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，當濃度不足 3%時，乳化液所含有的基礎油，防銹、抗磨和抗硬水添加劑，以及細菌抑制劑的濃度都將不符合要求，主要體現在:

(1) 當乳化液所含有的基礎油和抗磨添加劑不足時，支架等液壓設備的活塞和閥件、乳化液泵站等會產生比較嚴重的磨損。

(2) 當乳化液含有的基礎油、防銹添加劑不足時，支架的活塞和閥件、乳化液泵站等會產生比較嚴重的銹蝕。

(3) 當乳化液所含有的抗硬水添加劑不足時，乳化液會產生析油及浮皂。

(4) 當乳化液所含有的細菌抑制劑不足時，會滋生大量細菌，從而影響液壓支架的使用效果，提高液壓支架的維護成本。

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

2) 乳化液用水質量不高。低濃度乳化液受水質質量影響，乳化液用水必須符合行業標準 MT76—2002 要求，pH 范圍 7 ～9，不含明顯的顆粒或懸浮污染物，綜采工作面乳化液用水采用井下鉆孔水，很難保證水質滿足要求，影響乳化液質量。

為此，經多方面的研究論證，設計了一套地面水處理和乳化液自動配比裝置，采用經過過濾的水進行乳化液配比和遠距離管路供液，不但可以保證乳化液的濃度和質量，還可以減少工作面設備列車數量，降低乳化液人工配比工作量，同時消除設備列車外移所造成的安全隱患，服務于不同采區的多個工作面，為其他液壓設備提供動力源。

1 乳化液地面集中供液系統流程

乳化液地面集中供液系統流程如圖 1 所示。

2 系統配置要求

2． 1 水處理裝置

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

2． 1． 1 水處理裝置的基本性能參數

2． 1． 2 水處理系統組成

1) 地面有 500 m 3 消防水池提供原水，不再設置原水水池。

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

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

4) 阻垢劑加藥裝置。在提高回收率的前提下，預防反滲透的濃水端，重點是反滲透末端膜元件的濃水側產生硫酸鹽、碳酸鹽和鈣鎂離子等的化學結垢，影響反滲透膜元件的使用性能，需要在水進入反滲透系統之前加入阻垢劑。每組裝置主要包括 1 臺計量泵和 1 只溶液箱，加藥箱內水和阻垢劑混合比例為 9∶ 1。加藥箱配備 1 臺電動抽液插桶泵和長度不小于10 m 的高壓膠管，根據加藥箱液位可將藥桶內的藥液抽至藥箱內。

5) 反滲透(ＲO)裝置。這是流程中zui主要的脫鹽裝置，系統每組配置 1 臺高壓泵、1 臺精密過濾器、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。

(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，濾芯采用聚丙烯噴熔材質。設計出力 25 m 3 /h，濾芯材質為 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水側提供較大的壓力，保證反滲透系統的出水率滿足實際需要。系統采用不小于 20 m 3 /h，揚程不小于 140m 的高壓泵。反滲透裝置的給水泵進出口均裝有低壓保護開關和高壓保護開關。

(3) 反滲透本體裝置。采用美國進口 CPA3-8040 復合膜，該復合膜為抗污染苦咸水淡化膜，單根膜脫鹽率 99． 5%，復合膜配備量滿足反滲透產水量 10 m 3 /h 的要求，安裝在玻璃鋼壓力容器內。高壓泵采用軟啟動控制，當反滲透裝置投入運行及停止運行時，軟啟動裝置控制高壓泵緩慢升壓及緩慢降壓，以免損壞膜元件，從而保證系統穩定可靠運行。反滲透膜組件、管道、接頭及相關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井消防水池旁邊的排放池中。水處理裝置中的主要部件實現一用一備，具備同時工作的能力，確保水處理裝置的可靠性，主要包括原水輸送泵、多介質過濾器、阻垢劑加藥裝置、反滲透(ＲO)裝置。

2． 2 乳化液自動配比裝置

2． 2． 1 工藝流程

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

2． 2． 2 自動配比裝置組成

1) 純凈水箱。系統配備了 1 臺 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，便于直接觀察水箱液位。采用液位控制的自動補水裝置，當水箱內低液位時，自動啟動前級的水處理設備向水箱內補水。

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

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

4) 投加裝置。投加裝置主要是實現系統準確配比的核心部分，主要由變頻計量泵、射流器等組成。

(1) 變頻計量泵。通過計算水和油的流量，計算出配比濃度，對比乳化液濃度傳感器檢測值，選擇精確度更接近設定值的數據，調整計量泵的粗流量。控制系統根據既定設定的參數，通過閉環控制方式，時時調整變頻器的輸出頻率，精細調整投加量，實現系統的準確配比。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量。阻尼紊流器利用兩相紊流技術和紊流原理，液體流過阻尼板時，能夠形成強烈的漩渦，加劇水和乳化油的融合效果。

5) 乳化液箱。系統配備 1 臺 15 m 3 乳化液液箱，配備液位計，便于直接觀察乳化液箱液位。該液箱材質采用 304 不銹鋼。液箱內設計有液位傳感器，低液位時系統運行，高液位時自動停止;在乳化液箱配置濃度傳感器，能夠實時乳化液濃度在線檢測，并對比設定濃度值，通過電控系統調節水和油的流量，實現精確配比。

在乳化油箱、純水箱、乳化液箱的出液口管路上，安裝手動閥門和流量計，手動閥門日常為常開狀態，檢修時關閉手動閥門避免液體流出。流量計能夠實時顯示液體使用量，并通過接入上位機實現液體用量的歷史記錄，便于查詢分析用液量是否正常。乳化液自動配比裝置的主要部件實現一用一備。確保乳化液自動配比裝置的可靠性，主要包括穩壓恒壓泵、投加裝置、電控系統。所有箱體具有加熱裝置。確保嚴寒天氣下系統的正常運轉。箱體焊接無以下內外部缺陷。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 電控系統及自動化

可編程控制箱用于解決整套系統的電控問題，實現無人值守條件下的全自動運行。PLC 采用西門子 S7-300 型，根據設置的高低液位實現水處理裝置和乳化液自動配比裝置的自動運行，并設置專用和備用回路的自動切換。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進行對比計算，從而去調整變頻器的輸出頻率，即時調整變頻計量泵的轉速，時時相應配比投加量。滿足系統的準確配比要求［3］ ，乳化液濃度調節范圍 1% ～ 10%，連續可調，誤差 ±0． 1%。

3． 1 電控系統功能

實現水處理裝置和乳化液自動配比裝置備用回路的自動切換，同時系統監測水箱、油箱、配比箱的液位，低液位時啟動配比裝置運行，高液位時停止配比。當系統液位較低，不能實現自動補液及時報警，提醒工作人員注意。PLC 控制柜采用 13 寸觸摸屏，通過組態軟件程序，時時顯示系統中的配液濃度、配液量、設備運行時間等參數;系統具有數據儲存及上傳功能;系統留有以太網接口，接入上位工控機，可以實現遠程自動化監控、操作功能［4］ 。電控系統框架見圖 3。

3． 2 電控系統配置

配備兩套研華工控機和顯示屏，一臺安裝在乳化液站，實現遠程監控，另一臺安裝在集控中心，能在上位機顯示系統結構組態圖，顯示水、油和乳化液實時和累計流量，乳化液實時濃度，各閥門狀態指示，各箱體液位等參數，并能夠查詢任意時間段的流量、濃度等歷史參數。

在綜采工作面供液管道末端上，安裝 1 套控制箱，包括 1 臺隔爆型流量計、1 臺隔爆型電動球閥、1臺隔爆型液位計、1 臺隔爆控制箱。控制箱采用工作面常用的 127 V 電源，內置電源模塊，給流量計、電動球閥和液位計提供本質安全型電源。液位計監測液箱內乳化液的液位，高液位時關閉電動球閥，低液位時開啟電動球閥，控制箱控制乳化液自動向乳化液箱內補液。控制箱預留以太網接口，能將現場采集的流量等數據進行上傳，便于遠程查看相關數據［5］ 。

4 設備明細及數量

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

5 結論

基于 S7-300PLC 的乳化液地面集中自動供液系統，采用了xianjin的反滲透水處理技術、計算機技術、現場總線技術及工業以太網。通過實踐運行表明，該系統能實現地面乳化液配比站的無人值守自動運行，提高了系統的自動化程度和運行可靠性，保障了乳化液配比濃度和質量，對液壓支架等設備的使用和維護具有重要作用。