關于電液調(diào)節(jié)閥的大流量混合煤氣壓力控制研究

在生產(chǎn)過程中鋼鐵企業(yè)可能產(chǎn)生大量的焦爐和高爐煤氣。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)開始利用這些副產(chǎn)品混合煤氣發(fā)展燃氣－蒸汽聯(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，燃機對混合煤氣的壓力控制要求比較高。能否實現(xiàn)混合煤氣的穩(wěn)壓控制，成發(fā)電工程能否正常運行的關鍵。然而，混合煤氣管壓力系統(tǒng)是一個擾動劇烈、非線性、容量滯后較大的系統(tǒng)，采用單回路控制系統(tǒng)很難滿足燃機對混合煤氣壓力控制的要求。

針對某鋼鐵企業(yè)大流量（5.4×10⁴ m³/h）混合煤氣系統(tǒng)壓力波動幅值大，導致發(fā)電設備停機的問題，本文提出通過電液調(diào)節(jié)閥對混合煤氣進行串級穩(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，啟動液壓泵，并使二位二通換向閥1的電磁鐵通電，此時整個液壓系統(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)工控機傳來的信號符號與大小確定液壓缸活塞的移動方向和位移量，調(diào)整調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開口的大小，穩(wěn)定混合煤氣壓力。為了處理發(fā)電現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種緊急情況，電磁換向閥6用于實現(xiàn)電液調(diào)節(jié)閥快速關閉或開啟的應急功能。手動換向閥8用于實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的機械手輪的降級操作。

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 手動換向閥；9 液壓缸；10 調(diào)節(jié)閥門

2　混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)

混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)的結構如圖2所示，混合煤氣G_o1（s）為主對象，調(diào)節(jié)閥的驅動閥桿G_o2（s）為副對象，混合煤氣的壓力y₁為主被控變量，驅動閥桿位移y₂為副被控變量，G_c1（s）為主控制器，G_c2（s）為副控制器，G_v（s）為調(diào)節(jié)閥門傳遞函數(shù)，G_m1（s）為壓力檢測變送環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，G_m2（s）為位移檢測變送環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，f₁為作用在主對象上的一次擾動，f₂為作用在副對象上的二次擾動。主被控變量和副被控變量分別通過主控制器和副控制器構成外環(huán)和內(nèi)環(huán)。主被控變量y₁的設定值r₁根據(jù)燃氣輪機的壓力要求設定后保持不變，所以外環(huán)是一個恒值控制系統(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)是一個隨動控制系統(tǒng)。

圖2　混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)結構 

2.1　抗干擾性能

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

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

因此，在混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)中，進入內(nèi)環(huán)的擾動可等效為采用單回路控制系統(tǒng)時所進入擾動的1/（1+G_c2（s）G_v（s）G_o2（s）G_m2（s）），靜態(tài)時，其值為1/（1+K_c2K_vK_o2K_m2）。式中：K_c2，K_v，K_o2，K_m2分別為對應環(huán)節(jié)的增益。由于穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)為負反饋，根據(jù)負反饋控制系統(tǒng)準則可知Kc2KvKo2Km2>0，所以，擾動進入串級控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的等效值變小了，即控制系統(tǒng)能迅速克服進入內(nèi)環(huán)的擾動，如調(diào)節(jié)閥閥桿與密封填料之間的摩擦所導致的死區(qū)，不同行程時混合煤氣作用在調(diào)節(jié)閥閥心的不平衡力變化等。

2.2　適應能力

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

將 G_c2（s）=K_c2，G_v（s）=K_v，G_m2（s）=K_m2，G_o2（s）=K_o2/（T_o2s+1）代入式（3）并化簡后得

式中：

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

由于單回路控制系統(tǒng)增益對調(diào)節(jié)閥門和副被控對象的靈敏度分別為K_c2 K_o2，K_c2 K_v，故內(nèi)環(huán)增益對內(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+K_c2 K_v K_o2 K_m2）²，這表明內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)參數(shù)變化對內(nèi)環(huán)增益的影響不大。因此，混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)允許內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)特性在一定范圍內(nèi)變動，而不影響整個系統(tǒng)的控制品質，即系統(tǒng)具有較好的自適應能力，對負荷變化和對象參數(shù)變化的適應性增強，有助于削弱內(nèi)環(huán)前向通道包含的非線性特性對混合煤氣控制的影響。

此外，由于內(nèi)環(huán)等效時間常數(shù)T_內(nèi)為T_o2的1/（1+K_c2 K_v K_o2 K_m2），有利于增大與主對象時間常數(shù)之差，根據(jù)控制理論中的錯開原理，如果一個系統(tǒng)含有多個時間常數(shù)，則這些時間常數(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，從而可以進一步提高系統(tǒng)對混合煤氣的調(diào)節(jié)速度，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應特性。 

3　仿真與分析

正常發(fā)電時，圖1中電磁換向閥1，6和手動換向閥8處于關閉狀態(tài)，蓄能器5充滿液后將保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，建模仿真時可省略電磁換向閥1以及用于應急功能和機械手輪降級操作的部件，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態(tài)關系。圖3為應用AMESim建立的混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)物理仿真模型。與調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構剛性連接的運動部件總質量集中于質量元件M上，執(zhí)行機構摩擦特性也通過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)行機構負載通過力轉換單元F施加。

圖3　混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)物理仿真模型

燃氣輪機正常發(fā)電時對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)時間需小于3s。仿真中控制信號設定為2.35MPa，為了驗證控制算法的有效性，在仿真的第10s施加一個持續(xù)時間為2s的一次階躍擾動，在仿真的第20s施加一個持續(xù)時間為2s的二次階躍擾動，質量元件M的質量為50kg，粘性摩擦因數(shù)為0.5，風力因數(shù)為0.5，庫侖摩擦力為500N，靜摩擦力為550N，力轉換單元F的力為-20kN，壓縮機出口壓力為3MPa。圖4和圖5為在擾動作用下分別采用串級控制和單回路控制的混合煤氣穩(wěn)壓系統(tǒng)的響應曲線。串級控制響應的超調(diào)量為6%，調(diào)節(jié)時間為2.3s，一次擾動下混合煤氣壓力的最大偏差為0.25MPa，二次擾動下混合煤氣壓力的最大偏差為0.2MPa。單回路控制響應的超調(diào)量為20%，調(diào)節(jié)時間為4.2s，一次擾動下混合煤氣壓力的最大偏差為0.51MPa，二次擾動下混合煤氣壓力的最大偏差為0.5MPa。