高层建筑室内消火栓系统可靠性分析

吴金亮

（机械工业第三设计研究院 重庆 400039）

高层建筑消防给水系统是高层建筑消防中的基础结构,是其重要的组成部分。它的可靠性对保证高层建筑消防的作用有举足轻重的影响。高层建筑消防给水系统的可靠性是指高层建筑消防给水系统在规定的条件下,在规定的时间内，能够完成规定的功能的能力。

1 消防给水系统的可靠性模型及可靠度计算

消防给水系统的可靠性常用可靠度来表示，它是消防给水系统在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的概率。可靠度R(t)是一种表示随机事件发生可能性大小的一个量,是时间的函数。

1.1 消防给水系统的可靠性

任何系统的可靠性，均取决于组成它们的组件的可靠性，以及这些组件对该系统功能作用的影响。消防水系统的可靠性与组成该系统的单元（或组件）的数目、单元（组件）的可靠度以及单元（组件）之间的相互功能关系有关。通过建立消防给水系统模型,可以研究系统可靠度与单元(组件)可靠度之间的函数关系。根据组件连接方式的不同，消防水系统可分为非储备系统、储备系统和复杂系统。储备系统又可分为工作储备和非工作储备系统。非储备系统实际上是一种串联系统。消防给水系统对供水的要求较高,需要有足够的保证率,故常采用储备系统和复杂系统的形式。在工作储备方式中,可分为并联系统、混联系统、表决系统。

1.2 消防给水系统的可靠性度量

消防给水系统的可靠性是由各单元的功能关系决定的,系统的可靠度也就由各单元的可靠度组合产生。

1.2.1 串联系统可靠度计算

串联系统是指只有当系统中所有单元都正常工作时,系统才能正常工作。若由n个单元组成的串联系统,假定第i单元的可靠度为fi(t),则系统的可靠度为所有单元可靠度的连乘积,即

1.2.2 并联系统可靠度计算

并联系统是有储备系统的一种形式，组件并联时，系统中有一个是基本组件，其余组件是储备组件，故系统故障只有在所有组件都发生故障时才发生，系统的可靠度为：

1.2.3 混联系统可靠度计算

串-并联系统：由n个子系统串联而成，每个子系统是由m个单元并联而成，整个系统的可靠度为:

并-串联系统：由m个子系统并联而成，每个子系统是由n个单元串联而成，整个系统的可靠度为:

2 高层建筑室内消火栓系统的可靠性

高层公共建筑室内消火栓系统通常由消防水池、消防水泵、管道系统、高位水箱、水泵接合器及消火栓组成。给水方式的选择是高层建筑室内消火栓系统设计中一个非常重要的环节,往往决定着系统的成功与失败，因此有必要对各种给水方式进行可靠性分析，用以指导室内消火栓系统的优化设计。

2.1 不分区给水方式（见图1）

图1 不分区给水方式

即一次供水室内消火栓给水系统。系统的压力不超过1.0MPa，如果市政管网的水量和压力均满足建筑物的消防用水要求，就直接由市政管网供水，采用常高压消火栓给水系统，如果市政管网不满足要求，则设水池、水泵和屋顶水箱，采用临时高压的消火栓给水系统，此时消防水泵的扬程较低。

系统的可靠性框图如下：

图2 不分区给水方式系统可靠性框图

假设f池=0.95，f泵=0.95，f管网=0.95，f栓=0.95，则系统的可靠度为：R=f池f泵f管网f栓=0.954=0.81。

2.2 并联分区给水方式（见图3）

高低各区独立，运行安全可靠，维护管理方便，高区水泵工作压力较高。对于并联分区消防给水系统而言，消防泵的运行工况为：当高区发生火灾时，启动高压消防水泵；当低区发生火灾时，启动低压消防水泵。火灾时，消火栓系统一般考虑相关层消火栓同时，若在分区中界面发生火灾时，就要求高低区消防泵同时工作，整个设计的配电负荷应按高低区消防水泵同时工作时配置，而高、低区消防水泵均按室内消防用水量设计，故当分区中界面发生火灾时，实际消防流量要比设计流量要大，这就要求消防设计中，水池容积做适当的调整。

图3 并联分区给水方式

系统的可靠性框图如下：

图4 并联分区给水方式系统可靠性框图

假设f池=0.95，f泵=0.95，f管网=0.95，f栓=0.95，则高、低区系统的可靠度均为：R=f池f泵f管网f栓=0.954=0.81， 整个系统的可靠度为：R总=0.81X0.81=0.66。

2.3 串联分区给水方式（见图5、图6）

图5 串联分区给水方式一

图6 串联分区给水方式二

由图5可看出，此种给水方式是各区分别独立，高区用水由串联水泵加压，水泵压力小，运行安全，但占地较大；图6中供水方式是高区用水用低区水泵作转输泵，高区消防给水需要经过低区管网，供水安全性有所降低，控制也较复杂，但较前一种方式可节省设备投资。系统的可靠性框图如下：

图7 串联分区给水方式一系统可靠性框图

图8 串联分区给水方式二系统可靠性框图

假设f池=0.95，f泵=0.95，f管网=0.95，f栓=0.95，则：

a.串联分区给水方式一，低区系统可靠度为 ：R=f池f泵f管网f栓=0.954=0.81，高区系统可靠度为：

R=f池f泵f泵f管网f栓=0.955=0.77，整个系统的可靠度为：

R总=0.81X 0.77=0.62；

b.串联分区给水方式二，低区系统可靠度为 ：R=f池f泵f管网f栓=0.954=0.81, 高区系统可靠度为：R=f池f泵f管网f泵f管网f栓=0.956=0.73，整个系统的可靠度为：R总=0.81X 0.73=0.59。

2.4 减压阀分区给水方式（见图11，图12）

减压阀分区给水方式的水泵按高区所需要的消防工况选型，低区经减压阀减压至所需工作压力。低区用水时能量浪费较多，但它节省用地，运行安全可靠，维护管理方便，工程中采用较多。系统的可靠性框图如下：

图9 减压阀分区给水方式一系统可靠性框图

图10 串联分区给水方式二系统可靠性框图

图11 减压阀分区给水方式一

图12 减压阀分区给水方式二

假设f池=0.95，f泵=0.95，f管网=0.95，f栓=0.95，则：

a.减压阀分区给水方式一,低区系统可靠度为：R=f池f泵f减压阀f管网f栓=0.955=0.77， 高区系统可靠度为：R=f池f泵f管网f栓=0.954=0.81，整个系统的可靠度为：R总=0.77 X 0.81=0.62。

b.减压阀分区给水方式二，低区系统可靠度为：

R=f池f泵f管网f减压阀f管网f栓=0.956=0.73。

高区系统可靠度为：

R=f池f泵f管网f栓=0.954=0.81， 整个系统的可靠度为：R总=0.73 X 0.81=0.59。

减压阀分区系统的安全可靠性完全依赖于减压阀的工作质量。为保证系统的安全、可靠性，应采用一定的技术措施：①在减压阀前后安装压力监控装置，同时能将压力状况传送至消防控制中心，以便及时查看减压阀的工作状况。当减压阀失灵时，远传压力变送器将压力信号传送至消防控制中心后，要及时检修。②使用减压阀应采取保证水质的技术措施，一般做法是在阀前安装过滤器。③减压阀要采取备用措施，即一用一备。

3 结论

由以上分析可以看出：不分区给水方式的可靠性最高，并联分区给水方式的可靠性较高，串联分区给水方式一和减压阀分区给水方式差不多，串联分区给水方式二和减压阀给水方式二的可靠性最差。虽然上述分析是假定系统各单元的可靠度相同所得出的结论，若各系统单元可靠度不同，则得出的结论又可做不同评论，但总体来说系统单元越多，其可靠性考虑的因素也越多，可靠性亦不易保证。总之消火栓给水方式的选择要根据工程具体情况由与之相关的各种因素综合评价。

[1]H·H·阿布拉莫夫.给水系统可靠性[M].北京:中国建筑工业出版社，1990.

[2]周恒良.给水系统可靠性的确定方法与发展[J].工程建设与设计,2004,(3)33-35.

[3]杨琦.高层建筑消防给水系统可靠性的研究[J].消防科学与技术,2001,(5):25-29.

[4]郭波等.系统可靠性分析[M].长沙:国防大学出版设,2001.

[5]赵洪宾.给水管网系统理论与分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[6]赵洪宾.给水管网系统理论与分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.