Способ автоматического контроля технологических нарушений алюминиевого электролизера

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, и может быть использовано при автоматическом управлении технологическим процессом производства алюминия.

Известен способ контроля технологического состояния алюминиевого электролизера, включающий измерение токов, протекающих по анодной штанге, с помощью датчиков (патент US №6136177, МПК С25С 1/100, 2000). В способе предлагается использовать датчики тока на основе измерения магнитного поля (эффект Холла).

Также известен способ автоматического контроля технологического состояния алюминиевого электролизера с обожженными анодами, закрепленными на анодной шине, включающий измерение напряжения на конструктивных элементах электролизера с использованием датчиков напряжения, связанных с вычислительным блоком, и определение токов по анодам (патент US №4786379, МПК С25С 3/20, 1988). Определение токов по отдельному аноду основано на измерениях напряжения на вертикальном участке фиксированной длины анодной штанги. Эти данные передаются в вычислительный блок, где ток рассчитывается по известному сечению штанги и удельной электропроводности материала анодной штанги. Коррекция температурной зависимости электропроводности проводится на основе данных от датчиков температуры на анодных штангах.

Основной недостаток способов-аналогов обусловлен тем, что измерение напряжения проводится непосредственно на анодных штангах. При использовании указанных выше способов для непрерывного мониторинга токораспределения по всем анодам электролизера необходима перенастройка системы. При каждой замене анода проводится полный или частичный демонтаж и монтаж измерительного узла на анодной штанге.

В качестве ближайшего аналога выбран способ автоматического контроля технологического состояния алюминиевого электролизера (Патент RU 2307881, С25С 3/20, опубл. 10.10.2007), включающий измерение напряжения на конструктивных элементах электролизера с использованием датчиков напряжения, связанных с вычислительным блоком, и определение токов, при этом измерение напряжения осуществляют в нескольких точках по длине анодной шины электролизера, число которых выбирают большим числа определяемых токов, а определение токов проводят по анодам, анодным стоякам и анодным перемычкам путем решения обратной задачи для уравнения распределения напряжения по анодной шине.

Общим с указанным способом является измерение напряжения на конструктивных элементах электролизера и определение токов по анодам.

Недостатком ближайшего аналога является то, что реализация способа предназначена лишь для визуализации индивидуальных значений тока по анодам в АСУТП электролиза алюминия и не предусматривает автоматическую диагностику технологических нарушений на электролизере.

Задачей изобретения является повышение качества управления технологическим процессом.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого технического решения, заключается в сокращении времени обнаружения технологических нарушений на анодах электролизера за счет их ранней диагностики.

Технический результат достигается за счет того, что в способе автоматического контроля технологического состояния алюминиевого электролизера с обожженными анодами, закрепленными на анодной шине, включающий измерение напряжения в нескольких точках по длине анодной шины электролизера и определение токов по анодам путем решения обратной задачи для уравнения распределения напряжения по анодной шине, согласно изобретению рассчитанные значения тока по анодам фильтруют, рассчитывают шум тока по анодам с последующей фильтрацией, рассчитывают среднесуточный абсолютный прирост фильтрованного шума по анодам, сравнивают значения тока по аноду и абсолютного приращения среднесуточного шума по аноду с заданным значением и выявляют технологические нарушения на аноде.

Способ дополняют частные признаки его реализации.

Ток по каждому аноду фильтруют, используя фильтр Калмана:

_,

где: I_{n(фильтр.)} - фильтрованное значение тока по аноду, кА;

I_{n(измерен.)} - измеренное значение тока по аноду, кА;

I_{n-1(фильтр.)} ^_ предыдущее фильтрованное значение тока по аноду, кА;

n - номер значения;

smooth - коэффициент сглаживания (smooth>1).

При этом первое фильтрованное значение тока по аноду принимают как:

I_{1(фильтр.)}=I_{1(измерен.)},

где: I_{1(фильтр.)} ^_ первое фильтрованное значение тока по аноду, кА,

I_{1(измерен.)} - первое измеренное значение тока по аноду, кА,

Рассчитывают шум тока по каждому аноду как:

ΔI=I_max-I_min,

где: ΔI - шум тока по аноду (минутное значение), кА;

I_max - максимальное секундное значение измеренного тока анода на минутном интервале, кА;

I_min - минимальное секундное значение измеренного тока анода на минутном интервале, кА.

Шум тока по каждому аноду фильтруют, используя фильтр Калмана:

,

где: ΔI_{n(фильтр)} - фильтрованное значение шума тока по аноду, кА;

ΔI_n - шум тока по аноду, кА;

ΔI_{n-1(фильтр.)} ^_ предыдущее фильтрованное значение шума тока по аноду, кА;

n - номер значения;

smooth - коэффициент сглаживания (smooth>1).

При этом первое фильтрованное значение шума тока по аноду принимают как:

ΔI_{1(фильтр.)}=ΔI₁,

где: ΔI_{1(фильтр)} - фильтрованное значение шума тока по аноду, кА;

ΔI₁ - шум тока по аноду, кА;

Рассчитывают среднесуточный фильтрованный шум тока по аноду и определяют его абсолютный прирост:

ΔI_{абс.пр.(среднесут.)}=ΔI_{n(среднесут.)}-ΔI_{n-1(среднесут.)},

где: ΔI_{абс.пр.(среднесут.)} - абсолютный прирост среднесуточного фильтрованного шума тока по аноду, кА/сут;

ΔI_{n(среднесут.)} ^_ текущее среднесуточное значение фильтрованного шума тока по аноду, кА;

ΔI_{n-1(среднесут.)} ^_ предыдущее среднесуточное значение фильтрованного шума тока по аноду, кА.

Технологические нарушения на аноде определяют в первой половине жизненного цикла анода.

Обнаружение технологических нарушений на анодах («конусов») производится по изменениям тока и шума тока по анодам от заданных значений.

Предлагаемый способ отличается от прототипа следующим.

Во-первых, измеренные значения токов по анодам фильтруют методом Калмана. Это позволяет уменьшить влияние шумов аппаратной части на измеряемые значения.

Во-вторых, рассчитывают шум тока по аноду, фильтруют его, рассчитывают среднесуточное значение и его абсолютный прирост.

В-третьих, способ позволяет выявлять технологические расстройства на подошве анодов.

В-четвертых, способ диагностирует технологические нарушения на ранней стадии их возникновения, что позволяет сократить время работы электролизера с технологическим расстройством.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показано:

на фиг. 1 представлен график динамики тока и шума тока по аноду с наличием «конуса» в течение 10 суток после установки.

На фиг. 2 представлен график динамики тока по аноду без технологического нарушения и с наличием «конуса».

На фиг. 3 представлен пример обнаружения «конуса» по предлагаемому алгоритму.

На фиг. 4 представлен график целевой нагрузки для нового анода.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

По мере увеличения мощности электролизеров увеличилось и количество устанавливаемых анодов. Как следствие, при вовлечении в производство анодов низкого качества возникает высокая погрешность в обнаружении проблемного анода, а при работе на низком междуполюсном расстоянии (МПР) потребность в оперативном обнаружении проблемных анодов возрастает на порядок.

Одним из основных определяющих факторов достижения высоких ТЭП на серии электролизеров является минимальное количество электролизеров с технологическими нарушениями. Поэтому необходимо максимально быстро установить и устранить первопричину технологического расстройства в случае его возникновения, разработать и осуществлять корректирующие мероприятия по предупреждению его повторного возникновения.

Ключевым технологическим нарушением, значительно снижающим выход по току, является нарушение на подошве анодов («конус»). Под данным нарушением понимается образование на рабочей поверхности анодов локальных участков, на которых МПР значительно ниже.

В ходе проведения многочисленных лабораторных и экспериментальных исследований была выдвинута гипотеза, которая объясняет причины образования «конусов», а именно:

- за счет флуктуаций в аноде (неравномерностей) возникают большие локальные токи, как следствие, большое сопротивление анода и низкая нагрузка на аноде;

- на поверхности анода за счет локальной высокой плотности возникают большие перенапряжения (~0,7 В), приводящие к разряду ионов фтора (CxFy), и поверхность пассивируется;

- далее в районе пассивированной поверхности ток перестает идти и перераспределяется по подошве анода;

- на пассивированной поверхности анода начинает образовываться «конус».

Если рассматривать динамику взятия нагрузки на рядовом аноде без технологических нарушений (фиг. 2), примерно на третьи сутки после установки токовая нагрузка достигает номинального значения и рост прекращается, а анод с технологическим нарушением имеет аномально низкую нагрузку (ниже номинального значения), при этом ток растет по линейной зависимости.

В заявляемом способе диагностику нарушений предлагается выявлять на основании оценки динамики токовой нагрузки по аноду и абсолютному приросту среднесуточного шума тока по аноду.

Посредством мониторинга информации о взятии нагрузки анодов нормального качества без технологических отклонений был разработан график целевой нагрузки для нового анода (фиг. 4). Данный график предназначен для установки заданного значения токовой нагрузки в соответствии с возрастом анода. Отклонение от заданного значения токовой нагрузки является одним из факторов для выявления нарушений на аноде.

Еще одним фактором для выявления нарушений на аноде является абсолютный прирост среднесуточного шума тока по аноду. Если прирост шума по аноду составляет более 0,15 кА/сут., то выполняется второе условие для идентификации нарушения на аноде. Заданное значение абсолютного прироста шума тока было получено на основе экспертных данных и является минимальным значением, при котором были выявлены нарушения на аноде.

Сопоставляя эти два фактора (динамика токовой нагрузки и прирост среднесуточного шума), можно утверждать о наличии «конуса» на аноде и принимать меры по его устранению.

Рассмотрим пример диагностики нарушения на аноде по предлагаемому способу. На фиг. 1 представлен график динамики тока и шума тока по аноду с наличием «конуса» в течение 10 суток после установки, где четко виден процесс образования нарушения на подошве анода, который условно можно разбить на 4 этапа:

Этап №1 - после установки анода первые двое суток затвердевшее сырье на аноде постепенно расплавляется, анод нагревается, начинает брать токовую нагрузку и его подошва выходит на горизонт анодного массива, однако токовая нагрузка значительно ниже номинального значения;

Этап №2 - после того как подошва анода вышла на горизонт анодного массива, на локальных участках начинают образовываться «отставания». О данном факте свидетельствует рост шума тока по аноду. Данный этап мы интерпретировали как начало формирования «конуса» и нахождение его в расплаве;

Этап №3 - на данном этапе «конус» сформировался и его высота достигает МПР. Как следствие, идет подмыкание, о чем свидетельствует значительный рост шума тока по аноду;

Этап №4 - на данном этапе «конус» полностью замкнул на металл, это видно из остановки роста шума тока по аноду, и «конус» начинает расти, о чем свидетельствует линейное повышение тока по аноду.

Согласно предлагаемому способу необходимо выполнить оценку динамики токовой нагрузки по аноду и абсолютный прирост среднесуточного шума. На фиг. 3 видно, что динамика тока анода значительно ниже целевого графика нагрузки для нового анода и абсолютный прирост шума на 5 сутки составляет 0,15 кА, следовательно, нарушение имеет место быть.

В данном примере если применять типичный подход по управлению токовой нагрузкой на анодах, то «конус» будет обнаружен только после превышения токовой нагрузки номинального значения, а именно на 10-12 сутки после установки. Применение разработанного подхода по обнаружению «конусов» по динамике тока и шума тока по аноду позволяет выявить нарушение на 5-7 сутки после его установки (3 этап, фиг. 1).

Выявление нарушений на аноде осуществляется в следующей последовательности:

1. измеряют ток по аноду;

2. фильтруют значения тока;

3. рассчитывают шум тока по аноду;

4. фильтруют значения шума тока по аноду;

5. рассчитывают среднесуточный фильтрованный шум тока по аноду;

6. рассчитывают абсолютный прирост среднесуточного фильтрованного шума тока по аноду;

7. выполняют оценку динамики фильтрованных значений тока по аноду и среднесуточного шума по аноду с заданным значением;

8. выявляют нарушение на аноде.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: выявление «конусов» на ранней стадии позволяет оперативно принять меры по их устранению, тем самым сократив время работы электролизера с нарушенным технологическим режимом.

Суммируя вышесказанное, предлагаемый способ за счет снижения количества технологических нарушений позволяет повысить качество управления технологическим процессом в целом.

1. Способ автоматического контроля технологического состояния алюминиевого электролизера с обожженными анодами, закрепленными на анодной шине, включающий измерение напряжения в нескольких точках по длине анодной шины электролизера и определение токов по анодам путем решения обратной задачи для уравнения распределения напряжения по анодной шине, отличающийся тем, что полученные значения тока по анодам фильтруют, определяют шум тока по анодам с последующей фильтрацией и среднесуточный абсолютный прирост фильтрованного шума по анодам, сравнивают значения тока по аноду и абсолютного приращения среднесуточного шума по аноду с заданным значением, по отклонениям которого определяют наличие технологических нарушений на аноде.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ток по каждому аноду фильтруют методом Калмана.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шум тока по каждому аноду определяют как ΔI=I_max-I_min,

где: ΔI - шум тока по аноду в минутном интервале, кА,

I_max - максимальное секундное значение измеренного тока анода на минутном интервале, кА,

I_min - минимальное секундное значение измеренного тока анода на минутном интервале, кА.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шум тока по каждому аноду фильтруют методом Калмана.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рассчитывают среднесуточный фильтрованный шум тока по аноду и определяют его абсолютный прирост:

ΔI_{абс.пр.(среднесут.)}=ΔI_{n(среднесут.)}-ΔI_{n-1(среднесут.)},

где: ΔI_{абс.пр.(среднесут.)} - абсолютный прирост среднесуточного фильтрованного шума тока по аноду, кА/сут,

ΔI_{n(среднесут.)} - текущее среднесуточное значение фильтрованного шума тока по аноду, кА,

ΔI_{n-1(среднесут.)} - предыдущее среднесуточное значение фильтрованного шума тока по аноду, кА.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что технологические нарушения на аноде определяют в первой половине жизненного цикла анода.