一种铝电解槽数字孪生控制系统

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，特别是涉及一种铝电解槽数字孪生控制系统。

背景技术

冰晶石-氧化铝熔盐电解是生产原铝的唯一工业方法，铝电解槽是原铝生产反应的容器。在电解槽中，氧化铝原料溶解在950℃左右的冰晶石-氟化铝熔体中，在通入直流电时，氧离子在阳极表面失去电子被氧化为氧原子并与碳反应生成CO

图1给出局部电解槽的结构图。上游电解槽的直流电流，通过进电母线1传输本槽，经过4～7根立柱母线2，传输到A侧水平母线3，其中一半电流由跨接母线4传递到B侧水平母线5上。搭接在A侧水平母线3和B侧水平母线5上的阳极导杆6，将电流经钢爪7输送到阳极8上，在阳极8与电解质熔体9的界面上发生氧离子的氧化反应后，以离子传送的方式通过电解质熔体9将电流传递到电解质熔体9与铝液10的界面进行铝离子的还原反应，然后又以电子导电的方式经铝液10顺序传递到阴极炭块11、阴极钢棒12后，汇集到出电母线13上，进入下一台电解槽。电流按上述方式通过电解槽，在进电母线1上的C点和出电母线上的D点之间形成电位差，这个电位差值的大小就是电解槽的槽电压V。

氧化铝作为铝生产的原料，其通过电解槽的控制系统以90s左右的时间间隔按4～7个区域持续加入到电解槽中，槽电压和系列电流是铝电解槽生产的唯一控制信号来源。通过槽电压和系列电流获得电解槽的伪电阻变化，判断出电解质中氧化铝的浓度变化以调整氧化铝加入量。

由于高温、强腐蚀、强磁场的特殊环境，铝电解生产过程中的氧化铝浓度、电解温度、两水平(电解质高度和铝液高度)、电解质成分等工艺参数不能在线实时监测，都是通过巡检方式定期测量，基于测量的结果人为判断电解槽的工作状态，因此容易存在判断不准确的问题。

另外，当前铝电解槽的生产过程管理比如工艺调整、出铝等，更多地由车间技术人员、工区长等凭经验进行管理操作，无法将工艺参数与控制策略相结合，基于上述原因，当前电解槽的生产技术指标都不够理想，比如电流效率一般为90～92％，槽电压4.0V左右，直流电耗为13000kWh/t-Al以上，未达到设计目标。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种铝电解槽数字孪生控制系统，以效率最高和能耗最低为优化目标确定控制策略，进而根据控制策略控制电解槽加料。

为实现上述目的，本发明提供了一种铝电解槽数字孪生控制系统，所述系统包括：

孪生等效模型构建模块，用于基于铝电解槽构建孪生等效模型；

所述铝电解槽包括：进电母线、A侧出电母线、B侧出电母线、m根立柱母线、A侧水平母线、B侧水平母线、m根跨接母线、2n根阳极导杆、2n根钢爪、2n个阳极、z块阴极炭块、4z根阴极钢棒和铝液；所述进电母线通过m根所述立柱母线与所述A侧水平母线连接，m根所述跨接母线分别与所述A侧水平母线和所述B侧水平母线连接，所述阳极导杆的一端通过所述钢爪与所述阳极连接，其中，n根所述阳极导杆的另一端分别与所述A侧水平母线连接，剩余n根所述阳极导杆的另一端分别与所述B侧水平母线连接，2n根所述阳极通过所述铝液与z块所述阴极炭块连接，1块所述阴极炭块嵌入4根所述阴极钢棒，其中，2z根所述阴极钢棒与所述A侧出电母线连接，剩余2z根所述阴极钢棒与所述B侧出电母线连接，其中，m、n、z均为大于1的正整数；

所述孪生等效模型包括：m个进电母线电阻、m个立柱母线电阻、n+m-1个A侧水平母线电阻，m个跨接母线电阻，n+m-1个B侧水平母线电阻，2n个阳极等效电路电阻和4z个阴极等效电路电阻，2z个A侧出电母线电阻，2z个B侧出电母线电阻、电流源和电压表；

所述电流源分别与第2z个所述A侧出电母线电阻、第2z个所述B侧出电母线电阻和第m个进电母线电阻连接，所述电压表与所述电流源并联；

将相邻两根所述立柱母线之间的所述进电母线以及一侧端部的所述进电母线等效成进电母线电阻；

将所述进电母线与所述A侧水平母线之间的所述立柱母线等效成立柱母线电阻；

将相邻的所述阳极导杆之间的所述A侧水平母线以及所述立柱母线与相邻两侧所述阳极导杆之间的所述A侧水平母线等效成A侧水平母线电阻；

将相邻的所述阳极导杆之间的所述B侧水平母线以及所述跨接母线与相邻两侧所述阳极导杆之间的所述B侧水平母线等效成B侧水平母线电阻；

将所述A侧水平母线与所述B侧水平母线之间的所述跨接母线等效成跨接母线电阻；

将所述阳极导杆、所述钢爪、所述阳极以及所述阳极与所述铝液之间体积的电解质熔体等效成阳极等效电路电阻；

将四分之一个所述阴极炭块和一个所述阴极钢棒等效成一个阴极等效电路电阻；

将相邻的所述阴极钢棒之间的所述A侧出电母线以及一侧端部所述A侧出电母线等效成A侧出电母线电阻；

将相邻的所述阴极钢棒之间的所述B侧出电母线以及一侧端部所述B侧出电母线等效成B侧出电母线电阻；

获取模块，用于实时获取工艺参数、系列电流、电解槽的槽电压、各阳极电流、各阴极钢棒电流和各立柱母线电流；

第一计算模块，用于根据工艺参数计算所述孪生等效模型中所述阳极等效电路电阻的阻值；

第二计算模块，用于以所述系列电流为约束，根据已确定阻值的孪生等效模型计算各阳极电流、各立柱母线电流、各跨接母线电流、各阴极钢棒电流和槽电压；

控制策略计算模块，用于以效率最高和能耗最低为优化目标，根据实时获取的电解槽的槽电压和各阳极电流以及计算得到的电解槽的槽电压和各阳极电流确定控制策略，并将所述控制策略传送至电解槽控制系统实施控制。

可选地，所述系统还包括：

电解槽运行状态确定模块，用于根据获取的槽电压与计算得到的槽电压进行比较确定电解槽整体运行状态和电解槽局部运行状态。

可选地，所述系统还包括：

频域分析模块，用于根据获取的各阳极电流和槽电压以及计算得到的各阳极电流和槽电压进行频域分析。

可选地，所述系统还包括：

波动特征分析模块，用于根据获取的各阳极电流和计算得到的各阳极电流进行波动特征分析。

可选地，所述系统还包括：

漏铝故障及定位模块，用于根据获取的各根阴极钢棒上的电流和计算得到的各根阴极钢棒上的电流进行对比分析，预测对应阴极炭块上发生的破损或漏铝故障的位置。

可选地，所述系统还包括：

换极分析模块，用于根据获取的各阳极电流以及计算得到的各阳极电流进行分析，确定在换极过程中新阳极的电流提升过程、换极过程邻近阳极的电流变化大小、邻近区域的阳极电流变化大小。

可选地，根据

可选地，所述阳极电路等效电阻根据阳极导杆电阻、阳极电阻、气泡电阻、电解质电阻、反应电阻和过电阻确定的。

可选地，所述阳极导杆电阻的大小是由导体材料电阻率、电阻温度系数、几何结构和导体温度分布决定。

可选地，所述工艺参数包括：炭阳极的电阻率、电解质的分子比、电解质成分、电解质温度和阳极工作时间。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明还提供一种铝电解槽数字孪生控制系统，基于所述铝电解槽构建所述孪生等效模型；根据工艺参数计算孪生等效模型中阳极等效电路电阻的阻值；以系列电流为约束，根据已确定阻值的孪生等效模型计算各阳极电流、各立柱母线电流、各跨接母线电流、各阴极钢棒电流和槽电压；以效率最高和能耗最低为优化目标，根据实时获取的电解槽的槽电压和各阳极电流以及计算得到的电解槽的槽电压和各阳极电流确定控制策略，并将控制策略传送至电解槽控制系统实施最优加料控制，避免传统无法将工艺参数与控制策略相结合进行控制的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例电解槽局部结构示意图；

图2为本发明实施例孪生等效模型局部结构图；

图3为本发明实施例铝电解槽数字孪生控制系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种铝电解槽数字孪生控制系统，以效率最高和能耗最低为优化目标确定控制策略，进而根据控制策略控制电解槽加料。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在电解生产车间中，所有电解槽以串联方式连接在系列电流上。将上游电解槽的电流通过槽底的进电母线传输到当前电解槽，通过m根立柱母线和m根跨接母线将电流传输到当前电解槽两侧水平母线，即A侧水平母线和B侧水平母线，然后经过2n根阳极导杆传导到对应阳极上，在阳极-电解质熔体界面进行阳极反应后生成二氧化碳气体，电流以离子传导方式通过电解质熔体传输到电解质-铝液界面进行阴极反应生产铝液以及电流，电流再以电子传导方式通过阴极炭块传输到阴极钢棒，最后汇聚到槽底的A侧出电大母线和B侧出电大母线上，再传导到下游电解槽。

如图3所示，本发明还提供一种铝电解槽数字孪生控制系统，所述系统包括：孪生等效模型构建模块301、获取模块302、第一计算模块303、第二计算模块304和控制策略计算模块305。

所述孪生等效模型构建模块301用于基于铝电解槽构建孪生等效模型；所述获取模块302用于实时获取工艺参数、系列电流、电解槽的槽电压、各阳极电流、各阴极钢棒电流和各立柱母线电流；所述第一计算模块303用于根据工艺参数计算所述孪生等效模型中所述阳极等效电路电阻的阻值；所述第二计算模块304用于以所述系列电流为约束，根据已确定阻值的孪生等效模型计算各阳极电流、各立柱母线电流、各跨接母线电流、各阴极钢棒电流和槽电压；所述控制策略计算模块305用于以效率最高和能耗最低为优化目标，根据实时获取的电解槽的槽电压和各阳极电流以及计算得到的电解槽的槽电压和各阳极电流确定控制策略，并将所述控制策略传送至电解槽控制系统实施控制。本实施例中，系列电流为500kA。

本实施例中，所述铝电解槽包括：进电母线、A侧出电母线、B侧出电母线、m根立柱母线、A侧水平母线、B侧水平母线、m根跨接母线、2n根阳极导杆、2n根钢爪、2n个阳极、z块阴极炭块、4z根阴极钢棒和铝液；所述进电母线通过m根所述立柱母线与所述A侧水平母线连接，m根所述跨接母线分别与所述A侧水平母线和所述B侧水平母线连接，所述阳极导杆的一端通过所述钢爪与所述阳极连接，其中，n根所述阳极导杆的另一端分别与所述A侧水平母线连接，剩余n根所述阳极导杆的另一端分别与所述B侧水平母线连接，2n根所述阳极通过所述铝液与z块所述阴极炭块连接，1块所述阴极炭块嵌入4根所述阴极钢棒，其中，2z根所述阴极钢棒与所述A侧出电母线连接，剩余2z根所述阴极钢棒与所述B侧出电母线连接，其中，m、n、z均为大于1的正整数。图1公开了电解槽局部结构图，包括进电母线、A侧出电母线、B侧出电母线、2根立柱母线、16根阳极导杆、16个阳极、16块阴极炭块、16根电解质熔体和32根阴极钢棒。

本实施例中，所述孪生等效模型包括：m个进电母线电阻、m个立柱母线电阻、n+m-1个A侧水平母线电阻，m个跨接母线电阻，n+m-1个B侧水平母线电阻，2n个阳极等效电路电阻和4z个阴极等效电路电阻，2z个A侧出电母线电阻，2z个B侧出电母线电阻、电流源和电压表；所述电流源分别与第2z个所述A侧出电母线电阻、第2z个所述B侧出电母线电阻和第m个进电母线电阻连接，所述电压表与所述电流源并联；将相邻两根所述立柱母线之间的所述进电母线以及一侧端部的所述进电母线等效成进电母线电阻；将所述进电母线与所述A侧水平母线之间的所述立柱母线等效成立柱母线电阻；将相邻的所述阳极导杆之间的所述A侧水平母线以及所述立柱母线与相邻两侧所述阳极导杆之间的所述A侧水平母线等效成A侧水平母线电阻；将相邻的所述阳极导杆之间的所述B侧水平母线以及所述跨接母线与相邻两侧所述阳极导杆之间的所述B侧水平母线等效成B侧水平母线电阻；将所述A侧水平母线与所述B侧水平母线之间的所述跨接母线等效成跨接母线电阻；将所述阳极导杆、所述钢爪、所述阳极以及所述阳极与所述铝液之间体积的电解质熔体等效成阳极等效电路电阻；将四分之一个所述阴极炭块和一个所述阴极钢棒等效成一个阴极等效电路电阻；将相邻的所述阴极钢棒之间的所述A侧出电母线以及一侧端部所述A侧出电母线等效成A侧出电母线电阻；将相邻的所述阴极钢棒之间的所述B侧出电母线以及一侧端部所述B侧出电母线等效成B侧出电母线电阻。

孪生等效模型包括一系列节点，具体包括：将所述进电母线作为高电位节点，将所述A侧出电母线和所述B侧出电母线连接位置作为低电位节点，将所述铝液作为中间等电位节点；将每根所述立柱母线两端分别与所述进电母线、所述A侧水平母线连接的连接点称为节点；将数根跨接母线分别与A侧水平母线和B侧水平母线连接的连接点称为节点；将每根阳极导杆搭接在A侧水平母线和B侧水平母线上的连接点称为节点；将各阴极钢棒与槽底A侧出电母线和所述B侧出电母线连接的连接点称为节点。

孪生等效模型中所有立柱母线电阻互为并联，所有立柱母线电阻上的电流之和等于系列电流；所有跨接母线电阻互为并联；所有阳极等效电路电阻互为并联，所有阳极电路等效电阻上的电流之和等于系列电流；所有阴极等效电路电阻互为并联，所有阴极等效电路电阻上的电流之和等于系列电流；所有进电母线电阻互为串联；所有A侧出电母线电阻互为串联，所有B侧出电母线电阻互为串联，A侧出电母线电阻与B侧出电母线电阻并联。

图2为本发明实施例与图1对应的500kA电解槽的部分槽的孪生等效模型，包括：进电母线201、A侧水平母线202、B侧水平母线206、铝液204、A侧出电母线203、B侧出电母线205被立柱母线207、跨接母线208、阳极等效电路电阻209、阴极等效电路电阻210划分成若干个节点，各节点均已经用“·”标出。在铝液204上，由于其具有很大的截面尺寸，所以将整个铝液视为电势相等的等势体，所以表示铝液204线上的所有节点之间没有电阻，而其他节点之间存在电阻。用电压表211测量进电母线高电位节点与出电母线上低电位节点之间的电势差，即为当前电解槽的槽电压。

本发明中所述阳极电路等效电阻根据阳极导杆电阻、阳极电阻、气泡电阻、电解质电阻、反应电阻和过电阻确定的，具体包括：

所述阳极导杆电阻包括阳极导杆和与阳极导杆连接的钢爪金属导电部分的电阻，所述阳极导杆电阻的大小是由导体材料电阻率、电阻温度系数、几何结构和导体温度分布决定。

所述阳极电阻为阳极构成的电阻，所述阳极电阻的大小是由炭素材料的电阻率、电阻温度系数、阳极几何结构、阳极温度分布决定。由于阳极电阻不仅与炭阳极的电阻率和温度分布相关，因此在反应过程中会逐渐消耗，所以会随着时间缓慢变化。

所述气泡电阻为阳极反应过程中形成的覆盖在阳极表面上的阳极气泡因减小了阳极有效工作面积、减小电解质导电部分而形成的等效电阻，所述气泡电阻的大小是由阳极气泡的生成、聚集和脱离过程中的形状变化和电解质电阻率决定，因此与CO

所述电解质电阻为阳极和阴极炭块之间的电解质熔体部分形成的电阻，所述电解质电阻的大小是由电解质电阻率、阳极与阴极之间的距离决定，所述电解质电阻率由电解质成分和温度分布决定。

所述反应电阻为原料氧化铝还原为铝的电化学反应所需要的电动势形成的等效电阻，所述反应电阻的大小由电化学反应标准电动势、电解温度、电解质中氧化铝浓度和通过的电流决定。由于反应电动势电阻与氧化铝的浓度相关，所以在电解过程中是变化的。

所述过电阻为氧化铝以一定的速度还原所需要的过电势形成的等效电阻，所述过电阻的大小是由阳极反应的电流大小和氧化铝浓度决定。

所述立柱母线电阻的大小是根据导体材料的电阻率和几何尺寸决定。所述阴极等效电路电阻的大小是由材料的电阻率、材料温度分布和几何尺寸确定。

在所有这些电阻中，除阳极等效电路电阻外，其他电阻都是相对固定的，仅仅与导电体的几何尺寸、电阻率和温度相关。

根据上述分析，除阳极等效电路电阻外，其他电阻都根据材料属性、形状和导体的温度计算确定，具体计算公式如下：

其中，R为导体温度T时的导体电阻，L为导体长度，S为导体截面面积，ρ

ρ

其中，ρ

对于阳极等效电路电阻，根据现场测量或计算机数值模拟方法计算出阳极从新阳极加入电解槽工作、更换时取出电解槽的整个生命周期中的变化特性，是电解质成分、氧化铝浓度、电解温度、极距和时间的复杂函数，可以通过神经网络、支持向量机等机器学习等方法基于工艺参数建立阳极等效电路电阻，具体公式为：

其中，R

由于几乎每天存在换极操作，取出旧阳极后，该阳极等效电路电阻不存在；而新阳极更换上后，在阳极表面会形成一层绝缘的电解质凝固层，数小时后凝固层溶解殆尽，阳极开始导电，并且随着温度的升高，阳极导电率逐步增大，约20小时后新阳极工作正常。因此，阳极等效电路电阻随时间发生变化。

在通过(3)式获得阳极电路等效电阻、图2中的其他电阻均已获得的情况下，根据基尔霍夫电流定律对图2中的所有节点建立电流守恒方程组：

其中，n

在已知系列电流(500kA)的约束条件下，所有立柱母线电流之和等于系列电流，所有阳极电流之和等于系列电流，所有阴极钢棒电流之和等于系列电流，即有方程组：

其中，m、2n和4z分别表示电解槽上的立柱母线、阳极和阴极钢棒的数量；I

通过求解式(4)、(5)构成的联列方程组，得到各立柱母线、阳极和阴极钢棒上的电流，以及电路网络中任意支路的电流。

同样地，利用基尔霍夫电压定律，对图2所示孪生等效模型中的每个环路建立方程组：

其中，p

将(4)～(6)计算得到的电流、槽电压与在线或离线测量的电流和槽电压实时进行对比，进而可以验证孪生等效模型的正确性，确定电解槽的状态、局部故障；通过换极过程的各阳极电流和测量对比，可以判断和预测出区域阳极电流的变化(一个电解槽上有多个加料点，每个加料点为多个阳极提供氧化铝。一般根据加料点将电解槽分成多个区域)，进而根据区域阳极电流的变化确定控制策略给电解槽控制系统，以使电解槽控制系统根据控制策略实现加料的优化控制等；通过改变进电母线尺寸、立柱母线布局及尺寸、水平母线结构及尺寸，计算出对应的每个节点上的支路上的电流，特别是阳极上的电流分布及其变化，可以对槽的导电体结构设计进行优化。

作为一种实施方式，本发明所述系统还包括：

电解槽运行状态确定模块306，用于根据获取的槽电压与计算得到的槽电压进行比较确定电解槽整体运行状态和局部运行状态。

作为一种实施方式，本发明所述系统还包括：

频域分析模块307，用于根据获取的各阳极电流和槽电压以及计算得到的各阳极电流和槽电压进行频域分析，诊断出所述电解槽实体的局部故障状态和整体故障状态，确定故障诊断结果以及为解决故障提供建议。

作为一种实施方式，本发明所述系统还包括：

修正模块，用于根据根据获取的各阳极电流和槽电压以及计算得到的各阳极电流和槽电压进行对比分析，对所述阳极等效电路电阻的阻值进行修正。

作为一种实施方式，本发明所述系统还包括：

波动特征分析模块308，用于根据获取的各阳极电流和计算得到的各阳极电流进行波动特征分析，诊断该阳极上发生的低压阳极效应现象，协调电解槽控制系统通过加料、下沉阳极等方式消除阳极上的低压阳极效应，诊断该阳极上阳极气泡的析出特征和区域氧化铝浓度变化趋势，进而诊断出区域可能存在的加料器故障，提示警告所述加料器的维护维修，以及诊断该阳极上发生的阳极长包短路、阳极破损、阳极连接故障，警告提示对阳极进行处理。

作为一种实施方式，本发明所述系统还包括：

漏铝故障及定位模块309，用于根据获取的各根阴极钢棒上的电流和计算得到的各根阴极钢棒上的电流进行对比分析，预测对应阴极炭块上发生的破损或漏铝故障的位置以及槽底沉淀的位置。

作为一种实施方式，本发明所述系统还包括：

换极分析模块310，用于根据获取的各阳极电流以及计算得到的各阳极电流进行分析，确定在换极过程中新阳极的电流提升过程、换极过程邻近阳极的电流变化大小、邻近区域的阳极电流变化大小，为调整换极过程氧化铝加料策略、保证氧化铝浓度均匀、换极操作等提供依据。

本发明还可以根据检测的所述电解槽上每根阳极、每根钢棒、每根立柱母线电流的大小和计算得到的所述电解槽上每根阳极、每根钢棒、每根立柱母线电流的大小进行对比、模拟和分析，实现了对电解槽实体的快速模拟计算，可以优化电解生产过程控制、诊断出电解槽的整体和局部故障，提供优化工艺参数和生产管理的建议，从而提高了电解电流效率、降低能耗、减少排放，并保证电解生产的安全运行。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。