一、研究的背景與問題
2024年的《世界鋼鐵統(tǒng)計數(shù)據(jù)》中提到，鋼鐵行業(yè)的碳排放量占全球二氧化碳排放量的7%至9%，其中中國的粗鋼產(chǎn)量約為10.19億噸，占全球粗鋼總產(chǎn)量約53.9%。這表明中國鋼鐵行業(yè)需要在實現(xiàn)碳中和、綠色環(huán)保的目標(biāo)上付出更大的努力。在鋼鐵冶煉生產(chǎn)過程中迅速引進節(jié)能技術(shù)是對鋼鐵廠的巨大挑戰(zhàn)，也是鋼鐵廠結(jié)構(gòu)調(diào)整、實現(xiàn)現(xiàn)代化和提高市場競爭力的可行途徑。
液壓系統(tǒng)在冶金行業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，作為實現(xiàn)現(xiàn)代化傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)，在重型、特大型設(shè)備中具有無可替代的作用，廣泛應(yīng)用于煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等多個環(huán)節(jié)，不僅提高了生產(chǎn)效率和安全性，還降低了成本，增強了設(shè)備的適應(yīng)性和安全性，是推動冶金工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，由于液壓系統(tǒng)的特殊性，屬于電能、機械能、液壓能和變形能組成的封閉能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，多個能量轉(zhuǎn)換過程中的能量損失是顯著的，尤其是在液壓能量轉(zhuǎn)換過程較為明顯。
盡管國內(nèi)外對于液壓系統(tǒng)在節(jié)能與智能監(jiān)測方面已有諸多研究成果，但在能量回收、負(fù)載匹配和在線監(jiān)測技術(shù)等方面仍然存在以下問題：
①液壓負(fù)載目標(biāo)需求特性復(fù)雜多樣，獲取困難；
②缺乏高效匹配負(fù)載需求的液壓動力供給手段和方法；
③缺少高效重力勢能回收的手段和方法；
④蓄能裝置與多變、突變負(fù)載匹配、控制困難；
⑤狀態(tài)監(jiān)測欠缺液壓動力單元數(shù)字化基礎(chǔ)；
⑥關(guān)鍵多元節(jié)點狀態(tài)缺失液壓系統(tǒng)健康評估全面性不足?，F(xiàn)有的在線監(jiān)測系統(tǒng)與冶金行業(yè)液壓系統(tǒng)的結(jié)合度較低，無法在關(guān)鍵節(jié)點比如容積效率、油液泄露、蓄能器狀態(tài)等出現(xiàn)性能衰退或潛在故障時迅速做出響應(yīng)。
因此需要研究自適應(yīng)冶金生產(chǎn)工藝條件下的控制策略來實現(xiàn)全工況下的重力勢能回收和能量匹配；此外有必要開發(fā)一套數(shù)字化液潤狀態(tài)在線監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)，保證設(shè)備的長期安全可靠運行。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
總體思路及項目整體技術(shù)路線如下圖所示：
圖1項目總體思路及技術(shù)路線圖
1、首先調(diào)研國內(nèi)外大型冶金液壓系統(tǒng)恒速電機與恒壓變量泵的負(fù)載適應(yīng)性與能效瓶頸、能量回收低效的原因、智能監(jiān)測存在滯后性。
在冶金行業(yè)中，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)由于其固有的設(shè)計和操作方式，存在顯著的能效問題和監(jiān)測不足。具體來說，恒速電機與恒壓變量泵的組合在待機或部分負(fù)荷狀態(tài)下消耗大量能量，整體能效較低，尤其在冶金行業(yè)周期性波動的負(fù)載環(huán)境下，這種設(shè)計難以實現(xiàn)實時負(fù)載響應(yīng)，無法有效控制能耗。同時，變量柱塞泵與蓄能器組成的恒壓變量系統(tǒng)在重力勢能回收再利用過程中，由于壓力總是運行在系統(tǒng)的最高點，難以靈活匹配多變的負(fù)載需求，導(dǎo)致能量浪費問題突出。此外，傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的監(jiān)測手段主要依賴人工巡檢，數(shù)據(jù)采集頻率低、內(nèi)容有限，難以實時捕捉系統(tǒng)的運行狀態(tài)，導(dǎo)致早期故障征兆往往無法及時被發(fā)現(xiàn)。惡劣的工作環(huán)境進一步增加了關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測的難度，延遲了故障的發(fā)現(xiàn)，影響了生產(chǎn)效率和設(shè)備的可靠性。傳統(tǒng)的健康評估方式缺乏數(shù)據(jù)支撐，主要依賴經(jīng)驗和定期巡檢，導(dǎo)致準(zhǔn)確性不足?，F(xiàn)有的報警機制往往在故障發(fā)生后才觸發(fā)，缺乏早期預(yù)警，對異常的響應(yīng)滯后，運維人員常錯過最佳維護時間窗口，增加了系統(tǒng)故障和停機的風(fēng)險。
2、堅持自主技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合已有的經(jīng)驗、技術(shù)和資源，開展相關(guān)技術(shù)研究工作。
①通過提出面向復(fù)雜工況下的液壓系統(tǒng)流量壓力趨勢預(yù)測與控制方法，實現(xiàn)流量、壓力及功率的實時匹配輸出，從源頭上匹配工況負(fù)載，盡可能地減小輸出能量。并且根據(jù)冶金典型工況液壓流量、壓力的需求，研發(fā)一套智能優(yōu)化算法的液壓系統(tǒng)自適應(yīng)PID控制策略，該策略通過在系統(tǒng)流量發(fā)生變化之前進行前饋控制，提前調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使流量平滑過渡至目標(biāo)狀態(tài)，將原本的階躍變化轉(zhuǎn)變?yōu)榫徠伦兓?，從而有效延長響應(yīng)時間，降低液壓泵滑動副油膜建立的難度，減小被加速流體、泵和電機的慣性力，降低電機泵組損耗，延長使用壽命，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
②以能量守恒第一性原理，提出面向超大重力勢能裝置的能量回收自適應(yīng)調(diào)控機制；實現(xiàn)蓄能裝置（液壓蓄能器組+電網(wǎng)）與突變、多變負(fù)載之間的完美動態(tài)匹配，從而來提高勢能回收液壓控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和適用范圍，進一步形成能量回收與容積調(diào)速相結(jié)合的重力勢能回收液壓控制系統(tǒng)。預(yù)計系統(tǒng)節(jié)能效果在60%-75%之間，經(jīng)濟效益和社會效益突出。
③通過提出一種基于節(jié)點重要度驅(qū)動的伺服液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件和參數(shù)檢測方法，并進一步提出實現(xiàn)液壓系統(tǒng)精準(zhǔn)控制的技術(shù)手段與方法；開發(fā)一套全數(shù)字化的液壓系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)，建立基于節(jié)點重要度的液壓系統(tǒng)健康度評價方法與標(biāo)準(zhǔn)。
3、通過理論結(jié)合實踐的方式，計劃將伺服節(jié)能液壓系統(tǒng)應(yīng)用于鐵鋼軋全線液壓系統(tǒng)；勢能回收利用技術(shù)應(yīng)用于各類型加熱爐、步進運輸機等項目中；并且將多元節(jié)點狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)運用到液壓系統(tǒng)的整體運維。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、首次提出了一種適用于復(fù)雜工況的液壓系統(tǒng)流量壓力預(yù)測與控制技術(shù)，該技術(shù)融合仿真與優(yōu)化算法，實現(xiàn)流量、壓力和功率的實時精準(zhǔn)匹配，有效減少能量輸出。針對冶金行業(yè)特定需求，開發(fā)了智能優(yōu)化算法驅(qū)動的自適應(yīng)PID控制策略，通過前饋控制技術(shù)，平滑調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，減少系統(tǒng)沖擊，降低油膜建立難度，減少流體、泵和電機的慣性力，降低能耗，延長設(shè)備壽命，提升系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性。對常規(guī)恒壓變量動力源的能耗需求進行研究，從理論和實際測試中研究伺服節(jié)能液壓系統(tǒng)的實現(xiàn)方案和節(jié)能的空間。
圖2控制對象需求研究
根據(jù)冶金全流程液壓負(fù)載需求，以液壓控制回路原理為基礎(chǔ)，以液壓時序、流量、壓力需求為目標(biāo)，對各產(chǎn)線典型能耗和控制方式進行研究，以期獲得液壓伺服節(jié)能系統(tǒng)的典型控制目標(biāo)，作為原始控制策略的依據(jù)。
達到的技術(shù)指標(biāo)：根據(jù)生產(chǎn)工況和負(fù)荷率的不同，節(jié)能率可達20%-60%，在壓力響應(yīng)方面，智能泵站的響應(yīng)時間從傳統(tǒng)泵站的100-120ms縮短至100ms以內(nèi)，平均噪音水平從85分貝降至70分貝，用水量平均為原來的60%。
圖3壓力階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度測試
2、以能量守恒第一性原理，提出了面向超大重力勢能裝置的能量回收自適應(yīng)調(diào)控機制；實現(xiàn)了蓄能裝置（液壓蓄能器組+電網(wǎng)）與突變、多變負(fù)載之間的完美動態(tài)匹配；提高了勢能回收液壓控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和適用范圍；形成了能量回收與容積調(diào)速相結(jié)合的重力勢能回收液壓控制系統(tǒng)；該系統(tǒng)節(jié)能效果在60%-75%之間。
下表對目前板坯加熱爐液壓系統(tǒng)（包括節(jié)能方案）進行對比，表中可以看出，本項目相較于目前市面上最佳節(jié)能效率的蓄能器高低壓節(jié)能技術(shù)-桿腔比例節(jié)流控制方案的效率還要高出50%。采用容積調(diào)速控制，不得不面臨系統(tǒng)清潔度、散熱、泄漏、鎖定等難題，如何高效的解決是本項目的難題和關(guān)鍵。本項目創(chuàng)造性的把閉式系統(tǒng)中壓力油液，用于開式回路中，把容積閉式回路發(fā)展為半閉式回路，可以根據(jù)運行情況，每隔幾個周期進行油液更換。此方案在不降低節(jié)能效率的前提下，解決了閉式回路固有的痛點。
表1節(jié)能效率對比表
3、提出了一種伺服電機泵組的主泵容積效率檢測方法，通過液壓系統(tǒng)中的壓力傳感器和蓄能器壓力變化數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，實現(xiàn)對主泵容積效率的實時監(jiān)控。該方法能夠精確監(jiān)測主泵的輸出容積變化曲線，通過對理論壓力變化曲線和實時壓力變化曲線的差異進行數(shù)據(jù)采集與處理，不僅可以判斷動力源單元的健康度，還能在偏差超出設(shè)定范圍時及時預(yù)警，從而有效保障系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
提出了一種基于伺服電機泵組驅(qū)動的液壓系統(tǒng)泄漏檢測方法，通過實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)的輸出流量與需求流量、輸出容積與需求容積之間的差異來檢測油液泄漏狀態(tài)。該方法結(jié)合了壓力傳感器和流量及容積需求數(shù)學(xué)模型，能精確分析系統(tǒng)的內(nèi)部和外部泄漏情況。
開發(fā)了一套全數(shù)字化液潤系統(tǒng)狀態(tài)在線監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)，并提出了關(guān)于液壓系統(tǒng)健康度的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)通過液壓動力系統(tǒng)、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理單元等組成，能夠?qū)崟r采集液壓系統(tǒng)的流量、容積和壓力參數(shù)，建立液壓缸流量及容積需求的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)通過理論流量與實際測量數(shù)據(jù)的對比，檢測液壓系統(tǒng)的泄漏狀態(tài)、壓力異常和蓄能器狀態(tài)，并實現(xiàn)智能診斷。這種評價方法基于系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)分析和健康度評價模型，幫助實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的高效維護、優(yōu)化管理及故障預(yù)警。
四、應(yīng)用情況與效果
本成果包含三個子成果，分別為基于伺服驅(qū)動技術(shù)而開發(fā)的伺服節(jié)能液壓動力系統(tǒng)技術(shù)、重力勢能回收液壓系統(tǒng)技術(shù)和狀態(tài)監(jiān)測和智能診斷系統(tǒng)技術(shù)。三個子成果既可一起實施，也可單獨裝備。
1、伺服節(jié)能液壓動力系統(tǒng)
2020年11月，大規(guī)模、成線制的應(yīng)用于冶金生產(chǎn)線某鋼管項目，裝備10套伺服節(jié)能液壓系統(tǒng)，伺服節(jié)能泵單元36臺套，裝機功率約2200kW，平均節(jié)能率在40%以上。
2022年12月，應(yīng)用于某企業(yè)熱軋生產(chǎn)線精軋機伺服、卷取伺服液壓系統(tǒng)等高壓系統(tǒng)，配置伺服節(jié)能系統(tǒng)3套，伺服節(jié)能泵組單元19臺套。該液壓系統(tǒng)具有高壓、重載、高精度、高負(fù)荷的特點，平均節(jié)能效率達40%。
2、重力勢能回收液壓系統(tǒng)
2022年11月，應(yīng)用于某企業(yè)鋼管回火爐步進液壓系統(tǒng)中，該勢能回收液壓系統(tǒng)流量達1500L/min、步進周期時間短至11s，勢能回收液壓系統(tǒng)裝機功率170kW，節(jié)能效率達69.17%。
3、狀態(tài)監(jiān)測和智能診斷系統(tǒng)
2021年11月，基于數(shù)字驅(qū)動伺服節(jié)能系統(tǒng)構(gòu)建狀態(tài)在線監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)成功應(yīng)用于用某特鋼項目，極大提升了系統(tǒng)的智能化水平。
本項目全面實施以來，依托伺服驅(qū)動和液壓控制技術(shù)，以節(jié)能降耗為目標(biāo)，以數(shù)字化狀態(tài)檢測為基礎(chǔ)，以智能診斷護航，開發(fā)了新一代高效節(jié)能液壓控制系統(tǒng)，累計推廣項目40余項，共計600余臺套伺服節(jié)能裝備，伺服節(jié)能液壓動力系統(tǒng)平均降耗40%，勢能回收液壓系統(tǒng)平均降耗高達70%，正逐漸成為冶金行業(yè)未來液壓控制系統(tǒng)首選方案。
該技術(shù)成果的成功開發(fā)，助力了鋼鐵產(chǎn)業(yè)低碳、智能、高效發(fā)展，將高效節(jié)能液壓系統(tǒng)與冶金行業(yè)全流程生產(chǎn)深度融合，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，可實現(xiàn)全流程噸鋼消耗平均節(jié)約1.5度電，以我國年產(chǎn)粗鋼10億噸計算，該技術(shù)的全面應(yīng)用每年可節(jié)約60萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少約118萬噸二氧化碳排放。
信息來源：中冶賽迪集團有限公司
