乳化液泵站地面集中自动控制系统.doc

牛马司矿业有限公司 乳化液泵站地面集中自动控制系统 设 计 方 案 湖南煤业集团牛马司矿业有限公司 广州川齐自动化系统集成有限公司 2008年7月 一、概述 目前，我国矿山井下采区采用单体液压支柱支护的工作面，现在是设置分散型专用乳化泵供液，一个工作面配备一个泵站，一个泵站配备两台乳化泵和一台乳化液箱（简称两泵一箱）、或一个泵站配备一台乳化泵和一台乳化液箱（简称一泵一箱）。这种配置形式存在如下问题 1、泵站设置在靠近作业点的地方，煤尘或粉尘污染严重，且有淋水、滴水侵蚀，使用环境差，对设备有严格的防爆、防尘、防潮等性能要求，设备散热困难、故障率高、使用寿命短，且维修困难；受周边环境的影响（声音、视线、爆破等）在运行中出现问题不能及时发现处理，导致故障扩大，甚至使设备报废，严重影响作业区的安全生产。 2、泵站分布在井下各工作面，台数多，一个泵站每个班设一名操作人员，设备和人员的利用率低，增加了泵站设备和操作人员的管理难度和采煤成本。 3、泵站的供液能力是按工作面各作业点同时作业时所需的最大流量配置的，而各作业点使用乳化液为不连续作业方式，各作业点不同步，乳化泵按最大流量供液的几率为零，为保证各作业点支护作业时及时供液，设备不得不长时间连续运行，浪费大量电能。在不用乳化液时，乳化液在乳化泵和乳化箱之间循环，大量的电能转化成了乳化液的温升，乳化液温度高，供液质量下降，而且影响乳化泵寿命。 4、不能保证乳化液的质量，影响乳化泵和液压支柱的性能、缩短其使用寿命，影响安全生产，甚至发生人身伤亡事故。液压支柱是要求表面加工精度、密封性能非常高的设备，对乳化液的要求也很高，一般要求乳化液无杂质、无硬质颗粒、酸碱度正常、浓度在3～8。而矿山井下由于受供水能力的限制，没有合适的水源，往往是直接采用井下污水向乳化泵供水，井下污水中含有大量的杂质和硬质颗粒；由于没有连续的计量装置，不能准确地按比例加入乳化剂来保证乳化液浓度；这样就造成乳化泵和液压支柱内腔锈蚀，支柱表面划伤、密封性能下降、承压能力下降，缩短了设备的使用寿命。 从2006年7月份开始，我公司相继在湖南省煤业集团白山坪矿业有限公司的白山坪矿、磨田矿和街洞矿业有限公司的茶盘岭、茶山岭矿，红卫矿业有限公司的坦家冲矿，宝源矿业有限公司的南平峒矿、北平峒矿，建立地面乳化泵站集中供液系统，有效解决以上问题，而且利用地面乳化泵站安装地点与井下支柱供液地点之高差形成的压力差，可以大大降低泵站的输出压力，节约电能，大大减少乳化液泵和管路的维修量。同时减少了井下的油泥积水,文明生产大为改观。 二、方案设计 地面乳化泵站集中供液系统由五单元组成见控制框图 1、乳化泵站单元乳化泵、 乳化箱 2、电气控制单元变频器、恒压自动控制系统、控制软件 3、自动配液单元电磁阀、液位传感器，流量计，乳化液浓度检测仪。 4、自动控制单元PLC、触摸屏、控制软件。 5、输液管路。 乳化泵站设在井口附近。每个泵站选用2台或多台RB系列柱塞泵，一用一备或多用多备。为了便于管路控制，在管网的分叉处设置控制闸阀；为了解决各用液地点对压力不同的要求，在管网分支管路上可设置单向减压阀。乳化泵的电控采用目前先进的变频调速技术，配合系统中设置的高灵敏度压力传感器、流量计、PLC控制软件，实现乳化泵的闭环控制，从而泵站以设定的恒定压力向井下各采面供液。为了控制乳化箱中的乳化液量和浓度，利用系统中设置的高灵敏度液位传感器、电磁阀配合，自动按比例向乳化箱中加入乳化油和清水，实现对乳化液量及浓度的自动控制。 供液管网主管采用2英寸无缝钢管将乳化液输送到水平运输大巷,在大巷峒室设置一个储液罐，再采用1英寸无缝钢管作支管从储液罐将乳化液输送到各采面上下安全出口，然后用高压胶管将乳化液输送到采煤工作面。 储液罐的压力设定以满足上山采区压力为参数，下山采区的压力通过减压阀减压的方式实现压力恒定。 所有管路采用无缝钢管、配用快速接头连接（南阳煤业有限公司三个矿，宝源矿业公司两个矿，红卫矿业公司坦家冲矿均采用这方案），巷道转弯处采用高压软管连接，安装方便快捷，一旦需要更换时，一个接口的更换时间不超过15分钟。 其管路布置示意图如下 三、牛马司公司乳化泵站地面集中控制系统的最优化配置 考虑到乳化液泵站供液的高可靠性，结合我们以往在其它单位同类设备的经验，采用一用一备、机械和电器设备一控一的控制方式，最为可靠，投资性价比最高。 1、乳化泵站集中供液系统标准配置（一用一备） 序号 名 称 型号规格 主要参数 数量 生产厂家 一 乳化液泵站 1 乳 化 泵 RB-200/80 P20 MpaQ80 l/min 2台 用户自备 2 乳 化 箱 X640型 V640L 1台 用户自备 二 集中控制系统（CQZN-RK-20一控二） 1 变频调速单元 CIMR-G7B4037 37KW/380V 2台 日本安川电机株式会社 2 恒压控制单元 CQZN-GP-10 20MPa 2套 广州川齐自动化系统 集成有限公司 3 自动配液单元 1m3/min 乳化液浓度3～8 2套 4 自动控制单元 CQZN-KP-20 2套 三 供液管路 1 下井主管路 2英寸 壁厚5，承压25MPa 适配 用户自备 2 采区管路 1英寸 壁厚4,承压25MPa 适配 用户自备 3 接头 2英寸 承压25MPa 适配 用户自备 4 接头 1英寸 承压25MPa 适配 用户自备 5 阀门开关 2英寸 承压25MPa 适配 用户自备 6 阀门开关 1英寸 承压25MPa 适配 用户自备 7 减压阀 1英寸，25MPa 承压25MPa 适配 用户自备 8 储液罐 1M3 承压25MPa 1个 用户自备 9 高压软管 1英寸、2英寸 承压25MPa 适配 用户自备 四 泵站机房 40m2 防雨防盗 间 用户自备 四、设计计算 1、乳化泵、管路管径及自动控制设备的选择 ①、乳化液泵选用RB-200/80的乳化泵，电机型号YB225S-4，电机功率为37KW/380V。该型号乳化泵是定型产品，性能稳定可靠，便于维护保养与配件更换。站泵设四泵两箱，两套一控二的集中自动控制系统，以发挥主要设备的最大备用功能。 ②、供液管路下井主管路选用内径为2英寸，采区管路选用内径为1英寸，巷道转弯处采用高压软管，采煤工作面用现有的高压胶管。 ③、储液罐容积为1m3，承压能力为25MPa，委托有压力容器加工能力的厂家生产。 ④、自动控制设备由广州川齐自动化系统集成有限公司提供成熟的成套设备和技术。 由变频调速、自动恒压、自动配液、自动控制四个子系统组成。工作泵和备用泵的投入采用自动投入（也可人工投入）进行转换。 2、管路过流能力校核 为了保证井下各工作面有足够的乳化液进行升柱作业，避免乳化液供应不足工作面升柱时间过长而影响生产、安全，必须对管路的过流能力进行校核。验算步骤按以下进行 ①、计算管路中单位时间过流能力 Q60πr2Vl/min ②、计算单位时间内的升柱根数 nQ/πr2h 80/3.140.526 16.98根/min 式中 r-支柱缸体半径 r0.5dm h-支柱活柱行程h6 dm取各种型号支柱的平均活塞行程 ③、计算每小时升柱根数 N60n6016.981019.10根 ④、验算每小班升柱时间 tΣn/Nh3h 按矿井下工作面最大长度300米计算，一排基本支柱为3000.7428根，每小班最大支护量为一排基本支柱二排密柱，小计每个工作面小班支护支柱最大量为42831284；超前支护、补充倒柱总量估算120根，总计每小班支护支柱最大量为 1404根。 tΣn/Nh 1404/1019.10 1.37h 3h,满足要求 ⑤、验算主管路内径 Q60πr2Vl/min RB-200/80型的乳化泵每分钟可升柱数量为17根，乳化液泵的额定流量为80 l/min，主管路外径为53mm，内径为43 mm，壁厚为5 mm，则流速 VQ/60πr29m/s 满足高压供液管路液体流速3m/s～20m/s的经济流速要求 ⑥、验算支管路内径 按目前成功应用的控制系统计算，每个乳化液泵站同时供三个采煤工作面，每个工作面的升柱数量为6根/分钟，所需的乳化液流量为28 l/min，支管路外径为25mm，内径为17 mm，壁厚为4 mm，则流速 VQ/20πr26.6m/s 满足高压供液管路液体流速3m/s～20m/s的经济流速要求。 五、乳化泵地面集中控制系统的实现的主要功能和控制原理 （一）、系统总体功能 A、控制乳化液泵的起动、运行、停机，按现场所需的供液量自动调节乳化泵的电机转速，实现恒压和节能运转； B、管网压力自动恒定功能按现场作业要求，恒定管网压力在设定的范围内； C、自动配液功能按现场乳化液浓度的要求，自动配置乳化液。 D、自动开停机功能按现场乳化液使用的作业时间，自动开起和停止乳化液泵站的运转，实现无人操作； E、人机界面用户可在触摸屏界面窗口，通过操作口令修改和设定管网压力、开停机时间、开停机流量等参数。 （二）、控制原理 A、变频调速原理变频器接收到PLC传输过来的开停机信号后，自动起动或停止乳化泵电机运转；运行过程中接收到PLC传输过来的控制信号后，按信号量的大小，自动调整输出频率，实现控制电动机转速的功能；同时在变频器操作键盘上通过切换操作，显示频率、电机转速、电流、电压、功率等参数，显示故障代码、故障历史记录。 B、恒压自动控制原理乳化泵的电机采用变频器控制，供液管网采用压力闭环控制。压力变送器采集到的压力信号，经PLC中的CPU在线计算后，转变为420mA的电流信号反馈值，输入至变频器的给定端，控制变频器的输出频率，调节压缩机电机的转速，自动实现节能运行，从而使被控系统液压基本保持恒定。 C、自动配液控制原理 ①液位传感器采集到的乳化箱液位信号传输到PLC，PLC按设定的程序发出执行信号。当液位到达设定的最高位时，配液系统停止运行；当液位到达设定的最低位时，配液系统投入运行。 ②PLC程序根据用户对乳化液浓度的要求，设定参数，自动控制水流量和乳化液流量。 D、自动开停机的控制原理采用作业时间和用液量大小进行双向控制，以发挥最大节能功能，达到最好的节能效果。 PLC根据现场使用的实际时间设定时钟程序，输入到变频器，当现场作业需要使用乳化液时，供液系统起动；当现场作业停止时，供液系统停止运行。 PLC根据现场流量设定开停机参数，输入到变频器，当现场作业不需要使用乳化液时，供液系统停止；当现场作业需要乳化液时，供液系统起动运行。实现无人值守。 六、地面自动控制系统的明细报价 序号 名 称 型 号 规 格 单位 数量 单价 总价 生产厂商 一 电气与自动控制部分（湘煤集团宝源矿业公司中标价、部分配置有优化） 1 变频柜 CIMR-G7B4037 台 2 43600 87200 日本安川 2 自动控制柜 CQZN-RK-20 台 2 75200 150400 广州川齐 3 高压减压阀 16～10 MPa 只 2 7120 14240 上海高川 4 流量电磁阀 DJ-L20/AC220V 台 2 530 1060 备用件 5 流量电磁阀 ZQ22JD2-L3.2/AC220V 台 2 330 660 备用件 6 压力传感器 Trafag8498 个 2 2880 5760 备用件 7 24V电源 HF-100W-S-24 个 2 860 1720 备用件 8 中间继电器 K22 只 20 18 360 备用件 10 小 计 261400 二 管路与机房 1 管路、接头、阀门 适 配 路 1 220000 220000 用户自备 2 储液罐 1m3 25MPa（可选件） 个 1 30000 30000 参考价 3 机 房 40m2 间 1 20000 20000 用户自备 4 小 计 270000 三 总 价 530000 八、主要操作界面 A、运行界面 B、参数设定界面 C、参数值输入界面 D、密码与保护界面 九、设备成套 1、CIMR-G7A4045变频柜为外形尺寸高宽厚2200600600，冷轧板标准柜、颜色为计算机灰，2台； 2、1套恒压自动控制系统、PLC自动控制系统，组合成一台柜，外形尺寸高宽厚2200600600，冷轧板标准柜、颜色为计算机灰，2台。 3、自动配液单元安装在乳化箱上方，现场配做。 十、经济效益分析与投资回报（仅供参考） 1、分散供液时的用电量与电费情况 根据我公司对湖南煤业集团白山坪矿乳化液泵站的用电量实测，情况如下 供液压力为8MPa时，单台电机的实际平均用电量为480kwh/天，电费单价为0.53元/kwh；全矿有三个工作面，三个乳化液泵站，每年用电量为 W13480360518400 kwh 电费5184000.53274750元 2、采用地面集中控制系统后的用电量与电费情况 供液压力为8MPa时，单个泵站的实际平均用电量为310kwh/天，电费单价为0.53元/kwh；全矿一个乳化液泵站可同时供三个工作面，每年用电量为 W1310360111600 kwh 电费1116000.5359150元 采用地面集中控制系统，年节省电费215600元； 3、设备租赁费用情况 乳化液泵租赁费用为72元/台-天，三个工作面需租用三台，年租赁费用为78840元；采用地面集中控制系统，三个工作面只需租用一台，年租赁费用为26280元，年节省租赁费52560元。 4、司泵人员工资 采用地面集中控制系统前，每个泵站需三个司机，三个工作面需9个司机，按人平工资18000元/年计算，年工资为162000元；采用地面集中控制系统后，可实现无人操作，年节省工人工资162000元。 5、维修费用采用地面集中控制系统前，因乳化泵安装地点压力差、设备更新、大修、维护、修理间接费用大约每台每年可节约资金1万元，三台共需3万元。采用地面集中控制系统后，几乎免维护。 6、总经济效益与投资回报 每个矿年节省电费为215600元、租赁费52560元、工人工资162000元、维修费3万元，共计460000元。按集中供液系统（含管路、机房）投资58万元计算，14个月就可收回全部投资。收回投资后，每年可带来46万元的直接经济效益。 牛马司公司与白山坪公司相比，产量高，使用单体液压支柱面广，效益更好。 十一、已推广使用乳化液泵地面集中自动控制系统的单位 序号 用户单位 所在地市 主要配置、竣工日期、效果 联 系 人 1 白山坪矿业有限公司白山坪矿 湖南省 耒阳市 配置1套变频调速系统、1套恒压自动控制系统、1套自动配液系统、1套日本三菱PLC自动控制控制系统，主电机功率为37KW、2006年7月竣工。 赵志旗，机电部长 13974771324 0734-4714006 2 白山坪矿业有限公司磨田矿 湖南省 耒阳市 配置1套变频调速系统、1套恒压自动控制系统、1套自动配液系统、1套日本三菱PLC自动控制控制系统，主电机功率为37KW、2006年7月竣工。 赵志旗，机电部长 13974771324 0734-4714006 3 街洞矿业有限公司茶山岭矿 湖南省郴州市栖凤渡镇 配置1套变频调速系统、1套恒压自动控制系统、1套自动配液系统、1套日本三菱PLC自动控制控制系统，主电机功率为37KW、2007年10月竣工。 黎志紧，机电部长 13762518959 0735-7495026 4 街洞矿业有限公司茶盘岭矿 湖南省郴州市栖凤渡镇 配置1套变频调速系统、1套恒压自动控制系统、1套自动配液系统、1套日本三菱PLC自动控制控制系统，主电机功率为37KW、2007年10月竣工。 黎志紧，机电部长 13762518959 0735-7495026 5 红卫矿业有限公司坦家冲矿 湖南省 耒阳市 配置1套变频调速系统、1套恒压自动控制系统、1套自动配液系统、1套日本三菱PLC自动控制控制系统，主电机功率为37KW、2007年12月竣工。 黄建华，机电部长 13762452171 6 宝源矿业有限公司南平峒矿 湖南省资兴市三都镇 配置1套变频调速系统、1套恒压自动控制系统、1套自动配液系统、1套日本三菱PLC自动控制控制系统，采用一控二的控制方式，主电机功率为37KW、2008年5月竣工。 薛日新，机电部长 13808445347 0735-3428154 7 宝源矿业有限公司北平峒矿 湖南省资兴市三都镇 配置1套变频调速系统、1套恒压自动控制系统、1套自动配液系统、1套日本三菱PLC自动控制控制系统，采用一控二的控制方式，主电机功率为37KW、2008年5月竣工。 薛日新，机电部长 13808445347 0735-3428154 十二、技术服务承诺 1、设备质量承诺 我们提供的设备及安装质量完全满足中华人民共和国国家质量标准及现行规范要求，并进行验收。工期决不顺延。保证提供的进口设备、部件和材料均为制造厂原装产品。 因此，我公司承诺提供给贵司的设备是原装进口全新的产品，设备运至现场后不经解体检查便能可靠运行。 2、交货期承诺 本公司是实力雄厚设备及系统集成公司，与国内外生产商均保持良好的合作关系和良好的商业信信誉，因此，我公司承诺若中标，保证按合同签订的日期内交货。 3、售后服务承诺 1、 免费为需方培训操作维修人员3-4名，采用理论与实际相结合的方式，主要培训以下内容设备结构原理、电气原理、控制原理，安装、使用及维修保养知识，其它必备的知识。 2、 负责进行安装指导和系统调试。在调试期间因供货方原因所损坏的备件由供方自行负责补上。 3、 为保证产品质量及售后服务, 在质量保证期内扣留合同总价的5作为质保金。 4、 供方对其供货的设备质量负责并实行三包,选择优质产品并保证主机设备运行正常。 5、 设备质量保证期为设备正常运行的12个月。如在质保期内发生重大问题,则以处理完问题后投入正常运行时再延期12个月。 6、 质量保证期内如发现质量问题, 在接到需方通知8小时内给予答复,24小时到达现场。如属于供方的责任, 我方负责修复, 更换或退货, 并承担由此发生的一切费用；如因需方使用不当造成的问题, 我方积极配合解决,费用由需方负担, 进口设备的修复或更换时间最长不超过15天。质量保证期内供方在收到需方通知8小时内没有答复,则视为供方承认质量问题, 需方有权进行自行处理, 供方承担由此而发生的一切费用。 7、 系统运行期间，不定期的电话寻访与接受咨询，以确保系统在运行过程中保持良好的运行状态。 8、 保质期后，长期提供技术服务和技术支持，以成本价提供零配件。 4、培训计划 我公司热情为使用本公司自动控制系统的用户免费提供操作人员、技术人员、维修人员培训服务。由公司委派从事自动控制系统设计及运行维修的专业工程师担任主讲，并在安装现场机房进行现场操作和答辩。培训时间约为8小时，培训内容分四大部分 第一部分“变频调速柜、自动控制柜的结构与原理”讲解本系统主要部件结构特点、原理和作用。 第二部分“电控原理图” 讲解本变频调速系统和自动控制系统的控制原理、作用特点及安全保护控制功能的电控原理。 第三部分“安全操作规程”讲解本系统的安全操作顺序、运行中的注意事项、设备的日常维护与保养。 第四部分“常见事故、故障原因分析及其处理”讲解本系统常见故障的原因及处理。 16