关于电液调节阀的大流量混合煤气压力控制研究

0 引言

在生产过程中钢铁企业可能产生大量的焦炉和高炉煤气。为了降低企业的总体能耗和物耗，减小环境污染，有些钢铁企业开始利用这些副产品混合煤气发展燃气－蒸汽联合循环发电工程。由于混合煤气的可燃物含量少、热值低、燃烧性能差，燃机对混合煤气的压力控制要求比较高。能否实现混合煤气的稳压控制，成发电工程能否正常运行的关键。然而，混合煤气管压力系统是一个扰动剧烈、非线性、容量滞后较大的系统，采用单回路控制系统很难满足燃机对混合煤气压力控制的要求。

针对某钢铁企业大流量（5.4×10⁴ m³/h）混合煤气系统压力波动幅值大，导致发电设备停机的问题，本文提出通过电液调节阀对混合煤气进行串级稳压控制。

1　电液调节阀控混合煤气系统原理

电液调节阀控混合煤气系统的原理如图1所示，启动液压泵，并使二位二通换向阀1的电磁铁通电，此时整个液压系统工作在调定的压力下，调节溢流阀2可以改变液压系统的工作压力。电液比例方向阀根据工控机传来的信号符号与大小确定液压缸活塞的移动方向和位移量，调整调节调节阀开口的大小，稳定混合煤气压力。为了处理发电现场可能出现的各种紧急情况，电磁换向阀6用于实现电液调节阀快速关闭或开启的应急功能。手动换向阀8用于实现调节阀的机械手轮的降级操作。

图1　电液调节阀控混合煤气系统

1 二位二通电磁换向阀；2 溢流阀；3 电液比例方向阀；4 单向阀；5 蓄能器；
6 三位四通电磁换向阀；7 节流阀；8 手动换向阀；9 液压缸；10 调节阀门

2　混合煤气稳压串级控制系统

混合煤气稳压串级控制系统的结构如图2所示，混合煤气G_o1（s）为主对象，调节阀的驱动阀杆G_o2（s）为副对象，混合煤气的压力y₁为主被控变量，驱动阀杆位移y₂为副被控变量，G_c1（s）为主控制器，G_c2（s）为副控制器，G_v（s）为调节阀门传递函数，G_m1（s）为压力检测变送环节传递函数，G_m2（s）为位移检测变送环节传递函数，f₁为作用在主对象上的一次扰动，f₂为作用在副对象上的二次扰动。主被控变量和副被控变量分别通过主控制器和副控制器构成外环和内环。主被控变量y₁的设定值r₁根据燃气轮机的压力要求设定后保持不变，所以外环是一个恒值控制系统，而副控制器的给定值r2由主控制器的输出提供，随主控制器输出变化而变化，所以内环是一个随动控制系统。

图2　混合煤气稳压串级控制系统结构

2.1　抗干扰性能

由图2可知，混合煤气稳压串级控制系统内环二次扰动通道的传递函数为

当混合煤气的稳压采用单回路控制系统时，由于没有内环，其二次扰动通道传递函数为

因此，在混合煤气稳压串级控制系统中，进入内环的扰动可等效为采用单回路控制系统时所进入扰动的1/（1+G_c2（s）G_v（s）G_o2（s）G_m2（s）），静态时，其值为1/（1+K_c2K_vK_o2K_m2）。式中：K_c2，K_v，K_o2，K_m2分别为对应环节的增益。由于稳压串级控制系统的内环为负反馈，根据负反馈控制系统准则可知Kc2KvKo2Km2>0，所以，扰动进入串级控制系统内环的等效值变小了，即控制系统能迅速克服进入内环的扰动，如调节阀阀杆与密封填料之间的摩擦所导致的死区，不同行程时混合煤气作用在调节阀阀心的不平衡力变化等。

2.2　适应能力

混合煤气稳压串级控制系统内环的传递函数为

将 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）并化简后得

式中：

内环增益对调节阀门和副被控对象的灵敏度分别为

由于单回路控制系统增益对调节阀门和副被控对象的灵敏度分别为K_c2 K_o2，K_c2 K_v，故内环增益对内环各环节的灵敏度降低到闭合形成内环前的1/（1+K_c2 K_v K_o2 K_m2）²，这表明内环各环节参数变化对内环增益的影响不大。因此，混合煤气稳压串级控制系统允许内环各环节特性在一定范围内变动，而不影响整个系统的控制品质，即系统具有较好的自适应能力，对负荷变化和对象参数变化的适应性增强，有助于削弱内环前向通道包含的非线性特性对混合煤气控制的影响。

此外，由于内环等效时间常数T_内为T_o2的1/（1+K_c2 K_v K_o2 K_m2），有利于增大与主对象时间常数之差，根据控制理论中的错开原理，如果一个系统含有多个时间常数，则这些时间常数彼此之差越大系统就越稳定。在保持相同稳定性的条件下，混合煤气稳压串级控制系统允许主控制器的比例带可以更小一些，从而可以进一步提高系统对混合煤气的调节速度，改善系统的动态响应特性。

3　仿真与分析

正常发电时，图1中电磁换向阀1，6和手动换向阀8处于关闭状态，蓄能器5充满液后将保持稳定状态。因此，建模仿真时可省略电磁换向阀1以及用于应急功能和机械手轮降级操作的部件，主要分析泵、溢流阀、电液比例方向阀、液压缸、调节阀门以及混合煤气之间的动态关系。图3为应用AMESim建立的混合煤气稳压串级控制系统物理仿真模型。与调节阀执行机构刚性连接的运动部件总质量集中于质量元件M上，执行机构摩擦特性也通过M施加。除摩擦力、调节阀门阀芯不平衡力外，其余作用于执行机构负载通过力转换单元F施加。

图3　混合煤气稳压串级控制系统物理仿真模型

燃气轮机正常发电时对混合煤气的压力要求为（2.35±0.3）MPa，混合煤气压力从0MPa升至正常发电压力的调节时间需小于3s。仿真中控制信号设定为2.35MPa，为了验证控制算法的有效性，在仿真的第10s施加一个持续时间为2s的一次阶跃扰动，在仿真的第20s施加一个持续时间为2s的二次阶跃扰动，质量元件M的质量为50kg，粘性摩擦因数为0.5，风力因数为0.5，库仑摩擦力为500N，静摩擦力为550N，力转换单元F的力为-20kN，压缩机出口压力为3MPa。图4和图5为在扰动作用下分别采用串级控制和单回路控制的混合煤气稳压系统的响应曲线。串级控制响应的超调量为6%，调节时间为2.3s，一次扰动下混合煤气压力的最大偏差为0.25MPa，二次扰动下混合煤气压力的最大偏差为0.2MPa。单回路控制响应的超调量为20%，调节时间为4.2s，一次扰动下混合煤气压力的最大偏差为0.51MPa，二次扰动下混合煤气压力的最大偏差为0.5MPa。

仿真结果显示，单回路控制系统的各项性能指标并不能完全满足燃气轮机的要求，将影响发电设备的正常运行。这与某钢厂在实际发电过程经常出现由于混合煤气压力波动过大而造成发电设备停机的现象相吻合。串级控制对煤气稳压系统的动态特性改善明显，对扰动能够达到比较好的抑制效果，满足燃气轮机对混合煤气稳压系统的控制要求。

图4　串级控制响应曲线

图5　单回路控制响应曲线

4　结论

1）共振现象是串级控制系统的固有特性，为了避免混合煤气稳压串级控制系统出现共振，内环各环节的增益选择需与主控制对象的时间常数匹配。

2）串级控制系统同时具有恒值控制系统和随动控制系统的特点，内环对扰动进行粗调，外环对扰动进行细调。仿真结果表明，混合煤气稳压串级控制系统对扰动具有比较强的抑制能力。