电液调节阀大流量混合气压控制研究

0 引言

在生产过程中，钢铁企业可能会产生大量的焦炉和高炉气体。为了降低企业的整体能耗和材料消耗，减少环境污染，一些钢铁企业开始利用这些副产品开发气体蒸汽联合循环发电项目。由于混合气体的可燃物含量低、热值低、燃烧性能差，燃料机对混合气体的压力控制要求相对较高。混合气体的稳压控制是发电工程正常运行的关键。然而，混合气管压力系统是一个干扰剧烈、非线性、容量滞后较大的系统，单回路控制系统难以满足混合气体压力控制的要求。

针对钢铁企业的大流量(5).4×10⁴    m³/h）本文提出通过电液调节阀对混合气体进行串级稳压控制，导致发电设备停机。

1　电液调节阀控混合煤气系统原理

电液调节阀控制混合气体系统的原理如图1所示，启动液压泵，使二位二通换向阀1的电磁铁通电。此时，整个液压系统在调整溢流阀2可以改变液压系统的工作压力。电液比方向阀根据工业控制机的信号符号和尺寸确定液压缸活塞的移动方向和位移，调整调节阀开口的尺寸，稳定混合气体压力。为处理发电现场可能发生的各种紧急情况，电磁换向阀6用于实现电液调节阀快速关闭或打开的应急功能。手动换向阀8用于降级调节阀的机械手轮。

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图1　电液调节阀控混合煤气系统

1 二位电磁换向阀；2 溢流阀；3 电液比方向阀；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

2　混合煤气稳压串级控制系统

如图2所示，混合气体稳压串级控制系统的结构G_o1（s）主要对象是调节阀的驱动阀杆G_o2（s）为副对象，混合煤气的压力y₁主要控制变量，驱动阀杆位移y₂副被控变量，G_c1（s）主控制器，G_c2（s）副控制器，G_v（s）为调节阀门传递函数，G_m1（s）传递压力检测变送环节的函数，G_m2（s）将函数传递到位移检测变送环节，f₁作用于主对象的扰动，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，外环是恒值控制系统，副控制器给定值r由主控制器输出提供，随主控制器输出的变化而变化，因此内环是一个随机控制系统。

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图2　混合煤气稳压串级控制系统结构

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2.1　抗干扰性能

根据图2，混合气体稳压串级控制系统内环二次扰动通道的传输函数为

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当混合气体的稳压采用单回路控制系统时，二次扰动通道的传输函数为

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因此，在混合气体稳压串级控制系统中，进入内环的扰动可以等效为单回路控制系统进入扰动的1/(1 G_c2（s）G_v（s）G_o2（s）G_m2（s）），静态值为1/(1 K_c2K_vK_o2K_m2）。式中：K_c2，K_v，K_o2，K_m2分别是相应链接的增益。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的标准Kc2KvKo2Km2>0.因此，扰动进入串级控制系统内环的等效值较小，即控制系统可以快速克服进入内环的扰动，如调节阀杆与密封填料之间的摩擦造成的死区，调节阀芯不平衡变化中混合气体的不同行程。

2.2　适应能力

混合气体稳压串级控制系统内环的传输函数为

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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)

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式中：

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内环增益对调节阀和副被控对象的灵敏度分别为

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单回路控制系统对调节阀和副被控对象的灵敏度分别为K_c2 K_o2，K_c2    K_v，因此，内环增益对内环各环节的灵敏度降低到内环闭合前的1/(1 K_c2 K_v K_o2    K_m2）²，这说明内环各环节参数变化对内环增益影响不大。因此，混合气体稳压串级控制系统允许内环各环节的特性在不影响整个系统控制质量的情况下在一定范围内发生变化，即系统具有良好的自适应性，增强对载荷变化和对象参数变化的适应性，有助于削弱内环前通道中包含的非线性特性对混合气体控制的影响。

此外，由于内环等效时间的常数T_内为T_o2的1/（1 K_c2 K_v K_o2 K_m2），根据控制理论中的错开原理，如果一个系统包含多个时间常数，那么这些时间常数之间的差异越大，系统就越稳定。在保持相同稳定性的情况下，混合气体稳压串控制系统允许主控制器的比例带较小，进一步提高混合气体的调节速度，提高系统的动态响应特性。

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3　仿真与分析

正常发电时，图1中的电磁换向阀1、6和手动换向阀8处于关闭状态，蓄能器5充满液体后保持稳定。因此，电磁换向阀1和用于应急功能和机械手轮降级的部件可以在建模和模拟过程中省略，主要分析泵、溢流阀、电液比方向阀、液压缸、调节阀和混合气体之间的动态关系。图3为应用程序AMESim建立的混合气体稳压串级控制系统物理模拟模型。与调节阀执行机构刚性连接的运动部件的总质量集中在质量部件上M执行机构的摩擦特性也通过M施加。除摩擦力和调节阀芯不平衡力外，其余作用于执行机构负载通过力转换单元F施加。

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图3　混合煤气稳压串级控制系统物理仿真模型

当燃气轮机正常发电时，混合气体的压力要求为(2.35±0.3）MPa，混合气压从0MPa调节正常发电压力的时间应小于3s。模拟控制信号设置为2.35MPa，为了验证控制算法的有效性，控制算法的有效性s持续时间为2s在模拟的第20个阶跃扰动s持续时间为2s二次阶跃扰动、质量元件M的质量为50kg，粘性摩擦因数为0.五、风因为0.5.库仑摩擦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是混合气体稳压系统的响应曲线，在扰动作用下回路控制的响应曲线。串控响应的超调量为6%，调整时间为2.3s，混合气压的最大偏差为0.25MPa，混合气压在二次扰动下的最大偏差为0.2MPa。单回路控制响应的超调量为20%，调整时间为4.2s，混合气压的最大偏差为0.51MPa，混合气压在二次扰动下的最大偏差为0.5MPa。

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模拟结果表明，单回路控制系统的性能指标不能完全满足燃气轮机的要求，会影响发电设备的正常运行。这与钢厂在实际发电过程中经常因混合气体压力波动过大而关闭发电设备的现象一致。串行控制显著提高了气体稳压系统的动态特性，可以达到良好的扰动抑制效果，满足气体轮机对混合气体稳压系统的控制要求。

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图4　串级控制响应曲线

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图5　单回路控制响应曲线

4　结论

1)共振现象是串制系统的固有特性。为避免混合气体稳压串联控制系统的共振，内环各环节的增益选择应与主控制对象的时间常数相匹配。

2)串级控制系统具有恒值控制系统和随动控制系统的特点，内环粗调扰动，外环细调扰动。模拟结果表明，混合气体稳压串级控制系统对扰动具有较强的抑制能力。