吕志清

（西山煤电股份公司西铭矿机电科，山西 太原 030052）

乳化液泵站可以给综采工作面液压支架和单体支柱等设备提供动力，具有较大的运行功率、较长的开机时间、间断性的运行状态，是综采工作面主要耗能设备之一。在综采工作面乳化液泵站的启动控制方面，目前最常用的就是真空磁力启动器，然而该类型启动器不具备以实际液压支架等设备所需液压量自动控制乳化液泵站供液量的功能，因此造成整个液压供液系统长时间地处于高压大流量工况中，相应地电机启动所带来的机械振动、摩擦也会直接影响到乳化液泵站各个部件的正常运行。综上所述，对乳化液泵站进行节能降耗优化技术改造，对于全矿井实现安全高效生产具有积极的经济技术价值[1-4]。

1 综采工作面概述

西铭矿48707综采工作面位于北七采区左翼，所采8#煤层，煤层厚度2.9～3.4 m，平均厚度3.09 m。煤容重为1.42 t/m3。工作面采长220 m，皮带巷长1937 m，单轨吊巷长1875 m。本工作面北邻随老母断层，南邻北七左翼回风巷，西邻48709综采工作面，东邻48705 掘进工作面。工作面选用ZY8000/25/50型支架 （126架）、MG500/1140-GWD（3300V）型采机、SGZ-900/1050（3300V）型刮板输送机、PCM-200 （1140V） 型 破 碎 机、SZZ-900/315（1140V）型转载机、DSJ-120/2×315 kW（1140V）皮带机。

乳化液泵选用BRW-315/31.5型2台 （一用一备），乳化液箱选用RX-315/2500型1台，加压泵选用BPW-315/6.3型，采用自动配液装置控制，喷雾加压泵选用BPW-315/6.3型1台。BRW-315/31.5型乳化液泵的公称压力31.5 MPa，公称流量315 L/min，电机功率200 kW；BPW-315/6.3型加压泵的额定压力6.3 MPa，流量315 L/min，功率45 kW。组合开关采用KJZ-2000/8型矿用隔爆兼本质安全型真空组合开关。

2 技术改造方案

2.1 系统改造

为了方便现有乳化液泵站的技术改造，尽量减少改动原有的乳化液泵站，以缩短改造周期，节省投资，为此针对乳化液泵站液压系统作如下改造：

（1）一台泵仍由磁力启动器控制，另外一台泵改为变频器控制。

（2）变频器选用太原惠特科技有限公司研制生产的BPJ1-250/1140型矿用隔爆兼本质安全型交流变频器。

（3）泵站高压系统出口增设压力变送器，在主供液管（蓄能器旁）并联一压力传感器，压力信号送至变频器，变频器根据压力信号进行自动控制。

（4）变频器和磁力启动器采用手动切换，每天不定时切换。

（5）在变频器输入侧、磁力启动器输出侧分别串接矿用隔爆型电度表箱，电度表箱可以记录驱动电机的耗电量、功率因数、电压、电流等，数据存于U盘中，定期更换U盘即可获取原始数据，通过对工频、变频两种情况的数据进行统计、比较、分析，获取实际节电率。

系统配置见图1。

图1 乳化液泵变频节能试验系统配置

2.2 控制策略

变频器接收到的泵站出口压力值是一个频繁变化的信号，若根据这个压力值进行通常的PID调节，变频器的频率会频繁剧烈变化，不利于系统稳定性，且在用液时响应速度慢，操作人员能感觉到延迟。因此在控制策略上采用了两级变频节能运行模式，即用液时50Hz运行、保压时低频运行。通过观察实际工况，最终设定如下：目标压力28 MPa、保压时最低频率30 Hz、比较时间2 s、延时时间5 min、起动（加速）时间10 s、停止（减速）时间30 s。

电机起动最大电流约110A，运行30～100A。保压时，不论50Hz或30 Hz，系统压力为22～30 MPa，周期约2 s。变频器起动50 Hz运行，检查到系统处于保压状态（当反馈压力值高于设定压力值时），延迟5 min后降低变频器输出频率至30 Hz，同时降低电动机的转速，使乳化泵站的输出液体减少，管网的压力下降，使系统的管网压力与设定压力基本平衡；系统压力2 s内未达到28 MPa，变频器输出频率可在4 s内由30 Hz加速至50 Hz，乳化泵站的输出液体增加，管网的压力升高，满足用液需求，没有明显延迟；调速过程未见明显电流冲击。满足使用现场的使用要求。

2.3 改造后的优点

采用变频控制后，乳化液泵站具有以下功能和优点[5,6]：

（1）变频起动电流小、起动速度平稳、起动性能可靠、对电网冲击小，减小起动时对设备的机械冲击，减少设备维护费用；

（2）根据压力传感器检测的信号，实现乳化液泵站压力自动控制，通过对系统参数的调整，可以实现系统的快速响应，缩短支护时间，提高支护安全性。变频器低频运行时系统耗能大大减低，实现节能和延长设备使用寿命；

（3）提高网侧功率因数。电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.8左右，实际运行功率因数远低于0.5。采用变频控制后，电源侧的功率因数可提高到0.7以上。

2.4 变频器的特点

变频器具有以下功能和优点[7,8]：

（1）具有应急工频旁路回路，工频/变频工作模式转换方便，在遇紧急情况时不会影响生产。

（2）核心功率器件及控制板全部采用原装进口，保证长期运行的可靠性和使用寿命。

（3）用薄膜电容代替铝电解电容器，提高了变频器的稳定性和寿命。

（4）采用先进的直接转矩控制（DTC），低频起动时可输出两倍额定转矩，重载起动特性好。

（5）利用PLC作为上位机，实现变频器核心的控制，具有完善强大的控制功能，提供简易的操作。

（6）允许电压波动范围大（实际工作中电网电压经常在1300VAC左右），适用于煤矿井下的供电状况。

（7）全系列内置输入滤波器、输入电抗器、输出滤波器，具有完备的EMC解决方案。最大限度地减少了变频器对电机及其它设备和系统的干扰，保证自身和相关系统的正常运行。

（8）具有电源缺相、负载缺相、短路、漏电闭锁、接地保护、过/欠压保护、通讯故障、超温、堵转、过流、主控板故障等完备的保护功能。

3 试验效果数据对比

3.1 用电量统计

自2018年11月1日，变频器投入运行。初期电度表箱出现故障，未进行数据记录，截至11月25日，工频运行共记录有效天数18天，实际运行168.35小时，平均小时耗电量93.51度 ；变频运行共记录有效天数14天，实际运行72.5小时，平均小时耗电量65.93度。数据统计见表1。

表1 工频与变频的运行时间、日耗电量、小时平均耗电量统计

3.2 工频、变频工作电流比较

变频节能主要是通过系统不用液时低频运行实现的，我们从检修班不用液的数据中提取出某一段时间的电流数据，绘制了电流曲线。图2为11月16日19点12分至19点20分，工频运行共8 min的电流曲线。图3为11月11日16点35分18秒至16点43分18秒，变频运行共8 min的电流曲线。

从数据及曲线中可以看出，变频控制时大部分时间为轻载运行，电流约为9A，压力增大至卸载阀动作时工作电流约为65A；工频轻载运行时电流约为42A，远大于变频轻载运行时的电流，压力增大后电流增大为60～94A，且电流变化频繁。

图2 磁力起动器驱动时的负载电流曲线

图3 变频器驱动时的负载电流曲线

4 节能效果分析

4.1 节电效果分析

从以上数据统计结果看，工频运行时的平均小时耗电量为93.51度，变频运行时的平均小时耗电量为65.93度。采用变频控制后，每小时节电为93.51-65.93=27.57 度；节 电 率 为（93.51-65.93）/93.51=29.49%；以每天实际运行18小时，全年工作330天计算，全年可节电：27.57×18×330=163765.8度；以每度电0.57 元计算，全年可节电费：163765.8×0.57=93346.5元。若变频运行的最低频率为25Hz，可推算节电率约为37%，全年可节约电费：11.7万元。若变频运行的最低频率为20Hz，可推算节电率约为44%，全年可节约电费：13.9万元。

4.2 机械冲击分析

从以上工频/变频运行电流数据比较分析可以看出：工频运行8 min，卸载阀动作124次，平均每分钟15.5次。变频运行32 min，卸载阀动作101次，平均每分钟3.16次。采用变频控制后，卸载阀每分钟的动作次数降低了5倍，卸载阀的寿命取决于其动作次数，可以认为其寿命也会相应提高5倍。

4.3 经济效果分析

根据相关煤机企业价格信息，磁力启动器价格为4200元/台，变频器价格为30万元/台，二者差价为29.58万元/台。根据节电效果分析，预计2.16年可以收回购置变频器成本。

5 结语

通过现场应用分析，乳化液泵站采用变频控制后，不仅能够满足现场使用需求，实现了节能降耗的目的，还可以减少机械磨损，提高设备使用寿命，从而增强乳化液泵站运行的安全性、可靠性和稳定性。此外，变频控制设备经济技术效果良好，对于全矿井范围内进行推广应用具有积极的经济技术价值。