高層建筑室內(nèi)消火栓系統(tǒng)可靠性分析

吳金亮

（機械工業(yè)第三設計研究院 重慶 400039）

高層建筑消防給水系統(tǒng)是高層建筑消防中的基礎結(jié)構(gòu),是其重要的組成部分。它的可靠性對保證高層建筑消防的作用有舉足輕重的影響。高層建筑消防給水系統(tǒng)的可靠性是指高層建筑消防給水系統(tǒng)在規(guī)定的條件下,在規(guī)定的時間內(nèi)，能夠完成規(guī)定的功能的能力。

1 消防給水系統(tǒng)的可靠性模型及可靠度計算

消防給水系統(tǒng)的可靠性常用可靠度來表示，它是消防給水系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi),完成規(guī)定功能的概率?？煽慷萊(t)是一種表示隨機事件發(fā)生可能性大小的一個量,是時間的函數(shù)。

1.1 消防給水系統(tǒng)的可靠性

任何系統(tǒng)的可靠性，均取決于組成它們的組件的可靠性，以及這些組件對該系統(tǒng)功能作用的影響。消防水系統(tǒng)的可靠性與組成該系統(tǒng)的單元（或組件）的數(shù)目、單元（組件）的可靠度以及單元（組件）之間的相互功能關系有關。通過建立消防給水系統(tǒng)模型,可以研究系統(tǒng)可靠度與單元(組件)可靠度之間的函數(shù)關系。根據(jù)組件連接方式的不同，消防水系統(tǒng)可分為非儲備系統(tǒng)、儲備系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)。儲備系統(tǒng)又可分為工作儲備和非工作儲備系統(tǒng)。非儲備系統(tǒng)實際上是一種串聯(lián)系統(tǒng)。消防給水系統(tǒng)對供水的要求較高,需要有足夠的保證率,故常采用儲備系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)的形式。在工作儲備方式中,可分為并聯(lián)系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)、表決系統(tǒng)。

1.2 消防給水系統(tǒng)的可靠性度量

消防給水系統(tǒng)的可靠性是由各單元的功能關系決定的,系統(tǒng)的可靠度也就由各單元的可靠度組合產(chǎn)生。

1.2.1 串聯(lián)系統(tǒng)可靠度計算

串聯(lián)系統(tǒng)是指只有當系統(tǒng)中所有單元都正常工作時,系統(tǒng)才能正常工作。若由n個單元組成的串聯(lián)系統(tǒng),假定第i單元的可靠度為fi(t),則系統(tǒng)的可靠度為所有單元可靠度的連乘積,即

1.2.2 并聯(lián)系統(tǒng)可靠度計算

并聯(lián)系統(tǒng)是有儲備系統(tǒng)的一種形式，組件并聯(lián)時，系統(tǒng)中有一個是基本組件，其余組件是儲備組件，故系統(tǒng)故障只有在所有組件都發(fā)生故障時才發(fā)生，系統(tǒng)的可靠度為：

1.2.3 混聯(lián)系統(tǒng)可靠度計算

串-并聯(lián)系統(tǒng)：由n個子系統(tǒng)串聯(lián)而成，每個子系統(tǒng)是由m個單元并聯(lián)而成，整個系統(tǒng)的可靠度為:

并-串聯(lián)系統(tǒng)：由m個子系統(tǒng)并聯(lián)而成，每個子系統(tǒng)是由n個單元串聯(lián)而成，整個系統(tǒng)的可靠度為:

2 高層建筑室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的可靠性

高層公共建筑室內(nèi)消火栓系統(tǒng)通常由消防水池、消防水泵、管道系統(tǒng)、高位水箱、水泵接合器及消火栓組成。給水方式的選擇是高層建筑室內(nèi)消火栓系統(tǒng)設計中一個非常重要的環(huán)節(jié),往往決定著系統(tǒng)的成功與失敗，因此有必要對各種給水方式進行可靠性分析，用以指導室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

2.1 不分區(qū)給水方式（見圖1）

圖1 不分區(qū)給水方式

即一次供水室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)。系統(tǒng)的壓力不超過1.0MPa，如果市政管網(wǎng)的水量和壓力均滿足建筑物的消防用水要求，就直接由市政管網(wǎng)供水，采用常高壓消火栓給水系統(tǒng)，如果市政管網(wǎng)不滿足要求，則設水池、水泵和屋頂水箱，采用臨時高壓的消火栓給水系統(tǒng)，此時消防水泵的揚程較低。

系統(tǒng)的可靠性框圖如下：

圖2 不分區(qū)給水方式系統(tǒng)可靠性框圖

假設f池=0.95，f泵=0.95，f管網(wǎng)=0.95，f栓=0.95，則系統(tǒng)的可靠度為：R=f池f泵f管網(wǎng)f栓=0.954=0.81。

2.2 并聯(lián)分區(qū)給水方式（見圖3）

高低各區(qū)獨立，運行安全可靠，維護管理方便，高區(qū)水泵工作壓力較高。對于并聯(lián)分區(qū)消防給水系統(tǒng)而言，消防泵的運行工況為：當高區(qū)發(fā)生火災時，啟動高壓消防水泵；當?shù)蛥^(qū)發(fā)生火災時，啟動低壓消防水泵。火災時，消火栓系統(tǒng)一般考慮相關層消火栓同時，若在分區(qū)中界面發(fā)生火災時，就要求高低區(qū)消防泵同時工作，整個設計的配電負荷應按高低區(qū)消防水泵同時工作時配置，而高、低區(qū)消防水泵均按室內(nèi)消防用水量設計，故當分區(qū)中界面發(fā)生火災時，實際消防流量要比設計流量要大，這就要求消防設計中，水池容積做適當?shù)恼{(diào)整。

圖3 并聯(lián)分區(qū)給水方式

系統(tǒng)的可靠性框圖如下：

圖4 并聯(lián)分區(qū)給水方式系統(tǒng)可靠性框圖

假設f池=0.95，f泵=0.95，f管網(wǎng)=0.95，f栓=0.95，則高、低區(qū)系統(tǒng)的可靠度均為：R=f池f泵f管網(wǎng)f栓=0.954=0.81， 整個系統(tǒng)的可靠度為：R總=0.81X0.81=0.66。

2.3 串聯(lián)分區(qū)給水方式（見圖5、圖6）

圖5 串聯(lián)分區(qū)給水方式一

圖6 串聯(lián)分區(qū)給水方式二

由圖5可看出，此種給水方式是各區(qū)分別獨立，高區(qū)用水由串聯(lián)水泵加壓，水泵壓力小，運行安全，但占地較大；圖6中供水方式是高區(qū)用水用低區(qū)水泵作轉(zhuǎn)輸泵，高區(qū)消防給水需要經(jīng)過低區(qū)管網(wǎng)，供水安全性有所降低，控制也較復雜，但較前一種方式可節(jié)省設備投資。系統(tǒng)的可靠性框圖如下：

圖7 串聯(lián)分區(qū)給水方式一系統(tǒng)可靠性框圖

圖8 串聯(lián)分區(qū)給水方式二系統(tǒng)可靠性框圖

假設f池=0.95，f泵=0.95，f管網(wǎng)=0.95，f栓=0.95，則：

a.串聯(lián)分區(qū)給水方式一，低區(qū)系統(tǒng)可靠度為 ：R=f池f泵f管網(wǎng)f栓=0.954=0.81，高區(qū)系統(tǒng)可靠度為：

R=f池f泵f泵f管網(wǎng)f栓=0.955=0.77，整個系統(tǒng)的可靠度為：

R總=0.81X 0.77=0.62；

b.串聯(lián)分區(qū)給水方式二，低區(qū)系統(tǒng)可靠度為 ：R=f池f泵f管網(wǎng)f栓=0.954=0.81, 高區(qū)系統(tǒng)可靠度為：R=f池f泵f管網(wǎng)f泵f管網(wǎng)f栓=0.956=0.73，整個系統(tǒng)的可靠度為：R總=0.81X 0.73=0.59。

2.4 減壓閥分區(qū)給水方式（見圖11，圖12）

減壓閥分區(qū)給水方式的水泵按高區(qū)所需要的消防工況選型，低區(qū)經(jīng)減壓閥減壓至所需工作壓力。低區(qū)用水時能量浪費較多，但它節(jié)省用地，運行安全可靠，維護管理方便，工程中采用較多。系統(tǒng)的可靠性框圖如下：

圖9 減壓閥分區(qū)給水方式一系統(tǒng)可靠性框圖

圖10 串聯(lián)分區(qū)給水方式二系統(tǒng)可靠性框圖

圖11 減壓閥分區(qū)給水方式一

圖12 減壓閥分區(qū)給水方式二

假設f池=0.95，f泵=0.95，f管網(wǎng)=0.95，f栓=0.95，則：

a.減壓閥分區(qū)給水方式一,低區(qū)系統(tǒng)可靠度為：R=f池f泵f減壓閥f管網(wǎng)f栓=0.955=0.77， 高區(qū)系統(tǒng)可靠度為：R=f池f泵f管網(wǎng)f栓=0.954=0.81，整個系統(tǒng)的可靠度為：R總=0.77 X 0.81=0.62。

b.減壓閥分區(qū)給水方式二，低區(qū)系統(tǒng)可靠度為：

R=f池f泵f管網(wǎng)f減壓閥f管網(wǎng)f栓=0.956=0.73。

高區(qū)系統(tǒng)可靠度為：

R=f池f泵f管網(wǎng)f栓=0.954=0.81， 整個系統(tǒng)的可靠度為：R總=0.73 X 0.81=0.59。

減壓閥分區(qū)系統(tǒng)的安全可靠性完全依賴于減壓閥的工作質(zhì)量。為保證系統(tǒng)的安全、可靠性，應采用一定的技術措施：①在減壓閥前后安裝壓力監(jiān)控裝置，同時能將壓力狀況傳送至消防控制中心，以便及時查看減壓閥的工作狀況。當減壓閥失靈時，遠傳壓力變送器將壓力信號傳送至消防控制中心后，要及時檢修。②使用減壓閥應采取保證水質(zhì)的技術措施，一般做法是在閥前安裝過濾器。③減壓閥要采取備用措施，即一用一備。

3 結(jié)論

由以上分析可以看出：不分區(qū)給水方式的可靠性最高，并聯(lián)分區(qū)給水方式的可靠性較高，串聯(lián)分區(qū)給水方式一和減壓閥分區(qū)給水方式差不多，串聯(lián)分區(qū)給水方式二和減壓閥給水方式二的可靠性最差。雖然上述分析是假定系統(tǒng)各單元的可靠度相同所得出的結(jié)論，若各系統(tǒng)單元可靠度不同，則得出的結(jié)論又可做不同評論，但總體來說系統(tǒng)單元越多，其可靠性考慮的因素也越多，可靠性亦不易保證。總之消火栓給水方式的選擇要根據(jù)工程具體情況由與之相關的各種因素綜合評價。

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