Патент на изобретение №2233914

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ГЛИНОЗЕМА В ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ПРИ ПОМОЩИ ТОЧЕЧНЫХ ПИТАТЕЛЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для оптимизации подачи глинозема в электролизер. При управлении подачей глинозема в алюминиевый электролизер для поддержания концентрации глинозема в заданных пределах измеряют напряжение электролизера. Формируют циклы, состоящие из последовательности базового режима питания, режима недостаточного питания и режима избыточного питания ванны. Рассчитывают псевдосопротивление R_nc и его производную по времени dR_nc/dt на основе измерений напряжения электролизера и тока серии во всех режимах. В режиме недостаточного питания переходят к режиму избыточного питания при превышении производной dR_nc/dt заданных значений. Устанавливают периоды автоматизированной подачи глинозема АПГ в режимах недостаточного и избыточного питания пропорционально уставке АПГ. Перемещают анодную раму только в режиме базового питания. Уставку АПГ регулируют в зависимости от продолжительности пребывания электролизера в режиме недостаточного питания. В случае превышения продолжительности недостаточного питания по сравнению с заданным значением уставку АПГ увеличивают и наоборот. Продолжительность режима избыточного питания устанавливают постоянной. Изобретение позволяет повысить производительность электролизера. 5 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к автоматизации электролитического способа получения алюминия, и может быть использовано для оптимизации подачи глинозема в электролизер, оснащенный точечными питателями любого типа с неизменяемой массой (или объемом) дозы.

Существует ряд способов управления электролизерами, основанных на чередовании режимов недостаточного и избыточного питания ванн глиноземом при помощи точечных питателей.

Известен способ управления электролизерами для получения алюминия, заключающийся в поддержании температурного режима электролизера путем регулирования межполюсного расстояния и концентрации глинозема в заданных пределах чередованием режимов избыточного и недостаточного питания, включающий измерение напряжения на электролизере и тока серии, расчет текущего значения приведенного напряжения и скорости его изменения во времени, сравнение вычисленных значений с заданными, при этом регулирование межполюсного расстояния проводят в момент перехода от режима избыточного питания к режиму недостаточного питания при определенных условиях. Переход от режима недостаточного питания к режиму избыточного питания осуществляют при достижении скорости изменения приведенного напряжения во времени величины больше первого порогового значения скорости изменения приведенного напряжения, определенного экспериментально, а переход от режима избыточного питания к режиму недостаточного питания осуществляют при достижении скорости изменения приведенного напряжения во времени величины меньше второго порогового значения скорости изменения приведенного напряжения, определенного экспериментально (Патент РФ №2189403, МПК С 25 С 3/20, 2002).

Недостатком известного способа управления электролизерами для получения алюминия является недостоверный выбор момента перехода из режима избыточного питания в режим базового питания по величине производной приведенного напряжения. Проблема заключается в том, что по мере насыщения электролита глиноземом величина прироста напряжения (дискретного аналога первой производной) приближается к нулю и становится сопоставимой с производной от “шума” электролизера. (Подразумевается, что процесс находится на левой ветви кривой зависимости напряжения электролизера от концентрации глинозема в электролите). В результате время пребывания электролизера в режиме избыточного питания является неопределенной величиной, что может привести к появлению осадка на подине.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ управления алюминиевыми электролизерами включающий измерение напряжения на электролизере и формирование циклов трехступенчатого питания, в которых происходит изменение количества загружаемого в ванну глинозема, начиная с базового (номинального) режима, к недостаточному питанию, а после этого к избыточному питанию. Время пребывания в режиме базового питания подбирается вручную. Интервал питания лежит в районе от 60 до 70 секунд, при этом средняя скорость питания составляет около 1,4 кг/мин для каждого питателя. За этим следовал период пониженного питания (1/2 нормальной скорости питания) и без контроля напряжения. Когда напряжение электролизера поднимется достаточно, компьютер выдает команду на избыточное питание электролизера (в два раза выше нормальной скорости питания). Переход из режима избыточного питания в режим базового питания происходит в момент падения напряжения электролизера и подхода напряжения к установленной точке вновь. Компьютер выдавал команду на нормальное питание с активным контролем напряжения. Цикл таким образом завершался и затем снова повторялся с периодом нормального питания (Стратегия питания по потребности (Demand feed) алюминиевых электролизеров. К.Р.Робийар и Б.Ролофс, Light Metals 1989, стр. 269-273).

Недостатком известного прототипа является то, что в нем не в полной мере учитывается возможность спонтанного изменения массы дозы АПГ в связи с изменяющимися свойствами глинозема, использованием глинозема различных поставщиков и изменениями самого питающего устройства, вследствие его эксплуатации в экстремальных условиях процесса промышленного электролиза алюминия. С одной стороны, использованная в прототипе методика чередования режимов недостаточного и избыточного питания позволяет системе устойчиво работать даже при существенных отклонениях у ставки АПГ от оптимального значения. С другой стороны, отклонение уставки АПГ от оптимального значения отрицательно влияет на качество процесса электролиза. Заниженная (для некоторой дозы) уставка АПГ приводит к массированной загрузке в режиме избыточного питания и долгому времени пребывания электролизера в режиме недостаточного питания. Значит, диапазоны периодических изменений концентрации глинозема в электролите велики, а также существует вероятность накопления осадков глинозема на подине. Завышенная уставка АПГ приводит к короткому времени пребывания в режиме недостаточного питания. В этом случае возрастает вероятность незапланированных анодных эффектов (даже в режиме избыточного питания).

Другим недостатком способа по прототипу так же, как аналога, является то, что время пребывания электролизера в режиме избыточного питания является случайной величиной, что может привести к появлению осадка на подине или, наоборот, к анодному эффекту и к уменьшению производительности электролизера.

В основу изобретения поставлена задача повышения производительности электролизера за счет уменьшения вероятности незапланированных анодных эффектов или накопления осадка глинозема на подине, что достигается путем адаптации базовой уставки АПГ к спонтанным изменениям доз глинозема, отдаваемым в электролизер точечными питателями.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления подачей глинозема в алюминиевый электролизер для поддержания концентрации глинозема в заданных пределах, включающем измерение напряжения электролизера и формирование циклов, состоящих из последовательности базового режима питания, режима недостаточного питания и режима избыточного питания ванны, рассчитывают псевдосопротивление R_nc и его производную по времени dR_nc/dt на основе измерений напряжения электролизера и тока серии во всех режимах, при этом в режиме недостаточного питания переходят к режиму избыточного питания при превышении производной dR_nc/dt заданных значений, устанавливают периоды автоматизированной подачи глинозема АПГ в режимах недостаточного и избыточного питания пропорционально уставке АПГ и перемещают анодную раму только в режиме базового питания, при этом уставку АПГ регулируют в зависимости от продолжительности пребывания электролизера в режиме недостаточного питания: в случае превышения продолжительности недостаточного питания по сравнению с заданным значением уставку АПГ увеличивают и наоборот; при этом продолжительность режима избыточного питания устанавливают постоянной.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критерию “новизна”.

Предлагаемый способ управления подачей глинозема в алюминиевый электролизер по сравнению с прототипом является более оперативным и надежным в работе и позволяет повысить производительность электролизера за счет существенных отличительных признаков.

Уставку АПГ в способе функционально увязали со временем пребывания электролизера в режиме недостаточного питания, т.к. время в режиме недостаточного питания зависит от степени насыщенности электролизера глиноземом, а само насыщение при прочих равных условиях зависит от массы дозы глинозема. Чем больше время пребывания в режиме недостаточного питания, тем больше устанавливается уставка АПГ и наоборот. Поскольку периоды АПГ в режиме избыточного питания и в режиме недостаточного питания связаны через соответствующие коэффициенты с уставкой АПГ, изменение уставки АПГ приведет к изменению периодов АПГ всех трех режимов, а соответственно, к изменению интенсивности питания.

Время пребывания в режиме избыточного питания принимаем равным постоянной величине. Однако это не означает, что суммарное количество глинозема, поступающее в течение режима избыточного питания, всегда будет одинаковым. Интенсивность подач и общая масса отданного в ванну глинозема в каждом из трех режимов зависит от базовой уставки АПГ, величина которой автоматически подбирается, как указано выше, исходя из времени пребывания электролизера в режиме недостаточного питания. Следовательно, чем выше уставка АПГ, тем реже будут подаваться дозы в режиме избыточного питания. В свою очередь масса глинозема, поступившего в режимах избыточного и базового питания, влияет на начальную концентрацию в режиме недостаточного питания и отражается на времени пребывания электролизера в этом режиме.

На ситуацию, конечно, влияют и эмпирические коэффициенты, увязывающие соотношение периодов АПГ в режимах избыточного и недостаточного питания с уставкой АПГ. Предполагаем, что они неизменны (как в прототипе, так и в предложенном способе).

Заявляемый способ поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 и 2 показана диаграмма среднесуточного количества доз АПГ на разных ваннах, на фиг.3 – диаграмма работы АПГ по предлагаемому способу, на фиг.4 – динамика изменения уставки АПГ за месяц по предлагаемому способу, на фиг.5 – номограмма на основе расчетов по модели растворения глинозема в электролизерах, оснащенных точечными питателями.

Пример 1. Приведем некоторые общепринятые понятия:

– доза АПГ суммарная масса глинозема, отдаваемая в электролизер при однократной подаче глинозема со всех точечных питателей данного электролизера;

– номинальная доза АПГ – это величина, равная произведению количества точечных питателей на паспортное значение массы глинозема, выдаваемой одним точечным питателем (доза АПГ не всегда совпадает с номинальной дозой АПГ);

– период АПГ – интервал времени между подачей доз АПГ в электролизер в данном режиме;

– частота подачи доз АПГ- величина, обратная периоду АПГ;

– номинальная уставка АПГ – величина, полученная при вычислении по выражению (1):

где 1440 – количество минут в сутках,

– уставка АПГ – период АПГ в базовом режиме, задаваемый в контроллере системы управления АПГ.

Независимо от используемой системы управления точечным дозатором о величине дозы АПГ, единовременно поступающей в электролизер (со всех установленных дозаторов), можно судить по среднесуточному количеству доз и известной производительности электролизера. Опыт показывает, что доза АПГ различна как для разных электролизеров одной конструкции, оснащенных одинаковыми точечными дозаторами (фиг.1), так и для одного и того же электролизера в разные периоды времени (фиг.2).

Как видно из диаграмм на фиг.1 и 2, среднесуточное количество доз на разных ваннах может отличаться более чем в 1.5 раза. Соответственно, таким же будет диапазон вариаций массы одной дозы. На фиг.3 показана диаграмма работы точечных дозаторов одного из электролизеров С-120 корпуса №26 КрА3а, в соответствии с предложенным способом. Уставка АПГ в точке 1 выше, чем в точке 2 вследствие того, что продолжительность времени пребывания электролизера в режиме недостаточного питания в следующих циклах была ниже заданной (в данном случае заданное время пребывания электролизера в режиме недостаточного питания равно 68.8 минутам). Заданное время пребывания в режиме недостаточного питания, как и время пребывания электролизера в режиме избыточного питания определено по методике, показанной в примере 2.

На фиг.4 показана динамика изменения уставки АПГ за месяц на ванне №50 корпуса №26 КрА3а. Корректировка (или адаптация) уставки АПГ произведена автоматически системой управления на основе описанного способа. С помощью номограммы (фиг.5) можно оценить, в какой из рабочих зон находится система. Условно весь рабочий диапазон можно разбить на зоны:

1. зона с большой вероятностью накопления осадка,

2. зона нормальной работы,

3. оптимальная зона,

4. зона с большой вероятностью анодного эффекта.

Нахождение системы в той или иной зоне определяется соотношением дозы АПГ, уставки АПГ и диапазона изменений концентрации глинозема. Если уставка АПГ подобрана таким образом, что нет осадков или анодных эффектов, то можно считать, что система находится в зоне нормальной работы. В случае меняющейся дозы АПГ для формирования режима с желаемым интервалом изменения концентрации глинозема, нужно подбирать соответствующие уставки АПГ. Соотношение параметров, соответствующее оптимальному режиму, зависит от условий протекания процесса электролиза. При использовании глинозема высокого качества и с неизменными свойствами можно подобрать такую уставку АПГ, при которой система будет обеспечивать малые колебания заданной концентрации глинозема. В случае использования разнотипных глиноземов и низкой точности дозирования точечными питателями рекомендуется уставка АПГ, обеспечивающая больший диапазон изменения концентрации глинозема.

В предлагаемом способе, в случаях спонтанных изменений доз АПГ, система управления автоматически выбирает более благоприятный режим путем подстройки уставки АПГ. Способ использован в АСУТП процесса электролиза алюминия в 4 корпусах КрА3а и 9 корпусах СА3а.

Пример 2. Расчет интервала времени пребывания электролизера в режиме избыточного питания.

Расчет базовых констант режимов системы управления точечными питателями для электролизера КрА3а С120 на 125 кА при массе электролита 6500 кг.

Пусть электролизер работает с выходом по току 93%. Тогда суточная производительность электролизера

Р=0.930.335412524=935.8 [кг]

Для производства такого количества алюминия требуется глинозема:

М=1.89935.8=1768.7 [кг]

На электролизере установлено 3 точечных дозатора, каждый из которых имеет плановую дозу 1.5 кг. Плановая Доза АПГ=31.5=4.5 [кг].

Учитывая, что в сутках 1440 минут, Номинальная уставка АПГ равна:

Учитывая, однако, что фактическая Доза АПГ может отличаться от плановой, были определены среднестатистические Доза АПГ и Уставка АПГ:

Доза АПГ=5.5 6 [кг].

Уставка АПГ=7.8 [ минут].

Завышенные по сравнению с расчетными значения дозы АПГ и уставки АПГ могут быть объяснены попаданием глинозема в электролизер помимо дозаторов (например, при замене анодов и т.д.), а также отклонением характеристик самих дозаторов.

Момент выхода из режима недостаточного питания по наблюдению за изменением кривой псевдосопротивления выбран таким образом, что переход в режим избыточного питания происходит при концентрации глинозема %Аl₂O₃=2.5%.

В соответствии со специфическими условиями КрА3а, где приходится использовать глиноземы различных типов, принято решение поддерживать концентрацию глинозема на электролизерах с точечными питателями в пределах 2.5%-3.5%.

Расчет времени пребывания электролизера в режиме избыточного питания.

Данный расчет выполнен исходя из предположения, что концентрация глинозема в режиме избыточного питания должна повышаться с 2.5% до 3.5%.

Пусть t^избыт – время пребывания электролизера в режиме избыточного питания в минутах.

За время t^избыт на производство алюминия будет потрачено глинозема:

m= t^избыт·M/1440=t^избыт ·1768.7/1440=1.23t^избыт [кг]

В начальный период режима избыточного питания в электролите находится глинозема:

В конечный момент режима избыточного питания в электролите находится глинозема:

С учетом потребления в электролизер должно быть введено глинозема:

m^избыт=227.5-162.5+1.23t^избыт=65+1.23t^избыт [кг]

Для этого необходимо загрузить доз АПГ:

что соответствует загруженной массе глинозема

где K1 – коэффициент, связывающий Период АПГ в режиме избыточного питания с Уставной АПГ, 5.56 кг – среднестатистическая Доза АПГ. Из последнего выражения находим соотношение:

откуда

Расчет желаемого времени пребывания в режиме недостаточного питания. После режима избыточного питания электролизер переходит в режим базового питания. Поскольку правильно подобранная уставка АПГ обеспечивает динамический баланс “ПРИХОДА” и “РАСХОДА” глинозема, достигнутая концентрация 3.5% сохраняется в течение всего периода времени пребывания в режиме базового питания. Для расчета эталонного (желаемого) времени пребывания электролизера в режиме недостаточного питания используем процедуру, аналогичную той, что описана выше.

где К2 – коэффициент, связывающий Период АПГ в режиме недостаточного питания с Уставной АПГ,

Рассчитанное таким способом время является эталонным и используется в качестве заданного. Отклонение времени недостаточного питания от заданного времени происходит в основном вследствие спонтанных изменений дозы АПГ, что приводит к смещению рабочей зоны в ту или иную сторону от оптимального режима (см. номограмму на фиг.5). Система управления, работающая в соответствии с предложенным способом, корректирует Уставку АПГ так, что это в конечном итоге приводит к изменению времени пребывания электролизера в режиме недостаточного питания. Корректировка (или адаптация) уставки осуществляется постепенно, т.к. время пребывания в режиме недостаточного питания может зависеть от случайных и несистематических вмешательств в работу электролизера. Следует отметить, что изменение заданного времени недостаточного питания от расчетной величины 68.8 мин оставляет систему работоспособной и лишь приводит к изменению средней концентрации глинозема в электролите.

Формула изобретения

Способ управления подачей глинозема в алюминиевый электролизер для поддержания концентрации глинозема в заданных пределах, включающий измерение напряжения электролизера и формирование циклов, состоящих из последовательности базового режима питания, режима недостаточного питания и режима избыточного питания ванны, отличающийся тем, что рассчитывают псевдосопротивление R_nс и его производную по времени dR_nc/dt на основе измерений напряжения электролизера и тока серии во всех режимах, при этом в режиме недостаточного питания переходят к режиму избыточного питания при превышении производной dR_nc/dt заданных значений, устанавливают периоды автоматизированной подачи глинозема АПГ в режимах недостаточного и избыточного питания пропорционально уставке АПГ, и перемещают анодную раму только в режиме базового питания, при этом уставку АПГ регулируют в зависимости от продолжительности пребывания электролизера в режиме недостаточного питания, в случае превышения продолжительности недостаточного питания по сравнению с заданным значением уставку АПГ увеличивают, и наоборот, а продолжительность режима избыточного питания устанавливают постоянной.

РИСУНКИ

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Инженерно-технологический центр”

НИЛ

Лицензиат(ы): РУСАЛ ЭНЕРДЖИ ЛИМИТЕД (CY)

Договор № РД0015723 зарегистрирован 20.12.2006

Извещение опубликовано: 27.01.2007 БИ: 03/2007

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия

PD4A – Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:

Общество с ограниченной ответственностью «Русская инжиниринговая компания» (RU)

Адрес для переписки:

660111, г. Красноярск, ул. Пограничников, 37, стр. 1, Филиал ООО «РУС-Инжиниринг»

Извещение опубликовано: 10.04.2007 БИ: 10/2007

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Русская инжиниринговая компания”

НИЛ

Лицензиат(ы): РУСАЛ Ай Пи Менеджмент Кампани Лимитед (VG)

Договор № РД0027209 зарегистрирован 01.10.2007

Извещение опубликовано: 10.11.2007 БИ: 31/2007

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия

QZ4A – Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Русская Инжиниринговая Компания”

НИЛ

Лицензиат(ы): РУСАЛ Ай Пи Менеджмент Кампани Лимитед (VG)

Характер внесенных изменений (дополнений):

Изменения, не относящиеся к сведениям, приведенным в патенте.

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения:

01.10.2007 № РД0027209

Извещение опубликовано: 20.09.2008 БИ: 26/2008

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия

QZ4A – Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Русская инжиниринговая компания”

НИЛ

Лицензиат(ы): РУСАЛ ЭНЕРДЖИ ЛИМИТЕД (CY)

Характер внесенных изменений (дополнений):

Расторжение договора РД0015723 по обоюдному согласию

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения:

20.12.2006 № РД0015723

Извещение опубликовано: 10.08.2010 БИ: 22/2010

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия

QZ4A – Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Русская инжиниринговая компания”

ИЛ

Лицензиат(ы): ЮНАЙТЕД КОМПАНИ РУСАЛ АйПи ЛИМИТЕД (CY)

Характер внесенных изменений (дополнений):

Изменены наименование и адрес лицензиата. Лицензиат: ЮНАЙТЕД КОМПАНИ РУСАЛ АйПи ЛИМИТЕД Арк. Макариу, III, 41, эт.2, офис 21 Р.С., 1065, Никозия, Кипр. В предмет договора добавлены патенты на изобретения 2316619, 2328555, 2303657, 2338010, 2328553, 2316620, 2321683, 2320781, 2318926, 2299277, 2318920, 2303653, 2307878, 2307880. Изменен вид лицензии на исключительную. Изменен объем предоставляемых прав. Изменен размер вознаграждения

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения:

01.10.2007 № РД0027209

Извещение опубликовано: 10.12.2010 БИ: 34/2010

* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия