GLZD型自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王文斌

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木 719000）

0 引言

在煤礦井下開(kāi)采中，乳化液泵站是綜采工作面的動(dòng)力中心，它能夠?qū)⒊喝榛恨D(zhuǎn)化成高壓乳化液，向綜采工作面液壓支架、單體液壓支柱輸送高壓乳化液，為工作面液壓支架拉移、升降支撐頂板提供源動(dòng)力，其中，乳化液在整個(gè)液壓系統(tǒng)中起著動(dòng)力源泉的作用。由于受井下作業(yè)環(huán)境及供水水質(zhì)等因素影響，乳化液在工作面循環(huán)往復(fù)使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)大量雜質(zhì)，若不及時(shí)對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾清除，將會(huì)對(duì)工作面液壓支架油缸、千斤頂、密封元件及控制閥造成損壞，同時(shí)還會(huì)造成支架上的濾網(wǎng)堵塞使支架供液流量不足，導(dǎo)致支架拉移升降緩慢，不能及時(shí)有力支撐頂板，給工作面安全高效生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響，甚至?xí)斐砂踩鹿蔥1-2]。因此，在乳化液使用過(guò)程中，及時(shí)有效對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行清潔顯得極為重要，通過(guò)在工作面供液系統(tǒng)中安裝反沖洗高壓過(guò)濾站是提高乳化液清潔度、保證工作面液壓支架正常工作最為有效的方法。以王坡煤業(yè)31203 綜采工作面為工程背景，介紹GLZD 型自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站結(jié)構(gòu)特征、工作原理及應(yīng)用效果，為類似條件下使用該過(guò)濾站提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

王坡煤業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300 萬(wàn)t/a，31203 綜采工作面位于礦井31 采區(qū)東翼，工作面標(biāo)高-186—-263 m，北部為設(shè)計(jì)31201 工作面，南部為設(shè)計(jì)31205 工作面采空區(qū)，東部為31 采區(qū)保護(hù)煤柱，西部為井田邊界保護(hù)煤柱，工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1 500 m，傾斜長(zhǎng)240 m。工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝，液壓支架均采用電液控系統(tǒng)。由于工作面生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煤塵較大，同時(shí)因井下供水水源水質(zhì)較差，造成工作面支架操作閥閥芯內(nèi)和液壓管路中經(jīng)常存在粉塵、鐵屑等雜質(zhì)，導(dǎo)致工作面液壓支架操作閥芯經(jīng)常因過(guò)濾網(wǎng)堵塞出現(xiàn)供液流量不足，造成支架拉移速度慢、初撐力達(dá)不到要求，工作面支護(hù)質(zhì)量差等問(wèn)題，對(duì)工作面安全高效生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

2 GLZD 型自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站工作原理

自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站工作原理為：從乳化液泵出口流出的高壓乳化液直接進(jìn)入過(guò)濾站交替閥進(jìn)液口，通過(guò)止回閥進(jìn)入高壓過(guò)濾器，高壓乳化液驅(qū)動(dòng)濾芯進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)乳化液進(jìn)行過(guò)濾后自動(dòng)打開(kāi)集成閥座中的單向閥進(jìn)入出液管路，由出液口通過(guò)管路進(jìn)入工作面至液壓支架。同時(shí)利用進(jìn)液系統(tǒng)高壓乳化液流和離心力作為動(dòng)力源，乳化液進(jìn)入過(guò)濾器中對(duì)濾芯進(jìn)行高壓沖洗，從而實(shí)現(xiàn)高壓過(guò)濾站的在線自動(dòng)反沖洗[3-4]。同時(shí)污液通過(guò)排污閥進(jìn)入回收過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)濾后返回液箱，實(shí)現(xiàn)二次回收利用。高壓過(guò)濾站液壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高壓過(guò)濾站液壓系統(tǒng)Fig.1 Hydraulic system of high pressure filter station

為使高壓過(guò)濾站在反沖洗過(guò)程中能夠保證工作面液壓系統(tǒng)正常供液，在進(jìn)行自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)濾網(wǎng)采用并列式過(guò)濾網(wǎng)，即在高壓過(guò)濾站液壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)2 趟并列過(guò)濾管路，乳化液進(jìn)入到高壓過(guò)濾站后需從這2 趟并列過(guò)濾管路中通過(guò)，然后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)中各個(gè)相關(guān)控制元件操作控制作用，最后在高壓過(guò)濾站出口處匯合在一起后進(jìn)入到工作面供液系統(tǒng)中。

圖2 高壓過(guò)濾站正常過(guò)濾工作原理Fig.2 Working principle of normal filtration of high pressure filter station

當(dāng)污染物在高壓過(guò)濾站過(guò)濾網(wǎng)上積累達(dá)到一定程度需要對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行清洗時(shí)，高壓過(guò)濾站將會(huì)向電磁控制閥發(fā)出反沖洗信號(hào)，電磁閥接收到信號(hào)后就會(huì)自動(dòng)控制反沖洗操作，當(dāng)電磁閥位于左邊（或右邊） 位置時(shí)，就會(huì)控制將流向左邊（或右邊） 管路過(guò)濾網(wǎng)的乳化液阻斷，并控制液壓控制閥將該條管路的排污閥打開(kāi)，對(duì)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行高壓反沖洗作業(yè)，而另外一條管路系統(tǒng)正常工作。高壓過(guò)濾站反沖洗工作原理如圖3所示。

圖3 高壓過(guò)濾站反沖洗工作原理Fig.3 Backwashing working principle of high pressure filter station

3 GLZD 型自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站設(shè)計(jì)

3.1 過(guò)濾站結(jié)構(gòu)特征

GLZD 型自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站將交替閥與過(guò)濾器集中為一體，主要由機(jī)座、排污閥、蓄能器、回收過(guò)濾器、2 個(gè)1 000 L 高壓過(guò)濾器、集成閥座、交替閥、旋轉(zhuǎn)基座、隔爆型防爆電氣PLC 程序自動(dòng)控制系統(tǒng)（PLC 電控箱） 等組成。進(jìn)出液口采用DN50SS 接口，進(jìn)出液均配有壓力表檢測(cè)進(jìn)出液壓差，蓄能器配有壓力表檢測(cè)蓄能器壓力。反沖洗高壓過(guò)濾站結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 GLZD型自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站結(jié)構(gòu)組成Fig.4 Structure of GLZD automatic backwashing high pressure filter station

該過(guò)濾站的止回閥是實(shí)現(xiàn)反沖洗功能的關(guān)鍵部件，它由隔爆型電磁閥和主閥及過(guò)濾濾芯組成。其電磁閥為常閉型，輸入電壓AC220V。正常系統(tǒng)過(guò)濾，該閥主閥為開(kāi)啟狀態(tài)，需要反沖時(shí)，電磁閥線圈通電先導(dǎo)通路開(kāi)啟，主閥關(guān)閥，此時(shí)高壓液流通過(guò)反沖管對(duì)高壓過(guò)濾器的濾芯進(jìn)行沖洗。同時(shí)，高壓液流驅(qū)動(dòng)高壓濾芯高速旋轉(zhuǎn)，沖洗和高壓濾芯高速旋轉(zhuǎn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到高壓濾芯的洗凈效果。該止回閥自配濾芯，該濾芯是為保護(hù)止回閥先導(dǎo)系統(tǒng)而設(shè)，其為螺紋集成式結(jié)構(gòu)，過(guò)濾精度為25 μm。需每48 h 進(jìn)行一次手動(dòng)清洗。清洗時(shí)，用對(duì)邊21 的扳手旋開(kāi)濾芯端部螺母，即可取出濾芯進(jìn)行清洗，洗凈后，將濾芯旋入復(fù)位。

回收過(guò)濾器清洗為手動(dòng)操作。在正常工作時(shí)須每隔24 h（每個(gè)檢修班） 清洗一次，清洗方法：打開(kāi)快速卡箍、取下端蓋、由上方取出濾芯手工清洗，完畢后再依次裝配。清洗該過(guò)濾器時(shí)嚴(yán)禁同時(shí)反沖洗高壓過(guò)濾器，避免造成人身事故。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

31203 綜采工作面使用的GLZD 型自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站主要具備的功能有：高精度過(guò)濾；定時(shí)或壓差顯示預(yù)先設(shè)定程序由PLC 控制實(shí)現(xiàn)在線反沖，亦可設(shè)定手動(dòng)反沖功能；污液回收再利用。

該過(guò)濾站的主要技術(shù)參數(shù)如下。

3.3 高壓過(guò)濾站濾芯設(shè)計(jì)

在自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站所有零部件中，濾芯是其最為關(guān)鍵的部件，考慮到井下工作面使用的工作液原因，濾芯使用的濾網(wǎng)均為不銹鋼的金屬焊接網(wǎng)，它是由內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)組成[5-6]，其中內(nèi)層為篩網(wǎng)，外層為篩板，其可采用主動(dòng)清洗方式進(jìn)行清洗，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且能夠清洗的比較干凈。在對(duì)高壓過(guò)濾站的濾芯進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，濾芯的材質(zhì)選擇使用金屬燒結(jié)氈，其主要技術(shù)參數(shù)如下。

3.4 液壓控制閥的設(shè)計(jì)

液壓控制閥是自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站控制元件中最為核心的元件，它的主要作用是在對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行反沖洗時(shí)控制乳化液的流動(dòng)方向，使流向其中一條過(guò)濾網(wǎng)的乳化液斷流，實(shí)現(xiàn)對(duì)該濾網(wǎng)的自動(dòng)反沖洗操作[7-8]。液壓控制閥設(shè)計(jì)選用的主要技術(shù)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 高壓過(guò)濾站液壓控制閥主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of hydraulic control valve for high pressure filter station

3.5 高壓過(guò)濾站控制方式

該自動(dòng)反沖洗高壓過(guò)濾站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PLC 控制系統(tǒng)，控制方式設(shè)計(jì)采用壓差方式進(jìn)行控制。壓差控制中利用安裝在濾網(wǎng)兩端的壓力傳感器來(lái)對(duì)濾網(wǎng)兩端壓力變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PLC 控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)PLC 邏輯判斷并將數(shù)據(jù)與原設(shè)定的壓力差值進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)比對(duì)分析結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)濾站的自動(dòng)反沖洗操作控制，具體操作流程如圖5所示。

圖5 GLZD型自動(dòng)反沖洗高壓濾站壓差控制流程Fig.5 Differential pressure control process of GLZD automatic backwashing high pressure filter station

4 應(yīng)用效果分析

31203 綜采工作面安裝使用GLZD 型自動(dòng)反沖洗過(guò)濾站后，通過(guò)與未安裝前情況進(jìn)行對(duì)比分析，主要取得以下效果。

（1） 提高了工作面生產(chǎn)效率。工作面液壓支架操作閥閥芯內(nèi)及液壓管路中雜質(zhì)大幅度減少，減少量達(dá)到65%以上，增加了支架的供液流量和供液速度，縮短了移架推溜時(shí)間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，平均每割一刀煤可節(jié)約拉架推移運(yùn)輸機(jī)時(shí)間18 min 左右。

（2） 提高綜采設(shè)備使用壽命和設(shè)備資金投入。由于該過(guò)濾站過(guò)濾精度能夠達(dá)到25 μm，使綜采液壓支架使用壽命提高了近一倍，節(jié)約了新設(shè)備投入資金。

（3） 降低綜采工作面設(shè)備維修材料費(fèi)用投入和人工投入。更換支架液壓元件的數(shù)量及頻次大幅度下降，據(jù)統(tǒng)計(jì)，更換的密封圈、密封墊數(shù)量由原每天的80 個(gè)左右降低到30 個(gè)左右，降幅達(dá)到57%，液壓支架漏液、串液現(xiàn)象基本杜絕，減少了液壓支架的維修工作量，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度和人員投入，同時(shí)也大幅度減少材料投入。

（4） 該過(guò)濾站能夠充分實(shí)現(xiàn)污液的回收再利用，不僅減少了環(huán)境污染，同時(shí)也大幅度降低了乳化液的消耗，具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（5） 有效提高支架的工作阻力合格率，工作面液壓支架工作阻力合格率達(dá)到85%以上，確保了工作面支護(hù)質(zhì)量，為工作面安全生產(chǎn)提供了有力保障。

5 結(jié)論

（1） GLZD 型反沖洗過(guò)濾站利用乳化液泵站系統(tǒng)自身乳化液的高壓，驅(qū)動(dòng)濾芯高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)利用該高壓液流和離心力使過(guò)濾和清洗濾芯一氣呵成，從而實(shí)現(xiàn)了高壓過(guò)濾站的在線自動(dòng)反沖洗。

（2） 該過(guò)濾站過(guò)濾精度達(dá)到25μm，實(shí)現(xiàn)了高精度過(guò)濾，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)大流量排污和污液在線回收再利用。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該過(guò)濾站的使用能夠大幅度減少乳化液中的雜質(zhì)，提高拉架推溜速度，減少液壓元件損耗和乳化液消耗，提高支架支撐力，減少人員投入，延長(zhǎng)綜采支架使用壽命，應(yīng)用效果顯著。

（3） 該過(guò)濾站通過(guò)PLC 對(duì)反沖洗高壓過(guò)濾站的反沖洗程序進(jìn)行設(shè)定，充分利用乳化液循環(huán)系統(tǒng)自身固有的高壓液流，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的濾芯產(chǎn)生的離心力，實(shí)現(xiàn)乳化液在線自動(dòng)過(guò)濾凈化。該技術(shù)的產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。