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(jù)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(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種緊急情況，電磁換向閥6用于實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)，Gm1（s）為壓力檢測變送環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，Gm2（s）為位移檢測變送環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，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(jù)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(shù)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(shù)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(jù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)T內為To2的1/（1+Kc2 Kv Ko2 Km2），有利于增大與主對象時間常數(shù)之差，根據(jù)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(shù)，則這些時間常數(shù)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(shù)為0.5，風力因數(shù)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(jīng)常出現(xiàn)由于混合煤氣壓力波動過大而造成發(fā)電設備停機的現(xiàn)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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