Energiatakarékos hidraulikus kőfúró: alacsony fogyasztás és magas termelékenység

Egy állandó elmozdulású pneumatikus rendszerben minden liter levegő, amelyet a kompresszor termel, de amelyet a fúró azonnal nem használ fel, a biztonsági szelepen keresztül távozik, és elveszik. Egy terhelésérzékelés nélküli nyitott hidraulikus rendszerben a felesleges olajáram ugyanezt teszi: a biztonsági szelepen keresztül visszakerül a tartályba, és az összes nyomási energia hővé alakul. Egy olyan fúró, amely a megengedett ütőhatásos üzemmód 50%-án működik, az egész műszak alatt teljes teljesítményt vesz igénybe a szivattyútól, amelynek fele hulladék-hőként keletkezik, mivel a szivattyúnak nincs lehetősége csökkenteni a kimenő teljesítményét az álló üzemmód fázisai alatt.

Ez a fő energiaprobléma, amelyet a terhelésérzékelő hidraulikus rendszerek megoldanak. A szivattyú leolvassa az aktuális körvezeték-igényt, és csak annyi folyadékot szállít, amennyire a ütő-, forgó- és tolókörök éppen szükségük tartanak. A gyűrűs munka, az újrapozícionálás és a rúdváltás során – amely valószínűleg egy műszak 30–40%-át teszi ki – a szivattyú visszahúzódása egyidejűleg csökkenti a térfogatáramot és a nyomást, így a zárt körös rendszerekben 15–20%-kal csökken az üzemanyag-fogyasztás azonos nyitott körös rendszerekhez képest. Ez nem elhanyagolható előny egy berendezés teljes élettartama alatt.

Hidraulikus vs. neumás: Az energiahiány szerkezeti jellegű

A hidraulikus kőfúrók kb. harmadannyi energiát fogyasztanak, mint a nekik megfelelő pneumatikus készülékek ugyanazon képződmény fúrása során. Ez nem egy marketingállítás – hanem a közeg összenyomhatatlanságának következménye. A levegő összenyomható: az energia egy része a levegő összenyomásába megy, és ennek egy része hőként veszik el a kibontakozás során. A hidraulikus olaj összenyomhatatlan; a szivattyú nyomási energiát szállít, amely közvetlenül átadódik a dugattyú mozgásának minimális átalakítási veszteséggel. A hidraulikus fúrók továbbá magasabb ütőenergiát szolgáltatnak ütésenként, mint a nekik megfelelő pneumatikus modellek, mivel a magasabb üzemi nyomás (160–220 bar hidraulikus, illetve 6–10 bar pneumatikus készülékeknél) lehetővé teszi, hogy egy kisebb, könnyebb dugattyú ugyanakkora vagy nagyobb lendületet vigyen át.

A második szerkezeti előny, hogy a hidraulikus rendszerek természetes módon integrálódnak a változó elmozdulású, terhelésérzékelő szivattyúkkal. A fix elmozdulású pneumatikus kompresszorok állandó kimenettel működnek – nincs megfelelője a terhelésérzékelő ferde tárcsának egy csavaros kompresszorban. Ezzel szemben az excavátor vagy fúróberendezés hidraulikus szivattyúja az álló üzemmódban majdnem nullára csökkentheti az elmozdulását, és ezredmásodpercek alatt visszatérhet névleges teljesítményére, amint ütőnyomásra van szükség. A gyakorlati üzemi ciklusokban ez 15–30%-os üzemanyag-megtakarítást eredményez ugyanazon a feladaton a fix elmozdulású rendszerekhez képest.

A megtakarítások forrása: négy mechanizmus

A terhelésérzékelő változó elmozdulású szivattyú biztosítja a legnagyobb energiamegtakarítást – 15–20%-ot egy teljes műszak alatt jól illesztett rendszerek esetén. A második mechanizmus az ütőkör környezetének optimalizálása: az olajcsatornák szélesítése és a kétátmérőjű dugattyúk alkalmazása csökkenti a szabályozó szelepben keletkező fojtási veszteségeket, így az belső átvezetés (bypass) növekedik 50–55%-ról 56–57%-ra a hidraulikus bemeneti energia átalakításában. A harmadik mechanizmus a hőkezelés: kevesebb pazarlott energia azt eredményezi, hogy a visszatérő olaj hűvösebb marad, ami kisebb terhelést jelent a hűtőrendszerre és alacsonyabb viszkozitás-csökkenést, ez pedig hosszabb olajcsera-intervallumokhoz vezet. A negyedik mechanizmus a fúrási vízkör hatékonysága: a fúrási vízszivattyú méretének pontos igazítása a tényleges fúrási lyuk igényeihez – ahelyett, hogy rögzített teljesítményen üzemelne – csökkenti a segédenergia-fogyasztást, különösen olyan alagútépítési körülmények között, ahol a fúrási vízkör folyamatosan működik, még a fúrási lyukak közötti időszakban is.

Energiatakarékossági összehasonlítás: nevelő-, szokásos hidraulikus és optimalizált hidraulikus rendszerek

A 25–57%-os átalakítási hatásfok-tartomány fontos, mert a kiindulási alap (referenciaérték) is számít. 25%-nál (neumatikus rendszer esetén) a bemeneti energiának már háromnegyedét elveszítjük, mielőtt egyetlen milliméter szikla is lenne fúrva. 57%-nál (optimalizált hidraulikus rendszer esetén) a veszteség 43%-ra csökken – ez továbbra is jelentős, de a javulás olyan mértékű, hogy megváltoztatja a fúrás gazdaságosságát. A mély furatok peremterületeken, gazdaságilag kevéssé vonzó képződményekben nem életképesek neumatikus rendszerekkel, de hatékony hidraulikus berendezésekkel már termelékenyek lehetnek.

Hosszú távú üzemanyagköltség: A kamatos hatás

Egy 20 kW-os hidraulikus fúrógép, amely évi 250 napon keresztül, két műszakban, műszakonként 4 óra valódi ütőműködés mellett üzemel, évente kb. 2000 ütőórát fut. A hozzá tartozó erőforrás-egység (power pack) hosszabb időszakban működik – ideértve a beállítást, az újrapozícionálást és az üresjáratot is. Egy terhelésérzékelő rendszer 15–20%-os üzemanyag-megtakarítást biztosít az összes olyan nem ütő üzemmódban, amelyeknél egy állandó térfogatáramú rendszer teljes teljesítményen ég.

A terhelésérzékelő rendszer és egy megfelelő állandó térfogatáramú rendszer közötti különbség – figyelembe véve az üresjárat-fázisokat – konzervatív becslés szerint 10 liter/óra. Évi 3000 üzemóra esetén ez évente 30 000 liter dízelolaj megtakarítást jelent. Az 1,00 USD/literes ár – a legtöbb bányászati piacon konzervatív becslés – évente 30 000 USD megtakarítást eredményez gépenként. Ötéves berendezés-élettartam alatt az energia-megtakarítás egyedül is indokolja a terhelésérzékelő hidraulikus rendszerek számottevő árprémiumát az állandó térfogatáramú kialakításokkal szemben.

Tömítésállapot és energiatakarékosság: A rejtett kapcsolat

A hidraulikus energiahatékonyság nem állandó az eszköz élettartama során. Egy jó állapotban lévő ütőpistonszelep a teljesítményciklus során minimális mennyiségű olajat enged át a nagynyomású oldalról a kisnyomású oldalra – lényegében az összes rendelkezésre álló nyomáskülönbség gyorsítja a pistont. Ahogy a szelep kopik, a bypass-áramlás növekszik. Minden egyes százalékpontnyi további bypass-áramlásnál csökken az effektív ütőnyomás, és nő az olaj mennyisége, amely a visszatérő körben hővé alakul. Egy olyan mértékben kopott szelep, amely 8–10%-os bypass-áramlást eredményez, a fúrófejet kb. egy nem optimalizált tervezés hatékonyságára csökkenti, így semlegesíti a hardverbeli fejlesztéseket.

Egy jól megtervezett, energiatakarékos fúró teljesítményének fenntartása a tervezett hatásfokon azt jelenti, hogy a tömítések cseréjét nemcsak szivárgás-megelőzési, hanem teljesítménymonitorozási karbantartási feladatként kezeljük. A HOVOO tömítéskészleteket szállít a legfontosabb fúrómodellekhez – PU anyagot szokásos üzemeltetési tartományokhoz, HNBR anyagot pedig magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz, ahol a megnövekedett olajvisszatérési hőmérséklet a PU anyagot előidőzött időpont előtt degradálja. A modellhivatkozások a hovooseal.com oldalon érhetők el.