Hydraulische Antriebssysteme für Kolbenpumpen

Bei fast allen Öl- und Gasbohrungen sowie Bohrarbeiten an Versorgungsleitungen muss eine Kolben-, Triplex- oder Schlammpumpe verwendet werden. Diese drei Begriffe stehen synonym für eine kurbelwellengetriebene Mehrkolbenpumpenkonstruktion, die große Volumina und Drücke bewältigen kann. Der Hauptzweck der Pumpe besteht darin, die Bohrkrone zu schmieren und zu kühlen, den Bohrlochdruck zu regeln und überschüssiges Bohrmaterial aus dem Bohrloch zu entfernen. Die Bohrprozessbedingungen ändern sich während des Betriebs ständig, einschließlich Tiefe, Bodenhärte, Schlammqualität, Bohrrichtung usw. Der erforderliche Schlammdruck spiegelt Änderungen in all diesen Parametern wider.

Bei all diesen Variablen ist es wichtig, den Schlammdruck und -fluss schnell und genau zu steuern. Die gebräuchlichsten Antriebsquellen für Schlammpumpen sind mechanische Getriebe, Kettengetriebe mit einem Dieselmotor oder einem Elektromotor als Antriebsmaschine. Das mechanische Getriebedesign erschwert die Steuerung des Schlammdrucks und -flusses, da der Bohrarbeiter den Druck kontinuierlich anpassen muss, indem er den Fluss entsprechend ändert. Diese Aufgabe wird entweder durch eine Umschaltung der Übertragungsgeschwindigkeit, den Einbau zusätzlicher Schlammpumpen oder eine Anpassung der Pumpleistung auf andere Weise erledigt.

Die am weitesten verbreiteten Schlammpumpen sind 3-Kolben-Kolbenpumpen mit typischer Kurbelwelle. Die meisten dieser Pumpen verfügen über ein eingebautes mechanisches Übersetzungsverhältnis von 3:1 oder 5:1. Die Hochgeschwindigkeitseingangswelle wird dann über eine Geschwindigkeitsschaltkonstruktion von einem Dieselmotor oder Elektromotor angetrieben. Die maximale Drehzahl der Kurbelwelle variiert je nach Bauart und Größe, ein üblicher Wert bei voller Leistung liegt jedoch bei etwa 100 bis 150 Umdrehungen pro Minute (U/min) für Schlammpumpen und bis zu 400 U/min für Zementpumpen. Die normale Betriebsgeschwindigkeit ist niedriger und die Durchschnittsgeschwindigkeit von 50 bis 150 U/min ist am häufigsten. Durch das Schalten des Getriebes oder der Drehzahl des Dieselmotors kann der Durchfluss gesteuert werden. Die Herausforderung besteht darin, den Druck im Bohrloch konstant zu halten, der von den unterschiedlichen Durchflussanforderungen abhängt.

Pferdestärke (PS) ist Pferdestärke, Geschwindigkeit ist Geschwindigkeit und Drehmoment ist Drehmoment. Keine Zauberei oder geheime Soße verschafft einem Antriebssystem einen großen Vorteil gegenüber dem anderen. Eine der vielen Optionen ist ein hydraulisches Antriebssystem.

Anforderungen an den Antrieb der Kolbenpumpe

Nachteile des hydraulischen Antriebssystems

Typischerweise sind die Anschaffungskosten des hydraulischen Antriebssystems der wichtigste Faktor bei der Entscheidung, welcher Kolbenpumpenantrieb installiert werden soll. Es ist wichtig, die Vor- und Nachteile jedes Antriebs sowie den für die Pumpenanwendung erforderlichen Steuerungstyp zu verstehen.

Offener Regelkreis, variables Volumen

Dieses Systemdesign besteht aus einer druckkompensierten Pumpe mit variablem Volumen, die von einer Antriebsmaschine mit herkömmlichen Steuerventilen angetrieben wird, wie z. B. elektroproportionalen Inline-Steuerventilen zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit und -richtung. Zusätzliche Pumpensteuerungen wie Lasterkennung und PS-Begrenzung stehen zur Verfügung, um die Förderleistung der Pumpe basierend auf Änderungen im nachgeschalteten System anzupassen. Alle diese Arten von Kontrollen können zu einem reaktionsschnelleren und effizienteren System führen. Diese Art von Systemdesign würde auch eine Überdruckregulierung für maximale Drehmomentkontrolle und Abbremsfähigkeit, Druck- und Durchflusssensoren sowie typische Komponenten zur Flüssigkeitsaufbereitung für Filterung und Kühlung umfassen. Wenn der Motor nicht läuft, wird der Hub der Verstellpumpe verringert und sie verbleibt im Druck-Standby-Modus und wartet darauf, dass bei einem Druckabfall im System der Hub wieder aufgenommen wird. Der Ölumsatz im System steht in direktem Zusammenhang mit dem Förderstrom der Pumpe.

Ein typisches Reservoirdesign würde ein Verhältnis von Ölfluss zu Ölspeicherung von 3:1 erfordern. Diese Art von System kann über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gesteuert werden, die Geschwindigkeit und Druck überwachen kann und so eine Systemsteuerung im laufenden Betrieb ermöglicht. Dieses Systemdesign ist effizient und wird von Wartungsarbeitern meist besser verstanden.

Geschlossener Kreislauf, hydrostatisch

Dieses Systemdesign ist eine weitere Methode des hydraulischen Antriebs, die deutliche Vorteile gegenüber der Open-Loop-Konstruktion bietet und eine höhere Effizienz bietet. Bei der Konstruktion mit geschlossenem Regelkreis werden Motorgeschwindigkeit und -richtung durch eine zweiachsige Pumpe mit variablem Volumen gesteuert, die von einer Antriebsmaschine angetrieben wird. Druckregelventile können alle Teil der Pumpenbaugruppe sein und müssen nicht inline installiert werden. Der Motor befindet sich in einem geschlossenen Kreislauf, wobei die Pumpenauslässe mit dem Ölvolumen, das zur Erzielung der gegebenen Motordrehzahl verwendet wird, zur anderen Seite der Pumpe zurückkehren. Die Primärpumpe wird durch eine kleine Pumpe mit fester Verdrängung aufgeladen, die den Kreislauf mit dem im Pumpensteuerkreis verwendeten Durchfluss auflädt und Leckagen innerhalb der Pumpe und des Motors ausgleicht, wodurch der Kreislauf gefüllt wird.

Der Ölumsatz im System steht nur in direktem Zusammenhang mit dem Ausgangsstrom der Ladepumpe, nicht mit dem Hauptkreislaufstrom. Dieser Faktor ermöglicht eine viel kleinere Reservoirgröße als ein herkömmliches offenes System. Die proportionale, elektronische Hubpumpensteuerung sorgt für einen variablen Ausgangsstrom zum Motor und ändert die Geschwindigkeit entsprechend den Anforderungen der Kolbenpumpe. In dieser Art von System kann auch eine einfache SPS verwendet werden, um die Ausgangsgeschwindigkeit und den Druck der Kolbenpumpe zu steuern. Es kommt häufig vor, dass das geschlossene Kreislaufsystem von den Wartungsmitarbeitern nicht so umfassend verstanden wird und häufig zusätzliche Schulungen für die ordnungsgemäße Fehlerbehebung und Wartung erforderlich sind.

Beide beschriebenen Systeme können Sensoren und Steuerungen verwenden, um das System einfach zu automatisieren und den Durchflussbedarf der Kolbenpumpe zu steuern. Unter Verwendung der Motorgeschwindigkeit wird häufig eine Drehzahlmesserrückmeldung verwendet, um den Geschwindigkeitsregelkreis zu schließen, was eine einfache Potentiometersteuerung durch einen Bediener oder eine komplexere Steuerung (PID-Schleife) mit einer SPS ermöglicht, die so programmiert ist, dass sie den Ausgangsstrom der Kolbenpumpe basierend auf der Eingangsdrehzahl überwacht und steuert. Systemdrucksensoren können die Pumpe bei einem bestimmten Lastdruck entlasten oder stoppen, wenn die Anwendung dies erfordert. Darüber hinaus können wartungsbezogene Sensoren hinzugefügt werden, um zu ermitteln, wann eine Systemwartung erforderlich ist. Zu diesen Sensortypen gehören der Zustand des Ölfilterelements, der Ölstand im Behälter, die Überwachung der Ölreinheit, der Ölwassergehalt usw. Solche Systemsteuerungen können in einem benutzerfreundlichen Format über Touchscreens und Betriebs-Dashboards dargestellt werden.

Obwohl nicht alle rotierenden Anwendungen über einen hydraulischen Antrieb verfügen sollten, kann diese Antriebsart in vielen Fällen die effektivste und effizienteste Lösung sein. Speziell bei Plungerpumpen werden hydraulische Antriebskonstruktionen leider nicht ausreichend als sinnvolle Alternative angesehen. Bei der Auswahl eines Designantriebs für den Betrieb einer Kolbenpumpe können die Merkmale und Vorteile eines hydraulischen Antriebs die beste Wahl für die Gesamtleistung, Effizienz und Steuerung der Pumpe sein. Das hydrostatische Antriebssystem mit geschlossenem Kreislauf ist in den meisten Fällen die beste Wahl, um die von einer Kolbenpumpe geforderte Leistung zu erzielen.

Scott Smith ist Abteilungsleiter – West Shops bei Mi Repair & Services bei Motion. Als zertifizierter Fluidtechnik-Spezialist verfügt er über mehr als 35 Jahre Erfahrung in der Fluidtechnik- und Industrievertriebsbranche, davon mehr als 12 Jahre bei Motion. Smith hat einen Abschluss in Fertigungstechnik vom Oregon Institute of Technology. Weitere Informationen finden Sie unter www.motion.com/pumpsandsystems.