母線槽耐火試驗爐的設(shè)計

潘寧俊 徐凱熙 施永杰

（1.鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 2.國家中低壓配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）

0 引言

母線槽是一種導(dǎo)體系統(tǒng)形式的封閉成套設(shè)備，一般用于工業(yè)和商業(yè)的配電和電能控制。母線槽耐火試驗是指在國家標準GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗方法第1 部分：通用要求》[1]的支撐下，根據(jù)消防標準XF/T 537—2005《母線干線系統(tǒng)（母線槽）阻燃、防火、耐火性能的試驗方法》[2]中的4.3.2 條款進行的耐火性能試驗。耐火型母線槽廣泛應(yīng)用于應(yīng)急照明和消防設(shè)備等負載的消防配電線路，以保障火災(zāi)時線路的連續(xù)供電。

耐火試驗爐設(shè)計的基本要求主要體現(xiàn)在國家標準GB 9978.1—2008[1]中，主要包括標準第5 條試驗裝置，第6 條試驗條件，第7 條試驗準備，第8 條儀器使用，第9 條試驗方法，但是明顯不同于建筑構(gòu)件的耐火試驗，母線槽耐火試驗并沒有加載的要求，這使得母線槽耐火試驗爐的設(shè)計明顯不同于建筑構(gòu)件耐火試驗爐。本文針對母線槽耐火試驗的要求展開研究，經(jīng)過需求分析，結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計，熱工學計算，爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計，最后成功建成母線槽耐火試驗爐。

1 耐火試驗要求

母線槽耐火試驗的要求主要體現(xiàn)在XF/T 537—2005[2]中，XF/T 537—2005[2]通過引用GB/T 9978—1999《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》[3]對耐火試驗爐提出爐體、爐內(nèi)溫度、壓力、儀器儀表等相關(guān)要求。然而，GB/T 9978—1999[3]已被GB/T 9978.1—2008[1]所取代，GB/T 9978.1—2008[1]不僅包括原標準的要求，還對相關(guān)條款進行更加詳細的描述。所以，母線槽耐火試驗的要求主要體現(xiàn)在XF/T 537—2005[2]和GB/T 9978.1—2008[1]中。

XF/T 537—2005[2]對耐火試驗提出的要求主要有：

1）試驗樣品為四面受火，特殊實際要求的除外；

2）試驗樣品為直線形耐火單元，應(yīng)為三相四線或五線制，受火長度不少于4m，有一個接頭；

3）試驗樣品的電氣連接方法，以及配套的變壓器、熔斷器、負載和指示裝置的相關(guān)要求；

4）試驗樣品的安裝和試驗程序；

5）根據(jù)GB/T 9978—1999[3]的相關(guān)規(guī)定確定耐火試驗裝置、溫升條件、壓力條件、爐溫測量和爐壓測量；

GB/T 9978—1999[3]的相關(guān)規(guī)定在GB/T 9978.1—2008[1]中的第5 條、第6 條、第8 條、第9 條的相應(yīng)條款中得到更明確的表述，簡要總結(jié)如下：

1）特殊設(shè)計的試驗爐應(yīng)能滿足試驗樣品規(guī)定的試驗條件；

2）爐內(nèi)襯材料應(yīng)采用耐高溫的隔熱材料，密度應(yīng)少于1000kg/m3，厚度不少于50 mm；

3）試驗裝置應(yīng)能設(shè)定和控制爐內(nèi)溫度，使其符合升溫條件和爐溫偏差的要求；

4）試驗裝置應(yīng)能控制和監(jiān)視爐內(nèi)壓力，使其符合爐內(nèi)壓差的要求；

5）試驗裝置應(yīng)有測量爐內(nèi)溫度、試驗樣品的背火面及內(nèi)部溫度的儀器；

6）試驗裝置應(yīng)有測定試驗樣品完整性的儀器。

將上述試驗要求和試驗裝置的要求結(jié)合GB/T 9978.1—2008[1]的相應(yīng)條款，就構(gòu)成母線槽耐火試驗的要求。

2 爐體結(jié)構(gòu)與管道設(shè)計

根據(jù)上述的耐火試驗要求，綜合考慮安全性、實用性和方便維修的等多方面因素，爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：

爐內(nèi)尺寸為4.2m×1.8m×1.8m，爐外形尺寸為4.8m×2.5m×2.0m，爐壁厚度為300 mm，外部鋼板厚度≥8mm。爐內(nèi)襯材料采用高溫隔熱材料含鋯鋁棉，耐火溫度大于1250℃，其密度滿足標準要求。將含鋯鋁棉制成耐火纖維毯和折疊塊組合結(jié)構(gòu)，纖維毯緊靠爐子內(nèi)壁平鋪，再將預(yù)制好的耐火纖維折疊塊用耐熱鋼制成的錨固件加以固定，纖維施工結(jié)束后表面涂覆一層硬化劑。上述方案既滿足升溫效果，又具有很好的經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)強度。

燃氣管道依次設(shè)有手動切斷閥、調(diào)壓穩(wěn)壓閥、氣動緊急關(guān)閉閥、智能渦街流量計和自動測壓裝置，可根據(jù)燃燒情況自動調(diào)節(jié)液化氣管路系統(tǒng)壓力和供氣量，并在液化氣欠壓和風機故障時，自動關(guān)閉氣源并報警，確保安全試驗。燒嘴前的燃氣管路配有手動球閥和燃氣脈沖電磁閥。燃氣電磁閥用于啟、停燃氣，實現(xiàn)大、小火切換，手動球閥用來調(diào)整燃氣流量，使燃氣在合適的空燃比例下燃燒。

為助燃管道搭配高壓離心風機、自動調(diào)節(jié)閥門和自動測壓裝置。助燃風機采用變頻調(diào)壓，根據(jù)燃燒情況，自動調(diào)節(jié)空氣系統(tǒng)的壓力和供風量，控制合理的燃燒比例，保證助燃風風壓的穩(wěn)定，從而保證燒嘴的穩(wěn)定燃燒。爐子兩側(cè)的空氣支管端頭，均設(shè)有防爆膜，并帶有防護欄，以防止燃氣滲入到空氣管路中發(fā)生危險。按照國家標準要求，燃氣管道和助燃管道分別漆成不同的顏色，實現(xiàn)明確的管道介質(zhì)區(qū)分。

3 熱工學計算

母線槽耐火試驗爐的升溫條件為標準升溫條件，采用符合GB/T 16839.1—2018[4]規(guī)定的絲徑為0.75～2.30 mm K 型熱電偶測量爐內(nèi)平均溫度，按GB/T 9978.1—2008[1]的6.1.1 條款確定的溫度-時間關(guān)系對其進行控制和監(jiān)測：

式中，T為爐內(nèi)平均溫度，℃；t為時間，min。

根據(jù)下述的經(jīng)驗公式計算耐火試驗爐的總功率[5]：

式中，Pth為耐火試驗爐的理論總功率，kW；c為熱量損失系數(shù)；t為時間；S為應(yīng)火面積，m2；Tmax為爐內(nèi)最高溫度，℃。

對于爐體表面溫升≤60℃的耐火爐，可以取熱量損失系數(shù)c=7.5×10-4，一般耐火試驗時間為180 min，根據(jù)式（1），第180min 時，耐火試驗爐溫度升高到約1109.7℃，應(yīng)火面積為爐膛內(nèi)部表面積，根據(jù)爐體結(jié)構(gòu)尺寸，可得S=36.72m2，將上述參數(shù)代入式（2）可得耐火試驗爐的理論總功率：

對于連續(xù)工作制的耐火試驗爐，有：

式中，Pre為耐火試驗爐的實際總功率；K為功率利用系數(shù)，一般取1.2～1.3。

取K=1.25，則有：

即耐火試驗爐的實際總功率為727.5kW。

4 爐壓爐溫控制

爐壓控制系統(tǒng)由爐內(nèi)壓力探頭、差壓變送器、電動調(diào)節(jié)閥、煙囪、換熱器等組成。根據(jù)爐內(nèi)壓力控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，進而調(diào)整煙道抽力，確保爐內(nèi)各段爐壓處于合理狀態(tài)，保證滿足標準要求。設(shè)置空氣換熱器，使冷空氣和排煙高溫煙氣進行間接換熱，進行一次余熱利用?？諝忸A(yù)熱溫度自動測量并顯示，超溫時報警。煙囪高度為高于附近最高建筑物5m，符合國家相關(guān)要求。鋼制煙囪內(nèi)貼耐火纖維保溫層，厚度50mm，且設(shè)有補風口補進冷風，防止煙囪受熱變形。煙囪為202 不銹鋼材質(zhì)，板厚6mm，能承受當?shù)仫L載。耐火試驗爐的煙氣為集中處理設(shè)計，煙氣經(jīng)環(huán)保處理后排放。

爐溫控制系統(tǒng)包括爐溫采集和爐溫控制，基于西門子S7-200 完成整個控制過程。爐溫采集包括：爐內(nèi)各熱電偶的溫度和背火面的溫度等，爐溫采集間隔不超過1 min。控制系統(tǒng)通過RS-485 接口與上位機進行實時通訊，具有超溫報警（爐內(nèi)溫度及背火面溫升）、過壓報警（爐內(nèi)壓力及高度壓差）和樣品短路報警等功能。爐內(nèi)溫度控制的流程如圖1 所示。

圖1 爐內(nèi)溫度控制流程圖

設(shè)計完成的耐火試驗爐控制系統(tǒng)人機界面如圖2和圖3 所示。

圖2 控制系統(tǒng)軟件人機界面1

圖3 控制系統(tǒng)軟件人機界面2

5 試驗結(jié)果

基于本設(shè)計建成的耐火試驗爐在經(jīng)過大量的前期調(diào)試后，已順利通過實驗室資質(zhì)認定許可。圖4 為爐內(nèi)溫度的溫度-時間曲線圖，圖5 為爐內(nèi)壓力的壓力-時間曲線圖。從圖4 和圖5 中可以看出，爐內(nèi)溫度處于誤差范圍內(nèi)，爐內(nèi)壓力試驗開始5min 后壓力值基本處于（15±5）Pa 范圍內(nèi)，10min 后壓力值穩(wěn)定在（17±3）Pa 范圍內(nèi)，耐火試驗爐完全符合GB/T 9978.1—2008[1]和XF/T 537—2005[2]的要求，設(shè)計取得圓滿成功。

圖4 爐內(nèi)溫度的溫度-時間曲線圖

圖5 爐內(nèi)壓力的壓力-時間曲線圖

6 結(jié)束語

母線槽耐火試驗爐是一種重要的大型試驗設(shè)備，其設(shè)計結(jié)果直接影響到設(shè)備質(zhì)量，也關(guān)系到檢驗檢測工作的效率。本文從國家標準對檢測設(shè)備的要求出發(fā)，進行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計和熱工學計算分析，最后設(shè)計完成關(guān)鍵的爐溫和爐壓控制系統(tǒng)。建成后的母線槽耐火試驗爐性能優(yōu)良，各項指標完全符合國家標準要求，順利通過實驗室資質(zhì)認定許可。目前，該設(shè)備運行良好，有力地支持該類產(chǎn)品的檢測任務(wù)，為新產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量提升做出較大的貢獻。