2. Резервирование как один из методов повышения надежности сложных техничес­ких систем

Существуют основное, резервное и смешанное соединения аппа­ратов (узлов, деталей, блоков).

Основным соединением аппаратов (далее будем употреблять лишь слово «аппарат», имея в виду и узел, и деталь, и блок, и даже технологическую линию) называется такое соединение, при котором отказ хотя бы одного аппарата ведет к отказу всего соединения. Основное соеди­нение аппаратов применяется в том случае, когда в системе нет резервных аппаратов.

В смешанном соединении сочетаются основное и резервное соединения.

Один из методов повышения надежности сложных техничес­ких систем – резервирование, т.е. применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособ­ного состояния объекта при отказе одного или нескольких его эле­ментов. В резервных системах при отказе одного элемента найдет­ся другой элемент, способный выполнять его функции. В таких системах создается структурная или функциональная избыточ­ность.

Рисунок 1.3 – Блок-схема общего резервирования с постоянно включенным резервом

Рисунок 1.2 – Система с параллельно соединенными элементами:

1 – основной элемент; 2,…,.п – резервные элементы

В резервных системах входящие в них элементы соединяют па­раллельно (рис. 1.2). При этом один из элементов с вероятностью безотказной работы P₁(t) называют основным – элемент структу­ры объекта, необходимый для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов, остальные эле­менты называют резервными – элементы объекта, предназначен­ные для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего.

Различают два принципиально различных метода повышения надежности путем резервирования: общее резервирование, при котором резервируется аппарат в целом (рис. 1.3 и 1.4), и раз­дельное (поэлементное) резервирование, при котором резерви­руются отдельные узлы аппарата (рис. 1.5).

При раздельном резервировании, при прочих равных условиях, обеспечивается больший выигрыш в надежности, чем при общем резервировании. Раздельное резервирование особенно выгодно при большом числе m и увеличении кратности резервирования.

Под кратностью резервирования будем понимать отношение числа резервных аппаратов к числу резервируемых. Различают резервирование с целой и дробной кратностью.

Рисунок 1.4 – Блок-схема общего резервирования (резервирование способом замещения)

Резервированием с целой кратностью называется такое резер­вирование, при котором для нормальной работы резервного соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппа­рат. Иными словами, если за основным аппаратом закреплены один или несколько резервных, то такое резервирование будет резервированием с целой кратностью, так как кратность резер­вирования выражается целым числом.

Рисунок 1.5 – Блок-схема раздельного резервирования (резервирование способом замещения)

Резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором за основными аппаратами не за­креплены резервные, т.е. кратность резервирования в этом слу­чае может быть выражена дробным числом. При резервировании с дробной кратностью определенное число резервных аппаратов приходится на несколько основных, в то время как при резер­вировании с целой кратностью то же число резервных аппаратов приходится только на один основной.

К резервированию с дробной кратностью относится также резервирование со скользящим (плавающим) резервом (рис. 1.6). При скользящем резерве любой из резервных аппаратов может замещать любой аппарат основной, системы. После замещения этот резервный аппарат становится основным и при отказе может быть замещен любым из оставшихся резервных, до n включительно.

Приведем примеры скользящего резерва. Для работы блока моноэтаноламиновой очистки в цеху конверсии метана и окиси углерода ставят несколько насосов (рис. 1.7).

Рисунок 1.6 – Блок-схема резервирования со

скользящим (плавающим) резервом

Достоинством скользящего резервирования является наи­больший выигрыш надежности, существенный же недостаток его заключается в том, что осуществление резервирования возможно лишь при однотипности аппаратов. Резервные аппараты можно включать на все время эксплуатации или при отказе основных. Отсюда два способа включения резерва – постоянное и с замещением.

Постояннм называется такое резервирование, при котором резервные аппараты присоединены к основным в течении всего времени работы и работают одновременно с ними (рис. 1.3).

Резервированием замещением называется такое резервирование, при котором резервные аппараты замещают основные только после их отказа. При этом возможны три вида условий работы резервных аппара­тов до момента их включения в работу.

Первый вид характеризуется тем, что внешние условия резерва полностью совпадают с условиями, в которых находится рабочий аппарат, поэтому этот вид называется горячим или нагруженным резервом. Ресурс резервных аппаратов в этом случае начинает расходоваться с момента включения в работу всей системы.

Второй вид резерва характеризуется тем, что внешние условия, воздействующие на аппарат до момента его включения в работу, – облегченные, Этот вид резерва называется теплым или облегченным резервом.

Третий вид – холодный или ненагруженный резерв. В этом случае условия, в которых находится резерв, настолько легче рабочих, что практически резервные аппараты начинают расхо­довать свой ресурс только с момента включения их в работу взамен отказавших. Например, теплообменники всегда резерви­руют способом холодного резерва, в то время как один работает, другой «ждет очереди» или отогревается, ремонтируется. В случае одного резервного аппарата говорят, что имеет место дублирование.

Рисунок 1.7 – Блок-схема моноэтаноловой очистки в цеху конверсии метана и окиси углерода со скользящим (плавающим) резервным насосом

Рисунок 1.8 – Классификация способов резервирования

Приведенные примеры позволяют дать классификацию резервирования (рис. 1.8).