變頻技術在乳化液集中供液系統中的應用

彭建永，黃靖龍

(1.湖南省煤業集團有限公司，湖南 長沙 410018；2.湖南科技大學 機電工程學院，湖南 湘潭 411201)

近年來，隨著我國變頻技術的高速發展，煤礦行業節能技術取得了相當大的成就，變頻技術在煤炭行業的應用也越來越廣泛[1-5]。尤其是在煤礦設備領域，變頻技術有著廣泛的應用。國內變頻器制造技術的日益成熟，變頻技術在煤礦乳化泵液中得到了大范圍的應用推廣。目前，我國南方煤礦已廣泛推廣煤礦乳化集中供液系統[6-7]。煤礦乳化液集中供液系統采用地面集中供液站代替多個井下供液站，以集中供液形式代替井下多站供液形式，為井工煤礦綜采液壓支架和單體液壓支柱供液，也可以為其他用液設備設施(如井底、井口操車系統，煤巷液壓支架等)供液。隨著煤礦地面集中供液系統的建立，搭建煤礦水力能源傳輸應用平臺，將進一步推動煤礦乳化液壓設備設施的廣泛應用。

乳化液壓能以其安全可靠、應用范圍廣泛、使用方便、介質價格低廉、單位體積介質傳遞功率大等優點，將同電能、風壓能共同成為煤礦的主要動力源。乳化集中供液系統具有以前供液系統不可比擬的優越性，投運后給煤礦企業帶來了巨大的經濟和社會效益。在煤礦機電設備中，使用變頻技術，不僅可以使環境污染降低，而且還可以減少能源消耗的總量[8-11]。

1 乳化液集中供液系統組成及工作原理

1.1 乳化液集中供液系統組成

將地面泵站代替井下泵站及一泵代替多泵，是集中供液系統的2個顯著的特點[12-15]。根據集中供液系統的工作特點，應選在煤礦地面工業廣場建立集中供液站，并配套安裝向井下供液的管網系統，以“一礦一站”的方式向礦井各個工作面集中供液，同時，各工作面只需保證供液管路連通即可。

乳化液集中供液系統如圖1所示。

圖1 乳化液集中供液系統示意Fig.1 Diagram of centralized emulsion supply system

地面乳化泵站集中供液系統由乳化泵站系統、電氣控制系統、自動配液系統、輸液管路4部分組成。乳化泵站系統包括乳化泵及乳化箱等設備，電氣控制系統包括變頻器、恒壓自動控制器及軟件控制設等設備，自動配液系統包括電磁閥、液位傳感器、流量傳感器及乳化液濃度傳感器等設備，輸液管路為各類液體運輸管路等設備。

1.2 乳化液集中供液系統工作原理

智能一體化供液系統采用以集泵站吸入乳化液，通過電磁卸載自動控制裝置、PLC智能控制系統、變頻控制系多級過濾系統、組成乳化泵閉環控制，乳化液自動配比以及系統運行狀態記錄與上傳實現乳化液配比自動控制，該方案同時也是一套完整的綜采工作面供液系統解決方案[16-18]。

乳化泵吸入乳化劑池中的乳化液進行加壓排至輸液管，輸液管將高壓乳化液通過總管導至井下各水平大巷，再通過支管導至各采煤工作面。乳化泵的電控采用目前先進的變頻調速技術，配合系統中設置的高靈敏度壓力傳感器、流量傳感器、PLC控制器，實現對乳化泵的閉環控制，使泵站以設定的恒壓向井下各采面供液。為了控制乳化箱中的乳化液量和濃度，利用系統中設置的高靈敏度液位傳感器和濃度傳感器檢測液位和濃度信號，并傳輸至PLC進行運算處理，控制自動配液系統自動按比例向乳化箱中加入乳化油和清水，實現自動配液功能。

2 乳化液集中供液系統特點

隨著技術的發展以及對環境保護的要求越來越高，變頻技術在乳化液集中供液系統中得到了非常廣闊的應用。變頻技術在乳化液集中供液系統中的功能特點如下。

(1)集中供液功能?？梢詫崿F全礦井各工作面(綜采、高檔普采、炮采)共用一個供液系統，由地面泵站集中供液。

(2)自動控制功能。采用分布式控制方式，將各級數據統一上傳中控設備，實現現場的無人值守。

(3)定壓供液功能。保證不同工作面用液壓力需要，供給各工作面液壓力恒定。

(4)定時供液功能。具有定時自動開、停機功能。

(5)人機對話操作界面。設置在上位機的顯示屏和控制柜上的觸摸屏均可分頁顯示供液系統操作模擬圖、參數設置、故障記錄等。

(6)自動配液功能。保證乳化液箱有適量的液量和合適的油、水比(可調)。

(7)軟啟動和軟停機功能。利用變頻控制在啟動時頻率逐步升高和停機時頻率逐步降低的特性，實現乳化泵的軟啟動和軟停機。

(8)完善的保護功能。如供液超壓保護，供液系統漏液保護，乳化液箱液位超高和超低保護，主電機過電流、欠電壓及單相保護、漏電、超溫保護等。當發生以上故障時，立即停機自鎖并報警，維護人員進行“復位”后，方可重新啟動系統。

(9)主泵與備用泵相互切換功能。主泵系統運行時若發生系統性故障，可快速切換至備用泵系統運行。

(10)控制系統留有并網接口。依托礦井下工業以太網平臺，將乳化泵監控數據與全礦井自動化監控數據進行實時傳輸以達到自動監控信息共享。同時具有較強的兼容性和擴展性，為下一步綜合自動化集中控制做好擴展接口。

(11)歷史資料保存及導出功能?？呻S時查看各時間段設備的運行狀況。

3 變頻技術的應用

隨著流程工業系統變頻技術的飛速發展，該技術已相對成熟。供液系統通過采集輸出端的流量和壓力傳感器數據反饋到系統控制單元，從而調節變頻調速改變軸輸出功率，達到適合現場使用的目的。

礦井下軌道交通的道岔控制方式可分為手動、機械和電動3種基本結構[19-20]。對于車流量少、道岔變化不頻繁的地方，一般安裝手動道岔；對于列車靠著道岔尖端沿某一方向運行的地方，采用機械彈簧道岔。道岔控制多用于車輛道口固定出入口；電氣開關包括主控和集中控制：主控多用于開關不多的運輸場。機車上安裝總控發射機，開關處安裝接收機。道岔位置指示，司機根據道岔位置顯示操作發射器改變道岔位置；集中控制多用于運輸線路復雜、道岔頻繁的堆場，機車監控系統采用集中控制道岔方式。

轉轍機的發展可分為2個階段，最初以XZDY-4型和DK22型為主要代表的交流電機驅動型，后來發展為ZDZ-100/150型和ZDT-250型直流驅型。

當前我國煤炭行業使用的遠程控制及自動控制的軌道轉撤裝置主要有3種形式：①電動液壓型。該類型采用電動機遠程控制方式驅動液壓泵，以液壓泵驅動活塞連桿帶動轉撤機尖端發生移動。②電動型。該類型采用電動機遠程控制減速器，以減速器驅動轉撤機尖端發生移動。③電空轉轍型。該類型采用電動機遠程控制空氣泵壓縮，以空氣泵的壓縮空氣驅動活塞連桿帶動轉撤機尖端發生移動。以上3種遠程自動控制的軌道轉撤機都需要在礦井下鋪設專門的電纜和開關控制設備，同時礦井下的環境復雜，設備故障較多。礦井控制維修也受制于人工水平的不同，導致遠程操作線路和遙控控制裝置故障排除有著很大的難度。因此該領域急需一種投資小、故障少、維修簡單的遠程控制或自動控制的軌道轉轍裝置。

3.1 利用乳化液改造驅動軌道轉轍裝置

根據煤礦井下的實際情況，以乳化液泵所提供的電源驅動軌道轉撤機運作的總體思路，即利用通過水平停車場人行繞道的乳化液主干道，將乳化液支管連接至水平停車場管理室，安裝在傾倒車道上管理室的液壓缸由手動換向閥和液壓管路控制，從而帶動道岔機構完成道岔工作。系統布置如圖2所示，液壓系統原理如圖3所示。

圖2 乳化液驅動軌道轉轍布置Fig.2 Layout diagram of emulsion-driven track switch

圖3 乳化液液壓系統工作原理Fig.3 Principle diagram of emulsion hydraulic system

3.2 液壓系統計算選型

由現場實際情況得知，軌道轉轍裝置動作所需推(拉)力為0.5 kN左右，軌道轉轍機構的尖軌行程為80～110mm，乳化液系統一般調定壓強為16MPa，查產品目錄手冊，選用軸向底座固定式油缸G32×125(B6.1.7.00)。油缸產生0.5 kN拉力所需壓強：

(1)

式中，P為液體壓強；F為活塞桿推力；S為油缸有效截面積；R為活塞頭半徑；r為活塞桿半徑；π為圓周率常數，此處的取值為3.142。

將數據代入公式計算得，P=4.42 MPa，油缸產生的推力FT≈1.4F=0.7 kN。

油缸所需流量按30 s內完成110 mm行程計算：

Q=SV=πR2L/t

(2)

式中，Q為液體流量；V為液體流速；L為活塞行程；t為活塞行程時間。

將數據代入公式計算得，Q=0.003 L/s。

其余參數同上，查閱產品目錄表，根據目錄表選用JF-L10H型減壓閥將系統壓強由16 MPa降到4.4 MPa(應根據現場調試確定具體數值，不可過大，也不可過小)，選用34S-25三位四通手動換向閥控制油缸運動方向，并配I-10單向閥和壓力表，總管路安裝QJ-10(G)球形截止閥，便于操作完成后關閉總管，以減少乳化液流失和系統壓力能損失。

該系統轉撤故障結構簡單，安裝方便，操作相對容易，同時液動轉撤器技術含量低，維修相對簡單，系統適應能力強，受環境影響相對較小，故障率相對較低，同時可以避免人員反復上下車道，減少工人的勞動強度，但液動轉轍器適應范圍窄減壓閥溢出的乳化液和油缸回流出的乳化液難以回收，影響現場文明衛生。

此外，液動軌道轉轍裝置比電動軌道轉轍裝置的成本低50%以上。以一個60 m水平車場和20 m甩車道為例，兩者在裝置成本方面的比較見表1。

表1 不同裝置成本比較Tab.1 Cost comparison of different devices

可以看出，采用乳化液動轉轍器不但能克服電動轉轍器的一些缺點，而且成本低廉、性能穩定、故障率低、維護簡單，在多水平提升或上山開采提升的甩車道應用能明顯減輕職工的勞動強度和減少違章操作的概率，對提高礦井運輸提升系統的安全性具有重要意義。

4 應用效益分析

4.1 節電效益

將變頻技術運用到煤炭行業領域，可為此類高耗能產業提供新的節能方案，做到該行業內的節能減排，同時降低企業的生產成本。

(1)根據井下各工作面均為間隙性用液的特點，建立集中供液系統，利用“大系統”供液的均衡作用，僅運行一臺乳化泵就能保證全礦井各工作供液，避免了原多臺乳化泵同時運行和大多數時間處于無效運行的狀況，可節約一部分電能。

(2)通過對乳化泵進行變頻調速，實現恒壓、按需供液。同時，通過合理設定乳化泵的停開時間，避免了乳化泵的無效運行，可節約一部分電能。

(3)實現乳化泵軟啟動和軟停機，降低啟動電氣沖擊和電能損耗，可節約一部分電能。

通過湖南省煤業集團有限公司旗下煤礦數據分析，采用了變頻技術的乳化液集中供液系統綜合節電達50%～70%。

4.2 設備投入和運行維護效益

傳統分散式供液方式存在使用設備多、設備運行環境差、設備耗電多、對泵站維護管理困難等弊端，與分散式供液方式比較，地面集中供液方式減少了全礦井乳化泵安裝臺數和運行臺數[1]，節約了設備初期投資和運行維護費用。

(1)以一機代替多機，以大系統代替小系統。經過對供液系統進行優化后，系統的總裝機容量比原來減小50%～70%，大幅減少了設備和系統的初期投資。

(2)乳化泵站安裝在地面，設備的使用環境得到了改善，便于安裝和維護。乳化泵采用變頻調速后，減少了啟動和運行時的機械沖擊和磨損，其使用壽命比原來延長1～3倍。

(3)系統實現地面自動配液，保證了綜采液壓支架和單體液壓支柱的用液質量，其大修理周期延長1～3倍，使用壽命延長1～2倍。

(4)乳化泵站實現無人值守，節省了井下乳化泵值守人員。

(5)減少了電氣設備的數量，有利于進行安全管理。

4.3 社會效益

乳化液采用集中供液方式在技術及設計上有著較大的優勢，可根本性地解決就地供液存在的問題，從而解決乳化液的供液質量[5]。采用變頻技術之后，對其產生的社會效益分析如下。

(1)實現按需、恒壓供液，避免了原機械式調壓方式供液壓力發生波動的現象，確保綜采支架和單體液壓支柱的初撐力穩定，提高了工作面支護安全系數。

(2)乳化泵站安裝在地面，并且采用全自動控制，減少了煤礦井下輔助人員，降低了井下設備和人員安全事故發生的概率。

(3)避免了乳化泵站運行時油污、乳化液、熱量、噪聲和廢氣對井下環境的污染，改善了礦井文明生產條件。

(4)需要增加或改變用液地點時，只需將供液管連通即可，避免了泵站設備硐室的建設及設備頻繁拆裝、搬運，節省了工作量，簡化了生產流程，提高了煤礦生產保障能力。

(5)搭建了煤礦乳化液壓能輸送的應用平臺，將推進煤礦乳化液壓設備設施的廣泛應用(如提升系統的操車系統、煤巷液壓支架等)。

(6)提高了煤礦自動化水平，為建設智慧礦山奠定了基礎。

5 結論

通過應用高壓大流量泵站，采用集中供液技術，對于延長液壓支架使用壽命、推進高效礦井建設具有重要意義。而變頻技術作為煤礦中廣泛應用的自動控制技術，在煤礦乳化液集中供液系統中能夠提升相關的經濟效益。本文通過乳化液集中供液系統的組成及工作原理分析，論證了系統的經濟和社會效益，對推進高效礦井建設具有重要的意義。