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Den Sprung wagen

Vorteile von weniger, aber leistungsstärkeren Plungerpumpen


Andreas Wahl, CEO von KAMAT in Witten, erläutert die Vorteile des Einsatzes von weniger aber leistungsstärkeren Plungerpumpen bei Pumpenstationen in der Hochleistungsstrebhydraulik.

Um die zum Stützen und Rücken der Ausbaueinheiten erforderliche hydraulische Leistung zu liefern, werden im Strebbau Hochdruckpumpen eingesetzt. Immer längere Strebe, immer höhere Stützkräfte des Schildausbaus und damit steigende Hydraulikdrücke, größere Zylinderdurchmesser in den Ausbaueinheiten sowie die zunehmende Abbaugeschwindigkeit der Gewinnungsmaschine stellen hohe Anforderungen an die Hydraulikversorgung. Dadurch, dass Bergwerke die Streblängen und Höhe der Strebe immer weiter vergrößern, nehmen die Durchflussmengen, die gewährleistet werden müssen, ebenfalls immer weiter zu. Gleichzeitig drängen autonome Arbeitsabläufe das Gewinnungssystem, die Schilde schneller zu bewegen. Diese Reaktionsfähigkeit erhöht die Anforderungen an Hydrauliksysteme weiter. Hydraulikanlagen müssen den großen Volumenstrom der Emulsion mit dem erforderlichen Druck sicherstellen.

 

Hochdruck-Pumpenanlage für Untertage-Bergbau von KAMAT
Hochdruck-Pumpenanlage für Untertage-Bergbau von KAMAT.

 

250-kW-Pumpe war mal Standardpumpe für den Bergbau

In der Strebhydraulik werden in der Regel Plungerpumpen eingesetzt. Während in den 1950er Jahren der verwendete Hydraulikdruck für die Einzelstempel ca. 150 bar betrug, waren es vor 40 Jahren bereits ca. 200 bar. Um 1990 lag der Systemdruck dann bei ca. 300 bar. Die begrenzenden Faktoren für höhere Systemdrücke waren hauptsächlich Dichtungsprobleme bei Zylindern und Steuerungen. Seitdem wächst die Länge der Strebe stetig, zum einen ist der Systemdruck gestiegen und zum anderen werden größere Zylinderdurchmesser der Stützzylinder in den Schilden eingesetzt. Die Hydraulikanlage muss also einen großen Hydraulikflüssigkeitsstrom mit einem definierten hohen Systemdruck bereitstellen.

 

Hydraulikpumpenstationen heute

Heutzutage werden HFA-Emulsionen mit einem Wassergehalt von 95 - 97% verwendet. Moderne Emulsionen werden Mikroemulsionen genannt und sind eine fast klare Flüssigkeit. Moderne Hydraulikpumpenanlagen für Hochleistungsstrebe müssen einen Volumenstrom von etwa 2000 l / min Emulsion bei einem Systemdruck von 350 - 420 bar liefern. Sie müssen dies zuverlässig und mit hoher Verfügbarkeit tun, da ein Ausfall der Hydraulikversorgung zu einem Stillstand des Strebes und damit zu einem Produktionsausfall führt. Neben dem hohen Emulsionsstrom bei einem Systemdruck von 350 - 420 bar wird immer mehr Wasser zur Staubbekämpfung eingesetzt. Wassersprühdüsen sind in die Schildkappen und Schneidwalzen der Gewinnungsmaschine integriert, sodass die Pumpenanlage mit hoher Leistung leicht 2 MW installierter elektrischer Leistung bei langen Streben überschreitet.

Bis vor einigen Jahren war die typische Emulsionspumpe eine Plunger Pumpe mit einer Eingangsleistung von 90 kW, gefolgt von einer Pumpe mit 130 kW. Infolge der oben erwähnten steigenden Durchflussanforderungen in Streben mit hoher Leistung wuchsen die Pumpen auf 250 kW und dann auf 350 kW Leistungsaufnahme. In der Strebhydraulik sind Pumpensysteme mit einer Anordnung mehrerer Pumpen ausgestattet - typischerweise drei oder vier Pumpen - je nach benötigter Gesamtfördermenge.

Moderne, leistungsstarke Strebe mit schnell schneidenden Walzenladern benötigen immer größere Mengen von Hydraulikflüssigkeit. Bisher wurde dies durch Hinzufügen von immer mehr und mehr kleinen oder mittleren Pumpen erreicht. Durch die immer komplexer werdenden Pumpenanlagen entstanden Nachteile für die Betriebssicherheit. Die Lösung für moderne Pumpensysteme für lange Strebe und hohen Durchflussmengen ist daher die Verwendung größerer Pumpen, was zu einem weniger komplexen Pumpensystem führt.

 

Aktueller Trend bei Hochleistungsstreben

Moderne Strebhydraulik-Pumpsysteme werden immer mehr mit ein bis drei Pumpen ausgestattet. Die Wahl großer Pumpen mit einer Eingangsleistung von 500 kW pro Pumpe - die bereits heute in Streben mit hoher Produktion eingesetzt werden - ermöglicht es sogar oft, auf die sonst benötigten Vordruckpumpen verzichten zu können. Das bedeutet, dass die Anlage weiter vereinfacht wird, was logischerweise zu einer geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit führt und damit weniger Service sowie weniger Wartung usw. beinhaltet.

Die Verwendung großer Pumpen führt zu einer viel einfacheren Installation, da die Anzahl der hydraulischen und elektrischen Komponenten des Pumpensystems verringert wird. Auch wenn Pumpen mit großer Eingangsleistung verwendet werden, bleiben die Abmessungen kompakt und ermöglichen den Transport und den Einsatz unter Tage. Selbst Systeme, die für den Einsatz von 1000 kW-Pumpen ausgelegt sind, haben eine maximale Breite von 1600 mm. Die Größe der verwendeten Umlaufventile ist an die großen Volumenströme angepasst.

KAMAT hat die Vorteile des Einsatzes größerer Pumpen bei steigendem Durchflussbedarf erkannt und damit begonnen, die Entwicklung voranzutreiben und das Angebot an drei-Plunger-Pumpen mit einer Leistung von 80 bis 400 kW überarbeitet. Neben der Modernisierung der bestehenden Produktpalette erweiterte das Unternehmen die Pumpenpalette durch die Entwicklung von fünf-Plunger-Pumpen mit größeren Leistungsaufnahmen, um einen reibungslosen Betrieb bei größeren Durchflussmengen zu gewährleisten. Ab sofort sind zwei Quintuplexpumpen mit einer Leistung von 530 kW und 800 kW mit den Bezeichnungen K50000M-5G und K80000M-5G erhältlich. Im Strebbetrieb liefert die K50000M-5G 640 l / min bei 420 bar oder 763 l / min bei 360 bar. Die K80000M-5G liefert 1185 / min bei 420 bar oder 1360 l / min bei 375 bar und ist mit anderen Durchfluss- und Druckverhältnissen erhältlich. Dies bedeutet, dass der Streb nur von einer oder zwei Pumpen mit hydraulischer Leistung versorgt werden kann.

 

Hochdruck-Pumpenanlage mit fünf Plungerpumpen K 50050 M-5G (530 l/min., 375 bar, 375 kW) von KAMAT für eine Bergbau in China
Hochdruck-Pumpenanlage mit fünf Plungerpumpen K 50050 M-5G (530 l/min., 375 bar, 375 kW) von KAMAT für eine Bergbau in China.

 

Frequenzumrichter zur Anpassung des Volumenstromes

Hochdruckhydraulik mit größeren Pumpen ergibt eine weniger komplexe Pumpenstation mit geringerer Ausfallwahrscheinlichkeit, geringerem Serviceaufwand, geringerem Wartungsaufwand und folglich höherer Verfügbarkeit. Große Pumpen, die große Durchflüsse erzeugen, erhöhen die Anforderungen an die Regelung des Volumenstromes. Um den hohen Durchfluss pro Pumpe zu bewältigen, hat das Unternehmen eine neue Reihe von ausfallsicheren, zuverlässig schaltenden Umlaufventilen für Durchflussmengen bis zu 1500 l / min pro Pumpe bei maximal 500 bar auf den Markt gebracht. Darüber hinaus sind die neuen Umlaufventile mit Innenteilen aus Vollkeramik ausgestattet und damit äußerst verschleißfest.

Das Unternehmen bietet Umlaufventile in drei verschiedenen Größen an, die im eigenen Haus entwickelt und hergestellt werden. Die drei verfügbaren Größen decken den gesamten Durchflussbereich ab, von den kleinsten Pumpengrößen bis zu den großen 800-kW-Einheiten. Der Einsatz frequenzgeregelter Motoren führt zu einer perfekten Anpassung des Förderstroms der Pumpe an den Bedarf des Strebes. Die weltweiten Referenzen des Unternehmens zeigen, dass der Antrieb einer Strebpumpe mit einem frequenzgeregelten Motor den Servicebedarf erheblich reduziert und die Verfügbarkeit auf beeindruckende Weise erhöht. KAMAT-Pumpensysteme für den Bergbau mit Frequenzregelung sind seit 2002 in Betrieb, als die erste Umrichter-gesteuerte Strebhydraulik-Anlage der Welt auf einem Bergwerk im Saarland in Betrieb genommen wurde. Weitere Standorte für Pumpenwerke mit KAMATs Umrichter/VSD-Technologie sind China, die USA und Russland.

 

Energieeffizienz

Der Umrichter/VSD verhindert Druckstöße, indem die Antriebsdrehzahl der Pumpen genau an den Durchflussbedarf des Strebes angepasst wird, ohne dass das Umlaufventil umgeschaltet werden muss. Dies reduziert den Verschleiß in allen hydraulischen Teilen des Systemes Streb. In Zeiten hohen Bedarfes arbeitet die Pumpe mit voller Drehzahl und Fördermenge. Wenn der Bedarf sinkt, wird die Drehzahl der Pumpe verlangsamt und an den Durchflussbedarf des Strebs angepasst. Gleichzeitig ist der Energieverbrauch des Motors, der die Pumpe antreibt, variabel.

Ein weiterer Vorteil des Umrichters ist die verbesserte Energieeffizienz. Die Pumpen des Unternehmens können mit 10°% Nenndrehzahl (entspricht 10°% Nenndurchfluss) laufen. Dies reduziert die Zahl der Lastwechsel, wenn der Streb steht oder die Gewinnung nur sehr langsam läuft. Der Betrieb einer K50055-5G zur Versorgung eines Strebes mit üblicherweise 320 bar mit einem drehzahlgeregelten Motor ermöglicht somit einen Volumenstrom von 640 l / min Durchfluss bei voller Geschwindigkeit bis zu 64 l / min, ohne dass das Umlaufventil geschaltet werden muss und ohne dass eine Vordruckpumpe erforderlich ist.

Wenn der Streb 120°% benötigt, lässt das System zu, dass eine Pumpe mit voller Leistung läuft, während die eine drehzahlgeregelte Pumpe mit 20°% läuft. Bei Systemen anderer Hersteller werden für diesen Betriebszustand zwei Pumpen mit einer Leistung von jeweils 60°% benötigt. Dies bedeutet, dass zwei Frequenzumrichter verwendet werden müssen, was die Investitionskosten erheblich erhöht. Fakt ist, dass diese modernen Pumpenanlagensysteme mit möglichst wenigen Pumpen, ohne Vordruckpumpen und mit Frequenzumrichter ausgestattet, nachweislich sehr energieeffizient sind.

Der Energieverbrauch der Pumpe und des Systems wird minimiert, da der Leerlauf der Pumpe bei voller Drehzahl, bei dem lediglich Flüssigkeit in den Tank zirkuliert, vermieden wird. Die umrichtergesteuerte Pumpe arbeitet effizient und liefert genau den Volumenstrom, den der Streb benötigt. Somit wird keine elektrische Energie für Pumpen verschwendet, die mit voller Drehzahl im Leerlauf laufen. Wenn Slave- oder Standby-Pumpen ohne Frequenzumrichter im Leerlauf laufen, werden sie nach einer programmierbaren Zeit von normalerweise weniger als 10 Minuten angehalten.

Die Energiekosten, die beim Betrieb einer solchen umrichtergesteuerten Pumpenanlage eingespart werden, können die Kosten für den Umrichter amortisieren. Eine weitere Kostenreduzierung wird dadurch erreicht, dass die Vermeidung von Druckstößen zu einer erhöhten Lebensdauer der unter Druck stehenden Bauteile im System führt. Drei 800-kW-Pumpen – üblicherweise ein System aus Master-, Slave- und Standby-Pumpe - können sehr große Volumenströme und typische Strebdrücke von 350 - 380 bar zu günstigen Preisen darstellen.

 

Fast fertige Hochdruck-Pumpenanlage von KAMAT in Produktion
Fast fertige Hochdruck-Pumpenanlage von KAMAT in Produktion.

 

Quelle & Bilder: KAMAT GmbH, Germany

 

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