0 引言

目前新桥煤矿的综采工作面液压支架和顺槽单体支柱供液均由设备列车上的乳化液泵站提供，在使用过程中主要存在以下问题。

1) 乳化液浓度采用人工配比，配比精度不高。乳化液浓度要求在 3% ～5% 之间，当浓度不足 3%时，乳化液所含有的基础油，防锈、抗磨和抗硬水添加剂，以及细菌抑制剂的浓度都将不符合要求，主要体现在:

(1) 当乳化液所含有的基础油和抗磨添加剂不足时，支架等液压设备的活塞和阀件、乳化液泵站等会产生比较严重的磨损。

(2) 当乳化液含有的基础油、防锈添加剂不足时，支架的活塞和阀件、乳化液泵站等会产生比较严重的锈蚀。

(3) 当乳化液所含有的抗硬水添加剂不足时，乳化液会产生析油及浮皂。

(4) 当乳化液所含有的细菌抑制剂不足时，会滋生大量细菌，从而影响液压支架的使用效果，提高液压支架的维护成本。

(5) 当浓度大于 5%时，会降低消泡能力，增大橡胶密封材料的溶胀性，容易造成漏液、窜液，浪费乳化液［1］ 。

2) 乳化液用水质量不高。低浓度乳化液受水质质量影响，乳化液用水必须符合行业标准 MT76—2002 要求，pH 范围 7 ～9，不含明显的颗粒或悬浮污染物，综采工作面乳化液用水采用井下钻孔水，很难保证水质满足要求，影响乳化液质量。

为此，经多方面的研究论证，设计了一套地面水处理和乳化液自动配比装置，采用经过过滤的水进行乳化液配比和远距离管路供液，不但可以保证乳化液的浓度和质量，还可以减少工作面设备列车数量，降低乳化液人工配比工作量，同时消除设备列车外移所造成的安全隐患，服务于不同采区的多个工作面，为其他液压设备提供动力源。

1 乳化液地面集中供液系统流程

乳化液地面集中供液系统流程如图 1 所示。

2 系统配置要求

2． 1 水处理装置

水处理装置系统流程为:深井水→消防水池(原水池) →输送泵→多介质过滤器→精密过滤器→高压泵→反渗透膜系统→纯水箱。处理过的水为中性或接近中性，无色、透明、无味，不含机械杂质和悬浮物，离子含量满足 GB/T 1576—2008《工业锅炉水质》的要求。

2． 1． 1 水处理装置的基本性能参数

2． 1． 2 水处理系统组成

1) 地面有 500 m 3 消防水池提供原水，不再设置原水水池。

2) 输送泵。输送泵的作用是为系统提供具有一定压力的原水，保证系统的正常运行。采用流量不低于 16 m 3 /h，扬程不小于 40 m 的输送泵。

3) 多介质过滤器。该设备是反渗透水处理系统重要的预处理装置，本方案中配备 1 套两层立式防腐不锈钢材质的多介质过滤器。

4) 阻垢剂加药装置。在提高回收率的前提下，预防反渗透的浓水端，重点是反渗透末端膜元件的浓水侧产生硫酸盐、碳酸盐和钙镁离子等的化学结垢，影响反渗透膜元件的使用性能，需要在水进入反渗透系统之前加入阻垢剂。每组装置主要包括 1 台计量泵和 1 只溶液箱，加药箱内水和阻垢剂混合比例为 9∶ 1。加药箱配备 1 台电动抽液插桶泵和长度不小于10 m 的高压胶管，根据加药箱液位可将药桶内的药液抽至药箱内。

5) 反渗透(ＲO)装置。这是流程中zui主要的脱盐装置，系统每组配置 1 台高压泵、1 台精密过滤器、1 套出力不小于 10 m 3 /h 的反渗透膜组件、控制仪表及 1 套清洗系统。

(1) 精密过滤器。主要作用是截留原水中携带的直径大于 5 μm 的颗粒，避免其进入反渗透装置。精密过滤器外壳采用耐腐蚀的 304 不锈钢材质，滤芯采用聚丙烯喷熔材质。设计出力 25 m 3 /h，滤芯材质为 PPF，熔喷树脂纤维，滤芯孔径为 5 μm。

(2) 高压泵。主要作用是为反渗透装置进水侧提供较大的压力，保证反渗透系统的出水率满足实际需要。系统采用不小于 20 m 3 /h，扬程不小于 140m 的高压泵。反渗透装置的给水泵进出口均装有低压保护开关和高压保护开关。

(3) 反渗透本体装置。采用美国进口 CPA3-8040 复合膜，该复合膜为抗污染苦咸水淡化膜，单根膜脱盐率 99． 5%，复合膜配备量满足反渗透产水量 10 m 3 /h 的要求，安装在玻璃钢压力容器内。高压泵采用软启动控制，当反渗透装置投入运行及停止运行时，软启动装置控制高压泵缓慢升压及缓慢降压，以免损坏膜元件，从而保证系统稳定可靠运行。反渗透膜组件、管道、接头及相关配件全部固定在不锈钢架上。

6) 浓水的排放。反渗透处理后的浓水直接通过管路排放至南风井消防水池旁边的排放池中。水处理装置中的主要部件实现一用一备，具备同时工作的能力，确保水处理装置的可靠性，主要包括原水输送泵、多介质过滤器、阻垢剂加药装置、反渗透(ＲO)装置。

2． 2 乳化液自动配比装置

2． 2． 1 工艺流程

该水处理系统中，反渗透的出水进入纯净水箱，恒压稳压泵的作用是为后续系统的配比提供恒定的流量和压力，以保证系统水源的稳定性。乳化油箱的油经投加装置后通过射流器进入阻尼紊流器混合，经此过程，成功配比后的乳化液进入泵站的液箱［2］ 。乳化液自动配比系统流程如图 2 所示。

2． 2． 2 自动配比装置组成

1) 纯净水箱。系统配备了 1 台 15 m 3 纯净水水箱，可保证充足的纯净水水量。该水箱采用 304不锈钢焊接而成，配备磁翻柱液位计，便于直接观察水箱液位。采用液位控制的自动补水装置，当水箱内低液位时，自动启动前级的水处理设备向水箱内补水。

2) 稳压恒压泵。主要是为后续配比系统提供一定压力和流量的水源，为系统的稳定配比提供保障，采用流量不小于 10 m 3 /h，扬程不小于 20 m 的不锈钢多级立式泵。

3) 油箱。配备 1 台 5 m 3 不锈钢油箱，储备足够的乳化油，配备液位计，便于直接观察油箱液位。油箱配备 1 台电动抽油插桶泵、长度不小于 10 m 的高压胶管，根据油箱油位可将油桶内的乳化油抽至油箱内。

4) 投加装置。投加装置主要是实现系统准确配比的核心部分，主要由变频计量泵、射流器等组成。

(1) 变频计量泵。通过计算水和油的流量，计算出配比浓度，对比乳化液浓度传感器检测值，选择精确度更接近设定值的数据，调整计量泵的粗流量。控制系统根据既定设定的参数，通过闭环控制方式，时时调整变频器的输出频率，精细调整投加量，实现系统的准确配比。采用流量不小于 800 L/min，电压为 380 V 。

(2) 射流器。在水装置的出水管上安装有一射流装置，将乳化油快速的射入配比系统中。

(3) 阻尼紊流器。主要的功能决定乳化液混合是否均匀，从而影响乳化液的质量。阻尼紊流器利用两相紊流技术和紊流原理，液体流过阻尼板时，能够形成强烈的漩涡，加剧水和乳化油的融合效果。

5) 乳化液箱。系统配备 1 台 15 m 3 乳化液液箱，配备液位计，便于直接观察乳化液箱液位。该液箱材质采用 304 不锈钢。液箱内设计有液位传感器，低液位时系统运行，高液位时自动停止;在乳化液箱配置浓度传感器，能够实时乳化液浓度在线检测，并对比设定浓度值，通过电控系统调节水和油的流量，实现精确配比。

在乳化油箱、纯水箱、乳化液箱的出液口管路上，安装手动阀门和流量计，手动阀门日常为常开状态，检修时关闭手动阀门避免液体流出。流量计能够实时显示液体使用量，并通过接入上位机实现液体用量的历史记录，便于查询分析用液量是否正常。乳化液自动配比装置的主要部件实现一用一备。确保乳化液自动配比装置的可靠性，主要包括稳压恒压泵、投加装置、电控系统。所有箱体具有加热装置。确保严寒天气下系统的正常运转。箱体焊接无以下内外部缺陷。焊瘤、咬边、弧坑、电弧烧伤、表面气孔、表面裂纹、焊接变形和翘曲、裂纹、未焊透、未熔合、夹渣和气孔等，确保箱体不漏液。

3 电控系统及自动化

可编程控制箱用于解决整套系统的电控问题，实现无人值守条件下的全自动运行。PLC 采用西门子 S7-300 型，根据设置的高低液位实现水处理装置和乳化液自动配比装置的自动运行，并设置专用和备用回路的自动切换。水流量传感器、油流量传感器检测到的流量信号和浓度传感器信号均传送到PLC，PLC 通过外部输入的参数进行对比计算，从而去调整变频器的输出频率，即时调整变频计量泵的转速，时时相应配比投加量。满足系统的准确配比要求［3］ ，乳化液浓度调节范围 1% ～ 10%，连续可调，误差 ±0． 1%。

3． 1 电控系统功能

实现水处理装置和乳化液自动配比装置备用回路的自动切换，同时系统监测水箱、油箱、配比箱的液位，低液位时启动配比装置运行，高液位时停止配比。当系统液位较低，不能实现自动补液及时报警，提醒工作人员注意。PLC 控制柜采用 13 寸触摸屏，通过组态软件程序，时时显示系统中的配液浓度、配液量、设备运行时间等参数;系统具有数据储存及上传功能;系统留有以太网接口，接入上位工控机，可以实现远程自动化监控、操作功能［4］ 。电控系统框架见图 3。

3． 2 电控系统配置

配备两套研华工控机和显示屏，一台安装在乳化液站，实现远程监控，另一台安装在集控中心，能在上位机显示系统结构组态图，显示水、油和乳化液实时和累计流量，乳化液实时浓度，各阀门状态指示，各箱体液位等参数，并能够查询任意时间段的流量、浓度等历史参数。

在综采工作面供液管道末端上，安装 1 套控制箱，包括 1 台隔爆型流量计、1 台隔爆型电动球阀、1台隔爆型液位计、1 台隔爆控制箱。控制箱采用工作面常用的 127 V 电源，内置电源模块，给流量计、电动球阀和液位计提供本质安全型电源。液位计监测液箱内乳化液的液位，高液位时关闭电动球阀，低液位时开启电动球阀，控制箱控制乳化液自动向乳化液箱内补液。控制箱预留以太网接口，能将现场采集的流量等数据进行上传，便于远程查看相关数据［5］ 。

4 设备明细及数量

水处理装置(10 m 3 /h)、乳化液自动配比装置(10 m 3 /h)、综采工作面液位控制箱的设备配置分别如表 1 ～ 表 3 所示。

5 结论

基于 S7-300PLC 的乳化液地面集中自动供液系统，采用了xianjin的反渗透水处理技术、计算机技术、现场总线技术及工业以太网。通过实践运行表明，该系统能实现地面乳化液配比站的无人值守自动运行，提高了系统的自动化程度和运行可靠性，保障了乳化液配比浓度和质量，对液压支架等设备的使用和维护具有重要作用。