消防排煙風機綜合性能測試平臺設計

梁 勇， 邱金水， 李正昊

(海軍工程大學 動力工程學院， 湖北 武漢 430033)

0 引 言

在艦船發生火災的情況下，排除火災煙氣最常用的方法是機械排煙，需依靠排煙風機來實現。在艦艇防排煙系統中，消防排煙風機是一種有組織地往艙室內送入新鮮空氣或排出艙內火災煙氣的輸送設備，也可用于其他災害場合送風、排氣、排毒、稀釋有毒有害氣體等，是機械防排煙系統和加壓送風系統中必不可少的部分，在防排煙系統中起到至關重要的作用[1]。

隨著科技、生產的發展，火場排煙也在向著裝備專用化、多樣化，高技術含量，設計人性化等方向發展。消防類排煙風機作為量大面廣的消防設備產品，其性能的優劣和可靠性關系到火災發生時的防火與排煙有效性，關系到生命財產安全[2-3]，因此搭建一個消防排煙風機綜合性能測試平臺對火災高溫環境下排煙風機的排煙性能進行測試與評估顯得尤為重要。

20世紀80年代初，機械排煙法被人們重視起來，排煙風機的使用因此得到推廣，促進了消防排煙風機的發展。由于傳統風機測試方法主要依賴人工手動測試，風機的工況調整、性能數據的采集與分析以及特性曲線的繪制一系列試驗過程缺乏自動化，因此以往的測試方法會導致測試的精度低、效率低、可靠性差且浪費人力、物力。近年來，隨著計算機技術、傳感器技術以及數字集成電路的快速發展，風機性能試驗進入了自動化、智能化的新階段[4]，同時為提高艦艇火災事故應急能力與排煙消煙效率，本文結合現有的研究成果與設備基礎，介紹一種消防排煙風機性能綜合測試平臺的搭建設計方案，該測試平臺可以對移動式消防排煙風機的關鍵特性參數進行測試與評估，實現測試過程的現代化、自動化。

1 風機性能參數

排煙風機的工作環境一般是火災高溫條件下，因此需要測量高溫環境下的風量、轉速、風壓、功率、效率和耐高溫性等。

1.1 風量

風量(即排煙量)通常采用體積流量，指消防排煙機在標準大氣下單位時間所能輸送的氣體體積。

1.2 轉速

轉速指風機葉輪每分鐘的轉動周數。消防排煙機的轉速越高產生的風量和風壓越大。

1.3 風壓

風壓包括全壓、靜壓和動壓。全壓是指單位體積的流體經過風機后所獲得的總能量，等于靜壓與動壓之和。風壓大小在一定程度上表示了消防排煙機的送風或抽風距離的遠近。

1.4 功率

風機的功率包括有效功率、軸功率和內部功率。軸功率即輸入功率，指單位時間內風機轉軸從原動機上獲得的能量。

1.5 效率

效率包括全壓效率和內效率。全壓效率為有效功率與軸功率之比，內效率為有效功率與內功率之比。效率體現了風機能量轉換利用率。

1.6 耐高溫性能

一般的風機只要在常規條件測試就能滿足要求，而消防排煙風機的工作環境為火災高溫環境，因此對風機的耐高溫性有較高的要求，需要排煙風機能在不低于280 ℃的氣流環境下連續運轉30 min且無異常。

2 性能參數測量方法

國家級檢驗中心主要依據GB 27901-2011《移動式消防排煙機》[5]、GA 211-2009《消防排煙風機耐高溫試驗方法》[6]等標準對相應的風機進行性能質量檢測。由于艦艇防險救生通常配備使用的是移動式消防排煙機，因此重點對移動排煙機的產品標準和檢測情況進行分析，并重點解決空氣動力性能與耐高溫性。

2.1 風量的測量

按消防排煙機標準的規定，風量的測量應按照GB/T 1236-2017《工業通風機用標準化風道性能試驗》[7]中規定的2種方法：GB/T 2624《流量測量節流裝置——用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體流量》；ISO 3966《封閉管道中流體流量的測量——采用皮托靜壓》。另外，GB/T 1236-2000中還規定在保證空氣流動無渦流的情況下，也可采用橫動法(上述2種方法的簡化方案)及使用管路內流量計的方法。其中，管路內流量計可以使用文丘里管、孔板、錐形進口和進口噴嘴，通過管路內差壓流量計測量流量。橫動法是在管道的數個位置上測量就地速度，采用積分法，以求得管道內的平均速度，在橫向平面內測量管道的截面積并計算流量，在標準化風道內應使用符合ISO 3966要求的皮托靜壓管。

2.2 耐高溫性能的測量

根據移動式消防排煙機標準，耐高溫性能試驗應遵循GA 211-2009《消防排煙風機耐高溫試驗方法》。GA 211規定了耐高溫試驗爐的具體要求，且必須在滿足要求的設備中進行耐高溫測試。具體為：耐高溫試驗爐需具備控制通過消防排煙風機的氣流溫度的能力，使之能夠在 150 ℃～600 ℃(±15 ℃)內的任一設定值上保持恒定，并在點火后2 min內，爐內溫度能確保升至選定的標準溫度。試驗爐內部尺寸應不小于3 000 mm×3 000 mm×4 500 mm，保證有足夠大的試驗空間，使得消防排煙風機能在規定尺寸的風洞內測試高溫狀態下的空氣動力性能。高溫狀態下消防排煙風機的流量、壓力、全壓效率按照GB/T 1236-2000 中規定的方法進行，選用的試驗裝置為按照GB/T 1236-2000中18.2節處規定的裝置。

消防排煙風機在耐高溫試驗過程中，需要通過調節電動調節閥葉片的啟閉狀態(模擬紙貼片)來控制風機的風量，以便測量排煙風機在高溫環境下的空氣動力性能，流量、壓力和全壓效率按照GB/T 1236-2000 規定的方法進行測量；風機的振動按照JB/T 8689-1998 規定的方法進行測量。

3 測試平臺搭建設計方案

測試平臺的搭建主要針對移動式消防排煙風機的性能測試，主要功能模塊及設備有：空氣動力性能測試裝置和高溫運轉試驗裝置。

通過分析測試項目的特點與需求(檢測的消防排煙風機直徑為400 mm)，加之試驗場地空間的限制，對測試平臺進行綜合優化設計，將2種試驗裝置的功能進行整合，以節省資金和占地面；另一方面拓展和預留一些試驗功能，以提升本平臺的測試能力和試驗水平。

消防排煙風機綜合性能試驗系統主要包括：耐火試驗垂直爐、燃燒控制部分、燃氣氣化和減壓系統、壓力釋放和壓力測量系統、煙氣排放系統、計算機控制系統、樣品試驗架(消防排煙風機、通風管道)各1套、氣體流量測量系統、溫度測量系統(爐溫數據采集系統、試驗構件溫度采集系統)及專用試驗軟件。

3.1 平臺硬件設備

(1) 耐高溫試驗爐。試驗爐為垂直立式試驗爐，爐內尺寸：2.5 m×2.5 m×2.5 m(長×寬×高)。如圖1所示。

圖1 消防風機試驗平面圖(定制)

爐體采用內外5層結構，內為1 300 ℃時，外層溫度為常溫。從外到里分別為：第1層為鋼結構框架；第2層用紅磚砌成外圍；第3層為耐火高溫石棉；第4層為耐火磚；第5層為莫來石耐火高溫棉，耐火溫度達到16 000 ℃。爐體不超過450 ℃。爐子的建造采用美國GOVMARK(哥馬克)技術。

高壓燃燒器內使用管道天燃氣，流量為25～50 m3/h，并在點火失敗和火焰熄滅時，燃燒器內的自動報警裝置會發出警報；燃燒器配置相應的燃氣調節閥和空氣調節閥，可以自動調節空氣和燃氣的比例，使燃氣能充分燃燒，達到最佳燃燒效果。爐內的噴火槍數量滿足標準時間-溫度曲線(見圖2)要求，并保證爐內各點溫度的均勻性。點火控制方式采用計算機程序自動高壓電子點火控制方式。

圖2 標準升溫曲線

燃氣管路和空氣管路由電動執行器、蝶閥、空燃比例閥、二級減壓閥、手動蝶閥、點火控制器、高低壓力開關、燃氣超壓放散閥、氣化爐、燃氣氣液分離器、一級減壓閥、液相切換閥、燃氣壓力表、低壓表、球閥、燃氣泄漏報警器、不銹鋼軟管、燃氣高壓軟管等組成。根據氣源供應情況相應調整管路系統構成。

(2) 溫度測量系統。溫度測試及控制系統按照GA 211-2009標準進行設計:消防排煙風機迎火面的氣流溫度采用符合GB/T 16839.1規定的直徑為2.0 mm的K型鎧裝熱電偶(耐溫1 300 ℃以上)進行測量：熱電偶的熱端超出不銹鋼套管或瓷套管約25 mm，且均勻分布在距風機進氣口100 mm的平面上，布置數量為12支，其測量端距管壁100 mm。熱電偶所測溫度取平均值即為試驗溫度。

標準試驗溫度為150～600℃內任一預先設定值，試驗溫度數值記錄的時間間隔為10 s一次。

移動熱電偶：1支，符合GB/T 9978.1-2008要求；采用手持紅外線測量儀測量。

內部熱電偶：4支，符合GB/T 9978.1-2008要求。

環境溫度測量：采用直徑為3.0 mm的鎧裝熱電偶，符合GB/T 16839.1規定的大型鎳鉻-鎳硅的K型熱電偶。

消防排煙風機的氣流溫度：可在150 ～600 ℃內任一設定值保持恒定，且在點火后2 min內，爐內溫度能升至設定的標準溫度。

爐內溫升曲線：每次最大燃燒持續時間360 min，最高溫度1 300 ℃，溫升曲線應按圖2進行。

升溫曲線公式為

T=345×lg(8t+1)+20

(1)

爐溫平均性：熱電偶采集溫度與標準曲線差值<100℃，溫升控制偏差量de滿足如下要求，即

(2)

爐膛溫度采集：選用K型鎧裝熱電偶，不少于12個溫度采集點。耐溫1 300 ℃以上，爐溫數據采集系統具有實時曲線、歷史曲線存儲功能，熱電偶斷路、短路報警功能，測量儀器的準確度。

測量溫度：爐內 ±15℃；環境及背火面：±2.5 ℃；試驗爐外表溫度：常溫；爐內壓力：±3 Pa；流量：±2.5%；時間：±1 s/h；消防排煙風機壓力：±3 Pa；消防排煙風機流量：±5%，符合GA 211-2009標準；消防排煙風機的振動：±5%。

2月16日，水利部與浙江省人民政府在杭州簽訂《貫徹落實中央1號文件共同推進浙江水利改革發展促進浙江海洋經濟示范區建設的合作備忘錄》。雙方將共同落實好合作備忘錄確定的各項任務，共同推進浙江水利跨越式發展。

(3) 壓力測量系統。爐內壓力測量：測量范圍0～100 Pa;采用美國進口微差壓力計，為T形測量探頭，測量精度±0.5 Pa。共3個，測量時壓力計距離試驗爐口約100 mm，安裝在爐內3 m高度，每隔1 min記錄1次,記錄設備準確度為1 s，數據采集為3次/s。微差壓力計具有超壓保護功能，爐內壓力高于100 Pa執行程序超壓保護，停止供氣，終止試驗；符合GB/T 9978.1-2008標準。

爐膛壓力控制及數據采集，爐膛壓力能保證根據各個標準要求與排煙系統組成控制回路進行實時控制。

T形測量探頭：采用USU310S耐高溫的不銹鋼管，從爐內穿過爐墻到達爐外，爐內和爐外的壓力保持同一水平高度。

壓力變送器：美國阿爾法高精度壓力傳感器，共3個：1個置于理論地面100 mm范圍內，1個置于門或卷簾高度三分之二處100 mm范圍內，1個置于門或卷簾頂部100 mm范圍內。測量壓力值為階梯壓力值，頂部壓力值試驗開始5 min之內為15 Pa±5 Pa，10 min后為17 Pa±3 Pa。

(4) 壓力釋放系統

控制爐內的壓力，依靠爐體壁后側爐壁上的兩個連接到排煙管道的排煙孔，可將爐體內的煙氣排出。爐內送風和排風采用11 kW強力風機2組以及變頻器進行控制，其風量大小由計算機程序自動控制以達到燃燒、壓力和排煙的要求。

壓力釋放管路：在爐膛內的部分采用耐高溫直徑300 mm的USU310S不銹鋼管，能耐高溫1 300 ℃，在爐膛上開有手動閥用作風冷卻。在爐膛外采用壁厚5 mm的焊管，在內設有14處水噴霧頭用作水蒸氣冷卻。排出的煙氣可降到60 ℃。

壓力釋放功率：采用AC380 V，15 kW耐高溫的高壓風機。

冷卻方式：采用風冷和水蒸氣2種同步冷卻方式。冷卻管路3 m左右，冷卻效果非常好。

爐膛壓力控制及數據采集，爐膛壓力能保證根據以上各個標準要求與排煙系統組成控制回路進行實時控制。

觀火孔：在爐體后側壁設有觀火孔，用來觀察試驗時試件受火面和火焰的情況。溫度采集等必要措施。

燃氣報警器：2個；用于燃氣室和試驗現場。

(5) 樣品試驗架。消防排煙風機耐高溫樣品試驗架由集流器、電動風量調節閥、風機空氣動力性能測試管道(標準化風道)、消防排煙風機、消防排煙風機的后連接管道以及消防排煙風機的測振儀傳感器、流量、壓力、溫度、時間、全力效率的測量系統組成，如圖3所示。

圖3 高溫狀態下消防排煙風機空氣動力性能試驗管道連接示例

為形成一個熱流循環，消防排煙風機耐高溫樣品試驗架管道的出口與入口均與爐內相通；風機的前、后連接管道選用5.0 mm厚的不銹鋼板制作。標準化風道的尺寸和形狀滿足GB/T 1236-2000的規定。

所有風管之間用法蘭盤連接；標準化風道的尺寸規格為NO.4.0，前、后連接管道一套。風道均含有集流器、電動風量調節閥、溫度測量、壓力測量、流量測量、測振儀、整流柵、變徑接頭、風帽等設備。

(6) 煙氣排放系統。在爐膛頂上裝有錐形煙氣收集塔，收集爐膛前試樣試驗時泄漏的煙氣。收集煙氣管道采用直徑300 mm的管路，直接連通壓力釋放系統。

風機功率：15 kW，為高溫強力引風機。

錐形收集塔：采用厚2.0 mm，USU304不銹鋼板，用于燃燒煙氣的收集與凈化清理，保證試驗場的環境安全。

(7) 計算機控制系統及數據采集。儀器配置：主體試驗部分包括立式耐火爐、燃燒控制系統、排煙系統、爐溫數據采集系統、試驗構件溫度采集系統、漏風量檢測系統、排煙閥系統、排煙風機耐火性能系統的檢測、排煙風機空氣動力性能測試系統、控制電腦、檢測設備專用軟件。

控制系統硬件主要包括日本三菱PLC 1套、16位高精度采集卡通道為64個、溫度變送模塊60個。數據采集分析軟件能基于OPC開放式，利于后續功能開發，以及數據采集的添加，包括：主控界面，爐溫曲線界面，壓力顯示、試件溫度界面，具有歷史數據存儲、查詢等功能以及可轉為Excel文檔保存。同時，增加數據調取功能，可以加載以往的試驗數據進行重新計算并形成報告。軟件終身免費升級。

試驗記錄(3 s/次)按編號存儲，可隨時查詢；可以實時查看試驗報表打印效果，只需點擊開始、計算和保存等按鈕就可完成，使用簡便。

(8) 安全防護。防機械傷害：在各設備與爐體、設備與設備之間均留有工作檢修場地，以便安全通行檢修。各風機的皮帶輪、轉軸、皮帶等均用安全網罩起，各動力設備四周均有防護欄和警示牌；燃燒機具有良好的防爆性能；各處的閥門、管道接頭、焊接等部位不得泄氣；在各操作平臺四周均設有防護欄，爬梯外側設有安全罩。總裝配圖如圖4所示。

圖4 總裝配圖

3.2 平臺安全保障

消防排煙風機綜合性能試驗系統占地面積65 m2，層高不小于3.3 m，承重150 kg/m2。

配置220 V及380 V兩種電源，統一布線，交流電為三相五線制，50 Hz，總功率不小于10 kW。

提供25～50 m3/h2管道天然氣，以確保安全，增加空燃比例閥，使燃氣充分燃燒，達到最佳燃燒熱值。

燃氣供應及控制宜單獨分割房間，如場地允許可放置于室外。整體試驗室為3部分規劃：(1)燃氣和空氣室為一獨立房間；(2) 控制室和觀察室為一獨立房間；(3) 試驗區域放置在大的空間里，四面須通風良好。整體試驗室規劃圖如圖5～圖7所示。

圖5 試驗區

圖6 空氣和燃氣放置室

圖7 控制和觀察室

4 測試系統軟件介紹

在排煙風機性能試驗裝置和測控硬件的基礎上，采用Windows XP操作界面、全球精密設備專用開發軟件LabVIEW，編寫了包括測試參數的設置、試驗數據的采集、信號的分析與處理、數據的存儲查詢、試驗報告的生成等多個功能模塊的測控系統軟件。測試期間能夠實時顯示出測量結果，并動態地繪制性能曲線，數據可以永久保存、調閱和打印輸出,可直接打印報表。軟件具有高智能、引導式菜單操作，簡便直觀的特點，使試驗結果更加準確。

4.1 LabVIEW開發環境

LabVIEW是美國儀器公司NI開發的基于圖形編譯語言(G語言)的試驗室虛擬儀器集成環境[8]，采用直覺式圖形程序語言，界面友好直觀，簡化了編程過程，使控制控件易于掌握。

LabVIEW的開發環境包括前面板、框圖程序和圖標/連接端口等3個部分，另外具有工具模塊、控件模塊和功能模塊等3個可移動的圖形化工具模塊。

4.2 軟件功能模型

LabVIEW采用了模塊化的結構，按照每個功能模塊作用，可分為基礎數據管理、測試任務管理、測試設置、測試環境數據采集、性能測試數據采集、測試數據處理、歷史數據查詢以及報表生成8個模塊。系統結構如圖8所示。

圖8 風機空氣動力性能測試系統軟件功能結構

5 結 論

本文將耐高溫性測試和空氣動力性能測試這兩個關鍵內容進行綜合整合，并嚴格按照一系列風機性能測試國家標準，設計出了一套綜合性能測試平臺，該平臺能夠實現風機關鍵性能的準確測量，滿足各項測試標準，并能在硬件與軟件系統的功能下實現測試參數的自動采集、試驗數據的自動處理與性能曲線的自動繪制。

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[1] 徐志勝，姜學鵬. 防排煙工程[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[2] 徐洪海,莊益孌,裘科名,等. 消防排煙風機檢測實案分析[J]. 風機技術,2017(S1):35-38,58.

[3] 高宇飛,程遠平,汪磊,等. 溫度對排煙風機及風管的性能曲線和特性曲線的影響[J]. 消防技術與產品信息，2007(1):27-30.

[4] 肖忠祥．數據采集原理[M]. 西安：西北工業大學出版社，2001.

[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB 27901-2011：移動式消防排煙機[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[6] 中華人民共和國公安部.GA 211-2009：消防排煙風機耐高溫試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[7] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 1236-2017：工業通風機用標準化風道性能試驗[S]. 北京：中國標準出版社，2017.

[8] 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2005.