李新有 劉 玉 柏 峰 鄧曉林

中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶,401122

轉(zhuǎn)爐煤氣回收液壓伺服系統(tǒng)性能分析

李新有 劉 玉 柏 峰 鄧曉林

中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,重慶,401122

分析了轉(zhuǎn)爐煤氣回收新OG系統(tǒng)中環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)的控制原理和系統(tǒng)性能,采用機(jī)理建模方法建立了環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)某鋼廠120t轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng),對(duì)環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行了模擬仿真分析。對(duì)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)縫洗滌器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,表明仿真模型滿足工程實(shí)際要求,從而為環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供了理論支持。

煤氣回收;環(huán)縫洗滌器;伺服控制;系統(tǒng)仿真

0 引言

轉(zhuǎn)爐煤氣回收新OG濕法除塵系統(tǒng)(oxygen converter gas recovery system)采用了濕法洗滌器。濕法洗滌器主要由飽和噴淋冷卻塔和環(huán)縫洗滌器(ring slitwasher,RSW)組成[1]。環(huán)縫洗滌器為上進(jìn)氣、下驅(qū)動(dòng)可調(diào)喉口文氏管結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)時(shí)降下活動(dòng)煙罩,通過(guò)調(diào)節(jié)爐口煙氣壓力與大氣壓力的差壓(簡(jiǎn)稱微差壓)來(lái)控制爐前的環(huán)境污染程度和煤氣回收的質(zhì)量,如果爐口微差壓正值過(guò)大,將造成火焰外冒,惡化爐前環(huán)境;如果負(fù)值過(guò)小,又會(huì)吸入空氣,使一氧化碳燃燒,降低回收煤氣的熱值。轉(zhuǎn)爐爐口微差壓是由冶煉產(chǎn)生的煤氣量、煤氣風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量和環(huán)縫洗滌器的開(kāi)度決定的。煤氣量的大小由冶煉工藝決定,為不可控因素;而煤氣風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量和煤氣風(fēng)機(jī)的性能相關(guān),一旦設(shè)計(jì)確定,風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量變化很小。轉(zhuǎn)爐煤氣回收新OG濕法除塵系統(tǒng)通過(guò)液壓伺服系統(tǒng)來(lái)控制環(huán)縫液壓缸的位置,實(shí)時(shí)改變環(huán)縫洗滌器開(kāi)度大小,從而間接控制爐口微差壓的變化來(lái)控制煤氣成分和提高煤氣的回收量。因此,轉(zhuǎn)爐環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)的性能將直接影響轉(zhuǎn)爐爐口的微差壓。

1 環(huán)縫洗滌器液壓傳動(dòng)系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

環(huán)縫洗滌器液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩套獨(dú)立的回路,一套在正常工作時(shí)伺服隨動(dòng)使用,一套在系統(tǒng)故障和檢修時(shí)使用。伺服隨動(dòng)回路采用伺服比例閥閉環(huán)控制液壓缸位置,可實(shí)現(xiàn)液壓缸任意位置的鎖定和任意位置的實(shí)時(shí)控制。故障檢修回路采用換向球閥、節(jié)流閥控制回路,通過(guò)換向球閥可改變液壓缸運(yùn)動(dòng)方向,通過(guò)節(jié)流閥可調(diào)節(jié)液壓缸上升速度。配置事故蓄能器,用于主泵故障時(shí)檢修回路使用,事故蓄能器可將液壓缸上升到全行程。為了保證事故蓄能器正常工作,設(shè)置壓力繼電器監(jiān)控蓄能器壓力。

2 環(huán)縫洗滌器液壓伺服控制原理

轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)的爐口微差壓一般控制在±20Pa的壓差范圍內(nèi)[2]。通過(guò)安裝在活動(dòng)煙罩頂部的取壓管檢測(cè)爐口微差壓并送入PLC,根據(jù)控制模型,將該微差壓值轉(zhuǎn)換為表征油缸設(shè)定位置的電信號(hào),與油缸位移傳感器反饋信號(hào)一起構(gòu)成液壓缸位置閉環(huán)調(diào)節(jié),以實(shí)時(shí)控制液壓缸位置[3]。

環(huán)縫洗滌器液壓伺服控制原理如圖1所示。圖1中PS代表取壓管檢測(cè)的微差壓電信號(hào);PT代表油缸位移傳感器的電反饋信號(hào)。

圖1 環(huán)縫洗滌器液壓伺服控制原理

環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)是典型的位置內(nèi)環(huán)、壓力外環(huán)的伺服控制系統(tǒng),它主要由調(diào)節(jié)器、伺服放大器、伺服比例閥、位移傳感器、壓力傳感器、液壓缸及負(fù)載組成[4]。環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)控制模型框圖見(jiàn)圖2。圖2中,p r為爐口壓力控制目標(biāo)值;Δp為爐口微差壓控制目標(biāo)值;I r為爐口壓力控制目標(biāo)值經(jīng)過(guò)控制模型計(jì)算后的油缸位移控制目標(biāo)值;ΔI為油缸控制目標(biāo)值與油缸位移傳感器反饋值的差值;X v為伺服閥的閥芯位移反饋值;F為油缸活塞桿出力;Xt為油缸位移反饋值。

圖2 環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)控制模型框圖

3 環(huán)縫洗滌器伺服控制負(fù)載模型

環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)動(dòng)力元件為對(duì)稱四通閥控制不對(duì)稱缸機(jī)構(gòu),其動(dòng)特性在很大程度上決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。考慮環(huán)縫錐體與油缸連接結(jié)構(gòu)柔度特性,將環(huán)縫洗滌器按負(fù)載分解為液壓缸運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量和環(huán)縫錐體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量以柔性結(jié)構(gòu)相連接的二自由度系統(tǒng),其負(fù)載力由質(zhì)量、彈簧、阻尼和負(fù)載擾動(dòng)構(gòu)成,其負(fù)載模型簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 環(huán)縫洗滌器負(fù)載模型簡(jiǎn)圖

在理想情況下,伺服閥功率級(jí)滑閥出液口流量q1和回液口流量q2分別為[5]

式中,mt為活塞、油液等效到活塞上的總質(zhì)量,kg;Bt為活塞的黏性阻尼系數(shù),N?s/m;Kp為負(fù)載的彈簧剛度,N/m;g為重力加速度;xt為液壓缸活塞位移,m;xp為負(fù)載位移,m。

負(fù)載平衡方程為

式中,Fp為作用在負(fù)載質(zhì)量上的外負(fù)載力,N;mp為負(fù)載質(zhì)量,kg;Bp為負(fù)載質(zhì)量的黏性阻尼系數(shù),N?s/m。

4 環(huán)縫錐開(kāi)度壓降特性

在轉(zhuǎn)爐煤氣回收生產(chǎn)過(guò)程中,環(huán)縫洗滌器環(huán)隙出入口差壓受風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量和煙氣流量的影響。風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量必須滿足轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的最大煙氣量要求,并且風(fēng)壓要大于風(fēng)機(jī)前風(fēng)管的阻損和風(fēng)機(jī)后正壓值之和,使得環(huán)縫洗滌器環(huán)隙出口壓力小于入口壓力,形成抽風(fēng)狀態(tài)。

環(huán)縫錐壓降與煙氣變化量、液壓缸位置之間的關(guān)系通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求得,形成初步查詢表格,現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)煤氣回收效果,局部修正。

5 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

針對(duì)某鋼廠120t轉(zhuǎn)爐煤氣回收新OG系統(tǒng),根據(jù)式(1)～式(6),建立圖4所示的仿真框圖?？紤]伺服閥死區(qū)和系統(tǒng)飽和,利用MATLAB7.4的M語(yǔ)言編程并與Simulink結(jié)合,調(diào)用Simhydrau lics物理仿真模塊,采用定步長(zhǎng)仿真算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真。

圖4 環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)仿真框圖

環(huán)縫液壓伺服系統(tǒng)空載狀態(tài)下單位階躍響應(yīng)仿真和實(shí)測(cè)曲線如圖5、圖6所示。

圖5 環(huán)縫液壓伺服系統(tǒng)空載仿真結(jié)果

從圖5所示的仿真曲線可以分析得出,此時(shí)伺服閥基本接近飽和狀態(tài),環(huán)縫液壓伺服系統(tǒng)在初始位置135mm處單位階躍響應(yīng)調(diào)整時(shí)間ts=36m s,上升時(shí)間tr=14ms,最大超調(diào)量9.6%。

從圖6的實(shí)測(cè)曲線可以分析得出,測(cè)試條件下環(huán)縫在位置135mm處空載階躍響應(yīng)調(diào)整時(shí)間ts=40ms,上升時(shí)間tr=15ms,最大超調(diào)量20%,與仿真結(jié)果基本一致。

圖6 環(huán)縫液壓伺服系統(tǒng)空載實(shí)測(cè)結(jié)果

仿真結(jié)果要小于實(shí)測(cè)結(jié)果的空載最大超調(diào)量,分析原因?yàn)榉抡婺Ｐ蜎](méi)有考慮伺服閥的閥芯慣性和液動(dòng)力的影響,并且系統(tǒng)的軟參量阻尼系數(shù)取的是經(jīng)驗(yàn)值,這些都有待仿真模型的進(jìn)一步細(xì)化。

現(xiàn)場(chǎng)120t轉(zhuǎn)爐煤氣回收系統(tǒng)爐口微差壓實(shí)際控制波動(dòng)曲線如圖7所示,圖中,橫坐標(biāo)為生產(chǎn)時(shí)間,每一小格代表10s;縱坐標(biāo)分別為油缸位置和微差壓,每一小格分別代表25mm和5Pa。曲線采集數(shù)據(jù)為吹氧開(kāi)始到吹氧滿540s的數(shù)據(jù)。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得到,在吹氧初期,未進(jìn)行爐口微差壓控制,環(huán)縫液壓缸基本保持固定位置,爐口微差壓波動(dòng)范圍大;在穩(wěn)態(tài)回收期,采用微差壓控制,爐口微差壓波動(dòng)范圍基本控制在(60±20)Pa內(nèi),滿足了工藝控制要求。

圖7 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的上位機(jī)數(shù)據(jù)界面截圖

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析轉(zhuǎn)爐煤氣回收新OG系統(tǒng)中環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)的控制原理,采用機(jī)理建模的方法,建立了環(huán)縫洗滌器液壓伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,表明仿真模型滿足工程實(shí)際的要求,從而為環(huán)縫洗滌器液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供了理論支持。

[1] 周品良.新一代轉(zhuǎn)爐煤氣回收技術(shù)介紹和應(yīng)用前景[J].上海寶鋼工程技術(shù),2004(3):41-45.

[2] 王愛(ài)華,蔡九菊,王鼎.轉(zhuǎn)爐煤氣回收規(guī)律及其影響因素研究[J].冶金能源,2004,23(4):52-55.

[3] 馬榮芳,孫弘,尹鳳.轉(zhuǎn)爐煤氣凈化回收系統(tǒng)中爐口微差壓的自動(dòng)控制[J].電氣傳動(dòng),2006,36(5):53-55.

[4] A rm strong B,de W it C C.The Control Handbook[M].Boca Raton,Florida:CRC Press,1999.

[5] 王春行.液壓控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

Analysisof Hydraulic Servo Control System for a CoalGas Recollection in Converter

Li Xinyou Liu Yu Bai Feng Deng Xiaolin
MCC CISDIEngineering Co.,Ltd.,Chongqing,401122

The control princip le and system performance of hydraulic servo control system for a coal gas recollection from convert was analyzed herein,and amathematicalmodelof the hydraulic servo control system for RSW was established.In view of coalgas recollection in 120 tons converter,the simulation was finished to forecast the dynamic performance and stable precision of RSW.The simulation and experimental results prove that the simulationmodel satisfies the requirements,which provide the theoretical foundation of design and maintenance for hydraulic servo control system of RSW.

coal gas recollection;ring slitwasher(RSW);servo control;system sim ulation

TH 137

1004—132X(2011)11—1294—04

2010—05—08

(編輯 蘇衛(wèi)國(guó))

李新有,男,1972年生。中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司流體系統(tǒng)部高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)橐苯鹨簤合到y(tǒng)設(shè)計(jì)與伺服控制。劉 玉,男,1982年生。中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司流體系統(tǒng)部工程師、碩士。柏 峰,男,1972年生。中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司流體系統(tǒng)部高級(jí)工程師。鄧曉林,男,1976年生。中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司流體系統(tǒng)部工程師。