NO128334B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til å bestemme en elektrolysecelles

motstands-måleverdi for regulering på konstant

cellemotstand.

Elektrolyser er prosesser med stort energiforbruk og med dårlig virkningsgrad i sammenligning med likeretterne som anvendes til deres strømforsyning. Den lave ledningsevne hos den vandige eller som smelte foreliggende elektrolytt krever for besparelse av energi en kort polavstand, altså kort avstand mellom katode og anode, noe som imidlertid alt etter elektrolysens art ikke lar seg realisere i ønsket grad på grunn av mulighet for cellekortslutninger, ustabilitet av cellemot-standen, redusert strømutbytte samt den driftstemperatur som skal over-holdes. Ved å ta hensyn til disse faktorer kommer man altså frem til en optimal polavstand og dermed en optimal cellemotstand som betinger et minimum av energiforbruk. En direkte måling av polavstanden er ikke mulig med de hittil anvendte tekniske midler. Polavstanden blir derfor

regulert slik åt célle-'éiler?o'vhs;motstånden forblir konstant.

For optimering av aluminium-élektrolysen ved hjelp av regnemaskin er det nødvendig å registrere egnede måleverdier av eléktrolyse-ovnens parametre. En nøkkelparameter, som andre parametre kan bestemmes ut ifra, er ovnsmotstanden. Por elektrolysens krumme strøm-spennings-karakteristikk gjelder ved konstant polavstand og ved bare små avvik-elser av elektrolysestrømmen fra dens nominelle verdi den følgende til-nærmede formel for ce.lle- eller ovnsmotstanden:

Her betyr U ovnens likespenning, UQ polarisasjonsspenningen og I elektrolysens likestrøm. Mens ovnspenningen og elektrolysestrømmen kan måles, var det hittil ikke mulig å utføre en løpende bestemmelse av momentan-verdien av polarisasjonsspenningen - en verdi som avhenger av flere parametre for elektrolysen. Som polarisasjonsspenning har man derfor hittil benyttet en midlere erfaringsverdi ved beregningen. Da den omske motstand av en elektrolyseovn er undergitt statistiske variasjoner, har man interesse av motstandens middelverdi under et måletidsrom A t.

Dette tidsrom må være tilstrekkelig langt i forhold til den lengste periode av en statistisk variasjon til at summen av variasjonene blir null eller så liten at den ikke influerer på den nødvendige målenøy-aktighet.

Da endringer av polavstanden bare er mulige innen snevre grenser, må strømmen og spenningen måles med noen promilles nøyaktighet. Polarisasjonsspenningen kan imidlertid under drift variere flere prosent* så man dermed i praksis ikke oppnår den nødvendige målenøyaktighet for bestemmelsen av elektrolyseovnens motstand.

Det har allerede vært foreslått å bestemme den differensielle ovnsmotstand ved å måle elektrolysestrøm og ovnsspenning før og etter en senkning av elektrolysestrømmen. Denne metode, som også anvendes til å fastslå polarisasjonsspenningen, er bare anvendelig hvis strømmen senkes i det minste til'halvparten av sin nominelle verdi, og lar seg derfor ikke gjennomføre fortløpende under drift. • Ved små spennings-senkninger, f.eks. en senkning av spenningen på likeretteren ett velger-trinn, fører endringen av ovnsmotstanden under den for middelverdidann-elsen nødvendige integrasjonstid til en forfalskning av måleresultatet.

Ifølge oppfinnelsen blir disse ulemper unngått ved at man ut fra vekselandelene av cellestrøm og cellespenning ved Pourier-analyse bestemmer middelverdien av Fourierrkoeffisientene for en harmonisk innenfor et fastlagt tidsrom og ut fra koeffisientene beregner veksel-strømmotstandens ohmske og reaktive komponent. Herunder kan de vekselkomponenter av cellestrøm og cellespenning som oppstår under drift, analyseres' for seg eller sammen med vekselkomponenter av strøm og spenning, som overlagres i tillegg og frembringes ved' tilsvarende styring av energiforsyningsanlegget. Ifølge en videre oppfinnélsestanke bestemmer man med sikte på bestemmelse av aluminium-el-ektrolysecelles oksydkonsentrasjon den ohmske og den reaktive vekselstrømmotstand ved minst to vilkårlig innstilte polavstander og bestemmer kvotienten av differansen mellom de således bestemte ohmske motstander og differansen mellom de bestemte reaktive motstander. Som videre utvikling av oppfinn-elsestanken blir der enn videre, for bestemmelse av en elektrolysecelles polarisasjonsspenning, fra cellelikespenningens middelverdi trukket produktet av den ohmske vekselstrømmotstands middelverdi og cellelikestrømmens middelverdi-, hvorunder man måler middelverdiene av cellespenningen, av cellestrømmen og av Fourier-koeffisientene i samme tidsrom. Por bestemmelse av en aluminium-elektrolysecelles termiske adferd blir middelverdiene av de ohmske og/eller reaktive motstander for flere harmoniske sammenlignet med hverandre.

Med den nye metode er det' mulig å bestemme ikke bare elektrolyseovnens ohmske motstand som hittil, men også elektrolysecellens reaktive motstand. Cellens reaktive motstand oppstår på grunn av induk-tiviteten av elektrolyseovnens strømførende deler og på grunn av elek-trolyttens etterleveringseffekter, som gir en kapasitiv komponent av blindmotstanden. Proporsjonalt med små endringer i polavstand, f.eks. ved den løftning og senkning av anoden som forekommer under drift, for-andrer også elektrolyseovnens reaktive motstand seg. Størrelsen av et anodeløft, d.v.s. en polavstandsendring ^ 1, kan altså bestemmes ved hjelp av differansen A x i reaktiv motstand før og etter en polavstandsendring. Med m som proporsjonalitetsfaktor fås A 1 = m . ^ X. Faktoren ra ér avhengig av ovnens konstruksjon. Elektrolyseovnens mot-standsendring A R pr. lengdeenhet A 1 av en liten polavstandsendring er avhengig av flere parametre K^. Denne avhengighet kan uttrykkes ved følgende ligning:

Hvis man betegner oksydkonsentrasjonen i elektrolytten med k^, holder de andre parametre a^ . k^ i summen konstant lik C og setter A 1 = mAX, kan man ut fra forholdet mellom endringene i ohmsk motstand, og reaktiv motstand ved en polavstandsendring bestemme oksydkonsentrasjonen etter følgende ligning:

Etterleveringseffektene i et aluminiums-elektrolyseanlegg på-virkes av de elektrokjemiske prosesser ved katoden og anoden. Da de elektrokjemiske prosesser i alminnelighet bare er.underkastet langsomme endringer i intensiteten av sitt forløp i elektrolyseovnen, forstyrrer disse endringer ikke målingene av oksydkonsentrasjonen ved polavstands-endringer. Bare kort før en anodeeffekt,.d.v.s.. når oksydkonsentrasjonen i elektrolytten er sunket under ca. 1%, inntrer der en større tidsavhengig endring i den.'kåpas it ive komponent, en endring som kan tolkes som forvarsel om den forestående anodeeffekt og gjør en måling av oksydkonsentrasjonen på dette tidspunkt overflødig.

Por bestemmelsen av vekselstrømmotstanden i samsvar med'oppfinnelsen er det ikke nødvendig at høyden av polarisasjonsspenningen Uq er kjent. Tvertimot er det til og med mulig å bestemme polarisasjonsspenningen. For et snevert område for polarisasjonsspenning gjelder:

<U>Q <=><a21><.> ^ <+><a>22 . k2 <+> .. , <a>2i . k..

I forbindelse med ligningen for R/Al kan der-da allerede bestemmes to parametre under den forutsetning av de øvrige parametre ikke endrer seg under måletiden. Ut fra ligningen R = (U - U )/I fås polarisasjonsspenningen U = U - I . R.. Her betyr U middelverdien av ovnslike-spenningen 6g I middelverdien av elektrolyselikestrømmen under et tids-romet og blir dermed ensbetydende med koeffisientene henholdsvis aQU og a. j for Fourieroppdelingen av det kronologiske forløp av spenning og strøm i samme tidsrom. Motstanden R er i det tilfelle elektrolysecellens, resp. elektrolyseovnens ohmske motstand ved frekvensen f. Den ohmske motstand fra vekselstrømmålingen skiller seg fra den fra like-strømmålingen med den av strømfortrengningen resulterende tilleggsmotstand Rg. For vekselmotstandens ohmske komponent gjelder altså

R = R + R„ eller R = R^ . (1 + A f<2>3L 2 ,u).

OA O /

Her betegner RQ likestrømmotstanden, A en faktor som tar hensyn til elektrolyseovnens konstruksjon, f frekvensen, JC ledningsevnen og ^u permea-biliteten av ovnens ledende deler.

Ved lave frekvenser, f.eks. ved 1 Hz, er tilleggsmotstanden

så liten at den ligger innenfor grensene for målenøyaktigheten;, så den ohmske komponent av vekselstrømmotstanden kan settes lik likestrømmot-standen. Ved meget høye frekvenser blir innflytelsen av faktorene A og X- meget stor, da disse faktorer mangedobler virkningen av den høye

frekvens på tilleggsmotstanden. Målingen av tilleggsmotstanden ved høye frekvenser kan følgelig anvendes tilv bestemmelse av den midlere ledningsevne ved konstant faktor A (badtverrsnitt) eller til bestemmelse av fak-~\ toren A ved konstant ledningsevne. Ovnens termiske adferd, med andre ord det effektive badtverrsnitt er bestemt ved energiomsetningen i ovnen.

Hensiktsmessig blir tilleggsmotstanden fastslått i prosent av likestrømmotstand resp. ohmsk motstand ved lave frekvenser. Er Rjj ohmsk motstand ved høye frekvenser og FL. ohmsk motstand ved lave frekvenser, blir

Til ytterligere belysning av oppfinnelsen skal der henvises til tégningen, som viser et utførelseseksempel på en innretning ifølge oppfinnelsen til bestemmelse- av motstanden av en elektrolysecelle.

På tegningen er en elektrolysecelle vist tilsluttet en strøm-kilde 2, f.eks. et likeretteranlegg. Strømkilden står i styrt avhengighet av et .spenningsstyreapparat eller en elektrolysestrøm-måleverdigiver 3 som i sin tur er tilsluttet en sinusgenerator 4 med innstillbar frekvens. For registrering av cellestrømmen er der anbragt en likestrømtransfor-mator 5 med tilleggsapparat 6 og et etterkoblet apparat 7 på-hvis byrde 7a der faller en spenning proporsjonal med cellens likestrøm,- og som leverer en utgangsspenning proporsjonal med cellestrømmens vekselsstrøm-komponent.- Et lignende apparat 8 til å separere vekselspenningskomponenten fra cellelikespenningen er direkte tilsluttet tilførselsledningene for strømforsyning av cellen 1.

I utførelseseksempele.t blir der overlagret cellespenningen

og cellestrømmen en vekselstrømkomponent ved inngrep i spenningsstyrin-gen for likeretteranlegget. For målemetoden er det imidlertid også mulig å utnytte de vekselkomponenter (overbølger) som allikevel foreligger på grunn av likeretterdriften, eller de statistiske variasjoner.

Den med cellelikestrømmen proporsjonale spenning fra skille-apparatet 7 og den med cellelikespenningen proporsjonale utgangsspenning fra apparatet 8 blir tilført hver sin analysator A resp. B. Hver av analysatorene A og B består av en spenningsfrekvensomsetter 9 og en teller 10. Den med vekselstrømkomponenten proporsjonale utgangsspenning fra apparatet 7 og den med vekselspenningskomponenten proporsjonale utgangsspenning fra apparatet 8 blir tilført to analysatorer C, D, resp.

E, F, som hver inneholder en multiplikator 11,-en spenningsfrekvensomsetter 9 og en inversjonsteller. En ytterligere inngang til multiplikatorene hos- analysatorene C og E er forbundet med en utgang fra. sinusgeneratoren 4, som leverer en utgangsspenning av- formen u sin w t, og enda en ytterligere inngang til multiplikatorene D og E er .forbundet med en utgang fra sinusgeneratoren, som leverer .en spenning av formen u cos .'.() t.

Til 'sinusgeneratoren er der videre sluttet en triggerkobling 13 som ved hver nullgjennomgang av spenningen avgir en puls til den ene inngang til en OG-port 14 og til den ene inngang til en logikkobling

15. Tellerutgangene fra telleren 10 og inversjonstelleren 12 såvel som sletteinngangene til tellerne er forbundet med en regnemaskin 16. En utgang fra regnemaskinen 16 er forbundet med OG-porten 14 og leverer et signal som frigir integrasjonen etter Fourier-prinsippet. Når OG-beting-elsen er oppfylt ved OG-porten 14, anspores et tidsstyreapparat 17 hvis ene og annen utgang leverer henholdsvis et ikke forsinket og'et med integrasjonstiden forsinket signal til koblingslogikken 15. På grunnlag av det ikke forsinkede signal frigir koblingslogikken 15 tellerne 10, 12 etter ankomst av en puls levert åv'triggerkoblingén-13.Etter utløp av den av tidsstyreapparatet foreskrevne integrasjonstid forsvinner det ikke forsinkede signal, så tellerne sperres. Det forsinkede signal som lever-es av tidsstyreapparatet etter utløp av integrasjonstiden, melder så snart der avgis en ytterligere puls fra triggerkoblingen,via logikk-koblingen 15 til regnemaskinen at integrasjonen er avsluttet. På grunnlag av dette signal tester regnemaskinen tellerstanden og sletter der-på tellerne. Ut fra de avleste verdier beregner regnemaskinen ohmsk motstand R, reaktiv motstand X og eventuelt polarisasjonsspenning UQ. Til utlevering av de beregnede verdier er der tilsluttet regnemaskinen en bladskriver 18. På grunnlag av de utregnede motstandsverdier stiller regnemaskinen via styreapparatet 19 elektrolysecellens polavstand inn' på ønskeverdien. Ifølge Fourier lar enhver periodisk og enhver aperiodisk svingningsprosess seg uttrykke som sum av rene sinus=-og kosinussving-ninger. I det foreliggende tilfelle gjelder for cellespenningen i avhengighet av tiden og for cellestrømmen i avhengighet av tiden

Ved aperiodiske funksjoner endrer Fourier-koeffisientene seg fra periode T til periode. Man har derfor interesse av middelverdiene av Fourier-koeffisientene over et bestemt tidsrom Z~= n . T, hvor T betyr sinus- cosinusfunksjonenes periode og n et helt tall som betegner grunn-bølgen eller den n-te harmoniske.

I analysatorene A og B bestemmes koeffisientene a'Q^ og aQU>-som betyr henholdsvis midlere cellelikestrøm og midlere cellelike-spenning. I spenningsanalysatorene C-F bestemmes ut fra spennings-frekvensblandingen vekselspenningskoeffisientene anu og .P for frekvensen f - nlT .. Da res.ultatet av. multiplikasj onen i multiplikatorene hos analysatorene C-F kan.være .positivt eller negativt, har, .inver-sjonstellerne en positiv og en negativ tellerut.gang, så det kan. fast-slås om integralene er positive eller negative.... Ut . fra ,de funne koeffisienter beregner regnemaskinen middelverdiene over integrasjonstiden til

og derav den midlere impedans av elektrolysecellen ifølge ligningen

nu

Z = k' . —

<Q>ni

Proporsjonalitetsfaktoren k' tar hensyn til strømtrans-formatorens oversetningsforhold og til multiplikatorens konstanter.

For fasevinkelen gjelder

og for spenningens fasevinkel Med fasevinkelen^ - mellom elektrolysevekselstrøm i og ovnsvekselspenning u lar det seg gjøre å beregne ohmsk og reaktiv motstand Ut fra koeffisientene aQ^ og aQu er det dessuten mulig å beregne, elektro-lysebadets polårisasjonsspenning etter ligningen

Proporsjonalitetsfaktorene k^ og k ? er bestemt ved de anvendte måleapparater og blir lagret i regnemaskinen.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte til å bestemme parametre som er viktige for' driften av en aluminium-elektrolysecelle, ut fra måleverdien av cellespenning og cellestrom, karakterisert ved at der for bestemmelse av motstands-måleverdien bestemmes middelverdiene, av Fourier-koeffisientene for en harmonisk av vekselhalvdelene av cellestrom og cellespenning ved hjelp av Fourier-analyse innenfor et fastlagt tidsrum, at vekselstrommotstandens ohmske og reaktive komponenter beregnes ut fra koeffisientene, og at de ytterligere viktige parametre utregnes ut fra de beregnede ohmske og/eller reaktive komponenter av motstanden.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at der på cellestrommen overlagres en vekselkomponent frembragt ved tilsvarende styring av cellens energiforsyningsanlegg.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2,. karakterisert ved at man for å fastslå oksydkonsentrasjonen bestemmer den ohmske og den reaktive vekselstrommotstand ved minst to vilkårlig innstilte polavstander og danner kvotienten av differansen mellom de således bestemte ohmske motstander og differansen mellom de bestemte reaktive motstander.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at polarisasjonsspenningen bestemmes som differanse mellom cellelikespenningens middelverdi og produktet av vekselstrommotstandens middelverdi og cellestrommens middelverdi, hvorunder middelverdiene av cellespenning, cellestrom og Fourier-koeffisienter måles i samme tidsrum.

5. Innretning til gjennomførelse av en fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1, 2 eller 3>karakterisert ved at der som Fourier-analysator (C - F) for hver av de Fourier-koeffisientér som skal bestemmes, er anordnet en multiplikator (11) med efterkoblet integrator (9, 12), at hver multiplikator er tilsluttet en felles sinusgenerator (4) med innstillbar frekvens, og at integratorenes (9, 12) utganger er forbundet med inngangene til en regnemaskin (16) som ut fra koeffisientene beregner ohmsk og reaktiv motstand.

6. Innretning som angitt i krav 5, karakterisert ved at hver av integratorene består av en spennings-frekvensomsetter (9) og en teller (10, 12). ,

7. Innretning som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert ved et tidsstyreapparat (17) som i avhengighet av sinusgeneratoren (4) og av regnemaskinen (16) forskyver integrasjonstiden.

8. Innretning som angitt i krav 6 til gjennomførelse av fremgangs-måten ifølge krav 4, karakterisert ved at der til bestemmelse av Fourier-koeffisientene for den nullte harmoniske er anordnet en ytterligere integrator (9, 10) pr. koeffisient.