综采工作面智能化远程集中恒压供液系统研究与应用
时间:2023-05-28 22:16 来源:中国煤炭杂志官网 作者: 点击:次
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★ 科技引领 ★ 综采工作面智能化远程集中恒压供液系统研究与应用0 引言乳化液泵站是为煤矿综采工作面的液压支架装备提供高压乳化液的专用设备。当前，综采工作面普遍采用1个综采工作面配置1套乳化液泵站设备的供液方案。乳化液泵站全套设备需要随综采工作面迁移同步转移，不仅造成转运工作量和人员投入增大，而且设备因经常移动也会增加故障率，影响使用。乳化液泵站电机普遍以工频驱动，乳化液泵会按额定能力持续产生高压乳化液，当综采工作面需要的供液减少时，供液压力会升高，当乳化液压力大于泄压阀设定压力时，泄压阀门打开，高压乳化液通过泄压阀排回乳化液箱，造成电能的浪费和泄压阀的过度损耗。普通的乳化液泵站设备缺少监控措施，无法及时了解设备的运行工况，使用和维护人员只能在泵站故障停运后被动处理，造成不必要的工作量和经济损失[1]。 对于乳化液泵站远程供液，根据内蒙古自治区境内的新能矿业有限公司王家塔煤矿3S101智能化综采工作面的实践，其采用2路胶管进液、1路钢丝骨架管进行回液，经现场应用效果良好[2]。对于乳化液泵站电机工频运行问题，普遍的做法是引入矿用防爆变频器、压力传感器等，实现对乳化液泵站电机进行变频驱动。变频器根据供液管路压力动态调整电机转速，实现节能运行[3]。对于乳化液泵站主要设备的状态监测，通常是引入传感器元件及可编程控制器或其他智能控制器件来实现。在山西焦煤西山煤电鸿兴煤业有限公司综采工作面，基于PLC的智能集中控制能够实现对泵出口压力、乳化液箱的液位、曲轴箱油位和油温、泵电机定子温度和前后轴承温度的实时监测 [4]。 笔者对中马村矿3900综采工作面常规乳化液泵进行智能化升级进行研究，并对改造前后的主要功能和运行效果进行分析，为煤矿综采工作面乳化液泵站智能化供液升级改造探索高效解决方案。 1 乳化液泵站供液现状及存在的问题乳化液泵站提供的乳化液应满足综采工作面液压支架操作和动作快速、自动跟机、成组拉架的工作需要[5]。以当前常用的“两泵一箱”乳化液泵站供液方案进行分析，综采工作面供液系统配置主要由供水净化站、配液站、乳化液箱、乳化液泵(一用一备)、高压反冲洗过滤站、蓄能器、回液过滤站等部分构成[6]。常规乳化液泵站供液系统如图1所示。 
图1 常规乳化液泵站供液系统 中马村矿改造前使用的乳化液泵站为常规乳化液泵站，只能够为单一综采工作面提供乳化液，乳化液配液过程自动化程度较低，泵站驱动电动机采用传统工频开环控制模式，未对供液的压力、流量、电机温度以及设备关键部件的震动和环境噪音进行监控，在使用过程中存在以下主要问题。 (1)乳化液配液自动化程度低，乳化液浓度缺乏在线监控。低浓度乳化液会影响支架使用寿命[7]。 (2)当综采工作面迁移时，乳化液泵站需同步转移，增加了转运工作量和人员投入。因设备经常转运，增加了设备故障率，缩短了设备的使用寿命。 (3)采用工频开环控制泵站电机，持续以额定能力生产高压乳化液。为保证管路安全，在乳化液泵出口处安装泄压阀，一般情况约10 s动作1次。由于电机无效工作时间长，泄压阀门频繁动作，造成大量能源浪费和不必要的设备磨损。 (4)由于乳化液泵站驱动电机始终运行在工频状态，泵站周边的噪音高达100 dB，噪声污染严重[8]。 (5)乳化液泵站的主要设备工况信息监控不完善且控制方式落后，不能满足矿井无人值守运行要求。当发生漏液等故障后会造成浪费，增加了故障的排除难度。 2 综采工作面智能化远程集中恒压供液系统为适应矿井智能化建设的需要，落实中马村矿主要装备无人值守和节能降耗的管理要求，有必要对智能化远程集中恒压供液系统进行升级改造。 2.1 升级方案综采工作面智能化远程集中恒压供液系统由远工作面乳化液自动配送子系统和近工作面泵站智能恒压控制子系统构成。综采工作面智能化远程集中恒压供液系统架构如图2所示。 (1)远工作面乳化液自动配送子系统安装在地面或矿井一翼的主要大巷。系统通过在井下各个综采工作面提前规划敷设好的供液管路，形成完整的供液网络，一次设计施工长期使用。主要设备的运行工况均可借助通讯网络远程传输至调度室，实现设备远程监控，满足矿井对乳化液泵站智能化供液的运行和管理要求。基于传统乳化液泵的供水净化站、自动配液站、高压反冲洗过滤站、回液过滤站等设施，增配矿用智能控制箱、防爆变频器、压力变送器、电磁流量计、温度传感器和振动传感器。 
图2 综采工作面智能化远程集中恒压供液系统架构 远程乳化液自动配送子系统由清水过滤站、反渗透水处理设备、净水箱、乳化油箱、自动配液箱、乳化液箱和智能控制箱和相关传感器等设备构成。该子系统作为固定装备，既可安装在地面，也可布置在井下合适的位置。智能控制箱能实时检测净水箱、乳化油箱、乳化液箱的液位状态，自动完成乳化液的配置和浓度在线监控。成品乳化液通过管道泵送到远端各泵站，可为多个综采工作面同时供液[9]。 (2)近工作面泵站智能恒压控制子系统布置于综采工作面附近。在原有的普通乳化液泵站、高压反冲洗过滤站、回液过滤站设备基础上，增加矿用智能控制箱、矿用隔爆型变频器、压力变送器、电磁流量计、温度传感器和振动传感器等[10]。系统采用乳化液泵专用变频器控制1号乳化液泵电机变频运行，用馈电开关控制2号乳化液泵电机工频运行。为了确保工作可靠性，2台泵站可实现自动投切，互为备用。该子系统以矿用智能控制箱为核心，采集系统供液压力、进液流量、回液流量以及设备重要部位的温度、振动等信息，实现乳化液泵站自动化恒压供液，实时监控供液量变化对乳化液泄露进行保护，同时满足乳化液泵站无人值守的控制要求。 2.2 工作原理(1)远程供液。当确定配液能力、供液管路和泵站参数后，应全面考虑远距离供液管路带来的压力损失问题，主要涉及沿程压力损失h1、局部压力损失h2和高度压力损失h3对泵站系统供液压力的影响程度，以满足多综采工作面远距离供液需要。远工作面乳化液自动配送子系统负责完成乳化液的自动配比、浓度监控和输送任务，作为固定设备布置在远离综采工作面的固定场所，不随综采工作面迁移而转移。 (2)恒压供液。在近工作面泵站智能恒压控制子系统中，压力传感器实时检测乳化液泵站供液压力变化情况。矿用智能控制箱基于设定的控制压力，自动调节泵站电动机转速，实现乳化液泵站恒压供液。具体过程为：当供液压力达到压力调节上限31 MPa时，变频器自动将运行频率降低至15 Hz，以维持系统压力稳定，降低乳化液泵电机能耗。当供液压力降至调节下限24 MPa时，变频器自动驱动电动机高速运行，短时间将系统压力恢复至31 MPa，然后继续降至15 Hz低速运行。如果综采工作面需液量急增时，在电动机固有特性允许条件下，变频器可控制电动机超频运行(大于50 Hz 短期运行)，实现快速增压补液，以满足综采工作面的需液量。 中马村矿综采工作面智能化远程集中恒压供液系统技术指标如下[11-12]：系统压力整定范围为24～31 MPa；变频输出频率范围为15～50 Hz，变频加速时间为6 s，浓度报警阈值小于 3%或大于 5%，液位报警阈值小于30 cm或大于90 cm，水位报警阈值小于30 cm或大于110 cm，油位报警阈值小于30 cm或大于70 cm，低压力设定阈值小于24 MPa或大于31.5 MPa，电机超温阈值大于55 ℃，振动超限阈值大于3 mm/s，漏液报警设定为系统漏液超过1.0 m3/h或2.6 m3/24 h开始报警，倒泵时间大于100 h开始警示。 2.3 漏液保护和无人值守由于矿用智能控制箱实时检测泵站出液和回液流量差，因此需及时对系统漏液事故进行保护和报警，可降低漏液带来的不必要损失。借助温度、振动、进液流量、回液流量等传感器，可实时感知驱动电动机表面温度、关键部位的震动变化量等，对设备异常和故障及时采取保护，可大幅降低系统非故障停机时间，提高供液的可靠性。借助通讯网络，将设备工况信息上传调度室，实现远程监控，满足无人值守运行要求。乳化液泵站工况监控系统界面如图3所示。 
图3 乳化液泵站工况监控系统界面 3 运行效果分析中马村矿3900综采工作面智能化远程集中恒压供液系统较传统供液方式更好地保证了综采工作面的供液需要，满足智能化采煤要求的液压支架联动、成组拉架需求，在工作效率提升、节能降耗、减少故障、降低噪音和提高系统智能化等方面均取得了显著效果。 (1)效能分析。综采工作面采用远距离集中供液，可有效满足多个综采工作面供液要求。由于配送液装备安装在远端无需因工作面迁移而随之转移，终结了配液设备转运工作、减少工作人员投入和设备安装调试时间，降低了因设备安装、拆卸和搬运而带来的不利影响。远程配送液装备安装在地面与安装在井下相比可节约设备采购成本30%以上。 近工作面泵站智能恒压控制子系统，实测卸压阀动作次数减少80%，乳化液泵的泵头、油封等易损件的维修周期从7～15 d延长至2个月。大幅降低了设备磨损，延长了配件使用寿命，减少了设备维护量。 (2)恒压供液能耗分析。为方便实现普通乳化液泵站控制和智能恒压控制的能耗比对，以额定功率125 kW电机为例，将1号乳化液泵设置为变频器恒压控制模式，2号乳化液泵设置为工频常规控制。对2台乳化液泵站分别进行等时段能耗计量，对比数据见表1。 表1 能耗数据对比表 
供液模式测试时段测试时长/h总用电量/(kW·h)单位时间耗电量/(kW·h)1号泵智能恒压供液模式14∶50～23∶509 41646.22号泵传统供液模式14∶50～23∶509 70578.3 分析表1可知，乳化液泵站采用智能恒压供液工作模式与普通工频控制模式相比，节电量可达40%。以额定功率125 kW 电机为例，按每天工作14 h计算，每年节电高达16.4万kW·h。 (3)设备工作噪声分析。仍以额定功率125 kW 泵站电机为例，使用ND12噪声计对1号乳化液泵变频运行和2号乳化液泵工频运行期间的噪声指标进行检测。1号乳化液泵变频运行期间的最大噪音不超过85 dB，2号乳化液泵工频运行期间的最低噪音接近100 dB，系统升级后噪音抑制效果显著。 4 结语中马村矿综采工作面智能化远程集中恒压供液系统改变了配液子系统随综采工作面迁移而转移的工作模式，可同时满足多综采工作面的用液需要。系统集成了变频恒压供漏液保护、系统工况数据监控和设备健康管理等智能化功能，满足了智能化采煤要求的液压支架快速自动推机拉架需求，为实现乳化液供液的无人值守、高效节能运行、改善工作环境、减少备品备件消耗、延长设备寿命以及提高工作效率和可靠性提供了较为完善的解决方案，综合效益显著。 [1] 刘路明，李艳杰.矿用乳化液泵现状及发展趋势[J].煤矿机械，2022，43(1)：125-126. [2] 王波，曹丹弟，张宏斌，等.王家塔煤矿远距离智能恒压供液系统研究与应用[J].煤炭技术，2021，40(8)：178-180. [3] 商广辉，戴陶珍.乳化液泵站的变频控制系统[J].煤矿机械，2010，31(3)：152-154. [4] 郭志伟.综采工作面乳化液泵站智能集中控制系统应用[J].山西焦煤科技，2015，39(9)：27-29. [5] 张斌.乳化液泵站自动控制系统的研究[J].机械管理开发.2021，36(5)，227-228. [6] 黄光平，付翔，王然风，等.乳化液泵站供液方案的研究与优化[J].煤炭工程. 2017，49(8)：149-151，154. [7] 李亚彬.基于图像处理的矿用乳化液浓度在线检测系统研发[D].南京：南京航空航天大学，2016. [8] 杨国来，朱礼浩，张晓丽，等.矿用乳化液泵排液阀阀芯的影响及优化[J].机床与液压. 2015，43(15)：160-162，172. [9] 冯旭.基于无人值守的综采工作面乳化液远程自动配液系统的应用研究[J].中国煤炭. 2016，42(4)：66-70. [10] 宿吉奎.乳化液泵站变频恒压控制系统的研究[D].太原：太原理工大学，2012. [11] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.煤矿用乳化液泵站：第1部分：泵站：MT/T 188.1-2006 [S].煤炭工业出版社，2006：1. [12] 国家煤炭工业局.煤矿用乳化液泵站 乳化液泵：MT/T 188.2-2000 [S].中国煤炭工业出版社，2000：1. Application study on the remote centralized constant-pressure intelligent fluid supply system for the emulsion pump station
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