0 引言

在生產(chǎn)過程中，鋼鐵企業(yè)可能會產(chǎn)生大量的焦爐和高爐氣體。為了降低企業(yè)的整體能耗和材料消耗，減少環(huán)境污染，一些鋼鐵企業(yè)開始利用這些副產(chǎn)品開發(fā)氣體蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目。由于混合氣體的可燃物含量低、熱值低、燃燒性能差，燃料機對混合氣體的壓力控制要求相對較高?；旌蠚怏w的穩(wěn)壓控制是發(fā)電工程正常運行的關(guān)鍵。然而，混合氣管壓力系統(tǒng)是一個干擾劇烈、非線性、容量滯后較大的系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)難以滿足混合氣體壓力控制的要求。

針對鋼鐵企業(yè)的大流量(5).4×10⁴    m³/h）本文提出通過電液調(diào)節(jié)閥對混合氣體進行串級穩(wěn)壓控制，導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備停機。

1　電液調(diào)節(jié)閥控混合煤氣系統(tǒng)原理

電液調(diào)節(jié)閥控制混合氣體系統(tǒng)的原理如圖1所示，啟動液壓泵，使二位二通換向閥1的電磁鐵通電。此時，整個液壓系統(tǒng)在調(diào)整溢流閥2可以改變液壓系統(tǒng)的工作壓力。電液比方向閥根據(jù)工業(yè)控制機的信號符號和尺寸確定液壓缸活塞的移動方向和位移，調(diào)整調(diào)節(jié)閥開口的尺寸，穩(wěn)定混合氣體壓力。為處理發(fā)電現(xiàn)場可能發(fā)生的各種緊急情況，電磁換向閥6用于實現(xiàn)電液調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉或打開的應(yīng)急功能。手動換向閥8用于降級調(diào)節(jié)閥的機械手輪。

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圖1　電液調(diào)節(jié)閥控混合煤氣系統(tǒng)

1 二位電磁換向閥；2 溢流閥；3 電液比方向閥；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

2　混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)

如圖2所示，混合氣體穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)G_o1（s）主要對象是調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動閥桿G_o2（s）為副對象，混合煤氣的壓力y₁主要控制變量，驅(qū)動閥桿位移y₂副被控變量，G_c1（s）主控制器，G_c2（s）副控制器，G_v（s）為調(diào)節(jié)閥門傳遞函數(shù)，G_m1（s）傳遞壓力檢測變送環(huán)節(jié)的函數(shù)，G_m2（s）將函數(shù)傳遞到位移檢測變送環(huán)節(jié)，f₁作用于主對象的擾動，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(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)燃氣輪機的壓力要求，外環(huán)是恒值控制系統(tǒng)，副控制器給定值r由主控制器輸出提供，隨主控制器輸出的變化而變化，因此內(nèi)環(huán)是一個隨機控制系統(tǒng)。

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

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2.1　抗干擾性能

根據(jù)圖2，混合氣體穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)二次擾動通道的傳輸函數(shù)為

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當混合氣體的穩(wěn)壓采用單回路控制系統(tǒng)時，二次擾動通道的傳輸函數(shù)為

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因此，在混合氣體穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)中，進入內(nèi)環(huán)的擾動可以等效為單回路控制系統(tǒng)進入擾動的1/(1 G_c2（s）G_v（s）G_o2（s）G_m2（s）），靜態(tài)值為1/(1 K_c2K_vK_o2K_m2）。式中：K_c2，K_v，K_o2，K_m2分別是相應(yīng)鏈接的增益。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)的標準Kc2KvKo2Km2>0.因此，擾動進入串級控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的等效值較小，即控制系統(tǒng)可以快速克服進入內(nèi)環(huán)的擾動，如調(diào)節(jié)閥桿與密封填料之間的摩擦造成的死區(qū)，調(diào)節(jié)閥芯不平衡變化中混合氣體的不同行程。

2.2　適應(yīng)能力

混合氣體穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的傳輸函數(shù)為

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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)

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式中：

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

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單回路控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)閥和副被控對象的靈敏度分別為K_c2 K_o2，K_c2    K_v，因此，內(nèi)環(huán)增益對內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)的靈敏度降低到內(nèi)環(huán)閉合前的1/(1 K_c2 K_v K_o2    K_m2）²，這說明內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)參數(shù)變化對內(nèi)環(huán)增益影響不大。因此，混合氣體穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)允許內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)的特性在不影響整個系統(tǒng)控制質(zhì)量的情況下在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化，即系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)性，增強對載荷變化和對象參數(shù)變化的適應(yīng)性，有助于削弱內(nèi)環(huán)前通道中包含的非線性特性對混合氣體控制的影響。

此外，由于內(nèi)環(huán)等效時間的常數(shù)T_內(nèi)為T_o2的1/（1 K_c2 K_v K_o2 K_m2），根據(jù)控制理論中的錯開原理，如果一個系統(tǒng)包含多個時間常數(shù)，那么這些時間常數(shù)之間的差異越大，系統(tǒng)就越穩(wěn)定。在保持相同穩(wěn)定性的情況下，混合氣體穩(wěn)壓串控制系統(tǒng)允許主控制器的比例帶較小，進一步提高混合氣體的調(diào)節(jié)速度，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。

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3　仿真與分析

正常發(fā)電時，圖1中的電磁換向閥1、6和手動換向閥8處于關(guān)閉狀態(tài)，蓄能器5充滿液體后保持穩(wěn)定。因此，電磁換向閥1和用于應(yīng)急功能和機械手輪降級的部件可以在建模和模擬過程中省略，主要分析泵、溢流閥、電液比方向閥、液壓缸、調(diào)節(jié)閥和混合氣體之間的動態(tài)關(guān)系。圖3為應(yīng)用程序AMESim建立的混合氣體穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)物理模擬模型。與調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)剛性連接的運動部件的總質(zhì)量集中在質(zhì)量部件上M執(zhí)行機構(gòu)的摩擦特性也通過M施加。除摩擦力和調(diào)節(jié)閥芯不平衡力外，其余作用于執(zhí)行機構(gòu)負載通過力轉(zhuǎn)換單元F施加。

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圖3　混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)物理仿真模型

當燃氣輪機正常發(fā)電時，混合氣體的壓力要求為(2.35±0.3）MPa，混合氣壓從0MPa調(diào)節(jié)正常發(fā)電壓力的時間應(yīng)小于3s。模擬控制信號設(shè)置為2.35MPa，為了驗證控制算法的有效性，控制算法的有效性s持續(xù)時間為2s在模擬的第20個階躍擾動s持續(xù)時間為2s二次階躍擾動、質(zhì)量元件M的質(zhì)量為50kg，粘性摩擦因數(shù)為0.五、風因為0.5.庫侖摩擦500N，靜摩擦力為550N，力轉(zhuǎn)換單元F的力為-20kN，壓縮機出口壓力為3MPa。圖4和圖5是混合氣體穩(wěn)壓系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，在擾動作用下回路控制的響應(yīng)曲線。串控響應(yīng)的超調(diào)量為6%，調(diào)整時間為2.3s，混合氣壓的最大偏差為0.25MPa，混合氣壓在二次擾動下的最大偏差為0.2MPa。單回路控制響應(yīng)的超調(diào)量為20%，調(diào)整時間為4.2s，混合氣壓的最大偏差為0.51MPa，混合氣壓在二次擾動下的最大偏差為0.5MPa。

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模擬結(jié)果表明，單回路控制系統(tǒng)的性能指標不能完全滿足燃氣輪機的要求，會影響發(fā)電設(shè)備的正常運行。這與鋼廠在實際發(fā)電過程中經(jīng)常因混合氣體壓力波動過大而關(guān)閉發(fā)電設(shè)備的現(xiàn)象一致。串行控制顯著提高了氣體穩(wěn)壓系統(tǒng)的動態(tài)特性，可以達到良好的擾動抑制效果，滿足氣體輪機對混合氣體穩(wěn)壓系統(tǒng)的控制要求。

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圖4　串級控制響應(yīng)曲線

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圖5　單回路控制響應(yīng)曲線

4　結(jié)論

1)共振現(xiàn)象是串制系統(tǒng)的固有特性。為避免混合氣體穩(wěn)壓串聯(lián)控制系統(tǒng)的共振，內(nèi)環(huán)各環(huán)節(jié)的增益選擇應(yīng)與主控制對象的時間常數(shù)相匹配。

2)串級控制系統(tǒng)具有恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)的特點，內(nèi)環(huán)粗調(diào)擾動，外環(huán)細調(diào)擾動。模擬結(jié)果表明，混合氣體穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)對擾動具有較強的抑制能力。