Лабораторная работа 6 «Виртуальный электролизер»

Цель работы: изучить методы работы с компьютерными программами, являющимися имитаторами технологических процессов, изучить АСУТП электролиза алюминия, изучить отклики переменных технологического процесса на различные управляющие воздействия.

Краткие теоретические сведения

Учебная программа «Виртуальный электролизер» предназначена для изучения динамики процессов, протекающих в электролизере. Обучение по этой программе позволит студенту (технологическому персоналу) адекватно оценивать реакцию электролизера на управляющие воздействия, на изменение внутренних и внешних факторов.

Эта программа имитирует работу реального электролизера. Предлагаемый вариант предназначен для иллюстрации динамики процесса электролиза и результатов вмешательства в технологический процесс, а также обучения персонала.

Программа предназначена для самостоятельного изучения динамики процессов, протекающих в алюминиевом электролизере, использования в качестве тренажера для просмотра реакции электролизера на управляющие воздействия, на изменение внутренних и внешних факторов и отработки действий персонала, демонстрации работы различных алгоритмов управления, консультаций при принятии решений об изменении технологических параметров для выбора наилучшего решения.

Программный комплекс состоит из следующих основных блоков:

- блок имитации динамики процесса;

- блок управления;

- блок ввода-вывода результатов (таблицами и графиками).

Блок имитации (динамическая модель) позволяет рассчитать в виртуальном времени: динамические изменения напряжения, энергобаланса, состава электролита, выхода по току, масс и уровней металла – электролита и т.п.

Блок управления включает: контроль рабочего напряжения, тока, загрузки глинозема, фторсолей, выливки и предоставляет возможность вмешиваться в ход «виртуального» электролиза и производить активные воздействия. Виртуальные алгоритмы управления идентичны реальным алгоритмам, работающим на электролизерах.

На рисунке 6.1 представлена упрощенная расчетная схема динамической модели. Далее коротко описывается каждый расчетный блок, математическое описание моделей можно найти в [16].

Рис. 6.1. Упрощенная схема математической модели электролизера

Расчет начального состояния. Присваиваются начальные значения следующим технологическим переменным: температура электролита, уровни металла и электролита, криолитовое отношение, содержание CaF₂, напряжение электролизера, напряжение анода, ток серии. В программе используются параметры конструкции электролизера: размеры катода и анода, катодная футеровка (толщины и материалы слоев), падение напряжений в катоде и части ошиновки. По начальным значениям производится расчет начального теплового баланса, температуры перегрева, толщины настыли, межполюсного расстояния, выхода по току, температуры кожуха, коэффициентов теплообмена, масс электролита и металла. Так как несколько вычисляемых параметров являются взаимосвязанными, по одному из них производится итерация до заданной точности. Далее, на каждом дискретном шаге виртуального времени пересчитывается изменившееся энергетическое состояние электролизера. Для этого последовательно включаются следующие блоки.

Ток, плотность тока, критическая плотность тока. Ток в ходе динамических расчетов может быть равным заданному начальному с наложенным шумом, а может изменяться пользователем в ходе расчетов. Плотность тока определяется как ток, отнесенный к площади анода. Критическая плотность тока определяется по формуле Пионтелли и зависит от концентрации глинозема, температуры и криолитового отношения электролита.

Расчет составляющих напряжения. Изменение напряжения электролизера может задаваться пользователем. Исходя из этих данных, рассчитывается падение напряжения в электролите и межполюсное расстояние. В случае отсутствия заданных значений, программа рассчитывает составляющие напряжения и электробаланс по методике Хаупина. Рассчитываются в динамике: омическое падение напряжения в МПР, добавочное сопротивление газовых пузырей, обратная ЭДС, в том числе равновесный потенциал и перенапряжения. Напряжение анода принимается константой по данным снятого энергобаланса в случае отсутствия постоянно снимаемых значений.

Питание глиноземом. В программе может моделироваться поступление глинозема как при поточной обработке, так и при подаче через АПГ. Отдаваемая доза растворяется по закону, зависящему от свойств глинозема, состава и температуры электролита, массы дозы. Тепло на нагрев и растворение глинозем получает из электролита. Концентрация глинозема в электролите на каждом расчетном шаге определяется как соотношение растворенного и потребленного глинозема.

Наработка металла, выход по току. Наработка металла определяется по закону Фарадея. Выход по току рассчитывается по формуле ИТЦ, основанной на экспериментальных измерениях Тарсу и формуле ВАМИ и определяет приход тепла от обратной реакции. Также с учетом выхода по току определяется виртуально произведенный металл, расход анода, расход глинозема.

Изменение формы рабочего пространства. Определяет изменение толщины настыли и гарнисажа. Скорость плавления настыли определяется как функция разности прихода тепла из электролита и тепла, отводимого через настыли и бортовую футеровку. Этот блок осуществляет расчет изменения температуры футеровки и кожуха (в линейном приближении).

Расчет теплового баланса. Получая значения тока и напряжения электролизера и анода, блок вычисляет приход тепла в электролите. При этом определяются теплообмен: металл – электролит, электролит – гарнисаж, металл – настыль, металл – подина. Приход тепла складывается из тепла подведенной энергии и тепла обратной реакции. Расход тепла складывается из тепловых потерь, расхода тепла на основную реакцию и расхода тепла на нагрев и растворение глинозема. Исходя из разницы прихода и расхода тепла в электролите, определяется изменение температуры электролита. Аналогично для металла;

Баланс масс, состав электролита, перегрев. Блок использует ежесуточные значения уровней электролита и металла и соответственно пересчитывает массы электролита и металла. По имеющимся или прогнозируемым значениям анализа криолитового отношения и CaF₂ определяется избыток фторида алюминия и кальция в процентах и килограммах. Соответственно определяется температура ликвидуса и температура перегрева, плотность и вязкость расплавов. Также в этом блоке работают подпрограммы расчета потерь фторида алюминия, добавки AlF₃, CaF₂ и флотации. Потери фторида алюминия определяются по комплексной методике в зависимости от возраста, состава и температуры электролита.

Управляющие и технологические воздействия. Используются данные ежесуточных значений загруженных на электролизер доз AlF₃, CaF₂ и флотации (ручной ввод технологическим персоналом корпуса электролиза). В установленное виртуальное время в программе имитируется отдача этого сырья в динамическую модель.

Методика выполнения работы

Пример 1. Увеличение тока серии в режиме АПГ

Рассмотрим пример работы электролизера С-160 в режиме АПГ с увеличением тока серии через сутки после запуска электролизера. Возраст электролизера при запуске равен 12 месяцам.

В окне начальных условий выберем электролизер С-160, как показано на рис. 6.2.

Далее изменим значения температуры электролита, уровня металла, уровня электролита и КО на значения, показанные на рис. 6.3.

После этого выберем алгоритм управления. Нажмем кнопку, выделенную синим цветом (рис. 6.4). На экране появиться окно “Управление электролизером”.

В качестве алгоритма управления возьмем “АПГ (точка)” – питание электролизера с помощью пробойников и дозаторов.

Рис. 6.2.

Рис. 6.3.

Рис. 6.4

Выбреем тип глинозема «Гвинея» и увеличим дозу с 4 кг до 4,5 кг (выделено красным цветом) с учетом разницы насыпной плотности.

Рис. 6.5.

Закроем окно, нажав кнопку «Выход».

После того как мы выбрали начальные условия и алгоритм управления, перейдем к настройкам таблицы НСИ.

Для этого в основном меню «Параметры» или на панели инструментов нажмем кнопку «Таблица НСИ алгоритмов управления». На экране появиться окно, изображенное на рис. 6.6.

В списке расположенном в области выделенной белым цветом, представлены алгоритмы, реализованные в ПО «Виртуальный электролизер».

Выберем страницу «АПГ» (выделено красным цветом), для этого с помощью курсора мыши поставим галочку в квадрате слева от надписи.

Рис. 6.6.

В рабочей области параметров расположенных справа от списка алгоритмов представлены доступные параметры алгоритма.

С помощью кнопок-стрелок (выделено синим цветом) увеличим значение параметра «Перепитка» до 30 %. Значение параметра «Недопитка» уменьшим на 50 %.

Нажатие кнопки «ОК» закрывает окно, и сохраняет настройки алгоритма.

После этого запускаем «виртуальный» электролизер с помощью кнопки «Выполнить» панели инструментов.

Для того чтобы значение тока серии изменилось автоматически через сутки работы электролизера, откроем окно «Параметры процесса» (рис. 6.7) нажатием на кнопку «Открыть» панели инструментов.

Выделим с помощью курсора мыши параметр «Ток серии (кА)» в левом списке параметров. Нажатием на кнопку-стрелку (выделено красным цветом) перенесем параметр в правый список (выделено синим цветом). Затем нажмем кнопку «Далее».

В первой строке таблицы окна «Реальные данные» введем значения тока серии равное 169 кА. Во вторую строку введем значения 175 кА (рис. 6.8).

Рис. 6.7.

Рис. 6.8.

Закроем окно, импортируя данные таблицы.

В первые сутки работы ток серии будет равным 169 кА. Динамика АСУТП параметров показана на рис. 6.9.

Рис. 6.9.

В начале следующих суток произойдет считывание значения тока серии из таблицы.

Реакция АСУТП параметров на ступенчатое воздействие по параметру «Ток серии» показана на рис. 6.10.

В 13 часов произошло увеличение тока серии на 6 кА. Из графика видно, что запас МГД устойчивости практически не изменился, так как в формуле приведенного напряжения, номинальный ток не равен фактическому току.

Изменения теплового баланса ванны показаны на графиках рис. 6.11.

Для того чтобы сохранить среднесуточные значения АСУТП и технологических параметров, необходимо нажать кнопку «Сохранить» панели инструментов, при этом в корневом каталоге диска C: появиться файл «Данные виртуального электролизера.xls».

В нашем примере среднесуточные значения параметров «виртуального» электролизера представлены на рис. 6.12.

Рис. 6.10.

Рис. 6.11.

Рис. 6.12.

Пример 2. Уменьшение заданного напряжения в статическом режиме

Рассмотрим пример работы электролизера С-8БМ в статическом режиме. Для этого вызовем окно начальных условий. Значения всех АСУТП и технологических параметров оставим предложенными по умолчанию.

Рис. 6.13.

После этого вызовем окно «Управление электролизером» и на странице «Питание Al₂O₃» поставим галочку напротив строки «Постоянная концентрация Al₂O₃».

В этом режиме «виртуальный» электролизер при изменении значений параметров, например снижении заданного напряжения или повышении силы тока, выходит на установившийся режим работы гораздо быстрее, чем в режиме АПГ, при этом получившиеся значения технологических параметров в среднем за «виртуальные» сутки наиболее адекватно отражают работу реального электролизера.

Особенность этого режима по сравнению с режимом АПГ заключается в том, что «виртуальный» электролизер работает, как реальный среднестатистический электролизер.

Для уменьшения заданного напряжения воспользуемся кнопкой-стрелкой (выделено красным) на панели справа от области графиков (рис. 6.14).

Рис. 6.14.

Снизим, заданное напряжение на электролизере на 250 мВ, при этом «виртуальный» электролизер остановит свою работу. После изменения напряжения нажмем кнопку «Выполнить» на панели инструментов (рис. 6.15).

При этом тепловой баланс ванны начнет меняться в соответствии с графиками, изображенными на рис. 6.16.

Рис. 6.15.

Рис. 6.16.

Из рисунка видно, что на электролизере пошел переходный процесс изменения теплового баланса ванны, который закончился на пятые «виртуальные» сутки после уменьшения напряжения.

Графики среднесуточных значений технологических параметров после изменения теплового баланса изображены на рис. 6.17.

Рис. 6.17.

Для сохранения среднесуточных значений АСУТП и технологических параметров электролизера необходимо выбрать в меню «Файл» пункт «Сохранить как», при этом на экране появиться окно изображенное на рис. 6.18.

Рис. 6.18.

В поле «Имя файла» вводим новое имя файла, в который запишутся среднесуточные значения параметров электролизера. Нажатие кнопки «Сохранить» создает файл с данными, в нашем примере в корневом каталоге «C:\» .

Порядок выполнения работы

1. Изучить:

- назначение и структуру программы «Виртуальный электролизер»;

- интерфейс пользователя программы;

- основные входные и выходные параметры процесса электролиза;

2. Согласно индивидуальному заданию провести моделирование процесса электролиза. Работа выполняется в три этапа:

1. Расчет стационарного теплового, массового и электрического балансов.

2. Моделирование динамики процесса с автоматической подачей глинозема.

3. Моделирование тепловых и других технологических воздействий в режиме постоянной концентрации глинозема в расплаве.

3. Оформить результаты работы: сохранить в отчете сканы с входными данными и результатами выполнения программы, по этапу а) заполнить таблицу 1.

Таблица 1

Технологические параметры	Исходные начальные условия	Вариант 1 Увеличение напряжения +300 мВ	Вариант 2. Снижение уровня металла до 40 см	Вариант 3 Увеличение КО до 2,5	Вариант 4 Изменение температуры окр. среды
Ток серии, кА	170	170	170	170	170
Уставка напряжения, В	4,35	4,65	4,35	4,35	4,35
Уровень металла, см	48	48	40	48	48
КО	2,35	2,35	2,35	2,5	2,35
Темп. окр. среды, оС	0	0	0	0	30
Далее параметры, указанные преподавателем

В числе параметров, указанных преподавателем, могут быть: Температура ликвидуса, ^оС; МПР, см (междуполюсное расстояние) ; Выход по току, %; Масса электролита, т; Масса металла, т; Толщина гарнисажа, см; Толщина настыли, см; Наружная Температура борта в верхней зоне , ^оС (Темп.кож-эл-т); Наружная Температура борта в средней зоне, ^оС (Темп.кож-мет); Температура днища, ^оС и др.

Варианты заданий

Индивидуальные задания приведены в таблице 2.

Таблица 2

Варианты заданий

Вариант		Вариант
1	а) Расчет стационарных балансов для электролизера С8БМ б) Моделирование работы АПГ, АЭ, увеличение уставки АПГ. в) Расчет компенсирующих мероприятий при увеличении силы тока на 5 кА	9	а) Расчет стационарных балансов для электролизера С8БМ б) Моделирование работы АПГ, АЭ, увеличение уставки АПГ. в) Расчет компенсирующих мероприятий при увеличении силы тока на 5 кА
2	а) Расчет стационарных балансов для электролизера ОА120 б)АПГ, АЭ, запрет регулирования. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении силы тока на 5 кА	10	а) Расчет стационарных балансов для электролизера ОА120 б)АПГ, АЭ, запрет регулирования. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении силы тока на 5 кА
3	а) Расчет стационарных балансов для электролизера C160 б)АПГ, АЭ, изменение поставщика глинозема. в) Расчет компенсирующих мероприятий при увеличении силы тока на 10 кА	11	а) Расчет стационарных балансов для электролизера C160 б)АПГ, АЭ, изменение поставщика глинозема. в) Расчет компенсирующих мероприятий при увеличении силы тока на 10 кА
4	а) Расчет стационарных балансов для электролизера C175M2 б)АПГ, АЭ, изменение дозы с пробойника. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении силы тока на 10 кА	12	а) Расчет стационарных балансов для электролизера C175M2 б)АПГ, АЭ, изменение дозы с пробойника. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении силы тока на 10 кА
5	а) Расчет стационарных балансов для электролизера C255III б)АПГ, АЭ, снижение уставки АПГ. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении КО на 0,2 единицы	13	а) Расчет стационарных балансов для электролизера C255III б)АПГ, АЭ, снижение уставки АПГ. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении КО на 0,2 единицы
6	а) Расчет стационарных балансов для электролизера C255IV б)АПГ, АЭ, изменение коэффициента перехода из недопитки в перепитку. в) Расчет компенсирующих мероприятий при увеличении КО на 0,2 единицы	14	а) Расчет стационарных балансов для электролизера C255IV б)АПГ, АЭ, изменение коэффициента перехода из недопитки в перепитку. в) Расчет компенсирующих мероприятий при увеличении КО на 0,2 единицы
7	а) Расчет стационарных балансов для электролизера БТ87 б) АПГ, АЭ, изменение коэффициента перепитки. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении заданной высоты металла на 5 см.	15	а) Расчет стационарных балансов для электролизера БТ87 б) АПГ, АЭ, изменение коэффициента перепитки. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении заданной высоты металла на 5 см.
8	а) Расчет стационарных балансов для электролизера БТ82 б) АПГ, АЭ, изменение изменение коэффициента недопитки. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении заданной высоты металла на 10 см.	16	а) Расчет стационарных балансов для электролизера БТ82 б) АПГ, АЭ, изменение изменение коэффициента недопитки. в) Расчет компенсирующих мероприятий при снижении заданной высоты металла на 10 см.

Примечание: этапы б) и в) во всех вариантах выполнять для электролизера С8БМ.

Контрольные вопросы и задания

1. Зачем технологам и специалистам по автоматизации требуются программы, подобные программе «Виртуальный электролизер»?

2. Какие управляющие алгоритмы представлены в программе?

3. Какие расчетные блоки входят в математическую модель процесса?

4. Назовите порядок работы с программой.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. – М.: ЮНИТИ, 2002.

2. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере / Под ред. В.Э. Фигурнова – М.: ИНФРА-М, 2003.

3. Теория статистики: Учебник / Под ред Р.А. Шмойловой – М.: Финансы и статистика, 2006.

4. Елисеева И.И., Юзбашев М.М. Общая теория статистики – М.: Финансы и статистика, 2001.

5. Ефимова М.Р., Петрова Е.В., Румянцев В.Н. Общая теория статистики: Учебник. – М.: Инфра-М, 2001.

6. Айвазян С.А., Мхитарян В.С. Прикладная статистика. Основы эконометрики: Учебник для вузов: в 2 т. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.

7. Дрейпер И., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: Пер. с англ. – М.: Финансы и статистика, 2006.

8. Круглов В.В. Искусственные нейронные сети. – М.: Горячая линия – Телеком., 2001. – 415 с.

9. Подготовка полного математического описания моделей и их взаимосвязей: Отчет о НИР // Разработка динамической модели электролизера, 1 этап; ИТЦ. – 2003.

10. Филипов, А.Ф. Сборник задач по дифференциальным уравнениям. – Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004. – 176 с.

11. Самойленко, А.М. Дифференциальные уравнения: примеры и задачи. Учеб. пособие / А.М. Самойленко, СВ.А. Кривошея, Н.А. Перестюк. – 2-е изд., перераб. – М.: Высш. шк., 1989. – 383 с.

12. Ферстер Э, Ренц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа: Пер. с нем. – М.: Финансы и статистика, 1982.

13. Джонстон Дж. Эконометрические методы: Пер с англ.. – М.: Статистика, 1980.

14. Советов, Б.Я. Моделирование систем: Учеб. пособие для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1998. – 319 с.

15. Цымбал, В.П. Математическое моделирование металлургических процессов: Учеб. пособие для вузов / В.П. Цымбал. – М.: Металлургия, 1986. – 240 с.

16. Кабанова О.В., Максимей Ю.А. Статистические методы построения физико-химических моделей металлургических процессов: Учеб. пособие для вузов / О.В. Кабанова, Ю.А. Максимей. – М.: Металлургия, 1989. – 220 с.

17. Моделирование систем управления. Метод. указания к выполнению курсовой работы для студ. спец. 210200 / Сост. О.О. Роднов, Т.В. Астахова. ГАЦМиЗ. – Красноярск, 1999. – 32 с.

18. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1984. – 439 с.

19. Львовский Е.Н. Статические методы построения эмпирических формул. – М.: Высшая школа, 1988. – 239 с.

20. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика. – 1992. (книга в электронном виде)

21 . Филлипов А.Ф. Сборник задач по дифференциальным уравнениям. –М.: НИЦ R&C Dynamics, 2004. – 175с.

22. Турчак Л.И. Основы численных методов: учеб. пособие / Л.И. Турчак, П.В. Плотников. – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 304 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1