Способ управления тепловым режимом алюминиевого электролизера

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть применено для управления процессом электролитического получения алюминия из глинозема. Технический результат - снижение удельного расхода электроэнергии и стабилизация теплового режима. Согласно изобретению в способе управления тепловым режимом алюминиевого электролизера, включающем измерение тока и напряжения на электролизере, определение приведенного напряжения и стабилизацию его на заданном уровне изменением междуполюсного расстояния, междуполюсное расстояние изменяют периодически с частотой раз в 10-60 мин. Определяют изменение приведенного напряжения за предыдущий период управления, отношение этого изменения к изменению междуполюсного расстояния на предыдущем периоде управления и изменяют заданный уровень приведенного напряжения в текущем периоде управления прямо пропорционально отклонению указанного отношения от его номинального значения. Междуполюсное расстояние на каждом периоде управления изменяют не меньше чем на заданную абсолютную величину, устанавливаемую в диапазоне 0,4-2,0 мм. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть применено для управления процессом электролитического получения алюминия из глинозема.

В соответствии с технологией процесса растворенный в электролите глинозем под воздействием проходящего постоянного тока разлагается с выделением чистого алюминия на катоде.

Характеристиками процесса являются величина проходящего через электролизер тока и величина междуполюсного расстояния (МПР), т.е. расстояния между подошвой угольного анода и зеркалом катодного металла. Эти величины определяют тепловой режим работы электролизера за счет поступления тепла и температуру расплавленного электролита. В связи с тем, что величина МПР оперативно не определяется, то о ней судят по измеренному значению перепада напряжения между анодом и катодом.

Эффективность процесса электролиза зависит от точности стабилизации его теплового режима.

Известные способы стабилизации теплового режима процесса электролиза состоят либо в стабилизации величины МПР, либо зависящей от него величины напряжения электролизера (патент США 3485727, 1969) или его приведенного напряжения (авт св. 749940, 801642, 840203, патент Франции 1605433, кл.С 25 С , патент ФРГ 1260156, кл. 4003/12) перемещением анодного массива (изменением МПР). При этом приведенное напряжение отличается от измеренного учетом колебаний протекающего через электролизер тока и "приведением" его к номинальному значению тока.

Недостатком этих способов является низкая эффективность управления тепловым режимом, поскольку стабилизируемые параметры либо неточно и не оперативно определяются (величина МПР), либо зависят не только от МПР, но и от состава электролита и его температуры (напряжение и приведенное напряжение).

Известные способы коррекции приведенного напряжения, например по температуре (авт. св. 1183565), неэффективны из-за неточности и малой надежности применяемых для измерения температуры средств.

В качестве прототипа принимаем способ автоматического регулирования алюминиевого электролизера (авт. св. 2062822), согласно которому на электролизере производится измерение напряжения и протекающего тока, расчет текущих значений приведенного напряжения, сравнение их с заданным значением и поддержание в заданных пределах перемещениями анодного массива. В способе-прототипе производится определение изменения приведенного напряжения |ΔU_пр|, вызванное перемещением анода длительностью Та, определение коэффициента регулирования K = T_a|ΔU_пр| и длительность последующего перемещения анодного массива определяют как Та=K•(Uпp зад -Uпp).

Недостатками прототипа являются следующие: - перемещение анодного массива (изменение МПР) производится только при наличии отклонения вычисленного приведенного напряжения от заданного. При отсутствии отклонения (или при отклонении меньше зоны нечувствительности регулятора) перемещений анодного массива не производится. Однако при этом электролизер становится "ненаблюдаемым" и на нем невозможно оценить его характеристики по каналу изменение МПР - изменение напряжения. Из практики известно, что длительность таких периодов может составлять 60-150 минут; - стабилизация строго заданного значения приведенного напряжения не обеспечивает стабилизацию поступления тепла в электролизер, а следовательно, и его температуру. Например, при изменении состава электролита (содержания в нем глинозема) может измениться и приведенное напряжение, тогда как поступление тепла в электролизер останется неизменным. При этом формируется неадекватное перемещение анодного массива.

В результате способ-прототип не обеспечивает эффективную стабилизацию теплового режима алюминиевого электролизера.

Технической задачей предлагаемого способа управления является учет изменения свойств электролизера в период между двумя последовательными управлениями по перемещению анодного массива.

Поставленная техническая задача решается следующим образом.

В известном способе управления тепловым режимом алюминиевого электролизера, включающем измерение тока и напряжения на электролизере, определение приведенного напряжения и стабилизацию его на заданном уровне изменением междуполюсного расстояния, междуполюсное расстояние изменяют периодически с частотой раз в 10-60 минут, определяют изменение приведенного напряжения за предыдущий период управления, отношение этого изменения к изменению междуполюсного расстояния на предыдущем периоде управления и изменяют заданный уровень приведенного напряжения в текущем периоде управления прямо пропорционально отклонению указанного отношения от его номинального значения.

Междуполюсное расстояние на каждом периоде управления изменяют не меньше чем на заданную абсолютную величину, устанавливаемую в диапазоне 0,4-2.0 мм.

Периодическое, раз в 10-60 минут, изменение междуполюсного расстояния вертикальными перемещениями анодного массива позволяет вносить в электролизер изучающие (при отсутствии или при небольших отклонениях приведенного напряжения от заданного значения), или регулирующие (при отклонениях приведенного напряжения больше чем зона нечувствительности регулятора) воздействия. Это позволяет оценить отклик объекта управления и изменение его свойств по каналу изменение МПР - изменение приведенного напряжения и учесть таким образом влияние изменения температуры электролита.

Определение изменения приведенного напряжения за предыдущий период управления и определение отношения этого изменения к вызвавшему его изменению междуполюсного расстояния позволяет оценить реальные свойства электролизера на предыдущем периоде управления, например, из-за изменения температуры. Эти изменения проявляются в отклонении от номинального значения отношения изменения приведенного напряжения к изменению междуполюсного расстояния.

Изменение заданного уровня приведенного напряжения в текущем периоде управления прямо пропорционально отклонению указанного соотношения от его номинального значения позволяет учесть реальные свойства электролизера при очередном регулировании.

По одному варианту способа междуполюсное расстояние на каждом периоде управления изменяют не менее чем на заданную абсолютную величину, устанавливаемую в диапазоне 0,4 - 2,0 мм. Этот прием позволяет вносить в электролизер изучающие воздействия определенного уровня. При воздействии, меньшем чем 0,4 мм, реакция электролизера (изменение напряжения) становится значительно меньше уровня естественных помех и не может быть адекватно выделена применяемыми фильтрами. При воздействии, большем чем 2,0 мм, вносятся значительные возмущения в работу электролизера, не обусловленные реальным отклонением приведенного напряжения от его заданного значения.

Система управления, реализующая заявляемый способ управления тепловым режимом алюминиевого электролизера, представлена на чертеже.

Электролизер 1 подключен к анодной 2 и катодной 3 ошиновке и снабжен угольным анодом 4. Рабочее напряжение электролизера измеряется измерителем 5, сила тока - измерителем 6. В качестве измерителя напряжения можно применять нормирующий преобразователь, например Е-846, в качестве измерителя тока - шунт с нормирующим преобразователем, например Е-826. Выходы измерителей соединены с входами вычислительного блока 7, в котором производится вычисление приведенного напряжения Uпp=(U-E_н)•I_н/I+E_н, (1), где U, I - измеренные значения напряжения и тока; Е_н, I_н - номинальные значения обратной ЭДС и тока.

Выход блока 7 соединен со входом вычислительного блока 8, в котором производится вычисление приращения приведенного напряжения за период регулирования: ΔUпp(i)=Uпp(i)-Uпp(i-1). (2).

Здесь и далее индексы (i) и (i-1) соответствуют текущему и предыдущему периодам регулирования.

В вычислительных блоках 9, 10 производится последовательное вычисление: - величины К - отношения приращения приведенного напряжения к вызвавшему его приращению междуполюсного расстояния: К=ΔUпp(i)/Та(i), (3), где Та (i) - приращение междуполюсного расстояния, выраженное в длительности перемещения анода в последнем периоде управления;
- величины отклонения коэффициента К от его номинального значения Кн:
ΔК=К - Кн (4).

В блоке 11 производится корректировка заданного значения приведенного напряжения:
Uпp зад(i)=Uпp зад(i)-β^*ΔK, (5),
где β>1 - настроечный коэффициент.

Выход вычислительного блока 11 соединен со входом блока-регулятора 12, формирующего необходимую величину изменения междуполюсного расстояния в текущем периоде управления в виде необходимой длительности перемещения анодного массива электролизера Та(i):
Та(i)=К1• (Uпp зад(i) - Uпp(i)) (6)
с выполнением условия: при Та(i) ≤ Ta min назначают Та(i)=Та min.

Величину Та min выбирают из условия, чтобы при этом изменение величины МПР было равно принятому значению из диапазона 0,4 - 2,0 мм.

Для выполнения этих функций вход блока 12 дополнительно соединен с выходом блока 7, а один из выходов блока 12 соединен с дополнительным входом блока 9.

Еще один выход блока 12 соединен с устройством 13, включающим двигатель 14 привода анодной рамы электролизера на время, соответствующее величине выхода блока 12, и в направлении, соответствующем знаку величины Та (i).

Коэффициент К1 определяется конструкцией конкретного привода анодной рамы. Например, для одной из конструкций привода анодной рамы (электролизер типа С175-М3) К1=28 мм/мин.

Примеры реализации
Пример 1. Работа по способу-прототипу.

Процесс электролитического разложения глинозема проводят в электролизерах типа С175-М3 с предварительно обожженными анодами на номинальную силу тока 175 кА. Частота измерения тока и напряжения - 1 раз в секунду. Принятое значение обратной ЭДС Е_н=1,6 В.

Заданное значение приведенного напряжения Uпp зад=4,3 В.

Номинальное значение коэффициента регулирования - 0,0353 с/мВ.

Средние за 20 минут значения тока и напряжения:
U1=4,3 В; I1=174,8 кА.

Приведенное напряжение равно:
Uпp 1=(4,3-1,6)•175/174,8 +1,6=4,303 В
Расчетная величина перемещения анодной рамы составит:
Та1=0,0353•(4,3 - 4,303)= - 0,106 с.

В связи с наличием зоны нечувствительности регулятора (1,0 - 2,0 с) перемещение анодного массива не будет выполняться.

В следующем такте регулирования:
U2=4,4B; I2=174,0 кА;
Uпp 2= (4,4 - 1,6)•175/174,0 + 1,6=4,416 В. К2=0,0353 с/мВ (поскольку перемещение не выполнялось).

Та 2=0,0353•(4,3 - 4,416)= - 4,1 с.

При этом анодная рама будет перемещена вниз на 4,1 с.

В следующем такте регулирования:
U3=4,28 В; I3=175,0 кА;
Uпp 3=(4,28 - 1,6)•175/175,0 +1,6=4,28 В. К3=4,1/(4,416-4,28)=0,03 с/мВ.

Та 3=0,03• (4,3 - 4,28)=0,6 с.

При этом перемещения анодного массива не будет.

Технологические результаты работы электролизера по способу-прототипу (за интервал времени 3 суток):
- выход по току 85%
- расход электроэнергии 17000 кВт•ч/т
- изменение температуры электролита 955-978^oС.

Пример 2. Работа по предлагаемому способу.

Процесс электролиза проводят в тех же электролизерах и при тех же условиях, что в примере 1.

Номинальная скорость изменения напряжения при изменении МПР составляет 28,3 мВ/с.

При этом:
U1=4,3 В; I1=174,8 кА.

Приведенное напряжение равно:
Uпp 1=(4,3 - 1,6)•175/174,8 +1,6=4,303 В
Расчетная величина перемещения анодной рамы составит:
Та 1=0,0353• (4,3 - 4,303)=-0,106 с.

При скорости перемещения анодной рамы 28 мм/мин величина изменения МПР должна составить: 0,106•28 / 60=0,05 мм.

Для данного типа электролизера минимальное значение перемещения анодной рамы выбираем 1,0 мм.

Принимаемая величина перемещения анодной рамы составит:
Та1=1,0•60/28=-2,14 с.

В следующем такте регулирования:
U2=4,2B; I2=174,8 кА;
Uпp 2=(4,2-1,6)•175/174,8 + 1,6=4,203 В;
Величина коэффициента К1 (2)=(4,203-4,303) / (-2,14)=46,7 мВ/с.

Величина перемещения анодной рамы составит:
Uпp зад 2=4,3 -0,5•(46,7 - 28,3)=4,309 мВ. (Здесь коэффициент β = 0,5).

Та 2=0,0353•(4,309 - 4,203)=3,7 с.

Таким образом, анод переместится вверх на 3,7 с.

В следующем такте регулирования:
U3=4,3 В; I3=175,0 кА;
Uпp 3=(4,3-1.6)•175/175 + 1,6=4,3 В.

Величина коэффициента К1 (3)=(4,3-4,203) / 3,7=26,2 мВ/с.

Величина перемещения анодной рамы составит:
Uпp зад 3=4,309 - 0,5• (28,3 - 26,2)=4,307 В.

Та 3=0,0353• (4,307 - 4,3)=0.25 с.

При этом величина изменения МПР должна была составить 0,25• 28/60=0,117 мм. Однако будет выполнена величина перемещения 1,0 мм, т.е. анодная рама переместится вверх на 2,14 с.

Технологические результаты работы электролизера по предлагаемому способу (за интервал времени 3 суток):
- выход по току 85,4%
- расход электроэнергии 16500 кВт•ч/т
- изменение температуры электролита 958-971^oС.

Применение предлагаемого способа управления позволяет снизить удельный расход электроэнергии на 500 кВт•ч/т и стабилизировать тепловой режим электролизера.

Формула изобретения

1. Способ управления тепловым режимом электролизера для получения алюминия, включающий измерение тока и напряжения электролизера, определение приведенного напряжения и стабилизацию приведенного напряжения на заданном уровне изменением междуполюсного расстояния, отличающийся тем, что междуполюсное расстояние изменяют периодически с частотой раз в 10-60 мин, на каждом периоде управления определяют изменение приведенного напряжения за предыдущий период управления, отношение этого изменения к изменению междуполюсного расстояния на предыдущем периоде управления и изменяют заданный уровень приведенного напряжения в текущем периоде управления прямо пропорционально отклонению указанного отношения от его номинального значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что междуполюсное расстояние на каждом периоде управления изменяют не меньше, чем на заданную абсолютную величину, устанавливаемую в диапазоне 0,4-2,0 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1