耐火试验炉的设计与实现

付晓光 张晓颖 李海建 王 堃

（中国建筑材料检验认证中心有限公司，北京 100024）

1 前言

随着建筑业以及各种新型建筑材料的不断发展，人们对建筑构件的耐火性能越来越重视。建筑构件的耐火性能一般通过在耐火试验炉中进行耐火试验得到检测。本文介绍的耐火试验炉完全按照我国对建筑构件耐火试验方法所提出的最新的GB/T 9978—2008系列标准进行设计。建筑构件的耐火试验就是按照标准中的温度、压力在耐火试验炉中模拟火灾的环境，通过对完整性，隔热性等指标进行分析从而判定试件的耐火性能。

1.1 炉内温度[1]

GB9978.1-2008-T标准规定试验炉内的平均温度随时间的变化规律必须符合以下关系式：T=345*lg（8*t+1）+20

式中：T—炉内平均温度，单位是摄氏度（℃）；t—时间，单位为分钟（min）。

该关系式表示的建筑构件耐火试验炉内标准时间--平均温度曲线如图1所示。

1.2 炉内压差[1]

GB9978.1-2008-T标准规定尽管压力梯度随炉内温度的改变会有轻微的变化，仍要保证炉内高度处每米的压力梯度值为8 Pa，并且控制炉内压力的变化，使其在试验开始5 min后压力值为（15±5）Pa，10 min后 压 力 值 为（17±3）Pa。

图1 标准时间--温度曲线

2 耐火试验炉的整体结构

建筑构件耐火试验炉的炉型主要有四种[2]：

(1)水平炉,用于做梁、板、吊顶等水平建筑构件耐火试验；

(2)墙炉,用于做墙、防火门、窗等非承重建筑构件耐火试验；

(3)柱炉,用于做柱等承重建筑构件耐火试验；

(4)多功能炉,用于做梁、板、柱、墙等多种建筑构件耐火试验。

本文介绍的耐火试验炉属于墙炉，用于墙、门、窗等非承重建筑构件耐火试验。目前，耐火试验炉一般采用柴油、天然气、液化石油气作为燃料。考虑到使用柴油或天然气作燃料，需要为试验炉配备地下油库或天然气管道，该试验炉采用灌装液化石油气作为燃料。同时，由于人工控制稳定性和准确性差，该试验炉采用自动控制系统，不仅提高了试验的稳定性和准确性，而且操作简单，可自动存储试验数据，大大节约了成本。

综上所述，该建筑构件耐火试验炉采用液化石油气作为燃料，采用自动控制系统保证炉内的温度和压力完全符合标准要求。所以，该耐火试验炉由炉体、燃气控制和电气控制三部分构成，如图2所示。

图2 耐火试验炉整体结构框图

3 炉体部分

该耐火试验炉的炉体部分包括：炉膛、烟道和窑车三部分。炉膛的结构如图3所示。

图3 炉膛结构示意图

该耐火试验炉的炉膛采用钢结构框架，在钢结构框架中间用耐火砖砌成炉壁，炉壁内侧贴有高温耐火棉，外侧用彩钢板包裹。炉膛的内部空间 是3.05m*3.05m*1.2m，炉 壁 厚65cm。在 两侧炉壁内嵌有八个高速烧嘴，提供炉膛内升温所需的热量；在后侧炉壁设计有三个排烟孔，连接到后面的烟道，将炉膛内的烟气排出，控制压力；在后侧炉壁还设计有四个观火孔，用来观察试验时试件受火面和火焰的情况；十根镍铬-镍硅（K型）热电偶通过后侧炉壁一直伸到距离试件受火面10cm处，用来测量试件受火面的温度，作为炉膛内温度自动控制的依据。烧嘴、排烟孔、观火孔和热电偶在炉膛内的具体位置如图3所示。

该耐火试验炉采用后排烟方式，烟道位于炉膛后面，炉内烟气由三个排烟孔进入烟道，排到大气中。烟道的室内部分是不锈钢管，由于温度很高，用焰棉做了保温；室外部分是铁管，并且在不锈钢管和铁管的结合处设计有排烟风机。

窑车是试件的载体，将试件固定到试验位置，进行试验。窑车高4.3m宽3.5m，由车体和试件平台组成。车体设计有四个地轮，可以在钢轨上运动；在距车体面2m高处设计有工作平台，方便对试件被火面进行粘贴热电偶、检查完整性等操作，并有扶梯方便上下。试件平台是一个3.5mx3.5m的方形钢结构框架，其作用是将试件砌在试件平台上，等试件养护好后，用电葫芦把砌有试件的试件平台吊装到车体上，然后把窑车推到试验位置并固定，然后开始试验。在车体上有四个挂钩和六个固定槽；挂钩钩住试件平台两侧的不锈钢柱，将试件平台固定在车体上；固定槽通过两侧炉壁的手轮将整个窑车固定到试验位置。

4 燃气控制部分

该耐火试验炉采用灌装液化石油气作为燃料，因此需要燃气控制部分将液相的液化石油气转化成低压的气相液化石油气，便于在烧嘴中与空气混合被点着，燃气控制部分的构成如图4所示。液化石油气瓶分为两组，每组四瓶。试验时使用其中的一组，当压力低于设定值，液相切换阀会自动切换到另一组，这样就可以防止试验中燃料突然耗尽，使实验中断。由于液化石油气由液相转化为气相需要吸收大量热量，所以液相的液化石油气通过液相切换阀首先进入汽化器，在汽化器中吸收热量转化成气相。此时，液化石油气的压力接近1兆帕,而燃烧所需的压力大约为几千帕，所以需要经过两级减压阀达到。在两级减压阀之间有气液分离器，主要作用是把液化石油气中的水份分离出来。

图4 燃气控制部分结构框图

试验中，总电磁阀和八个电磁阀分别控制整个气路和各个分支气路的通断。当二级减压后的液化石油气压力过高时，放散阀会自动打开稳定压力，将部分液化石油气排入大气；当压力再高时，高压检测开关动作，停止试验，以防发生危险。当压力很低时，低压检测开关动作，提示操作员燃气压力过低，可能需要更换液化石油气。

5 电气控制部分

该耐火试验炉的电气控制部分主要完成对炉内温度、压力的控制，由硬件部分和软件部分构成。

5.1 硬件部分

硬件部分包括：嵌入式一体化工控机、PLC、巡检仪、3个空气压力传感器、3个信号输入隔离处理器、2个变频器、2台风机、8根炉温热电偶、8个热电偶信号隔离处理器、8个点火器、8个燃气电磁阀、8个电动蝶阀、30根背温热电偶、总电磁阀、高低压检测传感器以及各种继电器、接触器和开关等。硬件系统各个电气部分的相互关系如图5所示。

图5 硬件部分结构框图

PLC是进行各种操作和温度控制的核心，该试验炉采用三菱的FX3u系列PLC。通过控制柜或触摸屏上的按钮进行各种操作，例如：手/自动方式切换、启/停变频器和风机、开/关主电磁阀和电动蝶阀、启/停点火器等，就是PLC通过输入端子读入相关按钮的状态，经运算后，通过输出端子控制相应继电器的通断进而完成各种操作。

变频器上电，排烟/助燃风机运转稳定，打开主电磁阀后，就可以进行点火操作：点火器上电后开始在烧嘴中的电极点火，同时打开燃气电磁阀，使液化石油气和助燃空气在烧嘴中的燃烧室按标准比例混合；如果点燃，则点火器在烧嘴中的火焰检测电极会检测到火焰，停止点火，工作指示灯亮，并且燃气电磁阀保持开启状态；如果没有点燃或中途灭火，点火器在9秒时间内一直点火，9秒内仍无火焰信号，则关闭燃气电磁阀，报警指示灯亮。

PLC进行温度控制的过程是：炉温热电偶测量炉内温度，热电偶输入信号隔离处理器将热电偶信号送入AD扩展模块转换为标准数字信号，PLC主单元将输入的温度值与设定温度值进行比较，如果低于设定值，则通过输出端子控制电动蝶阀增加开启时间，即增加大火时间，进行升温；如果高于设定值，则通过输出端子控制电动蝶阀减少开启时间，即减少大火时间，停止升温。

压力主要由变频器进行控制。空气压力传感器测量助燃空气压力/炉内压力，经信号输入隔离处理器对信号处理后送入助燃/排烟变频器，变频器按照自身的算法进行数据处理后，通过输出相应的电压和频率控制风机转速，达到控制压力的目的。

嵌入式一体化工控机主要作用是进行人机交互，其中央处理单元以ARM为核心（主频400MHz），并采用10.4英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率640×480），四线电阻式触摸屏（分辨率1024×1024），嵌入式实时多任务操作系统WinCE.NET（中文版）和MCGS嵌入式组态软件（运行版）。工控机通过RS485与巡检仪通信，读取试件背火面温度，作为判断试件隔热性的依据。巡检仪的作用是采集各路背火面测温热电偶的信号，并转换成标准数字信号，通过RS485发送给工控机。巡检仪还有冷端补偿和上下限报警功能，确保所读取温度和控制的准确性。工控机通过RS485与PLC通信，将温度、压力和各个电气部分的状态以及其它控制信息显示在显示屏上；同时工控机将各种操作信息发送给PLC完成对整个试验流程的控制。

5.2 软件部分

软件部分包括工控机的MCGS组态软件和PLC程序。PLC程序的执行流程如图6所示。

利用工控机的MCGS组态软件设计人机交互界面，包括：主控界面、炉温曲线界面、试件温度界面、历史记录界面和参数整定界面，如图7所示。

主控界面如图7(a)所示，中央部分用动画模拟试验炉的运行情况：炉膛内布置八个烧嘴，实时显示大小火的变化；十根热电偶、排烟风机、助燃风机和主电磁阀的运行状态也实时显示。右侧实时显示助燃空气压力、炉内上下不压力、炉内平均温度值和设定值以及运行时间等控制信息。下侧设计有排烟/助燃风机启停按钮和实验开始/结束按钮，用以控制试验进程；还设计了炉温曲线、试件温度、历史记录和参数整定按钮，可以切换到其他界面。其他界面也有相同按钮。

炉温曲线界面如图7(b)所示，随着试验的进行，不断绘制出炉内升温曲线和试件被火面平均温度；其中红色曲线是炉内平均温度，绿色曲线是标准时间—温度曲线，便于比较。在右侧上下角，分别显示日期、时间和运行时间。图8是某次实验中炉内升温曲线和标准时间—温度曲线。由图中可以看出，除了在刚开始的快速升温阶段温度稍微超调之外，其他时段温度曲线与标准时间—温度曲线几乎重合，温差在5℃以内。

试件温度界面如图7(c)所示，中央部分显示30个试件背火面热电偶的温度值和状态，并且可以根据试验要求任意选择不同的热电偶；右侧显示环境温度、初始温度、平均温度以及日期、时间等信息。图9是试件背火面平均温度曲线。从图中可以看出，随着试验的进行试件背火面平均温度不断升高。

历史记录界面如图7(d)所示，主要记录历史数据，包括：日期时间、设定温度、平均炉温、各个热电偶的温度值、炉内压力、初始温度、环境温度等记录。下侧的设置按钮可以快速定位需要显示的历史数据，“Copy to USB”按钮用来将所选的历史记录复制到优盘中，并且可以在PC机上用Excel软件打开、处理，方便对实验数据进行分析。

参数整定界面如图7(e)所示，左侧可以输入或显示比例增益、积分时间、微分增益、微分时间、调节周期、最小动作时间和控制输出等PID控制参数以及设定温度、实际温度、助燃空气压力和炉内压力等试验信息；同时还可以在右侧实时显示曲线。

图6 PLC程序流程图

图7 人机交互界面

图8 升温曲线和标准时间—温度曲线

图9 试件背火面平均温度曲线

6 结论

该耐火试验炉调试完成后，进行了多次试验，对温度、压力控制准确，对试件隔热性、完整性判断正确；并且采用自动控制方式，操作简单，具有很好的稳定性，达到国内先进水平，具有很好的推广应用价值。

[1] GB9978.1-2008-T 建筑构件耐火试验方法 第1部分：通用要求 8-9

[2]王广军，边庆策等 建筑构件耐火性能试验炉的研制与应用 建筑科学,1996(2)：29-35

[3]刘建勇，李海伦 国外某耐中型火试验炉的设计消防技术与产品信息，2008（3）：10-12

[4]李萍，曾令可 建筑构件多功能耐火试验炉的设计 华南理工大学报，2007（12）：102-106

[5]潘小勇，王莉莉 耐火试验炉计算机控制系统的设计 机械与设备，2006（5）：18-20