變頻技術(shù)在乳化液集中供液系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭建永，黃靖龍

(1.湖南省煤業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410018；2.湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

近年來，隨著我國(guó)變頻技術(shù)的高速發(fā)展，煤礦行業(yè)節(jié)能技術(shù)取得了相當(dāng)大的成就，變頻技術(shù)在煤炭行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛[1-5]。尤其是在煤礦設(shè)備領(lǐng)域，變頻技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)變頻器制造技術(shù)的日益成熟，變頻技術(shù)在煤礦乳化泵液中得到了大范圍的應(yīng)用推廣。目前，我國(guó)南方煤礦已廣泛推廣煤礦乳化集中供液系統(tǒng)[6-7]。煤礦乳化液集中供液系統(tǒng)采用地面集中供液站代替多個(gè)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(shè)備設(shè)施(如井底、井口操車系統(tǒng)，煤巷液壓支架等)供液。隨著煤礦地面集中供液系統(tǒng)的建立，搭建煤礦水力能源傳輸應(yīng)用平臺(tái)，將進(jìn)一步推動(dòng)煤礦乳化液壓設(shè)備設(shè)施的廣泛應(yīng)用。

乳化液壓能以其安全可靠、應(yīng)用范圍廣泛、使用方便、介質(zhì)價(jià)格低廉、單位體積介質(zhì)傳遞功率大等優(yōu)點(diǎn)，將同電能、風(fēng)壓能共同成為煤礦的主要?jiǎng)恿υ?。乳化集中供液系統(tǒng)具有以前供液系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)越性，投運(yùn)后給煤礦企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在煤礦機(jī)電設(shè)備中，使用變頻技術(shù)，不僅可以使環(huán)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(tǒng)組成及工作原理

1.1 乳化液集中供液系統(tǒng)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(tǒng)的2個(gè)顯著的特點(diǎn)[12-15]。根據(jù)集中供液系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，應(yīng)選在煤礦地面工業(yè)廣場(chǎng)建立集中供液站，并配套安裝向井下供液的管網(wǎng)系統(tǒng)，以“一礦一站”的方式向礦井各個(gè)工作面集中供液，同時(shí)，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(tǒng)如圖1所示。

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

地面乳化泵站集中供液系統(tǒng)由乳化泵站系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)配液系統(tǒng)、輸液管路4部分組成。乳化泵站系統(tǒng)包括乳化泵及乳化箱等設(shè)備，電氣控制系統(tǒng)包括變頻器、恒壓自動(dòng)控制器及軟件控制設(shè)等設(shè)備，自動(dòng)配液系統(tǒng)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(shè)備，輸液管路為各類液體運(yùn)輸管路等設(shè)備。

1.2 乳化液集中供液系統(tǒng)工作原理

智能一體化供液系統(tǒng)采用以集泵站吸入乳化液，通過電磁卸載自動(dòng)控制裝置、PLC智能控制系統(tǒng)、變頻控制系多級(jí)過濾系統(tǒng)、組成乳化泵閉環(huán)控制，乳化液自動(dòng)配比以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)記錄與上傳實(shí)現(xiàn)乳化液配比自動(dòng)控制，該方案同時(shí)也是一套完整的綜采工作面供液系統(tǒng)解決方案[16-18]。

乳化泵吸入乳化劑池中的乳化液進(jìn)行加壓排至輸液管，輸液管將高壓乳化液通過總管導(dǎo)至井下各水平大巷，再通過支管導(dǎo)至各采煤工作面。乳化泵的電控采用目前先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)，配合系統(tǒng)中設(shè)置的高靈敏度壓力傳感器、流量傳感器、PLC控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化泵的閉環(huán)控制，使泵站以設(shè)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(tǒng)中設(shè)置的高靈敏度液位傳感器和濃度傳感器檢測(cè)液位和濃度信號(hào)，并傳輸至PLC進(jìn)行運(yùn)算處理，控制自動(dòng)配液系統(tǒng)自動(dòng)按比例向乳化箱中加入乳化油和清水，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配液功能。

2 乳化液集中供液系統(tǒng)特點(diǎn)

隨著技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，變頻技術(shù)在乳化液集中供液系統(tǒng)中得到了非常廣闊的應(yīng)用。變頻技術(shù)在乳化液集中供液系統(tǒng)中的功能特點(diǎn)如下。

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

(2)自動(dòng)控制功能。采用分布式控制方式，將各級(jí)數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳中控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)供液功能。具有定時(shí)自動(dòng)開、停機(jī)功能。

(5)人機(jī)對(duì)話操作界面。設(shè)置在上位機(jī)的顯示屏和控制柜上的觸摸屏均可分頁(yè)顯示供液系統(tǒng)操作模擬圖、參數(shù)設(shè)置、故障記錄等。

(6)自動(dòng)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(diào))。

(7)軟啟動(dòng)和軟停機(jī)功能。利用變頻控制在啟動(dòng)時(shí)頻率逐步升高和停機(jī)時(shí)頻率逐步降低的特性，實(shí)現(xiàn)乳化泵的軟啟動(dòng)和軟停機(jī)。

(8)完善的保護(hù)功能。如供液超壓保護(hù)，供液系統(tǒng)漏液保護(hù)，乳化液箱液位超高和超低保護(hù)，主電機(jī)過電流、欠電壓及單相保護(hù)、漏電、超溫保護(hù)等。當(dāng)發(fā)生以上故障時(shí)，立即停機(jī)自鎖并報(bào)警，維護(hù)人員進(jìn)行“復(fù)位”后，方可重新啟動(dòng)系統(tǒng)。

(9)主泵與備用泵相互切換功能。主泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)若發(fā)生系統(tǒng)性故障，可快速切換至備用泵系統(tǒng)運(yùn)行。

(10)控制系統(tǒng)留有并網(wǎng)接口。依托礦井下工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)，將乳化泵監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與全礦井自動(dòng)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸以達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控信息共享。同時(shí)具有較強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，為下一步綜合自動(dòng)化集中控制做好擴(kuò)展接口。

(11)歷史資料保存及導(dǎo)出功能?？呻S時(shí)查看各時(shí)間段設(shè)備的運(yùn)行狀況。

3 變頻技術(shù)的應(yīng)用

隨著流程工業(yè)系統(tǒng)變頻技術(shù)的飛速發(fā)展，該技術(shù)已相對(duì)成熟。供液系統(tǒng)通過采集輸出端的流量和壓力傳感器數(shù)據(jù)反饋到系統(tǒng)控制單元，從而調(diào)節(jié)變頻調(diào)速改變軸輸出功率，達(dá)到適合現(xiàn)場(chǎng)使用的目的。

礦井下軌道交通的道岔控制方式可分為手動(dòng)、機(jī)械和電動(dòng)3種基本結(jié)構(gòu)[19-20]。對(duì)于車流量少、道岔變化不頻繁的地方，一般安裝手動(dòng)道岔；對(duì)于列車靠著道岔尖端沿某一方向運(yùn)行的地方，采用機(jī)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(guān)包括主控和集中控制：主控多用于開關(guān)不多的運(yùn)輸場(chǎng)。機(jī)車上安裝總控發(fā)射機(jī)，開關(guān)處安裝接收機(jī)。道岔位置指示，司機(jī)根據(jù)道岔位置顯示操作發(fā)射器改變道岔位置；集中控制多用于運(yùn)輸線路復(fù)雜、道岔頻繁的堆場(chǎng)，機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)采用集中控制道岔方式。

轉(zhuǎn)轍機(jī)的發(fā)展可分為2個(gè)階段，最初以XZDY-4型和DK22型為主要代表的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)型，后來發(fā)展為ZDZ-100/150型和ZDT-250型直流驅(qū)型。

當(dāng)前我國(guó)煤炭行業(yè)使用的遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)控制的軌道轉(zhuǎn)撤裝置主要有3種形式：①電動(dòng)液壓型。該類型采用電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程控制方式驅(qū)動(dòng)液壓泵，以液壓泵驅(qū)動(dòng)活塞連桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)撤機(jī)尖端發(fā)生移動(dòng)。②電動(dòng)型。該類型采用電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程控制減速器，以減速器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)撤機(jī)尖端發(fā)生移動(dòng)。③電空轉(zhuǎn)轍型。該類型采用電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程控制空氣泵壓縮，以空氣泵的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞連桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)撤機(jī)尖端發(fā)生移動(dòng)。以上3種遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的軌道轉(zhuǎn)撤機(jī)都需要在礦井下鋪設(shè)專門的電纜和開關(guān)控制設(shè)備，同時(shí)礦井下的環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備故障較多。礦井控制維修也受制于人工水平的不同，導(dǎo)致遠(yuǎn)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(lǐng)域急需一種投資小、故障少、維修簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程控制或自動(dòng)控制的軌道轉(zhuǎn)轍裝置。

3.1 利用乳化液改造驅(qū)動(dòng)軌道轉(zhuǎn)轍裝置

根據(jù)煤礦井下的實(shí)際情況，以乳化液泵所提供的電源驅(qū)動(dòng)軌道轉(zhuǎn)撤機(jī)運(yùn)作的總體思路，即利用通過水平停車場(chǎng)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(chǎng)管理室，安裝在傾倒車道上管理室的液壓缸由手動(dòng)換向閥和液壓管路控制，從而帶動(dòng)道岔機(jī)構(gòu)完成道岔工作。系統(tǒng)布置如圖2所示，液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖2 乳化液驅(qū)動(dòng)軌道轉(zhuǎn)轍布置Fig.2 Layout diagram of emulsion-driven track switch

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

3.2 液壓系統(tǒng)計(jì)算選型

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得知，軌道轉(zhuǎn)轍裝置動(dòng)作所需推(拉)力為0.5 kN左右，軌道轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)的尖軌行程為80～110mm，乳化液系統(tǒng)一般調(diào)定壓強(qiáng)為16MPa，查產(chǎn)品目錄手冊(cè)，選用軸向底座固定式油缸G32×125(B6.1.7.00)。油缸產(chǎn)生0.5 kN拉力所需壓強(qiáng)：

(1)

式中，P為液體壓強(qiáng)；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(shù)，此處的取值為3.142。

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得，P=4.42 MPa，油缸產(chǎn)生的推力FT≈1.4F=0.7 kN。

油缸所需流量按30 s內(nèi)完成110 mm行程計(jì)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(shí)間。

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得，Q=0.003 L/s。

其余參數(shù)同上，查閱產(chǎn)品目錄表，根據(jù)目錄表選用JF-L10H型減壓閥將系統(tǒng)壓強(qiáng)由16 MPa降到4.4 MPa(應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定具體數(shù)值，不可過大，也不可過小)，選用34S-25三位四通手動(dòng)換向閥控制油缸運(yùn)動(dòng)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(guān)閉總管，以減少乳化液流失和系統(tǒng)壓力能損失。

該系統(tǒng)轉(zhuǎn)撤故障結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，操作相對(duì)容易，同時(shí)液動(dòng)轉(zhuǎn)撤器技術(shù)含量低，維修相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)，受環(huán)境影響相對(duì)較小，故障率相對(duì)較低，同時(shí)可以避免人員反復(fù)上下車道，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但液動(dòng)轉(zhuǎn)轍器適應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)文明衛(wèi)生。

此外，液動(dòng)軌道轉(zhuǎn)轍裝置比電動(dòng)軌道轉(zhuǎn)轍裝置的成本低50%以上。以一個(gè)60 m水平車場(chǎng)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(dòng)轉(zhuǎn)轍器不但能克服電動(dòng)轉(zhuǎn)轍器的一些缺點(diǎn)，而且成本低廉、性能穩(wěn)定、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)單，在多水平提升或上山開采提升的甩車道應(yīng)用能明顯減輕職工的勞動(dòng)強(qiáng)度和減少違章操作的概率，對(duì)提高礦井運(yùn)輸提升系統(tǒng)的安全性具有重要意義。

4 應(yīng)用效益分析

4.1 節(jié)電效益

將變頻技術(shù)運(yùn)用到煤炭行業(yè)領(lǐng)域，可為此類高耗能產(chǎn)業(yè)提供新的節(jié)能方案，做到該行業(yè)內(nèi)的節(jié)能減排，同時(shí)降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

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

(2)通過對(duì)乳化泵進(jìn)行變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓、按需供液。同時(shí)，通過合理設(shè)定乳化泵的停開時(shí)間，避免了乳化泵的無效運(yùn)行，可節(jié)約一部分電能。

(3)實(shí)現(xiàn)乳化泵軟啟動(dòng)和軟停機(jī)，降低啟動(dòng)電氣沖擊和電能損耗，可節(jié)約一部分電能。

通過湖南省煤業(yè)集團(tuán)有限公司旗下煤礦數(shù)據(jù)分析，采用了變頻技術(shù)的乳化液集中供液系統(tǒng)綜合節(jié)電達(dá)50%～70%。

4.2 設(shè)備投入和運(yùn)行維護(hù)效益

傳統(tǒng)分散式供液方式存在使用設(shè)備多、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境差、設(shè)備耗電多、對(duì)泵站維護(hù)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(tái)數(shù)和運(yùn)行臺(tái)數(shù)[1]，節(jié)約了設(shè)備初期投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

(1)以一機(jī)代替多機(jī)，以大系統(tǒng)代替小系統(tǒng)。經(jīng)過對(duì)供液系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，系統(tǒng)的總裝機(jī)容量比原來減小50%～70%，大幅減少了設(shè)備和系統(tǒng)的初期投資。

(2)乳化泵站安裝在地面，設(shè)備的使用環(huán)境得到了改善，便于安裝和維護(hù)。乳化泵采用變頻調(diào)速后，減少了啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)的機(jī)械沖擊和磨損，其使用壽命比原來延長(zhǎng)1～3倍。

(3)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面自動(dòng)配液，保證了綜采液壓支架和單體液壓支柱的用液質(zhì)量，其大修理周期延長(zhǎng)1～3倍，使用壽命延長(zhǎng)1～2倍。

(4)乳化泵站實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省了井下乳化泵值守人員。

(5)減少了電氣設(shè)備的數(shù)量，有利于進(jìn)行安全管理。

4.3 社會(huì)效益

乳化液采用集中供液方式在技術(shù)及設(shè)計(jì)上有著較大的優(yōu)勢(shì)，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(zhì)量[5]。采用變頻技術(shù)之后，對(duì)其產(chǎn)生的社會(huì)效益分析如下。

(1)實(shí)現(xiàn)按需、恒壓供液，避免了原機(jī)械式調(diào)壓方式供液壓力發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象，確保綜采支架和單體液壓支柱的初撐力穩(wěn)定，提高了工作面支護(hù)安全系數(shù)。

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

(3)避免了乳化泵站運(yùn)行時(shí)油污、乳化液、熱量、噪聲和廢氣對(duì)井下環(huán)境的污染，改善了礦井文明生產(chǎn)條件。

(4)需要增加或改變用液地點(diǎn)時(shí)，只需將供液管連通即可，避免了泵站設(shè)備硐室的建設(shè)及設(shè)備頻繁拆裝、搬運(yùn)，節(jié)省了工作量，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，提高了煤礦生產(chǎn)保障能力。

(5)搭建了煤礦乳化液壓能輸送的應(yīng)用平臺(tái)，將推進(jìn)煤礦乳化液壓設(shè)備設(shè)施的廣泛應(yīng)用(如提升系統(tǒng)的操車系統(tǒng)、煤巷液壓支架等)。

(6)提高了煤礦自動(dòng)化水平，為建設(shè)智慧礦山奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

通過應(yīng)用高壓大流量泵站，采用集中供液技術(shù)，對(duì)于延長(zhǎng)液壓支架使用壽命、推進(jìn)高效礦井建設(shè)具有重要意義。而變頻技術(shù)作為煤礦中廣泛應(yīng)用的自動(dòng)控制技術(shù)，在煤礦乳化液集中供液系統(tǒng)中能夠提升相關(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過乳化液集中供液系統(tǒng)的組成及工作原理分析，論證了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)推進(jìn)高效礦井建設(shè)具有重要的意義。