铝电解计算机控制新思路与新技术贵州李劼.PPT课件

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3. 新工艺下的控制思想
铝电解控制新思路及应用
临界稳定控制的思想：
➢ 要使电解槽在新的工艺条件下，建立新的和稳定的
动态平衡；
➢ 新的和稳定的动态平衡对应较低的临界极距，从而
可以保持较低的工作电压，并实现“三高两低”的 目标。
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3. 新工艺下的控制思想
铝电解控制新思路及应用
关于临界极距：
为了进一步增强电解槽下料控制与极距调整之间的协同性，提出了 “两中心、两优先”的协同控制策略：下料控制与极距调整的关系中， 浓度跟踪期间以下料控制为中心，人工改变控制参数时，以极距调整为 中心；在热平衡（及极距）与目标的偏差大时，极距调整优先，反之下 料控制优先。
针对换极对临界状态下的能量平衡控制影响非常显著这一特点，优化 了换极后的能量平衡控制策略，使换极时的能量损失尽快得到补偿。
➢ 在我们开发的“智能多环协同优化与控制”程序中分别设立了反应 电解槽热平衡、物料平衡和磁流体稳定性波动程度的特征参数，用 于对槽况稳定性进行“三维”描述，并通过控制系统对这些变量的 分析与控制来实现“三窄”控制目标。
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3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
智能多环协同优化与控制技术
必要性
➢ 在新工艺条件下，电解槽运行状态是一种介于“稳定”与“不稳
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1. 技术背景
铝电解控制新思路及应用
低电压电解工艺的基本原则
在保持高电流效率、高电解槽寿命、低阳极效应系 数的前提下，降低槽电压（包括降低极距）。
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1. 技术背景
铝电解控制新思路及应用
实现低电压电解工艺的途径一：改变阴极结构
目的：改变阴极结构，从而改善磁流体稳定性，为大幅降低极距（从而
大幅降低槽电压）创造条件（注：磁流体稳定性——降低槽电压的“拦路虎”）
与方法。
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3. 新控制技术
智能多环协同优化与控制技术
铝电解控制新思路及应用
多目标 综合优 化函数 计算
多参数 临界状 态的动 态智能 辨识
物料平衡
智能控制
智能
多环 热平衡（极距）
协同
智能控制
优化
槽稳定性
智能控制
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智能多环协同控制算法的基本构成
3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
智能多环协同优化与控制技术
体现以企业综合效益为最优的工艺思想： 以“五低”追求电解过程的高电效、
低电耗和低排放； 以“三窄”追求电解过程的平稳性
和电解槽长寿命； 以“一高”追求电解过程强化增产，
并满足低电压下的热平衡要求。
注：“五低”中没有“低分子比”，因为分子比的设置应该根据电解质
中（自然积累）的LiF、MgF2、CaF2、K.F的含量来设计，不能一概而论。
➢ 物料平衡智能控制
在传统模糊激励分档及模糊推理的基础上，提出了窄区域氧化 铝浓度控制算法，通过引入激励强度因子和激励速度因子，增加物 料平衡分析在氧化铝浓度控制综合分析中的权重，使浓度控制不但 能控制在低浓度区域，而且精度明显提高。
在物料平衡控制中，利用“多参数临界状态动态智能辨识”的辨识 结果，引入（临界）过热度影响因子及（临界）磁流体稳定性影响 因子，从而充分考虑热平衡及槽稳定性这两个环节对物料平衡的耦 合作用。
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3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
智能多环协同优化与控制技术
➢智能多环协同优化
设计了一种“智能多环协同优化策略”，它依据“多目标综合优化函数计 算”模块以及“多参数临界状态动态智能辨识”模块的输出，确定物料平衡、 热平衡（及极距）、槽稳定性这三个控制环的发展方向并作出控制优化决策。 这种优化决策包括对上述三个控制环中使用到的相关影响因子进行调整，从而 达到了协同优化与控制的目标。
注：传统工艺下的临界极距约：4.0～4.5cm; 目前，新工艺下的临界极距可降至：3.65～3.8cm
如果不能成功降低临界极距，那么.降电压会导致电流效率大幅降低。11
3. 新工艺下的控制思想
铝电解控制新思路及应用
“三窄”理念的提出与实现
➢ 要实现新工艺下的“临界稳定”运行，就必须将电解槽热平衡、物 料平衡和磁流体稳定性的波动范围控制在一个很窄的区域。 因此， 我们提出了“三窄”——“窄物料平衡工作区、窄热平衡工作区、窄 磁流体稳定性调节区”的理念。
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3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
智能多环协同优化与控制技术
➢多参数临界状态动态智能辨识
传统技术：单一的参数估计——主要跟踪估计氧化铝浓度；部分技术试图跟踪估计
电解质温度和过热度。
本技术：多参数临界状态动态智能辨识 ——
对反映电解槽物料平衡、热平衡和稳定性的状态参数与特征参数（氧化铝浓
铝电解控制新思路及应用
李劼
中南大学 ·冶金科学与工程学院
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内容提要
铝电解控制新思路及应用
1、技术背景 2、低电压铝电解新工艺：“五低三窄一高” 3、新工艺下的控制思想：临界稳定控制 4、新控制技术：智能多环协同优化与控制 5、一个应用实例：郑州龙祥铝业
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1. 技术背景
铝电解控制新思路及应用
提供控制决策依据，使电解槽的状态尽可能向“临界状态”靠近。
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3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
智能多环协同优化与控制技术
➢多参数临界状态动态智能辨识
“多参数临界状态动态智能辨识”模块的一大特色是，充分利用 电解槽运行在“临界状态”附近时阳极气膜电阻对物料平衡、热平衡及 极距的变化十分敏感这一特点，设计出新一代功能强大的“槽电阻噪声 分析器”。
铝电解控制新思路及应用
大幅节能的根本途径
铝电解能耗= 2980 槽平均电压 kWh/t-Al
电流效率
节能根本途径
降低槽平均电压 提高电流效率
电流 效率
平均 电压
直流 电耗
90% 3.624
91% 92% 93% 94% 3.664 3.705 3.745 3.785
12000kWh/t-Al
95% 3.826
定”之间的临界状态。换言之，新工艺条件使电解槽走向高效低耗
运行的同时，也使电解槽临近对工艺参数变化及噪声干扰极度敏感
的“不稳定”区域。
➢ 在临界状态下，电解槽物料平衡、能量平衡及磁流体稳定性相互
耦合强烈。ຫໍສະໝຸດ ➢ 新型控制技术需要解决参数耦合强烈、可控区域变窄的临界状态
下的稳定运行问题——我们提出了智能多环协同优化与控制的思想
1. 技术背景
铝电解控制新思路及应用
实现低电压电解工艺的途径二：改进工艺和控制
目的：通过调整电解槽工艺并改进控制策略，在不对电解槽停产改造
（即不改变电解槽结构）的前提下，实现“三高两低”的目标：
➢ 高单位产能（高电流密度：由0.72A/cm2升至0.83A/cm2 以上） ➢ 高电流效率（93.5～94.5％） ➢ 高槽寿命（槽龄2500天以上） ➢ 低电耗（低电压：3.85~3.90V，吨铝直流电耗≤12400kWh） ➢ 低排放（低阳极效应系数:≤0.02次/槽.日）
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3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
智能多环协同优化与控制技术
➢ 槽稳定性智能控制
利用“多参数临界状态动态智能辨识”获得的槽稳定性辨识结果（包括 “当前稳定性”、“临界稳定性”以及这两者的发展趋势和两者之间的差异）， 对与槽稳定性相关的设定参数进行调整，并在电解槽稳定性越过了某一极限时 直接转入特定的下料与极距控制模式。
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3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
智能多环协同优化与控制技术
➢ 热平衡（及极距）智能控制
在极距调节的决策算法中，利用“多参数临界状态动态智能辨识”的 辨识结果，引入（临界）过热度影响因子、（临界）氧化铝浓度影响因 子和（临界）磁流体稳定性影响因子，从而使热平衡及极距的控制不再 是简单的基于槽电阻单因素分析的电压调节。
铝电解技术现状
➢ 能耗：直流电耗一般可降低到13300kWh/t-Al以下，综合交
流电耗降低到14000kWh/t-Al左右
➢ 温室气体排放：阳极效应系数控制在0.05以下，稍落后企业
可控制在0.1左右
➢ 电流效率：93～96%
电能效率依然没有达到50%， 因此理论上还有很大的节能空间。
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1. 技术背景
实例：鉴定技术：“预焙铝电解槽电流强化与高效节能综合技术的开发
及应用”（中南大学+郑州龙祥铝业，2010.5.25）。
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2. 低电压铝电解新工艺
铝电解控制新思路及应用
“五低三窄一高”
➢ 低电压（3.8~3.9V）
➢ 低电解温度（925～935℃） ➢ 低过热度（10 ℃左右） ➢ 低氧化铝浓度（1.8～2.5％） ➢ 低阳极效应系数（≤0.02） ➢ 窄物料平衡工作区 ➢ 窄热平衡工作区 ➢ 窄磁流体稳定性调节区 ➢ 高电流密度（0.83A/cm2）
度、极距、过热度、磁流体稳定性特征参数等）进行实时跟踪估计（获得对电
解槽“当前实际状态”的完整描述）
对与“当前动态目标值” 相对应的“当前临界状态”进行辨识与分析，并对
“当前实际状态”与“当前临界状态”（临界氧化铝浓度、临界极距、临界过
热度、临界稳定性等）的差距进行估算与分析，为“智能多环协同优化与控制”
➢多目标综合优化函数计算
传统技术：对物料平衡及热平衡的控制是通过将相关设定参数控制在人工设
定的目标范围内来实现控制目的。一方面人工设定值很少经常调整；另一方面 人工设定值往往并不一定是最优值。
本技术：构造多目标综合优化函数，根据“现实”的工艺技术条件及其与
“理想”的工艺技术条件之间的偏差，按照“立足现实，追求理想”的理念， 计算出一个与“现实”条件下最相匹配、同时又能推动“现实”向“理想”迈 进的一组控制目标值（“动态目标值”）。这组动态目标值不是单纯从追求某 一个控制目标来确定，而是兼顾电解槽运行的四个方面，即高电效、低电耗、 低排放和高稳定。在确定动态目标值后，控制系统再据此对相关人工设定参数 作出一定范围内的调整，达到对人工设定值进行“自寻优”的目的。
若电解电耗相同，则电流效率越高越好
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1. 技术背景
铝电解控制新思路及应用
低电压电解工艺的常见问题
近年来，降极距以外的降电压措施在我国 取得显著节能成效：
降低AE系数及AE持续时间
降低欧姆电压降（阳极、阴极、电解质、 母线、接触电阻）
但是，简单地通过降低极距来降低槽电压，往往显著 恶化电流效率，能耗反而上升。
中铝郑州研究院
➢ 导流型阴极 ➢ 鉴定时间：2009.4 ➢ 起始试验时间：2008.12 ➢ 鉴定统计时间：3个月 ➢ 试验槽数：1台 ➢ 槽容量：140kA ➢ 槽电压：3.76V ➢ 电流效率：94.1% ➢ 直流电耗：11907
使用上述“非平面型”阴极结构，对计. 算机控制技术提出了更高的要求。7
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3. 新控制技术
槽控机硬件体系升级——强化运算功能
铝电解控制新思路及应用
两级全分布式铝电解智能控制系统 .
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3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
槽控机硬件体系升级——强化运算功能
外部 CAN 总线（至上位机）
槽电压 系列电流
采样模块
内部 CAN 总线
主模块
槽控机为3-CPU网络体系结构，内含三 个智能模块，CPU升级强化运算功能。
该分析器通过对槽电阻噪声进行细致的频谱分析，从频谱图中辨识 出氧化铝浓度、过热度、极距以及炉膛状态信息，将频谱辨识方式获得 的信息与其他分析方式获得的信息进行综合分析，就可以得到更加准确 的电解槽“当前实际状态”与“当前临界状态”信息。
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3. 新控制技术
铝电解控制新思路及应用
智能多环协同优化与控制技术
实例：三个鉴定技术
天泰（东北大学）
➢ 异型阴极 ➢ 鉴定时间：2008.9 ➢ 起始试验时间：2008.1 ➢ 鉴定统计时间：4个月 ➢ 试验槽数：3台 ➢ 槽容量：160kA ➢ 槽电压：3.83V ➢ 电流效率：92.9% ➢ 直流电耗：12281
云铝（中南大学）
➢ 曲面型阴极 ➢ 鉴定时间：2008.12 ➢ 起始试验时间：2007.9 ➢ 鉴定统计时间：15个月 ➢ 试验槽数：5台 ➢ 槽容量：75/186/200kA ➢ 槽电压：3.862V ➢ 电流效率：95% ➢ 直流电耗:12178
电流效率-极距变化曲线 （对应：电流效率-槽稳定性变化曲线）
电流效率-极距曲线上的临界拐点往往就 是电解槽稳定性-极距曲线的临界拐点。临界 极距无法在线直接检测也无需在线直接检测， 因为可以通过计算机控制系统对槽电压稳定 性（槽噪声）特性进行分析来间接判断。
临界极距并不是一个固定值，它与电解 槽的具体工况相关，电解槽的稳定性越好， 临界极距就越小，电解槽就可以在较低的极 距高效稳定运行。