鋁電解槽陽極導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 電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430074;2.甘肅東興鋁業有限責任公司,甘肅 嘉峪關 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字化轉換后,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,以電流值為縱坐標,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。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的數據,利用矩形和三角形圖形,直觀形象地描述了這兩項指標特征。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,電解鋁生產現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據,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。依據等距離電壓降原理,C3～C16的曲線性質可以視為該陽極的電流變化曲線性質。

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]并沒有公開這些數據的采樣方法,筆者于早年采用LH-101型陽極導桿電流示波器也獲得了類似的數據曲線。

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港龍泉鋁業#2233電解槽陽極導桿的電流波動曲線。由于是從示波器中直接拓出的圖形,因此沒有標示坐標軸(下同)。

其中(a)圖所示為A1導桿電流波形,波動幅值范圍為15.0～16.3 kA,其圖形呈現較規律的正弦波形狀,其中較為規律的一段時長約為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導桿的電流波動曲線,波動幅值為14.6～14.7 kA,其圖形呈現不規律形狀,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,圖形前半部分無規律,后半部分呈現一定的正弦波特性,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桿電流波動的基本類型。

2 陽極導桿電流波動最頻值的實用化測量

陽極導桿電流波動信號中的一個比較有用的參數是最頻值,通常認為它與鋁液的波動頻率密切相關。鋁液的波動頻率直接關系到電解槽的機械穩定、熱穩定、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則的正弦波,這給頻譜分析帶來一定困難。因此一些復雜的數值計算方法[3],或是函數過濾方法[9]被用來對信號作過濾處理。從復雜信號中篩選出近似標準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,但略顯復雜,成本較高,不適合現場實用,更適合于理論研究。

一種適合現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,適合于生產現場快速分析。從A、B鋁廠現場實測結果中,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FFT轉換后的頻域波形(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值為0.038 Hz,對應的周期是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為0.165 Hz,對應的周期是6 s。當槽控箱槽電壓出現類似曲線時,可以認定該陽極為短路陽極。

3 陽極電流波動最頻值分析的意義

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

目前我國對于陽極導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預焙槽上測出四種槽況下陽極導桿電流波動周期為:正常槽55.6～333 s,不穩定槽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,認為鋁液波動周期在140～250 s之間,并質疑鋁液波動周期為50 s的說法可能是下料的原因。文獻[4]根據數字仿真模擬計算,認為鋁液波動為正弦波,周期為50 s。

在電解鋁現場,對于測量陽極導桿電流進行槽況分析的工作至今仍然沒有展開。絕大多數鋁廠都習慣根據操控箱的電壓波動曲線進行槽況穩定性判斷,并且各廠的經驗做法都不相同。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。當陽極電流的變化出現此長彼消的狀況時,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據:槽電壓3.951 V;瞬時針振30 mV;瞬時擺動3 mV

如果按照經驗標準,瞬時針振大于8 mV、擺動大于3 mV時,電解槽為不穩定槽。但實際上,該槽是一臺穩定且節能的優質槽。

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據,有意識的總結歸納出電流波動最頻值與槽穩定的關系,以及與槽能耗的關系。從而能從陽極電流波動的最頻值指導調節運行工藝,使得電解槽運行在穩定與節能的最佳交叉點。