Способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере
Владельцы патента RU 2730828:
Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" (RU)
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, а именно к способу управления электролизом алюминия. Способ включает регулирование междуполюсного расстояния (МПР) и содержания фторида алюминия (AlF3) в электролите, измерение и расчет технологических параметров, сравнение измеренных значений технологических параметров с заданными и корректировку добавки к уставке напряжения и добавки фторида алюминия, где производится взаимосвязанный расчет управляющих воздействий по напряжению для поддержания температуры электролита и избытку AlF3 в электролите вблизи оптимальных значений с учетом текущего состояния электролизера и необходимого изменения количества тепла для перевода электролизера из одного теплового состояния в другое в виде зависимости поверхностной функции ∆U(KO,T). Обеспечивается работа электролизера с минимальным напряжением без снижения выхода по току для снижения расхода электроэнергии, за счет стабилизации теплоэнергетического состояния электролизера снижаются вариации технологических параметров, что приводит к повышению производительности электролизера. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 6 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому производству алюминия, а именно к области управления электролизом алюминия.
Уровень техники
Производительность электролизера является основным показателем эффективности его работы. Основными факторами, определяющими производительность электролизера, является сила тока и выход по току. Сила тока задается на электролизере и является неизменной в течение всего периода его работы, сила тока не должна изменяться, поскольку от нее зависит не только масса полученного алюминия, но и тепловое равновесие, т.е. режим работы ванны. Выход по току – это выраженное в процентах отношение количества фактически затраченного электричества к теоретически необходимому.
Выход по току электролизера зависит от нескольких факторов, таких как токораспределение по аноду и катоду, температура электролита, содержание глинозема в электролите, криолитовое отношение (КО), а также и от других, взаимосвязанных между собой параметров.
При увеличении температуры электролита растворенный металл быстрее переносится в анодное пространство и там окисляется, поскольку увеличивается его растворимость, ускоряется процесс диффузии ионов, усиливается массоперенос в электролите. Следовательно, нельзя допускать перегрева расплава выше оптимальной температуры 950 - 960°С, поскольку в этом случае снижается выход по току, а, следовательно, и выход по энергии. Было установлено, что перегрев криолит-глиноземного расплава на 10°С приводит к снижению выхода по току на 2-3 %. Однако слишком сильное снижение температуры также нежелательно, так как это значительно повышает вязкость электролита и приводит к запутыванию в нем капелек металла, т.е. к его потерям.
Известно, что на температуру электролита влияет изменение избытка фторида алюминия (AlF3), изменение напряжения электролизера, изменение концентрации глинозема и др.
Известно, что с увеличением междуполюсного расстояния повышается выход по току. Однако одновременно возрастает падение напряжения в электролите, что приводит к увеличению расхода электроэнергии.
Большое влияние на выход по току оказывает криолитовое отношение, которое характеризует химический состав электролита, для различных технологий целевое КО выбирается эмпирическим путем, а вот его поддержание в целевых границах требует отдельного расчета и управления желательно в автоматическом режиме. Расход электроэнергии зависит, в основном, от междуполюсного расстояния (МПР), которое желательно иметь как можно более низким, но при этом важно не перейти границу, после которой указанные выше параметры процесса попадут в область снижения производительности и технологических расстройств.
Учитывая зависимость производительности электролизера от множества параметров, которые различным образом влияют на его работу, в управлении электролизером важным является поддержание параметров электролизера в целевых границах, установленных в технических регламентах, а снижение вариаций этих параметров позволяет вести процесс в стабильном режиме.
Современное управление тепловым балансом алюминиевых электролизеров должно включать в себя как алгоритмы управления заданным напряжением (регулирования МПР), так и алгоритмы стабилизации технологических параметров в заданных границах. К управлению тепловым балансом на электролизере в порядке убывания степени влияния можно отнести напряжение электролизера, добавку фтористых солей, поддержание уровня электролита, величину и качество укрытия пространства борт-анод и обожженных анодов, уровень металла. Факторами, влияющими на тепловой баланс, являются поддерживаемая концентрация глинозема в расплаве, падение напряжения в анодном узле, падение напряжения на катоде.
Качество управления тепловым балансом можно оценивать по вариациям температуры электролита и ее среднеквадратичному отклонению (СКО) от целевого значения, по стабильности КО и СКО КО, по неизменности формы рабочего пространства (ФРП) (настыль и гарнисаж), по стабильности температур борта.
Управление температурой, КО и напряжением электролизера является актуальной задачей для поддержания теплоэнергетического режима работы электролизера при электролитическом производстве алюминия, так как правильное управление обеспечивает высокие технико-экономические показатели.
Управление электролизером требует динамического контроля технологических параметров: температура электролита, КО, напряжение электролизера и т.д., чтобы поддерживать их в допустимых коридорах заданных значений. Для решения этих задач были разработаны различные способы управления, которые, как правило, основаны либо на управлении концентрацией глинозема в электролизере, либо на регулировании температуры электролита, либо на регулировании состава электролита.
Известен способ регулирования температуры ванны электролизера для производства алюминия (US5882499, 16.03.1999 г.), в котором управление заданным напряжением осуществляют по измерениям температуры электролита, усредненным за определенный промежуток времени. Авторы также предлагают использовать расчетное значение температуры ликвидуса по известному химическому составу электролита и использовать для управления заданным напряжением не только измеренную температуру электролита, но и полученный таким образом расчетный перегрев. Расчет добавки к заданному напряжению состоит из двух частей: одна часть отвечает за плановые операции (обработка, замена анода), а вторая часть рассчитывается непосредственно для стабилизации температуры электролита. Стабилизирующая добавка подается как в случае уже значительного отклонения температуры электролита (и расчетного перегрева) от заданной, так и при тренде замеренных за технологический период температур пропорционально углу наклона этого тренда. Измерение температуры проводится один раз в 8 часов, решение о вольт-добавке принимается на основании тренда последних 4 измерений.
К недостаткам метода можно отнести его излишнюю сложность в реализации, так как требуется внесение изменений в существующий технологический операционный цикл обслуживания электролизера с привлечением дополнительного персонала для увеличения количества измерений, а также использование расчетного перегрева электролита.
Известен способ регулирования электролизера (RU2280717, 27.07.2006 г.), включающий расчет дозы фторида алюминия при помощи Фаззи логики, при котором рассчитывают численные значения добавки ΔU и добавки фторида алюминия ΔAlF3. В известном способе необходимо также проводить измерение температуры ликвидуса электролита.
Недостатком известного способа является проведение дополнительных измерений температуры ликвидуса электролита, что обусловливает возрастание производственных затрат из-за подготовки леточного отверстия, увеличение времени измерения, наличие определенных навыков персонала для проведения измерений. Кроме того, измерения температуры ликвидуса электролита приводят к удорожанию обслуживания работы электролизера относительно метода измерения температуры электролита.
Также к недостаткам данного способа управления электролизером можно отнести необходимость расчетов всех состояний электролизера, разделения их на 49 ячеек матрицы управления и осуществления управления, используя непосредственно измеренные температуры ликвидуса и перегрева.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, взятого в качестве прототипа, является способ управления теплоэнергетическим режимом электролизера для получения алюминия (RU2015146567, 04.05.2017 г.), в котором управление теплоэнергетическим режимом электролизера выполняется путем регулирования междуполюсного расстояния (МПР) и содержания AlF3 в электролите. Способ включает в себя как измерение, так и расчет технологических параметров, сравнение измеренных значений технологических параметров с заданными и корректировку добавки к уставке напряжения и добавки AlF3. В способе используется рассчитанные значения прогнозного криолитового отношения и фильтрованной температуры электролита, причем добавку к уставке напряжения устанавливают заранее рассчитанную в зависимости от базового напряжения и фильтрованной температуры электролита.
К недостаткам данного способа можно отнести тот факт, что управление напряжением производится исходя из измерений температуры электролита, а расчет добавки AlF3 выполняется на основе прогнозного КО, при этом управление этими параметрами относится к разным контурам и между ними нет математически рассчитанной зависимости, что приводит к перерегулированию и ошибкам в управлении теплоэнергетическим режимом электролизера.
Таким образом, ни один из известных способов управления теплоэнергетическим режимом электролизера не позволяет в достаточно полном объеме управлять тепловым балансом в ванне электролизера и, следовательно, более качественно корректировать его, а последующие коррекции температуры, осуществляемые разными способами регулирования количества AlF3, могут быть недостаточными, чтобы избежать колебаний теплового баланса и химического состава электролита.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно, повышение качества управления теплоэнергетическим режимом электролизера для получения алюминия благодаря взаимосвязанному расчету поддержания температуры электролита, избытка AlF3 в электролите вблизи оптимальных значений с учетом текущего состояния электролизера.
Техническим результатом изобретения является обеспечение работы электролизера с минимальным напряжением без снижения выхода по току, снижение вариаций технологических параметров за счет стабилизации теплоэнергетического состояния электролизера, что приводит к повышению производительности электролизера и снижению расхода электроэнергии.
Технический результат достигается заявляемым способом управления теплоэнергетическим режимом электролизера для получения алюминия, в котором осуществляют регулирование междуполюсного расстояния (МПР) и содержания фторида алюминия (AlF3) в электролите, измерение и расчет технологических параметров, сравнение измеренных значений технологических параметров с заданными и корректировку добавки к уставке напряжения и добавки фторида алюминия.
При этом в предложенном способе новым является то, что производят пошаговый расчет взаимосвязи изменения напряжения и подачи фторида алюминия для поддержания температуры электролита и избытка AlF3 в электролите вблизи оптимальных значений с учетом текущего состояния электролизера и необходимого изменения количества тепла ∆Q для перевода электролизера из одного теплового состояния в другое в виде поверхностной функции ∆U(KO,T).
Поверхностная функция ∆U(KO,T) описывается формулой (1):
ΔU = (a0-a1*КО)*Тэл3 - (a2*КО-a3)*Тэл2 + (a4*КО -a5)*Тэл - (a6*КО-a7) (1),
где
а0 - а7 – регрессионные коэффициенты, полученные на основе моделирования термодинамического состояния;
КО - криолитовое отношение;
Тэл - температура электролита, °C.
Основу процедуры расчета добавок напряжения для корректировки теплового баланса составляет матрица воздействий.
Для полноценного управления тепловым балансом необходимо выполнить процедуру расчета добавок напряжения и дозы AlF3 в виде матрицы воздействий. Для моделирования матрицы и расчетного ядра алгоритма необходимо выполнить расчет теплового баланса по следующему основополагающему уравнению (2):
Пусть – заданный объем в электролизере, Г – его граница.
(2)
где 
– масса среды в объеме, кг 
, 
– температура среды, К; 
– удельная теплоемкость среды Дж/кг*К; 
– плотность среды кг/м3; 
– внутренние источники тепла в заданном объеме, Дж/с
Математическое описание процесса получения алюминия для расчета теплового баланса имеет следующие разделы:
- тепловая динамическая модель электролизера: расчет температур выделенных областей и поверхностей, расчет плавления настыли, уровень спекания анода, тепловые затраты на реакции нагрева сырья.
- модели массового и электрического балансов: поступление и расход сырья, производство металла, расчет падения напряжения в электролите, прогноз анодных эффектов.
Теплообмен в областях глинозема, корки, электролита, металла, подовых блоков, теплоизоляции описывается следующими уравнениями относительно средних температур:
,
,
, 
,
,
,
где 
- средние температуры соответствующих слоев, К, 
- приход тепла от электроэнергии в электролите, Дж, 
- теплообмен с анодом, Дж, 
- удельные теплоемкости соответствующих материалов (электролит, металл, глинозем, корка электролита, катода, днище катода), Дж/К, 
- массы соответствующих областей (электролит, металл, глинозем, корка электролита, катода, днище катода), кг, 
- потери тепла на нагрев и растворение глинозема, Дж, 
- расход тепла на основную реакцию, Дж, 
- тепловой поток от внутреннего источника тепла в катоде, Вт.
Потоки тепла через границы рассматриваемых слоев находятся по следующим формулам:
- тепловой поток из электролита в настыль,
- температура ликвидуса электролита, К;
- тепловой поток из электролита в металл;
- тепловой поток от корки к глинозему на корке;
- тепловой поток из металла в катод;
- тепловой поток из металла в настыль;
- тепловой поток с поверхности глинозема в атмосферу, 
- температура поверхности глинозема;
- тепловой поток из подовых блоков в теплоизолирующее дно;
- тепловой поток с наружной поверхности дна в атмосферу.
Коэффициенты теплоотдачи 
считаются заданными, а коэффициенты теплопередачи 
вычисляются по формулам 
, где 
, 
- толщина, см и теплопроводность слоя, Вт/м*К.
С использованием условия фазового перехода используется формула для динамического расчета толщины настыли:
(3)
где ∆t- время расчета, час; αэ-н – коэффициент теплопроводности электролит-настыль, Вт/м*К; Тэ - температура электролита, К; Тлик – температура ликвидуса электролита, K; Lн – удельная теплота плавления настыли, Дж/кг; λ4- теплопроводность настыли, Вт/м*К; 
- температура настыли, К, pн – плотность настыли, кг/м3, n-номер итерации расчета.
Формула (3) для определения толщин настыли в металле и электролите отражает связь массового и теплового баланса электролизера, что необходимо для управления химическим составом электролита.
Объем, уровень и масса электролита связаны следующими соотношениями, полученными из геометрии электролизера:
(4)
где 
– объем электролита, м3, 
– уровень электролита, см, 
– масса электролита, т, 
– толщина настыли при заданной температуре, см, 
– длина и ширина катода, м, 
– площадь анода, м2, 
– расстояние от подошвы анода до поверхности металла, м., pэ – плотность электролита, кг/м3.
Для управления КО необходимо определять так называемый «избыток» фторида алюминия xsAlF3, % в электролите:
(5)
Эта величина показывает превышение % содержания AlF3 в электролите над чистым криолитом. Процентное содержание CaF2, MgF2, LiF, AlF3 определяют в ходе процесса электролиза на основе анализа состава электролита.
В алгоритмах управления необходимо также определять величину избытка 
, так как именно к этой величине прибавляется добавка фторида алюминия и вычитаются потери AlF3 на каждом расчетном шаге динамической модели. При плавлении настыли 
остается тем же, но увеличивается масса электролита и тогда меняется 
.
Способ управления теплоэнергетическим режимом в электролизере для получения алюминия заключается в его поддержании в заданных пределах путем регулирования междуполюсного расстояния (МПР) и избытка фторида алюминия AlF3 в электролите. Для этого необходимо отрегулировать процесс таким образом, чтобы осуществлялась связь между двумя алгоритмами: управления составом электролита и управления напряжением на электролизере.
Заявляемый способ включает измерение и расчет технологических параметров, сравнение измеренных значений технологических параметров с целевыми значениями и взаимосвязанный расчет добавки фторида алюминия в электролит по формуле 5 и изменения напряжения электролизера (∆U) по формуле 1, учитывающей оба эти параметра. При отклонении измеренных параметров от целевых значений запускается процедура расчета и осуществления управляющих воздействий.
Таким образом, в соответствии с заявляемым способом управления автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) выбирает, какой алгоритм должен работать в текущий момент времени: алгоритм управления составом электролита, алгоритм управления напряжением или оба алгоритма должны работать одновременно.
Предложенный способ дополняют частные отличительные признаки, характеризующие заявленное изобретение в частных формах его осуществления.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На фиг. 1 представлена блок-схема, описывающая алгоритм способа управления заданным напряжением и КО.
На фиг. 2. представлена поверхностная функция ∆U(KO,T) вольт-добавки напряжения от КО и температуры электролита.
На фиг. 3а представлена динамика среднеквадратичного отклонения температуры электролита в опытных электролизерах и электролизерах- свидетелях.
На фиг. 3б представлена динамика среднеквадратичного отклонения КО электролита в опытных электролизерах и электролизерах-свидетелях.
На фиг. 4а показана диаграмма распределения КО в электролизерах-свидетелях.
На фиг. 4б показана диаграмма распределения КО в опытных электролизерах.
На фиг. 5 показаны проценты отклонений по основным технологическим параметрам (уровень металла, уровень электролита, температура электролита, КО) в опытных электролизерах и в группе электролизеров-свидетелей.
Осуществление изобретения
Как показано на блок-схеме, представленной на фиг. 1, заявленный способ управления заключается в следующем. АСУТП получает входные данные трех видов: блок 3 - текущие технологические параметры (3 последних измеренных значения температуры электролита и последнее измеренное значение КО), блок 2 - целевые значения параметров (температура электролита, КО, заданное напряжение U), и блок 1 - ограничения из конфигурационного файла (min ∆U, max ∆U). Затем автоматизированной системой осуществляется расчет вольт-добавок (∆U) по формуле 1 и фторида алюминия по формуле 5 (блок 4). В программу нижнего уровня передается измененное заданное напряжение (текущее напряжение + ∆U) (блок 6), который является существующей подпрограммой АСУТП для управления напряжением электролизера В блоке 5 подпрограмма ССЭ (стабилизация состава электролита) производит перерасчет фторида алюминия в управляющее значение времени срабатывания дозатора фторида алюминия для АСУТП. Параллельно программа ССЭ с динамической моделью получает измененное значение напряжения в качестве прогноза, пересчитывает по формуле 5 значение суточной добавки AlF3 и производит расчет уставки дозатора питания фтористым алюминием (блок 5).
Если в управлении КО используется программа ССЭ без динамической модели, в нее передается эквивалент. Расчетный эквивалент ∆U и ∆AlF3 получают по результатам тестового моделирования путем задания использования для расчета необходимого значения (выбирается экспертно) значения ∆U (например, 0.1В) и оценки соответствующего полученного расчетного изменения криолитового отношения КО.
Далее приведены примеры осуществления заявленного способа. В таблице 1 и таблице 2 представлены расчетные воздействия для электролизера: результаты моделирования для матрицы вольт-добавок (табл.1) и результаты моделирования для матрицы добавок AlF3 (табл.2), полученные в результате расчета по формулам 1 и 5, соответственно.
Таблица 1
Вольт-добавки напряжения, мВ
| КО | |||||||
| Температура электролита, °С | 2,15 | 2,2 | 2,25 | 2,3 | 2,35 | 2,4 | 2,45 |
| 970 | -40 | -80 | -80 | -80 | -80 | -60 | -60 |
| 965 | -40 | -40 | -40 | -40 | -40 | -40 | -40 |
| 960 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 955 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 950 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 945 | 50 | 50 | 50 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 940 | 100 | 100 | 80 | 50 | 0 | 0 | 0 |
Таблица 2
| Добавки AlF3, кг | |||||||
| КО | |||||||
| Температура электролита, °С | 2,15 | 2,2 | 2,25 | 2,3 | 2,35 | 2,4 | 2,45 |
| 970 | 0 | 0 | 0 | 0 | 30 | 45 | 70 |
| 965 | 0 | 0 | 15 | 15 | 45 | 60 | 65 |
| 960 | 0 | 0 | 15 | 30 | 45 | 60 | 60 |
| 955 | 0 | 0 | 15 | 30 | 45 | 60 | 60 |
| 950 | 0 | 0 | 15 | 30 | 45 | 45 | 45 |
| 945 | 0 | 0 | 15 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 940 | 0 | 0 | 15 | 15 | 30 | 30 | 30 |
Моделирование для матрицы вольт-добавок, приведенной в таблице 1, отображает применяющуюся в комплексном воздействии суточную добавку AlF3. Каждая ячейка рассматривается как начальная точка и подается воздействие либо только указанной вольт-добавкой, либо вольт–добавкой и приведенной в нижней матрице добавкой AlF3. Приведенные в матрице добавки AlF3 укладываются в имеющиеся в алгоритме ограничения (по максимальной и минимальной дозам AlF3) и указывают применяющуюся в комплексном воздействии суточную добавку AlF3.
Полученный результат расчета динамически отслеживался через 2-3 суток данного воздействия. Целевой диапазон, отражающий нормальный теплоэнергетический режим, при котором вмешательство в управление не требуется, выделен цветом (серый квадрат в таблице 1), при этом при попадании рассчитанного значения вольт-добавки напряжения ∆U за пределы целевого диапазона требуется воздействие в соответствии с значениями таблиц 1 и 2 либо вольт-добавкой, либо вольт–добавкой и добавкой фторида алюминия. Таким образом, в таблице 1 и таблице 2 представлены расчетные значения управляющих воздействий по напряжению и добавке AlF3 для электролизера на силу тока 195кА. Достижение результата оценивалось как не попадание в серый квадрат в таблице 1.
В полученной матрице (таблица 1) левый верхний угол и правый нижний представляют собой противоречивое сочетание температуры и КО, как правило, управление в этой области не происходит. В правом нижнем углу матрицы перегрев отрицательный, поэтому воздействие здесь не моделируется, но при доверии к температуре можно давать положительную вольт-добавку, как в средней точке нижнего ряда. В левом верхнем углу такое сочетание температуры и КО возможно при анализе КО 1-2 дневной давности или при отсутствии настыли. Добавки рассчитаны в предположении, что настыль есть и низкое КО еще снизится при ее увеличении из-за отрицательной вольт-добавки.
В верхнем правом углу значения вольт-добавок менее значительные, чем в нижнем левом углу, при более низком КО, так как в этих ячейках нужно воздействовать и снижать КО, а не температуру.
На основе полученных модельных расчетов рассчитана поверхностная функция ∆U(KO,T) (фиг. 2), которая является формулой для расчета эквивалентов по напряжению и фторида алюминия в данных матрицах, где на оси X находятся полученные значения КО, на оси Y - температура электролита, а на оси Z - добавки напряжения.
Для проверки работоспособности алгоритма он был установлен на группу опытных электролизеров, а для сравнения была взята группа электролизеров-свидетелей со схожими технологическими характеристиками. Анализ делался по среднеквадратичному отклонению (СКО) распределения температуры электролита и криолитового отношения (КО).
В таблицах 3 – 6 приведены результаты вариаций температуры электролита и КО за период с января 2017 по август 2017 г.
Таблица 3
| Опытные электролизеры | |||||||||
| Температура электролита, °С | янв.17 | фев.17 | мар.17 | апр.17 | май.17 | июн.17 | июл.17 | авг.17 | Итого |
| мин. | 927 | 931 | 932 | 936 | 939 | 938 | 938 | 943 | 927 |
| макс. | 967 | 966 | 976 | 988 | 978 | 973 | 973 | 973 | 988 |
| сред. значение | 949,7 | 948,7 | 950,1 | 959,1 | 954,7 | 959,4 | 959,1 | 957,5 | 954,8 |
| ст. откл. | 7,5 | 7,6 | 8,8 | 12,9 | 8,0 | 7,1 | 7,9 | 7,9 | 8,4 |
| % > 970 | 0 | 0 | 2 | 22 | 3 | 3 | 3 | 3 | 4 |
| % < 945 | 21 | 29 | 31 | 12 | 8 | 3 | 4 | 4 | 14 |
Таблица 4
| Электролизеры - свидетели | |||||||||
| Температура электролита, °С | янв.17 | фев.17 | мар.17 | апр.17 | май.17 | июн.17 | июл.17 | авг.17 | Итого |
| мин. | 926 | 924 | 922 | 929 | 927 | 938 | 929 | 934 | 922 |
| макс. | 979 | 977 | 987 | 969 | 976 | 974 | 973 | 973 | 987 |
| ср. знач. | 954,3 | 955,3 | 954,7 | 950,6 | 954,3 | 954,1 | 951,6 | 953,2 | 953,5 |
| ст. откл. | 9,7 | 9,6 | 10,4 | 8,3 | 9,6 | 8,3 | 9,5 | 9,4 | 9,4 |
| % > 970 | 2 | 4 | 6 | 0 | 3 | 2 | 1 | 2 | 2 |
| % < 945 | 16 | 16 | 16 | 20 | 11 | 12 | 23 | 22 | 17 |
Таблица 5
| Опытные электролизеры | |||||||||
| КО | янв.17 | фев.17 | мар.17 | апр.17 | май.17 | июн.17 | июл.17 | авг.17 | Итого |
| мин | 2,1 | 2,1 | 2,08 | 2,15 | 2,24 | 2,25 | 2,18 | 2,19 | 2,08 |
| макс | 2,78 | 2,47 | 2,57 | 2,5 | 2,48 | 2,6 | 2,55 | 2,47 | 2,78 |
| ср. знач. | 2,31 | 2,27 | 2,25 | 2,34 | 2,34 | 2,41 | 2,39 | 2,36 | 2,33 |
| ст. откл. | 0,09 | 0,08 | 0,09 | 0,08 | 0,06 | 0,07 | 0,06 | 0,07 | 0,07 |
| % > 2,45 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 18 | 9 | 2 | 5 |
| % < 2,25 | 20 | 15 | 52 | 15 | 4 | 0 | 2 | 6 | 7 |
Таблица 6
| Электролизеры - свидетели | |||||||||
| КО | янв.17 | фев.17 | мар.17 | апр.17 | май.17 | июн.17 | июл.17 | авг.17 | Итого |
| мин. | 2,13 | 2,11 | 2 | 2,17 | 2,2 | 2,21 | 2,15 | 2,16 | 2 |
| макс. | 2,58 | 2,64 | 2,52 | 2,5 | 2,53 | 2,55 | 2,52 | 2,48 | 2,64 |
| ср. знач. | 2,32 | 2,37 | 2,35 | 2,33 | 2,34 | 2,36 | 2,35 | 2,32 | 2,34 |
| ст. откл. | 0,10 | 0,11 | 0,11 | 0,10 | 0,08 | 0,08 | 0,07 | 0,08 | 0,09 |
| % > 2,45 | 6 | 19 | 13 | 8 | 7 | 16 | 7 | 4 | 11 |
| % < 2,25 | 20 | 4 | 17 | 25 | 6 | 9 | 4 | 25 | 6 |
По результатам работы заявленного способа управления с алгоритмами, учитывающими оба параметра: вольт-добавки и добавки AlF3, представленными в таблицах 3-6, были построены графики, приведенные на фиг. 3-5.
Согласно результатам, представленным на фиг. 3а и фиг. 3б, для стандартных отклонений температуры электролита и КО, полученных в результате испытания заявляемого способа за период январь 2017 по август 2017 в группе опытных электролизёров, стандартное отклонение по температуре электролита и КО ниже в группе «опытные электролизеры» относительно «электролизеров-свидетелей». Это свидетельствует об эффективной работе алгоритмов по расчету добавки AlF3 и управлению вольт-добавками к заданному напряжению, используемых в способе для группы опытных электролизеров.
На фиг. 4а и 4б приведены диаграммы распределения КО электролита за период испытаний с января 2017 по август 2017г, которые показывают меньший разброс значений относительно среднего значения КО и, соответственно, лучшее распределение значений КО в группе опытных электролизеров, что также подтверждают итоговые данные (табл. 5 и 6) по более низкому стандартному отклонению на опытных электролизерах 0,07 по сравнению с 0,09 в группе электролизеров-свидетелей. Кроме того, можно отметить, что и процент отклонений КО – 15% (фиг. 5) меньше в группе опытных электролизеров, по сравнению с 19% в группе электролизеров-свидетелей.
На фиг. 5 приведены значения технологических параметров, измеренных на электролизерах за период испытаний, где видно, что процент отклонений от допустимых границ данных параметров, установленных технологическим регламентом, в группе опытных электролизеров относительно группы электролизеров-свидетелей меньше по всем основным технологическим параметрам: по уровню электролита на 4%, по температуре электролита на 1%, по криолитовому отношению на 4%.
В целом, было показано, что разработанный алгоритм дополнительного взаимосвязанного расчета добавки напряжения и добавки AlF3, включенный в способ управления теплоэнергетическим режимом в группе опытных электролизеров, позволил стабилизировать технологические параметры: снизить среднеквадратичное отклонение КО до 0,07 на опытных электролизерах по сравнению с 0,09 на электролизерах-свидетелях и снизить среднеквадратичное отклонение температуры электролита до 8 градусов в группе опытных электролизеров по сравнению с 10 градусами в группе электролизеров-свидетелей.
В ходе промышленных испытаний в группе опытных электролизеров за счет использования нового алгоритма взаимосвязанного расчета добавок напряжения и AlF3 получено повышение технико-экономических показателей, в частности снижение расхода электроэнергии в процессе электролиза составило 120кВт*ч/т Al.
Таким образом, предлагаемый способ управления позволяет:
- снизить удельный расход электроэнергии на 120кВт*ч/т за счет оптимизации температуры электролита вследствие управляющих воздействий на состав электролита и напряжение;
- определять вклад каждого параметра воздействия для поддержания теплового баланса электролизера в допустимых границах, то есть воздействие посредством добавки AlF3 в электролит и посредством напряжения.
Также заявляемый способ управления обеспечивает снижение вариаций и стабилизацию температуры и КО с минимально возможными отклонениями от целевых значений, что, как следствие, приводит к стабилизации настыли и гарнисажа и постоянству теплового баланса электролизера в целом. Алгоритм, примененный в способе по изобретению, стремится достигать цели (регламентных значений показателей) по температуре, КО, и заданному напряжению, обеспечивая необходимый электролизеру тепловой баланс. Вольт-добавки устанавливаются к текущему заданному напряжению и снимаются по достижении электролизером целевых показателей.
Комплексный расчет оптимальных взаимосвязанных управляющих воздействий на напряжение и добавку AlF3 позволяет снизить вариации технологических параметров, оптимизировать напряжение, что приводит к повышению энергоэффективности работы электролизера без снижения выхода по току.
1. Способ управления теплоэнергетическим режимом электролизера для получения алюминия, включающий регулирование междуполюсного расстояния (МПР) и содержания фторида алюминия (AlF3) в электролите, измерение и расчет технологических параметров, сравнение измеренных значений технологических параметров с заданными и корректировку добавки к уставке напряжения и добавки фторида алюминия, отличающийся тем, что производят расчет взаимосвязи изменения напряжения и подачи фторида алюминия для поддержания температуры электролита и избытка AlF3 в электролите вблизи оптимальных значений с учетом текущего состояния электролизера и необходимого изменения количества тепла для перевода электролизера из одного теплового состояния в другое, представленной в виде поверхностной функции ∆U(KO,T), при этом упомянутая поверхностная функция ∆U(KO,T) описывается формулой:
∆U=(a0-a1*КО)*Тэл3 - (a2*КО-a3)*Тэл2 + (a4*КО-a5)*Тэл - (a6*КО-a7),
где а0-а7 – регрессионные коэффициенты, полученные на основе моделирования термодинамического состояния;
КО - криолитовое отношение;
Тэл - температура электролита, °C.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что посредством автоматизированной системы управления технологическим процессом выбирают, какой алгоритм должен работать в текущий момент времени: алгоритм управления составом электролита, алгоритм управления напряжением или оба алгоритма должны работать одновременно.
