Hydraulický vŕtač na horninu s úsporou energie: nízka spotreba a vysoká produktivita

V pneumatickom systéme s pevným výtlakom sa každý liter vzduchu, ktorý kompresor vyrobí a ktorý vŕtačka nepoužije okamžite, uvoľní cez prepúšťací ventil a stratí sa. V hydraulickom systéme s otvorenou slučkou bez snímania zaťaženia sa prebytočný prietok oleja správa rovnako – odvádza sa späť do nádrže cez prepúšťací ventil, pričom sa celá táto tlaková energia premieňa na teplo. Vŕtačka, ktorá pracuje pri 50 % svojho menovitého úderného cyklu prevádzky, spotrebuje počas celej smeny plný výkon čerpadla, z ktorého polovica predstavuje odpadné teplo, keď čerpadlo nemá možnosť znížiť výstup počas nepracovných fáz.

To je základný energetický problém, ktorý riešia hydraulické systémy so snímaním zaťaženia. Čerpadlo sleduje skutočnú požiadavku obvodu a vyrába len to, čo v danom okamihu potrebujú obvody pre úder, rotáciu a posuv. Počas práce s nárazníkom, presunov a výmeny tyčí – pravdepodobne 30–40 % každej smeny – sa čerpadlo vybíja, čím súčasne zníži prietok aj tlak a spotreba paliva sa v uzavretých systémoch zníži o 15–20 % oproti ekvivalentným otvoreným systémom. Toto nie je malé percento v priebehu celého životného cyklu zariadenia.

Hydraulika vs. pneumatika: Energetický rozdiel je štrukturálny

Hydraulické kameňové vŕtačky spotrebujú približne jednu tretinu energie pneumatických zodpovedníkov pri vŕtaní rovnakej horniny. To nie je marketingový nárok – je to dôsledok ne stlačiteľnosti prostredia. Vzduch je stlačiteľný: energia sa spotrebuje na jeho stlačenie a časť tejto energie sa stratí ako teplo počas expanzie. Hydraulický olej je nestlačiteľný; čerpadlo dodáva tlakovú energiu, ktorá sa priamo prenáša na pohyb piesta s minimálnymi stratami pri premenách. Hydraulické vŕtačky tiež poskytujú vyššiu úderovú energiu na každý úder v porovnaní s ekvivalentnými pneumatickými modelmi, pretože vyšší prevádzkový tlak (160–220 bar pre hydraulické oproti 6–10 bar pre pneumatické) umožňuje menšiemu a ľahšiemu pistu dosiahnuť rovnaký alebo väčší impulz.

Druhá štruktúrna výhoda je, že hydraulické systémy sa prirodzene integrujú s objemovo regulovateľnými čerpadlami so snímaním zaťaženia. Pneumatické kompresory s pevným výtlakom pracujú s konštantným výstupom – u šnekového kompresora neexistuje ekvivalent základného kĺzavého kotúča so snímaním zaťaženia. Hydraulické čerpadlo bagre alebo vŕtacej veže naopak dokáže počas prestojov znížiť výtlak takmer na nulu a do milisekúnd sa znova zvýši na menovitý výkon, keď sa vyžaduje tlak pri úderovej prevádzke. V reálnych podmienkach prevádzkového cyklu to znamená úsporu paliva o 15–30 % v porovnaní so systémami s pevným výtlakom, ktoré vykonávajú rovnakú prácu.

Zdroje úspor: Štyri mechanizmy

Premenný výtlak s detekciou zaťaženia zabezpečuje najväčšiu časť úspor energie – 15–20 % počas celého pracovného šiftu na dobre prispôsobených systémoch. Druhý mechanizmus je optimalizácia nárazovej hydrauliky: zníženie tlmiacich strát v nárazovej ventile rozšírením olejových kanálov a použitím piestov s dvoma priemermi zníži vnútorné obchádzanie z 50–55 % hydraulického vstupného výkonu na 56–57 %. Tretí mechanizmus je riadenie tepla – menej stratenej energie znamená chladnejší olej v návratovej vetve, čo znižuje zaťaženie chladiča a spomaliť degradáciu viskozity, čo sa prejaví predĺžením intervalov výmeny oleja. Štvrtý mechanizmus je efektívnosť čistiacej (preplachovacej) hydrauliky: presné prispôsobenie výkonu čistiaceho čerpadla skutočnej potrebe vrtáku namiesto prevádzky s pevným výkonom zníži spotrebu pomocného výkonu, najmä v tuneloch, kde čistiaca hydraulika beží nepretržite aj medzi vŕtaním jednotlivých vrtov.

Porovnanie energetickej účinnosti: pneumatické, štandardné hydraulické a optimalizované hydraulické systémy

Rozsah konverzného faktora 25–57 % je dôležitý, pretože základná hodnota má význam. Pri 25 % (pneumatický systém) sa predtým, než sa vytvorí jediný milimeter vrtu do horniny, stratí tri štvrtiny vstupnej energie. Pri 57 % (optimalizovaný hydraulický systém) sú straty znížené na 43 % – stále významné, avšak zlepšenie je také veľké, že mení ekonomiku vrtania. Hlboké vrtiny v málo výnosných horninových formáciách, ktoré nie sú pri pneumatických systémoch žiadnou možnosťou výhodné, sa s efektívnym hydraulickým vybavením stanú výnosnými.

Dlhodobé náklady na palivo: Kompozitný efekt

Hydraulický vŕtač s výkonom 20 kW, ktorý pracuje 250 dní ročne v dvoch zmenách po 4 hodiny skutočného úderového režimu na zmenu, dosahuje ročne približne 2 000 hodín úderového režimu. Hydraulická jednotka, ktorá ho napája, je v prevádzke po dlhší časový úsek – vrátane nastavovania, prepolohovania a nečinnosti. Systém s riadením podľa zaťaženia umožňuje úsporu paliva o 15–20 % počas všetkých týchto hodín bez úderového režimu, kedy systém s pevným výtlakom pracuje pri plnom výkone.

Pri konzervatívnom rozdiele 10 litrov paliva za hodinu medzi systémom s riadením podľa zaťaženia a ekvivalentným systémom s pevným výtlakom (vrátane fáz nečinnosti) a celkovo 3 000 hodín prevádzky nosného zariadenia ročne to predstavuje ročnú úsporu 30 000 litrov nafty. Pri cene 1,00 USD za liter – konzervatívna suma pre väčšinu baníckych trhov – ide o ročnú úsporu 30 000 USD na stroj. Počas životnosti vybavenia trvajúcej 5 rokov samotné úspory energie odôvodňujú výrazný cenový príplatok za hydraulické systémy s riadením podľa zaťaženia oproti systémom s pevným výtlakom.

Stav tesnení a energetická účinnosť: Skrytý vzťah

Hydraulická energetická účinnosť nie je počas životnosti zariadenia konštantná. Tesnenie úderového piesta v dobrnom stave prepúšťa počas pracovného zdvihu minimálne množstvo oleja z vysokotlakovej strany na nízkotlakovú stranu – v podstate celý dostupný tlakový rozdiel urýchľuje piest. So zhoršovaním stavu tesnenia sa množstvo pretekajúceho oleja zvyšuje. Za každý percentuálny bod navyše pretekajúceho oleja klesá efektívny úderový tlak a zvyšuje sa množstvo oleja, ktorý sa v návratnom okruhu mení na teplo. Tesnenie, ktoré je tak veľmi opotrebované, že spôsobuje pretekanie oleja v rozsahu 8–10 %, zníži účinnosť vŕtacej hlavy približne na úroveň neoptimalizovaného návrhu a tým zanikne účinok všetkých vylepšení hardvéru.

Udržiavanie dobre navrhovanej vrtacej súpravy na úsporu energie na jej navrhovanej úrovni účinnosti znamená považovať výmenu tesnení za úlohu údržby výkonu, nie len za úlohu predchádzania únikom. HOVOO dodáva súpravy tesnení pre hlavné modely vrtacích strojov – PU pre štandardné prevádzkové rozsahy, HNBR pre vysokoteplotné aplikácie, kde by zvýšená teplota návratovej olejovej zmesi spôsobila predčasné degradovanie materiálu PU. Odkazy na modely na webovej stránke hovooseal.com.