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礦井乳化液地面集中供液系統及應用前景分析

一、概述?       乳化液壓系統以其安全性能好、傳輸功率大、傳輸距離遠、介質(zhì)成本低、使用安全可靠等優(yōu)點(diǎn)已被煤礦及各類(lèi)非煤礦山普遍用作綜采支架和單體液壓支柱的液壓源,而且,隨著(zhù)礦山其他新型液壓裝備(如液壓鑿巖臺車(chē)、液壓裝載機、液壓鉆機、液壓操車(chē)系統、巷道液壓支架等)的推廣應用,它將如供電系統、壓風(fēng)系統一樣,成為礦井又一主要動(dòng)力源,其應用前景十分廣闊。目前,

一、概述?
       乳化液壓系統以其安全性能好、傳輸功率大、傳輸距離遠、介質(zhì)成本低、使用安全可靠等優(yōu)點(diǎn)已被煤礦及各類(lèi)非煤礦山普遍用作綜采支架和單體液壓支柱的液壓源,而且,隨著(zhù)礦山其他新型液壓裝備(如液壓鑿巖臺車(chē)、液壓裝載機、液壓鉆機、液壓操車(chē)系統、巷道液壓支架等)的推廣應用,它將如供電系統、壓風(fēng)系統一樣,成為礦井又一主要動(dòng)力源,其應用前景十分廣闊。目前,大多數礦井仍然采用傳統的“一面一站”分散式供液方式,即在每個(gè)采面設置一個(gè)乳化泵站,每個(gè)站配置“兩泵一箱”,通過(guò)供回液管路連通工作面液壓支護設備,形成獨立的供液系統。實(shí)踐證明,這種供液方式存在使用設備多、設備運行環(huán)境差、設備耗電多、對泵站維護管理困難等弊端。為克服這些弊端,近幾年,國內部分設備廠(chǎng)家和煤礦探索采用地面集中供液技術(shù),并研制出配套產(chǎn)品—“地面集中供液自動(dòng)控制系統”,經(jīng)現場(chǎng)使用,取得了很好的應用效果。目前,該項技術(shù)已在湖南、貴州各煤礦得到廣泛推廣應用,被使用單位譽(yù)為礦山最節能和最實(shí)用的新型技術(shù)。?

二、地面集中供液技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢?
       地面集中供液技術(shù)的顯著(zhù)特點(diǎn)是“以地面泵站代替井下泵站”和“以一個(gè)泵站代替多個(gè)泵站”。乳化泵站設置在礦井井口工業(yè)廣場(chǎng),泵站安裝2臺乳化泵(一用一備),配套安裝向井下供液的供回液管路,泵站通過(guò)供回液管路與井下各采煤工作面用液設備連通。乳化泵將乳化液加壓后通過(guò)供液管路送至井下各用液設備,低壓乳化液(回液)則通過(guò)輔助加壓裝置及回液管路回收至地面乳化泵站,形成閉式循環(huán)系統。泵站的自動(dòng)配液系統根據井下用液損失量的多少,將乳化油與水按比例配制成乳化液,自動(dòng)向供液系統補充乳化液。?
與分散式供液方式比較,地面集中供液方式主要具有以下顯著(zhù)特點(diǎn)和優(yōu)勢:?1.利用各工作面支護設備為間隙性用液特點(diǎn)和大系統供液的流量、壓力的均衡作用,全礦井僅需運行一臺乳化泵就能滿(mǎn)足各工作面用液,且乳化泵的單機容量與原分散式供液系統單機容量基本相等,這樣就大大地減少了全礦井乳化泵安裝臺數和運行臺數(一般情況下可減至原來(lái)的50%以下),節約了設備初期投資,降低了運行成本。?
2.泵站采用了變頻和自動(dòng)控制技術(shù),實(shí)現了“按需供液”和“恒壓供液”,消除了乳化泵的空載和半空載運行狀態(tài),乳化泵一般以0~10HZ的極低轉速運行就能滿(mǎn)足供液要求,其機械、電氣沖擊和機械磨損大大減少,故障率降低,其使用壽命提高6~10倍,系統的綜合節電率達到80%以上。?
3.實(shí)現了自動(dòng)配液,提高了乳化液質(zhì)量。自動(dòng)配液系統可根據所需要的濃度和用液量進(jìn)行自動(dòng)配液,克服了人工手動(dòng)配液存在的濃度控制不準確、不均勻和產(chǎn)生油水浪費現象。同時(shí),在地面進(jìn)行集中配液,其水質(zhì)可得到保證,這對保護支護設備和供液設備本身十分有利,設備的大修理周期和使用壽命可延長(cháng)1~3倍。?
4.乳化泵站安裝在地面,采用一般型設備就能滿(mǎn)足要求,降低了設備初期投入成本。同時(shí),地面泵站的安裝和維護保養十分方便,設備運行環(huán)境好,提高了設備運行可靠性,降低了設備安裝和運行管理成本。?
5.實(shí)現了乳化泵全自動(dòng)控制,不需要設專(zhuān)人職守,減少了礦井輔助用工,降低了人員和設備安全事故發(fā)生幾率。?
6.為礦井高效生產(chǎn)創(chuàng )造了條件。主要體現在以下方面:?
(1)集中供液利用“大系統”供液的均衡作用,并通過(guò)采取對供液系統壓力進(jìn)行閉環(huán)控制和加裝蓄能裝置等措施,保證了供液壓力恒定,使支護設備初撐力穩定,有利于工作面頂板管理。?
(2)礦井需要增加或改變用液地點(diǎn)時(shí),只需將供液管連通即可,避免了供液系統的拆裝和搬運,簡(jiǎn)化了工作流程,節省了人力物力,提高了工作效率。?
(3)避免了乳化泵站運行時(shí)產(chǎn)生的油污、熱量、噪音和廢氣對井下環(huán)境的影響,改善了礦井文明生產(chǎn)條件。?
7.乳化泵站自動(dòng)化控制系統可納入礦井集中控制中心進(jìn)行集中監控,為提高礦井自動(dòng)化水平創(chuàng )造了條件。?
三、節電原理及效果分析?
       采用集中供液能夠獲得顯著(zhù)的節能效果,主要在于兩個(gè)方面:一是乳化泵運行臺數和容量?jì)H為原分散式供液方式的幾分之一,故其用電量也降為原來(lái)的幾分之一;二是加裝變頻自動(dòng)控制后,消除了乳化泵空載或半空載運行,提高了乳化泵的運行效率,與工頻運行比較,再節電70%。下面通過(guò)一實(shí)例計算來(lái)說(shuō)明其節電原理:?
某煤礦為年產(chǎn)60萬(wàn)噸的礦井,正常有2個(gè)綜采工作面生產(chǎn),原采用分散式供液系統,在井下設置了兩個(gè)乳化供液泵站,每個(gè)泵站安裝BRW200/31.5型乳化泵2臺(一用一備),單臺電機功率為125KW。2012年,該礦將井下供液系統升級改造為地面集中供液系統。改造后,地面泵站安裝BRW200/31.5型乳化泵2臺(一用一備)。項目共投入改造資金180萬(wàn)元。節電情況分析如下:?
1.原有2個(gè)分散式供液系統的用電量情況?
????根據煤礦作業(yè)的特點(diǎn),綜采工作面乳化泵每小班運行時(shí)間一般為7小時(shí),其中乳化泵的實(shí)際滿(mǎn)負荷運行時(shí)間不到1小時(shí),空載運行時(shí)間達6個(gè)多小時(shí)。用電量計算如下:?
(1)乳化泵空載運行時(shí)的用電量可按下式進(jìn)行計算:?W1=kn1tN1T(kwh)?
式中:W1-乳化泵空載運行時(shí)消耗的電量kwh;?
?????k-乳化泵空載運行時(shí)的負荷率,根據實(shí)際測定為k=0.6;??????n1-每天作業(yè)小班數,n1=3;?
?????t-乳化泵每小班空運行時(shí)間,t=7-1=6h;?
?????N1-分散式供液方式運行乳化泵電機額定總功率,N1=250kw;??????T-乳化泵年工作天數,T=330;?
將以上數據代入上式得空載用電量:?W1=0.6×3×6×330×250=891000(kwh)?
(2)乳化泵滿(mǎn)負荷運行時(shí)的用電量按下式進(jìn)行計算:?W2=K1n1t1TN1?(kwh)?
式中:?W2-乳化泵滿(mǎn)載運行時(shí)消耗的電量kwh;?
K1-電機滿(mǎn)載運行負荷率,取K1=0.85;??????t1-乳化泵工作運行時(shí)間t1=1h;?
其他符號同前。?將數據代入得:W2=0.85×3×1×330×250=210375(kwh)?(3)年總用電量?
W=W1+W2=891000+?210375=1101375(kwh)?2.采用集中供液方式后的用電情況?
???采用集中供液方式后,全礦井僅運行1臺乳化泵,其功率為125KW。由于實(shí)現了“按需供液”,?乳化泵在井下不用液時(shí)不會(huì )運轉,即無(wú)空和半空載運行損耗。根據實(shí)際測試,乳化泵運行的平均負荷率為0.2以下(這里取0.2)。其年用電量按下式計算:?
W3=k2n1t2TN2(kw)?
式中:W3-采用集中供液后,乳化泵年消耗電能kwh;???K2-乳化泵的平均負荷率,經(jīng)測定為0.2以下;?
t2-乳化泵每小班運行時(shí)間,t=7h;?N2-集中供液運行乳化泵功率,N2=125kw;????其他符號同前。?
將以上數據代入得:?
W3=0.2×3×7×330×125=173250(kwh)?3.年節約電量及節電率?年節電量為:?
ΔW=W-W3=1101375-173250=928125(kwh)?節電率為:?
ξ=ΔW/?W=928125/1101375=84.3%?四、應用現狀?
2002年,湖南省白沙礦務(wù)局機電技術(shù)人員為解決井下分散式供液存在的弊端,在進(jìn)行了大量探索和研究基礎上,首次提出將井下分散式供液系統改為地面集中供液的方案,并在湖南省白山坪煤礦建成了我國第一個(gè)地面集中供液系統。該系統經(jīng)過(guò)逐步完善和改進(jìn),達到了比較理想的應用效果。此項技術(shù)得到了國家和湖南省煤炭行業(yè)相關(guān)領(lǐng)導的肯定和重視,并于2003年獲得了國家技術(shù)應用專(zhuān)利證書(shū)。十多年來(lái),該項技術(shù)在湖南、貴州等省各煤礦得到了逐步推廣應用。由于初期開(kāi)發(fā)的技術(shù)和產(chǎn)品未能解決乳化液的回收循環(huán)使用、超高壓乳化液遠距離輸送和乳化液自動(dòng)配液等問(wèn)題,故僅用于對單體液壓支柱工作面供液,其應用范圍受到了限制。隨著(zhù)煤礦采掘機械化的發(fā)展,目前,大多數煤礦特別是大中型煤礦以綜采工藝為主,因此,研究解決適用于綜采或綜普采混合型礦井的集中供液系統(下簡(jiǎn)稱(chēng)“綜合集中供液系統”)是重點(diǎn)和發(fā)展方向。2009年以來(lái),湖南星奧信息技術(shù)有限公司與湘煤集團進(jìn)行技術(shù)合作,對煤礦集中供液存在的技術(shù)難題進(jìn)行了攻關(guān),取得了重點(diǎn)突破,成功解決了低壓乳化液回收利用、高壓乳化液遠距離輸送和乳化液自動(dòng)配液等難題,并率先在貴州的義忠、神仙坡、晉家沖等煤礦建成了地面綜合集中供液系統,取得了很好的應用效果,為在煤礦全面推廣應用該項技術(shù)提供了經(jīng)驗。目前,該項技術(shù)已在貴州省各煤礦得到迅速推廣使用。?
隨著(zhù)這項技術(shù)的成熟和在煤礦推廣應用的范圍擴大,部分非煤礦山借鑒煤礦經(jīng)驗,探索該項技術(shù)在非煤礦山的應用途徑。湖北省恩施州的磺廠(chǎng)坪礦業(yè)公司率先引進(jìn)該項技術(shù),在該公司所屬磺廠(chǎng)坪硫鐵礦建立地面集中供液系統。該礦為中型礦井,最多時(shí)達10個(gè)工作面同時(shí)生產(chǎn),若采用分散式供液方式,則需在井下建10個(gè)乳化泵站同時(shí)供液,運行設備容量達370Kw。實(shí)現地面集中供液后,由1個(gè)泵站供液,僅運行一臺乳化泵,電機功率為55Kw,每年節電達97萬(wàn)Kwh。由此可見(jiàn),該項技術(shù)在非煤礦山同樣獲得十分顯著(zhù)的應用效果。?五、必須糾正幾個(gè)認識上的誤區或偏差?
在推廣應用該項技術(shù)的過(guò)程中,往往存在著(zhù)以下認識上的誤區或偏差,筆者在此進(jìn)行分析和說(shuō)明:?

問(wèn)題一:對于老礦井而言,其開(kāi)采范圍大,供液距離遠,需鋪設的管路長(cháng),則一次性投入成本會(huì )過(guò)高,且日后管路維護量大。?
分析和說(shuō)明:目前,大多數老礦井開(kāi)采半徑達到數千米,深度達數百米甚至超過(guò)1千米,供液管路的鋪設長(cháng)度固然較長(cháng),但這一因素并不對實(shí)現集中供液帶來(lái)大的影響。因為工作面支護設備為間隙性用液,用液量并不多,而液壓管路中供液壓力至少在10兆帕以上,因而供液管路采用小管徑鋼管就能滿(mǎn)足使用要求。一般情況下,一個(gè)年產(chǎn)200萬(wàn)噸級的礦井,所先主管路管徑(外徑)不會(huì )超過(guò)60mm。另外,供液管路采用礦用K型快速接頭連接,其拆、裝、運均十分方便,連接十分可靠,基本不發(fā)生漏液現象。經(jīng)理論計算和現場(chǎng)使用情況統計,供液管路使用壽命至少在20年以上,安裝每米管路的總價(jià)不超過(guò)50元,整個(gè)管路系統投入在50萬(wàn)元左右,管路基本上免維護,與采用分散式供液比較,是一個(gè)真正意義上的“一勞永逸”項目。?


問(wèn)題二:在進(jìn)行遠距離供液時(shí),乳化液壓降一定很大,將使支架的初撐力下降。?
分析和說(shuō)明:工作面支護作業(yè)時(shí)均為間隙性用液,其用液量并不大,在流過(guò)管路流量不大的情況下,則管路損失也就不大,相對于所輸送的高壓乳化液壓力來(lái)說(shuō),其損失基本可以忽略。同時(shí),根據連通器原理,在支架活柱伸出,其頂端接觸到頂板巖石后,供液系統流量即等于零,其供液系統壓力立即回升到設定壓力,因此,不存在管路壓力降的問(wèn)題。事實(shí)上,乳化供液系統中供液管徑選擇的大小僅影響支架活柱的升降速度,而與供液距離的遠近和壓力損失無(wú)關(guān)。實(shí)際中,供液管路長(cháng)度一般可達10Km以上。?

問(wèn)題三:在供液距離遠,泵站與工作面綜采支架高差大的情況下,不能實(shí)現回液,且在回液時(shí)使綜采支架動(dòng)作受干擾。?
分析和說(shuō)明:對綜采工作面,主要采用鋪設回液管路的方式進(jìn)行回液(單體液壓支柱支護時(shí)不進(jìn)行回液)。當礦井垂直深度超過(guò)200m時(shí),如果單獨采用回液管自然回液的方式,將造成回液管路中背壓過(guò)大而影響支架的動(dòng)作,必須在回液管路中加裝“回液加壓裝置”,將回液通過(guò)加壓裝置排至地面泵站乳化箱,消除了回液管中的背壓,不會(huì )影響支架各部分動(dòng)作。?

問(wèn)題四:在既有綜采又有普采的礦井中,各工作面所需壓力是不同的,集中供液將不能兼顧各工作面壓力。?
分析和說(shuō)明:集中供液時(shí),泵站的出口壓力是按滿(mǎn)足井下所需最高壓力用液點(diǎn)條件設定的,當某一用液點(diǎn)需要較低的壓力時(shí),則在相應供液各支管上安裝壓力調節裝置,將支管壓力調節為該用液點(diǎn)所需壓力,保證各用液點(diǎn)的壓力均滿(mǎn)足使用要求。?六、應用前景分析?
該項技術(shù)具有以下推廣應用條件:一是具有極其廣闊的適用范圍。該項技術(shù)不僅適用于煤礦,也適用于各種非煤礦山,不僅適用于采用普采工藝的礦井,也適用于綜采和綜普采混合型礦井。據統計,全國井工礦井有幾萬(wàn)多個(gè),為其提供了極其廣闊的應用天地。?
二是其突出的實(shí)用效果決定其具有很高的推廣價(jià)值,將受到廣大礦山企業(yè)的青睞。采用該項技術(shù),單個(gè)礦井年節電量達幾十至幾千萬(wàn)Kwh,年節約設備的購置和運行費達數萬(wàn)至數百萬(wàn)元,將成為礦山最有效的節能降耗項目。?
三是項目符合國家節能減排大環(huán)境。國家節能減排“十二五”規劃是要求礦山企業(yè)在2011年~2015年內實(shí)現比2010年能耗下降21%,并要求“對電機系統實(shí)施變頻調速、永磁調速、無(wú)功補償等節能改造,優(yōu)化系統運行和控制,提高系統整體運行效率”。實(shí)現礦井集中供液是落實(shí)國家節能減排政策和要求的具體體現。目前,該項技術(shù)已得到國家煤炭協(xié)會(huì )節能辦的關(guān)切和重視,將重點(diǎn)推介為煤礦節能新型技術(shù)。?
四是順應了礦山機械化、液壓化的發(fā)展方向。目前,液壓系統正大量應用于礦山,除常用的綜采液壓支架(含滑移支架)、單體液壓支柱外,液壓鑿巖臺車(chē)、液壓裝載機、液壓鉆機、液壓操車(chē)系統、巷道液壓支架、液壓自動(dòng)風(fēng)門(mén)、液壓安全擋等也在礦山得到逐步推廣應用。乳化液壓系統不僅具有油壓系統所有的全部?jì)?yōu)點(diǎn)外,而且克服了介質(zhì)成本高,因容易泄漏而造成維護量大、維護成本高的缺陷,因此它更加適合礦山井下特殊的使用環(huán)境,已形成以乳化液壓系統取代油壓系統的趨勢。另外,建立地面集中供液系統,可實(shí)現“按需供液”,在不增加乳化泵空載電耗的情況下,可保證供液系統24小時(shí)連續供液,為那些需隨時(shí)用液設備(如液壓自動(dòng)風(fēng)門(mén)、液壓安全擋等)的推廣應用創(chuàng )造了條件。該項技術(shù)的應用加快了礦山機械液壓化的推進(jìn)速度。?
五是為礦井乳化供液系統納入礦井自動(dòng)化集中監控創(chuàng )造條件。目前,礦山自動(dòng)化發(fā)展趨勢是實(shí)現全礦井設備的集中監控,而實(shí)現這一目標的前提是各單臺設備(或單一系統)必須實(shí)現自動(dòng)控制。礦井集中供液系統實(shí)現了泵站全自動(dòng)化控制,為納入礦井自動(dòng)化集中監控創(chuàng )造了必要條件。?

通過(guò)以上分析,地面集中供液技術(shù)具有很好的推廣應用條件和發(fā)展前景,可以預見(jiàn),它將迅速被廣大礦山企業(yè)推廣應用,成為礦山供液技術(shù)的發(fā)展主流。


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