乳化液泵站的無壓力傳感器變頻調速控制研究

朱光營 胡平 劉錫安

摘 要：本文通過對乳化液泵站的特性分析，結合現場實際應用，指出傳統乳化液泵站PID變頻調速算法的不足，并提出新的無壓力傳感器變頻調速控制方法。

關鍵詞：乳化液泵站；變頻調速；無壓力傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0049-02

1 概述

乳化液泵站是用來向綜采工作的液壓支架或普采工作面的單體液壓支柱輸送壓力液體（乳化液）的動力設備。是維持采煤工作面生產必須運轉的設備之一。礦井要實現高效、高產，液壓支架的支護速度、支護能力必須能滿足要求，作為液壓動力源的乳化液泵站高效、可靠運行則至關重要。

在礦井實際生產過程中，液壓支架的移架、升柱、降柱等動作和相鄰液壓支架的動作都是不連續的，工作面需求的供液量遠小于乳化泵的實際輸出能力。為保證液壓支架處于隨時可移動狀態，乳化液泵站需要不間斷運轉。這樣會造成大量不必要的機械磨損和電能浪費。因此，乳化液泵站運行時引入變頻調速控制就非常有必要。

本文主要根據乳化液泵站的工作原理，闡述乳化液泵站的無壓力傳感器變頻調速控制方法。

2 乳化液泵站的工作原理

乳化液泵站由兩臺或以上乳化泵及配套液相組成。乳化泵本質為往復式柱塞泵。其基本工作原理如圖1所示。

電機帶動曲軸轉動，帶動柱塞做往復式運動，把乳化液推入乳化液管路中。柱塞類泵有以下幾個特點：

（1）瞬時流量是脈動的；乳化液泵站輸出管路中配套緩沖裝置來平緩脈動，越高端的泵站，緩沖裝置越先進。（2）驅動電機轉速恒等時，平均流量是恒定的；當工作面需求流量小于泵輸出流量時，乳化泵輸出端配有電磁或機械卸載閥，卸載閥動作，將多余流量流回泵的吸入端。（3）泵的輸出壓力決定于輸出管路負載而不是泵本身。即泵的排出壓力不是由泵本身決定的，而是取決于泵裝置的管路特性，并且與流量無關。理論上，不論泵裝置的管路上有多大的阻力，泵都可以按其特定流量輸出。

3 PID調速控制存在的問題

目前采用變頻調速方式驅動的乳化液泵站基本采用PID控制算法，以乳化液泵站輸出壓力為調節目標，通過變頻器調節電機轉速進而控制壓力，期望達到恒壓供液和節能降耗的目的。基于乳化液泵站的基本特性，采用PID控制方式控制乳化液泵站的輸出壓力存在以下問題：

（1）必須配套壓力傳感器并且壓力傳感器必須可靠，一旦壓力傳感器失效，則無法實現調速控制；

（2）無法實現恒壓供液控制。

乳化液泵站輸出流量：Q=iFSn；i為總缸數，F為柱塞面積，S為沖程長度，n為曲軸轉速。可以看出，在電機轉速一定的情況下，泵的輸出流量是固定的。根據伯努利方程：

P+ρv2+ρgh=常數

輸出管道安水平管分析，則P+ρv2=常數。而流速v=Q/A，即P+ρ2=常數。當工作面液壓支架動作時，每多一組支架工作，相當于增大一倍，則管路壓力P會將為原來的1/4。當然，實際的應用現場條件遠遠比公式復雜，管路中存在壓力緩沖裝置，壓力變化相應也會緩和許多。但是其基本趨勢是不變的。

（3）液壓支架的動作相對隨機，無規律性，因此在恒壓狀態下如果突然加入一組支架動作，如想要保持系統壓力，則電機轉速需瞬時提升。這在變頻控制當中是無法實現的，變頻控制電機加速總是需要一定的加速時間。在這種情況下出現推移支架慢，支架支撐力不夠等問題。這種情況是不被現場操作人員接受的。

4 無壓力傳感器變頻調速控制的實現

因乳化液泵站的PID調速控制算法存在一定缺陷，本文提出新的乳化液泵站調速控制思路。即以最大限度減少空載能耗和機械磨損為最終目的，在不需要系統壓力傳感器的條件下，根據乳化液泵站的實時運行數據，通過科學的統計與分析，判斷系統的供液流量需求進而調整乳化泵泵站驅動電機的輸出轉速。

本控制方式實現的核心是乳化液泵站加載與卸載狀態的判斷。因為乳化液泵站工作在卸載狀態下是不往管道中輸出流量的。卸載狀態下的電機負載接近空載。電機通過變頻器控制時，通過變頻器能讀取電機的實時負載轉矩。圖2是淄礦雙欣礦業有限公司4110工作面乳化液泵站的驅動轉矩曲線圖。該工作面采用YJVFT-355L1-4 1140V 315kW變頻調速一體機驅動BRW315/31.5系列乳化液泵站。

通過曲線可以明顯看出，乳化液泵站在加載狀態時電機轉矩在70%～85%之間，在卸載狀態時電機轉矩在20%以下。通過電機的輸出轉矩，可以準確判斷出乳化液泵站的工作狀態。

判讀出乳化液泵站的工作狀態之后，就可以分析出工作面需要供液流量。加載狀態下電機轉速在單位時間內的積分值乘以固定系數，即為工作面需求供液流量。即Q=antj（Q為需求流量，a為流量系數，n為電機轉速tj為加載時間）。

采煤工作面實際生產過程中，生產班需要開啟至少兩臺泵，檢修班至少開啟一臺泵。兩臺泵運轉時供液能力大于實際需求。乳化液泵站有很多時間是工作在卸載狀態，卸載狀態下作無用功并且存在機械磨損。引入變頻調速的最終目的，其實就是盡量減少乳化液泵站的卸載工作時間。

圖3是上文所述工作面電機實際給定運行速度曲線。以下以該曲線為例具體說明無壓力傳感器的變頻調速實現方法。

雖然采煤工作面實際生產過程中液壓支架的工作是無規律的，但是在一段時間內液壓支架的需求供液流量是可預測的。通過上文的供液流量需求算法，可以計算出工作面實際需求最大供液量。

Q總=Q1+Q2=an1tj1+an2tj2

將泵轉速設定為工頻轉速1490轉/分，分析某一時間段的總需求流量，特別是推移支架最快的時候，統計發現兩臺泵的加載時間tj占總運行時間不超過65%。

通過計算，將兩臺泵的最大電機轉速為1000轉/分即可滿足需求。相比兩臺工頻泵（1490轉/分）至少節省1/3的無功損耗和機械磨損。

最低轉速的確定。圖中可以看出乳化液泵站的最低電機轉速為800轉/分。這個速度是由乳化液泵站本身的潤滑特性決定的。在本例中乳化液泵站最低要求轉速為800轉/分，低于此轉速時泵潤滑不足容易損壞。不同的泵站最低轉速不同。

確定乳化液泵站的最大轉速和最小轉速后，在轉速范圍內通過固定時間段流量積分值來判斷下個固定時間段內的流量需求值，以此為基準調整下時間段內泵的轉速給定。以加載時間tj為變頻加速輔助限制條件。

通過以上手段，實現乳化液泵站無壓力傳感器變頻調速控制。

5 結語

本控制方法在雙欣礦業有限公司實際應用以來，現場反饋以下應用效果。

（1）乳化液泵站運行轉速降低，現場噪音明顯減小；（2）沒有出現移架慢，支架支撐力不足等情況；（3）乳化液泵站的密封件損壞頻率明顯比之前工頻運行時低；（4）乳化液泵站的故障率比工頻運行時明顯降低。

通過現場運行實驗，可以看出，本文所述變頻調速控制方法是一種能適用工業生產現場的調速方法。對促進變頻控制乳化液泵站的發展具有重要意義。變頻控制乳化液泵站的推廣，符合《國務院關于加強節能工作的決定》、《“十一五”國家十大重點節能工程》、《國家發改委節能專項規劃》和《煤炭工業節能工作意見》，以及地方政府為節能所制定的法律、法規、方針、政策。

參加文獻

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