高层建筑消防隔膜式气压自动给水设备系统可靠性的研究

摘  要    文章简要介绍了高层建筑消防隔膜式气压自动给水设备的可靠性模型及可靠度的计算方法，分析了系统功能作用过程及概率特征，指出了可靠性设计的原理和提高可靠性的方法，以利于消防给水系统的优化设计；并对系统可靠性的发展进行了展望。

    关键词  消防给水  消火栓  自动喷水灭火系统

 

    高层建筑消防隔膜式气压自动给水设备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。

 

    高层建筑消防隔膜式气压自动给水设备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  消防隔膜式气压自动给水设备系统的可靠性模型及可靠度计算

    消防隔膜式气压自动给水设备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  消防隔膜式气压自动给水设备系统的可靠性框图

    为了研究系统的可靠度，首先需要弄清系统的功能、失效模式，准确地绘出可靠性框图。通过建立消防隔膜式气压自动给水设备系统模型，研究系统可靠度与单元(组件)可靠度之间的函数关系。单元的可靠度可以通过大量的试验确定，由此可确定由若干单元相互组合成的复元体系统的可靠度。

 

    消防隔膜式气压自动给水设备系统可以分为非储备系统、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。消防隔膜式气压自动给水设备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。在消防给水系统中，主要由消火栓给水系统和自动喷水灭火系统组成，其中各单元(阀门、消火栓、喷头、管道等部件)或设备(水泵、水池、水箱等)的功能，决定了可靠性框图的关系。

 

    就两个阀门用管道相连的可靠性框图而言。如果它们的作用是让水流通过，则两阀需同时开启，从可靠性的角度看，这就是一个串联系统；如果其作用是起截断水流作用，则关闭其中一个阀门就可完成截流作用，该可靠性框图为并联系统。可见同是一个结构，不同的功能可靠度是不同的。在水泵给水的方式中，如图1，虽然同样的形式但关系不同，可靠性框图也不同。

 

1．2  消防隔膜式气压自动给水设备系统的可靠性度量

    消防隔膜式气压自动给水设备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Ri(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

  它是指系统中只要有一个单元正常工作能正常工作。其系统的可靠度为：

1．2．3  混联系统可靠度计算系统就

    对串一并联系统，设某一单元的可靠度为Rij，共N个支系统串联。整个系统的可靠度为：

    对于并一串联系统，设N个子系统并联构成，每个子系统有n个单元，则：

 

1．2．4  表决系统可靠度计算

       组成系统的n个单元中，不失效的单元数不少于是个(1≤k

 

2  消防隔膜式气压自动给水设备系统功能作用过程及概率特征

      消防隔膜式气压自动给水设备系统中的用水过程是随机的和不可控制的，其工作的实际情况取决于灭火过程中各用水点汇集起来的随机事件流(随时间的一种变化)。也就是说，消防隔膜式气压自动给水设备系统的工作特点是特别的随机过程。

 

      高层建筑消防隔膜式气压自动给水设备系统的功能作用过程可用下列指标表示：流量(需水量qn、用水延续时间 、火灾用水的频率V、同时发生火灾的数目m。消防给水流量的随机值，可用概率分布的积分函数表示，服从指数规律；灭火的延续时间可用指数规律表示；而同时发生火灾时，给水系统的服务过程具有平稳的泊松流的性质。此外，消防给水系统中多数组件出故障前的工作容量分布服从于指数分布规律。在某些特定条件下，给水管道检修的延续时间服从指数规律的联合分布。

 

      在消防隔膜式气压自动给水设备系统管线布置上，常采用环状管网，增加了故障管线的互换性，使整个给水管网具有较高的储备度。然而，为保证故障时备用管线的水头损失不致过大，将会造成系统平时的超压问题。

 

3  消防隔膜式气压自动给水设备系统的可靠性设计

 

3．1  可靠性的分配和预测

      在消防隔膜式气压自动给水设备系统功能和可靠性指标确定后，就可以根据系统设备的可靠性指标、各子系统(单元组件)重要程度和本身的失效率进行可靠性分配。可靠性的分配可保证高层建筑消防给水系统的功能和寿命达到设计要求。在整个系统的技术设计完成后，须根据各单元组件的失效率、系统工作模式、实际要求的工作时间对系统进行可靠度预测。通过与设定的可靠度比较，再调整设计或提高各单元组件的可靠度。

 

      可靠性的分配要根据消防隔膜式气压自动给水设备系统可靠性的要求和各单元的重要性、复杂程度和选用单元的技术水平合理的分配。同时还须作经济技术的综合分析。各单元的可靠度是系统可靠性分配得到的。可靠性的分配方法有：等分配法、按子系统重要度分配法、按子系统的复杂度分配法、评分分配法、根据加权因子分配法、AGREE分配法、相对失效率分配法、较少工作量分配法等。

 

      消防隔膜式气压自动给水设备系统可靠性的预测是从子系统(或单元组件)到系统的可靠性分析。这种分配和预测相互转换的 终目的是使系统在建成后获得比较满意的可靠性指标。系统可靠性预测的方法主要可分为分析法和模拟法两大类。在高层建筑消防给水系统中，利用分配与预测的过程，可以从给水竖向分区的三类方式(水箱分区、减压阀分区、水泵分区)中得到一种较优化的方法。

 

3．2  可靠性工程设计

      消防隔膜式气压自动给水设备系统的可靠性设计首先要明确指标。诸如可靠度、失效率、MTBF、维修度、有效度等。然后依据设计理论，经反复的分配和预测，使系统达到要求的可靠性指标。在这个过程中，还需考虑建筑环境因素的影响，并保证系统具有良好的维修性。其设计的基本思想是将设计中所涉及到的参数作为随机变量来考虑，比较真实地反映工程实际情况。

 

4  发展趋势与展望

随着人们对该方面认识的提高，消防给水系统可靠性问题的研究将会进一步展开。

a)加强消防隔膜式气压自动给水设备系统可靠性基础工作的研究。它包括有组织地收集与处理失常随机资料，初步建立收集与处理统计资料的合理系统，积累相关组件的可靠性基本数据，并合理确定系统可靠性的指标。

 

b)增加消防隔膜式气压自动给水设备系统的评价方法。通过研究消防给水管网“拓扑学”及其对管网可靠性指标的影响，开展以图论为基础的解析方法。对系统组件和边界条件作适当的等效和足够的近似变换，深入以水力模拟模型为核心的方法，将影响可靠性的各随机因子作逐一分解。

 

c)充分关注人的可靠性。人的可靠性涉及到人的操作可靠性和人机界面。它与人的意识水平、环境和人与人之间的配合有关。

 

d)实现可靠性工程的优化。高层建筑消防隔膜式气压自动给水设备系统可靠性本身也是优化设计的一部分。在可靠性建立模型的分析中，尽量综合考虑所涉及的各种因素，明确消防隔膜式气压自动给水设备系统主次的形式，并尽量降低问题的复杂程度，结合经济技术分析，以优化消防给水系统设计。

 

e)重视消防隔膜式气压自动给水设备系统可靠性的完成过程。高层建筑消防给水的可靠性贯穿在系统的设计计算、筹备(采用可靠的材料和设备)、建筑(高质量的建筑安装工作)以及运行(通过排除故障工作的良好组织、有计划的预防性维修和管理人员的高超技能)的整个过程中。加强高层建筑消防给水系统在这些过程中的薄弱环节，有利于整个系统的可靠性提高。

 

f)正确处理可靠性与经济性的关系。在重视消防隔膜式气压自动给水设备系统可靠性的同时，必，须明确消防是为建筑服务的。系统可靠性指标的确定应与建筑物本身相适应。同时须注意到增设不合理的储备并不能提高系统的可靠性。此外，高层建筑消防给水系统的可靠性与经济性存在二方面的意义。一方面是，它的可靠性提高有利于高层建筑经济价值的增加和信誉的提高；另一方面，它的可靠性提高应与高层建筑自身的经济性相适应。

 

隔膜式气压自动给水设备概述

     隔膜式气压自动给水设备是国内近年来出现的新型给水设备。隔膜式气压自动供水设备由膨胀水罐、水泵、自动控制柜、管道、阀门、仪表等组成。本公司已系列化生产，该产品可以弥补低压供水不足，代替屋顶水箱或水塔。隔膜式气压自动给水设备系列广泛用于居民住宅、宾馆饭店、医院等民用建筑和工业设施的生活、生产及消防系统上。补气式气压自动给水装亦被广泛用于热水供应，热水采暖，小区集中供暖空调系统做落地膨胀水箱，深受广大用户的信任和好评。

 

隔膜式气压自动给水设备特点 

     1、密闭性能好：罐体为密封装置，气水接触少，保证水质不收污染。

     2、结构紧凑、占地少：借助电脑三维设计，不仅仅是简单地拼合，而且科学合理布置各组成部件，较大限度压缩占地面积。

     3、美观、大方：可取代生活、消防、采暖、及空调用的高位水塔，不影响建筑美观，降低建筑造价。

     4、便于集中管理：该机组为一体化结构，免除用户因不同厂家产生的售后服务不一致的麻烦。

 

隔膜式气压自动给水设备工作原理

      根据波义耳气体定律，一定质量的气体在一定温度下，压力与容积的乘积为常数。当水泵工作时，水送至给水管网的同时，多余的水进入气压水罐，水室扩大并将罐内的气体压缩，气室缩小，罐内的压力随之升高；压力升到较高工作压力P2时，电控柜切断水泵的电源，水泵停转，此时利用罐内被压缩气体的压力将罐内贮存的水送入给水管网，水室缩小，气室扩大，罐内压力也随之下降，当压力降低到工作压力P1时，电控柜接通水泵电源，水泵重新启动，如此周而复始，不断运行