надёжность в проектировании

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проекты, при разработки которых главным критерием служила повышенная надёжность , часто отличают низкая энергетическая эффективность, высокие капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Это, конечно, не значит, что нужно скатываться в другую крайность и вообще не учитывать этот аспект. Просто следование требованиям надёжности не должно выходить за грань разумного. Проблема в том, чтобы определить, где проходит эта грань.

Рассмотрим гостиничный комплекс, где используется общий водяной котёл и в каждом номере установлены фэнкойлы. Сбои в работе такой системы возможны, однако она довольно распространена и считается приемлемой.

Стремление обеспечить повышенную надёжность определяется серьёзностью последствий возможных отказов. Если они грозят лишь небольшими неудобствами, то обычно достаточно использовать качественное оборудование и строго контролировать монтажные работы. Например, в климатической зоне, где охлаждение требуется лишь в течении короткого периода, трудно обосновать необходимость резервного чиллера. На производственных предприятиях требования к уровню надёжности определяется стоимостью выпускаемой продукции. В коммерческих терминах затраты, связанные с повышением надёжности, рассматриваются как страхование. Если затраты на страхование автомобиля превышают его стоимость, то с коммерческой точки зрения страховка просто не имеет смысла.

При проектировании необходимо помнить позицию заказчика относительно обеспечения надёжности, определить, насколько это важно для него. Начиная со стадии эскизного проекта, следует составить перечень позиций, склонных к отказам, и оценить, насколько велика вероятность этих отказов.

Последнее – довольно сложная задача. Например, какова вероятность сбоя в работе источника водоснабжения? На этот вопрос обычно нет простого ответа. Тем не менее перечень отказов должен быть упорядочен по степени серьёзности их последствий и вероятности появления. Одним из методов является назначение весовых коэффициентов от 1 до 10. Когда отказы расположены по приоритетам, определяются варианты их предотвращения и связанные с этим затраты.

Введение в стратегию N

В области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха проектирование начинается с определения нагрузок по теплу и холоду. При этом N обозначает совокупность агрегатов, используемых для реализации проектной нагрузки. N+1 позволяет развивать заданную мощность при отказе одного любого агрегата.

Таблица ниже иллюстрирует применение стратегии N+ при тепловой нагрузке 440 кВт. Без резервирования проект мог бы быть реализован путём использования одного агрегата мощностью 440 кВт, двух агрегатов мощностью 220 кВт каждый или трёх по 147 кВт.

ВариантПроектная нагрузка, кВтРезервированиеРаспределение мощности, кВтУстановленная мощность, кВтОстаточная мощность при наличии 1 отказа, кВтОстаточная мощность при наличии 2 отказов, кВт
1440N+01 по 440440 (100%)00
2440N+02 по 220440 (100%)220 (50%)0
3440N+03 по 147440 (100%)293 (67%)147 (33%)
4440N+12 по 440880 (200%)440 (100%)0
5440N+13 по 220660 (150%)440 (100%)220 (50%)
6440N+14 по 147586 (133%)440 (100%)293 (67%)
7440(2/3 N)+12 по 293586 (133%)293 (67%)0

 

В таблице рассмотрены варианты резервирования N+0 и N+1. Вариант N+2, N+3 и т.д. возможны, но на практике используются редко. Полное удвоение мощности (вариант 4) называют 100% — ной избыточностью, и такое резервирование используется в системах небольшой производительности.

В варианте 7 используются два чиллера или котла мощностью в две трети от проектной нагрузки. Такая схема предпочтительна, когда работа с полной нагрузкой востребована достаточно редко. Выбор типоразмера оборудования в расчёте на увеличение производительности в будущем и наличие резервирования на начальном этапе обеспечивают определённую степень избыточности без существенного увеличения стоимости.

В таблице рассмотрено использование агрегатов одинакового типоразмера. Однако возможна и комбинация агрегатов различных типоразмеров. Полагая N по мощности соответствующим максимуму из используемой совокупности агрегатов, стратегия N+1 обеспечит полное резервирование на наихудший случай отказа одного из них.

Итак можно сделать следующие выводы.

Назначение всей проектной нагрузки на один-единственный агрегат приводит к полной потери мощности при отказе. Распределение проектной нагрузки на большее число агрегатов меньшего типоразмера приводит к меньшей потере мощности при отказе одного из них. В случае же большего числа отказов всё равно имеется резерв остаточной мощности. Использование большего числа агрегатов меньшего типоразмера снижает общую установленную мощность и соответственно стоимость системы.

Что лучше?

Преимущество проекта, использующего множество агрегатов малого типоразмера, в том, что каждый отказ приводит к меньшим потерям остаточной мощности. Можно сказать, что такой проект мягко реагирует на отказы.

Сравнение стратегий – большое число агрегатов малого типоразмера против малого числа агрегатов большого типоразмера.

Аргументы в пользу использования большого числа агрегатов малого типоразмераАргументы в пользу использования малого числа агрегатов большого типоразмера
Система с большим числом агрегатов более устойчива к разовым и множественным отказамАгрегаты большого типоразмера имеют более высокую эффективность работы на полной нагрузке по сравнению с агрегатами малого типоразмера
Большое число агрегатов обеспечивает необходимое резервирование с меньшей установленной мощностью, поскольку дополнительный агрегат N+1 имеет меньшую мощностьСрок службы большого агрегата часто более продолжителен, чем у совокупности малых агрегатов. Затраты в расчёте на срок службы так же различны
Агрегаты малого типоразмера легче монтировать при строительстве и демонтировать по окончании срока службыПри наличии нескольких агрегатов большого типоразмера, работающих с неполной нагрузкой, восстановление требуемой производительности системы при отказе может занимать секунды вместо минут, поскольку всё, что необходимо сделать, сводится к увеличению развиваемой мощности оставшимися агрегатами. Этот способ называется горячим резервированием или скользящей избыточностью
Агрегаты малого типоразмера стареют быстрее по сравнению с агрегатами большого типоразмера, что упрощает автоматическое управление и позволяет использовать холодное резервирование вместо горячего, предполагающего работу на холостом ходуБольшое число агрегатов требует использования большого числа запорнорегулирующей арматуры в составе систем их гидравлической обвязки, что, в свою очередь, увеличивает число позиций, потенциально склонных к отказам
Большое число агрегатов малого типоразмера будет развивать суммарную полную мощность, более близкую к реальной нагрузке, и обеспечивать большую эффективность работы по сравнению с большими агрегатами, развивающими неполную мощностьБольшое число агрегатов может потребовать большой площади для их размещения в связи с необходимостью обеспечения большого числа проходов для доступа к ним . в некоторых проектах систем, состоящих из модулей, важным является обеспечение компактности, что может усложнить обслуживание и особенно изолирование одного отдельно взятого агрегата, зажатого между другими, расположенными в общую линейку

 

Помимо основного оборудования

В проектах, требующих обеспечение высокой надёжности, важной частью их разработки является выявление всех позиций, склонных к отказам. Это побуждает заказчика к рассмотрению планов действий в нештатных ситуациях.

Позиции, склонные к отказам (неосновное оборудование)

Место отказа: общий трубопровод для всех системРешения:*трубопровод, состоящий из отдельных автономных частей, вместо общего магистрального трубопровода*временные связи*усиленный вариант общего трубопровода – труба с большей толщиной стенки, более высокий класс по давлению, более качественные клапаны, более строгий контроль в процессе эксплуатации

*дополнительные клапаны

*доступность для производства быстрого ремонта

Место отказа: источник водоснабженияРешения:*дополнительный подвод с противоположных сторон наружного входного клапана*буферная ёмкость*градирни в комплекте с глубокими бассейнами, спроектированные с учётом времени их полного опорожнения

*обеспечение резервного водоснабжения с подвозом воды

Место отказа: общая электропроводка для всех системРешения:*электропроводка, состоящая из отдельных автономных частей вместо общей магистральной проводки*временные связи*усиленный вариант общей электропроводки – сниженная плотность тока, рубильники более высокого качества, более строгий контроль в процессе эксплуатации

 

Место отказа: источник электроснабженияРешения:*сдвоенный подвод, предпочтительно от разных подстанций*местная генерация*функционирующие окна

*охлаждение с использованием резервных двигателей внутреннего сгорания

*аккумуляция тепловой энергии

 

Место отказа: коммутационнаяаппаратура,обслуживающая все системыРешения:*раздельное обслуживание – разобщение элементов оборудования, оставив свободное место между нимиМесто отказа: источник газоснабженияРешения:*оборудование со сдвоенной топливной системой и хранилищем жидкого горючего*аккумуляция тепловой энергии 
Место отказа: централизованная система автоматического управленияРешения:*распределённые автономные системы управления*средства приоритетного ручного управления оконечными устройствамиМесто отказа: строительные конструкции, такие, как фундамент и крышаРешения:*размещение не на верхнем этаже (протечки кровли) и не на цокольном этаже (затопление)*использование для установки внутри здания электродвигателей закрытого типа с вентиляторным охлаждением*размещение в нескольких зданиях

 

Место отказа: переключатель режимов работыРешения:*принятие мер защиты является затруднительным*байпас для технического обслуживания (опция)*временные перемычки для оборудования, расположенного вниз по ходу движения теплоносителяМесто отказа: персонал, особенно в случае сложных системРешения:*взаимное обучение*документация*простые системы

 

Системы с водяным чиллером в сравнении с системами непосредственного охлаждения (DirektExpansion, DX)

По ряду причин при больших тепловых нагрузках обычно применяются системы охлаждения с водяным чиллером. Однако при этом возникает ряд дополнительных позиций, склонных к отказам: основные линии холодной воды и обвязки водоохлаждаемого конденсатора (магистральный трубопровод и клапаны), линии водоснабжения градирен и электроснабжения чиллеров, возможность повреждений из-за разрыва трубопровода. Поэтому, если приоритетом является надёжность, предпочтительнее использовать системы воздушного охлаждения, распределённые по зонам. Они не используют общих трубопроводов и лишены недостатков, свойственных централизованным установкам.

Магистральные трубопроводы

Общий трубопровод – наиболее уязвимое место централизованных систем. Для снижения риска его разрушения необходимо, во – первых, установить срок службы короче обычного ресурсного срока. Во – вторых, обратить внимание подрядчиков, обозначив трубопровод на чертежах как объект особой важности. Создать подробную спецификацию общего трубопровода, несмотря на то, что это увеличит стоимость проектных работ. Кроме того, следует использовать трубы с увеличенной толщиной стенки, бесшовные трубы и фитинги без соединений на фланцах или посадке, без резьбовых или шлицевых соединений до корневого клапана. Последние, разумеется, должны быть высокого качества. Для подключений лучше всего использовать трубы диаметром не менее 50мм. Трубопровод должен пройти тщательные гидравлические испытания.

Упущенные преимущества

Дополнительные меры по увеличению надёжности могут привести к появлению новых позиций, склонных к отказам. Например, при подключении любого дополнительного агрегата к общему магистральному трубопроводу появляются новые соединения (разъёмные и неразъёмные) и клапаны, что снижает его надёжность.

При введении системы аварийного питания дополнительным источником неисправностей становится переключатель источников электроснабжения. Двусторонняя коммутационная аппаратура обеспечивает сдвоенное питание агрегатов, но имеет общую, склонную к отказам позицию: секционный рубильник.

Использование многоскоростных двигателей даёт определённые преимущества, но большинство из них не допускают производства работ под напряжением, и их всё равно приходится отключать.

Испытания  

Для вновь создаваемых систем важно убедиться в том, что они могут и чего не могут, а так же заранее определить возможные последствия отказов в работе или дефектов используемого оборудования. Испытания должны проводиться во всех режимах под полной длительной или повторяющейся нагрузкой. Следует избегать использования в проекте элементов, работоспособность которых не может быть испытана.

План на случай нештатных ситуаций

Когда обеспечение надёжности является критичным, план действий на случай нештатной ситуации помогает персоналу реагировать эффективно. Конечно, всё предусмотреть невозможно, однако подобного рода планы служат более чёткому осознанию и минимизации последствий возможных неисправностей. В план необходимо включить: список приоритетов (что является важным, что второстепенным); описание всех узлов, в которых возможен отказ; действия по отключения нагрузок второстепенной важности; сценарии отказов и последовательность действий по минимизации их последствий; местоположение наиболее важных элементов, типа клапанов и выключателей; контактная информация аварийных и дежурных служб; краткие схемы, отображающие важнейшие моменты необходимых действий.

Дополнительное исследование: количественное определение надёжности   

Хотя этот вопрос выходит за рамки настоящей статьи, он занимает определённое место в программах обучения инженеров. Одним из общепринятых методов количественного определения надёжности является анализ вида отказов и вызываемых ими последствий (FMEA). В соответствии с ним, отказы классифицируются индивидуально, а так же в определённых сочетаниях с использованием логических последовательностей и/или для нахождения совокупной вероятности их возникновения. Существенным достоинством данного метода является возможность идентификации отказов в сложных системах , что невозможно сделать лишь на основе интуиции и опыта.

10 мероприятий по повышению надёжности на стадии проектирования  

  1. Выбор систем с наименьшим количеством позиций, склонных к отказам. Наилучшей является комплектация, в наименьшей степени зависимая от совместно используемых ресурсов.
  2. Выбор наиболее надёжного оборудования. Зачастую таковыми являются простые устройства с минимальным количеством подвижных частей.
  3. Компоновка основного оборудования в группы с использованием стратегии резервирования N+, стремясь к достижению «мягкого» реагирования каждой из групп на возникающие отказы.
  4. Идентификация позиций, склонных к отказам, включая общий трубопровод, общую электропроводку и источники электроснабжения агрегатов. Упорядочивание их по приоритетам в зависимости от степени серьёзности и вероятности возникновения. Изменение или корректировка проекта с целью его усовершенствования с учётом инфраструктуры.
  5. Обеспечение возможности отключения нагрузок второстепенной важности в системах с совместно используемыми ресурсами.
  6. Обеспечение возможности использования резервного оборудования взамен основного.
  7. Исключение использования хрупких и ломких материалов.
  8. При разработке проектных решений следует избегать появления новых позиций, склонных к отказам.
  9. Постановка в ходе разработки проекта вопросов: «что произойдёт в случае появления данного отказа?» и «что останется работоспособным при наличии данного отказа?». Документирование системных ограничений и создание плана действий обслуживающего персонала на случай нештатных ситуаций. Обеспечение возможности проведения периодических повторных испытаний системы в процессе эксплуатации.
  10. Получение отзывов от критически настроенных инженеров, ориентированных на поиск недостатков проекта.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                Стив Доут, инженер-энергетик системы коммунального обеспечения
    г. Колорадо-Спрингс (США, штат Колорадо)

Добавить комментарий