1 電液調節(jié)閥控混合煤氣系統(tǒng)原理
電液調節(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)工作在調定的壓力下，調節(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(jié)調節(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(jié)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(jié)閥的機械手輪的降級操作。
圖1 電液調節(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Go1（s）為主對象，調節(jié)閥的驅動閥桿Go2（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，Gc1（s）為主控制器，Gc2（s）為副控制器，Gv（s）為調節(jié)閥門傳遞函數，Gm1（s）為壓力檢測變送環(huán)節(jié)傳遞函數，Gm2（s）為位移檢測變送環(huán)節(jié)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(huán)和內環(huán)。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(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)內環(huán)二次擾動通道的傳遞函數為
當混合煤氣的穩(wěn)壓采用單回路控制系統(tǒng)時，由于沒有內環(huán)，其二次擾動通道傳遞函數為
因此，在混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)中，進入內環(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+Gc2（s）Gv（s）Go2（s）Gm2（s）），靜態(tài)時，其值為1/（1+Kc2KvKo2Km2）。式中：Kc2，Kv，Ko2，Km2分別為對應環(huán)節(jié)的增益。由于穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)的內環(huán)為負反饋，根據負反饋控制系統(tǒng)準則可知Kc2KvKo2Km2>0，所以，擾動進入串級控制系統(tǒng)內環(huán)的等效值變小了，即控制系統(tǒng)能迅速克服進入內環(huán)的擾動，如調節(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)內環(huán)的傳遞函數為
將 Gc2（s）=Kc2，Gv（s）=Kv，Gm2（s）=Km2，Go2（s）=Ko2/（To2s+1）代入式（3）并化簡后得
式中：
內環(huán)增益對調節(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)增益對調節(jié)閥門和副被控對象的靈敏度分別為Kc2 Ko2，Kc2 Kv，故內環(huán)增益對內環(huán)各環(huán)節(jié)的靈敏度降低到閉合形成內環(huán)前的1/（1+Kc2 Kv Ko2 Km2）2，這表明內環(huán)各環(huán)節(jié)參數變化對內環(huán)增益的影響不大。因此，混合煤氣穩(wěn)壓串級控制系統(tǒng)允許內環(huán)各環(huán)節(jié)特性在一定范圍內變動，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變化的適應性增強，有助于削弱內環(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，由于內環(huán)等效時間常數T內為To2的1/（1+Kc2 Kv Ko2 Km2），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(tǒng)含有多個時間常數，則這些時間常數彼此之差越大系統(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(wěn)壓系統(tǒng)的響應曲線。串級控制響應的超調量為6%，調節(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量為20%，調節(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。
仿真結果顯示，單回路控制系統(tǒng)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(fā)電設備的正常運行。這與某鋼廠在實際發(fā)電過程經常出現由于混合煤氣壓力波動過大而造成發(fā)電設備停機的現象相吻合。串級控制對煤氣穩(wěn)壓系統(tǒng)的動態(tài)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(wěn)壓系統(tǒng)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
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