浅谈建筑构件及材料耐火极限试验炉操控系统

陈俊

（广州市建筑材料工业研究所有限公司）

1 试验炉作用及性能

试验炉设计主体采用立式垂直布置结构，主要针对垂直建筑构件等进行耐火极限试验。如：防火玻璃、门、墙体、板、窗等建筑构件，为抗火灾设计结构及材料选用提供科学实验依据。试验炉外形尺寸为4500（长）×4300（高）×1600（宽），炉膛内尺寸3000（长）×3200（高）×1000（深），容积9.6.m3，最高试验温度1300℃，功率≥2000Kw，炉瞠压力≤20Pa，试验时间≥6 小时，使用液化石油气作燃料，其中试验炉体为固定设罝，用钢框安装试件兼作炉门，可拆装移动，通过吊机运至炉前。见图1。

图1 试验炉正面简图

试验炉运用自动控制系统取代人工控制，具有操作方便人机介面友好、控制精度高、实验数据采集及时准确等优点，达到模拟火灾时的升温过程和对试件进行耐火极限试验目的。

2 试验炉主要设备

试验炉的升温设计按照国家GB/T9978-2008 标准曲线进行，见图2。试验设备主要包括：试验炉本体、燃烧装置、燃气供应系统、试验炉自动控制系统、其它控制系统、上位计算机及操作软件(测量数据采集处理、显示记录、指令控制通迅按钮)等。

图2 试验炉升温时间曲线

2.1 炉本体

包括一套钢制结构框架、炉墙体、炉门、操作平台、燃气、助燃空气输送管道，阀门仪表、执行机构系统等，炉墙采用标准高铝轻质砖砌筑、炉膛内粘贴含锆陶瓷纤维毡，墙厚约450mm，炉墙两侧分别在上、下位置设有观察炉内情况的防火玻璃观察孔。炉顶部用耐火材料构件盖顶，炉底部设三个排烟孔，再接排烟总管道汇合出炉膛外，由处理系统处理排放。炉本体背部均布16 支燃气喷枪，12 支热电偶，3 支炉压力探针及其它管道阀门仪表附件,并装有所需联接管支撑及人员操作平台等。

2.2 燃烧装置

试验炉燃烧配备共16 支LPG（液化气）中速喷枪，火焰长度300 ～600mm，每支功率120Kw，总功率1920Kw，每小时耗LPG 液化气量约170Kg，助燃空气量约2500m3。燃烧喷枪用电火花形式自动点火，配有专用燃烧监控装置，采用扩散式燃烧方式，在喷嘴出口配有异形碳化硅通孔砖，作空气与燃气预混合燃烧通道。

2.3 燃气供应系统

瓶装液相液化气使用时运至现场汽化房，液相液化气出瓶后经粗过滤，用汽化加热炉使液化气从液相变成气相，压力约0.5MPa，经一级减至10～15kPa 送入设备供气主管道，使用时由二级减压至2500～3000Pa，再细过滤并稳压后供给试验炉使用。供气管道设有电磁总气阀、高、低压安全开关，安全阀、放散阀、排污阀、稳压阀、压力传感器及指示仪表等装置，对燃气压力进行测控，满足安全和工艺需要。

2.4 试验炉自动控制系统

拟采用系统整体失误风险较少的分散型控制方式，用智能PID 温﹙压﹚测控仪表和PLC 程控器作直接测控对象，将数据实时报上位计算机处理并接收其指令，对试验炉自动控制。见图3。

图3 试验炉自动控制系统示意框图

2.4.1 燃烧装置点火运行控制

16 支LPG 喷枪、12 支热电偶均布于炉内后墙，2 支喷枪为1 组（每组由1 个智能温控仪表和1 支热电偶操控2 台喷枪的助燃空气调节阀开度），共分8 组﹙余下四支热电偶只作测量用﹚。每支喷枪配有点火燃烧监控装置、助燃空气﹙自/手﹚动调节阀、空燃比例阀、燃气电磁通断阀等装置。燃烧装置在喷枪点火时，采用计算机控制界面手动方式，启动助燃空气鼓风、炉内引风机以维持炉一定炉膛负压，此时燃气、助燃空气管道压力必须稳定在设定范围之内。计算机给点火命令之后，智能温控仪表少量打开喷枪前助燃空气调节阀，同时使燃气管道上的空燃比例阀按比例开度，PLC（程控器）依设定程序向点火监控装置、逻辑电柜送出控制信号，打开对应喷枪的燃气电磁阀接通空燃比例阀燃气，由点火监控装置输出﹙数秒﹚高电压至喷枪点火棒点火并验证点火﹙点火监控装置反馈的喷枪点火、运行、熄火信号﹚是否有效，如未能点燃或熄火，则送熄火信号关闭燃气电磁阀，并锁定再次点火时间间隔，防止因无效点火过多引起燃气入炉而积聚，在重新点火时发生爆炸。当8 组LPG 喷枪点火依设定的顺序点燃火后，试验炉按既定控制程序和升温曲线执行。

2.4.2 炉温的测控

试验运行时，各组智能温控仪表依计算机要求，用执行机构调节助燃空气阀、改变空燃比例阀开启大小方法控制入喷枪混合气量燃烧使炉升温。炉内测温热电偶输出信号送智能仪表接收，信号经3 秒/次、5 次采集顺延平均值后，由A/D 转换显示﹙与此同时将运行状态信号送计算机显示记录且指令﹚，计算机按照各点采集反馈温度，计算平均温度，与既定标准升温曲线对照，给与相应喷枪组智能温控仪表调节参数。智能仪表用调节参数与实际炉内采集温度比较，计算出温度偏差后，用PID 调节方法追踪，输出电流信号控制执行机构调节助燃空气阀的百分比开度﹙带阀位反馈指示﹚，相应增、减喷枪功率，控制该组喷枪组区域的温度升降，实行闭环反馈控制。

2.4.3 炉内压力测控

试验炉运行时，炉压由所选的压力传感器送出电流信号给智能压控表接收，经3 秒/次，5 次采集顺延平均值后由A/D 转换显示﹙同时将运行状态信号送计算机显示记录﹚，计算机按照采集反馈压力与控制标准对照并记录，智能压控表按计算机指示数值输出电流信号控制引风机调频器，调节风机转速改变炉压力，实行闭环反馈控制。

2.4.4 试件背火面温度检测判定

按标准要求在各类不同试件背火面粘贴若干支K型热电偶，由温度采集变送器接收电偶信号，采集速率1～10 秒/次，﹙时间可修改﹚5 次采集顺延平均后，计算平均温度值，显示各温度数值并输出标淮数字信号，经Rs485/232 转换传计算机显示记录。

2.4.5 其它控制系统

试验安全、工艺上要求联锁控制通常包括以下功能：

⑴燃气压力高、低超限联锁（燃气电磁总阀）保护、报警；

⑵气化房液化燃气压力低于0.15MPa 和泄漏达危险浓度时发出警报；

⑶引风机、鼓风机（跳闸）断电时即关闭燃气主阀、助燃空气压力不足报警；

⑷引风机开启后须延时2min 才能开动鼓风机，待燃气压力在上下限设定值时，才能开启燃气总阀，总阀开启1min 后点火器才可通电控制点火；

⑸设定引风机在燃气总电磁阀、鼓风机关闭之后，才能延时关闭；

⑹投入自动执行升温曲线运行时，若喷枪熄火，系统锁定用手动方式对应控制执行机构，手动调节助燃空气阀的百分比开度返回点火状态才能点火；

⑺试件背火温度超限时发信报警；

⑻炉膛超温、超压、风机排烟超温时报警等；

⑼所有动力控制均有(就地/远程)切换开关，且在操控电柜上可方便切换。

试验安全、工艺要求联锁动作，控制要求指令主要来自计算机，由PLC（控制器）执行已既定的程序（必要时可通过计算机修改），通过过程调节来实现。

2.4.6 计算机及操作软件

计算机和操控电柜置于试验炉主控制室内，通过带隔离保护型RS232/485 与各智能仪表、显示温度压力仪表及PLC（程控器）通迅，随时检测通迅各点情况。运行参数采集后，对需要控制部分，依据设计软件优化条件得出各控制回路的给定值，发出必要的指令数据、信号处理，对操控整个系统起监视、决策作用。控制软件要求基本内容：

⑴显示正面试验模拟板、热电偶、喷枪、鼓、引风机，自动点火器等运行状态，实时显示试验过程中的各类工艺参数状态，设有各组燃烧器点火、鼓、引风机，燃气总阀启闭按键，火焰运行状态监视，有炉膛温度压力超限、燃气、助燃空气压力超压、欠压、熄火故障、等报警显示功能；

⑵显示记录（所有参数记录30S/次）试验炉升温运行过程中的各单点、平均炉压及温度、试件背火面各单点、平均温度、烟气温度、环境温度等参数的相关数据曲线表格；

⑶可按要求对升温曲线、炉压控制程序进行设定命名并储存调用；⑷记录显示与系统各点通迅状态，故障显示报警；⑸在获得修改权限条件下，允许修改各控制参数的设定，数据库能长期储存历史数据供随时打印调用。

3 结语

试验炉研制后，经过调试，自动控制、采集系统经过二年时间不断地对建筑材料构件进行耐火极限试验，符合《建筑构件耐火性能试验方法》GB/T9978-2008 要求，达到国内先进水平，且运行状况稳定。