Разработка способа контроля технологических параметров электролизера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Зограф, Федор Георгиевич

• Зограф, Федор Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зограф, Федор Георгиевич

Введение.

1 Обзор современных способов измерения и анализа флуктуаций межполюсного напряжения алюминиевого электролизера.

1.1 Общие сведения о технологическом процессе электролиза алюминия.

1.2 Контроль межполюсного напряжения электролизера.

1.2.1 Современные способы измерения межполюсного напряжения электролизера.

1.2.2 Принципы построения современных устройств для съема межполюсного напряжения электролизера.

1.3 Флуктуации межполюсного напряжения электролизера.

1.3.1 Общие сведения о флуктуациях межполюсного напряжения электролизера.

1.3.2 Современные способы контроля флуктуаций межполюсного напряжения электролизера.

1.3.3 Методы диагностики технологического состояния электролизера на основе флуктуаций межполюсного напряжения.

Выводы и постановка задачи исследования.

2 Анализ флуктуаций межполюсного напряжения электролизера.

2.1 Замыкание расплава алюминия на анод.

2.1.1 Спектральный состав флуктуаций межполюсного напряжения, вызванных подмыканием металла на анод.

2.2 Волны на поверхности расплава алюминия.

2.2.1 Спектральный состав и информационный потенциал флуктуаций межполюсного напряжения, вызванных волнением металла.

2.3 Газ под анодом.

2.3.1 Зависимость падения напряжения в межполюсного промежутке от газосодержания.

2.3.2 Флуктуации межполюсного напряжения, обусловленные динамикой пузырьков.

2.3.2.1 Спектральный состав флуктуаций межполюсного напряжения, обусловленных динамикой пузырьков.

2.3.3 Собственные колебания пузырьков.

2.4 Оценка влияния емкости межполюсного промежутка.

2.5 Система фильтрации межполюсного напряжения.

Выводы.

3 Устройство съема межполюсного напряжения электролизера.

3.1 Способ съема напряжения с электролизера: структурная схема устройства.

3.2 Функциональная схема устройства.

3.2.1 Функциональная схема блока питания устройства.

3.2.2 Функциональная схема измерительной части устройства.

3.3 Реализация устройства.

3.3.1 Фильтр нижних частот.

3.3.2 Блок питания.

3.3.2.1 Преобразователь.

3.3.2.2 Стабилизатор.

3.3.2.3 Лабораторные испытания блока питания.

3.4 Выбор точек подключения к электролизеру для съема флуктуаций межполюсного напряжения.

Выводы.

4 Эксперимент: проведение и анализ результатов.

4.1 Подготовка и проведение эксперимента.

4.2 Обработка и анализ результатов.

4.2.1 Помехи в электролизном цехе.

4.2.2 Выборочное среднеквадратичное отклонение.

4.2.3 Спектральный состав.

4.2.4 Поиск периодичностей и идентификация флуктуаций межполюсного напряжения электролизера.

4.2.5 Гармонические составляющие флуктуаций межполюсного напряжения межполюсного промежутка электролизера.

4.2.6 Подмыкания металла на анод.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способа контроля технологических параметров электролизера»

Актуальность. Получение алюминия путем электролиза криолит-глиноземных расплавов является одним из самых энергоемких производственных процессов, сопровождается выбросами газов, вызывающих парниковый эффект и негативно влияющих на экологию окружающей среды и протекает в тяжелых, вредных для здоровья человека условиях.

С переходом Росси на мировые стандарты цен, экологических норм, оплаты труда, повышаются требования к модернизации производства первичного алюминия.

Одним из путей модернизации является развитие и внедрение средств автоматизации технологического процесса электролиза алюминия эффективность функционирования, которых определяется объемом и достоверностью информации о физико-технических параметрах электролизеров. Поиск новых методов контроля обеспечивающих получение необходимой информации о состоянии технологического процесса является главной задачей в решении проблемы автоматизации процесса производства алюминия. Из-за агрессивности среды, в которой происходит электролиз алюминия, на сегодняшний день задача непрерывного автоматического измерения решена только для двух параметров технологического процесса: рабочее напряжение и ток серии.

Анализ флуктуаций (шумов) межполюсного напряжения электролизера является одним из методов уменьшения неопределенности состояния электролизера.

Изучение флуктуаций межполюсного напряжения начались в 50-х годах прошлого века. Первые работы по данной тематике опубликованы Г. В. Фор-сбломом, Л. А. Болдовским, А. Г. Аркадьева и А. С. Деркачем. Обширное изыскание в области контроля и анализа электромагнитных и акустических шумов электролизера проведено в 1970-1984гг. коллективом исследователей под руководством Г. Я. Шайдурова и А. И. Громыко, впервые рассмотрена проблема выбора средств съема информации. Из современных отечественных и зарубежных исследований отметим работы авторов: О. О. Роднова, П. В. Полякова, А. И. Березина, П. Д. Стонта, L. Banta, С. Dai, P. Biedler, A. Tabereaux, L. I. Kiss, S. Poncsak. Исследуются взаимосвязи флуктуаций межполюсного напряжения с технологическими параметрами процесса электролиза, разрабатываются аналитические и эмпирические алгоритмы диагностики состояний электролизера, однако до настоящего времени из-за ряда причин технического и методологического характера не решены задачи использования информации о флуктуациях межполюсного напряжения в целях контроля технологических параметров электролизеров.

Таким образом, задача создания средств, позволяющих осуществить диагностику состояний и нарушений технологического процесса электролиза алюминия, основанную на контроле флуктуаций межполюсного напряжения, является актуальной.

Работа проводилась согласно планам НИР КГТУ по хоздоговорной теме с Инженерно-технологическим центром КрАЗа в рамках проекта разработки электролизера нового поколения «РА-500».

Цель диссертационной работы: исследование и разработка средств контроля параметров технологического процесса, позволяющих осуществлять диагностику технологических состояний и нарушений процесса электролиза алюминия.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

Исследования помехоустойчивости способов съема информации с электролизера.

Статистического анализа флуктуаций межполюсного напряжения электролизера и выявление связи их параметров с отклонениями технологического процесса от нормы.

Разработки устройства, реализующего выделение и предварительную обработку флуктуаций межполюсного напряжения электролизера.

Записи и анализа флуктуаций межполюсного напряжения электролизера с целью выделения информации о технологическом режиме электролизера.

Методы исследования. В процессе исследований были использованы методы численного моделирования, математической статистики, корреляционного и спектрального анализа. Обработка результатов эксперимента и моделирование проводилось с использованием программных пакетов БТАТЧБ-Т1СА и МаЛСАЭ.

Научная новизна.

Разработана эквивалентная модель, поясняющая процесс образования флуктуационных электромагнитных полей, обусловленных технологическим режимом электролизера.

Исследованы электромагнитные шумы электролизеров. Показана возможность практической реализации контроля некоторых технологических параметров по статистическим характеристикам шумов, образующихся в межполюсном промежутке электролизера.

Разработан помехоустойчивый способ съема информации о нарушениях технологического режима электролизных ванн.

Выявлен частотный диапазон флуктуации межполюсного напряжения, энергетические параметры которого наиболее сильно зависят от технологического режима работы электролизной ванны.

На защиту выносится

Способ и устройство съема информационных параметров, позволяющие вести диагностику технологического состояния электролизных ванн.

Разработанные способы и средства повышения помехоустойчивости информационных каналов измерительных систем

Модели образования электромагнитных шумов электролизера, раскрывающие связь энергетических параметров шумов с технологическим режимом.

Практическая ценность работы:

Разработан, изготовлен, запатентован и передан Инженерно-технологическому центру «РУСАЛа» макет устройства съема и передачи информации о неконтролируемых ранее параметрах электролизных ванн.

Предложен способ повышения помехоустойчивости средств контроля технологических параметров электролизных ванн.

Внедрение разработанных способа и устройства контроля на алюминиевых заводах повысит эффективность их работы и улучшит условия труда обслуживающего персонала.

Достоверность научных и практических результатов.

Подтверждается корректностью поставленной задачи, обоснованностью принятых допущений и адекватностью использованных математических моделей рассматриваемых процессов.

Основные научные положения диссертационной работы подтверждаются совпадением полученных результатов с имеющимися данными других авторов и результатами эксперимента проведенного, на промышленном объекте.

Личный вклад автора заключается в разработке представленных моделей образования электромагнитных шумов электролизера на основе данных полученных другими исследователями. Автором спроектировано и изготовлено устройство для реализации способа съема напряжения с электролизера, разработанного коллективом сотрудников с участием автора под общим руководством д.т.н. А. И. Громыко. Также автором проведена основная часть экспериментальных исследований и обработка полученных данных. В совместных публикациях вклад авторов был примерно равным.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Инженерно-технологического центра КрАЗа, а также на следующих конференциях: XII международная конференция «Алюминий Сибири -2006», Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция молодых ученых и студентов, посвященная 109-й годовщине Дня радио (Красноярск 2004), Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция молодых ученых и студентов, посвященная 110-й годовщине Дня радио (Красноярск 2005).

Публикации.

По теме диссертационного исследования было опубликовано 5 работ, в том числе одна статья в рецензируемом журнале и патент на изобретение.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и четырех приложений. Материалы диссертации изложены на 123 страницах основного текста, включая три таблицы и 64 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Зограф, Федор Георгиевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ электромагнитных шумов в электролизном корпусе позволил найти эффективные способы повышения помехоустойчивости информационных измерительных каналов контроля технологических параметров.

2. Синтезирована эквивалентная физико-математическая модель образования составляющих спектра электромагнитных шумов электролизера, позволяющая анализировать состояние технологического процесса в активной зоне.

3. В результате математической и аппаратурной обработки временных реализаций флуктуационных полей выявлены функциональные связи статистических параметров анализируемых флуктуаций с технологическими параметрами электролизных ванн.

4. Разработаны структурная и принципиальная схемы, собран макет устройства, реализующего разработанный способ, который прошел заводские испытания в электролизном цехе и принят заказчиком.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зограф, Федор Георгиевич, 2007 год

1. Троицкий, И. А. Металлургия алюминия / И. А. Троицкий, В. А. Же-лезнов. М.: «Металлургия», 1977. - 392с.

2. Минцис, В. Я. Электрометаллургия алюминия / М. Я. Минцис, П. В. Поляков, Г. А. Сиразутдинов. Новосибирск: "Наука", 2001. - 368с.

3. Металлургия алюминия / Ю. В. Борисоглебский, Г. В. Галевский, Н. М. Кулагин, М. Я. Минцис, Г. А. Сиразутдинов. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. - 438с.

4. Громыко, А.И. Автоматический контроль технологических параметров алюминиевых электролизеров / А. И. Громыко, Г. Я. Шайдуров. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 1984. - 240с.

5. Фролов, Ю.И. Анализ современных систем управления сериями электролизеров алюминиевых заводов / Ю. И. Фролов, С. Н. Ахмедов, Б. С. Громов, Р.В.Пак // Цветные металлы. 2003. - №7. - С.81 -84.

6. Пат. 2038426 РФ, МПК6 С25СЗ/20. Способ управления алюминиевым электролизером / В. Н. Деревягин, В. И. Перекрестов.

7. Пат. 2166011 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Способ управления алюминиевым электролизером / С. Д. Борзых,

8. Хазарадзе, Т. О. Построение масштабных АСУТП: опыт решения проблемы / Т. О. Хазарадзе, А. И. Куликов // Мир компьютерной автоматизации. 2002. - №5- С.37-45.

9. Пат. 2156834 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Распределенная автоматизированная система управления электролизом алюминия / А. Д. Магрычев, В. И. Тарабукин, Ю. Н. Копытов.

10. РЯОМХ Разработка и внедрение Автоматизированных Систем Управления: Система АСУТП «Электра» Электронный ресурс. Электрон, дан. - Спб.: ООО Проникс, 2000-2001. - Режим доступа: http://www.pronix.e-burg.ru, свободный.

11. Пат. 2106435 РФ, МПК6 С25СЗ/20. Способ управления алюминиевым электролизером / Р. Г. Локшин, Н. А. Калужский, В. П. Ланкин.

12. Пат. 2217528 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Способ управления тепловым режимом алюминиевого электролизера / Р. Г. Локшин, М. Я. Фитерман.

13. Пат. 2023058 РФ, МПК5 С25СЗ/20. Способ управления процессом электролитического получения алюминия в электролизере / В. И. Берх, Д. Р. Казаков, Н. А. Калужский, Р. Г. Локшин, М. Я. Фитерман.

14. Пат. 2016144 РФ, МПК5 С25СЗ/20. Способ управления тепловым режимом электролизера для получения алюминия / В. И. Берх, Д. Р. Казаков, Р. Г. Локшин, А. Д. Майер, В. Н. Никулин, С. А. Самоловов, М. Я. Фитерман, Г. М. Шупяцкий.

15. Пат. 2237753 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Способ управления процессом электролитического получения алюминия / Р. Г. Локшин, М. Я. Фитерман.

16. Пат. 2189403 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Способ управления электролизерами для получения алюминия и устройство для его осуществления/ Т. О. Хазарадзе, А. П. Ревякин, С. Н. Синько, А. И. Березин, С. С. Горяев, И. В. Катков, Н. А. Галлов.

17. Biedler, Philip. Development of a state observer for an aluminium reduction cell / Philip Biedler, Larry Banta, Congxia Dai, Ric Love, Chuck Tommey, Jan Bercow // Light Metals. 2002. - P. 1091 -1098.

18. Homsi, Pierre. Overview of process control in reduction cells and potli-nes / Pierre Homsi, JeanMishel Peyneau, Mishel Reverdy // Light Metals. 2000. -P.223-230.

19. Сириченко, А. В. Применение процедуры цифровой фильтрации в алгоритмах диагностики концентрационного режима алюминиевого электролизера / А. В. Сириченко, М. Р. Шапировский, Д. В. Исаев // Цветные металлы. 2003. - №12. - С.82-85.

20. Исаев, Д.В. Диагностика концентрационного режима алюминиевого электролизера по косвенным показателям / Д. В. Исаев, Р. В. Меликянц, А. В. Сириченко, М. Р. Шапировский // Цветные металлы. 2003. - №11. - С. 8991.

21. Пат. 2233914 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Способ управления подачей глинозема в электролизер при помощи точечных питателей / В. X. Манн, К. Ф. Никандров, В. В. Юрков.

22. Пат. 2087598 РФ, МПК6 С25СЗ/20. Способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере / В. Н. Деревягин.

23. Пат. 2204629 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Способ управления технологическим процессом в алюминиевом электролизере / А. И. Березин, О. О. Род-нов, И. В. Межубовский, П. Д. Стонт, В. А. Клыков.

24. Пат. 2269609 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Способ и устройство для обнаружения анодных эффектов в электролизере для производства алюминия / Кристиан Делькло, Оливье Боннардель.

25. Dai, Congxia. An advanced data acquisition system and noise analysis on the aluminum reduction process: M.S.M.E. Thesis: Defense 04.08.03 / Congxia Dai. West Virginia University, 2003 - 91p.

26. Banta, Larry. Noise classification in the aluminum reduction process / Larry Banta, Congxia Dai, Philp Biedler // Light Metals. 2003. - P.431-435.

27. Banta, Larry. Decomposition of aluminium cell voltage signals / Larry Banta, Philip Biedler, Congxia Dai, Ric Love, Chuck Tommey, Jan Bercow // Light Metals.- 2002. -P.365-370.

28. Громыко, А. И. Контроль технологических параметров при электролизе алюминия / Сборник докладов IV Международной конференции «Алюминий Сибири 98»: сб. науч. статей. - Красноярск: Краснояр. гос. ун-т, 1999.- С.265-267.

29. Громыко, А. И. Повышение достоверности диагностики технологических нарушений процесса электролиза алюминия / А. И. Громыко, Ф. Г. Зо-граф // Цветные металлы. 2006. - №5. - С.87-89.

30. Зограф, Ф. Г. Контроль межполюсного напряжения электролизера / Ф. Г. Зограф, А. И. Громыко // Сборник докладов XII международной конференции 5-7 сентября 2006г. «Алюминий Сибири 2006»: сб. науч. статей. -Красноярск: «Бона компани», 2006. - С. 114-117.

31. Пат. 2242540 РФ, МКП7 С25СЗ/20. Способ автоматического контроля технологических состояний и нарушений алюминиевого электролизера / А. И. Березин, О. О. Роднов, П. В. Поляков, В. X. Манн, И. В. Гонебный, А. В. Своевский, Ю. А. Попов.

32. Berezin, A. I. Network qualifier of noises of aluminium reduction cell / A. I. Berezin, P. V. Poliakov, О. O. Rodnov, I. V. Mezhubovsky, I. V. Gonebnyy // Light Metals. 2003. - P.437-440.

33. Своевский, А. В. Подбор параметров работы системы АПГ точечного типа на электролизерах с обожженными анодами С-160 на ОАО «КРАЗ» в условиях изменения свойств глинозема / А. В. Своевский, О. Э. Леви, Е. Р.

34. Шайдулин, В. Г. Костецкий, К. Ф. Никандров // Сборник докладов VIII международной конференции 10-12 сентября 2002г. «Алюминий Сибири 2002»: сб. науч. статей. - Красноярск: «Бона Компани», 2002. - С.34-39.

35. Карлов, И. А. Новый подход к исследованию устойчивости алюминиевого электролизера / И. А. Карлов, О. Г. Проворова. // Вестник Красноярского Государственного университета. Сер. Физ.-матем. науки. 2002. - Вып 1,-С.116-120.

36. А.с. 1358066 СССР, С25СЗ/20. Усилитель М-ДМ с гальванической развязкой / Г.М.Зограф, В.М.Возмилов. Опубл. 07.12.87, Б. И.: № 45.

37. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: учебник для вузов / И. С. Гоноровский. -М.: Радио и связь, 1986. 512с.

38. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. для вузов / С.И.Баскаков. М.: Высшая школа, 2000. - 462с.

39. Поляков П. В. Поверхностные явления в электролизере // IX Высшые Российские Алюминиевые курсы 18-22 апреля 2006г. Электронный ресурс.:

40. Сб. лекций / НТЦ «Легкие металлы». Электрон, дан. - Красноярск: НТЦ «Легкие металлы», - 2006. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

41. Gerbeau, Jean-Frederic. Metal pad roll instabilities / Jean-Frederic Ger-beau, Tony Lelievre, Claude le Bris, Nicolas Ligonesche, Claude Vanvoren // Light Metals.- 2002. -P.483-487.

42. Antille, Jacques. Using a magnetohydrodynamic model to analyze pot stability in order to identify an abnormal operating condition / Jacques Antille, Rene von Kaenel // Light Metals. 2002. - P.477-482.

43. Jiankang, Wu. Finite element analysis of magnetohydrodynamics stability of an aluminium reduction cell / Wu Jiankang, Huang Ming, Huang Jun, Yao Shi-huang // Light Metals. 2002. - P.511 -514.

44. Коростелев, И. H. Математическое моделирование стационарных физических полей и критерий МГД-стабильности в алгоритмах динамической модели алюминиевого электролизера: Дис. канд. тех. наук: 05.13.18 / И. Н. Коростелев. Красноярск, 2005. - 160с.

45. Коростелев, И. Н. Разработка методики использования критерия устойчивости Бояревича-Ромерио в алгоритмах АСУТП электролиза алюминия / И. Н. Коростелев, Т. В. Пискажова, О. Г. Проворова, В. В. Синельников //

46. Вестник Красноярского Государственного университета. Сер. Физ.-матем. науки. 2005. -ВыпЗ,- С. 118-124.

47. Hyde, Thomas М. The gas under anodes in aluminum smelting cells: Part I / Thomas M. Hyde, Barry J. Welch // Light Metals. 1997. - P.333-340.

48. Aaberg, R. J. The Gas under Anodes in Aluminum Smelting Cells: Part II R. /R. J. Aaberg, B. J. Welch, et al. // Light Metals. 1997. - P.341-346.

49. Haupin, Warren E. Interpreting the components of cell voltage/ Warren E. Haupin. // Light Metals. 1998. - P.531-537.

50. Wang, Xiangwen. Anodic phenomena observations of anode overvoltage and gas bubbling during aluminum electrolysis./ Xiangwen Wang, Alton T. Tabereaux // Light Metals. - 2000. - P.239-247.

51. Kiss, Laszlo I. Effect of the bubble growth mechanism on the spectrum of voltage fluctuations in the reduction cell / Laszlo I. Kiss, Sandor Poncsak // Light Metals.-2002.-P.217-223.

52. Зограф, Ф. Г. Диагностика технологических нарушений процесса электролиза алюминия / Ф. Г. Зограф, А. И. Громыко // Современные проблемы радиоэлектроники: сб.науч.тр. М.: «Радио и связь», 2006. - С.212-214.

53. Зограф, Ф. Г. Контроль межполюсного напряжения электролизера / Ф. Г. Зограф, А. И. Громыко // Сборник докладов XII международной конференции 5-7 сентября 2006г. «Алюминий Сибири 2006»: сб. науч. статей. -Красноярск: «Бона компани», 2006. - С. 114-117.

54. Пат. 2284378 РФ, МПК7 С25СЗ/20. Автономный измерительный блок для АСУ ТП электролиза алюминия / А. И. Громыко, К. Ф. Никандров, Ф. Г. Зограф, В. В. Юрков, В. А. Клыков. № 2005119442/02; Заявл. 22.06.2005; Опубл. 27.09.2006.

55. Schneider, J. W. Experiments on wireless instrumentation of potlines / M. H. Schneider, J. W. Evans, D. Ziegler, P. Wright, and D. Steingart // Light Metals. -2005. -P.407-412.

56. Castro Neto, E. S. de. Cell operation improvement using wireless human-machine interfaces / E. S. de Castro Neto, L.V. Mota Ivo, O.M. Guzzon // Light Metals.-2005.-P.399-406.

57. Schneider, M. Further results from the wireless Instrumentation of Hall-Heroult Cells / M. Schneider, D. Steingart, J. W. Evans, P. Wright, D. Ziegler // Light Metals. 2006. - P.331 -34.

58. Хьюлсман, JI. П. Введение в расчет активных фильтров / Л. П. Хьюлсман, Ф. Е. Ален; пер. с англ. Н.Н.Слепцова, под ред. А.Е.Знаменского. -М.: Радио и связь, 1984. 384с.

59. Минцис, М. Я. Распределение тока в алюминиевом электролизере / М. Я. Минцис // Сборник докладов VII международной конференции 11-13 сентября 2001г. «Алюминий Сибири 2001»: сб. науч. статей. - Красноярск: «Бона», 2001.- С.25-28.

60. Бендат, Дж. Измерение и анализ случайных процессов / Дж. Бендат, А. Пирсол; пер. с англ. Г. В. Матушевского, В. Е. Привалова; под редакцией И. И. Коваленко. М.: Издательство «Мир», 1971 - 406с.