专利名称：矿用高效节能乳化供液机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种矿用装置，具体为一种矿用高效节能乳化供液机组。
背景技术：
煤矿乳化泵站系统是煤矿普遍使用的专为综采液压支架或单体液压支柱提供高压乳化液的动力源。泵站设置在矿井井下采煤工作面附近，每个工作面设置一个泵站，每个泵站安装两台乳化泵(一用一备)，乳化泵单台装机容量为几十至几百千瓦。泵站一般采用连续运行的方式，每台每天耗电量为几百至几千千瓦时，为煤矿主要用电设备。随着国家一系列节能减排政策和措施的出台和实施，煤矿企业愈加重视计划用电和节约用电，越来越注重使用新型节能技术和设备。2003年，本人根据我国南方小型煤矿井 下采用单体液压支柱支护工作面用液压力低(一般为15MPa以下)、用液量少、乳化液不回收等特点，从减少设备的维护量和节约用电出发，设计了建立地面集中供液的方案，并在湖南省白沙矿务局白山坪煤矿建立了国内第一个地面集中供液泵站。泵站设在地面工业广场井口附近，配备了变频自动控制系统，实现了地面集中供液。采用地面集中供液方式在提高设备使用寿命和降低电力消耗等方面收了很好的效果，近几年来已在湖南多数中小型煤矿得到推广应用。煤矿乳化泵站从井下移至地面，由分散式供液系统改为集中供液系统，其本身是煤矿供液技术上的重大突破，也是理念上的改变。此方式除了能大量节约电能、节约设备投资和维护费用外，也为煤矿安全生产创造了条件，值得大力推广应用。但是，因此前该项技术尚处于初步阶段，还存在居多关键技术问题未得到解决，因此制约了其进一步发展，特别是其在应用范围方面受到了限制，仅能在采用单体液压支柱支护的小型工作面使用，而对综采工作面或以综采为主的煤矿则不适用。其具体存在的问题有
一是未解决综采工作面低压乳化液回收复用问题，这对于我国目前绝大多数以综采为主的煤矿，特别是大中型煤矿来说不适用。二是未解决高压乳化液远距离输送的问题。煤矿综采液压支架要求供液压力达30多兆帕，且大多数煤矿供液距离长达数千米，要实现可靠输送，其管路的耐压强度、沿途的卸漏和压力损失等关键技术需要解决。三是未解决采用混合式采煤工艺(即矿井既存在综采又存在普采工作面)矿井，各工作面需用压力不同时，而共用一个供液系统供液难题。四是未解决供液压力稳定的问题。因供液压力不稳定，造成支柱的初撑力不恒定，造成安全隐患。现有集中供液系统虽然进行了变频控制，但仅靠调节乳化泵电机的转速来进行压力调节，实际使用中，压力跟随不理想，往往造成较大的压力波动，且电机起动频繁，对设备运行不利。五是未解决多工作面用液的流量计算问题，往往造成所选设备容量过剩。采用集中供液后，其装机容量虽然比分散式供液有大幅度减小，但因对乳化泵流量计算尚无统一的计算公式，所选乳化泵的装机容量往往偏大，存在大马拉小车的现象。六是设备不成整体，各部件分散式安装。现有乳化泵站中的乳化泵、乳化箱、加液装置、控制阀等部件均采用传统的分散式安装方式，占地面积大，机房内布管多，管路损失大，设备布置杂乱，不便于集中控制，且影响机房文明生产。七是设备采用传统的人工值守、手动操作方式，需要辅助人员多，不利于矿井自动化建设，且容易造成设备操作失误。八是未解决自动配液问题。采用人工配液方式，配液质量得不到保证，且费工费时，不便于管理。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种矿用高效节能乳化供液机组，本发明针对上述背景技术中存在的问题和缺陷，从解决所有煤矿(特别是实施综采的煤矿)集中供液问题为出发点，在进行多年研究和实验的基础上，重点突破了超高压、长距离乳化液输送技术、及不同工作面需要不同等级的压力等技术难题，从理论和实践上探索出煤矿多工作面用液的基本规律和用液量计算方法，优化供液系统乳化泵、高压供液管、蓄能装置、乳化箱等主要部件的选型设计方法，专为煤矿研制出一种高效节能乳化供液机组。该机组安装于地面，适用于为综采、高档普采、炮采及混合采煤等各类煤矿的地面集中供液。机组按照装机容量不同，分为特大型、大型、中型和小型四种规格，分别适用于各种规模的煤矿。本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现
矿用高效节能乳化供液机组，包括主供液模块、自动配液模块、电气控制模块和工作
面；
所示主供液模块包括高压分闸阀、高压总闸阀、蓄能器、主乳化泵、进液控制阀、过滤器、安全阀、乳化液箱、输液管，所述主乳化泵的进液端通过进液控制阀连接过滤器，过滤器设置乳化液箱内，主乳化泵的出液端、高压分闸阀、蓄能器、高压总闸阀和输液管依次连接，所述输液管与铺设在工作面上的供液管网连接；
所述自动配液模块包括输水泵、出水控制阀、进油控制阀、输油泵、乳化油箱、供水池；所述电气控制模块包括上位机、控制柜、电源柜、变频器、压力传感器、液位传感器、浓度传感器，所述上位机通过以太网连接控制柜的输入端，控制柜的输入端还连接压力传感器、液位传感器和浓度传感器，控制柜的输出端连接输水泵、输油泵、主乳化泵、变频器，所述变频器连接主乳化泵；所述上位机为工控机。所述控制柜内设有PLC，所述PLC采用PID运算。本发明还包括备用供液模块，所述备用供液模块包括备用乳化泵、高压分闸阀、进液控制阀、过滤器、安全阀，所述备用乳化泵分别连接控制柜的输出端和变频器，备用乳化泵的进液端通过进液控制阀连接过滤器，过滤器设置乳化液箱内，备用乳化泵的出液端、高压分闸阀、压力传感器和高压总闸阀依次连接。本发明还包括回收模块，所述回收模块包括回油池、回液加压泵、回液管，所述回油池与铺设在工作面上的供液管网连接，所述回油池、回液加压泵、回液管和乳化液箱依次连接。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
(一)集中供液功能。实现全矿井各采煤工作面及其他用液地点共用一个供液系统，即由地面机组集中供液。
(二)乳化液回收复用功能。实现对综采和悬移支架工作面的低压乳化液进行回收和循环使用。(三)远端值守，自动控制功能。在上位机或控制柜“一键启动”后，机组就进入默认的自动控制运行状态，具有“远端”和“就地”两种监控方式。(四)恒压供液功能。通过加装变频器，配合PLC的PID恒压闭环调节功能，对供液系统压力进行自动跟踪调节，保证“按需供液”和供液压力恒定。(五)实现超高压乳化液的长距离输送，满足老矿井及边远采区用液的需要。泵站供最远端工作面距离可达5000m以上。(六)有效降低机组的装机容量。通过优化机组配置，利用大系统供液的均衡作用，并通过采用变频恒压控制和加装大容量蓄能器补液等措施，大幅降低乳化泵的装机容量。相对于现有分散式供液系统，乳化泵的装机容量降低80%以上，大幅降低电耗。(七)定时供液功能。通过设定PLC控制器的时钟，实现定时自动开停机。(八)自动配液功能。一是保证乳化液箱有适量的液量；二是保持乳化液有合适的油、水比(即浓度符合要求)。(九)具备完善的保护功能。其中液压系统必须具备的保护有供液超压保护、低压运行超时保护、乳化液箱液位超高和超低保护等；电气部分必须具备的保护有主回路过电流保护、欠电压及单相保护、漏电保护、电机超温保护等。当发生以上故障时，机组立即停机并自锁和报警，只有按下复位按钮进行“复位”后，方可重新启动系统。(十)主泵与备用泵相互切换功能。当运行泵发生故障时，可切换到备用泵运行，保证连续供液，不影响矿井正常生产。(十一)机组采用模块式集成化装配形式，体积小，液体流通路径短、压力损失小，占用场地面积小，易于安装，机房整洁美观。(十二)控制系统可以通过以太网接入矿井工业以太干网，实现乳化泵监控子系统与全矿井的自动化监控系统信息共享，具有较强的兼容性和扩展性。
图I为本发明矿用高效节能乳化供液机组的原理简图。图2为本发明的PID控制原理图。图中1工作面，2回油池，3回液加压泵，4上位机，5控制柜，6电源柜，7变频器，8输水泵，9出水控制阀，10进油控制阀，11输油泵，12备用乳化泵，13高压分闸阀，14压力传感器，15高压总闸阀，16蓄能器，17主乳化泵，18进液控制阀，19液位传感器，20浓度传感器，21安全阀，22乳化液箱，23乳化油箱，24供水池，25回液管，26输液管。
具体实施例方式为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。如图I所示，矿用高效节能乳化供液机组，包括主供液模块、自动配液模块、电气控制模块、备用供液模块、回收模块和工作面I。 所示主供液模块包括高压分闸阀13、高压总闸阀15、蓄能器16、主乳化泵17、进液控制阀18、过滤器、安全阀21、乳化液箱22、输液管26，所述主乳化泵17的进液端通过进液控制阀18连接过滤器，过滤器设置乳化液箱22内，主乳化泵17的出液端、高压分闸阀13、蓄能器16、高压总闸阀15和输液管26依次连接，所述输液管26与铺设在工作面I上的供液管网连接。所述自动配液模块包括输水泵8、出水控制阀9、进油控制阀10、输油泵11、乳化油箱23、供水池24，所述输水泵8为乳化液箱22提供水源，所述输油泵11为乳化液箱22提
供油源。所述电气控制模块包括上位机4、控制柜5、电源柜6、变频器7、压力传感器14、液位传感器19，浓度传感器20，所述上位机4通过以太网连接控制柜5的输入端，控制柜5的输入端还连接压力传感器14、液位传感器19和浓度传感器20，控制柜5的输出端连接输水泵8、输油泵11、主乳化泵17、变频器7，所述变频器7连接主乳化泵17，所述电源柜6为系统提供提供能力。 所述备用供液模块包括备用乳化泵12、高压分闸阀13、进液控制阀18、过滤器、安全阀21，所述备用乳化泵12分别连接控制柜5的输出端和变频器7，备用乳化泵12的进液端通过进液控制阀18连接过滤器，过滤器设置乳化液箱22内，备用乳化泵12的出液端、高压分闸阀13、压力传感器14和高压总闸阀15依次连接。所述回收模块包括回油池2、回液加压泵3、回液管25，所述回油池2与铺设在工作面I上的供液管网连接，所述回油池2、回液加压泵3、回液管25和乳化液箱22依次连接。供液机组安装于矿井地面工业广场副井口附近，每个矿井只需安装一套。机组上安装两台乳化泵，一工一备。机组按“无人值守”设计，采用变频自动控制，并在矿井集中监控中心设置上位机，实现对机组的远程监控。设备的操作可以采用“就地”和“远程”两种方式，只要进行“一键启动”后就进入默认的自动运行模式。从地面供液机房至井下各用液工作面铺设供液管网和回液管网。供液管路和回液管路铺设按同路径铺设(单体支护工作面不需要设回液管)。供液管路将地面供液机组输出的高压乳化液输送至各工作面，供工作面支架用液。回液管路将支架流出的低压乳化液导回至地面乳化箱，形成乳化液闭式循环使用系统。当矿井开采深度(垂高)不超过200m时，可采用直接回液的方式回液，即直接利用工作面支架液压缸高、低压侧压力差将低压乳化液压入回液管，经回液管直接导回地面乳化液箱。当井深超过200m垂高时，采用直接回液的方式将造成支架供液系统“背压”过高，对支架的动作带来干涉，甚至造成支架不能正常动作，则应在矿井的副井底设置回液辅助加压装置，将各综采面的回液经加压泵加压后集中排至地面乳化液箱。为满足各种规模的矿井使用，供液机组按装机容量的大小分为四种规格，即特大型(功率为200KW以上)、大型(功率为125KW以上)、中型(功率为55KW以上)、小型(功率为15KW以上)。其中特大型机组适用于年产量500 1000万吨级的矿井，大型机组适用于年产量200 500万吨级的矿井，中型机组适用于年产30 200万吨级的矿井，小型机适用于年产30万吨以下的矿井，具体应根据矿井工作面多少和支架型号等条件进行计算后，选用标准机型。乳化泵的控制采用目前先进的变频自动控制和远程监控技术，配合系统中设置的高灵敏压力传感器，实现对乳化泵变频自动控制，使机组能根据井下用液量的多少输送液体，并保持液压力恒定。机组设置自动配液单元，采用目前最先进的高分辨率乳化液浓度传感器，实现对乳化液浓度的在线检测和自动调节，保证乳化液箱有足够的乳化液量，同时按正确的水、油比进行配液，确保浓度合适。控制柜内安装有PLC控制器、继电器、接触器、变送器等主要电器零部件，其面板上装有触摸屏、控制按钮、转换开关等器件。PLC采用目前应用较广泛的三菱？\1<系列产品，系统软件采用三菱专业版编写主程序。上位机采用工控机，上位机与控制柜中PLC通讯采用以太网和光缆传输技术，采用WinCC编写上位机组态界面。控制柜上触摸屏作为现场人机界面，用于操作、参数的设定和对机组运行情况的监视。另设置视频系统，用于对机房、设备等情况的直观监视。一、各功能实现原理及设计方法 (一)集中供液功能
在地面工业广场设集中供液泵站，站内安装台供液机组，机组上安装两台乳化泵，一台工作，一台备用。乳化泵将乳化箱中乳化液加压变成高压乳化液向井下输送。在井下铺设 主供液管路和分支管路，将高压乳化液输送至各工作面，作为支护设备的液压动力。为保证不同工作面所需液压力和流量的要求，主要采取以下技术和措施
I.为了满足各用液地点对乳化液压力大小的不同要求，机组的出口压力应按井下所需最大液压力工作面为依据进行设定，其他用液地点可通过在各分支管路上设置单向减压阀的方式，将压力调节到其所需压力值。根据帕斯卡原理，供液机组出口的设定压力按下式计算
P=F/ (2 JIr2) + A p
式中
P-泵站出口设定压力(Mpa);
F-支架单根立柱支护顶板的初撑力(N)，这里为所需液压力最大工作面支架单根立柱初撑力；
R-综采支架立柱缸体半径(mm)；
Ap-乳化液在管网中流动时的压力损失(MPa)，与管径和流速有关。由于供液系统输送的为超高压乳化液，且流量小，相比之下，流经管网的压力损失很小，计算时可以忽略不计。2.为了满足各多个工作面同时作业所需流量要求，又不至于使机组的装机容量过剩，主要采取以下技术两项技术措施
一是按照各工作面间隙用液重合度规律，合理计算机组的供液量。机组的流量按以下算式计算
Q = K1K2 (Q1 + Q2+... Qn)
=K1K2 (2 X VX 3. HXd12 /4+2 X VX 3. 14Xd22/4+—2XVX3. 14Xdn2/4)
式中
Q 一乳化泵的流量(1/min)；
K1 一采面重合系数，当I个采面时取1，2个采面取0.7，3个采面取0.6，4个采面取
0.5，…(但不小于0.4)；
K2 一蓄能器补液系数，根据所加蓄能器的多少，可取I 0. 5，蓄能器容量越大，取小
值；Qi> Q2>…仏一分别为各米面升柱时所需乳化液流量(1/min)；
V 一升柱速度(mm/s)；
d2>…dn —分别为各采面支架立柱缸径(mm)。(二)乳化液回收复用功能
对有综采或悬移支架工作面和矿井，必须设计专门的乳化液回液系统，将工作面的低压乳化液进行回收和循环使用。回液系统主要由回液管路和回液辅助加压装置组成。支护设备在升降柱过程中流出的低压乳化液经回液系统导至地面乳化液箱，进行循环使用。当矿井开采垂直深度不超过200m时，可采取直接回液方式，即利用支架动作时液压缸高、低压差将低压乳化液压入回液管，通过回液管直接导回地面乳化箱；当矿井开采垂直深度超过200m时，若仍然采用直接回液方式，回液对供液系统形成的较大背压，对综采支架的正常使用有很大的影响，则必须在矿井副井底设置回液辅助加压装置，各工作面的低压乳化液通过回液管导入回液池，再通过辅助泵加压输送至地面乳化箱。辅助加压泵由回液池液位开关控制，实现自动开停。·I.回液管的设置。回液管(包括总管和支管)与供液管同路径铺设，选用无缝钢管，其连接采用矿用K型快速接头，其管径不小于相应供液管。2.辅助加压泵流量的计算。辅助加压泵流量可根据综采工作面移架速度和移架的回液量来计算，计算式如下
q =Icq1A式中
q —加压泵的流量(m3/h)；
K 一泵的容量富余系数，取I. 3 ；
Q1 一每移一架支架所需用液量(m3)； t-每移一架支架所需时间(h)。3.回液池容量的确定。支架用液为间隙性用液，其回液量小，回液池容积可以设计得很小，但为了使加压泵不至于频繁启动，在井下有足够的安装空间情况下，可适当增大回液池的容量。一般取回液池容量为lm3。回液池采用普通钢板制作成箱体形式。(三)超高压乳化液长距离输送功能
煤矿供液系统中，乳化液压力通常达到30MPa以上，输送距离达数千米。为保证乳化液可靠地输送，必须保证管路的耐压强度，且须防止管路沿途泄漏及尽可能减少压力损失，同时，为适应井下使用条件下，管路必须拆装、搬运方便。具体采取以下技术措施
1.合理选取管材
因为管道中输送的是高压液体，从保证可靠性和安全性以及节约初期投资方面考虑，从地面至各用液地点的主管路宜采用16Mn高压无缝钢管。工作面内的管道以便于安装和搬移为主，宜选用高压胶管总成；
2.优化管径计算
主管路(无缝钢管)内径按下式计算 d=SJ6
式中Q 一主管的流量(L/min)，应等于乳化泵的排量与蓄能器释放流量之和。蓄能器释放的流量一般取0. 5 I倍乳化泵的排量；
V1 一乳化液在管路中的流速(m/s),取3 5 m/s ；
在确定了主管的直径后，取采面内胶管内径为主管内径的0. 7 I倍；
3.管壁厚度计算
主管(钢管)壁厚按下式计算
权利要求
1.矿用高效节能乳化供液机组，包括主供液模块、自动配液模块、电气控制模块和工作面，其特征是所示主供液模块包括高压分闸阀、高压总闸阀、蓄能器、主乳化泵、进液控制阀、过滤器、安全阀、乳化液箱、输液管，所述主乳化泵的进液端通过进液控制阀连接过滤器，过滤器设置乳化液箱内，主乳化泵的出液端、高压分闸阀、蓄能器、高压总闸阀和输液管依次连接， 所述输液管与铺设在工作面上的供液管网连接；所述自动配液模块包括输水泵、出水控制阀、进油控制阀、输油泵、乳化油箱、供水池；所述电气控制模块包括上位机、控制柜、电源柜、变频器、压力传感器、液位传感器、浓度传感器，所述上位机通过以太网连接控制柜的输入端，控制柜的输入端还连接压力传感器、液位传感器和浓度传感器，控制柜的输出端连接输水泵、输油泵、主乳化泵、变频器，所述变频器连接主乳化泵；所述上位机为工控机。
2.根据权利要求I所述的矿用高效节能乳化供液机组，其特征是:所述控制柜内设有 PLC,所述PLC采用PID运算。
3.根据权利要求I所述的矿用高效节能乳化供液机组，其特征是还包括备用供液模块，所述备用供液模块包括备用乳化泵、高压分闸阀、进液控制阀、过滤器、安全阀，所述备用乳化泵分别连接控制柜的输出端和变频器，备用乳化泵的进液端通过进液控制阀连接过滤器，过滤器设置乳化液箱内，备用乳化泵的出液端、高压分闸阀、压力传感器和高压总闸阀依次连接。
4.根据权利要求I或3所述的矿用高效节能乳化供液机组，其特征是还包括回收模块，所述回收模块包括回油池、回液加压泵、回液管，所述回油池与铺设在工作面上的供液管网连接，所述回油池、回液加压泵、回液管和乳化液箱依次连接。
全文摘要
矿用高效节能乳化供液机组，包括主供液模块、自动配液模块、电气控制模块、备用供液模块、回收模块和工作面。本发明具有集中供液功能；乳化液回收复用功能；远端值守，自动控制功能；恒压供液功能；定时供液功能；自动配液功能；完善的保护功能；主泵与备用泵相互切换功能。本发明实现了超高压乳化液的长距离输送，满足老矿井及边远采区用液的需要；有效降低机组的装机容量；机组采用模块式集成化装配形式，体积小，液体流通路径短、压力损失小，占用场地面积小，易于安装，机房整洁美观。控制系统可以通过以太网接入矿井工业以太干网，实现乳化泵监控子系统与全矿井的自动化监控系统信息共享，具有较强的兼容性和扩展性。
文档编号E21D15/45GK102704960SQ201210195909
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者伍福德, 凌光希, 张建, 熊宇 申请人:湖南星奥信息技术有限公司