關(guān)于電液調(diào)節(jié)閥的大流量混合煤氣壓力控制研究

    在生產(chǎn)過(guò)程中鋼鐵企業(yè)可能產(chǎn)生大量的焦?fàn)t和高爐煤氣。為了降低企業(yè)的總體能耗和物耗，減小環(huán)境污染，有些鋼鐵企業(yè)開(kāi)始利用這些副產(chǎn)品混合煤氣發(fā)展燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電工程。由于混合煤氣的可燃物含量少、熱值低、燃燒性能差，燃機(jī)對(duì)混合煤氣的壓力控制要求比較高。能否實(shí)現(xiàn)混合煤氣的穩(wěn)壓控制，成發(fā)電工程能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。然而，混合煤氣管壓力系統(tǒng)是一個(gè)擾動(dòng)劇烈、非線性、容量滯后較大的系統(tǒng)，采用單回路控制系統(tǒng)很難滿足燃機(jī)對(duì)混合煤氣壓力控制的要求。
   針對(duì)某鋼鐵企業(yè)大流量（5.4×104 m3/h）混合煤氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)幅值大，導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備停機(jī)的問(wèn)題，本文提出通過(guò)電液調(diào)節(jié)閥對(duì)混合煤氣進(jìn)行串級(jí)穩(wěn)壓控制。

1　電液調(diào)節(jié)閥控混合煤氣系統(tǒng)原理

    電液調(diào)節(jié)閥控混合煤氣系統(tǒng)的原理如圖1所示，啟動(dòng)液壓泵，并使二位二通換向閥1的電磁鐵通電，此時(shí)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作在調(diào)定的壓力下，調(diào)節(jié)溢流閥2可以改變液壓系統(tǒng)的工作壓力。電液比例方向閥根據(jù)工控機(jī)傳來(lái)的信號(hào)符號(hào)與大小確定液壓缸活塞的移動(dòng)方向和位移量，調(diào)整調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開(kāi)口的大小，穩(wěn)定混合煤氣壓力。為了處理發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種緊急情況，電磁換向閥6用于實(shí)現(xiàn)電液調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉或開(kāi)啟的應(yīng)急功能。手動(dòng)換向閥8用于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的機(jī)械手輪的降級(jí)操作。

圖1　電液調(diào)節(jié)閥控混合煤氣系統(tǒng)

1 二位二通電磁換向閥；2 溢流閥；3 電液比例方向閥；4 單向閥；5 蓄能器；
6 三位四通電磁換向閥；7 節(jié)流閥；8 手動(dòng)換向閥；9 液壓缸；10 調(diào)節(jié)閥門

2　混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)

    混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，混合煤氣Go1（s）為主對(duì)象，調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)閥桿Go2（s）為副對(duì)象，混合煤氣的壓力y1為主被控變量，驅(qū)動(dòng)閥桿位移y2為副被控變量，Gc1（s）為主控制器，Gc2（s）為副控制器，Gv（s）為調(diào)節(jié)閥門傳遞函數(shù)，Gm1（s）為壓力檢測(cè)變送環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，Gm2（s）為位移檢測(cè)變送環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，f1為作用在主對(duì)象上的一次擾動(dòng)，f2為作用在副對(duì)象上的二次擾動(dòng)。主被控變量和副被控變量分別通過(guò)主控制器和副控制器構(gòu)成外環(huán)和內(nèi)環(huán)。主被控變量y1的設(shè)定值r1根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的壓力要求設(shè)定后保持不變，所以外環(huán)是一個(gè)恒值控制系統(tǒng)，而副控制器的給定值r2由主控制器的輸出提供，隨主控制器輸出變化而變化，所以內(nèi)環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖2　混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1　抗干擾性能

由圖2可知，混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)二次擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為

當(dāng)混合煤氣的穩(wěn)壓采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，由于沒(méi)有內(nèi)環(huán)，其二次擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)為

因此，在混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)中，進(jìn)入內(nèi)環(huán)的擾動(dòng)可等效為采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)所進(jìn)入擾動(dòng)的1/（1+Gc2（s）Gv（s）Go2（s）Gm2（s）），靜態(tài)時(shí)，其值為1/（1+Kc2KvKo2Km2）。式中：Kc2，Kv，Ko2，Km2分別為對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)的增益。由于穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)為負(fù)反饋，根據(jù)負(fù)反饋控制系統(tǒng)準(zhǔn)則可知Kc2KvKo2Km2>0，所以，擾動(dòng)進(jìn)入串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的等效值變小了，即控制系統(tǒng)能迅速克服進(jìn)入內(nèi)環(huán)的擾動(dòng)，如調(diào)節(jié)閥閥桿與密封填料之間的摩擦所導(dǎo)致的死區(qū)，不同行程時(shí)混合煤氣作用在調(diào)節(jié)閥閥心的不平衡力變化等。

2.2　適應(yīng)能力

混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為

將 Gc2（s）=Kc2，Gv（s）=Kv，Gm2（s）=Km2，Go2（s）=Ko2/（To2s+1）代入式（3）并化簡(jiǎn)后得

式中：

內(nèi)環(huán)增益對(duì)調(diào)節(jié)閥門和副被控對(duì)象的靈敏度分別為

    由于單回路控制系統(tǒng)增益對(duì)調(diào)節(jié)閥門和副被控對(duì)象的靈敏度分別為Kc2 Ko2，Kc2 Kv，故內(nèi)環(huán)增益對(duì)內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)的靈敏度降低到閉合形成內(nèi)環(huán)前的1/（1+Kc2 Kv Ko2 Km2）2，這表明內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)參數(shù)變化對(duì)內(nèi)環(huán)增益的影響不大。因此，混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)允許內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)特性在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，而不影響整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)，即系統(tǒng)具有較好的自適應(yīng)能力，對(duì)負(fù)荷變化和對(duì)象參數(shù)變化的適應(yīng)性增強(qiáng)，有助于削弱內(nèi)環(huán)前向通道包含的非線性特性對(duì)混合煤氣控制的影響。

    此外，由于內(nèi)環(huán)等效時(shí)間常數(shù)T內(nèi)為To2的1/（1+Kc2 Kv Ko2 Km2），有利于增大與主對(duì)象時(shí)間常數(shù)之差，根據(jù)控制理論中的錯(cuò)開(kāi)原理，如果一個(gè)系統(tǒng)含有多個(gè)時(shí)間常數(shù)，則這些時(shí)間常數(shù)彼此之差越大系統(tǒng)就越穩(wěn)定。在保持相同穩(wěn)定性的條件下，混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)允許主控制器的比例帶可以更小一些，從而可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)對(duì)混合煤氣的調(diào)節(jié)速度，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

3　仿真與分析

    正常發(fā)電時(shí)，圖1中電磁換向閥1，6和手動(dòng)換向閥8處于關(guān)閉狀態(tài)，蓄能器5充滿液后將保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，建模仿真時(shí)可省略電磁換向閥1以及用于應(yīng)急功能和機(jī)械手輪降級(jí)操作的部件，主要分析泵、溢流閥、電液比例方向閥、液壓缸、調(diào)節(jié)閥門以及混合煤氣之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。圖3為應(yīng)用AMESim建立的混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)物理仿真模型。與調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)剛性連接的運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量集中于質(zhì)量元件M上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)摩擦特性也通過(guò)M施加。除摩擦力、調(diào)節(jié)閥門閥芯不平衡力外，其余作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載通過(guò)力轉(zhuǎn)換單元F施加。

圖3　混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)物理仿真模型

    燃?xì)廨啓C(jī)正常發(fā)電時(shí)對(duì)混合煤氣的壓力要求為（2.35±0.3）MPa，混合煤氣壓力從0MPa升至正常發(fā)電壓力的調(diào)節(jié)時(shí)間需小于3s。仿真中控制信號(hào)設(shè)定為2.35MPa，為了驗(yàn)證控制算法的有效性，在仿真的第10s施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為2s的一次階躍擾動(dòng)，在仿真的第20s施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為2s的二次階躍擾動(dòng)，質(zhì)量元件M的質(zhì)量為50kg，粘性摩擦因數(shù)為0.5，風(fēng)力因數(shù)為0.5，庫(kù)侖摩擦力為500N，靜摩擦力為550N，力轉(zhuǎn)換單元F的力為-20kN，壓縮機(jī)出口壓力為3MPa。圖4和圖5為在擾動(dòng)作用下分別采用串級(jí)控制和單回路控制的混合煤氣穩(wěn)壓系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。串級(jí)控制響應(yīng)的超調(diào)量為6%，調(diào)節(jié)時(shí)間為2.3s，一次擾動(dòng)下混合煤氣壓力的最大偏差為0.25MPa，二次擾動(dòng)下混合煤氣壓力的最大偏差為0.2MPa。單回路控制響應(yīng)的超調(diào)量為20%，調(diào)節(jié)時(shí)間為4.2s，一次擾動(dòng)下混合煤氣壓力的最大偏差為0.51MPa，二次擾動(dòng)下混合煤氣壓力的最大偏差為0.5MPa。

    仿真結(jié)果顯示，單回路控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)并不能完全滿足燃?xì)廨啓C(jī)的要求，將影響發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)行。這與某鋼廠在實(shí)際發(fā)電過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)由于混合煤氣壓力波動(dòng)過(guò)大而造成發(fā)電設(shè)備停機(jī)的現(xiàn)象相吻合。串級(jí)控制對(duì)煤氣穩(wěn)壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性改善明顯，對(duì)擾動(dòng)能夠達(dá)到比較好的抑制效果，滿足燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)混合煤氣穩(wěn)壓系統(tǒng)的控制要求。

圖4　串級(jí)控制響應(yīng)曲線

圖5　單回路控制響應(yīng)曲線

4　結(jié)論

1）共振現(xiàn)象是串級(jí)控制系統(tǒng)的固有特性，為了避免混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)出現(xiàn)共振，內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)的增益選擇需與主控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配。

2）串級(jí)控制系統(tǒng)同時(shí)具有恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，內(nèi)環(huán)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)，外環(huán)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行細(xì)調(diào)。仿真結(jié)果表明，混合煤氣穩(wěn)壓串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)具有比較強(qiáng)的抑制能力。