乳化液泵站的无压力传感器变频调速控制研究

朱光营 胡平 刘锡安

摘 要：本文通过对乳化液泵站的特性分析，结合现场实际应用，指出传统乳化液泵站PID变频调速算法的不足，并提出新的无压力传感器变频调速控制方法。

关键词：乳化液泵站；变频调速；无压力传感器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0049-02

1 概述

乳化液泵站是用来向综采工作的液压支架或普采工作面的单體液压支柱输送压力液体（乳化液）的动力设备。是维持采煤工作面生产必须运转的设备之一。矿井要实现高效、高产，液压支架的支护速度、支护能力必须能满足要求，作为液压动力源的乳化液泵站高效、可靠运行则至关重要。

在矿井实际生产过程中，液压支架的移架、升柱、降柱等动作和相邻液压支架的动作都是不连续的，工作面需求的供液量远小于乳化泵的实际输出能力。为保证液压支架处于随时可移动状态，乳化液泵站需要不间断运转。这样会造成大量不必要的机械磨损和电能浪费。因此，乳化液泵站运行时引入变频调速控制就非常有必要。

本文主要根据乳化液泵站的工作原理，阐述乳化液泵站的无压力传感器变频调速控制方法。

2 乳化液泵站的工作原理

乳化液泵站由两台或以上乳化泵及配套液相组成。乳化泵本质为往复式柱塞泵。其基本工作原理如图1所示。

电机带动曲轴转动，带动柱塞做往复式运动，把乳化液推入乳化液管路中。柱塞类泵有以下几个特点：

（1）瞬时流量是脉动的；乳化液泵站输出管路中配套缓冲装置来平缓脉动，越高端的泵站，缓冲装置越先进。（2）驱动电机转速恒等时，平均流量是恒定的；当工作面需求流量小于泵输出流量时，乳化泵输出端配有电磁或机械卸载阀，卸载阀动作，将多余流量流回泵的吸入端。（3）泵的输出压力决定于输出管路负载而不是泵本身。即泵的排出压力不是由泵本身决定的，而是取决于泵装置的管路特性，并且与流量无关。理论上，不论泵装置的管路上有多大的阻力，泵都可以按其特定流量输出。

3 PID调速控制存在的问题

目前采用变频调速方式驱动的乳化液泵站基本采用PID控制算法，以乳化液泵站输出压力为调节目标，通过变频器调节电机转速进而控制压力，期望达到恒压供液和节能降耗的目的。基于乳化液泵站的基本特性，采用PID控制方式控制乳化液泵站的输出压力存在以下问题：

（1）必须配套压力传感器并且压力传感器必须可靠，一旦压力传感器失效，则无法实现调速控制；

（2）无法实现恒压供液控制。

乳化液泵站输出流量：Q=iFSn；i为总缸数，F为柱塞面积，S为冲程长度，n为曲轴转速。可以看出，在电机转速一定的情况下，泵的输出流量是固定的。根据伯努利方程：

P+ρv2+ρgh=常数

输出管道安水平管分析，则P+ρv2=常数。而流速v=Q/A，即P+ρ2=常数。当工作面液压支架动作时，每多一组支架工作，相当于增大一倍，则管路压力P会将为原来的1/4。当然，实际的应用现场条件远远比公式复杂，管路中存在压力缓冲装置，压力变化相应也会缓和许多。但是其基本趋势是不变的。

（3）液压支架的动作相对随机，无规律性，因此在恒压状态下如果突然加入一组支架动作，如想要保持系统压力，则电机转速需瞬时提升。这在变频控制当中是无法实现的，变频控制电机加速总是需要一定的加速时间。在这种情况下出现推移支架慢，支架支撑力不够等问题。这种情况是不被现场操作人员接受的。

4 无压力传感器变频调速控制的实现

因乳化液泵站的PID调速控制算法存在一定缺陷，本文提出新的乳化液泵站调速控制思路。即以最大限度减少空载能耗和机械磨损为最终目的，在不需要系统压力传感器的条件下，根据乳化液泵站的实时运行数据，通过科学的统计与分析，判断系统的供液流量需求进而调整乳化泵泵站驱动电机的输出转速。

本控制方式实现的核心是乳化液泵站加载与卸载状态的判断。因为乳化液泵站工作在卸载状态下是不往管道中输出流量的。卸载状态下的电机负载接近空载。电机通过变频器控制时，通过变频器能读取电机的实时负载转矩。图2是淄矿双欣矿业有限公司4110工作面乳化液泵站的驱动转矩曲线图。该工作面采用YJVFT-355L1-4 1140V 315kW变频调速一体机驱动BRW315/31.5系列乳化液泵站。

通过曲线可以明显看出，乳化液泵站在加载状态时电机转矩在70%～85%之间，在卸载状态时电机转矩在20%以下。通过电机的输出转矩，可以准确判断出乳化液泵站的工作状态。

判读出乳化液泵站的工作状态之后，就可以分析出工作面需要供液流量。加载状态下电机转速在单位时间内的积分值乘以固定系数，即为工作面需求供液流量。即Q=antj（Q为需求流量，a为流量系数，n为电机转速tj为加载时间）。

采煤工作面实际生产过程中，生产班需要开启至少两台泵，检修班至少开启一台泵。两台泵运转时供液能力大于实际需求。乳化液泵站有很多时间是工作在卸载状态，卸载状态下作无用功并且存在机械磨损。引入变频调速的最终目的，其实就是尽量减少乳化液泵站的卸载工作时间。

图3是上文所述工作面电机实际给定运行速度曲线。以下以该曲线为例具体说明无压力传感器的变频调速实现方法。

虽然采煤工作面实际生产过程中液压支架的工作是无规律的，但是在一段时间内液压支架的需求供液流量是可预测的。通过上文的供液流量需求算法，可以计算出工作面实际需求最大供液量。

Q总=Q1+Q2=an1tj1+an2tj2

将泵转速设定为工频转速1490转/分，分析某一时间段的总需求流量，特别是推移支架最快的时候，统计发现两台泵的加载时间tj占总运行时间不超过65%。

通过计算，将两台泵的最大电机转速为1000转/分即可满足需求。相比两台工频泵（1490转/分）至少节省1/3的无功损耗和机械磨损。

最低转速的确定。图中可以看出乳化液泵站的最低电机转速为800转/分。这个速度是由乳化液泵站本身的润滑特性决定的。在本例中乳化液泵站最低要求转速为800转/分，低于此转速时泵润滑不足容易损坏。不同的泵站最低转速不同。

确定乳化液泵站的最大转速和最小转速后，在转速范围内通过固定时间段流量积分值来判断下个固定时间段内的流量需求值，以此为基准调整下时间段内泵的转速给定。以加载时间tj为变频加速辅助限制条件。

通过以上手段，实现乳化液泵站无压力传感器变频调速控制。

5 结语

本控制方法在双欣矿业有限公司实际应用以来，现场反馈以下应用效果。

（1）乳化液泵站运行转速降低，现场噪音明显减小；（2）没有出现移架慢，支架支撑力不足等情况；（3）乳化液泵站的密封件损坏频率明显比之前工频运行时低；（4）乳化液泵站的故障率比工频运行时明显降低。

通过现场运行实验，可以看出，本文所述变频调速控制方法是一种能适用工业生产现场的调速方法。对促进变频控制乳化液泵站的发展具有重要意义。变频控制乳化液泵站的推广，符合《国务院关于加强节能工作的决定》、《“十一五”国家十大重点节能工程》、《国家发改委节能专项规划》和《煤炭工业节能工作意见》，以及地方政府为节能所制定的法律、法规、方针、政策。

参加文献

[1]贺天才，等.乳化液泵站的智能控制研究[J].煤矿机电，2004，（5）：72-90.

[2]李曼，等.乳化液泵站自动监控系统的研究与开发[J].煤矿机电，2005，（9）：43-62.

[3]郭艳蓉，廉自生.液压支架供液管路动态特性分析[J].煤矿机械，2011，32（4）：112-115.