Обеспечение надежности работы систем противопожарного водоснабжения

4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НадежностИ работы систем противопожарного водоснабжения

Надежная работа многофункциональных систем водоснабжения является важным условием бесперебойного водообеспечения пожарной техники и снижения ущербов от пожаров.

Многофункциональная система водоснабжения с точки зрения выбора номенклатуры показателей и оценки надежности является сложной технической системой. Эта система представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов, обеспечивающих выполнение заданных функций несколькими различными способами, отличающимися уровнями качества функционирования системы. Такими элементами в многофункциональной системе водоснабжения являются: водоисточник; станция водоочистки, насосные, подающие воду в водопроводную сеть, резервуары для храпения и регулирования подачи воды; водоводы и водопроводная сеть. Возможно и дальнейшее членение системы на детали, узлы, агрегаты, приборы и т. п. Однако приведенные деления системы на элементы в зависимости от способа выполнения заданной требованиями задачи в полной мере определяют состав элементов, одновременно выполняющих поставленную цель.

В результате отказов элементов системы ухудшается характеристика качества функционирования и соответственно снижается выходной эффект (полезный результат) системы, поэтому задачи надежности сводятся к выявлению влияния отказов элементов на качество функционирования и выходной эффект системы водоснабжения.

4.1 Показатели оценки надежности системы водоснабжения

Надежность системы водоснабжения характеризуется безотказностью — сохранением непрерывного состояния работоспособности в определенных условиях водообеспечения потребителей, ремонтопригодностью - приспособленностью системы водоснабжения к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей и отказов; долговечностью — продолжительностью сохранения состояния работоспособности с возможными перерывами на ремонт.

Рекомендуемые материалы

Рассчитать надежность противопожарного водоснабжения- это значит определить количественные показатели, характеризующие уровень качества бесперебойного водоснабжения потребителя системой. Для оценки надежности используют следующие показатели:

- вероятность безотказной работы (безотказного водоснабжения) за время τ - R_τ,

- интенсивность отказов λ,

- интенсивность восстановления μ (показатель не учтен ГОСТом),

- наработку на отказ Т (средняя продолжительность безотказного водоснабжения),

- среднюю продолжительность восстановления τ_в,

- параметр потока отказов ω,

а также коэффициенты готовности K_г, простоя К_п (показатель не учтен ГОСТом), технического использования К_и, неисправности p=λ/μ (показатель не учтен ГОСТом) и некоторые другие.

Таким образом, показатели надежности различны: одни из них характеризуют состояние системы в определенный момент времени (вероятности безотказной работы), другие- в интервале времени (среднее число отказов за ресурс), одни — размерные (наработка на отказ), другие — безразмерные (коэффициент готовности).

Задачи надежности в зависимости от поставленных целей бывают двух типов. Первый тип задач — определение количественных характеристик надежности на основе технических показателей элементов систем и функциональных связей между ними, а также требований потребителей к качеству бесперебойного водообеспечения. Задачи этого тина ставят при оценке надежности на различных этапах проектирования, при сравнительной оценке вариантов систем или проверке обеспечения требуемого уровня надежности.

Второй тип задач представляет собой анализ надежности, который проводят для установления количественных показателей, оценивающих влияние отдельных факторов на комплексный показатель надежности системы. Исходные данные для расчета включают помимо данных, используемых в решении задач первого типа данные о приоритете водообеспечения отдельных объектов и показатели ущерба из-за ненадежности системы. В результате решения этой задачи возможна проверка обеспечения требуемого уровня надежности или обоснование его экономической целесообразности, а также выявление возможности оптимизации системы с учетом ее развития или изменения уровня бесперебойного водообеспечения.

Надежность системы определяют не только показатели надежности входящих в нее элементов и схема их соединения, но и наличие резерва функционирования. Важным вопросом при решении задач надежности является правильность деления системы на элементы с точки зрения соответствия тем функциям, которые они должны выполнять. Надежность системы водоснабжения определяется надежностью входящих в нее элементов, схемой их соединения, наличием резервных элементов, качеством строительства и эксплуатации системы. Применение высококачественных материалов и оборудования, качественное строительство и соответствие характеристик построенных сооружений характеристикам проектной документации обеспечивают надежность на стадии строительства.

В процессе эксплуатации надежность достигается своевременным текущим контролем за работой системы, правильным уходом за оборудованием, своевременным обнаружением, ликвидацией неисправностей и т. д. Для этого используют оптимальные методы технического обслуживания и ремонта, разработанные на основе анализа и обработки данных о надежности изделий по результатам эксплуатации. В процессе эксплуатации выявляют также ошибки и просчеты, допущенные во время проектирования и реализации проекта.

При проектировании систем необходимо проверять показатели надежности, для определения которых важно сформулировать требования, выбрать параметры и установить нормы заданного уровня качества бесперебойного водообеспечения. Работоспособность — состояние системы, при котором она способна обеспечивать заданный уровень качества бесперебойного водоснабжения потребителей, установленный требованиями или критическими условиями водообеспечения расчетных моделей.

Требования СНиП не устанавливают показателей надежности и не используют понятия и характеристики (выходные параметры) систем, дающие возможность перейти на показатели надежности. В то же время косвенными характеристиками для определения показателей надежного водообеспечения потребителей служат: нормы водообеспечения, суммарная производительность водопитателя, требования к бесперебойности подачи воды по водоводам и водопроводным сетям, требования к дублированию источников энергоснабжения насосных агрегатов, резервирование элементов сооружений, срок службы системы и т. п.

Говоря о «надежности противопожарного водообеспечения», имеют в виду не какую-то абстрактную надежность, а надежность водоснабжения потребителей во время пожара. В результате можно дать следующее определение надежности системы водоснабжения, представляющей собой комплекс водопроводных сооружений — это способность (вероятность) обеспечения бесперебойной подачи требуемого количества воды потребителю (близкого к оптимальному) с заданным напором в течение заданного срока службы. Надежность следует понимать в двух аспектах: качественном — свойство системы, включающей сооружения и потребителей (характер водообеспечения), и количественном — мера суждения об определенном состоянии системы водоснабжения (характеристика этой меры — показатель надежности).

Под «заданными функциями» в общем случае понимают регламентированные требования потребителей к бесперебойности водообеспечения. Когда эти функции выполняются системой по отношению к конкретному потребителю i, считается, что система находится в работоспособном состоянии (состоянии работы) по отношению к i. Следует отметить, что службы эксплуатации не осуществляют строгого контроля за соблюдением норм отбора воды для тушения пожаров, на которые рассчитана система. В результате чрезмерного отбора воды на противопожарные нужды отмечаются нарушения водоснабжения других потребителей или разрушение водопроводных труб из-за недопустимого повышения давления при гидравлических ударах, возникающих в результате повышенной водоотдачи водопроводной сети во время работы пожарных автонасосов. Таким образом, система в одном и том же состоянии может быть работоспособной по отношению к потребителю i и неработоспособной по отношению к потребителю j (состояние отказа по отношению к потребителю j). Недостаточная надежность системы в этом случае приводит к ухудшению или нарушению нормального хозяйственно-питьевого водообеспечения, необходимого для естественного потребления воды и создания комфортных условий для населения. При рассмотрении вопросов надежности важным является понятие «состояние отказа», определяющего уровень качества бесперебойного водообеспечения и выход его за допустимый предел.

4.2 Отказы систем водоснабжения

Состояние отказа характеризует частичную или полную утрату качества функционирования. Система водоснабжения может находиться е состоянии полного или частичного отказа. Отказ — событие, при котором технологические показатели работы системы водоснабжения выходят за пределы сформулированного понятия работоспособности. Полный отказ — отказ, в результате которого система становится неспособной выполнять заданные функции Частичный отказ — отказ элементов системы, после которого система еще способна выполнять заданные функции.

К отказам относятся недопустимые отклонения параметров от требуемых значений водообеспечения, временные нарушения водообеспечения системой или выход системы из строя с полным прекращением подачи воды. Требуемое водообеспечение в данном случае представляет собой значение, минимизирующее приведенные капиталовложения, издержки эксплуатации и затраты на возмещение последствий от пожаров, вызванных нарушением бесперебойного водообеспечения за нормативный (заданный) срок службы системы. Видимо, оптимальному значению водообеспечения отвечает определенная вероятность или допустимый риск. Состояние отказа для систем водоснабжения может быть сформулировано как:

- любой кратковременный перерыв в подаче воды для тушения пожара; нарушение режима водообеспечения, заданного нормами расхода и напора воды, подаваемой для противопожарных нужд;

- перерыв в водоснабжении хотя бы одного потребителя;

- перерыв в водоснабжении части потребителей;

- полное прекращение водоснабжения потребителей;

- перерыв в водоснабжении на время, превышающее регламентированное для данной группы потребителей, и др.

В коммунальных системах водоснабжения отказы некоторых элементов не приводят к потере работоспособности системы в целом, но иногда являются заранее «запланированным» событием (профилактический плановый ремонт участков водопроводной сети; замена насосно-силового оборудования после установленного срока службы и т. п.).

Таким образом, за меру надежности системы принимается вероятность случайного события, в результате которого за установленный срок эксплуатации не произойдет ни одною отказа. Отказы, вызывающие нарушение заданного режима водообеспечения при тушении пожаров (например, отказ пожарного гидранта, разрушение участка водопроводной сети и др.), могут произойти не только в результате аварий и повреждений отдельных элементов самой системы («внутренние» отказы водоснабжения — рис. 4.1, а), по и в результате воздействия внешних факторов («внешние» отказы водоснабжения — рис. 4.1, б).

а)

б)

Рисунок 4.1 – Схема отказов водопроводной сети

а — «внутренний» отказ; б—«внешний» отказ,

1 — нарушение подачи воды при выходе из строя пожарного гидранта,

2 — нарушение водоснабжения при аварии участка сети,

3 — нарушение водообеспечения жителей города из-за снижения напора при чрезмерном отборе воды для тушения пожаров,

4 — нарушение санитарно-гигиенических условий водоснабжения (образование инфильтрации, вызванной разрежением в сети) в результате отбора воды при тушении пожаров

За отказ системы водоснабжения на стадии ее расчета и проектирования понимается состояние, которое не может отвечать заданным требованиям, формализуемым с помощью критических условий водообеспечения на основе расчетных моделей. Вероятность отказа в этом случае является вероятностью выхода (выброса) за некоторый допустимый уровень. В системе водоснабжения, работающей в режиме пожаротушения, появление независимого события (отказа) характеризует вероятность того, что фактические параметры водопотребления превышают расчетные, определяемые требованиями нормативов. К этим параметрам относятся: расход воды для тушения пожара, продолжительность отбора в процессе тушения, продолжительность восстановления израсходованного при пожаре неприкосновенного запаса воды, одновременное число отборов при пожаре, график неравномерности водоотбора потребителей.

При рассмотрении сложного вероятностного процесса отбора воды для тушения пожаров важно установить оптимальную норму водообеспечения потребителя или отвечающий ей размер риска ε. Значение ε изменяется в пределах доверительного интервала, тем большего, чем менее точен прогноз капитальных затрат, издержек эксплуатации и возмещения ущербов от пожаров. Кроме того, значение ε меняется со временем. Состояние, характеризующее нарушение расчетною водообеспечения конкретного потребителя, может быть представлено следующим образом. Пусть система водоснабжения обеспечивает потребителей водой в соответствии с заданными графиками режима потребления воды по часам суток, дням недели и сезонам года и находится в N различных состояниях. Множество состояний N разобьем на два подмножества Подмножество N_Ri — совокупность состояний, в которых потребитель i имеет связь хотя бы с одним источником системы (система связана в данном состоянии), а подмножество N_Qi —совокупность состояний, в которой таких связей нет (система не связана). Состоянию системы в точке i соответствует определенная водоотдача Ф(q_ij). характеризующая в данной точке качество бесперебойного водообеспечения, которое зависит от пропускной способности элементов изменения напора воды в водопроводной сети и подачи водоисточника в данном состоянии. В некоторых случаях на качество бесперебойного водообеспечения значительно влияет процесс водопотребления более ответственными потребителями системы, чем потребитель i.

В общем случае характеристика качества бесперебойного водообеспечения имеет следующий вид:

В коммунальной системе водоснабжения возникновение отказов даже достаточно большого числа элементов или значительные отклонения эксплуатационных показателей от заданных (например, снижение напора в водопроводной сети, уменьшение запасов воды в резервуарах, авария на отдельных участках сети и др.) не должны приводить к полному выходу ее из строя, а лишь к снижению уровня качества бесперебойною водообеспечения.

4.3 Влияние случайных факторов на надежность систем водоснабжения

Система водоснабжения подвержена влиянию случайных факторов, которые необходимо прогнозировать. Для расчета параметров системы необходимо знать возможные источники случайных воздействий, а также их количественные характеристики. Случайные воздействия внешней среды (климата, времени года, метеорологических условий и т. д.), отклонения от нормального режима водопотребления внутри самой системы (включение непредвиденного количества пожарной техники, обусловленное ростом уровня пожарной опасности объектов; чрезмерное потребление воды на хозяйственно-питьевые нужды в результате улучшения уровня санитарно-технического обеспечения и др.) бывают настолько значительными, что могут привести к существенному изменению параметров работы системы. Поэтому оценке влияния указанных факторов необходимо уделять серьезное внимание при проектировании новых и реконструкции существующих систем.

Несмотря на это, влияние случайных факторов далеко не всегда учитывается, и фактические условия работы системы часто существенно отличаются от условий, на которые она была рассчитана при проектировании Например, режим водопотребления при тушении пожаров зависит от большого числа причин, которые трудно учесть и фактические расходы воды могут существенно превысить нормативные. Следует также отметить, что потребление воды для тушения пожаров увеличивается из года в год. Наряду с этим модернизируется техника для отбора воды на противопожарные нужды и увеличивается производительность пожарных автонасосов. В то же время не исключено, что параметры работы системы водоснабжения, определяющие характеристики ее функционирования в течение определенного срока службы, будут ниже характеристик функционирования новой пожарной техники. Это приведет к спаду функционирования системы водоснабжения.

Определение влияния отказов на качество бесперебойного водообеспечения является предметом исследования надежности систем водоснабжения. При разработке критериев и норм надежности водообеспечения и выборе номенклатуры соответствующих параметров необходимо учитывать конструкции водопроводных сооружений системы на стадии проектирования, а также прогнозы развития пожарной техники Вероятность нормального функционирования системы водоснабжения зависит не только от правильного определения продолжительности отбора воды, но и от расчета продолжительности восстановления израсходованного количества воды при пожаре. Для определения уровня качества работы системы необходимо иметь математическую модель для определения характеристик состояний системы в зависимости от ее параметров.

4.4 Пути обеспечения надежности системы водоснабжения

Обеспечение надежности системы водоснабжения, как и других систем массового обслуживания, является одной из основных задач при их проектировании. Система должна быть запроектирована и построена так, чтобы в процессе эксплуатации она выполняла свои функции с заданной степенью бесперебойности. Поскольку функцией систем водоснабжения является подача потребителям воды в соответствии с заданным режимом потребления, то выполнению этих условий отвечает работоспособное состояние системы. Если в результате каких-либо причин снижается качество водообеспечения объекта ниже допустимого предела, то имеет место «отказ» системы. Надежность систем подачи воды достигается структурным резервированием отдельных элементов системы, т. е. параллельным включением нескольких взаимозаменяемых элементов или путем «временного» резервирования.

Структурное резервирование. Примером нерезервированной системы подачи воды является водопровод из нескольких n последовательно включенных элементов (рис. 4.2, а). Его работоспособное состояние обеспечивается только при исправности всех элементов; отказ любого элемента вызывает полный отказ всей системы.

Нерезервированной являются две линии, включенные параллельно между точкой подачи А и точкой отбора Б (см. рис 4.2, б) при условии, что для бесперебойной подачи воды необходима одновременная работа обеих линий. Предположим, что отказу системы отвечает снижение подачи воды более чем до 70%. По тракту 1 может быть подано 60%, по тракту 2 — 40% (или 50%) требуемого расхода воды. Подобная система не является резервированной, так как авария любого тракта приводит к снижению подачи более допустимого предела.

Надежность такой системы уменьшается с увеличением числа элементов и всегда меньше надежности каждого ее элемента.

Рисунок 4.2 – Схема водовода

а – последовательное включение элементов,

б – параллельное включение элементов

Резервированные системы представляют собой m элементов, из которых только n элементов предназначены для обеспечения нормального функционирования системы. Надежность этой системы возрастает с увеличением «кратности резервирования» k=m/n, где m — число резервных элементов; n— число основных элементов.

Увеличение надежности водоводов достигают при устройстве соединительных перемычек.

Рисунок 4.3 – Кольцевая водопроводная сеть

33 Бестиповые файлы - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Кольцевая водопроводная сеть является резервированной системой. Большинство точек отбора воды соединено с точками питания сети многими возможными путями, поэтому аварии отдельных участков сети не нарушают существенно процесса водообеспечения.

Следует отмстить, что увеличение роста водопотребления населенных пунктов по сравнению с прогнозом водообеспечения вызывает необходимость развития системы водоснабжения путем реконструкции и модернизации водопроводных сооружений за счет увеличения числа водоводов, прокладки дополнительных магистралей сети, замены агрегатов на насосных станциях и установок на очистных сооружениях более мощными, а иногда строительства более совершенных источников и водозаборов.

Временное резервирование. Вторым способом увеличения надежности является использование резервных и аккумулирующих емкостей для хранения запасов воды в период ремонта отказавших элементов. Наиболее распространенным методом временного резервирования является устройство запасного резервуара в конечной точке водовода. Вместимость резервуара в этом случае должна быть достаточной для снабжения объекта на время ликвидации аварии водовода. В ряде случаев при резервуаре устраивают для этой цели насосную станцию.