鋁電解槽陽極導(dǎo)桿電流波動最頻值的實用化測量方法

梁 漢,韓啟超,殷松明

(1.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.甘肅東興鋁業(yè)有限責(zé)任公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100;3.國家鋁電投資有限公司青銅峽分公司,寧夏 青銅峽 751600)

通常,在采用LH-70電流表測試鋁電解槽陽極電流時,重點在于輔助判斷陽極極距,用于解決極距的“均一性”問題。其基本原理是采用等距離壓降法,利用電壓叉獲取電壓信號,再將電壓信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后,獲得陽極電流值,直觀簡便可靠。實際測量時,一般的記錄表格如表1和表2所示。

從表1、表2可以看出,陽極導(dǎo)桿電流的大小并不是一成不變,而是上下波動變化的。因此,可以以時間為橫坐標(biāo),以電流值為縱坐標(biāo),繪制出陽極電流隨時間變化的曲線,如圖1所示。該曲線可以看做是由上下兩部分所組成,一是恒定不變的基礎(chǔ)電流部分,如16.3kA以下的部分;二是波動變化的部分,如16.3 kA以上的部分。

圖1 單根陽極電流波動曲線示例圖

表1 福建南平鋁廠#122槽無針振時陽極電流 kA

圖2 福建南平鋁廠#122槽陽極電流分布圖(kA)

圖3 福建南平鋁廠#206槽陽極電流分布圖(kA)

陽極電流的這兩部分特征可以分別用于表述兩項槽況指標(biāo)。其中恒定電流部分可以用來表述極距,一般電流越大極距越小;而波動部分可以用來表述該陽極下鋁液界面的垂直波動幅度。

圖2、圖3采用表1和表2的數(shù)據(jù),利用矩形和三角形圖形,直觀形象地描述了這兩項指標(biāo)特征。圖中參差不齊的矩形底部描述了各陽極極距的高低,底部越高的矩形,該陽極極距越高。而頂部的三角形則形象的表述了鋁液波動的幅度,顯然,三角形越高的陽極,其掌底鋁液波動幅度越大。

1 陽極電流波形的三種形式

利用圖2、圖5對電解槽的運行狀況作輔助分析在一些鋁電解廠已經(jīng)使用多年,效果良好。其電流值一般是使用LH-70型電解槽電流表進行采集的。但隨著時間的推移,電解鋁生產(chǎn)現(xiàn)場越來越不滿足于此,而希望分析更多的陽極電流變化信息,進而獲得更客觀的數(shù)據(jù),進一步分析電解槽的運行工況。由此,對陽極電流波形的分析逐漸受到重視。

圖4 陽極電壓變化曲線

圖4所示為文獻[2]中展示的國外某電解槽陽極電壓波動變化曲線。圖中C1為槽電壓值、C2為端母線電壓值,C3～C16為用等距離電壓叉在各陽極棒采集的電壓值。依據(jù)等距離電壓降原理,C3～C16的曲線性質(zhì)可以視為該陽極的電流變化曲線性質(zhì)。

眾所周知,鋁電解槽的陽極均勻地分布在鋁液界面上,除了因極距不均勻、不均一導(dǎo)致的恒定電流部分不一致之外,其波動部分也是各異的。從圖4中可以看到波形分為三種類型:C6、C13的波動信號具有明顯的周期特性;而C14、C15、C16則呈一條直線幾乎不波動;其它的則是既有周期又有隨機信號的混合型信號。雖然這14根陽極導(dǎo)桿電流波形的特性不同,但在同一臺電解槽的鋁液界面上,它們只具有相同的最頻值。之所以波形存在差異是由于運維工藝的差別所造成的。

文獻[2]并沒有公開這些數(shù)據(jù)的采樣方法,筆者于早年采用LH-101型陽極導(dǎo)桿電流示波器也獲得了類似的數(shù)據(jù)曲線。

圖5 示波器記錄的近似正弦的周期性波動電流信號

如圖5所示為2000年用示波器記錄的河南預(yù)港龍泉鋁業(yè)#2233電解槽陽極導(dǎo)桿的電流波動曲線。由于是從示波器中直接拓出的圖形,因此沒有標(biāo)示坐標(biāo)軸(下同)。

其中(a)圖所示為A1導(dǎo)桿電流波形,波動幅值范圍為15.0～16.3 kA,其圖形呈現(xiàn)較規(guī)律的正弦波形狀,其中較為規(guī)律的一段時長約為270 s,直觀觀察可以得到最頻值為1/45 Hz左右。

(b)圖所示為B3導(dǎo)桿的電流波動曲線,波動幅值為14.6～14.7 kA,其圖形呈現(xiàn)不規(guī)律形狀,且波動幅值較小,總時長約為300 s,較難從中得到有效信息。

(c)圖所示為A6導(dǎo)桿的電流波動曲線,波動幅值為14.0～14.7 kA,圖形前半部分無規(guī)律,后半部分呈現(xiàn)一定的正弦波特性,時長約為114 s,直觀觀察可以得到最頻值為1/57 Hz左右。

這三類信號曲線是陽極導(dǎo)桿電流波動的基本類型。

2 陽極導(dǎo)桿電流波動最頻值的實用化測量

陽極導(dǎo)桿電流波動信號中的一個比較有用的參數(shù)是最頻值,通常認(rèn)為它與鋁液的波動頻率密切相關(guān)。鋁液的波動頻率直接關(guān)系到電解槽的機械穩(wěn)定、熱穩(wěn)定、以及能耗和電流效率的大小,文獻[2～10]均對此觀點有所論述,因而這是一個普遍的認(rèn)識。一種有效的做法是通過頻譜分析得到陽極電流波動信號的最頻值。

頻譜分析的基本方法是通過傅里葉變換得到頻譜曲線。信號波形越接近正弦波,其頻譜的最頻值越明顯、越突出。但通過前面的分析可以看到,陽極電流波形并不都是規(guī)則的正弦波,這給頻譜分析帶來一定困難。因此一些復(fù)雜的數(shù)值計算方法[3],或是函數(shù)過濾方法[9]被用來對信號作過濾處理。從復(fù)雜信號中篩選出近似標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號再進行傅里葉變換,進而得到尖峰最頻值。這些方法雖然有效,但略顯復(fù)雜,成本較高,不適合現(xiàn)場實用,更適合于理論研究。

一種適合現(xiàn)場使用的信號采集儀器是LH-80型陽極電流測量儀,這是一種手持式測量儀表,在電解槽現(xiàn)場實踐比較方便,且成本較低。使用該儀器獲得的陽極電流曲線不需要進行前期過濾或變換,可以直接進行傅里葉變換,因此實用性強,適合于生產(chǎn)現(xiàn)場快速分析。從A、B鋁廠現(xiàn)場實測結(jié)果中,同樣獲得了前述三種的曲線類型,并同時獲得了該曲線的頻域曲線。

圖6中所示為A鋁廠2022年6月份所測500 kA的#6119槽B14陽極的電流波動曲線。其中上曲線為時域波形,下曲線為經(jīng)FFT轉(zhuǎn)換后的頻域波形(后圖同)。該陽極電流值最大39 kA,最小值13.2 kA。圖中可以看出,時域波形的周期性比較明顯,因而頻域波形的最頻值尖峰位置也比較清晰。實際計算為0.024 4 Hz,對應(yīng)周期為41 s,由此得到該槽鋁液的波動周期為41 s。這種波動并不是非常劇烈,一般具有自發(fā)和自消性[10]。

圖6 單根陽極電流時域波形與頻域波形

圖7 單根陽極電流時域波形與頻域波形2

圖7所示為A鋁廠2022年6月份所測500 kA的#6125槽B2陽極的電流波動曲線。電流最大值為41.9 kA,最小值16.7 kA。時域曲線周期性不明顯,屬于混合型信號。由頻域波形得到最頻值位置的橫坐標(biāo)值為0.038 Hz,對應(yīng)的周期是26 s。對于密度很大的鋁液來講,這個周期過短過快,因此它并不是鋁液的波動周期,而是陽極上其它高頻干擾因素造成的電流波動,例如氣泡等。此時可以認(rèn)為該單根陽極極距偏低而采用提高其極距的方法予以抑制[10]。

圖8所示為B鋁廠2022年5月份所測200 kA的# 6221槽A1陽極的電流波動曲線。電流最大值為8.8 kA,最小值8.1 kA。由于該陽極電流波動小,時域曲線平坦無明顯波動周期,因此其頻域圖中也無明顯的最頻值。這可以認(rèn)定為該陽極極距偏高。

圖8 單根陽極電流時域波形與頻域波形3

圖9 短路陽極的電流時域波形與頻域波形

除上述三種類型的信號曲線外,圖9所示為一根短路陽極的時域、頻域曲線。是在A鋁廠2022年7月份測量200 kA#7槽B23陽極時所得。電流最大值為39.8 kA,最小值15.4 kA。由頻域波形得到電流波動最頻值位置的橫坐標(biāo)為0.165 Hz,對應(yīng)的周期是6 s。當(dāng)槽控箱槽電壓出現(xiàn)類似曲線時,可以認(rèn)定該陽極為短路陽極。

3 陽極電流波動最頻值分析的意義

測量單根陽極導(dǎo)桿電流波動頻率能作為判斷槽況的依據(jù),對此,文獻[9]作了充分論述。除了作為穩(wěn)定性判據(jù)之外,還可直接通過陽極電流里的信息求解鋁液流速、找出病槽發(fā)生原因、以及監(jiān)測和控制陽極效應(yīng)等。更有甚者,認(rèn)為電解槽在生產(chǎn)運行中出現(xiàn)的所有槽況現(xiàn)象,都可以通過測量單根陽極導(dǎo)桿電流而檢測到。

目前我國對于陽極導(dǎo)桿電流蘊含信息的分析工作還處于理論研究的起步階段。文獻[5]在一臺160 kA預(yù)焙槽上測出四種槽況下陽極導(dǎo)桿電流波動周期為:正常槽55.6～333 s,不穩(wěn)定槽55.6～66.7 s,冷槽37.0～43.5 s,槽底破損槽33.3～37.0 s。文獻[8]通過采用希爾伯特-黃變換法對鋁電解過程中陽極電流的變化進行分析,認(rèn)為鋁液波動周期在140～250 s之間,并質(zhì)疑鋁液波動周期為50 s的說法可能是下料的原因。文獻[4]根據(jù)數(shù)字仿真模擬計算,認(rèn)為鋁液波動為正弦波,周期為50 s。

在電解鋁現(xiàn)場,對于測量陽極導(dǎo)桿電流進行槽況分析的工作至今仍然沒有展開。絕大多數(shù)鋁廠都習(xí)慣根據(jù)操控箱的電壓波動曲線進行槽況穩(wěn)定性判斷,并且各廠的經(jīng)驗做法都不相同。但槽電壓曲線的顆粒度明顯較粗,它反映的是全槽陽極電流波動的總和。當(dāng)陽極電流的變化出現(xiàn)此長彼消的狀況時,槽電壓的變化不能反映這種狀況。

舉例來講,當(dāng)測到某500 kA電解槽的陽極電流波動最頻值為1/52 Hz時,該槽槽控箱顯示如下數(shù)據(jù):槽電壓3.951 V;瞬時針振30 mV;瞬時擺動3 mV

如果按照經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn),瞬時針振大于8 mV、擺動大于3 mV時,電解槽為不穩(wěn)定槽。但實際上,該槽是一臺穩(wěn)定且節(jié)能的優(yōu)質(zhì)槽。

因此,下一步需要研究的課題是積累大量的陽極電流波動最頻值測量數(shù)據(jù),有意識的總結(jié)歸納出電流波動最頻值與槽穩(wěn)定的關(guān)系,以及與槽能耗的關(guān)系。從而能從陽極電流波動的最頻值指導(dǎo)調(diào)節(jié)運行工藝,使得電解槽運行在穩(wěn)定與節(jié)能的最佳交叉點。