СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА Российский патент 2007 года по МПК C25C3/20 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к получению алюминия способом электролиза, и может быть использовано при автоматизированном управлении технологическими процессами производства алюминия.

Технологический контроль алюминиевых электролизеров основан на непрерывном считывании тока серии и напряжения электролизера и вычисления мгновенного сопротивления электролизера. Для непрерывного контроля процессов, происходящих в электролизере, недостаточно знать только величину напряжения, измеряемого на электролизере. Необходимо использовать дополнительные сигналы с электролизера, что позволит более точно производить диагностику происходящих процессов. В качестве дополнительных сигналов может быть измерение токовой нагрузки каждого анода.

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).

Наиболее близким к предлагаемому решению является 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 аналога и прототипа 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.

Задачей изобретения является улучшение технико-экономических показателей работы алюминиевого электролизера за счет стабилизации технологических параметров и режима работы электролизера.

Техническим результатом изобретения является обеспечение непрерывного мониторинга токораспределения по всем анодам алюминиевого электролизера.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе автоматического контроля технологического состояния алюминиевого электролизера с обожженными анодами, закрепленными на анодной шине, включающем измерение напряжения на конструктивных элементах электролизера с использованием датчиков напряжения, связанных с вычислительным блоком, и определение токов по анодам, согласно предлагаемому изобретению измерение напряжения на электролизере осуществляют в нескольких точках по длине анодной шины, причем число точек измерения выбирают большим числа определяемых токов, определение которых проводят по анодам, анодным стоякам и анодным перемычкам путем решения обратной задачи для уравнения распределения напряжения по анодной шине.

Способ дополняют частные отличительные признаки, направленные также на решение поставленной задачи.

При определении токов на части или всех анодных стояках и/или части или всех анодных перемычках измерение напряжения осуществляют в точках на анодных стояках и/или на анодных перемычках.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что:

во-первых, измерение напряжения на электролизере осуществляют в нескольких точках по длине анодной шины. Это исключает необходимость перенастройки измерительной системы при замене анодов;

во-вторых, определение токов по анодам, анодным стоякам и анодным перемычкам осуществляют путем решения обратной задачи для уравнения распределения напряжения по анодной шине.

Анализ, проведенный заявителем, показал, что совокупность признаков является новой, а сам способ удовлетворяет условию изобретательского уровня ввиду новизны причинно-следственной связи «отличительные признаки - технический результат».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показано:

на фиг.1 - схема осуществления способа по прототипу;

на фиг.2 - схема осуществления заявляемого способа;

на фиг.3 - зоны контакта стояков и анодных штанг на анодной шине;

на фиг.4 - зоны контакта анодных перемычек на анодной шине.

Каждый анод 1 соединен с помощью анодной штанги 2 с анодной шиной 3. Для измерения протекающего тока используется датчик 4, который измеряет напряжения на линейном участке анодной штанги. Сигналы с датчиков по шине 5 передаются в вычислительный блок 6, где сигналы накапливаются и проводится их обработка.

В заявляемом способе токи по отдельным анодам определяются по измерениям напряжения на анодной штанге (в точках измерения 7). Точки измерения могут быть как на поверхности анодной шины, контактирующей с анодными штангами, так и с другой (внутренней) стороны. Помимо анодных штанг с анодной шиной контактируют анодные стояки и перемычки между анодными шинами. В вычислительном блоке 6 на основе решения обратных задач для распределения напряжения по анодной шине 3 из измерений напряжения в отдельных точках 7 находятся токи, которые вытекают/втекают из анодной шины в анодные штанги 2, анодные стояки и анодные перемычки. Для однозначного определения токов число точек измерения напряжения должно быть больше числа определяемых токов.

Поясним суть математической проблемы, решаемой в вычислительном блоке 6 устройства, по идентификации токов, которые текут в отдельных анодах, при использовании измерений напряжения по анодной шине. Схематично ситуация отображена на фиг.3. С анодной шины 3 снимаются токи на отдельные аноды через зоны контакта с анодными шинами 8. Ток на анодную шину подводится с анодных стояков через зоны контакта анодных стояков и анодной шины 9. Кроме того, часть тока может перераспределяться по перемычкам, которые соединяют две анодные шины. Эта возможность иллюстрируется на фиг.4, на которой показана вторая (внутренняя) сторона анодной шины (10 - зона контакта анодной шины и анодной перемычки). По измерениям напряжения на основе решения обратных задач математической физики восстанавливаются токи, которые вытекают/втекают из/в анодную шину.

Распределение тока по анодной шине будем описывать на основе общих трехмерных математических моделей электродинамики сплошных сред. Обозначим через j=j(x) плотность электрического тока в точке х=(х₁, x₂, x₃). Это поле удовлетворяет уравнению

Для напряженности электрического поля Е имеем

Эти уравнения должны быть дополнены соотношением, которое связывает j и Е. Для закона Ома получим

где σ - коэффициент электропроводности.

В силу (2) электрическое поле является потенциальным и для его описания можно ввести электрический потенциал ϕ такой, что

Принимая во внимание (3), (4) из (1) получим эллиптическое уравнение для электрического потенциала

Здесь через Ω обозначена область, занятая анодной шиной.

При моделировании растекания тока по анодной шине будем использовать однородные и неоднородные краевые условия второго рода на границе анодной шины Г=∂ Ω. Граница анодной шины включает отдельные участки, через которые электрический ток входит (выходит). Эти участки (зоны контакта с другими токопроводящими элементами - анодными штангами, анодными стояками, перемычками) обозначим Г_k, k=1,2,..., К. В этих обозначениях

где Г₀ - непроводящая часть границы анодной шины, в частности, контактирующей с воздухом. На Г₀ используются однородные граничные условия второго рода:

При моделировании контакта с токонесущими элементами с заданными электрическими токами I_k=const, k=1,2,...,К используется неоднородное граничное условие второго рода

при

При моделировании токораспределения по анодной шине зоны контакта можно считать относительно небольшими. В силу этого можно ограничиться предположением об однородности тока в зонах контакта, т.е. считать, что

Теперь можно сформулировать задачу вычислительной диагностики токораспределения при сформулированных ограничениях. Прямая задача расчета электрического потенциала состоит в решении краевой задачи (5)-(9) при заданных константах j_k, k=1,2,...,К. Решение задачи определено с точностью до постоянной. Однозначно определяется напряжение - разность потенциалов между отдельными точками.

Обратная задача состоит в определении токов j_k, k=1,2,...,К по измерениям напряжения в некотором наборе точек на поверхности анодной шины. Будем считать, что точка x₁ на анодной шине является точкой зачеканки при измерении напряжения. В других точках

на анодной шине напряжение измеряется как разность потенциалов в точке наблюдения и в точке зачеканки. Напряжения u_m1, m=2,3,...,М измеряются с некоторой погрешностью и поэтому

По измерениям (10), (11) необходимо найти приближенные значения для токов анодов, стояков и перемычек: j_k, k=1,2,...,К. Необходимо также отметить, что поставленная обратная задача должна решаться достаточно быстро при обработке данных с электролизера во встроенных системах измерения.

Детальные математические расчеты с моделированием влияния погрешности в измерениях напряжения на внутренней стороне анодной шины на точность идентификации токов по анодам показали, что при погрешности измерений напряжения в 0,05 мВ токи по отдельным анодам для типового электролизера продольного расположения в корпусе идентифицируются с погрешностью в 0,5 кА. Для повышения точности диагностики датчики напряжения лучше располагать на середине высоты анодной штанги, число точек измерения напряжения должно быть больше числа измеряемых токов примерно в полтора раза, а влиянием температурного поля при вычислительной диагностике токораспределения по анодам можно пренебречь.

Предложенная система измерения токораспределения позволяет проводить непрерывный мониторинг токов по всем анодам электролизера, что можно использовать для контроля технологических параметров электролизера и для управления режимом его автоматического питания глиноземом.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к электролитическому получению алюминия из глинозема, и может быть использовано на электролизерах с обожженными анодами для стабилизации технологических параметров электролизера. Технический результат - непрерывное определение токораспределения по всем анодам электролизера. Предложен способ для косвенных измерений тока в анодах, анодных стояках и анодных перемычках по измерениям напряжения в отдельных точках по всей длине анодной шины с использованием датчиков напряжения, связанных с вычислительным блоком. Число точек измерения выбирают большим числа определяемых токов. Определение токов проводят по анодам, анодным стоякам и анодным перемычкам путем решения обратной задачи для уравнения распределения напряжения по анодной шине. При определении токов на части или всех анодных стояках и/или части или всех анодных перемычках измерение напряжения осуществляют в точках на анодных стояках и/или на анодных перемычках. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. 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, отличающийся тем, что 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.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении токов на части или всех анодных стояках и/или части или всех анодных перемычках измерение напряжения осуществляют в точках на анодных стояках и/или на анодных перемычках.