淺談鋁電解控制系統升級改造

王國坤

(陜西有色榆林新材料集團鋁業分公司,陜西 榆林 719000)

0 引言

某集團鋁業分公司現使用400 kA 鋁電解控制的系統為2012 年投入使用,經過多年連續運行,鋁電解控制系統主要存在以下問題:①系統長期連續在高溫、強磁場環境下運行,集成電路、電子原器件等硬件設備老化跡象嚴重,超過使用壽命,槽控系統故障率居高不下無法發揮系統原有設計性能;②槽控系統的電壓控制、氧化鋁濃度控制以及出鋁、換極、抬母線等特殊操作的控制算法停留在十年前,遠落后于同行業的控制水平,導致電解槽氧化鋁濃度控制及穩定性較差,能耗得不到有效控制。

鑒于槽控系統已不能滿足生產管理需求,公司結合生產實際,擇機實施槽控系統升級項目。在2021 年完成了576 臺400 kA 鋁電解控制系統的升級改造,使控制系統的整體性能得到明顯改善。本次升級主要優化了鋁電解控制系統網絡結構和電解槽控制策略的算法。

1 優化鋁電解控制系統網絡結構

本公司鋁電解控制系統采用“局域網—監控管理—槽控機”三級網絡分布式結構,如圖1 所示。

圖1 鋁電解控制系統網絡信號示意圖

1.1 管理網絡級

管理網絡系統由數據庫服務器、交換機、管理主機、管理工作站、工區工作站以及若干應用工作站構成。每工區對應2 個工區工作站,安置在其對應的工區辦公室內。電解工區工作站采用單模光纜連接,控制室內的工作站采用雙絞線連接。

1.2 監控管理級

設工業監控管理機每系列2 套,用于全系列鋁電解生產控制系統的監控、管理以及通過網絡交換機實現電解生產控制系統與局域網內各工作站數據庫之間的數據交換。管理機與槽控機之間的通訊采用控制現場網絡總線以太轉CAN-BUS。

1.3 控制級

每一臺電解槽配備1 臺槽控機,用于直接完成鋁電解槽的生產過程控制?？刂葡到y由安裝在電解生產現場的槽控機(控制級)和安裝在控制室的監控機(監控管理級)以及安裝在電解車間辦公室內的電解車間工作站組成。監控機與槽控機兩級間的數據通訊采用控制現場網絡總線以太轉CANBUS。

位于監控管理級與控制級之間的信號分配器還用于將整流所送來的系列電流和系列電壓模擬信號(4～20 mA)轉換為線性頻率脈沖信號后送監控機,同時將系列電流脈沖信號隨網絡總線電纜送至各槽控機。

本次鋁電解監控系統升級后解決了以太網和現場總線CAN 總線之間互聯問題,實現了鋁電解槽的遠程管理,電解管理人員可以遠程查看電解槽運行情況及管理電解槽,取得了很好的管理效益。同時該系統具有抗干擾性強、擴展性好、通信準確、穩定、數據傳輸率高的性能,并在設計中充分考慮了防雷要求。

2 升級優化后電解槽控制策略

升級后新槽控機技術原理以多參數平衡為核心,以靜態平衡和電流效率為技術基礎,實現電解槽動態平衡關鍵參數的智能化控制。通過在線數據、離線數據和大數據分析作為控制數據的反饋,實現電解槽“氧化鋁”、“氟化鋁”、“噪聲”、“特殊操作控制”以及爐膛類型等智能化控制。

2.1 氧化鋁濃度控制

由于電解槽的自身特點,不可能做精確控制,電解槽加料都采用了過/欠加料形式,讓濃度擺動起來,使電解槽在最佳狀態附近運行,由于電解體系的不同,“U”型曲線也是變形和漂移的,曲線的阻差、斜率也會發生變化(圖2),以此來判定濃度顯然不夠準確。因此升級后的系統在氧化鋁濃度控制中引入過熱度識別,防止電解槽運行走偏。從而,采取不同氟化鋁策略、電壓和出鋁量,在工藝上糾偏。該系統對氧化鋁濃度控制不是簡單的阻差/斜率控制,而是采用“雙軌跡控制”模式。過/欠轉換不是定時控制,而是以過/欠高度來決定,因此形成的過/欠比表示電解槽的冷熱狀態或趨勢;過/欠深度不是定值,而是根據邏輯推理后,在一定間隔時間后隨時調整的;改變NB 間隔(20%以內)并不能改變氧化鋁相對長時間內的下料量,氧化鋁量是由需求決定的;對濃度的調整能力大,具有大幅度矯正高濃度的能力,而且并對氟化鋁添加量產生影響,并不是獨立的系統。

圖2 氧化鋁濃度“U” 型曲線

2.2 多級噪聲檢測與控制

傳統的電解槽噪聲控制分為正常和電壓擺兩種方式,電壓擺是人為設定的一個標準,本公司的電壓擺判定標準為80 mV、120 mV。當電解槽發生電壓擺,在工藝思想上判定電解槽處于異常狀態,需要提高極距來穩定槽況。但是從電壓擺的判定標準上就可以看出,電壓擺設定標準的差異性很大,遠高于電解槽正常運行的需要。通常情況下正常的噪聲50 mV 以下,超出正常就是異常,只是程度的不同,鋁電解監控系統升級后對電壓擺與噪聲的控制進行了優化。

槽控機以1 min 的最大電壓與最小電壓的差值判定,連續6 min 擺幅大于100 mV 判定為電壓擺,此時槽控機根據1 min 擺幅自動升陽極(擺幅越大升陽極時間越長),升極后16 min 內檢測波動是否結束,若升陽極后電壓擺不能自動消除,則需人工處理,電壓擺停止后20 min 不降極,之后每5 min 檢測是否降陽極,直至電壓恢復正常(圖3)。

圖3 電壓擺控制

圖4 出鋁控制

電解槽電壓介于正常與電壓擺之間的范圍是很大的,本次升級將噪聲控制進行細化,將低于電壓擺設定值的噪聲細分為三級,分別為一級噪聲,二級噪聲和三級噪聲。

一級噪聲:為正常,不做電壓調整;

二級噪聲:達到時,適量減少氟化鋁添加量,噪聲降低后會取消附加電壓,可以增加氟化鋁添加量;

三級噪聲:達到時,大幅度減少氟化鋁添加量,噪聲降低后會取消較高等級的附加電壓,可以適量增加氟化鋁量;

該控制系統在電解槽還未達到電壓擺的情況下也會有附加電壓,這是為保持電解槽穩定和保護爐膛。

2.3 電解槽特殊操作控制

電解日常工作中的出鋁、換極等特殊作業操作會對電解槽的兩大平衡即物料平衡和熱平衡產生影響,易引起電解槽的擺動、槽溫升高、氧化鋁濃度分布不均勻。因此針對不同的特殊操作制進行了優化升級。

2.3.1 出鋁控制

出鋁過程中由于極距發生變化,很容易誘發效應。出鋁過程采用出鋁自動降陽極,因此對出鋁開始的判斷條件進行細化,滿足條件A 或B 時判斷出鋁開始,即:A 當前槽電阻與目標電阻之差>200 mV;B 設出鋁過程最新4 次5S 槽電阻為JR4、JR3、JR2、JR1、JRB(出鋁前電阻),當JR4 -JR3 >80 mV 或JR4 -JR2 >100 mV 或(JR3 +JR4)/2 -JRB >120 mV 判斷出鋁開始,以達到迅速降陽極的目的。

在出鋁過程中當前槽電阻與目標電阻之差大于120 mV,粗降2.5 s;當前槽電阻與目標電阻之差大于50 mV,微降1 s 當檢測出出鋁開始后連續3 min檢測到與目標電壓的偏差低于50 mV,或總下降的時間大于20 s 自動退出出鋁控制;出鋁結束后進入出鋁后附加控制附加電壓10 mV 保持時間20 min以補償熱量損失。

2.3.2 換極特殊操作

由于換極作業的過程中會將原覆蓋在殘極表面的氧化鋁帶進電解槽,使電解槽產生沉淀,新極進入電解槽后需要預熱的過程。因此在換極操作結束后進入換極后附加控制(該過程按欠加工下料):附加電壓60 mV 保持時間60 min,而且在換極過程中按自適應進行氧化鋁下料,抑制突發效應的發生,避免換極后造成電解槽的擺動。

3 鋁電解控制系統升級后的生產實踐

鋁電解控制系統硬件升級之后運行穩定(表1),在采用新的控制策略后,控制系統對電解槽的智能控制度提高,在優化工藝控制同時,該公司制定了詳細的電解操作規程以及工藝技術條件標準,保持合理的技術條件,減少人員操作對電解槽穩定性的干擾。經過一年的實踐生產運用在降低設定電壓、平均電壓、效應系數、氧化鋁濃度等各項經濟技術指標均方面得到了較好改觀(表2),電解槽穩定性明顯增強。

表1 槽控機故障統計表

表2 400 kA 電解系列經濟技術指標

從表1 可以看出,鋁電解控制系統2021 年9 月份升級后,槽控系統的穩定性較好,設定電壓、平電壓、氧化鋁濃度、效應系數、直流單耗等各種經濟技術指標均發生了變化。

3.1 槽控機運行穩定

槽控系統的現場控制級設備主要安裝在高磁場、高粉塵的電解廠房,升級后的槽控機箱體密封嚴實且硬件全部更換,從表1 可以明顯看出槽控機自身故障較之前明顯減少。

3.2 電解各項經濟技術指標

由表2 可看出,氧化鋁濃度控制算法進行優化后,下料的過/欠量方式也發生了變化。升級前氧化鋁濃度保持范圍在3.4%～4.6%,氧化鋁濃度控制效果不理想,升級后氧化鋁濃度范圍縮小到2.9%～3.2% 之間,實現低氧化鋁濃度的目標,趨近于氧化鋁“U”型曲線控制的理想狀態,同時由于氧化鋁濃度控制欠/過轉換敏感,精度提高,從而導致效應系數降低0.403 次/槽·日。

同時,由于控制更加精細化,平均電壓、工作電壓與設定電壓的差距縮小,電解槽穩定性切實得到了提高,單臺電解槽設定電壓、工作電壓、平均電壓分別下降了1 mV、2 mV 和4 mV,噸鋁液直流電單耗由13 215 kW·h 下降為13 145 kW·h,降低70 kW·h,節能降耗效果明顯。

4 結語

升級后的鋁電解控制系統通訊具有抗干擾性強、擴展性好、通信準確、穩定、數據傳輸率高的性能,槽控機自身故障較升級前明顯減少至少60%。同時鋁電解控制系統控制算法優化后通過對計算機模擬的氧化鋁濃度、計算機控制的氧化鋁加料量、氟鹽添加量、出鋁操作中的精度,及換極作業質量和電解槽爐況等跟蹤,使下料量與出鋁量形成很好的對應關系。該控制系統使得氧化鋁濃度降低,范圍縮小至2.9%～3.2%,效應系數降低0.04 次/槽·日,工作電壓和平均電壓分別降低2 mV 和4 mV,鋁液直流電單耗降低70 kW·h/t-Al,從而取得了較好的節能、環保效果,提高了企業的經濟效益。概括而言,升級后的電解槽監控系統在鋁電解槽生產工藝中發揮的自動控制功能作用十分明顯。