SE1000869A1 - Anordning och metod vid bergborrning - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning hänför sig till styrning av en kom-pressor vid en bergborrningsanordning, varvid nämnda bergborr-ningsanordning innefattar en kraftkälla för drivning av en viden bergborrningsprocess verksam kompressor, varvid nämnda kom-pressor är anordnad för arbete enligt en första mod och enandra mod, där i nämnda första mod kompressorns avgivna arbeteär anordnat att styras genom reglering av varvtalet för nämndakompressor, och där i nämnda andra mod kompressorns avgivnaarbete är anordnat att styras genom reglering av luftflödetvid kompressorns inlopp. Metoden innefattar att bestämma ettparametermetervärde representerande ett behov av arbete förnämnda kompressor, styra kompressorn enligt nämnda första modnär nämnda parametermetervärde representerande ett behov avarbete för nämnda kompressor överstiger ett första behov, ochstyra kompressorn enligt nämnda andra mod när nämnda parame-termetervärde representerande ett behov av arbete för nämndakompressor understiger nämnda första behov. Uppfinningen hän- för sig även till ett system och en bergborrningsanordning. Fig. 4

Description

lO 15 20 25 30 Av denna anledning används vanligtvis ett spolningsmedium, så- som t.ex. komprimerad luft, för att spola rent borrhålet från det krossade berget.

Den komprimerade luften erhålls från en kompressor vilken, liksom övriga vid en bergborrningsanordning befintliga förbru- kare, drivs av en kraftkälla, såsom t.ex. en förbränningsmo- tor.

Vid en bergborrningsanordning drivs vanligtvis olika förbruka- re av en och samma kraftkälla, vilket leder till att kraftkäl- lan hela tiden mäste drivas vid åtminstone ett minsta varvtal, vilket styrs av de till kraftkällan anslutna förbrukarna.

Kraftkällans varvtal mäste vara tillräckligt högt för att den förbrukare som för stunden har högst behov ska erhålla till- räcklig effekt för att önskad funktion ska kunna säkerställas.

Fördelen med en dylik lösning är att en och samma kraftkälla kan användas som kraftkälla för samtliga vid borriggen före- kommande förbrukare, såsom kompressor, hydraulpumpar/-motorer, slagverk, etc.

Denna lösning har dock nackdelen att kraftkällans aktuella varvtal många gånger inte är optimalt för alla förbrukare.

T.ex. kan kompressorns kraftbehov (bergborrningsanordningens behov av komprimerad luft) vara lägre än slagverkets (den slagverksdrivande hydraulpumpens) kraftbehov, vilket leder till att mer effekt än vad som är nödvändigt förbrukas under en borrningsprocess, med överflödig bränsleförbrukning, och generering av värme och buller, som resultat.

Det existerar således ett behov av en förbättrad styrning av förbrukare vid en bergborrningsprocess. 10 15 20 25 30 Sammanfattning av uppfinningen Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhanda- hålla en metod för styrning av en kompressor vid en bergborr- ningsanordning som löser ovanstående problem. Detta syfte upp- nås med en metod enligt patentkrav 1.

Föreliggande uppfinning hänför sig till en metod för styrning av en kompressor vid en bergborrningsanordning, varvid nämnda bergborrningsanordning innefattar en kraftkälla för drivning av en vid en bergborrningsprocess verksam kompressor, varvid nämnda kompressor är anordnad för arbete enligt en första mod och en andra mod, där i nämnda första mod kompressorns avgivna arbete är anordnat att styras genom reglering av varvtalet för nämnda kompressor, och där i nämnda andra mod kompressorns av- givna arbete är anordnat att styras genom reglering av luft- flödet vid kompressorns inlopp. Metoden innefattar att: - bestämma ett parametermetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor, - styra kompressorn enligt nämnda första mod när nämnda para- metermetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor överstiger ett första behov, och - styra kompressorn enligt nämnda andra mod när nämnda parame- termetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor understiger nämnda första behov.

Detta har fördelen att kompressorn hela tiden kan styras på ett sätt som medför att kompressorn inte förbrukar mer effekt än vad som faktiskt erfordras, varvid överflödig bränsleför- brukning, och därmed associerad generering av värme och buller kan minskas.

Enligt uppfinningen styrs kompressorn på ett sådant sätt att den genererar precis, eller väsentligen precis, det arbete som för närvarande erfordras, såsom t.ex. erfordrat spolluftflöde.

Enligt uppfinningen ästadkoms detta genom att selektivt varv- 10 15 20 25 30 talsstyra kompressorn (kraftkällan) respektive styra (strypa) tilluftflödet vid kompressorns inlopp, så att det av kompres- sorn avgivna arbetet (t.ex. det avgivna flödet) kan inställas till önskad nivå.

Kompressorns avgivna arbete styrs alltså genom reglering av kompressorns varvtal och/eller reglering av luftflödet vid dess inlopp. Detta medför att en mycket exakt styrning av av- givet arbete kan erhållas genom att från ett givet kompressor- varvtal strypa kompressorinloppet i precis den utsträckning som erfordras för att önskat arbete ska avges. Styrningen av avgivet arbete kan dessutom utföras oberoende av aktuellt varvtal för kraftkällan, så länge som kraftkällans varvtal medför ett kompressorvarvtal där åtminstone tillräckligt kom- pressorflöde kan avges.

Kompressorns arbetsmod kan hela tiden växla mellan nämnda för- sta mod och nämnda andra mod för att säkerställa att önskat flöde avges, oberoende av andra faktorer. T.ex. kan behovet av spolluftflöde vara väsentligen konstant, samtidigt Søm andïâ till kraftkällan anslutna förbrukare slås på eller av, varvid kraftkällans varvtal kan variera under drift, vilket medför att styrning av kompressorn erfordras för att upprätthålla önskat flöde.

Kompressorn kan styras på ett sätt som genererar ett bestämt tryck på kompressorns högtrycksida, där det av kompressorn av- givna flödet styrs av inställt tryck. Flödet på kompressorns högtrycksida kommer dock hela tiden att variera, t.ex. beroen- de på det motstånd som spolluften utsätts för vid borrningen.

Flödesmotståndet (strypningen) beror bl.a. på borrkronan, typ av borrstång, antal borrstänger och om spolluftshålen i kronan börjar bli igensatta eller inte. Om mängden vid borrningen bildat borrkax ökar kommer flödet i spolluftkretsen, vid lO 15 20 25 30 tryckstyrt system, att minska jämfört med när mängden bildat borrkax är jämförelsevis mindre.

Flödesstyrda system har därför nackdelen att de inte har någon kontroll på flödet. Systemet eftersträvar att hälla ett kon- stant inställt tryck, med följden att det flöde kompressorn inställs till att avge hela tiden kommer att variera. Det luftflöde som krävs för ett givet sekundärtryck beror helt på vilket flödesmotstånd det efterkommande systemet utgör. Detta innebär att ett och samma sekundärtryck resulterar i en varie- rande mängd spolluft. När det inställda styrtrycket har upp- nåtts kommer spolluftflödet att reduceras i takt med att fler stänger adderas till borrsträngen och hålet blir djupare, vil- ket kan leda till en tryckökning som i sin tur leder till minskning av flödet, med ökad risk för igensättning som följd.

Om spolluftshàlen i kronan börjar sättas igen kommer stryp- ningen, och därmed flödesförlusterna, att öka, vilket leder till att kompressorsystemet reglerar ner flödet och situatio- nen förvärras ytterligare.

En annan grundtanke med föreliggande uppfinning är därför att styra kompressorns flöde direkt istället för att styra det av kompressorn vid en bergborrningsprocess avgivna flödet baserat pà en trycknivä som råder efter kompressorn. Detta har förde- len att kompressorn kan styras på ett sätt som medför att en lösning erhålls som är mindre känslig för de tryckvariationer som uppstår i spolluftkretsen vid borrningen.

Detta ästadkoms genom att styra kompressorn baserat pä en sig- nal representerande ett önskat flöde, där det önskade flödet är frikopplat från trycket efter kompressorn. Styrningen av spolluftflödet blir därmed oberoende av tryckvariationer en- ligt ovan, så länge som inte trycket i spolluftkretsen över- stiger ett maximalt tryckvärde, vilket t.ex. kan representeras av ett värde vid vilket fastborrning anses ha inträffat och 10 15 20 25 varvid borrningen bör stoppas. Maxtryckvärdet kan även repre- sentera ett maximalt värde som inte bör överskridas för att inte riskera att komponentskador uppstår.

Genom att reglera luftflödet vid kompressorns inlopp respekti- ve kompressorns varvtal kan spolluftflödet styras oberoende av det faktiska tryck som råder i spolningskretsen. Detta betyder att kompressorns belastning kommer att variera i beroende av trycket medan flödet hålls på önskad nivå (åtminstone upp till systemets angivna maxbelastning enligt ovan). Detta medför att önskat spolluftflöde kan styras mycket exakt och oberoende av belastningsvariationer, varvid det kan säkerställas att önskat av kompressorn avgivet spolluftflöde hela tiden upprätthålls.

Ett flödesstyrt system, till skillnad från ett tryckstyrt, kan leverera ett konstant flöde (inom systemets tryckbegränsning- ar) som är oberoende av det mottryck som stänger m.m. genere- rar. Detta medför att spolluftsflödet inte kommer att variera med antalet stänger och håldjup (såvida inte en ökning av spolluftflödet med ökat antal borrstänger, dvs. ökat håldjup, är önskvärd, varvid i så fall sådan ökning kan inställas).

Trycket kan således variera med flödet och inte vice versa, vilket gör det möjligt att med hjälp av spolluftstrycket utlä- sa om det uppstår några problem, t.ex. om kronan håller på att sättas igen.

Ytterligare kännetecken för föreliggande uppfinning och förde- lar därav kommer att framgå ur följande detaljerade beskriv- ning av exempelutföringsformer och de bifogade ritningarna.

Kort beskriving av ritningarna Fig. 1 visar en bergborrningsanordning vid vilken föreliggande uppfinning med fördel kan tillämpas. 10 15 20 25 30 Fig. 2a-b visar en anordning för styrning av det av en vid bergborrningsanordningen i fig. 1 förekommande kompressor en- ligt en exempelutföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig. 3 visar verkningsgraden för en kompressor vid varvtals- styrning respektive styrning av luftflödet vid kompressorns inlopp.

Fig. 4 visar ett flödesschema över en exempelmetod enligt fö- religgande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av exempelutföringsformer I fig. 1 visas en bergborrningsanordning enligt en första ex- empelutföringsform av föreliggande uppfinning, för vilken en uppfinningsenlig styrning av en kompressor kommer att beskri- VaS .

Den i fig. 1 visade bergborrningsanordningen innefattar en borrigg 1, i detta exempel en ovanjordborrningsrigg, vilken uppbär en borrmaskín i form av en topphammarborrmaskin 11.

Borriggen 1 visas i användning, borrandes ett hål 2 i berg, vilket börjar vid jordytan och där borrningen för närvarande befinner sig vid ett djup Q. Hålet är avsett att resultera i ett hål med djupet ß, vilket, beroende på tillämpningsområde, kan variera stort från hål till hål och/eller tillämpningsom- råde till tillämpningsområde. Det avslutade hålet anges med streckade linjer. (Det visade förhållandet mellan borrigghöjd och håldjup är inte på något sätt avsett att vara proportio- nerligt. Borrens totala höjd V kan till exempel vara 10 meter, medan håldjupet ß kan vara både mindre än och väsentligt myck- et större än 10 meter, t.ex. 20 meter, 30 meter, 40 meter el- ler mer.) Topphammarborrmaskinen 11 är via en borrsläde 13 monterad på en matarbalk 5. Matarbalken 5 är i sin tur fäst till en bom 19 lO 15 20 25 30 via en matarbalkshållare 12. Topphammarborrmaskinen ll till- handahåller, via en borrsträng 6 som stöds av ett borrsträng- stöd 14, slagverkan på ett borrverktyg i form av en borrkrona 3. En borrkrona innefattar vanligtvis skär eller stift av hårdmetall, diamant e.d., vilka överför stötvågsenergi från topphammarborrmaskinen ll till berget. Av praktiska skäl (utom möjligtvis för mycket korta hål) består borrsträngen 6 inte av en borrstång i ett stycke, utan består vanligtvis av ett antal borrstänger. Når borrningen har fortskridit motsvarande en borrstånglängd sammangängas en ny borrstång med de en eller flera redan sammangängade borrstängerna, varvid borrningen kan fortskrida ytterligare en borrstånglängd innan ny borrstång sammangängas med befintliga borrstänger.

Topphammarborrmaskinen ll är av hydraulisk typ, varvid den ef- fektförsörjs av en hydraulpump 10, vilken i sin tur drivs av en kraftkälla i form av en förbränningsmotor 9 (såsom t.ex. en dieselmotor) via slangar (ej visat) på sedvanligt sätt. Alter- nativ kan kraftkällan 9 utgöras av t.ex. en elmotor.

I allmänhet innefattar en borrigg av ovanstående typ en primär kraftkälla, såsom förbränningsmotorn 9, vilken tillhandahåller effekt till flera, eller samtliga, vid borriggen förekommande förbrukare, såsom t.ex. kompressor, hydraulpumpar, liksom där- av drivna förbrukare, såsom t.ex. slagverk, hydraulmotorer.

Vid borrning krossas berget, och det krossade berget bildar borrningsrester som måste evakueras från borrhålet för att borrningen ska kunna utföras på ett effektivt sätt.

Av denna anledning används ett spolningsmedium, i föreliggande exempel komprimerad luft, spolluft, för att spola rent borrhå- len från de borrningsrester, även kallat borrkax, som bildas vid borrningen (istället för komprimerad luft kan andra spol- ningsmedium likaväl användas, till exempel vatten, med eller utan tillsatsmedel). 10 15 20 25 30 I den visade bergborrningsanordningen leds spolluften genom borrstängerna, vilka utgörs av tjockväggiga rör, t.ex. av stål. En i eller genom stängernas väggar i längdriktningen bildad kanal genom borrsträngen används för att mata spolluf- ten fràn borriggen 1 genom borrsträngen 6 för utsläpp genom spolluftshål i borrkronan för att därefter ta med sig borrkax- et på sin väg upp ur hålet.

Spolluften spolar borrkaxet uppåt genom och ut ur hålet 2 i utrymmet mellan borrstång och hälvägg, såsom indikeras av de uppåtriktade pilarna i fig. 1 (i en alternativ utföringsform spolas borrkaxet ut ur hålet genom en kanal i borrsträngen, varvid spolningsmediumet leds ner genom hålet i det utrymme som bildas mellan borrstång och hålvägg, alternativt genom en andra i borrsträngen bildad kanal).

Oavsett flödesväg erfordras, för att borrkaxet ska följa med spolluften upp ur hålet, att spolluften uppnår åtminstone en viss hastighet. Denna minsta hastighet som krävs för att borr- kaxet ska följa med upp ur hålet, och inte stanna kvar med igensättningsproblem som följd, beror i första hand pä borr- kaxets storlek, form och densitet. Det är viktigt att luftflö- det är tillräckligt stort för att borrkaxet ska följa med upp till ytan. Ett för litet flöde kan försämra borrprestanda, och i värsta fall leda till fastborrning. Samtidigt är det viktigt att luftflödet ä andra sidan inte är onödigt stort, eftersom ett alltför stort flöde leder till ökad energiförbrukning och även till ökat slitage av t.ex. borrsträngens gjutgods p.g.a. den blästringseffekt borrsträngen utsätts för av det borrkax spolluften för med sig upp ur hålet.

För att få ner luft till borrkronan används en kompressor 8, i föreliggande exempel en skruvkompressor, som trycker spolluf- ten genom kanalen i borrstängerna ner till borrkronan. 10 15 20 25 30 10 Den komprimerade luften matas till borrsträngen 6 från kom- pressorn 8, direkt eller via en tank (ej visad), eller via en slang 7. Kompressorn 8 drivs, såsom nämnts, av förbränningsmo- torn 9, och kompressorns 8 funktion kommer att beskrivas mer i detalj nedan i anknytning till fig. 2 a-b.

Förbränningsmotorn 9 utgör borriggens primära effektförsörj- ningsaggregat, och bör därför vara tillräckligt kraftfull för att samtidigt kunna driva både kompressorn 8 och övriga till förbränningsmotorn anslutna förbrukare, såsom hydraulpumparna 10, 15, vid full hastighet, liksom även kylfläktar och andra förbrukare. Dessa andra förbrukare kan t.ex. utgöras av ytter- ligare hydraulpumpar för drivning av andra på bergborrningsan- ordningen hydrauliskt styrda funktioner som år i drift vid borrningsförhållanden där maximalt effektuttag erfordras.

Borriggen innefattar även en styrenhet 18, vilken utgör en del av borriggens styrsystem, och vilken kan användas för styrning av diverse funktioner, såsom t.ex. styrning av kompressorn 8 och förbränningsmotorns 9 varvtal enligt föreliggande uppfin- ning, och vilket beskrivs nedan.

Såsom nämnts ovan utgör kompressorn 8 en skruvkompressor, dvs. en kompressor med fast deplacement. I fig. 2a visas kompres- sorn 8 direktansluten till förbränningsmotorn 9, dvs. en för- ändring av förbränningsmotorns varvtal återspelglas direkt av en motsvarande förändring av kompressorns 8 varvtal.

Flödet från en kompressor med fast deplacement kan principi- ellt styras enligt två olika principer, där den ena utgörs av en reglering av kompressorns varvtal. Flödet från en kompres- sor med fast deplacement är direkt proportionellt mot kompres- sorns varvtal, och i de fall kompressorns kraftkälla kan varv- talsregleras fritt kan således också det av kompressorn avgiv- na flödet styras till godtycklig nivå mellan O och 100% av kompressorns kapacitet med hjälp av varvtalsreglering. Kom- 10 15 20 25 30 ll pressorn och/eller kraftkällan kan dock ha ett minímumvarvtal, varvid den praktiskt möjliga nedre gränsen för varvtalsre- glering många gånger utgörs av ett visst minsta varvtal, vil- ket även inför en begränsning för hur litet flöde kompressorn kan avge med hjälp av varvtalsregleringen.

I många fall är dock inte helt fri varvtalsreglering möjlig, t.ex. p.g.a. av att en kraftkälla i form av en förbränningsmo- tor måste hälla åtminstone ett minsta (tomgångs-) varvtal för att överhuvudtaget kunna vara igång. Vid fallet med bergborr- ningsanordningar enligt ovan finns det dessutom andra till kraftkällan anslutna förbrukare, såsom nämnda hydraulpumpar 10, 15, vilka, för att erhålla tillräcklig effekt, kan erford- ra ett högre förbränningsmotorvarvtal än vad som för närvaran- de erfordras av kompressorn.

Förbränningsmotorns varvtal n styrs därför av styrenheten 18 med hjälp av en styrsignal 24, vilken bestäms av styrenheten 18 baserat på signaler 21-23 från t.ex. andra förbrukare, el- ler annan vid bergborrningsanordningen befintlig styrenhet, och där styrsignalerna kan representera ett effektbehov för kompressorn och/eller en eller flera övriga förbrukare.

Förbränningsmotorn 9 kan även vara anordnat att drivas vid nå- got av ett antal olika, väsentligen konstanta varvtal, vilka år anpassade för olika driftsfall. Varvtalsstyrning enligt uppfinningen kan således innefatta helt fri varvtalsstyrning av kompressorn (kraftkällan) så länge som varvtalet inte un- derstiger det lägsta varvtal som erfordras av övriga förbruka- re, men även styrning till något av ett antal förbestämda *fšïïft v.

Enligt föreliggande uppfinning används dock inte enbart varv- talsstyrning av kompressorn. Istället används ett kompressore- tyrningsförfarande där två olika principer växelvis tillämpas 10 15 20 25 30 12 för styrning av kompressorn för att därmed erhålla ett från kompressorn avgivet arbete såsom ett flöde som motsvarar öns- kat flöde/flödesbehov. Förutom att reglera förbränningsmotorns 9 varvtal enligt ovan regleras även mängden tillförd luft till kompressorn. Detta illustreras schematiskt i fig. 2a med hjälp av en inloppsventil 25, vars öppning/stängning styrs med hjälp av en från styrenheten 18 avgiven styrsignal 26.

Principen för reglering av kompressorns 8 avgivna flöde med hjälp av inloppsventilen 25 visas mer i detalj i fig. 2b.

Inloppsventilen 25 utgörs av en elektriskt styrd inloppsven- til. Det skall förstås att styrning av kompressorns inlopp allmänt kan ske pà olika sätt med olika typer av inloppsventi- ler. Enligt den visade exempelutföringsformen exemplifieras ventilen av en elektriskt styrd proportionalventil i kompres- sorns inlopp.

Enligt den i fig. 2b visade utföringsformen utgörs ventilen av en tallriksventil med en ventiltallrik 30, vilken manövreras med hjälp av en pneumatiskt styrd reglerkolv 31. Genom att med hjälp av reglerkolven förflytta ventiltallriken 30 upp och ner ändras öppningsarean AA mot kompressorinloppet 32, och därmed ändras även mängden luft som tillåts passera från omgivningen till kompressorns inlopp 32.

Den från inloppet vända sidan 30a (dvs. ovansidan i fig. 2b) av ventiltallriken 30 arbetar mot omgivningens tryck, vilket vanligtvis innebär atmosfärstryck pmm, medan den motsatta (undre) sidan påverkas av rådande tryck pm_i kompressorinlop- pet 32. Ventiltallriken 30 fungerar som en strypning, varvid trycket i kompressorns inlopp som högst kommer att motsvara Pam, men så fort luft inte kan flöda fritt in i kompressorns inlopp kommer ett undertryck pk; pmm att råda i kompressorin- loppet 32. 10 15 20 25 30 13 Luftflödet från en kompressor vid ett givet kompressorvarvtal är åtminstone väsentligen linjärt beroende av absoluttrycket i inloppet. I det fall kompressorn arbetar mot atmosfärstryck, dvs. när inloppstrycket pÜ,= pmm, erhålls därför 100 % av kom- pressorns maximala flödeskapacitet vid aktuellt varvtal vid rådande omständigheter. Däremot kommer, så fort ett undertryck vid kompressorns inlopp råder, det av kompressorn avgivna flö- det att utgöra ett delflöde av maximalt flöde. Genom att på ett kontrollerat och önskat sätt styra undertrycket i kompres- sorinloppet med hjälp av elektriska styrsignaler till inlopps- ventilen kan det av kompressorn avgivna flödet styras till precis önskat flöde.

Den tryckdifferens som ventiltallriken utsätts för enligt ovan ger upphov till en kraft (nedàtriktad i fig. 2b) som är lin- järt beroende av undertrycket i inloppet. För att styra tall- riksventilen används i den visade utföringsformen en med tall- riksventilen mekaniskt förbunden reglerkolv 31.

Reglerkolven 31 är tryckstyrd, och så länge som reglerkolven tryckmässigt år avlastad hålls kompressorns inlopp öppet med hjälp av en fjäder 33. Om en kraft påläggs reglerkolven 31 via en kanal 34, och därmed ventiltallriken 30, kommer ventiltall- riken 30 att positionera sig på så sätt att det blir kraftjäm- vikt mellan flödeskrafterna, fjäderkraften (fjäderkraften kan vara liten i förhållande till övriga rådande krafter, varvid denna kraft åtminstone i tillämpliga fall kan bortses från) och den av reglerkolven 31 påförda kraften. Således blir det undertryck som ventiltallriken ger upphov till beroende av re- glerkraften. Genom kännedom om fjäderkarakteristiken för fjä- dern 33, vilken t.ex. kan uppmåtas eller erhållas från fjäder- tillverkaren, kan undertrycket enkelt regleras till önskad nivå genom trycksättning av reglerkolven, där hänsyn tas till fjäderkarakteristiken vid regleringen. 10 15 20 25 30 14 Styrning av inloppsventilen kan åstadkommas på godtyckligt tillämpligt sätt, och i den här exemplifierade lösningen an- vänds alltså en elektriskt styrd pneumatisk fjäderbelastad re- glerkolv för styrning av ventiltallriken, men även t.ex. helt elektriska eller hydrauliska lösningar för styrning av ventil- tallriken är tänkbara. Ventilen kan även ha en helt annan principiell uppbyggnad än den här visade.

Reglerkolvtrycket styrs av en aktuator, såsom en elektriskt styrd ventil, varvid styrsignaler 26 från styrenheten 18 styr den elektriskt styrda ventilen 25, och därmed reglerkolven, enligt fig. 2A-B.

Således är det möjligt att styra flödet från en kompressor en- ligt två olika principer. Även om dessa två olika principer ger samma funktion, dvs. möjlighet att på ett önskat sätt re- glera kompressorns avgivna flöde till ett önskat flöde, uppvi- sar varvtalsstyrning respektive reglering av trycket (flödet) vid kompressorns inlopp stor skillnad i verkningsgrad vid del- laster.

Detta åskädliggörs i fig. 3. Fig. 3 visar ett diagram över ef- fektbehovet för de två reglerprinciperna vid 0-100% belastning av kompressorn. 100% flöde motsvarar ett första varvtal nx.

Varvtalet nx kan vara, men behöver inte nödvändigtvis vara, kompressorns maximala varvtal.

Styrning med hjälp av varvtalsreglering innebär således re- glering av kompressorns varvtal från O (0% flöde) till nx (100% flöde). vid det varvtal som ger 100% flöde, dvs. kurvan representeran- Reglering av tilluften, däremot, utgör en reglering de reglering av inloppsventilen i fig. 3 utgör en reglering där kompressorns varvtal är konstant nx. Det visade förhållan- det alltid är giltigt, dvs. verkningsgraden vid utstyrning av ett visst givet flöde är alltid högre vid varvtalsreglering 10 15 20 25 30 15 jämfört med vid reglering av tilluften vid kompressorns in- lopp.

Således vore det att föredra att kompressorn alltid kunde varvtalsstyras över hela det (arbets-)område där kompressorn normalt arbetar under drift. Enligt ovan är detta dock van- ligtvis inte möjligt vid bergborrningsanordningar, eftersom varvtalsstyrning över hela kompressorns arbetsområde endast är möjlig i de fall där inga andra till kompressorns kraftkälla (förbränningsmotorn 8) anslutna förbrukare är beroende av att kraftkällan hela tiden håller åtminstone ett visst varvtal.

Enligt föreliggande uppfinning styrs därför kompressorn enligt föreliggande uppfinning antingen enligt en första mod, där kompressorn varvtalsregleras, eller enligt en andra mod, där luftflödet i kompressorns inlopp regleras.

En exempelmetod 400 enligt föreliggande uppfinning visas i fig. 4.

Metoden startar i steg 401, där ett kompressorflödesbehov qd bestäms. Behovet av kompressorflöde qd kan variera stort, och kan bestämmas på olika sätt. Behovet kan t.ex. styras baserat på ett önskat tryck efter kompressorn, i vilket fall en tryck- givare nedströms kompressorn kan användas vid bestämning av om det av kompressorn avgivna flödet ska ökas eller minskas för att önskat tryck ska erhållas.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning år styrning av kompressorn 8 rent flödesstyrd. I detta fall bestäms det flöde som kompressorn ska avge, varvid kompressorn sedan styrs på ett sådant sätt att önskat flöde erhålls. Flödesstyrning av kompressorn har fördelen att ingen återkoppling från flödes- kretsen nedströms om kompressorn erfordras, dvs. eftersom kom- pressorn alltid kommer att avge ett visst flöde vid ett visst 10 15 20 25 30 16 varvtal och viss ventilposition kan det alltid säkerställas att önskat flöde styrs ut.

Flödesstyrning har vidare fördelen att genom att enbart styra det av kompressorn 8 avgivna flödet kan önskat flöde upprätt- hållas oberoende av faktisk belastning (vilken t.ex. beror på aktuellt antal borrstångkomponenter och den mängd borrkax som för stunden frigörs vid borrningen) och även det tryck som faktiskt erfordras för att åstadkomma det önskade flödet. När spolluftkretsens belastning ökar, t.ex. på grund av ökad mängd borrkax eller i takt med att fler och fler borrstångkomponen- ter tillförs borrsträngen i takt med att borrningen fortskri- der, kommer kompressorn att arbeta hårdare, dvs. fortfarande avge det av styrsignalen bestämda flödet, men vid ett högre tryck, så länge som det maximalt tillåtna trycket inte överskrids enligt ovan.

Regleringen av kompressorflödet kan således utföras oberoende av det faktiska spollufttryck som råder i spolluftkretsen, varvid reglering av spollufttrycket inte heller erfordras vid flödesreglering. Det är dock fortfarande fördelaktigt att övervaka trycket i spolluftkretsen, t.ex. medelst en tryckgi- vare, så att kompressorflödet kan stoppas eller sänkas till ett lägre flöde om belastningen blir så pass hög att ett för kompressorn eller spolluftkretsen förutbestämt maximaltryck överskrids. I detta fall kan även borrningen stoppas eller re- duceras, eftersom tryckökningen kan bero på att igensättning av spolluftkanalen har skett eller håller på att ske.

När lämpligt kompressorflöde har bestämts i steg 401 fortsät- ter metoden till steg 402, där det bestäms om behovet av kom- pressorflöde qd överstiger ett parametervårde qm för bestäm- ning av arbetsmod för kompressorn. Denna bestämning utförs i en utföringsform genom en bestämning av om flödesbehovet qd 10 15 20 25 30 l7 överstiger ett första värde, t.ex. 40, 50, 60, 70 eller 75% av kompressorns maximalt avgivbara flöde (det ska förstås att här menas kompressorns maximalt avgivbara flöde i den aktuella in- stallationen. Kompressorn i sig kan vara konstruerad för att avge ett högre flöde om den skulle drivas av en annan kraft- källa, såsom t.ex. en kraftkälla som är kapabel att driva kom- pressorn vid ett högre varvtal).

Om så är fallet fortsätter metoden till steg 403, varvid kom- pressorn styrs kompressorn enligt nämnda första mod, dvs. varvtalsstyrt, och inställs för avgivning av ett flöde qd. Om förbränningsmotorn är inställbar till ett antal fasta varvtal och därmed inte kan varvtalsregleras helt fritt kan kompres- sorn inställas för avgivning av det flöde som erhålls vid när- maste fasta varvtal som överstiger det varvtal som erfordras för avgivning av flödet qd.

Om, å andra sidan flödesbehovet qd understiger nämnda första värde fortsätter metoden till steg 404 för styrning enligt nämnda andra mod, dvs. reglering av flödet vid kompressorns inlopp, där inloppsventilen inställs för avgivning av önskat flöde qd.

Det ska förstås att regleringen av kompressorn kan vara konti- nuerlig, och att växling mellan nämnda första mod och nämnda andra mod kan ske ofta. T.ex. kan bestämning av erfordrat flö- de utföras varje sekund, var 5: sekund, var 10:e sekund eller med något annat lämpligt intervall. Metoden återvänder därför från stegen 403, 404, t.ex. efter att en viss tid enligt ovan har förflutit, till steg 401 för ny bestämning av flödesbehov- Vidare ska det förstås att gränsen mellan varvtalsreglering och reglering av flödet vid kompressorns inlopp kan vara styrd av begränsningar såsom att kraftkållan många gånger måste hål- 10 15 20 25 18 la minsta varvtal, varvid detta varvtal styr gränsen för över- gång mellan reglering av flödet vid kompressorns inlopp re- spektive varvtalsreglering. T.ex. kan varvtalet ligga någon- stans i det varvtalsintervall som medför att kompressorn avger 40~95% av maximalt flöde.

Istället för att en fast gräns används för nämnda parameter- värde qw vid val av nämnda första respektive andra mod enligt ovan används, enligt en exempelutföringsform av föreliggande uppfinning, ett rörligt värde för qfl. Enligt denna utförings- form styrs kompressorn enligt följande: Kompressorn kommer att drivas i nämnda första mod när önskat spolluftflöde qd [uttryckt i % av maximalt från kompressorn avgivbart flöde] är lika med eller överstiger ett första värde qm (uttryckt i % av kompressorns maximala flöde), där: m . qdIZíJqOOI (l), B_maX och där: a¿Jmx= maximalt motor (kompressor) ~varvtal, QLmn= lägsta motor (kompressor) -varvtal, dvs. det lägsta varvtal som erfordras av övriga förbrukare, eller det lägsta förbränningsmotorvarvtal som möjliggör kompressordrift. Detta varvtal, och därmed qm, kan således förändras under drift.

Detta betyder säledes att förbränningsmotorn kommer att drivas vid ett högre varvtal än al så fort qm överstiger gränsen e_mín enligt ekv. (1) ovan.

Förbränningsmotorns varvtal a¿ styrs då enligt 10 15 20 l9 w:a) *EL e ämm 100, samtidigt som flödet i kompressorns inlopp in- ställs till qi=100, dvs. helt öppet inlopp. e_mín *100 styrs förbränningsmotorn så att Om, å andra sidan qd< 6_IT121X á¿==w dvs. vid minsta möjliga (med hänsyn tagen till övriga förbrukare) varvtal för kraftkällan, samtidigt som flödet qi förbi inloppsventilen [% av max] styrs enligt nämnda andra mod så att kompressorns flöde blir: qf-l- <2) (amy w6_m6X Genom att styra qi kan således önskat flöde från kompressorn erhållas. Beroende på t.ex. in-/urkoppling av andra las- ter/förbrukare som drivs av kraftkällan kan kraftkällans varv- tal w variera. Kraftkällan kan vara anordnad att drivas vid e_min något av ett flertal förutbestämda väsentligen fasta varvtal, där de olika varvtalen är anpassade för att kunna avge till- räcklig kraft till anslutna förbrukare i förhållande till det behov som råder för stunden. Exempel på förbrukare vars ef- fektförsörjning inte bör påverkas av varvtalsregleringen av kompressorn utgörs av slagverket och rotation av borrsträngen. *_ ett varv- van utgöras av f? s Q (T H1 0 w FA s m (11 th o w s W 51) s Q o n W ) a :I 0 .

Enlig e tal a) där det kan säkerställas att kraftkällans varvtal e _ aber f 10 15 20 25 20 kan ändras utan att påverka riggens funktion, sä länge som kraftkällans varvtal inte understiger agvwr.

Detta kan åstadkommas genom att övriga till primärdrivkällan anslutna förbrukare dimensioneras på så sätt att de blir varv- talsoberoende för varvtal övertigande aLJæ,. Genom att dimen- sionera och anpassa hydraulsystemets pumpar och deras styrning kan hydraulsystemet fås varvtalsoberoende inom det valda varv- talsomràdet. Detta betyder att övriga till kraftkällan anslut- na förbrukare kan drivas vid fulleffekt redan vid akßwr. T.ex. kan övriga förbrukare vara dimensionerade så att de vid ett varvtal á¿Jw, för kraftkällan, t.ex. 70-75% av det varvtal w_mM vid vilket nämnda kompressor avger maximalt flöde, kan avge full effekt. Således kan varvtalsreglering av kompressorn ske från ca 70-75% till 100% flöde utan att övriga förbrukare pâverkas. agow, kan även utgöras av andra varvtal, och kan t.ex. utgöras av ett varvtal i intervallet 40-95% av nämnda varvtal w eHmax ° I en utföringsform är a) fast, men såsom visats ovan kan e _ aber varvtalsomrädet styras av aktuellt behov. Oom alla delsystem körs i en driftpunkt som är lägre än maximal kan styrsystemet hela tiden anpassa motorvarvtalet till det delsystem som för stunden har det största behovet, dvs. a¿JM ovan, varvid den varvtalsgräns som utgör gräns mellan varvtalsreglering och flödesreglering kan variera enligt vad som har beskrivits ovan även i en utföringsform där övriga förbrukare är varvtalsobe- roende för ett visst varvtal a¿ß@,.

Vid styrningen enligt nämnda andra mod tar styrenheten 18 hän- syn till kraftkällans (förbränningsmotorns) varvtal i ekv. (2), varvid önskat flöde kan säkerställas oberoende av varia- 10 15 20 25 30 21 tioner i kraftkällans varvtal. Kraftkällans varvtal t.ex. kan erhållas med hjälp av en vid kraftkällans utgående axel eller kompressorns ingående axel anordnad varvtalsgivare.

Bestämning av det flöde som kompressorn ska avge enligt ovan kan vara baserad på en eller flera olika parametrar.

T.ex. kan bestämning av spolluftflöde vara baserad på borrhå- lets aktuella djup (det kan vara fördelaktigt att öka flödet med ökande håldjup, men det ska förstås att ett och samma flö- de också kan användas vid borrning av ett hål).

Kompressorns flöde kan även, helt eller delvis, baseras på borrmaskinens slagverkseffekt (slagverkstryck och/eller slag- verksfrekvens) så att, oavsett slagverkseffekt, det hela tiden kan säkerställas att flödet är anpassat till det borrkax som genereras vid borrningen, eftersom hårdare borrning (högre slagverksfrekvens) ofta medför generering av större mängder borrkax.

Spolluftflödet kan naturligtvis även styras oberoende av slag- verkstrycket. Hänsyn kan även tas till typ av berg, varvid spolluftflödet kan regleras åtminstone delvis i beroende av den bergart i vilken borrning sker.

Styrningen av det av kompressorn avgivna flödet kan även vara baserad på en godtycklig kombination av ovanstående, eller yt- terligare, styrparametrar såsom en representation av verkty- gets rotationshastighet, håldiameter och/eller borrstångdiame- ter.

Vid den automatiska styrningen av kompressorn ovan utförs även en automatisk bestämning av önskat spolluftflöde baserat på olika parametrar med hjälp av en styrenhet. Önskat spolluft- flöde kan alternativt bestämmas av bergborrningsanordningens operatör, varvid önskat flöde kan inmatas från operatörsplats lO 15 22 såsom en styrhytt via t.ex. ett MMI-gränssnitt, och där det inmatade värdet kan vara baserat på operatörens erfarenhet.

Uppfinningen har ovan beskrivits i anknytning till en ovan~ jordborrningsrigg, vilken uppbär en borrmaskin i form av en topphammarborrmaskin. Uppfinningen är dock även tillämplig för styrning av kompressorer vid t.ex. DTH (Down-The-Hole) ~ bergborrningsanordningar. Vid DTH-bergborrningsanordningar kan det vara fördelaktigt att styra det avgivna trycket hellre än flödet eftersom kompressorflödet driver ett luftdrivet slag- verk i hålet, och där ett önskat arbetstryck för slagverket önskas upprätthållas, dock fortfarande genom att styra flödet enligt ovan.

Det finns även ovanjordlösningar av den i fig. 1 visade typen där topphammarborrmaskinen är luftdriven, varvid tryckstyrning kan vara att föredra av motsvarande skäl.

Claims (21)

10 15 20 25 30 23 Patentkrav

1. Metod för styrning av en kompressor vid en bergborrningsan- ordning, varvid nämnda bergborrningsanordning innefattar en kraftkälla för drivning av en vid en bergborrningsprocess verksam första förbrukare utgörande en kompressor, varvid nämnda kompressor är anordnad för arbete enligt en första mod och en andra mod, där i nämnda första mod kompressorns avgivna arbete är anordnat att styras genom styrning av varvtalet för nämnda kompressor, och där i nämnda andra mod kompressorns av- givna arbete är anordnat att styras genom styrning av luftflö- det vid kompressorns inlopp, varvid metoden innefattar att: - bestämma ett parametermetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor, - styra kompressorn enligt nämnda första mod när nämnda para- metermetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor överstiger ett första behov, och - styra kompressorn enligt nämnda andra mod när nämnda parame- termetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor understiger nämnda första behov.

2. Metod enligt krav l, varvid nämnda första parametervärde representerar ett tryck- eller flödesbehov.

3. Metod enligt krav l, varvid nämnda första parametervärde representerar ett flödesbehov, där nämnda flödesbehov bestäms oberoende av rådande tryck i flödeskretsen efter kompressorn.

4. Metod enligt krav 3, varvid, när rådande tryck i flödes- kretsen efter kompressorn understiger ett första tryck, nämnda flödesbehov bestäms oberoende av nämnda rådande tryck i flö- deskretsen efter kompressorn. 10 15 20 25 Lu CD 24

5. Metod enligt något av kraven 1-4, varvid nämnda bergborr- ningsanordning innefattar åtminstone en andra av nämnda kraft- källa driven förbrukare, varvid metoden vidare innefattar att bestämma det minsta varvtal för nämnda kraftkälla som erford- ras för drift av nämnda ätminstone en andra förbrukare, varvid styrning enligt nämnda andra mod utförs när nämnda första pa- rametervärde understiger det arbete kompressorn avger vid nämnda bestämda minsta varvtal för nämnda kraftkälla.

6. Metod enligt något av kraven 1-4, varvid nämnda bergborr- ningsanordning innefattar åtminstone en andra av nämnda kraft- källa driven förbrukare, varvid metoden vidare innefattar att bestämma det minsta varvtal för nämnda kraftkälla som erford- ras för drift av nämnda åtminstone en andra förbrukare, varvid styrning enligt nämnda första mod utförs när nämnda första pa- rametervärde är lika med eller överstiger det arbete kompres- sorn avger vid nämnda bestämda minsta varvtal för nämnda kraftkälla,

7. Metod enligt något av kraven 1-6, varvid metoden vidare in- nefattar att förändra nämnda första behov av arbete under drift.

8. Metod enligt något av kraven 1-7, varvid nämnda bergborr- ningsprocess inkluderar åtminstone delprocesserna spolning samt åtminstone en av slag och rotation.

9. System för styrning av en kompressor vid en bergborrnings- 'lg, varvid fiäwfida bergborrnirgsanordning innefattar en kraftkälla för drivning av en vid en bergborrningsprocess verksam första förbrukare utgörande kompressor, kännetecknat av att systemet innefattar: 10 15 20 25 Lo C) 25 - styrorgan för styrning av nämnda kompressor enligt en första mod och en andra mod, där i nämnda första mod kompressorns av- givna arbete är anordnat att styras genom styrning av varvta- let för nämnda kompressor, och där i nämnda andra mod kompres- sorns avgivna arbete är anordnat att styras genom reglering av kompressorns inlopp, och - bestämningsorgan för bestämning av ett parametermetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor, - organ för styrning av kompressorn enligt nämnda första mod när nämnda parametermetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor överstiger ett första behov, och - organ för styrning av kompressorn enligt nämnda andra mod när nämnda parametermetervärde representerande ett behov av arbete för nämnda kompressor understiger nämnda första behov.

10. System enligt krav 9, varvid nämnda bergborrningsanordning innefattar åtminstone en andra av nämnda kraftkälla driven förbrukare.

11. System enligt något av kraven 9-10, vidare innefattande organ för att, vid styrning enligt nämnda andra mod, styra luftflödet vid kompressorns inlopp.

12. System enligt något av kraven 9-11, vidare innefattande organ för att, vid styrning enligt nämnda andra mod, styra flödet vid kompressorns inlopp genom reglering av kompresso- rinloppets öppningsarea mot omgivningen.

13. System enligt krav 12, varvid trycket i kompressorns in- r anordnat att styras genom reglering av kompressorin- |__| m = OPP loppets öppningsarea mot omgivningen med hjälp av en elekt- riskt styrbar ventil. 10 l5 20 25 30 26

14. System enligt något av kraven 9-13, vidare innefattande organ för att, vid styrning enligt nämnda första mod, styra varvtalet för nämnda kompressor genom styrning av varvtalet för nämnda kraftkälla.

15. System enligt något av kraven 9-14, vidare innefattande styrorgan för styrning av kompressorn enligt nämnda första el- ler andra mod baserat på en första elektrisk styrsignal, var- vid nämnda första styrsignal innefattar en representation av ett önskat från nämnda kompressor avgivet arbete.

16. System enligt krav 15, varvid nämnda styrorgan utgörs av en styrenhet anordnad att avge en andra elektrisk styrsignal till reglerorgan för reglering av nämnda kompressorinlopp och/eller varvtal för nämnda kraftkälla.

17. System enligt krav 15 eller 16, varvid bestämning av nämn- da första styrsignal är anordnad att utföras åtminstone delvis baserat på en eller flera ur gruppen: ett tryck i flödeskret- sen, aktuellt håldjup, en representation av verktygets rota- tionshastighet, en representation av en slagverkseffekt, hål- diameter, borrstångsdiameter, bergart.

18. System enligt krav 10, varvid nämnda åtminstone en andra av nämnda kraftkälla drivna förbrukare är dimensionerad på så sätt att nämnda åtminstone en andra förbrukare är oberoende av kraftkällans varvtal för varvtal överstigande ett varvtal där w e _ uber å) e _ aber f utgör ett lägre varvtal än det varvtal a¿JmXvid vilket nämnda kompressor avger maximalt flöde.

19. System enligt krav 18, varvid nämnda varvtal a¿Jæ, 27 utgör ett varvtal i intervallet 40-95% av nämnda varvtal a¿JmXvid vilket nämnda kompressor avger maximalt flöde.

20. System enligt något av kraven 9-19, varvid nämnda kompres- sor utgör en kompressor med fast deplacement.

21. Bergborrningsanordning, kännetecknad av att den innefattar ett system enligt något av patentkraven 9-20.