0 引言

目前新橋煤礦的綜采工作面液壓支架和順槽單體支柱供液均由設(shè)備列車上的乳化液泵站提供，在使用過程中主要存在以下問題。

1) 乳化液濃度采用人工配比，配比精度不高。乳化液濃度要求在 3% ～5% 之間，當(dāng)濃度不足 3%時(shí)，乳化液所含有的基礎(chǔ)油，防銹、抗磨和抗硬水添加劑，以及細(xì)菌抑制劑的濃度都將不符合要求，主要體現(xiàn)在:

(1) 當(dāng)乳化液所含有的基礎(chǔ)油和抗磨添加劑不足時(shí)，支架等液壓設(shè)備的活塞和閥件、乳化液泵站等會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的磨損。

(2) 當(dāng)乳化液含有的基礎(chǔ)油、防銹添加劑不足時(shí)，支架的活塞和閥件、乳化液泵站等會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的銹蝕。

(3) 當(dāng)乳化液所含有的抗硬水添加劑不足時(shí)，乳化液會(huì)產(chǎn)生析油及浮皂。

(4) 當(dāng)乳化液所含有的細(xì)菌抑制劑不足時(shí)，會(huì)滋生大量細(xì)菌，從而影響液壓支架的使用效果，提高液壓支架的維護(hù)成本。

(5) 當(dāng)濃度大于 5%時(shí)，會(huì)降低消泡能力，增大橡膠密封材料的溶脹性，容易造成漏液、竄液，浪費(fèi)乳化液［1］ 。

2) 乳化液用水質(zhì)量不高。低濃度乳化液受水質(zhì)質(zhì)量影響，乳化液用水必須符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MT76—2002 要求，pH 范圍 7 ～9，不含明顯的顆?；驊腋∥廴疚铮C采工作面乳化液用水采用井下鉆孔水，很難保證水質(zhì)滿足要求，影響乳化液質(zhì)量。

為此，經(jīng)多方面的研究論證，設(shè)計(jì)了一套地面水處理和乳化液自動(dòng)配比裝置，采用經(jīng)過過濾的水進(jìn)行乳化液配比和遠(yuǎn)距離管路供液，不但可以保證乳化液的濃度和質(zhì)量，還可以減少工作面設(shè)備列車數(shù)量，降低乳化液人工配比工作量，同時(shí)消除設(shè)備列車外移所造成的安全隱患，服務(wù)于不同采區(qū)的多個(gè)工作面，為其他液壓設(shè)備提供動(dòng)力源。

1 乳化液地面集中供液系統(tǒng)流程

乳化液地面集中供液系統(tǒng)流程如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)配置要求

2． 1 水處理裝置

水處理裝置系統(tǒng)流程為:深井水→消防水池(原水池) →輸送泵→多介質(zhì)過濾器→精密過濾器→高壓泵→反滲透膜系統(tǒng)→純水箱。處理過的水為中性或接近中性，無色、透明、無味，不含機(jī)械雜質(zhì)和懸浮物，離子含量滿足 GB/T 1576—2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》的要求。

2． 1． 1 水處理裝置的基本性能參數(shù)

2． 1． 2 水處理系統(tǒng)組成

1) 地面有 500 m 3 消防水池提供原水，不再設(shè)置原水水池。

2) 輸送泵。輸送泵的作用是為系統(tǒng)提供具有一定壓力的原水，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。采用流量不低于 16 m 3 /h，揚(yáng)程不小于 40 m 的輸送泵。

3) 多介質(zhì)過濾器。該設(shè)備是反滲透水處理系統(tǒng)重要的預(yù)處理裝置，本方案中配備 1 套兩層立式防腐不銹鋼材質(zhì)的多介質(zhì)過濾器。

4) 阻垢劑加藥裝置。在提高回收率的前提下，預(yù)防反滲透的濃水端，重點(diǎn)是反滲透末端膜元件的濃水側(cè)產(chǎn)生硫酸鹽、碳酸鹽和鈣鎂離子等的化學(xué)結(jié)垢，影響反滲透膜元件的使用性能，需要在水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)之前加入阻垢劑。每組裝置主要包括 1 臺(tái)計(jì)量泵和 1 只溶液箱，加藥箱內(nèi)水和阻垢劑混合比例為 9∶ 1。加藥箱配備 1 臺(tái)電動(dòng)抽液插桶泵和長度不小于10 m 的高壓膠管，根據(jù)加藥箱液位可將藥桶內(nèi)的藥液抽至藥箱內(nèi)。

5) 反滲透(ＲO)裝置。這是流程中zui主要的脫鹽裝置，系統(tǒng)每組配置 1 臺(tái)高壓泵、1 臺(tái)精密過濾器、1 套出力不小于 10 m 3 /h 的反滲透膜組件、控制儀表及 1 套清洗系統(tǒng)。

(1) 精密過濾器。主要作用是截留原水中攜帶的直徑大于 5 μm 的顆粒，避免其進(jìn)入反滲透裝置。精密過濾器外殼采用耐腐蝕的 304 不銹鋼材質(zhì)，濾芯采用聚丙烯噴熔材質(zhì)。設(shè)計(jì)出力 25 m 3 /h，濾芯材質(zhì)為 PPF，熔噴樹脂纖維，濾芯孔徑為 5 μm。

(2) 高壓泵。主要作用是為反滲透裝置進(jìn)水側(cè)提供較大的壓力，保證反滲透系統(tǒng)的出水率滿足實(shí)際需要。系統(tǒng)采用不小于 20 m 3 /h，揚(yáng)程不小于 140m 的高壓泵。反滲透裝置的給水泵進(jìn)出口均裝有低壓保護(hù)開關(guān)和高壓保護(hù)開關(guān)。

(3) 反滲透本體裝置。采用美國進(jìn)口 CPA3-8040 復(fù)合膜，該復(fù)合膜為抗污染苦咸水淡化膜，單根膜脫鹽率 99． 5%，復(fù)合膜配備量滿足反滲透產(chǎn)水量 10 m 3 /h 的要求，安裝在玻璃鋼壓力容器內(nèi)。高壓泵采用軟啟動(dòng)控制，當(dāng)反滲透裝置投入運(yùn)行及停止運(yùn)行時(shí)，軟啟動(dòng)裝置控制高壓泵緩慢升壓及緩慢降壓，以免損壞膜元件，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。反滲透膜組件、管道、接頭及相關(guān)配件全部固定在不銹鋼架上。

6) 濃水的排放。反滲透處理后的濃水直接通過管路排放至南風(fēng)井消防水池旁邊的排放池中。水處理裝置中的主要部件實(shí)現(xiàn)一用一備，具備同時(shí)工作的能力，確保水處理裝置的可靠性，主要包括原水輸送泵、多介質(zhì)過濾器、阻垢劑加藥裝置、反滲透(ＲO)裝置。

2． 2 乳化液自動(dòng)配比裝置

2． 2． 1 工藝流程

該水處理系統(tǒng)中，反滲透的出水進(jìn)入純凈水箱，恒壓穩(wěn)壓泵的作用是為后續(xù)系統(tǒng)的配比提供恒定的流量和壓力，以保證系統(tǒng)水源的穩(wěn)定性。乳化油箱的油經(jīng)投加裝置后通過射流器進(jìn)入阻尼紊流器混合，經(jīng)此過程，成功配比后的乳化液進(jìn)入泵站的液箱［2］ 。乳化液自動(dòng)配比系統(tǒng)流程如圖 2 所示。

2． 2． 2 自動(dòng)配比裝置組成

1) 純凈水箱。系統(tǒng)配備了 1 臺(tái) 15 m 3 純凈水水箱，可保證充足的純凈水水量。該水箱采用 304不銹鋼焊接而成，配備磁翻柱液位計(jì)，便于直接觀察水箱液位。采用液位控制的自動(dòng)補(bǔ)水裝置，當(dāng)水箱內(nèi)低液位時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)前級的水處理設(shè)備向水箱內(nèi)補(bǔ)水。

2) 穩(wěn)壓恒壓泵。主要是為后續(xù)配比系統(tǒng)提供一定壓力和流量的水源，為系統(tǒng)的穩(wěn)定配比提供保障，采用流量不小于 10 m 3 /h，揚(yáng)程不小于 20 m 的不銹鋼多級立式泵。

3) 油箱。配備 1 臺(tái) 5 m 3 不銹鋼油箱，儲(chǔ)備足夠的乳化油，配備液位計(jì)，便于直接觀察油箱液位。油箱配備 1 臺(tái)電動(dòng)抽油插桶泵、長度不小于 10 m 的高壓膠管，根據(jù)油箱油位可將油桶內(nèi)的乳化油抽至油箱內(nèi)。

4) 投加裝置。投加裝置主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確配比的核心部分，主要由變頻計(jì)量泵、射流器等組成。

(1) 變頻計(jì)量泵。通過計(jì)算水和油的流量，計(jì)算出配比濃度，對比乳化液濃度傳感器檢測值，選擇精確度更接近設(shè)定值的數(shù)據(jù)，調(diào)整計(jì)量泵的粗流量?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)既定設(shè)定的參數(shù)，通過閉環(huán)控制方式，時(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的輸出頻率，精細(xì)調(diào)整投加量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確配比。采用流量不小于 800 L/min，電壓為 380 V 。

(2) 射流器。在水裝置的出水管上安裝有一射流裝置，將乳化油快速的射入配比系統(tǒng)中。

(3) 阻尼紊流器。主要的功能決定乳化液混合是否均勻，從而影響乳化液的質(zhì)量。阻尼紊流器利用兩相紊流技術(shù)和紊流原理，液體流過阻尼板時(shí)，能夠形成強(qiáng)烈的漩渦，加劇水和乳化油的融合效果。

5) 乳化液箱。系統(tǒng)配備 1 臺(tái) 15 m 3 乳化液液箱，配備液位計(jì)，便于直接觀察乳化液箱液位。該液箱材質(zhì)采用 304 不銹鋼。液箱內(nèi)設(shè)計(jì)有液位傳感器，低液位時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行，高液位時(shí)自動(dòng)停止;在乳化液箱配置濃度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)乳化液濃度在線檢測，并對比設(shè)定濃度值，通過電控系統(tǒng)調(diào)節(jié)水和油的流量，實(shí)現(xiàn)精確配比。

在乳化油箱、純水箱、乳化液箱的出液口管路上，安裝手動(dòng)閥門和流量計(jì)，手動(dòng)閥門日常為常開狀態(tài)，檢修時(shí)關(guān)閉手動(dòng)閥門避免液體流出。流量計(jì)能夠?qū)崟r(shí)顯示液體使用量，并通過接入上位機(jī)實(shí)現(xiàn)液體用量的歷史記錄，便于查詢分析用液量是否正常。乳化液自動(dòng)配比裝置的主要部件實(shí)現(xiàn)一用一備。確保乳化液自動(dòng)配比裝置的可靠性，主要包括穩(wěn)壓恒壓泵、投加裝置、電控系統(tǒng)。所有箱體具有加熱裝置。確保嚴(yán)寒天氣下系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。箱體焊接無以下內(nèi)外部缺陷。焊瘤、咬邊、弧坑、電弧燒傷、表面氣孔、表面裂紋、焊接變形和翹曲、裂紋、未焊透、未熔合、夾渣和氣孔等，確保箱體不漏液。

3 電控系統(tǒng)及自動(dòng)化

可編程控制箱用于解決整套系統(tǒng)的電控問題，實(shí)現(xiàn)無人值守條件下的全自動(dòng)運(yùn)行。PLC 采用西門子 S7-300 型，根據(jù)設(shè)置的高低液位實(shí)現(xiàn)水處理裝置和乳化液自動(dòng)配比裝置的自動(dòng)運(yùn)行，并設(shè)置專用和備用回路的自動(dòng)切換。水流量傳感器、油流量傳感器檢測到的流量信號和濃度傳感器信號均傳送到PLC，PLC 通過外部輸入的參數(shù)進(jìn)行對比計(jì)算，從而去調(diào)整變頻器的輸出頻率，即時(shí)調(diào)整變頻計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速，時(shí)時(shí)相應(yīng)配比投加量。滿足系統(tǒng)的準(zhǔn)確配比要求［3］ ，乳化液濃度調(diào)節(jié)范圍 1% ～ 10%，連續(xù)可調(diào)，誤差 ±0． 1%。

3． 1 電控系統(tǒng)功能

實(shí)現(xiàn)水處理裝置和乳化液自動(dòng)配比裝置備用回路的自動(dòng)切換，同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測水箱、油箱、配比箱的液位，低液位時(shí)啟動(dòng)配比裝置運(yùn)行，高液位時(shí)停止配比。當(dāng)系統(tǒng)液位較低，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)液及時(shí)報(bào)警，提醒工作人員注意。PLC 控制柜采用 13 寸觸摸屏，通過組態(tài)軟件程序，時(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中的配液濃度、配液量、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間等參數(shù);系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及上傳功能;系統(tǒng)留有以太網(wǎng)接口，接入上位工控機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控、操作功能［4］ 。電控系統(tǒng)框架見圖 3。

3． 2 電控系統(tǒng)配置

配備兩套研華工控機(jī)和顯示屏，一臺(tái)安裝在乳化液站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，另一臺(tái)安裝在集控中心，能在上位機(jī)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組態(tài)圖，顯示水、油和乳化液實(shí)時(shí)和累計(jì)流量，乳化液實(shí)時(shí)濃度，各閥門狀態(tài)指示，各箱體液位等參數(shù)，并能夠查詢?nèi)我鈺r(shí)間段的流量、濃度等歷史參數(shù)。

在綜采工作面供液管道末端上，安裝 1 套控制箱，包括 1 臺(tái)隔爆型流量計(jì)、1 臺(tái)隔爆型電動(dòng)球閥、1臺(tái)隔爆型液位計(jì)、1 臺(tái)隔爆控制箱?？刂葡洳捎霉ぷ髅娉Ｓ玫?127 V 電源，內(nèi)置電源模塊，給流量計(jì)、電動(dòng)球閥和液位計(jì)提供本質(zhì)安全型電源。液位計(jì)監(jiān)測液箱內(nèi)乳化液的液位，高液位時(shí)關(guān)閉電動(dòng)球閥，低液位時(shí)開啟電動(dòng)球閥，控制箱控制乳化液自動(dòng)向乳化液箱內(nèi)補(bǔ)液。控制箱預(yù)留以太網(wǎng)接口，能將現(xiàn)場采集的流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，便于遠(yuǎn)程查看相關(guān)數(shù)據(jù)［5］ 。

4 設(shè)備明細(xì)及數(shù)量

水處理裝置(10 m 3 /h)、乳化液自動(dòng)配比裝置(10 m 3 /h)、綜采工作面液位控制箱的設(shè)備配置分別如表 1 ～ 表 3 所示。

5 結(jié)論

基于 S7-300PLC 的乳化液地面集中自動(dòng)供液系統(tǒng)，采用了xianjin的反滲透水處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)及工業(yè)以太網(wǎng)。通過實(shí)踐運(yùn)行表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)地面乳化液配比站的無人值守自動(dòng)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和運(yùn)行可靠性，保障了乳化液配比濃度和質(zhì)量，對液壓支架等設(shè)備的使用和維護(hù)具有重要作用。