铝电解槽阳极导杆电流波动最频值的实用化测量方法

梁 汉,韩启超,殷松明

(1.华中科技大学 电气与电子工程学院,湖北 武汉 430074;2.甘肃东兴铝业有限责任公司,甘肃 嘉峪关 735100;3.国家铝电投资有限公司青铜峡分公司,宁夏 青铜峡 751600)

通常,在采用LH-70电流表测试铝电解槽阳极电流时,重点在于辅助判断阳极极距,用于解决极距的“均一性”问题。其基本原理是采用等距离压降法,利用电压叉获取电压信号,再将电压信号进行数字化转换后,获得阳极电流值,直观简便可靠。实际测量时,一般的记录表格如表1和表2所示。

从表1、表2可以看出,阳极导杆电流的大小并不是一成不变,而是上下波动变化的。因此,可以以时间为横坐标,以电流值为纵坐标,绘制出阳极电流随时间变化的曲线,如图1所示。该曲线可以看做是由上下两部分所组成,一是恒定不变的基础电流部分,如16.3kA以下的部分;二是波动变化的部分,如16.3 kA以上的部分。

图1 单根阳极电流波动曲线示例图

表1 福建南平铝厂#122槽无针振时阳极电流 kA

图2 福建南平铝厂#122槽阳极电流分布图(kA)

图3 福建南平铝厂#206槽阳极电流分布图(kA)

阳极电流的这两部分特征可以分别用于表述两项槽况指标。其中恒定电流部分可以用来表述极距,一般电流越大极距越小;而波动部分可以用来表述该阳极下铝液界面的垂直波动幅度。

图2、图3采用表1和表2的数据,利用矩形和三角形图形,直观形象地描述了这两项指标特征。图中参差不齐的矩形底部描述了各阳极极距的高低,底部越高的矩形,该阳极极距越高。而顶部的三角形则形象的表述了铝液波动的幅度,显然,三角形越高的阳极,其掌底铝液波动幅度越大。

1 阳极电流波形的三种形式

利用图2、图5对电解槽的运行状况作辅助分析在一些铝电解厂已经使用多年,效果良好。其电流值一般是使用LH-70型电解槽电流表进行采集的。但随着时间的推移,电解铝生产现场越来越不满足于此,而希望分析更多的阳极电流变化信息,进而获得更客观的数据,进一步分析电解槽的运行工况。由此,对阳极电流波形的分析逐渐受到重视。

图4 阳极电压变化曲线

图4所示为文献[2]中展示的国外某电解槽阳极电压波动变化曲线。图中C1为槽电压值、C2为端母线电压值,C3～C16为用等距离电压叉在各阳极棒采集的电压值。依据等距离电压降原理,C3～C16的曲线性质可以视为该阳极的电流变化曲线性质。

众所周知,铝电解槽的阳极均匀地分布在铝液界面上,除了因极距不均匀、不均一导致的恒定电流部分不一致之外,其波动部分也是各异的。从图4中可以看到波形分为三种类型:C6、C13的波动信号具有明显的周期特性;而C14、C15、C16则呈一条直线几乎不波动;其它的则是既有周期又有随机信号的混合型信号。虽然这14根阳极导杆电流波形的特性不同,但在同一台电解槽的铝液界面上,它们只具有相同的最频值。之所以波形存在差异是由于运维工艺的差别所造成的。

文献[2]并没有公开这些数据的采样方法,笔者于早年采用LH-101型阳极导杆电流示波器也获得了类似的数据曲线。

图5 示波器记录的近似正弦的周期性波动电流信号

如图5所示为2000年用示波器记录的河南预港龙泉铝业#2233电解槽阳极导杆的电流波动曲线。由于是从示波器中直接拓出的图形,因此没有标示坐标轴(下同)。

其中(a)图所示为A1导杆电流波形,波动幅值范围为15.0～16.3 kA,其图形呈现较规律的正弦波形状,其中较为规律的一段时长约为270 s,直观观察可以得到最频值为1/45 Hz左右。

(b)图所示为B3导杆的电流波动曲线,波动幅值为14.6～14.7 kA,其图形呈现不规律形状,且波动幅值较小,总时长约为300 s,较难从中得到有效信息。

(c)图所示为A6导杆的电流波动曲线,波动幅值为14.0～14.7 kA,图形前半部分无规律,后半部分呈现一定的正弦波特性,时长约为114 s,直观观察可以得到最频值为1/57 Hz左右。

这三类信号曲线是阳极导杆电流波动的基本类型。

2 阳极导杆电流波动最频值的实用化测量

阳极导杆电流波动信号中的一个比较有用的参数是最频值,通常认为它与铝液的波动频率密切相关。铝液的波动频率直接关系到电解槽的机械稳定、热稳定、以及能耗和电流效率的大小,文献[2～10]均对此观点有所论述,因而这是一个普遍的认识。一种有效的做法是通过频谱分析得到阳极电流波动信号的最频值。

频谱分析的基本方法是通过傅里叶变换得到频谱曲线。信号波形越接近正弦波,其频谱的最频值越明显、越突出。但通过前面的分析可以看到,阳极电流波形并不都是规则的正弦波,这给频谱分析带来一定困难。因此一些复杂的数值计算方法[3],或是函数过滤方法[9]被用来对信号作过滤处理。从复杂信号中筛选出近似标准的正弦信号再进行傅里叶变换,进而得到尖峰最频值。这些方法虽然有效,但略显复杂,成本较高,不适合现场实用,更适合于理论研究。

一种适合现场使用的信号采集仪器是LH-80型阳极电流测量仪,这是一种手持式测量仪表,在电解槽现场实践比较方便,且成本较低。使用该仪器获得的阳极电流曲线不需要进行前期过滤或变换,可以直接进行傅里叶变换,因此实用性强,适合于生产现场快速分析。从A、B铝厂现场实测结果中,同样获得了前述三种的曲线类型,并同时获得了该曲线的频域曲线。

图6中所示为A铝厂2022年6月份所测500 kA的#6119槽B14阳极的电流波动曲线。其中上曲线为时域波形,下曲线为经FFT转换后的频域波形(后图同)。该阳极电流值最大39 kA,最小值13.2 kA。图中可以看出,时域波形的周期性比较明显,因而频域波形的最频值尖峰位置也比较清晰。实际计算为0.024 4 Hz,对应周期为41 s,由此得到该槽铝液的波动周期为41 s。这种波动并不是非常剧烈,一般具有自发和自消性[10]。

图6 单根阳极电流时域波形与频域波形

图7 单根阳极电流时域波形与频域波形2

图7所示为A铝厂2022年6月份所测500 kA的#6125槽B2阳极的电流波动曲线。电流最大值为41.9 kA,最小值16.7 kA。时域曲线周期性不明显,属于混合型信号。由频域波形得到最频值位置的横坐标值为0.038 Hz,对应的周期是26 s。对于密度很大的铝液来讲,这个周期过短过快,因此它并不是铝液的波动周期,而是阳极上其它高频干扰因素造成的电流波动,例如气泡等。此时可以认为该单根阳极极距偏低而采用提高其极距的方法予以抑制[10]。

图8所示为B铝厂2022年5月份所测200 kA的# 6221槽A1阳极的电流波动曲线。电流最大值为8.8 kA,最小值8.1 kA。由于该阳极电流波动小,时域曲线平坦无明显波动周期,因此其频域图中也无明显的最频值。这可以认定为该阳极极距偏高。

图8 单根阳极电流时域波形与频域波形3

图9 短路阳极的电流时域波形与频域波形

除上述三种类型的信号曲线外,图9所示为一根短路阳极的时域、频域曲线。是在A铝厂2022年7月份测量200 kA#7槽B23阳极时所得。电流最大值为39.8 kA,最小值15.4 kA。由频域波形得到电流波动最频值位置的横坐标为0.165 Hz,对应的周期是6 s。当槽控箱槽电压出现类似曲线时,可以认定该阳极为短路阳极。

3 阳极电流波动最频值分析的意义

测量单根阳极导杆电流波动频率能作为判断槽况的依据,对此,文献[9]作了充分论述。除了作为稳定性判据之外,还可直接通过阳极电流里的信息求解铝液流速、找出病槽发生原因、以及监测和控制阳极效应等。更有甚者,认为电解槽在生产运行中出现的所有槽况现象,都可以通过测量单根阳极导杆电流而检测到。

目前我国对于阳极导杆电流蕴含信息的分析工作还处于理论研究的起步阶段。文献[5]在一台160 kA预焙槽上测出四种槽况下阳极导杆电流波动周期为:正常槽55.6～333 s,不稳定槽55.6～66.7 s,冷槽37.0～43.5 s,槽底破损槽33.3～37.0 s。文献[8]通过采用希尔伯特-黄变换法对铝电解过程中阳极电流的变化进行分析,认为铝液波动周期在140～250 s之间,并质疑铝液波动周期为50 s的说法可能是下料的原因。文献[4]根据数字仿真模拟计算,认为铝液波动为正弦波,周期为50 s。

在电解铝现场,对于测量阳极导杆电流进行槽况分析的工作至今仍然没有展开。绝大多数铝厂都习惯根据操控箱的电压波动曲线进行槽况稳定性判断,并且各厂的经验做法都不相同。但槽电压曲线的颗粒度明显较粗,它反映的是全槽阳极电流波动的总和。当阳极电流的变化出现此长彼消的状况时,槽电压的变化不能反映这种状况。

举例来讲,当测到某500 kA电解槽的阳极电流波动最频值为1/52 Hz时,该槽槽控箱显示如下数据:槽电压3.951 V;瞬时针振30 mV;瞬时摆动3 mV

如果按照经验标准,瞬时针振大于8 mV、摆动大于3 mV时,电解槽为不稳定槽。但实际上,该槽是一台稳定且节能的优质槽。

因此,下一步需要研究的课题是积累大量的阳极电流波动最频值测量数据,有意识的总结归纳出电流波动最频值与槽稳定的关系,以及与槽能耗的关系。从而能从阳极电流波动的最频值指导调节运行工艺,使得电解槽运行在稳定与节能的最佳交叉点。