Способ контроля технологических параметров алюминиевых электролизеров

 

Изобретение касается автоматизации процесса производства алюминия из криолит-глиноземных расплавов, более конкретно к автоматическому контролю величины обратной ЭДС, активного сопротивления, концентрации глинозема в электролите и межполюсного расстояния. Существо изобретения заключается в том, что по результатам одновременных измерений тока и падения напряжения на участке анод - катод электролизера на переменном токе, находят действующее значение переменной составляющей тока серии на каждой из гармоник, используемых для измерений, для чего определяют линию регрессии, связывающую измеренные величины гармоник тока серии и вызванное ими падение напряжения на электролизере. После чего из системы уравнений определяют составляющие комплексного сопротивления электролизера. Уточняют величину активного сопротивления, учитывая скин-эффект на частотах измерения. Определяют величину обратной ЭДС и концентрацию глинозема из равенств, представленных в тексте описания. 1 ил.

Изобретение относится к области автоматизации процесса производства алюминия из криолит-глиноземных расплавов, более конкретно к автоматическому контролю величины обратной ЭДС, активного сопротивления, концентрации глинозема в электролите и межполюсного расстояния.

Перечисленные параметры используются в АСУ ТП электролиза алюминия или обслуживающим персоналом электролизного цеха для оценки технологического состояния электролизных ванн и выработки регулирующих воздействий.

Известен способ и устройство для реализации контроля и управления перечисленных выше параметров, включающий измерение постоянной и переменной составляющих падения напряжения на электролизере и силы тока серии и вычислении сопротивления электролизера. Измерения постоянной и переменной составляющих падения напряжения на электролизере и тока серии производят одновременно, причем измерения на переменном токе ведут на гармониках, кратных частоте 50 или 60 Гц, и по результатам измерений определяют величину обратной ЭДС по формуле Е_о= U_э-I_сR_э, где I_c, U_э постоянные составляющие тока серии и напряжения на электролизере; R_э активная составляющая сопротивления электролизера, равная R , где R активная cоставляющая сопротивления электролизера, измеренная на частоте кратной 50 (60) Гц; К коэффициент, учитывающий изменение активного и индуктивного сопротивлений массивного проводника с ростом частоты.

Недостатком данного способа является значительная погрешность и нестабильность получаемых данных из-за ошибок в определении переменной составляющей тока серии на частотах кратных 50 Гц.

Задачей изобретения является повышение точности контроля активного сопротивления, обратной ЭДС, концентрации глинозема в электролите и межполюсного зазора (расстояния анод-катод) алюминиевого электролизера.

Результатом решения поставленной задачи является способ контроля технологических параметров алюминиевых электролизеров, включающий измерение постоянной (U_э) и переменной составляющих падения напряжений на электролизере и тока (I_с) серии, вычисление сопротивления электролизера, причем измерения выполняют одновременно на гармониках кратных 50 (60) Гц, по результатам измерений определяют действующее значение переменной составляющей тока серии на каждой из гармоник, используемых для измерений, для чего определяют соотношение, связывающее измеренные величины гармоник тока серии и вызванное ими падение напряжения на каждом электролизере пол математическому выражению I_f= aU_э ±b, (1) где а=(r_oδ₁-Nr₁)/(δ₁² -N δ₂ ); b=(r₁ δ₁-r_o δ₂)/(δ₁² -N δ₂); r_o= (1/N)I_i; r₁= (1/N)I_iU_i; δ₁= (1/N)U_i, δ₂= (1/N)U²_i;
U_i, I_i действующие значения падения напряжения на электролизере и ток серии, вызвавший эти падения, по каждой измеряемой гармонике, соответственно,
N количество отсчетов,
определяют составляющие комплексного сопротивления из системы уравнений:
R²+(X₁-X_c)²=(U/I)², при f₁
2R²+(2X₁-X_c/2)²=(U/I)², при f₂;
16R²+(4X₁-X_c/4)²=(U/I)², при f₃
где f₁ нижняя из частот, на которых производят измерения,
f₂, f₃ частоты, на которых производят измерения;
уточняют величину активного сопротивления по следующему математическому выражению:
R R/
где К=f/f_o коэффициент, учитывающий влияние скин-эффекта,
f частота измерения, f_o частота, на которой влиянием скин-эффекта можно пренебречь,
определяют величину обратной ЭДС по математическому выражению:
Е_о=U_э-I_cR_э;
определяют концентрацию глинозема по следующим математическим выражениям:
n=E_o/(I_cR_э); ν1/(eⁿ-1,4);
где n концентрация глинозема в относительных единицах,
ν концентрация глинозема в процентах;
определяют расстояние между анодом и катодом по следующему математическому выражению:
h_ак= κ R_э,
где κ Δ h/Δ R;
Δ R=R₁-R₂,
R₁= (1/N)R_эi средняя величина активного сопротивления электролизера до перемещения анода,
R₂= (1/N)R_эi cредняя величина активного сопротивления электролизера, после перемещения анода на расстояние Δ h. Существенным отличием предлагаемого технического решения является определение действующего значения тока серии каждой из измеряемых гармоник. Ранее эти величины определялись расчетным путем (через преобразование Фурье) с последующим уточнением путем ступенчатого снижения тока серии до нулевого уровня. Такая методика не исключала погрешностей в оценке величины гармонических составляющих тока серии, поскольку в процессе регулирования тока серии производят подключение либо отключение выпрямительных агрегатов в результате изменяется форма импульсов тока серии а, следовательно, и амплитуда гармоник, на которых ведут измерения перечисленных выше электрических параметров (составляющих комплексного сопротивления).

Кроме того в предлагаемом решении задачи, силу тока гармоник находят путем определения линии регрессии по методу наименьших квадратов, что дает возможность определить систематическую погрешность измерения составляющих комплексного сопротивления. Эта систематическая погрешность соответствует величине b. (см. формулу 1).

Вторым существенным отличием является измерение величины межполюсного расстояния (расстояния анод-катод электролизера). Для этого производят измерения электрических параметров и вычисления составляющих комплексного сопротивления и средней величины активного сопротивления электролизера за достаточно большой интервал времени (например, 3 часа)
R₁= (1/N)R_эi, Затем поднимают (опускают) анод на величину Δ h и вновь в течение выбранного интервала времени измеряют активное сопротивление электролизера
R₂= (1/N)R_эi, Далее определяют коэффициент пропорциональности между сопротивлением электролизера и величиной межполюсного зазора
κ Δ h /Δ R,
где Δ R= R₁-R₂, и величину межполюсного расстояния h_ак= κ R, по результатам измерения текущего значения величины R_э за установленный интервал времени (1-3) ч. Это позволяет вести регулирование межполюсного зазора с точностью до 1 мм и добиваться оптимального выхода по току по данному параметру.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для реализации способа контроля технологических параметров алюминиевых электролизеров (как с самообжигающимися так и с обожженными анодами).

На чертеже введены следующие обозначения: 1 коммутатор напряжений анод-катод электролизеров; 2₁, 2₂, 2₃ полосовые фильтры для выделения гармоник из межполюсного напряжения и тока серии; 3 аттенюатор; 4 усилители; 5 детектор; 6 преобразователь напряжение частота; 7 блок гальванической развязки; 8 преобразователь частота-напряжение; 9 аналого-цифровой преобразователь; 10 УВК; 11 датчик силы тока гармоник тока серии; 12 шунт для измерения постоянной составляющей тока серии.

Устройство состоит из двух каналов: канала измерения падений напряжения на участке анод-катод электролизера и канала измерения тока серии. В канале измерения падения напряжения на участке анод-катод электролизера входной коммутатор напряжения 1 подключен входами к участкам анод-катод каждого электролизера, а выходами к трем полосовым фильтрам 2₁, 2₂, 2₃ и к автоматическому аттенюатору 3. Выходы полосовых фильтров через последовательно соединенные блоки усилителей 4, детекторов 5, преобразователей напряжение частота 6, блоки гальванической развязки 7, преобразователи частота напряжение 8, подключены к входам АЦП 9, выход которого подключен к УВК 10. Выход автоматического аттенюатора 3 подключен к входу АЦП 9 через последовательно включенные блоки: преобразователя напряжение частота 6, блок гальванической развязки 7 и преобразователь частота напряжение 8.

Во втором канале измерения тока серии индукционный датчик подключен к входам полосовых фильтров 2₁, 2₂, 2₃, выходы которых соединены с входами АЦП, через последовательно включенные блоки: усилителей 4, детекторов 5, преобразователей напряжение-частота 6, гальванической развязки 7, преобразователей частота-напряжение 8. Выход шунта 11 также соединен с входом АЦП 8 через последовательно включенные блоки: преобразователя напряжение частота 6, гальванической развязки 7, и преобразователь частота напряжение 8. Выход АЦП 9 подключен к входу УВК 10.

Способ осуществляют следующим образом: сигналы, снимаемые с участков анод-катод электролизеров, поступают на вход коммутатора 1. Входной коммутатор 1 управляется от УВК-10 и подключает входы полосовых фильтров 2₁, 2₂, 2₃ и автоматического аттенюатора 3 к выбранному для контроля электролизеру. Полосовые фильтры 2₁-2₃ настроены на гармоники кратные промышленной частоте (50 или 60 Гц), например 600, 1200, 2400 Гц. Автоматический аттенюатор имеет два дискретных уровня передачи сигналов 1:1 и 10:1. При переходе на деление 10:1 на дополнительном выходе, соединенном с УВК, вырабатывается сигнал логическая единица. Гармонические сигналы, выделенные фильтрами 2-2, усиливаются до амплитудного значения 1В, усилителями 4, детектируются детекторами 5, преобразуются в частоту следования импульсов преобразователями напряжение-частота 6. Частота следования импульсов пропорциональна действующему значению напряжения измеряемых гармоник передается через блоки гальванической развязки 7 на вход преобразователей частота-напряжение 8. Постоянная составляющая падения напряжения на участке анод-катод ("рабочее напряжение" электролизера) с выхода автоматического аттенюатора 3 поступает на вход АЦП 9 через последовательно соединенные блоки 6, 7, 8. К остальным входам АЦП 9 подключены выходы преобразователей частота напряжение 8. С выхода АЦП 9 сигналы действующего значения гармонических составляющих рабочего напряжения электролизеров поступают на вход УВК 10. Аналогично работает канал измерения тока серии. Сигнал, содержащий гармоники тока серии (600, 1200, 2400 Гц), снимается с индукционного датчика 11 и поступает на входы полосовых фильтров 2-2, с выхода которых преобразованный сигнал подается на входы АЦП 9 через последовательно соединенные блоки 4, 5, 6, 7, 8. Сигнал, пропорциональный постоянной составляющей тока серии 1, поступает с шунта 12 на вход АЦП-9 канала измерения тока серии через последовательно соединенные блоки 6, 7, 8. С выхода АЦП 9 (канал измерения тока серии) сигналы поступают на вход УВК 10.

Последовательность реализации способа следующая. Установив с помощью входного коммутатора 1 номер опрашиваемого электролизера, начинают одновременные измерения действующего значения тока и падения напряжения на участке анод-катод электролизера на трех гармониках тока серии. Одновременно измеряют и постоянные составляющие тока серии и рабочего напряжения электролизера. Измерения ведут с интервалом, превышающим время корреляции между отсчетами. Сделав 100-5000 отсчетов (одновременных измерений), определяют величину действующего значения тока на каждой измеряемой гармонике из равенств
I=aU±b,
где a=(r_oδ₁-Nr)/(δ₁²-Nδ₂);
b= (r₁δ₁-r_oδ₂)/(δ₁²-Nδ₂);
r_o= (1/N)I_i;
r₁= (1/N)I_iU_i; δ₁= (1/N)U_i, δ₂= (1/N)U²_i;
U_i, I_i действующие значения падения напряжения на электролизере и ток серии, вызвавший эти падения, по каждой измеряемой гармонике соответственно,
N количество отсчетов.

Определив (уточнив) значения силы тока каждой гармоники, на которых ведут измерения, производят вновь одновременные измерения тока и напряжения для определения технологических параметров. По результатам этих измерений находят составляющие R, X₁, X_c, комплексного сопротивления электролизера из системы уравнений
R²+(X₁-X_c)²=(U/I)², при f₁;
4R²+(2X₁-X_c/2)²=(U/I)², при f₂;
16R²+(4X₁-X_c/4)²=(U/I)², при f₃;
где f₁ нижняя из частот, на которых производят измерения,
f₂, f₃ частоты, на которых производят измерения;
уточняют величину активного сопротивления по следующему математическому выражению:
R_э= R/
где К=f/f_o коэффициент, учитывающий влияние скин-эффекта,
f частота измерения, f_o частота, на которой влиянием скин-эффекта можно пренебречь,
определяют величину обратной ЭДС по математическому выражению:
E_o=U_э-I_сR_э;
определяют концентрацию глинозема по следующим математическим выражениям:
n=E_o/(I_cR_э); ν=1/(eⁿ-1,4);
где n концентрация глинозема в относительных единицах,
ν концентрация глинозема в процентах.

Для относительных единиц концентрации принята условная шкала: n<0,5 высокий уровень концентрации, 0,5<n<0,65 номинальный уровень концентрации, n>0,65 критический уровень концентрации. На следующем этапе производят градуировочные замеры величины межполюсного расстояния. Измеряют R_э в течение выбранного интервала времени (1-3) ч. Получив за этот интервал N=100-1000 измерений, находят
R₁= (1/N)R_эi среднюю величину активного сопротивления электролизера (R_i) до перемещения анода, затем поднимают (опускают) анод на величину Δ h (например, 5-10 мм) и вновь в течение часа измеряют активное сопротивление электролизера;
R₂= (1/N)R_эi средняя величина активного сопротивления электролизера, после перемещения анода на расстояние Δ h.

Полученные результаты используют для определения коэффициента пропорциональности между R_э и h_ак:
κ Δ h/Δ R;
где Δ R=R₁-R₂.

Получив зависимость между R_э и h_ак, определяют истинное значение
h_ак= κ R_э,
по результатам усреднений R_э за интервал между двумя обработками ванны, а при контроле электролизеров, оснащенных АПГ (автоматическими питателями глиноземом), за установленный интервал времени для регулировки МПР.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ, включающий измерение постоянной U_э и переменной составляющих падения напряжений на электролизере и тока J_c^u серии, вычисление сопротивления электролизера, причем измерения выполняют одновременно на гармониках, кратных 50 Гц, по результатам измерений определяют величину обратной ЭДС, отличающийся тем, что определяют действующее значение переменной составляющей тока серии на каждой из гармоник, используемых для измерений, для чего определяют соотношение, связывающее измеренные величины гармоник тока серии, и вызванное ими падение напряжения на каждом электролизере по математическому выражению
I^~_f= aU^~± b;




J_i · U_i;


U_i, I_i действующие значения падения напряжения на электролизере и ток серии, вызвавший эти падения, по каждой измеряемой гармонике соответственно;
N количество отсчетов,
определяют составляющие комплексного сопротивления из системы уравнений
R²(X_L-X_C)²= (U^~/I^~)² при f₁;
4R²+(2X_L-X_C/2)²= (U^~/I^~)² при f₂;
16R²+(4X_L-X_C/4)²= (U^~/I^~)² при f₃,
где f₁ нижняя из частот, на которых проводятся измерения;
f₂, f₃ частоты, на которых производят измерения,
уточняют величину активного сопротивления по математическому выражению

где K=f / f₀ коэффициент, учитывающий влияние скин-эффекта;
f₀ частота, на которой влиянием скин-эффекта можно пренебречь,
определяют величину обратной ЭДС по математическому выражению
E₀ U_э I_c · R_э,
определяют концентрацию глинозема по математическим выражениям


где n концентрация глинозема, отн. ед.

η концентрация глинозема,
определяют расстояние между анодом и катодом по математическому выражению
h_а-к= κ·R_э,
где κ = Δh/ΔR;

средняя величина активного сопротивления электролизера до перемещения анода;
средняя величина активного сопротивления электролизера после перемещения анода на расстояние Δh .

РИСУНКИ

Рисунок 1