一、研究的背景与问题
2024年的《世界钢铁统计数据》中提到，钢铁行业的碳排放量占全球二氧化碳排放量的7%至9%，其中中国的粗钢产量约为10.19亿吨，占全球粗钢总产量约53.9%。这表明中国钢铁行业需要在实现碳中和、绿色环保的目标上付出更大的努力。在钢铁冶炼生产过程中迅速引进节能技术是对钢铁厂的巨大挑战，也是钢铁厂结构调整、实现现代化和提高市场竞争力的可行途径。
液压系统在冶金行业中扮演着至关重要的角色，作为实现现代化传动与控制的关键技术，在重型、特大型设备中具有无可替代的作用，广泛应用于炼铁、炼钢、连铸、轧钢等多个环节，不仅提高了生产效率和安全性，还降低了成本，增强了设备的适应性和安全性，是推动冶金工业现代化发展的关键技术之一。然而，由于液压系统的特殊性，属于电能、机械能、液压能和变形能组成的封闭能量转换系统。在该系统中，多个能量转换过程中的能量损失是显著的，尤其是在液压能量转换过程较为明显。
尽管国内外对于液压系统在节能与智能监测方面已有诸多研究成果，但在能量回收、负载匹配和在线监测技术等方面仍然存在以下问题：
①液压负载目标需求特性复杂多样，获取困难；
②缺乏高效匹配负载需求的液压动力供给手段和方法；
③缺少高效重力势能回收的手段和方法；
④蓄能装置与多变、突变负载匹配、控制困难；
⑤状态监测欠缺液压动力单元数字化基础；
⑥关键多元节点状态缺失液压系统健康评估全面性不足。现有的在线监测系统与冶金行业液压系统的结合度较低，无法在关键节点比如容积效率、油液泄露、蓄能器状态等出现性能衰退或潜在故障时迅速做出响应。
因此需要研究自适应冶金生产工艺条件下的控制策略来实现全工况下的重力势能回收和能量匹配；此外有必要开发一套数字化液润状态在线监测与智能诊断系统，保证设备的长期安全可靠运行。
二、解决问题的思路与技术方案
总体思路及项目整体技术路线如下图所示：
图1 项目总体思路及技术路线图
1、首先调研国内外大型冶金液压系统恒速电机与恒压变量泵的负载适应性与能效瓶颈、能量回收低效的原因、智能监测存在滞后性。
在冶金行业中，传统液压系统由于其固有的设计和操作方式，存在显著的能效问题和监测不足。具体来说，恒速电机与恒压变量泵的组合在待机或部分负荷状态下消耗大量能量，整体能效较低，尤其在冶金行业周期性波动的负载环境下，这种设计难以实现实时负载响应，无法有效控制能耗。同时，变量柱塞泵与蓄能器组成的恒压变量系统在重力势能回收再利用过程中，由于压力总是运行在系统的最高点，难以灵活匹配多变的负载需求，导致能量浪费问题突出。此外，传统液压系统的监测手段主要依赖人工巡检，数据采集频率低、内容有限，难以实时捕捉系统的运行状态，导致早期故障征兆往往无法及时被发现。恶劣的工作环境进一步增加了关键部件状态监测的难度，延迟了故障的发现，影响了生产效率和设备的可靠性。传统的健康评估方式缺乏数据支撑，主要依赖经验和定期巡检，导致准确性不足。现有的报警机制往往在故障发生后才触发，缺乏早期预警，对异常的响应滞后，运维人员常错过最佳维护时间窗口，增加了系统故障和停机的风险。
2、坚持自主技术创新，结合已有的经验、技术和资源，开展相关技术研究工作。
①通过提出面向复杂工况下的液压系统流量压力趋势预测与控制方法，实现流量、压力及功率的实时匹配输出，从源头上匹配工况负载，尽可能地减小输出能量。并且根据冶金典型工况液压流量、压力的需求，研发一套智能优化算法的液压系统自适应PID控制策略，该策略通过在系统流量发生变化之前进行前馈控制，提前调节系统，使流量平滑过渡至目标状态，将原本的阶跃变化转变为缓坡变化，从而有效延长响应时间，降低液压泵滑动副油膜建立的难度，减小被加速流体、泵和电机的惯性力，降低电机泵组损耗，延长使用寿命，提高系统的可靠性和稳定性。
②以能量守恒第一性原理，提出面向超大重力势能装置的能量回收自适应调控机制；实现蓄能装置（液压蓄能器组+电网）与突变、多变负载之间的完美动态匹配，从而来提高势能回收液压控制系统的可靠性、稳定性和适用范围，进一步形成能量回收与容积调速相结合的重力势能回收液压控制系统。预计系统节能效果在60%-75%之间，经济效益和社会效益突出。
③通过提出一种基于节点重要度驱动的伺服液压系统关键元件和参数检测方法，并进一步提出实现液压系统精准控制的技术手段与方法；开发一套全数字化的液压系统状态在线监测与智能诊断系统，建立基于节点重要度的液压系统健康度评价方法与标准。
3、通过理论结合实践的方式，计划将伺服节能液压系统应用于铁钢轧全线液压系统；势能回收利用技术应用于各类型加热炉、步进运输机等项目中；并且将多元节点状态监测技术运用到液压系统的整体运维。
三、主要创新性成果
1、首次提出了一种适用于复杂工况的液压系统流量压力预测与控制技术，该技术融合仿真与优化算法，实现流量、压力和功率的实时精准匹配，有效减少能量输出。针对冶金行业特定需求，开发了智能优化算法驱动的自适应PID控制策略，通过前馈控制技术，平滑调节系统流量，减少系统冲击，降低油膜建立难度，减少流体、泵和电机的惯性力，降低能耗，延长设备寿命，提升系统可靠性与稳定性。对常规恒压变量动力源的能耗需求进行研究，从理论和实际测试中研究伺服节能液压系统的实现方案和节能的空间。
图2 控制对象需求研究
根据冶金全流程液压负载需求，以液压控制回路原理为基础，以液压时序、流量、压力需求为目标，对各产线典型能耗和控制方式进行研究，以期获得液压伺服节能系统的典型控制目标，作为原始控制策略的依据。
达到的技术指标：根据生产工况和负荷率的不同，节能率可达20%-60%，在压力响应方面，智能泵站的响应时间从传统泵站的100-120ms缩短至100ms以内，平均噪音水平从85分贝降至70分贝，用水量平均为原来的60%。
图3 压力阶跃响应和稳态精度测试
2、以能量守恒第一性原理，提出了面向超大重力势能装置的能量回收自适应调控机制；实现了蓄能装置（液压蓄能器组+电网）与突变、多变负载之间的完美动态匹配；提高了势能回收液压控制系统的可靠性、稳定性和适用范围；形成了能量回收与容积调速相结合的重力势能回收液压控制系统；该系统节能效果在60%-75%之间。
下表对目前板坯加热炉液压系统（包括节能方案）进行对比，表中可以看出，本项目相较于目前市面上最佳节能效率的蓄能器高低压节能技术-杆腔比例节流控制方案的效率还要高出50%。采用容积调速控制，不得不面临系统清洁度、散热、泄漏、锁定等难题，如何高效的解决是本项目的难题和关键。本项目创造性的把闭式系统中压力油液，用于开式回路中，把容积闭式回路发展为半闭式回路，可以根据运行情况，每隔几个周期进行油液更换。此方案在不降低节能效率的前提下，解决了闭式回路固有的痛点。
表1 节能效率对比表
3、提出了一种伺服电机泵组的主泵容积效率检测方法，通过液压系统中的压力传感器和蓄能器压力变化数学模型相结合，实现对主泵容积效率的实时监控。该方法能够精确监测主泵的输出容积变化曲线，通过对理论压力变化曲线和实时压力变化曲线的差异进行数据采集与处理，不仅可以判断动力源单元的健康度，还能在偏差超出设定范围时及时预警，从而有效保障系统的可靠性和稳定性。
提出了一种基于伺服电机泵组驱动的液压系统泄漏检测方法，通过实时监测液压系统的输出流量与需求流量、输出容积与需求容积之间的差异来检测油液泄漏状态。该方法结合了压力传感器和流量及容积需求数学模型，能精确分析系统的内部和外部泄漏情况。
开发了一套全数字化液润系统状态在线监测与智能诊断系统，并提出了关于液压系统健康度的评价方法和标准。该系统通过液压动力系统、压力传感器、数据采集与处理单元等组成，能够实时采集液压系统的流量、容积和压力参数，建立液压缸流量及容积需求的数学模型。系统通过理论流量与实际测量数据的对比，检测液压系统的泄漏状态、压力异常和蓄能器状态，并实现智能诊断。这种评价方法基于系统实时数据分析和健康度评价模型，帮助实现液压系统的高效维护、优化管理及故障预警。
四、应用情况与效果
本成果包含三个子成果，分别为基于伺服驱动技术而开发的伺服节能液压动力系统技术、重力势能回收液压系统技术和状态监测和智能诊断系统技术。三个子成果既可一起实施，也可单独装备。
1、伺服节能液压动力系统
2020年11月，大规模、成线制的应用于冶金生产线某钢管项目，装备10套伺服节能液压系统，伺服节能泵单元36台套，装机功率约2200kW，平均节能率在40%以上。
2022年12月，应用于某企业热轧生产线精轧机伺服、卷取伺服液压系统等高压系统，配置伺服节能系统3套，伺服节能泵组单元19台套。该液压系统具有高压、重载、高精度、高负荷的特点，平均节能效率达40%。
2、重力势能回收液压系统
2022年11月，应用于某企业钢管回火炉步进液压系统中，该势能回收液压系统流量达1500L/min、步进周期时间短至11s，势能回收液压系统装机功率170kW，节能效率达69.17%。
3、状态监测和智能诊断系统
2021年11月，基于数字驱动伺服节能系统构建状态在线监测与智能诊断系统成功应用于用某特钢项目，极大提升了系统的智能化水平。
本项目全面实施以来，依托伺服驱动和液压控制技术，以节能降耗为目标，以数字化状态检测为基础，以智能诊断护航，开发了新一代高效节能液压控制系统，累计推广项目40余项，共计600余台套伺服节能装备，伺服节能液压动力系统平均降耗40%，势能回收液压系统平均降耗高达70%，正逐渐成为冶金行业未来液压控制系统首选方案。
该技术成果的成功开发，助力了钢铁产业低碳、智能、高效发展，将高效节能液压系统与冶金行业全流程生产深度融合，提高生产效率、降低生产成本，可实现全流程吨钢消耗平均节约1.5度电，以我国年产粗钢10亿吨计算，该技术的全面应用每年可节约60万吨标准煤，减少约118万吨二氧化碳排放。
信息来源：中冶赛迪集团有限公司
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