Гидравлический горный перфоратор с энергосберегающей системой: низкое энергопотребление и высокая производительность

В пневматической системе с постоянным рабочим объемом каждый литр воздуха, производимый компрессором, который не используется буровым инструментом немедленно, сбрасывается через предохранительный клапан и теряется. В гидравлической системе разомкнутого типа без чувствительности к нагрузке избыточный поток масла действует аналогичным образом — он перепускается обратно в бак через предохранительный клапан, преобразуя всю энергию давления в тепло. Буровой инструмент, работающий на 50 % от номинального цикла ударных нагрузок, потребляет полную мощность насоса в течение всей смены, причем половина этой мощности рассеивается в виде тепловых потерь, поскольку насос не имеет возможности снижать подачу в фазах простоя.

Это основная энергетическая проблема, которую решают гидравлические системы с чувствительностью к нагрузке. Насос считывает фактический спрос контура и выдаёт только то количество жидкости и давление, которые требуются в данный момент контурам ударного действия, вращения и подачи. Во время работы с оголовком, переустановки оборудования и замены штанг — что составляет, вероятно, 30–40 % любой смены — уменьшение хода поршня насоса снижает одновременно и расход, и давление, сокращая расход топлива на 15–20 % в системах с замкнутым контуром по сравнению с аналогичными системами с разомкнутым контуром. Это существенная экономия за весь срок службы оборудования.

Гидравлика против пневматики: структурный энергетический разрыв

Гидравлические горные перфораторы потребляют примерно на треть меньше энергии по сравнению с пневматическими аналогами при бурении одной и той же породы. Это не маркетинговое заявление — это следствие несжимаемости рабочей среды. Воздух сжимаем: часть энергии расходуется на его сжатие, а некоторая её доля теряется в виде тепла при расширении. Гидравлическое масло несжимаемо; насос подаёт энергию давления, которая напрямую передаётся движению поршня с минимальными потерями при преобразовании. Гидравлические перфораторы также обеспечивают большую ударную энергию на один удар по сравнению с эквивалентными пневматическими моделями, поскольку более высокое рабочее давление (160–220 бар для гидравлических против 6–10 бар для пневматических) позволяет использовать меньший и более лёгкий поршень, обладающий тем же или даже большим импульсом.

Второе структурное преимущество заключается в том, что гидравлические системы естественным образом интегрируются с насосами переменной производительности с чувствительностью к нагрузке. Пневматические компрессоры постоянной производительности работают с постоянной выходной мощностью — у винтового компрессора отсутствует аналог наклонной шайбы с чувствительностью к нагрузке. Гидравлический насос экскаватора или буровой установки, напротив, может снижать свою производительность почти до нуля в периоды простоя и в течение миллисекунд восстанавливать номинальную выходную мощность при возникновении потребности в ударном давлении. В реальных условиях рабочего цикла это обеспечивает экономию топлива на 15–30 % по сравнению с системами постоянной производительности, выполняющими ту же работу.

Источники экономии: четыре механизма

Регулируемое по нагрузке изменение рабочего объёма обеспечивает наибольшую долю энергосбережения — 15–20 % за полную смену на хорошо согласованных системах. Второй механизм — оптимизация ударного контура: снижение потерь на дросселирование в ударном клапане за счёт увеличения проходных сечений масляных каналов и применения поршней с двумя диаметрами позволяет сократить внутренний перепуск с 50–55 % гидравлического входного потока до 56–57 %. Третий механизм — управление тепловыми режимами: меньшие потери энергии означают более низкую температуру возвращающегося масла, что снижает нагрузку на теплообменник и уменьшает деградацию вязкости, обеспечивая более длительные интервалы замены масла. Четвёртый механизм — повышение эффективности промывочного контура: подбор производительности промывочного насоса под фактические потребности скважины вместо работы на фиксированной мощности снижает расход вспомогательной энергии, особенно в туннелях, где промывочный контур работает непрерывно даже между бурением отдельных скважин.

Сравнение энергоэффективности: пневматические, стандартные гидравлические и оптимизированные гидравлические системы

Диапазон коэффициента преобразования 25–57 % имеет значение, поскольку исходный уровень (базовый показатель) критически важен. При 25 % (пневматическая система) три четверти входной энергии теряются ещё до того, как будет пробурен хотя бы один миллиметр породы. При 57 % (оптимизированная гидравлическая система) потери снижаются до 43 % — это по-прежнему существенно, однако достигнутое улучшение достаточно велико, чтобы изменить экономическую целесообразность бурения. Глубокие скважины в слабопродуктивных пластах, нецелесообразные при использовании пневматических систем, становятся рентабельными при применении эффективного гидравлического оборудования.

Долгосрочные затраты на топливо: эффект накопления

Гидравлический отбойный молоток мощностью 20 кВт, работающий 250 дней в году в две смены по 4 часа фактического удара в смену, обеспечивает примерно 2000 часов ударной работы в год. Гидроприводная установка, обслуживающая его, работает в более широком временном окне — включая подготовку, переустановку и простои. Система с регулированием под нагрузку обеспечивает экономию топлива на 15–20 % во все те часы, когда ударная работа не выполняется, в то время как система с постоянной подачей расходует топливо на полной мощности.

При консервативной разнице в расходе топлива 10 л/ч между системой с регулированием под нагрузку и эквивалентной системой с постоянной подачей (с учётом фаз простоя) за 3000 часов работы базовой машины в год расходуется дополнительно 30 000 литров дизельного топлива ежегодно. При цене $1,00 за литр — консервативной оценке для большинства горнодобывающих рынков — это составляет $30 000 на одну машину в год. За пятилетний срок службы оборудования одни лишь энергетические выгоды оправдывают значительную надбавку к стоимости гидросистем с регулированием под нагрузку по сравнению с системами с постоянной подачей.

Состояние уплотнений и энергоэффективность: скрытая связь

Гидравлическая энергоэффективность не является постоянной в течение всего срока службы оборудования. Уплотнение ударного поршня в хорошем состоянии пропускает минимальное количество масла со стороны высокого давления на сторону низкого давления во время рабочего хода — фактически всё доступное перепадное давление ускоряет поршень. По мере износа уплотнения расход масла через обходной контур возрастает. За каждый процент дополнительного обходного расхода эффективное ударное давление снижается, а количество масла, преобразующегося в тепло в контуре слива, увеличивается. При износе уплотнения, приводящем к обходному расходу 8–10 %, эффективность отбойного молотка снижается примерно до уровня неоптимизированной конструкции, что сводит на нет преимущества усовершенствованного оборудования.

Поддержание энергосберегающего перфоратора, спроектированного с высокой точностью, на уровне заявленной эффективности означает рассматривать замену уплотнений как задачу технического обслуживания, направленного на поддержание рабочих характеристик, а не только как меру по предотвращению утечек. Компания HOVOO поставляет комплекты уплотнений для основных моделей перфораторов: PU — для стандартных диапазонов эксплуатации, HNBR — для применений при высоких температурах, где повышенная температура возвратного масла приводит к преждевременному старению материала PU. Список совместимых моделей доступен на сайте hovooseal.com.