換流站封堵復(fù)合板抗火性能研究*

侯 東 劉曉圣 姬 軍 王廣克 聶京凱

(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司， 北京 100032)

換流站是電力系統(tǒng)重要的組成部分，若發(fā)生火災(zāi)，將嚴(yán)重影響居民的日常生活，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外曾發(fā)生過多起換流站火災(zāi)，如2019年泉城換流站火災(zāi)造成1死2傷，同年的沂南換流站火災(zāi)造成變壓器及設(shè)備被燒毀損壞，而一些具有防火封堵的電廠，即使發(fā)生火災(zāi)，損失也會減少，如1994年北京石景山電廠火災(zāi)，電纜隧道全部燒毀，但是地面控制設(shè)備卻完好無損；2004年重慶電信大樓火災(zāi)，一樓二樓完全過火，但是移動通信機(jī)房卻幸免于難[1]。鑒于此，國內(nèi)外均制定了防火封堵材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外學(xué)者也對防火封堵材料進(jìn)行了大量研究。Ackerman研究了阻火貫穿件和多種密封劑的特性，結(jié)果表明使用滲透劑可以使試件在火災(zāi)中保持剛性[2]；Nam通過研究發(fā)現(xiàn)防火貫穿件可以防止火災(zāi)的擴(kuò)散以保持防火封堵墻和地板的完整性[3]；Marsden等研究了一種新型的可應(yīng)用于PEX和PEX-AI-PEX管道的阻火器，結(jié)果表明：PEX和PEX-A1-PEX管在室溫下的性能相似，但在高溫下的性能差別很大，PEX-Al-PEX管道在高溫載荷下更易破碎[4]；鐘偉華考慮到換流站內(nèi)部的電磁環(huán)境，將新型材料應(yīng)用于換流站內(nèi)部的電纜屏蔽和防火封堵，結(jié)果表明新型的防火封堵模型可以有效地屏蔽電磁場，并穩(wěn)定換流站內(nèi)部的磁場，具有封堵效果好，施工方便等特點(diǎn)[5]。Sun提出了防火封堵技術(shù)的綜合應(yīng)用，以新型防火封堵片為代表，介紹了防火封堵產(chǎn)品的現(xiàn)狀，并進(jìn)行了原因分析，最后從產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品選擇和施工應(yīng)用四個方面提出了相應(yīng)的建議，試圖為解決防火封堵問題提供一些新的思路和方法[6]；張苗研究了防火封堵對抑制火焰?zhèn)鞑サ淖饔?，利用FDS軟件模擬了不同寬度、不同位置防火封堵下幕墻保溫系統(tǒng)的火災(zāi)蔓延情況,討論了防火措施和抑制火焰?zhèn)鞑サ挠行院涂尚行?并提出了最優(yōu)的防火構(gòu)造組合[7]；朱輝利用ANSYS軟件對防火密封墻進(jìn)行了熱分析,通過分析溫度場、熱通量和溫度梯度等主要熱力學(xué)參數(shù)得出了更為優(yōu)秀的防火墻結(jié)構(gòu)[8]。基于國內(nèi)外的研究，本文采用ANSYS 軟件對HC標(biāo)準(zhǔn)溫升條件下的單層及多層不同厚度復(fù)合夾芯板的防火性能進(jìn)行了研究，得到了各防火板背火面的溫升曲線及耐火極限，提出新的耐火性能高、可用于換流站的防火封堵的復(fù)合夾芯板。

1 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

1.1 模型及邊界條件

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性，選取文獻(xiàn)[9]中的單面受火條件下的巖棉夾芯板溫度場進(jìn)行模擬，并進(jìn)行了對比驗(yàn)證，所用模型如圖1所示。

a—文獻(xiàn)[9]中的模型； b—本文模型； c—局部網(wǎng)格。Ls為巖棉板表面包被的鋼板厚度；Lg為巖棉板厚度；T1,T2均為巖棉板與鋼板夾層面的溫度。

考慮瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程，采用熱源為ISO 834的標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線：

Ts(t)=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中：Ts(t)為t時刻的溫度；T0為初始溫度；t為時間。

其他熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 熱力學(xué)參數(shù)

鋼板及巖棉接觸面間的熱傳導(dǎo)系數(shù)λ采用式(2)計算：

(2)

式中：λs和λc分別為鋼板及巖棉的熱傳導(dǎo)系數(shù)，J/(kg·K)。

1.2 結(jié)果對比

圖2為本文和文獻(xiàn)[9]數(shù)值模擬得到的背火面溫度對比。可知：兩者升溫曲線趨勢一致，最大誤差為8.37%，吻合度較高，說明本文的數(shù)值模擬方法是正確的。產(chǎn)生誤差的主要原因在于兩者使用的巖棉板的熱工參數(shù)的差別。本文是針對換流站進(jìn)行數(shù)值模擬，所以采用的是換流站防火封堵材料常用的熱工參數(shù)值，如表2所示，而文獻(xiàn)[9]所用熱工參數(shù)為建筑常用值，即巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.035+0.000 16T，比熱容為1 030 J/(kg·K)，密度為120 kg/m3。

圖2 背火面溫度對比

2 計算模型及邊界條件

選用巖棉、硅酸鋁針刺毯、ALC(加氣水泥)板等材料進(jìn)行換流站封堵防火板的設(shè)計。為了加固組合防火板，選用碳鋼作為組合板的表面;為了更好地理解組合板各板交界面處的溫度變化，也對碳鋼進(jìn)行了耐火極限的分析。所有板的長度×寬度均為1 m×1 m，厚度和組合方式如表3所示，密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物理參數(shù)如表2所示。耐火極限定義為背火面溫度任一點(diǎn)超過該點(diǎn)初始溫度180 ℃時，便可以認(rèn)為構(gòu)件失去隔熱性，達(dá)到其耐火極限。

表2 材料熱力學(xué)參數(shù)

表3 不同材料隔熱板厚度

3 仿真結(jié)果分析

3.1 單層板耐火極限

巖棉、硅酸鋁針毯、碳鋼、ALC四種材料單板背火面的溫度隨時間變化曲線如圖3所示?？芍?，碳鋼對于熱量的阻隔效果最差，2 743 s便達(dá)到了耐熱極限，且后續(xù)背火面溫度上升和時間呈現(xiàn)出線性關(guān)系，升溫較快，不適合作為防火板的主要材料。

圖3 四種材料的背火面溫度隨時間的變化曲線

巖棉材料在2 935 s達(dá)到了耐火極限，與鋼板不同的是，巖棉板在后續(xù)的加熱中溫度上升趨勢逐漸變緩，經(jīng)過3 h的加熱，背火面溫度最終達(dá)到283 ℃。

ALC與硅酸鋁材料的耐火性能最好，到達(dá)耐火極限時都達(dá)到8 000 s以上，并且經(jīng)過3 h的加熱，ALC與硅酸鋁板的背火面最高溫度分別為185.65 ℃與190.77 ℃。二者從整體升溫趨勢來看，硅酸鋁的溫度均在ALC之上，但是硅酸鋁的升溫趨勢較為平緩，而ALC板的溫升曲線斜率更大且在3 h加溫結(jié)束時二者溫度比較接近，可以預(yù)期在更長時間的加熱中ALC板的耐火性能可能會低于硅酸鋁板。

ALC板在安裝與運(yùn)輸中很容易損壞，使得ALC板在作為防火板使用時，受到很大的局限，又因?yàn)锳LC板一旦出現(xiàn)破損，后續(xù)的修補(bǔ)非常容易脫落，這給后期防火板的維護(hù)造成了很大的難度，所以硅酸鋁材料是換流站隔熱板的理想材料。又由空氣的導(dǎo)熱系數(shù)極小可知，在理論上多層夾芯板在相同厚度下的隔熱性能要強(qiáng)于單一固體材料制成的隔熱板。所以本次最終選用多層夾芯板作為隔熱板進(jìn)行研究。采用硅酸鋁作為夾芯板的主要材料進(jìn)行不同條件下的防火性能研究。

3.2 空氣層厚度對夾芯板耐火極限的影響

對于多層夾芯板的熱力學(xué)模擬，首先固定兩側(cè)硅酸鋁的厚度，通過改變中間的空氣層厚度來觀察空氣層厚度對夾芯板耐火極限的影響，模擬結(jié)果如圖4所示?？芍?，背火面溫度隨著空氣層厚度的增大而減小，其中只有空氣層厚度為20 mm厚時，夾芯板于9 543 s到達(dá)耐火極限180 ℃。

圖4 不同空氣層厚度夾芯板背火面的溫度隨時間的變化

圖5給出了背火面溫度隨空氣層厚度的變化曲線?？芍?二者呈線性關(guān)系,并滿足關(guān)系式:

圖5 背火面溫度隨空氣層厚度的變化曲線

T=197.2-0.87x

(3)

式中：T為背火面溫度,℃;x為空氣層的厚度，mm。

為了更深入地研究夾芯板中空氣層對背火面溫度的影響，圖6給出了夾芯板各個交界面處的溫度曲線。

圖6b為1 mm厚鋼板面與硅酸鋁間夾層的溫度。可知，升溫曲線與環(huán)境升溫曲線基本相同。這是由于鋼板導(dǎo)熱性能良好，且厚度僅為1 mm，對溫度傳導(dǎo)影響非常低。

圖6c為硅酸鋁與空氣層的夾層的溫度，即經(jīng)由厚度為40 mm的硅酸鋁到達(dá)空氣層時的溫度?？芍獪厣€的趨勢與溫差值都很小。

a—交界面標(biāo)號； b—交界面1； c—交界面2； d—交界面3； e—交界面4。

圖6d為溫度經(jīng)由空氣層到達(dá)硅酸鋁面時的溫度，各夾芯板的溫差主要出現(xiàn)在這個夾面?？芍嚎諝鈱釉胶?，升溫越慢；加溫3 h后，空氣層厚度為50 mm的防火板升溫到570.48 ℃；空氣層厚度為20 mm的防火板升溫到675.43 ℃，兩者溫差為104.95 ℃。

圖6e為熱量穿過第二層硅酸鋁到達(dá)鋼面的溫度?？芍寒?dāng)空氣層厚度為20,30,40,50 mm的夾芯板時，這一層的最終溫度分別由交界面3的675.43，638.44，602.27，570.48 ℃降到187.95，175.98，166.96，159.04 ℃。此層降溫效果最大，對比第一層硅酸鋁的降溫情況，最后一層降溫如此之大的原因是，第二層硅酸鋁的加熱面所受溫度較小，升溫時間較第一層硅酸鋁有滯后，所以溫度下降得多。因此，對于復(fù)合夾芯板來講，硅酸鋁厚度相等時，背火面溫度隨著空氣層厚度的增大而減小，夾芯板組合方式中厚度為1-40-50-40-1時的耐火性能最好。

圖7給出了不同空氣層厚度的夾芯板在加熱3 h后的溫度分布。由圖7可以較為直觀地看出各層上的溫度分布。即溫度基本上都集中于迎火面一側(cè)的硅酸鋁板上，經(jīng)過空氣層時溫度會急劇下降，體現(xiàn)出多層夾芯板較單層板在相同厚度下有更強(qiáng)的隔熱能力。

a—1-40-20-40-1； b—1-40-30-40-1； c—1-40-40-40-1； d—1-40-50-40-1。

3.3 硅酸鋁厚度對夾芯板耐火極限的影響

圖8給出了相同空氣層厚度、不同硅酸鋁厚度夾芯板背火面溫度隨時間的變化情況?？芍?，硅酸鋁的厚度為30 mm時，加溫9 372 s時背火面溫度達(dá)到耐火極限值180 ℃，其余各厚度均未達(dá)到耐火極限。

圖8 相同空氣層厚度、不同硅酸鋁厚度夾芯板背火面溫度隨時間的變化

為了進(jìn)一步分析硅酸鋁厚度對溫度的影響，依然給出夾芯板各個交界面處的溫度變化曲線，如圖9所示?？芍翰煌杷徜X厚度時，前三層的溫差較小。由此可見，對于固定空氣層厚度時，第二層的硅酸鋁厚度對于背火面的溫度影響更大。

a—交界面1； b—交界面2； c—交界面3； d—交界面4。

4 火燒試驗(yàn)

由第3節(jié)的仿真結(jié)果可知，多層夾芯板組合方式為碳鋼-硅酸鋁-空氣-硅酸鋁-碳鋼，當(dāng)厚度分別為1，40，50，40，1 mm時的耐火性能最好，其加熱3 h后的溫度為153.7 ℃。為了測試其是否滿足耐火極限要求，進(jìn)行了火燒試驗(yàn)。相比于給定多層夾芯板受火面的HC標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，火燒試驗(yàn)時，受火面的溫升更快，對材料的耐火性能要求更高。

4.1 試驗(yàn)裝置

由于氣體燃料可以任意調(diào)節(jié)試驗(yàn)所需的熱釋放速率，故選取丙烷作為燃料[10]，用多孔氣體燃燒器模擬火源，燃燒器尺寸為0.1 m×0.1 m。試驗(yàn)中所需要的燃料由丙烷燃料罐供應(yīng)，并由氣瓶閥門控制以供給燃料，丙烷減壓閥安裝在氣瓶出口處以控制試驗(yàn)過程中的丙烷壓力。燃料的質(zhì)量流量由質(zhì)量流量計控制，可根據(jù)試驗(yàn)中需要的熱釋放速率來調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計的大小。

采用K型熱電偶來測量夾芯板受火面及背火面各節(jié)點(diǎn)的升溫過程。熱電偶由重金屬材料鎳鉻鎳鋁和鎳鉻鎳硅組成，其測溫范圍為-200～1 300 ℃。試驗(yàn)用多層夾芯板如圖10所示，熱電偶布置及數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場如圖11所示。

圖10 多層夾芯板

圖11 熱電偶布置及數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場

4.2 試驗(yàn)過程

1)首先進(jìn)行相同尺寸板的火燒預(yù)試驗(yàn)。多次調(diào)節(jié)丙烷供氣的質(zhì)量流量，使燃燒火焰盡量均勻地分布在板表面，且實(shí)時觀測板表面熱電偶讀數(shù)，使受火面溫度達(dá)到1 100 ℃，如圖12所示。

圖12 火燒試驗(yàn)

2)把板換成圖10中的多層夾芯板，使用1)中調(diào)節(jié)好的火源功率，開始進(jìn)行夾芯板的火燒試驗(yàn)，并實(shí)時監(jiān)測受火面各節(jié)點(diǎn)的溫度。

3)持續(xù)燃燒3 h，測定夾芯板背火面的溫度變化數(shù)據(jù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖13為夾芯板背火面升溫曲線?？芍?，火燒試驗(yàn)中得到的背火面的溫度快速升高到最高值后，在最高值附近有微小的波動。這是因?yàn)榛馃囼?yàn)中火焰蔓延需要一段時間，所以溫度有個上升段；當(dāng)火焰擴(kuò)散至整個受火面之后，燃燒處于穩(wěn)定狀態(tài)，受火面的溫度在平均值附近做微小波動，所以背火面的溫度也在平均值附近做微小波動。由火燒試驗(yàn)得到的背火面的最高溫度為165.9 ℃，小于180 ℃，滿足耐火極限，故符合設(shè)計要求。

圖13 夾芯板背火面溫升曲線

5 結(jié) 論

1)對單層ALC、碳鋼板、巖棉板以及硅酸鋁板，其耐火性能由大到小排列為:ALC板、硅酸鋁板、巖棉板、碳鋼板；

2)當(dāng)硅酸鋁厚度相等時，空氣層夾層的厚度對于背火面的溫度起決定性作用；

3)當(dāng)空氣層夾層的厚度相等時，前幾層對于溫度的影響并不大，最后一層硅酸鋁的厚度對于溫度影響最大；

4)對夾芯防火板進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)加大空氣層的厚度，并且可以嘗試設(shè)計夾層厚度不一的防火板，以在厚度一定的情況下，最有效地增強(qiáng)防火板的隔熱效能。