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(guó)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(cè)試鋁電解槽陽(yáng)極電流時(shí),重點(diǎn)在于輔助判斷陽(yáng)極極距,用于解決極距的“均一性”問(wèn)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(hào),再將電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換后,獲得陽(yáng)極電流值,直觀簡(jiǎn)便可靠。實(shí)際測(cè)量時(shí),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(yáng)極導(dǎo)桿電流的大小并不是一成不變,而是上下波動(dòng)變化的。因此,可以以時(shí)間為橫坐標(biāo),以電流值為縱坐標(biāo),繪制出陽(yáng)極電流隨時(shí)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(dòng)變化的部分,如16.3 kA以上的部分。

圖1 單根陽(yáng)極電流波動(dòng)曲線示例圖

表1 福建南平鋁廠#122槽無(wú)針振時(shí)陽(yáng)極電流 kA

圖2 福建南平鋁廠#122槽陽(yáng)極電流分布圖(kA)

圖3 福建南平鋁廠#206槽陽(yáng)極電流分布圖(kA)

陽(yáng)極電流的這兩部分特征可以分別用于表述兩項(xiàng)槽況指標(biāo)。其中恒定電流部分可以用來(lái)表述極距,一般電流越大極距越小;而波動(dòng)部分可以用來(lái)表述該陽(yáng)極下鋁液界面的垂直波動(dòng)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(xiàng)指標(biāo)特征。圖中參差不齊的矩形底部描述了各陽(yáng)極極距的高低,底部越高的矩形,該陽(yáng)極極距越高。而頂部的三角形則形象的表述了鋁液波動(dòng)的幅度,顯然,三角形越高的陽(yáng)極,其掌底鋁液波動(dòng)幅度越大。

1 陽(yáng)極電流波形的三種形式

利用圖2、圖5對(duì)電解槽的運(yùn)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(jìn)行采集的。但隨著時(shí)間的推移,電解鋁生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)越來(lái)越不滿足于此,而希望分析更多的陽(yáng)極電流變化信息,進(jìn)而獲得更客觀的數(shù)據(jù),進(jìn)一步分析電解槽的運(yùn)行工況。由此,對(duì)陽(yáng)極電流波形的分析逐漸受到重視。

圖4 陽(yáng)極電壓變化曲線

圖4所示為文獻(xiàn)[2]中展示的國(guó)外某電解槽陽(yáng)極電壓波動(dòng)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(yáng)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(yáng)極的電流變化曲線性質(zhì)。

眾所周知,鋁電解槽的陽(yáng)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(dòng)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(dòng)信號(hào)具有明顯的周期特性;而C14、C15、C16則呈一條直線幾乎不波動(dòng);其它的則是既有周期又有隨機(jī)信號(hào)的混合型信號(hào)。雖然這14根陽(yáng)極導(dǎo)桿電流波形的特性不同,但在同一臺(tái)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(yùn)維工藝的差別所造成的。

文獻(xiàn)[2]并沒(méi)有公開(kāi)這些數(shù)據(jù)的采樣方法,筆者于早年采用LH-101型陽(yáng)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(dòng)電流信號(hào)

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(yáng)極導(dǎo)桿的電流波動(dòng)曲線。由于是從示波器中直接拓出的圖形,因此沒(méi)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(dòng)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(shí)長(zhǎng)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(dòng)曲線,波動(dòng)幅值為14.6～14.7 kA,其圖形呈現(xiàn)不規(guī)律形狀,且波動(dòng)幅值較小,總時(shí)長(zhǎng)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(dòng)曲線,波動(dòng)幅值為14.0～14.7 kA,圖形前半部分無(wú)規(guī)律,后半部分呈現(xiàn)一定的正弦波特性,時(shí)長(zhǎng)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(hào)曲線是陽(yáng)極導(dǎo)桿電流波動(dòng)的基本類型。

2 陽(yáng)極導(dǎo)桿電流波動(dòng)最頻值的實(shí)用化測(cè)量

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

頻譜分析的基本方法是通過(guò)傅里葉變換得到頻譜曲線。信號(hào)波形越接近正弦波,其頻譜的最頻值越明顯、越突出。但通過(guò)前面的分析可以看到,陽(yáng)極電流波形并不都是規(guī)則的正弦波,這給頻譜分析帶來(lái)一定困難。因此一些復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算方法[3],或是函數(shù)過(guò)濾方法[9]被用來(lái)對(duì)信號(hào)作過(guò)濾處理。從復(fù)雜信號(hào)中篩選出近似標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)再進(jìn)行傅里葉變換,進(jìn)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(chǎng)實(shí)用,更適合于理論研究。

一種適合現(xiàn)場(chǎng)使用的信號(hào)采集儀器是LH-80型陽(yáng)極電流測(cè)量?jī)x,這是一種手持式測(cè)量?jī)x表,在電解槽現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐比較方便,且成本較低。使用該儀器獲得的陽(yáng)極電流曲線不需要進(jìn)行前期過(guò)濾或變換,可以直接進(jìn)行傅里葉變換,因此實(shí)用性強(qiáng),適合于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)快速分析。從A、B鋁廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果中,同樣獲得了前述三種的曲線類型,并同時(shí)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(cè)500 kA的#6119槽B14陽(yáng)極的電流波動(dòng)曲線。其中上曲線為時(shí)域波形,下曲線為經(jīng)FFT轉(zhuǎn)換后的頻域波形(后圖同)。該陽(yáng)極電流值最大39 kA,最小值13.2 kA。圖中可以看出,時(shí)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(shí)際計(jì)算為0.024 4 Hz,對(duì)應(yīng)周期為41 s,由此得到該槽鋁液的波動(dòng)周期為41 s。這種波動(dòng)并不是非常劇烈,一般具有自發(fā)和自消性[10]。

圖6 單根陽(yáng)極電流時(shí)域波形與頻域波形

圖7 單根陽(yáng)極電流時(shí)域波形與頻域波形2

圖7所示為A鋁廠2022年6月份所測(cè)500 kA的#6125槽B2陽(yáng)極的電流波動(dòng)曲線。電流最大值為41.9 kA,最小值16.7 kA。時(shí)域曲線周期性不明顯,屬于混合型信號(hào)。由頻域波形得到最頻值位置的橫坐標(biāo)值為0.038 Hz,對(duì)應(yīng)的周期是26 s。對(duì)于密度很大的鋁液來(lái)講,這個(gè)周期過(guò)短過(guò)快,因此它并不是鋁液的波動(dòng)周期,而是陽(yáng)極上其它高頻干擾因素造成的電流波動(dòng),例如氣泡等。此時(shí)可以認(rèn)為該單根陽(yáng)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(cè)200 kA的# 6221槽A1陽(yáng)極的電流波動(dòng)曲線。電流最大值為8.8 kA,最小值8.1 kA。由于該陽(yáng)極電流波動(dòng)小,時(shí)域曲線平坦無(wú)明顯波動(dòng)周期,因此其頻域圖中也無(wú)明顯的最頻值。這可以認(rèn)定為該陽(yáng)極極距偏高。

圖8 單根陽(yáng)極電流時(shí)域波形與頻域波形3

圖9 短路陽(yáng)極的電流時(shí)域波形與頻域波形

除上述三種類型的信號(hào)曲線外,圖9所示為一根短路陽(yáng)極的時(shí)域、頻域曲線。是在A鋁廠2022年7月份測(cè)量200 kA#7槽B23陽(yáng)極時(shí)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(dòng)最頻值位置的橫坐標(biāo)為0.165 Hz,對(duì)應(yīng)的周期是6 s。當(dāng)槽控箱槽電壓出現(xiàn)類似曲線時(shí),可以認(rèn)定該陽(yáng)極為短路陽(yáng)極。

3 陽(yáng)極電流波動(dòng)最頻值分析的意義

測(cè)量單根陽(yáng)極導(dǎo)桿電流波動(dòng)頻率能作為判斷槽況的依據(jù),對(duì)此,文獻(xiàn)[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(guò)陽(yáng)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(cè)和控制陽(yáng)極效應(yīng)等。更有甚者,認(rèn)為電解槽在生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)的所有槽況現(xiàn)象,都可以通過(guò)測(cè)量單根陽(yáng)極導(dǎo)桿電流而檢測(cè)到。

目前我國(guó)對(duì)于陽(yáng)極導(dǎo)桿電流蘊(yùn)含信息的分析工作還處于理論研究的起步階段。文獻(xiàn)[5]在一臺(tái)160 kA預(yù)焙槽上測(cè)出四種槽況下陽(yáng)極導(dǎo)桿電流波動(dòng)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(xiàn)[8]通過(guò)采用希爾伯特-黃變換法對(duì)鋁電解過(guò)程中陽(yáng)極電流的變化進(jìn)行分析,認(rèn)為鋁液波動(dòng)周期在140～250 s之間,并質(zhì)疑鋁液波動(dòng)周期為50 s的說(shuō)法可能是下料的原因。文獻(xiàn)[4]根據(jù)數(shù)字仿真模擬計(jì)算,認(rèn)為鋁液波動(dòng)為正弦波,周期為50 s。

在電解鋁現(xiàn)場(chǎng),對(duì)于測(cè)量陽(yáng)極導(dǎo)桿電流進(jìn)行槽況分析的工作至今仍然沒(méi)有展開(kāi)。絕大多數(shù)鋁廠都習(xí)慣根據(jù)操控箱的電壓波動(dòng)曲線進(jìn)行槽況穩(wěn)定性判斷,并且各廠的經(jīng)驗(yàn)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(yáng)極電流波動(dòng)的總和。當(dāng)陽(yáng)極電流的變化出現(xiàn)此長(zhǎng)彼消的狀況時(shí),槽電壓的變化不能反映這種狀況。

舉例來(lái)講,當(dāng)測(cè)到某500 kA電解槽的陽(yáng)極電流波動(dòng)最頻值為1/52 Hz時(shí),該槽槽控箱顯示如下數(shù)據(jù):槽電壓3.951 V;瞬時(shí)針振30 mV;瞬時(shí)擺動(dòng)3 mV

如果按照經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),瞬時(shí)針振大于8 mV、擺動(dòng)大于3 mV時(shí),電解槽為不穩(wěn)定槽。但實(shí)際上,該槽是一臺(tái)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(yáng)極電流波動(dòng)最頻值測(cè)量數(shù)據(jù),有意識(shí)的總結(jié)歸納出電流波動(dòng)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(yáng)極電流波動(dòng)的最頻值指導(dǎo)調(diào)節(jié)運(yùn)行工藝,使得電解槽運(yùn)行在穩(wěn)定與節(jié)能的最佳交叉點(diǎn)。