重要的作用[1]。

随着科技、生产的发展，火场排烟也在向着装备专用化、多样化，高技术含量，设计人性化等方向发展。消防类排烟风机作为量大面广的消防设备产品，其性能的优劣和可靠性关系到火灾发生时的防火与排烟有效性，关系到生命财产安全[2-3]，因此搭建一个消防排烟风机综合性能测试平台对火灾高温环境下排烟风机的排烟性能进行测试与评估显得尤为重要。

20世纪80年代初，机械排烟法被人们重视起来，排烟风机的使用因此得到推广，促进了消防排烟风机的发展。由于传统风机测试方法主要依赖人工手动测试，风机的工况调整、性能数据的采集与分析以及特性曲线的绘制一系列试验过程缺乏自动化，因此以往的测试方法会导致测试的精度低、效率低、可靠性差且浪费人力、物力。近年来，随着计算机技术、传感器技术以及数字集成电路的快速发展，风机性能试验进入了自动化、智能化的新阶段[4]，同时为提高舰艇火灾事故应急能力与排烟消烟效率，本文结合现有的研究成果与设备基础，介绍一种消防排烟风机性能综合测试平台的搭建设计方案，该测试平台可以对移动式消防排烟风机的关键特性参数进行测试与评估，实现测试过程的现代化、自动化。

1 风机性能参数

排烟风机的工作环境一般是火灾高温条件下，因此需要测量高温环境下的风量、转速、风压、功率、效率和耐高温性等。

1.1 风量

风量(即排烟量)通常采用体积流量，指消防排烟机在标准大气下单位时间所能输送的气体体积。

1.2 转速

转速指风机叶轮每分钟的转动周数。消防排烟机的转速越高产生的风量和风压越大。

1.3 风压

风压包括全压、静压和动压。全压是指单位体积的流体经过风机后所获得的总能量，等于静压与动压之和。风压大小在一定程度上表示了消防排烟机的送风或抽风距离的远近。

1.4 功率

风机的功率包括有效功率、轴功率和内部功率。轴功率即输入功率，指单位时间内风机转轴从原动机上获得的能量。

1.5 效率

效率包括全压效率和内效率。全压效率为有效功率与轴功率之比，内效率为有效功率与内功率之比。效率体现了风机能量转换利用率。

1.6 耐高温性能

一般的风机只要在常规条件测试就能满足要求，而消防排烟风机的工作环境为火灾高温环境，因此对风机的耐高温性有较高的要求，需要排烟风机能在不低于280 ℃的气流环境下连续运转30 min且无异常。

2 性能参数测量方法

国家级检验中心主要依据GB 27901-2011《移动式消防排烟机》[5]、GA 211-2009《消防排烟风机耐高温试验方法》[6]等标准对相应的风机进行性能质量检测。由于舰艇防险救生通常配备使用的是移动式消防排烟机，因此重点对移动排烟机的产品标准和检测情况进行分析，并重点解决空气动力性能与耐高温性。

2.1 风量的测量

按消防排烟机标准的规定，风量的测量应按照GB/T 1236-2017《工业通风机用标准化风道性能试验》[7]中规定的2种方法：GB/T 2624《流量测量节流装置——用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量》；ISO 3966《封闭管道中流体流量的测量——采用皮托静压》。另外，GB/T 1236-2000中还规定在保证空气流动无涡流的情况下，也可采用横动法(上述2种方法的简化方案)及使用管路内流量计的方法。其中，管路内流量计可以使用文丘里管、孔板、锥形进口和进口喷嘴，通过管路内差压流量计测量流量。横动法是在管道的数个位置上测量就地速度，采用积分法，以求得管道内的平均速度，在横向平面内测量管道的截面积并计算流量，在标准化风道内应使用符合ISO 3966要求的皮托静压管。

2.2 耐高温性能的测量

根据移动式消防排烟机标准，耐高温性能试验应遵循GA 211-2009《消防排烟风机耐高温试验方法》。GA 211规定了耐高温试验炉的具体要求，且必须在满足要求的设备中进行耐高温测试。具体为：耐高温试验炉需具备控制通过消防排烟风机的气流温度的能力，使之能够在 150 ℃～600 ℃(±15 ℃)内的任一设定值上保持恒定，并在点火后2 min内，炉内温度能确保升至选定的标准温度。试验炉内部尺寸应不小于3 000 mm×3 000 mm×4 500 mm，保证有足够大的试验空间，使得消防排烟风机能在规定尺寸的风洞内测试高温状态下的空气动力性能。高温状态下消防排烟风机的流量、压力、全压效率按照GB/T 1236-2000 中规定的方法进行，选用的试验装置为按照GB/T 1236-2000中18.2节处规定的装置。

消防排烟风机在耐高温试验过程中，需要通过调节电动调节阀叶片的启闭状态(模拟纸贴片)来控制风机的风量，以便测量排烟风机在高温环境下的空气动力性能，流量、压力和全压效率按照GB/T 1236-2000 规定的方法进行测量；风机的振动按照JB/T 8689-1998 规定的方法进行测量。

3 测试平台搭建设计方案

测试平台的搭建主要针对移动式消防排烟风机的性能测试，主要功能模块及设备有：空气动力性能测试装置和高温运转试验装置。

通过分析测试项目的特点与需求(检测的消防排烟风机直径为400 mm)，加之试验场地空间的限制，对测试平台进行综合优化设计，将2种试验装置的功能进行整合，以节省资金和占地面；另一方面拓展和预留一些试验功能，以提升本平台的测试能力和试验水平。

消防排烟风机综合性能试验系统主要包括：耐火试验垂直炉、燃烧控制部分、燃气气化和减压系统、压力释放和压力测量系统、烟气排放系统、计算机控制系统、样品试验架(消防排烟风机、通风管道)各1套、气体流量测量系统、温度测量系统(炉温数据采集系统、试验构件温度采集系统)及专用试验软件。

3.1 平台硬件设备

(1) 耐高温试验炉。试验炉为垂直立式试验炉，炉内尺寸：2.5 m×2.5 m×2.5 m(长×宽×高)。如图1所示。

图1 消防风机试验平面图(定制)

炉体采用内外5层结构，内为1 300 ℃时，外层温度为常温。从外到里分别为：第1层为钢结构框架；第2层用红砖砌成外围；第3层为耐火高温石棉；第4层为耐火砖；第5层为莫来石耐火高温棉，耐火温度达到16 000 ℃。炉体不超过450 ℃。炉子的建造采用美国GOVMARK(哥马克)技术。

高压燃烧器内使用管道天燃气，流量为25～50 m3/h，并在点火失败和火焰熄灭时，燃烧器内的自动报警装置会发出警报；燃烧器配置相应的燃气调节阀和空气调节阀，可以自动调节空气和燃气的比例，使燃气能充分燃烧，达到最佳燃烧效果。炉内的喷火枪数量满足标准时间-温度曲线(见图2)要求，并保证炉内各点温度的均匀性。点火控制方式采用计算机程序自动高压电子点火控制方式。

图2 标准升温曲线

燃气管路和空气管路由电动执行器、蝶阀、空燃比例阀、二级减压阀、手动蝶阀、点火控制器、高低压力开关、燃气超压放散阀、气化炉、燃气气液分离器、一级减压阀、液相切换阀、燃气压力表、低压表、球阀、燃气泄漏报警器、不锈钢软管、燃气高压软管等组成。根据气源供应情况相应调整管路系统构成。

(2) 温度测量系统。温度测试及控制系统按照GA 211-2009标准进行设计:消防排烟风机迎火面的气流温度采用符合GB/T 16839.1规定的直径为2.0 mm的K型铠装热电偶(耐温1 300 ℃以上)进行测量：热电偶的热端超出不锈钢套管或瓷套管约25 mm，且均匀分布在距风机进气口100 mm的平面上，布置数量为12支，其测量端距管壁100 mm。热电偶所测温度取平均值即为试验温度。

标准试验温度为150～600℃内任一预先设定值，试验温度数值记录的时间间隔为10 s一次。

移动热电偶：1支，符合GB/T 9978.1-2008要求；采用手持红外线测量仪测量。

内部热电偶：4支，符合GB/T 9978.1-2008要求。

环境温度测量：采用直径为3.0 mm的铠装热电偶，符合GB/T 16839.1规定的大型镍铬-镍硅的K型热电偶。

消防排烟风机的气流温度：可在150 ～600 ℃内任一设定值保持恒定，且在点火后2 min内，炉内温度能升至设定的标准温度。

炉内温升曲线：每次最大燃烧持续时间360 min，最高温度1 300 ℃，温升曲线应按图2进行。

升温曲线公式为

T=345×lg(8t+1)+20

(1)

炉温平均性：热电偶采集温度与标准曲线差值<100℃，温升控制偏差量de满足如下要求，即

(2)

炉膛温度采集：选用K型铠装热电偶，不少于12个温度采集点。耐温1 300 ℃以上，炉温数据采集系统具有实时曲线、历史曲线存储功能，热电偶断路、短路报警功能，测量仪器的准确度。

测量温度：炉内 ±15℃；环境及背火面：±2.5 ℃；试验炉外表温度：常温；炉内压力：±3 Pa；流量：±2.5%；时间：±1 s/h；消防排烟风机压力：±3 Pa；消防排烟风机流量：±5%，符合GA 211-2009标准；消防排烟风机的振动：±5%。

2月16日，水利部与浙江省人民政府在杭州签订《贯彻落实中央1号文件共同推进浙江水利改革发展促进浙江海洋经济示范区建设的合作备忘录》。双方将共同落实好合作备忘录确定的各项任务，共同推进浙江水利跨越式发展。

(3) 压力测量系统。炉内压力测量：测量范围0～100 Pa;采用美国进口微差压力计，为T形测量探头，测量精度±0.5 Pa。共3个，测量时压力计距离试验炉口约100 mm，安装在炉内3 m高度，每隔1 min记录1次,记录设备准确度为1 s，数据采集为3次/s。微差压力计具有超压保护功能，炉内压力高于100 Pa执行程序超压保护，停止供气，终止试验；符合GB/T 9978.1-2008标准。

炉膛压力控制及数据采集，炉膛压力能保证根据各个标准要求与排烟系统组成控制回路进行实时控制。

T形测量探头：采用USU310S耐高温的不锈钢管，从炉内穿过炉墙到达炉外，炉内和炉外的压力保持同一水平高度。

压力变送器：美国阿尔法高精度压力传感器，共3个：1个置于理论地面100 mm范围内，1个置于门或卷帘高度三分之二处100 mm范围内，1个置于门或卷帘顶部100 mm范围内。测量压力值为阶梯压力值，顶部压力值试验开始5 min之内为15 Pa±5 Pa，10 min后为17 Pa±3 Pa。

(4) 压力释放系统

控制炉内的压力，依靠炉体壁后侧炉壁上的两个连接到排烟管道的排烟孔，可将炉体内的烟气排出。炉内送风和排风采用11 kW强力风机2组以及变频器进行控制，其风量大小由计算机程序自动控制以达到燃烧、压力和排烟的要求。

压力释放管路：在炉膛内的部分采用耐高温直径300 mm的USU310S不锈钢管，能耐高温1 300 ℃，在炉膛上开有手动阀用作风冷却。在炉膛外采用壁厚5 mm的焊管，在内设有14处水喷雾头用作水蒸气冷却。排出的烟气可降到60 ℃。

压力释放功率：采用AC380 V，15 kW耐高温的高压风机。

冷却方式：采用风冷和水蒸气2种同步冷却方式。冷却管路3 m左右，冷却效果非常好。

炉膛压力控制及数据采集，炉膛压力能保证根据以上各个标准要求与排烟系统组成控制回路进行实时控制。

观火孔：在炉体后侧壁设有观火孔，用来观察试验时试件受火面和火焰的情况。温度采集等必要措施。

燃气报警器：2个；用于燃气室和试验现场。

(5) 样品试验架。消防排烟风机耐高温样品试验架由集流器、电动风量调节阀、风机空气动力性能测试管道(标准化风道)、消防排烟风机、消防排烟风机的后连接管道以及消防排烟风机的测振仪传感器、流量、压力、温度、时间、全力效率的测量系统组成，如图3所示。

图3 高温状态下消防排烟风机空气动力性能试验管道连接示例

为形成一个热流循环，消防排烟风机耐高温样品试验架管道的出口与入口均与炉内相通；风机的前、后连接管道选用5.0 mm厚的不锈钢板制作。标准化风道的尺寸和形状满足GB/T 1236-2000的规定。

所有风管之间用法兰盘连接；标准化风道的尺寸规格为NO.4.0，前、后连接管道一套。风道均含有集流器、电动风量调节阀、温度测量、压力测量、流量测量、测振仪、整流栅、变径接头、风帽等设备。

(6) 烟气排放系统。在炉膛顶上装有锥形烟气收集塔，收集炉膛前试样试验时泄漏的烟气。收集烟气管道采用直径300 mm的管路，直接连通压力释放系统。

风机功率：15 kW，为高温强力引风机。

锥形收集塔：采用厚2.0 mm，USU304不锈钢板，用于燃烧烟气的收集与净化清理，保证试验场的环境安全。

(7) 计算机控制系统及数据采集。仪器配置：主体试验部分包括立式耐火炉、燃烧控制系统、排烟系统、炉温数据采集系统、试验构件温度采集系统、漏风量检测系统、排烟阀系统、排烟风机耐火性能系统的检测、排烟风机空气动力性能测试系统、控制电脑、检测设备专用软件。

控制系统硬件主要包括日本三菱PLC 1套、16位高精度采集卡通道为64个、温度变送模块60个。数据采集分析软件能基于OPC开放式，利于后续功能开发，以及数据采集的添加，包括：主控界面，炉温曲线界面，压力显示、试件温度界面，具有历史数据存储、查询等功能以及可转为Excel文档保存。同时，增加数据调取功能，可以加载以往的试验数据进行重新计算并形成报告。软件终身免费升级。

试验记录(3 s/次)按编号存储，可随时查询；可以实时查看试验报表打印效果，只需点击开始、计算和保存等按钮就可完成，使用简便。

(8) 安全防护。防机械伤害：在各设备与炉体、设备与设备之间均留有工作检修场地，以便安全通行检修。各风机的皮带轮、转轴、皮带等均用安全网罩起，各动力设备四周均有防护栏和警示牌；燃烧机具有良好的防爆性能；各处的阀门、管道接头、焊接等部位不得泄气；在各操作平台四周均设有防护栏，爬梯外侧设有安全罩。总装配图如图4所示。

图4 总装配图

3.2 平台安全保障

消防排烟风机综合性能试验系统占地面积65 m2，层高不小于3.3 m，承重150 kg/m2。

配置220 V及380 V两种电源，统一布线，交流电为三相五线制，50 Hz，总功率不小于10 kW。

提供25～50 m3/h2管道天然气，以确保安全，增加空燃比例阀，使燃气充分燃烧，达到最佳燃烧热值。

燃气供应及控制宜单独分割房间，如场地允许可放置于室外。整体试验室为3部分规划：(1)燃气和空气室为一独立房间；(2) 控制室和观察室为一独立房间；(3) 试验区域放置在大的空间里，四面须通风良好。整体试验室规划图如图5～图7所示。

图5 试验区

图6 空气和燃气放置室

图7 控制和观察室

4 测试系统软件介绍

在排烟风机性能试验装置和测控硬件的基础上，采用Windows XP操作界面、全球精密设备专用开发软件LabVIEW，编写了包括测试参数的设置、试验数据的采集、信号的分析与处理、数据的存储查询、试验报告的生成等多个功能模块的测控系统软件。测试期间能够实时显示出测量结果，并动态地绘制性能曲线，数据可以永久保存、调阅和打印输出,可直接打印报表。软件具有高智能、引导式菜单操作，简便直观的特点，使试验结果更加准确。