第46屆等級獎論文---工作面水質及乳化液質量控制技術的應用
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生產(chǎn)技術部 ?李殿斌 ???物資供應分公司 ?郝勝禮
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摘要??提出智能型水質純凈化處理技術及乳化液自動配比技術以解決乳化油、水質、環(huán)境污染、人工配比比例不準等影響乳化液質量的問題。
關鍵詞???水質質量 ??乳化液質量 ??技術 ?應用
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1 ?問題的提出
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液壓支架是煤礦綜合機械化采煤工作面主要的支護設備，依靠乳化液泵站輸送高壓乳化液(通常大于30MPa）作用于支架的執(zhí)行元件千斤頂，在控制元件各類閥組的控制下，完成支架的支護頂板、推移刮板輸送機、拉移支架、支護頂板等循環(huán)工作，在整個工作循環(huán)中液壓力的載體是乳化液，乳化液的質量對于通過液壓傳動原理來工作的液壓支架工作效能，各部分執(zhí)行機構部件的壽命產(chǎn)生很大的影響。所以嚴格要求乳化液的質量是保證液壓傳動執(zhí)行機構、液壓控制機構正常工作、有效工作的主要因素。尤其在推廣應用的智能化綜采工作面以電液控制技術為主的液壓支架對乳化液的質量要求更為嚴格、更為重要。
鐵法能源公司現(xiàn)有綜采設備22套，刨煤機設備4套。支架在籍數(shù)量4694臺。四套德國進口刨煤機支架配備電液控制系統(tǒng)，一套中厚煤層智能化綜采設備支架配備電液控制系統(tǒng)，一套矮采高智能化綜采設備支架配備電液控制系統(tǒng)。從以往對設備使用及更換部件的頻度來統(tǒng)計分析，液壓件的使用壽命和乳化液的質量是分不開的。在智能化礦山建設中，智能化綜采工作面是不二的選擇，電液控制技術是智能化硬件的核心，所以應用智能型水質及乳化液質量的控制技術來保障乳化液質量是各煤礦企業(yè)必須的選擇。
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2?影響乳化液質量的原因
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2.1???乳化油油脂原因
一是乳化油（濃縮乳化液）質量原因，由于生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中執(zhí)行標準不嚴格，從原材料的進貨，產(chǎn)品配方，生產(chǎn)工藝，檢測手段及包裝等方面沒有認真執(zhí)行有關行業(yè)標準，同時由于生產(chǎn)批次不一樣，質量指標不同，從而導致乳化油質量不穩(wěn)定。
二是使用單位對乳化液運輸、存儲、存儲時間、存儲環(huán)境、使用環(huán)境達不到相關標準的要求，加之井下泵站工提注油時，不執(zhí)行“三專兩過濾”規(guī)定，還有環(huán)境因素的影響，都會造成乳化油的二次污染進而影響乳化油的性能。
2.2??水質原因
液壓支架使用的乳化液對配比用水有嚴格的要求，水的PH值應在7～9.5之間，水中含
有的固體或液體的污染物（固體污染物顆粒在1mg/L以下），尤其偏酸性的水配制乳化液經(jīng)常出現(xiàn)乳化液有異味、乳化液液面析皂沉淀現(xiàn)象，使液壓元件失效，腐蝕系統(tǒng)的金屬元件等。而現(xiàn)場使用的乳化液配比用水有兩個渠道;一是地面通過管路下到工作面的自來水，二是礦井涌水經(jīng)沉淀后的水。這兩種水的純凈度和酸堿性都不達標，配出的乳化液質量也不達標。
2.3??污染源分析
實踐表明80%以上的液壓支架的故障是由于現(xiàn)場工作環(huán)境、使用污染的乳化液造成的，如配比乳化液的現(xiàn)場環(huán)境不清潔，巖屑及煤塵混入乳化液中；運輸和維修管接頭時石屑和煤屑進入管路中，其它的機械污染、細菌污染等都會對乳化液造成污染。
2.4 人工配比對濃度的不確定性
之前公司所屬各礦綜采工作面乳化液泵站的乳化液都采用泵站工人工配比的方式解決，配比濃度有很多不確定性，表現(xiàn)在對乳化油消耗強制性節(jié)約，泵站工的責任心，檢測手段不及時等方面。對乳化液濃度3%-5%的指標掌控不精準，導致液壓執(zhí)行元件老化銹蝕嚴重，使用周期及壽命降低，檢修費用投入大，對經(jīng)濟效益和安全效益帶來較大損失。
3 智能型水質及乳化液質量控制技術原理
????智能型水質及乳化液質量控制系統(tǒng)是針對工作面現(xiàn)場實際需要解決水質和配比手段而研發(fā)的一項新技術。技術原理主要完成的目標是：一是對綜采工作面的乳化液配比的水質進行純凈化，水處理裝置的出水水質符合中華人民共和國煤炭行業(yè)標準《液壓支架（柱）乳化油、濃縮物及高含水液壓液》MT76-2011中對水質的要求。二是工作面使用的乳化液濃度實現(xiàn)自動配比，濃度符合《煤礦安全規(guī)程》中3%-5%的要求。而且通過濃度傳感器可以實現(xiàn)在線監(jiān)測。三是該控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)在無人值守的條件下智能化運行。
3.1控制系統(tǒng)技術原理
????智能化水質及乳化液質量控制系統(tǒng)（圖1）主要由以下設備組成一套供液系統(tǒng)，為電液控制的液壓支架提供可靠的乳化液和工作面用水。系統(tǒng)組成：進液過濾站、原水箱、乳化油箱、預處理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、深度處理系統(tǒng)、自動配比系統(tǒng)、高壓反沖洗過濾站、回液過濾站、集控系統(tǒng)，人機界面。
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圖1 控制系統(tǒng)原理圖
3.2各設備功能原理
3.2.1 進液過濾站
該過濾站主要是將進入到工作面水中的大的顆粒性物質進行有效的過濾，過濾精度達到100～25um之間，過濾后的水質可滿足噴霧泵、設備散熱器、液力耦合器及乳化液水處理設備進液水質的要求。過濾站采用不銹鋼濾芯，內(nèi)置超壓泄放裝置，可一用一備，便于濾芯清洗或更換。進液口與工作面管路連接，將水供給過濾組件，濾筒體是過濾站的核心部分，采用多級過濾方式，根據(jù)用戶需求，可配置過濾精度100～25μm的濾芯。通過壓力顯示監(jiān)測設備運行壓力，判斷運行情況，可進行手動反沖洗。
3.2.2水質處理裝置乳化液配比裝置
該裝置將礦井水就地凈水軟化處理，也可以對地面輸送到井下的水進行軟化純凈處理，該裝置采用無電源自動方式運行，徹底滿足了煤礦防爆要求（圖2）。
圖2 ?水質處理及乳化液配比裝置
該裝置首先將供水進入到預處理系統(tǒng)，第一級反應系統(tǒng)用石英砂作為填料濾料，石英砂的特性具有吸附和過濾雙重功效，可有效去除水質中的懸浮物、雜質。二級反應系統(tǒng)用活性炭作為填料濾料，活性炭具有較好的吸附性除去水中大多數(shù)有機污染物和某些無機物和某些有毒重金屬。反滲透系統(tǒng)是整個水處理裝置的核心部分，它由反滲透膜RO離子滲透膜技術對水中的鈣、鎂離子、硫酸根離子、氯離子等進行滲透清除。本系統(tǒng)采用的反滲透膜水處理技術，是目前最可靠的過濾技術，可有效過濾掉所有溶解的無機分子以及任何相對分子質量大于100的有機物，水分子可以通過滲透膜成為純水。使水質達到純凈水的指標。該裝置的外形尺寸根據(jù)不同工作面地質條件進行了優(yōu)化設計。主要技術參數(shù)：
1）水處理量：8t/h
2）過濾精度：25um
3）工作溫度：0～40℃
4）配比能力：8t/h
乳化液濃度的配比：系統(tǒng)采用以色列比例配比器將對乳化液、純凈水進行流量控制。使配比濃度達到設定的指標范圍，全過程無人工干預。配比過程是通過水和乳化油管路中裝有流量計實時檢測流量信號，流量信號通過PLC控制系統(tǒng)進行處理和控制完成，實現(xiàn)乳化液濃度3-5%可調，真正實現(xiàn)乳化液濃度在線監(jiān)測自動配比，避免人工配制乳化液精度不高，質量不達標問題，滿足工作面液壓執(zhí)行元件、液壓控制元件工作的可靠性和使用壽命。
3.2.3高壓反沖洗過濾站
高壓反沖洗過濾站（圖3）是綜采工作面高壓乳化液管路必備設備，工作方式主要是采用反沖洗的方式，定時對過濾器進行清洗，反沖洗方式有手動定時沖洗和全自動不定時清洗兩種模式，安裝在乳化液泵向工作面輸送高壓乳化液的管路上，對乳化液泵出口的乳化液進行第一道過濾，目的是乳化液儲液箱產(chǎn)生的雜質進行過濾，使輸送到工作面的乳化液精度達到25um的要求。
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圖3 ?高壓反沖洗過濾站
3.2.4 回液過濾站
回液過濾站安裝（圖4）在液壓系統(tǒng)回液管路上，主要過濾掉工作面液壓執(zhí)行機構及回液管路產(chǎn)生的雜質。裝置配有2臺1000L/min回液過濾器，并聯(lián)組成，配合出液閥門可實現(xiàn)手動反沖洗功能。實現(xiàn)總流量60t/h時，工作方式根據(jù)現(xiàn)場需要，可以二臺同時共組，也可以單組臺獨立工作，采用一用一備工作方式。在一臺回液過濾器中，有二個濾筒體，每個濾筒體的流量為1000L/min，當此臺過濾器的進液三通閥、出液三通閥接通相應過濾濾筒時，則此過濾筒體工作，另外一個過濾濾筒處于備用或清洗狀態(tài)。
?圖4 ?回液過濾站
3.2.5系統(tǒng)控制部分
系統(tǒng)控制部分采用礦用隔爆兼本質安全型控制箱（圖5），專門為該套裝置設計配備的檢測控制中心，適用于具有爆炸性氣體和煤塵爆炸性危險的煤礦井下，在交流50Hz，電壓為660/1140V以下的控制系統(tǒng)中，作為檢測和控制設備。該裝置內(nèi)置德國西門子S7-200系統(tǒng)的PLC，采用光電隔離板將外來信號進行隔離，保證工作的穩(wěn)定性。
該控制箱的顯示屏可與PLC進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的工作情況、過程中關鍵參數(shù)、參量的曲線以及操作的正確性進行監(jiān)控和顯示，并對必要的數(shù)據(jù)記錄儲存。
采用全中文液晶顯示，實時顯示控制過程中的相關參數(shù)及控制畫面。該系統(tǒng)中還配有變頻控制系統(tǒng)，對乳化液泵站實行變頻控制，通過壓力傳感器對系統(tǒng)的壓力進行在線實時監(jiān)測，在工作面需要供液時泵站在工頻狀態(tài)下運行，工作面不需要供液時轉入變頻狀態(tài)下運行，既節(jié)電又避免泵站頻繁卸載造成泵頭損壞。
?圖5控制箱
4 應用情況
工作面智能化水質及乳化液質量控制技術裝備于2018年1月至2019年12月期間開始實施，先后在小康礦W3-101、曉南礦N1-1502、大平礦S2S6綜采工作面應用。經(jīng)跟蹤調研應用效果達到預期目的，實現(xiàn)了乳化液泵站無人值守和乳化液精準配比，液壓系統(tǒng)故障明顯降低，設備的使用周期延長，同時減少了工作面人員配置。另外，控制系統(tǒng)可以并入礦方的以太網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及上傳功能，也可以配套給智能化工作面應用，具有良好的應用前景和推廣價值。
5?經(jīng)濟效益及社會效益
工作面智能化水質及乳化液質量控制技術裝備在小康礦W3-101、曉南礦N1-1502、大平礦S2S6綜采工作面應用期間，液壓支架千斤頂閥件更換數(shù)量明顯減少，比較未使用該技術裝備前，千斤頂?shù)母鼡Q數(shù)量減少到二分之一，閥件更換數(shù)量減少三分之二，大大減少了檢修及維護工作量，安全效益、經(jīng)濟效益明顯。為機械化減人、自動化換人提供技術支持，可以在各礦推廣使用。
6?存在的問題
一是工作面水質及乳化液油自控制技術裝備沒有配備變頻控制器，對乳化液泵不能實現(xiàn)變頻控制，節(jié)電效果不好。二是高壓過濾站沒有采用自動反沖洗技術，需要人為定時進行反沖洗，有人為因素的干預反沖洗不及時時，會出現(xiàn)供液不連續(xù)故障。三是該裝置同乳化液泵站放在同一地點（距離小于50m）應用時，效果極佳，否則，會出現(xiàn)供液不連續(xù)故障。這些問題有待于今后選型時加以解決。
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第一作者簡介：李殿斌（1965--），男 ，高級工程師。1993年畢業(yè)于阜新礦院機電工程專業(yè)?，F(xiàn)任生產(chǎn)技術部機電處機械管理科科長。聯(lián)系電話：024-76835749。? ??
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