0 引言

在生產過程中鋼鐵企業可能產生大量的焦爐和高爐煤氣。為了降低企業的總體能耗和物耗，減小環境污染，有些鋼鐵企業開始利用這些副產品混合煤氣發展燃氣－蒸汽聯合循環發電工程。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。能否實現混合煤氣的穩壓控制，成發電工程能否正常運行的關鍵。然而，混合煤氣管壓力系統是一個擾動劇烈、非線性、容量滯后較大的系統，采用單回路控制系統很難滿足燃機對混合煤氣壓力控制的要求。

針對某鋼鐵企業大流量（5.4×10⁴ m³/h）混合煤氣系統壓力波動幅值大，導致發電設備停機的問題，本文提出通過電液調節閥對混合煤氣進行串級穩壓控制。

1　電液調節閥控混合煤氣系統原理

電液調節閥控混合煤氣系統的原理如圖1所示，啟動液壓泵，并使二位二通換向閥1的電磁鐵通電，此時整個液壓系統工作在調定的壓力下，調節溢流閥2可以改變液壓系統的工作壓力。電液比例方向閥根據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，調整調節調節閥開口的大小，穩定混合煤氣壓力。為了處理發電現場可能出現的各種緊急情況，電磁換向閥6用于實現電液調節閥快速關閉或開啟的應急功能。手動換向閥8用于實現調節閥的機械手輪的降級操作。

圖1　電液調節閥控混合煤氣系統

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 節流閥；8 手動換向閥；9 液壓缸；10 調節閥門

2　混合煤氣穩壓串級控制系統

混合煤氣穩壓串級控制系統的結構如圖2所示，混合煤氣G_o1（s）為主對象，調節閥的驅動閥桿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）為調節閥門傳遞函數，G_m1（s）為壓力檢測變送環節傳遞函數，G_m2（s）為位移檢測變送環節傳遞函數，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和內環。主被控變量y₁的設定值r₁根據燃氣輪機的壓力要求設定后保持不變，所以外環是一個恒值控制系統，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，所以內環是一個隨動控制系統。

圖2　混合煤氣穩壓串級控制系統結構

2.1　抗干擾性能

由圖2可知，混合煤氣穩壓串級控制系統內環二次擾動通道的傳遞函數為

當混合煤氣的穩壓采用單回路控制系統時，由于沒有內環，其二次擾動通道傳遞函數為

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

2.2　適應能力

混合煤氣穩壓串級控制系統內環的傳遞函數為

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：

內環增益對調節閥門和副被控對象的靈敏度分別為

由于單回路控制系統增益對調節閥門和副被控對象的靈敏度分別為K_c2 K_o2，K_c2 K_v，故內環增益對內環各環節的靈敏度降低到閉合形成內環前的1/（1+K_c2 K_v K_o2 K_m2）²，這表明內環各環節參數變化對內環增益的影響不大。因此，混合煤氣穩壓串級控制系統允許內環各環節特性在一定范圍內變動，而不影響整個系統的控制品質，即系統具有較好的自適應能力，對負荷變化和對象參數變化的適應性增強，有助于削弱內環前向通道包含的非線性特性對混合煤氣控制的影響。

此外，由于內環等效時間常數T_內為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之差，根據控制理論中的錯開原理，如果一個系統含有多個時間常數，則這些時間常數彼此之差越大系統就越穩定。在保持相同穩定性的條件下，混合煤氣穩壓串級控制系統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對混合煤氣的調節速度，改善系統的動態響應特性。

3　仿真與分析

正常發電時，圖1中電磁換向閥1，6和手動換向閥8處于關閉狀態，蓄能器5充滿液后將保持穩定狀態。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、調節閥門以及混合煤氣之間的動態關系。圖3為應用AMESim建立的混合煤氣穩壓串級控制系統物理仿真模型。與調節閥執行機構剛性連接的運動部件總質量集中于質量元件M上，執行機構摩擦特性也通過M施加。除摩擦力、調節閥門閥芯不平衡力外，其余作用于執行機構負載通過力轉換單元F施加。

圖3　混合煤氣穩壓串級控制系統物理仿真模型

燃氣輪機正常發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升至正常發電壓力的調節時間需小于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施加一個持續時間為2s的一次階躍擾動，在仿真的第20s施加一個持續時間為2s的二次階躍擾動，質量元件M的質量為50kg，粘性摩擦因數為0.5，風力因數為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壓系統的響應曲線。串級控制響應的超調量為6%，調節時間為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量為20%，調節時間為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。

仿真結果顯示，單回路控制系統的各項性能指標并不能完全滿足燃氣輪機的要求，將影響發電設備的正常運行。這與某鋼廠在實際發電過程經常出現由于混合煤氣壓力波動過大而造成發電設備停機的現象相吻合。串級控制對煤氣穩壓系統的動態特性改善明顯，對擾動能夠達到比較好的抑制效果，滿足燃氣輪機對混合煤氣穩壓系統的控制要求。

圖4　串級控制響應曲線

圖5　單回路控制響應曲線

4　結論

1）共振現象是串級控制系統的固有特性，為了避免混合煤氣穩壓串級控制系統出現共振，內環各環節的增益選擇需與主控制對象的時間常數匹配。

2）串級控制系統同時具有恒值控制系統和隨動控制系統的特點，內環對擾動進行粗調，外環對擾動進行細調。仿真結果表明，混合煤氣穩壓串級控制系統對擾動具有比較強的抑制能力。