不同设计烟道在电厂火灾中的表现

发布日期：2022-10-12 00:00 来源：http://www.dehao.net 点击：

摘要

本研究旨在评估不同烟囱设计在不同火灾条件下的性能。研究内容包括实验测试和数值模拟。通过试验，对宾高德衬里系统在不同火灾条件下的性能进行了评价。数值模拟模拟了宾高德内衬特性，并与其它类型的烟道设计进行了比较。

调查的动机来自于这样一种认识，即关于目前使用的不同类型的烟囱烟道设计的火灾行为的信息非常少。在过去的20年里，许多发电厂的烟囱遭受了严重的火灾破坏，在1995年的一次火灾中，导致了烟囱的部分坍塌。在1996年的另一场大火灾中，使用了宾高德内衬系统，烟道的钢结构框架最终得到良好保护，火灾没有造成结构损坏。美国国家火灾事件报告系统(NFIRS)每年平均报告约60起发电厂的结构性火灾，烟囱火灾的风险是真实存在的

第一次试验遵循ASTM E-119标准建筑结构和材料防火试验方法中描述的规程。试验进行了两个多小时，在试验的后半部分，Pennguard块暴露在超过1000℃(1832F)的温度下。试验结果表明，该材料在高温下具有良好的热防护性能。裸露表面发生了熔化现象，但完整的砖衬背后的衬里完好。由于结构钢的温度从未超过240℃(464F)，很明显，在整个两小时的测试期间，宾高德砖内衬系统能够保护钢结构免受热损伤。

第二组测试是演示性质的，旨在评估用于宾高德砖块之间的连接处的粘合剂的防火性能。这组试验的结果表明，垂直壁上的宾高德胶的局部着火不会从火焰的初始位置传播出去。此外，一般的雾化水喷瓶就足以熄灭火焰。

数值模拟结果与实验结果吻合较好，说明即使在火灾发生的高温条件下，宾高德砖内衬的热特性也是可知的。该模型还用于研究火灾条件下两种常用的烟道结构形式;一个是C276合金包层，另一个是玻璃纤维增强塑料(FRP)。该模型显示了这两种现代烟道设计在烟道结构构件防火方面的弱点。

1.介绍

报告介绍了不同烟道设计在不同火灾条件下的性能调查结果。研究内容包括实验测试和数值模拟。通过试验，对宾高德内衬系统在不同火灾条件下的性能进行了评价。数值模拟模拟了宾高德内衬系统的特性，并与其他类型的烟囱设计进行了比较。调查的动机来自于这样一种认识，即关于这些不同类型的烟道设计的火灾行为的信息非常少。这是无视这样一个事实：即发电厂的火灾会对烟囱造成严重的破坏。至少在1995年7月的一起火灾中，导致烟囱部分坍塌。在1996年4月的另一场大火中，由于采用宾高德硼硅酸盐内衬系，烟道的钢结构框架得到了内衬的充分保护，火灾没有造成任何结构损伤。在那次事故中，只需要更换部分损坏的内衬。相同类型的烟囱烟道衬里系统可用于发电厂，以保护烟囱的结构组件免受高温和废气中的腐蚀性气体破坏。这种防腐蚀衬里在燃煤电厂烟气脱硫系统中尤为重要。这些脱硫系统用于从废气中去除二氧化硫。但通常会产生腐蚀性很强的冷凝物。此外。这些系统通常位于烟囱的内表面，含有足够数量的可燃建筑材料，足以引发大火

发电厂烟囱烟道衬里系统是用来防止高温和废气的腐蚀作用的。用于制造宾高德砖块的泡沫硼硅酸盐玻璃具有防腐和隔热性能。从理论上讲，这些综合性能应该在火灾时为烟囱的结构部件提供保护。然而，在目前的努力之前，衬砌系统从未在实际火灾条件下进行过实验室测试。Exponent被要求进行测试，并使用数据将Pennguard系统与其他常用的烟道衬里进行比较。

两个常用的替代系统包括完全由玻璃纤维增强塑料(FRP)制成的烟囱烟道和一个内部覆盖耐腐蚀镍合金(C-276或C-22)的碳钢结构烟道系统。

这些系统中的任何一个设计的目的是为烟囱的结构部件提供有效的热保护。

这项工作的目的是量化宾高德砖内衬系统提供的防火（热保护）性能，并将其与其他两个备选方案进行比较。一个标准的火灾试验被选为评估这一特性的首选方法。所选择的测试是ASTM E-119建筑结构和材料防火测试的标准测试方法。试验结束后，利用试验数据对宾高德内衬的热通量进行了数值模拟，并进行了验证。该模型随后被用来比较宾高德砖内衬系统与其他两个系统。报告分为四个部分。

第一部分是关于发电厂烟囱火灾的历史数据。本节提供与目前调查直接有关的事件的选定细节。

第二部分是实验室火灾暴露测试结果。

第三部分给出了模型验证结果，并与其它类型的烟道结构进行了比较。

最后一部分是对研究结果的一般性讨论，并给出了总体结论。

2、发电厂火灾

美国国家火灾事故报告系统(NFIRS)在1983年至19985年间报告了1000多起发电厂的建筑火灾。这意味着在此期间，美国发电厂每年平均发生约60起结构性火灾。许多这样的建筑火灾导致了烟囱的损坏，至少有一例。1995年7月1日，在堪萨斯城电力与照明(KCPL)拉塞涅站发生火灾。大火造成了烟道部分坍塌。根据NFIRS的数据库，1983年至1998年期间的La Cygne站火灾和其他六起火灾都是由发电厂的烟囱引起的。由于NFIRS数据收集的自愿性和不完全性，这七起事故可能代表了同一时期内涉及烟囱的发电厂火灾总数的不完整清单。

根据现有的信息。La Cygne站的火灾是由FGD系统引起的。烟气脱硫出口管道和钢烟囱烟道内衬有机涂层系统。涂层系统被认为着火了，在烟囱里产生了足够的热量来削弱钢。由于钢的弱化。720英尺高的钢烟道在大约230英尺的高度弯曲，导致烟道更换部分坍塌，需要更换400英尺以下的烟道。烟囱的修理是修理工程中最耗时的部分。翻新烟囱花了12个星期的时间。

1996年4月27日。La Cygne站的火灾不到一个星期后，另一个重大火灾在一个FGD系统发生在恩迪科特站在密歇根州。在火灾中。罗伯·莫里斯一名密歇根州南中央电力局(MSCPA)的员工报告说，在250英尺高的烟囱顶部，有10到15英尺高的地方起火。因为高度、设计及FGD单元和管道系统的布局等原因，消防部门无法有效地灭火，而是集中精力保护附近的其他建筑物。通过限制进入烟气脱硫装置的气流，最终扑灭了火灾，但在此之前，烟气脱硫装置内的大部分可燃物质已被大火吞噬。在这种情况下。烟囱的烟道由宾高德砖内衬系统保护，尽管衬里因火灾的高温而受损，但烟囱幸存下来。图1显示了火灾后宾高德砖内衬系统的典型表面损伤。由于内衬提供的热保护，烟囱结构未受破坏，在电厂维修期间节省了大量的时间和金钱。

这张照片是在140英尺高的烟囱里拍摄的

2.宾高德砖内衬系统防火试验

进行了两组试验，以确定在不同的火灾暴露情况下宾高德砖内衬系统的行为和耐力。

第一个测试包括将墙体部分暴露在一组预先确定的火灾条件下，为了模拟火灾对底层结构材料的影响。所进行的测试遵循ASTM E-119标准测试方法中描述的规程，用于建筑结构和材料的防火测试。在测试的后半部分，该测试在温度超过1000C的条件下进行了两个小时。测试的描述和结果的讨论将在下一节中介绍Ð

第二组测试在本质上是演示性的，特别设计用于确定宾高德砖内衬系统暴露表面的胶粘剂火灾传播特性。宾高德砖本身是由硼硅酸盐玻璃制成的，不会燃烧或传播火焰，但砖与砖之间的连接处使用的粘合剂是由石油和易燃的塑料制品混合制成的。其目标是，如果能够点燃粘合剂的小火能够沿着接头蔓延，并导致覆盖着三角旗护衬的烟囱道内的大火。这种类型的测试将代表一种事故，即在烟道附近或内部进行的热工意外地在局部区域点燃了粘合剂而导致火灾。

这些演示试验的结果将在ASTM E-119试验结果讨论之后的章节中进行讨论。

ASTM E-119标准，这一测试标准被建筑行业用来正式确定一个墙体组件能够控制火灾并保持其结构完整性的时间。根据典型的安装程序，本研究中进行的测试涉及安装在4英寸碳素钢板上的宾高德砖内衬系统的墙体。在测试期间，将墙体暴露在标准时间-温度曲线中，如图2所示。这个时间-温度曲线代表了一个严重的火灾情况，在测试开始不到5分钟，炉内空气温度超过500℃(932°F)，而在测试结束前，炉内空气温度刚好超过1000℃(1832 F)。试验结束时的温度足以熔化大多数铜合金，即使在实际的大规模火灾中也不经常能达到这种条件。

图2 电炉时间-温度曲线为2小时ASTM E-119标准测试

内衬试验墙用碳钢板是典型的烟囱烟囱结构材料。为了建造墙体，首先在钢板上涂上有机底漆，主要用于防护，同时也为胶膜提供良好的表面。将约0.125英寸的粘合剂胶膜层涂于底漆表面，然后安装砌块。粘合剂也用于密封块之间的接缝。在进行测试之前，该组件被晾了大约一个星期。图3显示了测试前完成的5英尺高和6英尺宽的Pennguard墙壁组件。

图3.试验前的衬贴宾高德砖内衬系统的墙体， ASTM E-119

墙壁上安装了热电偶，以测量宾高德砖块暴露表面和钢板背面的温度。由于块内的其他位置安装困难，使得测量结果不确定和不可靠，因此未能在砌块内的其他位置测量温度。如图所示，图4显示了两个小时的测试中炉内空气、宾高德砖表面和钢板背面的温度测量结果。由于空气炉温度传感器位于保护钢管内，这些传感器的时间响应非常慢。由于这种缓慢的响应时间，这些空气温度测量低估了在测试的前20分钟温度快速升高时的实际温度。这种预测不足的情况在试验早期的图中可以清楚地看到，根据数据，当时的气温测量值低于宾高德砖表面的温度。总的来说,在两个小时的测试中，即使宾高德砖表面温度接近900℃(1652 F)时，钢板背面的温度也不会超过240°C (4649F)。当温度低于240℃(464F)时，钢不会受到任何热损伤，屈服强度的损失可以忽略不计。

图4 ASTM E-119测试期间的温度测量

图5为试验后的宾高德墙体的情况。图中所示的砌块暴露的表面已被表面熔化，粘合剂已部分消耗，但墙壁的完整性没有受到损害。墙面的整体外观与恩迪科特站（Endicott）站火灾后的外观相似，如图1所示。试验和实际火灾在表面损伤方面的相似性表明了恩迪科特站火灾的严重程度。

图6为去除中间部分墙体砌块后钢板表面未破损的有机底漆。这进一步表明，用于墙体结构部分的碳钢没有被防火测试损坏。

图5 经过ASTM E-119测试后的墙体表面

图6 墙体经过ASTM E-119测试，显示钢板的底漆涂层状况

3.2燃烧传播试验

在这组试验中，建造了两小段的宾高德砖内衬墙体。两段墙体大约5英尺高，18英寸宽，代表了两种典型的砌块组装模式。图7显示了安装在这些测试中使用的燃气燃烧器上的两个壁段。左边的墙部分代表一个块与块对齐的组件，右边的部分代表更常见的交错组装方式，其中的接缝在垂直平面上停止。

图7 在火焰传播测试之前，在燃烧器上安装了两段小壁板

进行了三项试验，其中两项是研究火焰沿节理的传播，另一项是确定节理中的火是否容易扑灭。在每一项测试中，燃烧器都被打开，以点燃位于墙壁底部连接处的宾高德粘合剂。图8显示了在打开燃烧器的情况下进行的第二次火焰传播测试。图9显示了在关闭燃烧器之后，在相同的测试中燃烧的粘合剂。

图8 打开燃烧器进行火焰传播试验

图9 燃烧器关闭后火焰传播试验

对火焰传播测试,无论建筑类型,一旦关闭燃烧器，火焰将在8分钟或更少的时间内自我熄灭。在燃烧器关闭后，火焰向上传播的高度不超过12英寸，在交错组装的情况下，火焰向上传播的高度不超过2英寸。完整的试验结果汇总如表1所示。对于每个测试，表格包括燃烧器打开的时间、关闭燃烧器时火焰的高度、最高火焰的高度、熄灭前垂直火焰的总级数和熄灭的时间。

最后进行的测试是为了确定扑灭联合火灾的难度。采用简单的手泵喷雾瓶进行实验。只需喷几下喷瓶，火苗就熄灭了。试验结果表明，在这种情况下，多种类型的抑制技术可用于控制粘结火灾。Ðu36825?组火焰传播试验的结果表明，在垂直壁上局部粘贴宾高德胶上燃烧的火焰不会远离火焰的初始位置。这是真的，即使在墙壁有一个连续的垂直接头的情况下。此外，几乎任何可用的抑制技术的应用都足以熄灭燃烧的节理。

4.火灾模拟

建立了一个数值模型来重现前一节介绍的ASTM E-119试验中通过翼板墙的热流密度。其目的是验证对墙体的加热过程是可以被理解的，并且宾高德砖块在高温下的热特性是可知的。然后，将该模型应用于其他类型的烟道结构设计中。目前的工作调查了这两种常用的建筑类型;一个是用合金C276包层碳钢建造的，另一个是用FRP建造的，既能防腐蚀又能支撑结构。

试验数据与模拟结果的对比如图10所示。该模型中只有一个参数是使用当前的测试数据集设置的，其他所有参数都是使用可用的数据和已知的相关性确定的。由于辐射的不确定性，炉膛空气与宾高德壁面之间的对流换热系数，无法通过经验确定。设置了参数值，使模型中宾高德壁面温度与试验数据相匹配。从图10可以看出，在炉内空气温度报告不足所产生的初始偏差之后，该模型可以准确预测墙体另一侧的碳钢板温度。在最后一个小时的测试中，测量值与模型之间的良好一致性验证了模型的正确性，并表明即使在如此高的温度下，模型中使用的宾高德砖内衬系统的热特性也得到了很好的重现。

图10 试验数据与模拟结果的对比

利用该模型研究了相同火灾条件下两种常用烟道施工系统的热防护性能。

如图11所示：烟道采用0.25英寸碳钢板，内部包覆0.0625英寸C276合金。因为合金包层的温度只比钢板的温度高几度，所以在图11中没有再现该温度。根据模型，试验开始大约60分钟后，支撑钢板的温度将达到550°C (1022 F)。在那样的温度下，一块典型的A-36碳钢板的屈服强度会降低一半，烟囱的完整性也会在那时受到威胁。即使不屈服，到那时钢板也会过热，并对钢和合金镀层造成永久性损伤。

图12为典型的0.75英寸厚玻璃钢烟囱烟道的建模结果。根据该模型，试验开始约30分钟时，烟道背面的FRP已达到200℃(392F)，试验开始约20分钟时，FRP墙中点的温度已达到200℃(392F)。这种200℃(392F)的温度高于玻璃钢在这类应用中的玻璃化转变(Tg)温度。当达到(Tg)温度时，FRP的分子结构从刚性结晶聚合物转变为更灵活的非晶聚合物。这种分子结构的变化导致树脂模量(刚度)以及复合材料的抗压和抗剪强度急剧下降。因此，当一半到全部壁厚内衬温度超过200°C (392F)时，烟囱的完整性将在20到30分钟内受到严重危害。

此外，玻璃钢制品的可燃性一直是人们关注的焦点。当玻璃钢位于炉边时，在25分钟的温度达到约500°C (9329F)，很明显，复合材料将会分解，并为火灾提供燃料。还有一种可能是，部分结构坍塌(如La Cygne火灾)和玻璃钢烟道的可燃性相结合，可能导致火灾蔓延到烟道之外，因为那里有更多的燃料和新鲜空气。可以确定的是，即使使用阻燃剂（如锑氧化物）加入FRP的配方。这类阻燃剂可以减少可燃气体的分解产生，降低FRP的火焰蔓延特性，但不能阻止FRP在大火高温下的分解过程。