變頻技術和自動監控技術在乳化液泵站智能控制系統中的應用

孫遠超

摘要： 乳化液泵站是煤礦井下作業的關鍵設備之一，它擔負向普采工作面單體液壓支柱或綜采工作面液壓支架輸送高壓乳化液的使命，是單體液壓支柱和液壓支架的動力源，自從變頻技術在乳化液泵站智能控制系統中采用后，井下乳化液乳站就步入了自動化革新的新時期，首先變頻技術不但提高了的功率因數，減少了電動機空轉損耗，延長了乳化液泵站電機的使用壽命，提高了生產效率、降低了設備運行噪音及能耗，而且在向采掘工作面供液方面實現了“無人值守”、“按需供液”的智能化模式。

Abstract： the emulsion pump station is one of the key equipment of coal mine underground work， it needs to convey high pressure emulsion for the individual hydraulic prop on conventional face or the hydraulic support on fully mechanized working face， it is the power source of the individual hydraulic prop and hydraulic support. Since the frequency conversion technology used in intelligent control system of the emulsion pump station， the downhole emulsion milk station has into the new period of automation innovation. The frequency conversion technology improves the power factor， reduces the motor idling loss， extends the service life of the emulsion pump motor， improves the production efficiency， reduces the operation noise and energy consumption， it also implements the intelligent model of

"unattended operation" and "providing liquid by demands" on the working face.

關鍵詞： 乳化液泵站；智能控制系統；變頻技術；自動監控技術

Key words： emulsion pump station；intelligent control system；converter technique；automatic monitoring technique

中圖分類號：TN954 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0108-03

0 引言

乳化液泵站是煤礦普采和綜采機械化生產中的非常關鍵的高壓乳化液輸送的動力裝置，它是現代煤礦最常見也是必不可少的設備。它原理簡單：在常規情況下乳化液泵站配備兩臺乳化液泵和一個乳化液箱。這兩臺泵可以只一臺工作，另一臺備用，也可以兩臺并聯運行。在實際生產過程中乳化液泵站的運轉間歇時間是不固定的，通常在幾分鐘到幾個小時之間，同時，整個液壓系統在任何瞬間都要處在準備工作的狀態中，液壓系統中也必須始終保持著恒定的壓力，造成長期生產過程中乳化液泵站必須不間斷的運轉，達到設定的壓力時，泵站本身的卸載閥動作，然后再次的頻繁升至設定壓力后再動作，造成設備損耗大、檢修成本的增加，用電量成本高的特點。采用變頻技術，可以通過設置在供液管路上的壓力傳感器，提供給變頻器壓力信號，變頻器則根據管路內壓力變化情況，控制乳化液泵站電動機的運轉速度，不僅保證管路壓力恒定，而且使得泵本身的卸載閥不再頻繁動作，延長使用壽命，降低了成本。自動監控技術實現了“無人值守”、“按需供液”的智能化模式，實現了效益最大化。

1 乳化液泵站的工作原理

乳化液泵站一般采用的乳化液泵為臥式三柱塞或五柱塞往復定量泵。乳化液泵將機械能經泵直接轉化為輸送高壓液體，其流量只與工作腔的容積變化值及其在單位時間內的變化次數有關，在理論上與排出壓力無關，這種往復泵式乳化液泵就是借助于柱塞在液壓缸工作腔內的往復運動來使工作腔容積產生周期性變化，在結構上，往復泵的工作腔是借助于密封裝置于外界隔開，通過泵閥（吸入閥和排出閥）與管路溝通或閉合，它性能和參數及總體結構特點是：瞬時流量是脈動的，平均流量（即泵的流量）是恒定的，泵的壓力取決于管路特性，有良好的自吸性能。由乳化液泵站與液壓支架、單體液壓支柱之間形成了一個多級多單元分布式的液壓系統結構。液壓支架在支護過程的一個工作循環中要完成升柱、降柱、移架和推溜等動作，支架單元之間以及單元內的每個執行液壓缸的動作都是非連續地間斷性工作。這種供液條件要求乳化液泵站輸出到液壓系統的工作液流量要隨支架各執行機構的負載流量特性來調節，泵站要不間斷的提供補充系統泄漏所消耗的工作液。因此我們再來了解一下乳化液泵站壓力控制部分，它由自動卸載閥（溢流閥）、安全閥和蓄能器組成，其主要作用是提供穩定壓力的液體。當液壓系統中壓力達到設定的額定值以后，自動卸載閥使泵壓力卸載，乳化液回流至乳化液箱中，如果自動卸載閥失靈，壓力超過額定值以后，則安全閥打開泄液，以保證泵站能在工作需要乳化液時滿足供液要求，不需要乳液時泵能自動卸載，當工作面再次需要乳液時，能自動恢復供液。

其結構原理如圖1。

2 乳化液泵站使用中存在的問題

乳化液泵站屬于煤礦關鍵設備，需保證其能夠連續二十四個小時不間斷工作，由自動卸載閥（溢流閥）和安全閥控制壓力恒定，只有這樣才能確保其能夠在短時間內獲得所需壓力，一直處于高速運轉狀態，當工作面設備需要供液時，泵排出的高壓乳化液進入系統執行元件采面設備動作。當工作面不需供液或需要供液流量較小系統壓力高于設定壓力時，泵排出的乳化液經自動卸載閥和回液管返回到泵箱的儲液室，自動卸載閥內的單向閥關閉，高壓系統與卸載回路隔斷，系統維持在高壓狀態，處于空載運轉狀態。當采面液壓系統的液壓元件動作，液壓系統壓力下降至卸載閥的恢復壓力時，卸載閥切斷卸載回路，打開單向閥向液壓系統供液。在實際的施工過程中我們發現，液壓支架的推溜和移架等動作是間歇發生的，且每次工作時間很短，并不是一直運行的，這就說明供液并不發生在施工的整個過程中，只在動作時間需要提供高壓液體，其余大部分時間液壓系統都是不運行的。但這不意味著可以將乳化液泵站停掉，相關必須確保乳化液泵站連續不間斷運轉，只有這樣才能隨時啟動液壓元件。真空磁力啟動器控制的乳化液泵站不能根據液壓系統的實際需求量自動調整泵站的供液量，系統長期處于高壓大流量工作狀態，在工作面設備不需要高壓液體時多余的液體只能通過卸載閥回流到乳化液箱，系統運轉磨擦產生的熱量使泵體溫度升高系統內密封件老化較快造成串液和漏液，電動機和泵體一直處于全速運行狀態加快了機械磨損，自動卸載閥頻繁開啟和關斷直接造成壽命較短，增加維修頻次和成本的投入。而且乳化泵電動機采用直接啟動方式，啟動電流為電動機額定電流的4～7倍，對電網造成較大的沖擊，對電網容量的要求也較高。啟動產生的振動和磨擦對泵體和閥門部件的損害極大。當工作面不需要高壓液體時，電動機仍然以額定轉速運轉，泵站長期高負荷運行浪費了大量的電能。以BRW200/31.5型乳化液泵站為例，公稱壓力為200L/min、公稱壓力位31.5MPa，配用電動機功率為75kW、電壓1140/660V。僅電費一項每月消耗54000度電，按照安徽省工業用電平均費用0.89元/度計算，每年消耗57.67萬元，再加上設備檢修更換配件的費用（每年投入配件費5萬元）和開泵人員的費用計算每年員工工資投入（每天按三班，每班1人，每人5000元/月）共23萬元，因此共支出57.67萬元+23萬元=80.67萬元。按煤礦井下五套乳化泵站計算每年需投入80.67萬元×5=403.35萬元。

3 變頻技術和自動監控系統在乳化液泵站智能控制系統中的應用

《中國制造2025》是中國版的“工業4.0”規劃，它的基本方針之一就是創新驅動，堅持把創新擺在制造業發展全局的核心位置，促進數字化、網絡化、智能化，走創新驅動的發展道路。我們秉承這一理念在乳化液泵站智能控制改造方面利用PLC控制技術、變頻技術在其高可靠性，智能自動監測、自動控制、故障自診斷、故障自動處理等功能上下功夫。具體方案如下：

3.1 變頻恒壓供液技術的應用（以BPBT型變頻器為例）

①節約用電。由于煤礦井下工作面乳化液泵站是二十四小時都運行的，但實際上乳化液泵站注液移架等工序總時間通常是低于八小時的，但為了確保供液等要求隨時可以得到滿足，使乳化液泵站全天不間斷運行又是必要的，這就使下乳化液泵站的耗能有66%以上是做無用功。因此對于乳化液泵站而言，節能降耗刻不容緩，有資料顯示，僅乳化液泵站進行變頻節能改造一項，每臺乳化液泵年節約電費約38.45萬元，按煤礦井下五套乳化泵站計算每年節約用電38.45萬元×5=192.25萬元。

②提高乳化液泵使用壽命。乳化液泵站在無注液工頻條件下運行時，整個液壓系統壓力通過泵體柱塞反復運行增壓，再通過卸載閥（溢流閥）卸壓，不僅是浪費電能做功，而且反復脈動沖擊壓力損傷管路配件、大大縮短泵體的使用壽命、系統故障率增加。變頻恒壓自動控制應用后井下工作面無注液時，乳化液泵站不運轉，大大增加了乳化液泵的使用壽命。

③變頻調速實現壓力、流量的自動控制。當井下采掘工作面開始注液時，管路中的壓力也產生變化，壓力傳感器就會發出信號，信號通過壓力檢測器反饋到變頻調速裝置，此時變頻器通過變頻調節乳化泵轉速，從而調節壓力、流量的大小實現自動控制配液，使液壓管路的壓力穩定。當壓力達到設定的值后乳化液泵自動進入“休眠”狀態，電機停止運轉，隨著注液量的增加，當管路壓力低于設定值后乳化液泵會被再次“喚醒”直至管路壓力達到設定值后才會再次“休眠”。

3.2 自動監控技術在乳化液泵站智能控制系統中的應用

①乳化液泵曲軸箱內潤滑油油位監測：在乳化液泵站中應用自動監控技術，一旦曲軸箱內潤滑油低于標準值時，分站控制器就會接收到傳感器發動的低位信號并進行必要處理，同時向乳化液泵發送停機信號，分站控制器也會在此時出現聲光報警，顯示油位過低信息。②乳化液泵傳動端箱體的貯油池內潤滑油油溫監測：當箱體油池內的潤滑油油溫不符合相關規范標準時，信號將被傳遞到分站控制器內，然后其顯示器會將相關信息顯示出來，并采取停機措施。③過濾器進出口壓差監測：利用壓差傳感器檢測過濾器進出口壓差，一旦該值超過設定值，就必須采取措施使泵停機，分站控制器的作用就是如此，同時它還能夠顯示故障信息并聲光報警。停機后，應及時采取有效措施進行故障處理，當故障處理完畢后，只需按下分站控制器上的啟動按鈕，就可以重新使乳化液泵運行。④乳化液箱液位監測：若乳化液液位低于標準值，主控制器會受到來自低液位傳感器的信號，然后采取及時的應對措施，即給配液裝置發送配液信號，同時該異常信息也會在主站顯示器中顯示出來，當液位達到一定高度后，配液裝置會自動停止工作。⑤乳化油油位監測：當乳化油油位低于標準值時，該異常信息會被低油傳感器發送到主站控制器，然后主站控制器就會采取應對措施，即發送補油信號，同時將該異常信息顯示在其顯示器內，同時當油位達到一定高度后，自動關閉補油閥。

4 結束語

變頻技術和自動監控技術在乳化液泵站智能控制系統中的應用，提升了系統工作效率，減少了電動機空轉的功率損耗，使乳化液泵的維修頻次和配件投入減少了一半，停機檢修時間大大減少，有效工作時間得到提升，提高了乳化液泵使用壽命和可靠性、生產效率，降低了設備運行噪音及能耗。自動監控技術提高了乳化液泵站安全運轉的可靠性，并對各個監測點實施準確監測和控制，將故障消滅在萌芽狀態，阻止的故障的擴大化，對整個系統的設備提供了可靠的安全保障。乳化液泵站的變頻技術和自動監控技術在乳化液泵站智能控制系統中的應用后，安全和經濟效果明顯值得推廣。

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