CN113026057B - 一种铝电解槽电流效率在线软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝电解槽电流效率在线软测量方法：a.构建修正公式：γ(％)＝0.5*(ψ(CO₂)‑ψ₀(CO₂))/(ψ(CO₂)‑ψ₀(CO₂)+ψ(CO))+50％+K(ψ₀)；b.将采集的电解槽CO、CO₂在线浓度代入ψ(CO)和ψ(CO₂)，进行函数模型系数迭代回归得K(ψ₀)；c.再次采集电解槽CO、CO₂在线浓度数据代入ψ(CO)和ψ(CO₂)计算得γ(％)。本发明测量简单，精度高，稳定性好，有利于实现电解槽的精细化管理。

Description

一种铝电解槽电流效率在线软测量方法

技术领域

本发明涉及铝行业电解槽在线电流效率检测方法，特别涉及一种铝电解槽电流效率在线软测量方法。

背景技术

铝行业电解槽电流效率是电解生产工艺的重要评价指标，影响铝电解槽电流效率的因素包含了电解质、槽电压、阳极等多种影响因素，同时电解槽电流效率也能直接反映电解槽的能源效率，对电解槽生产具有直接的生产指导意义，进而在生产运营、质量管理、和成本控制方面完全产生影响。

目前铝电解槽电流效率的测量，主要通过下述方法计算得到：

理论产量Q＝铝的电化当量*24*系列电流

实际产量W＝现场出铝电子计量准置的称重数量

电流效率л＝W/Q。

该方法虽然简便，能够估算某台电解槽或某工段较短时间周期内的电流效率；但其估算值精确度低，并不能作为评估电解槽系列生产的精确指标，更不能作为单台电解槽电流效率的监测指标。因此，该方法较为粗放，不能为生产管理和专项试验管理提供精细化的数据支持。综上所述，研究一种铝电解槽电流效率在线软测量方法对铝电解槽的生产管具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种铝电解槽电流效率在线软测量方法。本发明实现了铝电解槽电流效率的在线软测量，方法简单，精度高，稳定性好，有利于实现电解槽的精细化管理。

本发明的技术方案：一种铝电解槽电流效率在线软测量方法，包括下述步骤：

a.构建在线生产中基于大气CO₂浓度常量的电流效率修正公式：

γ(％)＝0.5*(ψ(CO₂)-ψ₀(CO₂))/(ψ(CO₂)-ψ₀(CO₂)+ψ(CO))+50％+K(ψ₀)

其中，γ(％)为电流效率，ψ(CO)为一氧化碳浓度，ψ(CO₂)为二氧化碳浓度，ψ₀(CO₂)为大气CO₂浓度常数，K(ψ₀)为修正系数；

b.将采集到的电解槽CO、CO₂在线浓度数据对应代入到修正公式的ψ(CO)和ψ(CO₂)，进行电流效率在线软测量函数模型系数迭代回归，得到修正系数K(ψ₀)；

c.再次采集电解槽CO、CO₂在线浓度数据，并对应代入到修正公式的ψ(CO)和ψ(CO₂)进行计算，得到在线电流效率的软测量数据γ(％)。

前述的铝电解槽电流效率在线软测量方法中，电解槽CO、CO₂在线浓度数据在采集前，对电解槽烟气管道内的烟气，进行电伴热管气流介质气化、降温和除水预处理。

前述的铝电解槽电流效率在线软测量方法中，所述的预处理步骤如下：

①将所述烟气经采样管引出；

②引出后经电伴热管将烟气保持至120℃；

③将烟气通入U型螺旋冷凝干燥器降温冷凝；

④将冷凝后气体通入粉尘过滤器和水气过滤器，进行二级过滤。

前述的铝电解槽电流效率在线软测量方法所述的步骤①中，采样管为φ8mm*10cm的不锈钢管。

前述的铝电解槽电流效率在线软测量方法所述的步骤②中，电伴热管的长度为5m。

前述的铝电解槽电流效率在线软测量方法中，电解槽CO、CO₂在线浓度数据的采集，采用红外检测法在线式检测仪采集。

前述的铝电解槽电流效率在线软测量方法中，电解槽CO、CO₂在线浓度数据采集时，气体流速控制在500ml/min。

前述的铝电解槽电流效率在线软测量方法所述的步骤c中，当γ(％)＜90％时，表示监测到电解槽工作发生异常。

有益效果：本发明通过构建在线生产中基于大气CO₂浓度常量的电流效率修正公式，将大气中CO₂浓度纳入电流效率测量精度的影响因子，避免因忽略该影响因子而带来的测量误差，有效提高了测量精度。本发明通过将采集到的大量的电解槽CO、CO₂在线浓度数据代入到修正公式进行电流效率在线软测量函数模型系数迭代回归，得到修正系数K(ψ₀)，建立了稳定收敛的电流效率实时在线分析模型，之后再应用该模型实现电流效率的实时在线软测量(即间接测量)；该方法测量简单，且通过该在线电流效率软测量方法能够简便精确地实现电解槽工作状态的监测(γ(％)＜90％时，工作状态异常)。此外，本发明的软测量方法能够通过单台电解槽CO、CO₂在线浓度数据迭代回归得到对应的修正系数K(ψ₀)，继而构建了单台电解槽的电流效率实时在线分析模型，最终建立了单台电解槽电流效率的监测指标，为铝电解槽的生产管理和专项试验管理提供了精细化的数据支持，有利于实现电解槽的精细化管理。

本发明基于工业生产实践，为了降低电解铝工业特殊环境对采集数据精度的影响，在进行电解槽CO、CO₂在线浓度数据采集前，对电解槽烟气管道内的烟气进行电伴热管气流介质气化、降温和除水这一系列的预处理步骤，剔除了大量不确定的影响因子，有效提高了后续迭代回归后修正系数K(ψ₀)的精确度和稳定性，进而提高了模型的测量精确度和稳定性。

本发明可用于电解槽工作状态的监测，根据实际锂电池放电过程的电压检测数据，该软测量模型能够比较精确地实时呈现电解槽的电流效率。电解槽电流效率的在线检测对优化电解槽的控制和操作具有重要的指导意义。电解槽电流效率的在线检测有助于电解工序节能降耗控制手段和管理手段的提升。

为了证明本发明的有益效果，发明人进行了如下实验：

实验例：

1.一氧化碳和二氧化碳检测

采用红外检测法在线式检测仪，适用于各种工业环境和特殊环境中的一氧化碳和二氧化碳浓度连续在线检测。检测仪的技术参数见表1。

表1

	二氧化碳探头(烟气专用)
		分析方法	红外
采样方法	直接抽取测量
		测量范围	0-100％VOL
响应时间	≤20s
		零点漂移	≤±1％F.S.
量程漂移	≤±1％F.S.
		线性误差	≤±3％
功耗	20W
		信号输出	(4～20)mA、RS485

由于烟气管道内的温度高达150℃，需要对烟气进行降温、除水预处理，预处理步骤如下：

①现场将管道烟气通过φ8*10cm不锈钢管引出；锅炉烟道与不锈钢管采用焊接或法兰连接；尾端需M10内螺纹或宝塔接头与二氧化碳分析仪进气管连接；

②由于管内工况含硫化物、氮氧化物等酸性气体，为避免预处理管路水份冷凝酸液；气体引出来后设计电伴热管(5米)，将气流介质保持至120℃将水分气化；

③升温后的气体进入U型螺旋冷凝干燥器，气体瞬间将至常温，凝结的水滴由蠕动泵自动排出；

④冷凝后气体进入粉尘过滤器和水气过滤器，进行二级过滤；

⑤二次干燥过滤后的气体进入流量计，将流速温度在500ml/min送入检测仪探头，进行检测；

⑥检测后尾气排空

⑦整套系统柜式布局，可选配滚轮、安装支架，系统的检测仪表构架见图1，构架中的设备清单及规格见表2；

表2

配件名称	型号	规格
			采样管	452X-80	Φ8mm
电伴热管	/	5m
			温控器	E5AC	温控范围10-200℃
冷凝器	DH-SG	出口温度10℃
			蠕动泵	TMBG-O2	最高转速为4转/S
粉尘过滤器	/	滤出直径0.2-0.5μm
			水汽过滤器	/	分离效率≥99.5％
采样泵	HC-G3175DC-10L	无刷真空泵
			流量计	LZB-6	60-600ml/min
二氧化碳气体检测仪	DR70C-CO2	详见参数表
			铁氟龙软管	/	若干
高压卡套	/	若干

2.数据采集

数据采集模块NETCOM-400IE是一款TCP/IP以太网转串口设备，它内部集成了TCP/IP协议栈。规格为32位ARM9CPU；10M/100M以太网接口(双端口交换机)；串口工作模式支持RS232、RS485、RS422软件配置；1.5KV电磁隔离；串口波特率300～230400bps；串口任意校验；串口数据位5,6,7,8可设定。

3.系统架构

气体分析仪集中到一个数据采集模块中，数据采集模块通过控制网将数值传送到数据采集服务器；数据采集服务器通过OPC接口采集槽控机系统的实时数据，系统结构如图2所示。

4.对电流效率的数据分析和建模回归

离线分析是在采集记录过程检测气体分析记录的基础上，开展数据分析和回归迭代，在γ(％)＝0.5*(ψ(CO₂)-ψ₀(CO₂))/(ψ(CO₂)-ψ₀(CO₂)+ψ(CO))+50％+K(ψ₀)的基础上，建立迭代关系计算，得到标准差收敛的K(ψ₀)系数回归，并进行验证，得到经验公式。运用的工具主要有MATLAB和EXCEL等。

5.电解槽在线电流效率计算

计算硬件设备清单见表3。

表3系统集成硬、软件设备清单

6.铝电解槽在线电流效率软测量数据和分析

6.1数据采集与分析

完成仪表准确性调试和数据接口链接后，采集5月11日--5月24日的CO₂和CO数据进行分析。电解槽情况：电解槽：1836#槽数据值：CO₂、CO浓度(单位PPM)

采集间隔：1次/秒，数据时间：5月11日--5月25日，数据个数：1192909个，其它数据：5月11日--5月24日效应统计，5月11日--5月24日电流效率报表。具体计算数据见表4。

表4电流效率软测量计算表

说明：K(ψ0)系数为大数据回归系数(1836槽)，针对电解铝厂，采用统一的软测量回归模型，针对每个电解槽，需迭代出不同的K(ψ0)系数(一槽一系数)，第一列电流效率为铝水产量计算的电流数据，电流效率(软测量)字段为软测量结果数据，电流效率数值系数可通过本电解槽的铜参杂实验进行准确性修正。

6.2拟合的电流效率历史趋势

见图3～5。

6.3第1836槽基于K回归系数的不同班次电流效率软测量值历史趋势

表5为电解槽1836槽2020年5月12日到24日效应统计

表5

7.结论

通过CO₂与CO实时检测，实现了电解槽电流效率的在线软测量。

通过电解槽电流效率的在线软测量，对大部分电解槽的异常发生有明显的准确性评价，拟合的电流效率标准差在＜1.0％，精确度高。

附图说明

图1.检测仪表系统构架示意图；

图1中，1-进气口，2-温控器，3-24V电源，4-流量计，5-电伴热带，6-冷凝器，7-水汽过滤器，8-粉尘过滤器，9-采样泵，10-球阀，11-蠕动泵，12-排气口，13-排水口，14-标定口；

图2.电解槽电流效率系统分析示意图；

图2中，15-二氧化碳分析仪，16-数据服务器，17-控制网，18-仪表箱，19-槽控机；

图3.电解槽1836槽2020年5月12日16点班软测量电流效率历史趋势；

图4.电解槽1836槽2020年5月13日16点班软测量电流效率历史趋势；

图5.电解槽1836槽2020年5月16日8点班软测量电流效率历史趋势；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

一种铝电解槽电流效率在线软测量方法，包括下述步骤：

a.构建在线生产中基于大气CO₂浓度常量的电流效率修正公式：

γ(％)＝0.5*(ψ(CO₂)-ψ₀(CO₂))/(ψ(CO₂)-ψ₀(CO₂)+ψ(CO))+50％+K(ψ₀)

其中，γ(％)为电流效率，ψ(CO)为一氧化碳浓度，ψ(CO₂)为二氧化碳浓度，ψ₀(CO₂)为大气CO₂浓度常数，K(ψ₀)为修正系数；

b.将采集到的电解槽CO、CO₂在线浓度数据对应代入到修正公式的ψ(CO)和ψ(CO₂)，进行电流效率在线软测量函数模型系数迭代回归，得到修正系数K(ψ₀)；

c.再次采集电解槽CO、CO₂在线浓度数据，并对应代入到修正公式的ψ(CO)和ψ(CO₂)进行计算，得到在线电流效率的软测量数据γ(％)。

具体地，电解槽CO、CO₂在线浓度数据在采集前，对电解槽烟气管道内的烟气，进行电伴热管气流介质气化、降温和除水预处理。

具体地，所述的预处理步骤如下：

①将所述烟气经采样管引出；

②引出后经电伴热管将烟气保持至120℃；

③将烟气通入U型螺旋冷凝干燥器降温冷凝；

④将冷凝后气体通入粉尘过滤器和水气过滤器，进行二级过滤。

具体地，步骤①中，采样管为φ8mm*10cm的不锈钢管。

具体地，步骤②中，电伴热管的长度为5m。

具体地，电解槽CO、CO₂在线浓度数据的采集，采用红外检测法在线式检测仪采集。

具体地，电解槽CO、CO₂在线浓度数据采集时，气体流速控制在500ml/min。通过该方式，能够有效确保烟气温度降低速率处于合适区间，进而有效保护测试探头。

具体地，步骤c中，当γ(％)＜90％时，表示监测到电解槽工作发生异常。此时，异常原因主要是电解槽发生阳极效应。

Claims (8)

1.一种铝电解槽电流效率在线软测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

a.构建在线生产中基于大气CO₂浓度常量的电流效率修正公式：

γ(％)＝0.5*(ψ(CO₂)-ψ₀(CO₂))/(ψ(CO₂)-ψ₀(CO₂)+ψ(CO))+50％+K(ψ₀)

其中，γ(％)为电流效率，ψ(CO)为一氧化碳浓度，ψ(CO₂)为二氧化碳浓度，ψ₀(CO₂)为大气CO₂浓度常数，K(ψ₀)为修正系数；

b.将采集到的电解槽CO、CO₂在线浓度数据对应代入到修正公式的ψ(CO)和ψ(CO₂)，进行电流效率在线软测量函数模型系数迭代回归，得到修正系数K(ψ₀)；

c.再次采集电解槽CO、CO₂在线浓度数据，并对应代入到修正公式的ψ(CO)和ψ(CO₂)进行计算，得到在线电流效率的软测量数据γ(％)。

2.根据权利要求1所述的铝电解槽电流效率在线软测量方法，其特征在于，电解槽CO、CO₂在线浓度数据在采集前，对电解槽烟气管道内的烟气，进行电伴热管气流介质气化、降温和除水预处理。

3.根据权利要求2所述的铝电解槽电流效率在线软测量方法，其特征在于，所述的预处理步骤如下：

①将所述烟气经采样管引出；

②引出后经电伴热管将烟气保持至120℃；

③将烟气通入U型螺旋冷凝干燥器降温冷凝；

④将冷凝后气体通入粉尘过滤器和水气过滤器，进行二级过滤。

4.根据权利要求3所述的铝电解槽电流效率在线软测量方法，其特征在于，步骤①中，采样管为φ8mm*10cm的不锈钢管。

5.根据权利要求3所述的铝电解槽电流效率在线软测量方法，其特征在于，步骤②中，电伴热管的长度为5m。

6.根据权利要求1所述的铝电解槽电流效率在线软测量方法，其特征在于，电解槽CO、CO₂在线浓度数据的采集，采用红外检测法在线式检测仪采集。

7.根据权利要求6所述的铝电解槽电流效率在线软测量方法，其特征在于，电解槽CO、CO₂在线浓度数据采集时，气体流速控制在500ml/min。

8.根据权利要求1所述的铝电解槽电流效率在线软测量方法，其特征在于，步骤c中，当γ(％)＜90％时，表示监测到电解槽工作发生异常。

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