Energeticky úsporný hydraulický kamenolomový vrták: nízká spotřeba a vysoká produktivita

U pneumatického systému se stálým výtlakem každý litr vzduchu, který kompresor vyrobí a který vrták nepoužije okamžitě, uniká přes pojistný ventil a ztrácí se. U hydraulického systému s otevřenou smyčkou bez detekce zátěže dochází k tomu samému u přebytku průtoku oleje – ten se přes pojistný ventil přesměruje zpět do nádrže, čímž se veškerá energie tlaku přemění na teplo. Vrták, který pracuje při 50 % své jmenovité rázové zátěže, spotřebuje po celou směnu plný výkon čerpadla, z něhož se polovina promění v odpadní teplo, protože čerpadlo nemá možnost snížit výstup během nezatížených fází.

To je základní energetický problém, který řeší hydraulické systémy se snímaním zátěže. Čerpadlo vyhodnocuje skutečnou požadovanou kapacitu obvodu a dodává pouze tolik, kolik v daném okamžiku potřebují obvody pro úder, otáčení a posuv. Během práce s návěskem, přeumísťování a výměny tyčí – což pravděpodobně činí 30–40 % každé směny – dochází k redukci zdvihu čerpadla, čímž se současně snižuje průtok i tlak a spotřeba paliva se na uzavřených systémech snižuje o 15–20 % oproti ekvivalentním systémům s otevřeným obvodem. Toto není malé procento, pokud vezmeme v úvahu celou životnost zařízení.

Hydraulika versus pneumatika: Energetický rozdíl je strukturální

Hydraulické kamenodolní vrtačky spotřebují přibližně jednu třetinu energie pneumatických vrtaček při vrtání stejné horniny. To není marketingový slogan – je to důsledek nestlačitelnosti média. Vzduch je stlačitelný: část energie se spotřebuje na jeho stlačení a při expanzi se některá z této energie ztrácí ve formě tepla. Hydraulický olej je nestlačitelný; čerpadlo dodává tlakovou energii, která se přímo přenáší na pohyb pístu s minimálními ztrátami při přeměně energie. Hydraulické vrtačky také poskytují vyšší nárazovou energii na jeden úder než ekvivalentní pneumatické modely, protože vyšší provozní tlak (160–220 bar u hydraulických vrtaček oproti 6–10 bar u pneumatických) umožňuje použít menší a lehčí píst, který má stejný nebo dokonce větší hybnost.

Druhý konstrukční předností je, že hydraulické systémy se přirozeně integrují s objemově regulovanými čerpadly se snímáním zátěže. Pneumatické kompresory s pevným výtlakem pracují se stálým výstupem – u šroubového kompresoru neexistuje žádný ekvivalent nakloněné desky se snímáním zátěže. Hydraulické čerpadlo bagru nebo vrtné soupravy naopak dokáže během režimu nečinnosti snížit výtlak téměř na nulu a během několika milisekund znovu dosáhnout jmenovitého výkonu, jakmile je vyžadován tlak pro rázovou funkci. V reálných provozních cyklech to znamená úsporu paliva o 15–30 % ve srovnání se systémy s pevným výtlakem, které vykonávají stejnou práci.

Zdroje úspor: čtyři mechanismy

Regulace výkonu podle zátěže s proměnným výtlakem přináší největší úsporu energie – 15–20 % během celé směny u dobře navržených systémů. Druhý mechanismus je optimalizace nárazového obvodu: snížení tlakových ztrát v nárazovém ventilu rozšířením olejových kanálů a použitím pístů se dvěma průměry snižuje interní obezdívku z 50–55 % hydraulického vstupního výkonu na 56–57 %. Třetí mechanismus je řízení tepla – méně ztracené energie znamená chladnější olej vracený do nádrže, což znamená nižší zátěž chladiče a menší degradaci viskozity, a tedy delší intervaly výměny oleje. Čtvrtý mechanismus je účinnost čistícího obvodu: přizpůsobení výkonu čistícího čerpadla vody skutečné potřebě vrtu místo provozu s pevným výkonem snižuje spotřebu pomocné energie, zejména v tunelech, kde čistící obvod běží nepřetržitě i mezi vrtáním jednotlivých vrtů.

Srovnání energetické účinnosti: pneumatické, standardní hydraulické a optimalizované hydraulické systémy

Rozsah účinnosti 25–57 % je důležitý, protože základní hodnota má význam. Při 25 % (pneumatický systém) zahazujete tři čtvrtiny vstupní energie ještě před tím, než se vůbec začne vrtat první milimetr horniny. Při 57 % (optimalizovaný hydraulický systém) klesnou ztráty na 43 % – stále významné, avšak zlepšení je natolik výrazné, že mění ekonomiku celého vrtání. Hluboké vrty v málo produktivních vrstvách, které nejsou s pneumatickými systémy životaschopné, se s efektivním hydraulickým vybavením stanou rentabilními.

Dlouhodobé náklady na palivo: kumulativní efekt

Hydraulický vrtací stroj o výkonu 20 kW, který pracuje 250 dní ročně ve dvou směnách po 4 hodiny skutečného úderového provozu na směnu, dosahuje přibližně 2 000 úderových hodin ročně. Hydraulická stanice, která jej napájí, je v provozu po delší dobu – včetně nastavování, přemisťování a nečinnosti. Systém s regulací průtoku podle zátěže umožňuje úsporu paliva o 15–20 % během všech těchto neúderových hodin, které u systému se stálým výkonem probíhají při plném výstupním výkonu.

Při konzervativním rozdílu 10 litrů na hodinu mezi systémem s regulací průtoku podle zátěže a ekvivalentním systémem se stálým výkonem (s ohledem na fáze nečinnosti) činí za 3 000 provozních hodin nosného vozidla ročně 30 000 litrů nafty ročně. Při ceně 1,00 USD za litr – což je pro většinu hornických trhů konzervativní odhad – činí to 30 000 USD ročně na jedno zařízení. Během životnosti zařízení 5 let samotné úspory energie odůvodňují významný navýšený nákupní cena systémů hydrauliky s regulací průtoku podle zátěže oproti systémům se stálým výkonem.

Stav těsnění a energetická účinnost: Skrytá souvislost

Hydraulická energetická účinnost není během životnosti zařízení konstantní. Těsnění rázového pístu v dobrém stavu propouští během pracovního zdvihu minimální množství oleje z vysokotlaké strany na nízkotlakou stranu – v podstatě celý dostupný tlakový rozdíl urychluje píst. S opotřebením těsnění se objem přetékajícího oleje zvyšuje. Za každý procentuální bod navíc přetékajícího oleje klesá účinný rázový tlak a zvyšuje se množství oleje, který se v návratovém okruhu mění na teplo. Pokud je těsnění natolik opotřebené, že způsobuje přetékání 8–10 %, klesne účinnost vrtacího stroje zhruba na úroveň neoptimalizovaného návrhu a tím se ruší výhody vylepšení hardwaru.

Udržování výkonné vrtací soupravy šetřící energii, která je řádně navržená, na jejím projektovaném účinnostním stupni znamená považovat výměnu těsnění za úkol údržby výkonu, nikoli pouze za úkol zabránění úniku. Společnost HOVOO dodává sady těsnění pro hlavní modely vrtacích kladiv – PU pro standardní provozní rozsahy, HNBR pro aplikace za vysokých teplot, kde by zvýšená teplota oleje při návratu způsobila předčné stárnutí materiálu PU. Odkazy na modely na stránce hovooseal.com.