СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ В АЛЮМИНИЕВОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ Российский патент 2020 года по МПК C25C3/20 

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 AlF_3. 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; α_э-н – коэффициент теплопроводности электролит-настыль, Вт/м*К; Т_э - температура электролита, К; Т_лик – температура ликвидуса электролита, K; L_н – удельная теплота плавления настыли, Дж/кг; λ₄- теплопроводность настыли, Вт/м*К; - температура настыли, К, p_н – 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., p_э – 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 AlF_3, 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 AlF_3, 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.

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.

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.