淮南礦區(qū)乳化液泵站變頻控制設(shè)計(jì)及應(yīng)用

費(fèi)維柱，劉廣文

（淮南礦業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)部， 安徽 淮南232001）

煤礦井下乳化液泵站盡管有效工作時(shí)間很短，尤其是檢修班，泵站多是間歇性工作。但長(zhǎng)期以來(lái)，由于沒有可靠的控制技術(shù)，泵站始終處于連續(xù)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，造成電力浪費(fèi)巨大、設(shè)備磨損。乳化液泵站改用變頻器控制后，由變頻器控制乳化泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖児芫W(wǎng)的流量、壓力，使供給量與需求量達(dá)到平衡，減少資源的浪費(fèi)。通過(guò)改造后的系統(tǒng)較改造前的系統(tǒng)節(jié)省大量電力資源，一般節(jié)電率在20%～36%，同時(shí)減少了設(shè)備維護(hù)量和配件投入?；茨系V業(yè)集團(tuán)2010年引進(jìn)該技術(shù)，在張集礦綜采工作面投入試驗(yàn)取得成功。

1 設(shè)計(jì)的原因

煤礦井下使用的乳化液泵站多采用高壓卸載閥卸載，即當(dāng)工作面不用液時(shí)，系統(tǒng)壓力升高，達(dá)到卸載閥整定值，卸載閥開啟，泵站輸出的高壓液體經(jīng)卸載閥回液箱。該方式的缺點(diǎn)是雖然工作面不用液或用量小時(shí)，泵站仍處于全速運(yùn)行狀態(tài)，卸載閥需頻繁開啟，液壓系統(tǒng)壓力沖擊大，噪聲大，增加設(shè)備磨損，浪費(fèi)能源，影響泵站使用壽命。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變頻控制工作原理

乳化液泵電機(jī)變頻接觸器接通后，變頻器輸出頻率上升，工作面管路系統(tǒng)壓力信號(hào)逐漸增加，泵站輸出壓力信號(hào)與壓力設(shè)定信號(hào)成反饋閉環(huán)，當(dāng)輸出壓力與設(shè)定壓力平衡時(shí)，變頻器保持電機(jī)在一定的頻率下運(yùn)行，系統(tǒng)控制器對(duì)輸出壓力反饋信號(hào)與設(shè)定壓力信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)壓力反饋信號(hào)值高于設(shè)定壓力信號(hào)值時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使變頻器的輸出頻率降低，從而降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使乳化泵站的輸出液體減少，輸出的壓力下降，使系統(tǒng)壓力與設(shè)定壓力平衡，并在新的平衡點(diǎn)運(yùn)行；當(dāng)壓力反饋信號(hào)值低于設(shè)定壓力信號(hào)值時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使變頻器的輸出頻率升高，從而提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使乳化泵站的輸出液體增加，壓力升高，使系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力基本平衡，并在新的平衡點(diǎn)運(yùn)行。變頻器的調(diào)節(jié)是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)的壓力信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并與壓力設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，即時(shí)對(duì)變頻器的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，使管網(wǎng)的實(shí)際壓力與設(shè)定壓力一致，達(dá)到系統(tǒng)地恒壓供液的效果。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

輸入電壓：AC1 140V，50Hz；輸出電壓：0～1 140V（660）；輸出功率：160kW；輸出頻率：（0.1～50）Hz；工作制：連續(xù)工作制；冷卻方式：熱管自然冷卻＋輔助散熱風(fēng)機(jī)。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由乳化液泵站系統(tǒng)、防爆變頻器、PLC、配液及傳感器等系統(tǒng)組成。乳化液泵站包括四臺(tái)泵及兩個(gè)水箱，三臺(tái)使用，一臺(tái)備用。PLC控制器采集各傳感器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)泵站系統(tǒng)的檢測(cè)及控制。可通過(guò)顯示屏對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和傳輸。包括壓力、流量、溫度、油位及水位傳感器等。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

2.4.1 控制參數(shù)設(shè)置

主泵選擇：選擇二號(hào)泵為主泵（一號(hào)泵、二號(hào)泵、三號(hào)泵、四號(hào)泵）；循環(huán)順序選擇：選擇主泵向前（主泵向后、主泵向前）；變頻工作選擇：選擇8h（4h、8h、12h、18h、24h）；最高頻率選擇：選擇50Hz（45Hz、50Hz、53 Hz）；最低頻率選擇：選擇20Hz（5Hz、20 Hz、25Hz）；上限頻率運(yùn)行時(shí)功能選擇：選擇工頻切換（工頻切換、直接啟動(dòng)）；下限頻率運(yùn)行時(shí)功能選擇：選擇工頻切換（工頻切換或工頻不切換）；配液方式選擇：選擇自動(dòng)方式（自動(dòng)或手動(dòng)）；工作方式選擇：選擇自動(dòng)方式（自動(dòng)、手動(dòng)顴檢修）；PID調(diào)節(jié)方式選擇：壓力遠(yuǎn)方為主，出口為輔（出口壓力信號(hào)、遠(yuǎn)方壓力信號(hào)、遠(yuǎn)方為主出口為輔、流量信號(hào)、出口壓力為主流量為輔）；系統(tǒng)壓力設(shè)置：設(shè)置31 MPa（20～35MPa）；水位設(shè)置：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置；油位設(shè)置：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置；溫度設(shè)置：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置；乳化液濃度設(shè)置：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置。

2.4.2 系統(tǒng)工作方式

設(shè)置控制參數(shù)，啟動(dòng)按鈕，變頻器驅(qū)動(dòng)2號(hào)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，安裝于液壓支架處的傳感器產(chǎn)生壓力信號(hào)，此時(shí)泵站出口傳感器也產(chǎn)生壓力信號(hào)，信號(hào)傳到PLC控制箱，PLC控制箱通過(guò)PID計(jì)算，控制變頻器及電機(jī)工作頻率（速度），滿足壓力要求。

工作面支架動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)壓力會(huì)下降，反饋信號(hào)立即變小，PLC控制變頻器加速，系統(tǒng)壓力升高。如果變頻器加速到最大頻率仍不能達(dá)到工作壓力時(shí)，PLC啟動(dòng)工變頻切換程序，起動(dòng)3號(hào)泵，2號(hào)泵工頻運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)壓力過(guò)大時(shí)，PLC逐次把2號(hào)泵、3號(hào)泵停止運(yùn)行，直至滿足壓力要求，達(dá)到恒壓供液。

當(dāng)主泵變頻工作8h，自動(dòng)變?yōu)檩o助泵，換1臺(tái)泵成為主泵并且變頻運(yùn)行，避免單泵長(zhǎng)期變頻運(yùn)行。

2.5 系統(tǒng)輔助部件

2.5.1 乳化液箱

液箱由配液室、過(guò)液室、工作室組成。每室底部均設(shè)有放液口。箱體前后側(cè)裝有隔爆接線盒連接控制線路，箱體安裝交替閥、高壓過(guò)濾器、回液過(guò)濾器、壓力傳感器、系統(tǒng)卸壓器、吸液截止閥、回液斷路器及液位指示器共同組成液箱。

乳化液的自動(dòng)配液、加液系統(tǒng)對(duì)液壓支架用乳化液液體濃度進(jìn)行精確監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配液，延長(zhǎng)液壓支架使用壽命。

乳化液的自動(dòng)配液、加液系統(tǒng)是由水過(guò)濾器、防爆電磁閥、配液比例閥、防爆液位傳感器、防爆油位傳感器、油過(guò)濾器及濃度檢測(cè)器等組成。

通過(guò)各類傳感器信號(hào)采集及處理能自動(dòng)將乳化油和水按照一定的比例配成乳化液，配液裝置要求的供水壓力范圍：0.3～6 MPa。乳化液的濃度一般控制在3%～5%之間。

本系統(tǒng)采用流量傳感器、定量泵、水位、油位傳感器及PLC控制箱，根據(jù)PLC發(fā)出的信號(hào)自動(dòng)配液和補(bǔ)液。原理圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)配液裝置原理圖

自動(dòng)配液的工作原理：電控柜測(cè)得水箱內(nèi)水位低于設(shè)定值以后，打開電磁閥注水，同時(shí)通過(guò)安裝在水管上的流量計(jì)測(cè)得水流的實(shí)時(shí)流量，再根據(jù)水流量計(jì)算須加注的乳化油的流量，根據(jù)乳化油流量確定定量泵的轉(zhuǎn)速，最后根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定變頻器的輸出頻率，這樣可以保證水和乳化油按照3%～5%的比例在管道中混合后進(jìn)入水箱；在水位達(dá)到設(shè)定值后，電控柜關(guān)閉電磁閥停止注水。

2.5.2 蓄能器組

在恒壓控制過(guò)程中，為了減小系統(tǒng)壓力的波動(dòng)并且改善電機(jī)的工作條件，在液壓管路上增加了一組蓄能器。蓄能器組由二只工作容積為45L的囊式蓄能器和單向閥、管接頭等構(gòu)成，如圖2所示。蓄能器在乳化泵加載時(shí)吸收一部分能量，同時(shí)對(duì)液壓管路中壓力的突然變化和電機(jī)上載荷的變化起到緩沖作用。

圖2 蓄能器組

3 變頻控制裝置在煤礦乳化液泵站系統(tǒng)中的使用效果

2011年初，該套系統(tǒng)在張集礦綜采二隊(duì)1132（3）工作面投入井下試用，工作面乳化液泵站按四泵兩箱配置。系統(tǒng)的主電路是由一臺(tái)變頻器，一臺(tái)電控箱，兩臺(tái)饋電開關(guān)，兩臺(tái)工頻開關(guān)等組成。其中兩臺(tái)饋電開關(guān)分別給變頻器和兩臺(tái)工頻開關(guān)供電并記錄用電量，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

通過(guò)幾天的數(shù)據(jù)觀察，使用變頻調(diào)壓的電機(jī)平均每天（24h）比使用工頻的電機(jī)少用886kw·h、1 033kw·h、972kw·h、700kw·h、1 050kw·h、1 143kw·h、564kw·h。

節(jié)電率分別為29%、40%、36%、30%、39%、43%、19%，平均節(jié)電率約為34%。每年實(shí)際節(jié)約電費(fèi)近52萬(wàn)元。

4 結(jié)論

從2010年7月開始，我們?cè)谌榛罕谜鞠到y(tǒng)中引進(jìn)變頻控制裝置，并在張集礦井下進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，取得了節(jié)省電能達(dá)34%，功率因數(shù)提高到0.9以上；采用自動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)恒壓控制，消除了卸載閥動(dòng)作，降低了噪音，幾乎杜絕了液壓管路中的壓力沖擊，使現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境顯著改善；采用自動(dòng)控制方式實(shí)現(xiàn)恒壓控制，使得液壓管路中的壓力在大部分時(shí)間維持在設(shè)定工作壓力以下，從而有效的減小了液壓管路的工作負(fù)荷，延長(zhǎng)了液壓管路的使用壽命，使得管路的密封件損耗大幅降低；乳化液泵站系統(tǒng)采用變頻控制裝置后減少了維護(hù)次數(shù)，降低了維修工作量，減少了設(shè)備配件投入，為企業(yè)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益。

該裝置存在的問(wèn)題是變頻器控制普通鼠籠式電機(jī)時(shí)，當(dāng)電機(jī)處于低頻低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)發(fā)熱量比較大，長(zhǎng)期低頻低速運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)電機(jī)損壞比較大。需要改善電機(jī)在低頻低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的有效散熱方法或采用變頻電動(dòng)機(jī)。

［1］黃燦泉.乳化液泵站智能監(jiān)控系統(tǒng)研制［D］.成都：西南交通大學(xué)，2005.

［2］蘇國(guó)秀.乳化液自動(dòng)配比及控制系統(tǒng)的研究［D］.濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2005.

［3］王國(guó)法.液壓支架控制技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.

［4］華仕容.嵌入式乳化液泵智能監(jiān)控系統(tǒng)研制［D］.濟(jì)南：西南交通大學(xué)，2006.