（热能工程专业论文）基于阳极电流波动信号的铝电解槽槽况诊断方法研究.pdf

m a s t e r ，sd i s s e r t a t i o n i y 1 7 1 8 6 6 7 r e s e a r c ho nd i a g n o s i sm e t h o df o rw o r k i n gc o n d i t i o n so f a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l sb a s e do ns i g n a lf l u c t u a t i o no fa n o d e c u r r e n t a p p l i c a n t ： y i nx i a o b a o m a j o r ： ! 丛金! = 堡垒! 塾卫竺碰娶望g i 卫星曼i 丛g s u p e r v i s o r ： 墨墨q i 垒! 金卫! = q ! 垒璺璺q 坠i 丛宝墨q 塾g s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i n p a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r n o v ，2 0 0 9 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 豆堡! ! ：之 日期：筮坦年月立日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：弛导师签名丝日期：业年月日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 铝电解槽的稳定性研究是铝电解生产中的热点课题，从铝电解槽可在线采集 量入手诊断其运行状况，进行相应的操作是提高其稳定性的重要措施。阳极电流 是铝电解槽中一个能够在线采集的重要参数，其信号中包含大量的与电解槽运行 状况相关的信息。可从阳极电流信号中提取槽况特征，建立相应的槽况诊断模型。 以1 6 0 k a 系列预焙铝电解槽为研究对象，采集了正常槽和典型故障槽的阳 极电流信号，利用“频谱一小波包一神经网络”相结合的方法对信号进行分析处 理，得到以下结论： ( 1 ) 利用频谱分析方法，研究不同槽况下阳极电流信号的频谱特点。采用 y u l e w a l k e r 方法的功率谱估计提取出不同槽况阳极电流的频谱特征，较好区分 了正常槽、冷槽及阴极破损槽，并得到正常槽、冷槽及阴极破损槽功率谱曲线主 谱峰的频率范围，分别为：0 0 0 3 - 4 2 0 1 8 h z 、0 0 2 3 - 0 0 2 7h z 、0 0 2 7 - 4 ) 0 3 1h z 。 将功率谱分析结果与h h t 的边际谱分析结果进行对比，结果表明功率谱分析结 果具有较好的可靠性。 ( 2 ) 根据功率谱分析结果，提出了阳极电流信号的小波包能量特征概念。 对阳极电流信号进行小波除噪，对除噪后的阳极电流信号进行小波包4 层分解和5 层分解，并提取其能量特征向量。根据小波包4 层分解和5 层分解的结果，优化分 析，选择合适的小波包重构系数，提取了不同槽况下的能量特征向量，并做归一 化处理，使不同槽况下能量特征向量的差距明显，较好的区分了不同槽况下的阳 极电流信号的特征，为槽况的诊断提供依据。 ( 3 ) 根据阳极电流信号小波包能量特征向量，建立了基于b p 神经网络的故 障诊断模型，并对其验证。仿真与验证结果表明：此网络辨别的模式简单，识别 的准确率高，有利于在线监测和实时识别。 关键词铝电解槽，阳极电流，槽况，功率谱估计，h h t ，小波包，b p 神经网 络 a b s t r a c t s t a b i l i t yi s o n eo ft h es p o t l i g h t si na l u m i n u me l e c t r o l y s i s p r o c e s sr e s e a r c h d i a g n o s i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fa na l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lf r o mi t so n l i i l e p a r a m e t e r si no r d e rt ot a k ep r o p e rm e a s u r e si sa ni m p o r t a n ts t r a t e g yt oe n h a n c ei t s s t a b i l i t y a n o d ec u r r e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r st h a tc a nb ec o u e c t e do n l i n e w h o s es i g n a l sc o n t a i nal o to fi n f o r m a t i o n c o n c e r n i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa n a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l d i a g n o s i sm e t h o di se s t a b l i s h e db y e x t r a c t i n gc h a r a c t e r i s t i c s f r o ma n o d ec u r r e n ts i g n a l s a sm eo b j e c to f16 0 k ap r e b a k e da n o d ec e l l s ，a n o d ec u r r e n t s i g n a l sw e r e c o l l e c t e du n d e re i t h e rn o r m a lc e l l so r t y p i c a lp r o b l e mc e l l s t h e s es i g n a l sw e r e a n a l y z e db yt h em e t h o do f “s p e c t r u m w a v e l e tp a c k e t n e u r a ln e t w o r k ，w i t hr e s u l t s a r ea sf o u o w s ： ( 1 ) s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fa n o d ec u r r e n ts i g n a l si nd i f f e r e n tc e l ls t a t e sw e r e i n v e s t i g a t e db ys p e c t r a la n a l y s i sm e t h o d p o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o nb a s e do nt h e y u l e w a l k e rm e t h o dw a s p u tf o r w a r dt oe x t r a c tt h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fa n o d e c u r r e n ts i g n a l si nd i f f e r e n tc e l l s t a t e s ，b yw h i mn o r m a l ，c o l da n dc a t h o d ef a i lc e l l w o u l db ed i s t i n g u i s h e d b yr e c o g n i z i n gt h e i rf r e q u e n c yr a n g e so fm a i np e a k 勰 0 0 0 3 o 0 18 h z , 0 0 2 3 - - 0 0 2 7 h z ，a n d0 0 2 7 0 0 31h zr e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t so f p o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o na n a l y s i sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fh h t ( h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ) m a r g i n a ls p e c t r u ma n a l y s i s ，w h i c hs h o w si ti sr e l i a b l e t o rp o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o nt oa n a l y z et h ea n o d ec u r r e n ts i g n a l s ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fp o w e rs p e c t r u ma n a l y s i s ，t h ec o n c e p to fw a v e l e t p a c k e t se n e r g yc h a r a c t e r i s t i c sf o ra n o d ec u r r e n ts i g n a lw a si n t r o d u c e d w a v e l e t p a c k e t sd e c o m p o s i t i o nw a sp e r f o r m e da tl e v e l4a n d5f o ra n o d ec u r r e n ts i g n a l s d e n o i s e dw i t hw a v e l e t ，a n dr e l a t e dd e c o m p o s i t i o ne n e r g yc h a r a c t e r i s t i c sv e c t o r sw e r e e x t r a c t e d t h er e s u l t so fw a v d e t p a c k e t sd e c o m p o s i t i o nw a so p t i m i z e d ，t h e a p p r o p r i a t ew a v e l e tp a c k e t sr e c o n s t r u c t i o nw a s s e l e c t e d ，a n dt h ee n e r g y c h a r a c t e r i s t i c sv e c t o r so fa n o d ec u r r e n ts i g n a l sw e r ee x t r a c t e di nd i f f e r e n tc e l ls t a t e s e n e r g yc h a r a c t e r i s t i c sv e c t o r st h a tw e r en o r m a l i z e dh a v eo b v i o u sd i f f e r e n c e w h i c h m a k eab e t t e rd i s t i n c t i o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tc e l l s t a t e s ，p r o v i d et h ee v i d e n c ef o rt h e d i a g n o s i so fc e | ls t a t e s ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ew a v e l e tp a c k e te n e r g yc h a r a c t e r i s t i c sv e c t o r se x t r a c t e d 舶m i i a n o d ec u r r e n ts i g n a l s ，d i a g n o s i sm o d e lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r kw a se s t a b l i s h e d a n dv e r i f i e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lo fn e t w o r ki d e n t i f i c a t i o ni s s i m p l ei nc o n s t r u c t i o n ，h i g ha c c u r a c yi nr e c o g n i t i o n ，a n dc o n v e n i e n t t or e a l i z eo n - l i n e m o n i t o r i n ga n dr e a l - t i m ei d e n t i f i c a t i o n k e y w o r d s ： a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，a n o d ec u r r e n t ，w o r k i n gc o n d i t i o n ，p o w e r s p e c t r u me s t i m a t i o n ，h h t ，w a v e l e tp a c k e t ，b pn e u r a ln e t w o r k i i i 中南大学硕十学位论文目录 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论。1 1 1 课题的背景一1 1 2 铝电解原理及故障槽况分类1 1 2 1 铝电解原理1 1 2 2 铝电解槽故障槽况分类3 1 3 铝电解槽槽况诊断方法的研究现状5 1 3 1 国外研究现状5 1 3 2 国内研究现状6 1 4 信号处理方法8 1 4 1 功率谱估计8 1 4 2h i l b e r t - - h u a n g 变换lo 1 4 3 小波变换1 0 1 4 4 小波包的变换1 2 1 4 5 神经网络1 4 1 5 本文的研究意义与研究内容l6 第二章阳极电流信号的获取方法及波动原因分析1 9 2 1 阳极电流信号的获取1 9 2 1 1 阳极电流信号的计算1 9 2 1 2 信号采集所需硬件配置1 9 2 1 3 数据采集及槽况选取2 1 2 2 阳极电流信号的时域分析2 2 2 2 1 正常槽阳极电流信号的时域分析2 2 2 2 2 冷槽阳极电流信号的时域分析2 7 2 2 3 阴极破损槽阳极电流信号的时域分析2 9 2 3 阳极电流信号波动原因分析3 1 2 4 本章小结3 2 第三章不同槽况下阳极电流信号的频谱分析3 3 3 1 不同槽况下的阳极电流信号的选取3 3 3 2 基于a r 模型谱估计的y u l e w a l k e r 方法的频谱分析3 5 i v 中南大学硕士学位论文 目录 3 2 1y _ u i e w a l k e r 方法3 5 3 2 2a r 模型阶次的选择3 5 3 2 3 阳极电流信号的频域分析3 7 3 2 4 三种槽况下阳极电流信号功率谱曲线主谱峰的范围分析3 8 3 3 功率谱估计与h h t 分析结果的比较4 0 3 3 1h h t 边际谱分析4 0 3 3 2 两种方法对比的分析结果4 1 3 4 本章小结4 1 第四章不同槽况下阳极电流信号的能量特征提取4 3 4 1 小波包频带能量特征提取研究4 3 4 2 阳极电流信号的小波包能量特征提取4 5 4 2 1 阳极电流信号的除噪4 5 4 2 2 小波包4 层分解的能量特征4 7 4 2 3 小波包5 层分解的能量特征4 9 4 2 4 小波包优化分解的能量特征5 1 4 3 本章小结5 4 第五章基于小波包能量特征向量的b p 神经网络诊断方法5 5 5 1b p 神经网络5 5 5 1 1b p 网络结构5 5 5 1 2b p 网络学习规则5 6 5 2b p 神经网络的设计5 8 5 2 1 网络层数的选择。5 8 5 2 2 输入、输出和隐含层的设计5 8 5 2 3 传递函数的选择5 9 5 2 4 网络初始值的选取6 0 5 2 5 学习算法的选择6 0 5 2 6 学习速率。6 1 5 2 7 训练停止条件6 1 5 3 基于b p 神经网络的槽况诊断方法6 1 5 3 1 学习样本的确定6 l 5 3 2 网络创建及训练6 2 5 3 3 网络测试6 4 5 3 4 结果验证6 4 5 4 本章小结6 8 v 中南大学硕十学位论文目录 第六章结论与展望6 9 6 1 结论6 9 6 2 创新点一7 0 6 3 下一步工作：7 0 参考文献7 1 附表。7 6 攻读硕士学位期间发表论文及科研情况j 8 2 致谢一8 3 v l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 近2 0 年来，国内外预焙阳极铝电解槽的系列电流逐步增大。在我国，2 0 世 纪7 0 年代抚顺铝厂和沈阳铝镁设计院研究开发了l o o k a 系列边部下料预焙阳极 铝电解槽。接着抚顺铝厂又开发了1 3 5 k a 系列预焙槽，并推广应用到包头铝厂。 贵州铝厂自从引进1 6 0 k a 系列预焙槽之后，研制了1 8 0 - - , 2 4 0 k a 系列预焙槽，形 成了具有自主知识产权的技术。青海铝厂位于我国的西部高原，也应用了1 6 0 k a 系列大型预焙槽。郑州轻金属研究院的沁阳铝厂首先开发了2 8 0 k a 系列大型预 焙槽，接着焦作铝厂应用了2 8 0 k a 系列铝电解槽【。国内广西平果铝厂首次开 发了3 2 0 k a 系列大型预焙槽。2 0 0 8 年3 月2 1 日，中国铝业公司兰州分公司“4 0 0 k a 大型预焙阳极铝电解槽技术研制开发”项目通过了中国有色金属工业协会组织的 鉴定，标志着我国大型铝电解技术达到了新的水平。同时，中孚实业4 0 0 k a 预 焙铝电解槽通过验收。 在国外，美国铝业公司( a l c o a ) 、法国彼施涅公司( p e c h i n e y ) 和巴林铝业 公司( b a r i na 1 ) 1 1 - 2 】等于数年前开始使用3 0 0 k a 系列预焙阳极铝电解槽。法国彼 施涅公司于2 0 0 1 年公布了研制的5 0 0 k a 系列特大型预焙槽，这标志着世界铝工 业进入一个新的发展时期。 但是，随着铝电解容量的高速发展，磁场强度变大，对铝电解槽稳定性的要 求也越来越高。在运行过程中，铝电解槽内部槽况特征复杂多变，人工难以及时 对槽况进行检测和调控。当槽况不稳定时，不及时发现并加以控制，会致使铝电 解槽吨铝能耗大幅度提高，电流效率急剧下降，甚至导致停槽事故的发生。因此， 如何降低电解铝的能耗，提高铝电解槽的寿命，提前预报电解过程中发生的故障， 减少经济损失，提高铝的产量和质量，成为一个值得研究的课题。同时，开发和 完善能够对槽况及其变化趋势进行全面解析、并在病槽出现时能正确进行诊断的 槽况解析模型是当前铝电解槽自控模型研究的重点之一。 1 2 铝电解原理及故障槽况分类 1 2 1 铝电解原理 铝电解是一个利用强直流电把熔融氧化铝电解成单质铝的过程【3 1 。氧化铝粉 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 末在电解质中熔融并电离，电解质主要是由作为氧化铝溶剂的熔融冰晶石 ( n a ，a 珉) 组成。电离后的铝离子( 阳离子) 向着电解槽阴极顶部的电解质液态 铝的界面迁徙，含氧的离子( 阴离子) 则向着相反的方向移动并到达阳极( 碳阳 极) ，离子中的氧与阳极中的碳反应生成c 0 2 【4 】。下面的方程式描述了这个化学 反应过程： 2 a 1 2 0 3 ( 熔融) + 3 c ( 固态) = 4 a l ( 液态) + 3 c 0 2 ( 气态) ( 1 1 ) 用来电解铝的设备称为铝电解槽，其结构如图1 - 1 所示。铝电解槽的阳极由 多块焙烧好的碳块排列在一起，阳极碳块部分浸入电解质中，并由铝导杆支撑通 过软连接连接到横梁母线上。电解槽的阴极由多个预制好的碳块排列在电解槽的 钢壳中。加料装置置于电解槽顶部以实现对电解槽加料。熔融电解质的上面会形 成一层氧化铝结壳，此层结壳相当于一个热绝缘罩，阻止电解槽热量的散失。实 际生产中，在阳极的顶部结壳上面会覆盖一层氧化铝粉末以减少危险气体的排 放。 9 图1 1 现代铝电解槽剖面图 l 一浓相输送；2 一汽缸；3 铝导杆；4 一阳极横母线；5 一阳极卡具；6 打壳锤头；7 _ _ 钢 爪；8 一冰晶石电解质；9 钢壳；l 旺阴极钢棒；1 1 一阳极炭块；1 2 铝液；1 3 一底i 部炭块； l 仁热绝热层；l 斜线；l 洲部炉帮；1 7 l 顶部结壳；1 卜上部保温料；1 蝴盖板； 2 0 一立柱母线；2 l 一氧化铝仓；2 2 槽气体出口 当电流通过电解槽时，电解质和熔融氧化铝在两个因素的作用下持续不断的 涌动：一个是阳极碳块表面二氧化碳气体排放时形成的气泡；另一个是强大电流 2 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 所引起的磁场。将氧化铝粉末添加到电解质里时，可以明显地看到这两个因素的 重要性：由于氧化铝比电解质和熔融铝都要重( 密度更大) ，如果没有电解质的 涌动，部分氧化铝会沉淀在液态铝的底部。这种涌动的存在使氧化铝粉末可以悬 浮在电解质中，这样就有足够的时间来溶解并电解成液态铝【5 1 。 1 2 2 铝电解槽故障槽况分类 在铝电解生产中，电解槽并不是一直处于正常工作状态。铝电解槽的生产技 术参数总会偏离正常范围。这时，应该根据具体情况，查找原因，正确处理，使 电解槽尽快恢复正常运行。 冷槽、热槽及阴极破损槽是铝电解生产过程中经常遇到的异常槽况，其原因、 特征以及处理方法如下。 ( 1 ) 冷槽 冷槽( 或称冷行程) ，最本质的特征是电解槽的热收入小于热支出。当电解质 温度低于正常范围，电解槽就会走向冷槽。而引起热收入小于热支出的原因是多 方面的，例如： 槽电压设定( 或控制) 值低于正常范围，导致热收入小于正常的热支出。 电解槽的散热高于正常值，导致热支出大于正常的热收入。而引起散热偏 大的原因又是多方面的，例如，氟化铝添加过量导致摩尔比降低，由此引起的过 热度升高增大了电解槽对外散热的“动力”( 尤其是通过侧部炉膛和炉面对外散 热增大) ；出铝偏少导致铝液高度过大，由此增大了电解槽通过槽底和侧部对外 散热量；阳极覆盖料不足，增大了电解槽通过炉面的对外散热量。 电解槽的下料量显著高于正常值，加热和溶解多余的物料导致热支出大于 正常的热收入，但此类冷槽很容易最终转化为热槽。 换极等人工操作不规范( 如换极的时间过长或额外下料量过多) 引起散热 过大。 冷槽的症状：电解质结壳厚而坚硬， 水平明显下降，粘度增大，流动性变差， 中间下料口有时出现打不开壳。电解质 颜色发红，阳极气体排出受阻，电解质 沸腾困难。火苗呈淡蓝紫色，软弱无力。阳极效应提前发生，次数频繁，效应电 压高达6 0 v 8 0 v 。槽底下有大量的沉淀，伸腿大而发滑，槽帮增厚，有槽膛不 规整现象出现。由于槽膛缩小，铝液水平上升，极距缩小，槽电压有自动下降现 象。冷槽发展到一定程度后，由于槽底沉淀多，致使阳极电流分布不均，导致磁 场受影响，铝液波动大引起电解槽电压摆动，进一步导致阳极电流分布不均，甚 至出现阳极脱落的现象。冷槽到最严重时，电解质会全部凝结而沉于槽底，铝液 漂浮在表面，槽电压自动下降到2 v 左右；一抬阳极便出现多组脱落，从而导致 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 被迫停槽。 出现冷槽时的处理方法：增加电解槽的热收入，提高槽电压以及加厚保温料 以提高电解质温度和电解质水平。适当延长加料间隔和提高阳极效应系数，消除 槽底沉淀。为了加快沉淀熔化，规整槽膛，适当多吸出铝液来提高槽底温度。利 用来效应、换阳极时多捞碳渣，使电解质洁净，改善其物理性质。从其它电解槽 中取出液体电解质灌入槽中，以提高电解质水平。 ( 2 ) 热槽 热槽( 或称热行程) ，最本质的特征是电解槽的热收入大于热支出。当电解 质温度高于正常范围，电解槽就会走向热槽。而引起热收入大于热支出的原因是 多方面的，例如： 槽电压设定( 或控制) 值高于正常范围，使热收入过大。 摩尔比升高引起电解质的初晶温度上升。 出铝过多、阳极覆盖过厚、下料过少等原因引起热支出小于热收入。 各类异常槽况( 如电解槽稳定性极差) 导致电流效率下降，使正常情况下 应该用于产铝的电能转为发热，使热收入大于热支出。 热槽的表现为：电解质温度升高、水平上涨、颜色发亮、流动性好，阳极周 围出现强烈的沸腾。槽膛遭到破坏，部分被熔化，铝水平呈下降。炭渣和电解质 分离不清，严重影响了电解质的物理化学性质。分离不出去的炭渣与电解质、氧 化铝悬浮物形成海绵状炭渣块粘附在阳极底掌上，电流通过这层渣块直接导入槽 底，使电流效率大幅度降低。阳极效应滞后，效应电压较低( 由于电解质电阻增 大，槽电压上升至u ( 6 v 1o v ) 。 热槽的处理方法： 降低槽温o 但不可盲目地通过减小极距的方法来降低槽电压以到达降低槽 温的目的，因为槽电压高并不仅仅是因为极距高引起的，热槽电解质中含炭渣多， 电阻大，也会引起槽电压的升高，所以降低槽温主要是通过清洁电解质，减小其 电阻，并加强电解槽上部散热的办法来实现。 向槽内添入氟化铝和冰晶石粉的混合料，冰晶石熔化需要消耗大量热量， 使槽温降低；混入的氟化铝，可降低电解质分子比( 因热槽电解质中氟化铝挥发 严重，分子比都较高) ，促使炭渣分离，清洁电解质，降低其电阻，减少焦耳发 热量。当槽内铝水平较低时，可减少出铝量或向槽内加入固体铝，提高铝水平， 增加槽底散热。 ( 3 ) 阴极破损槽 、 电解槽作为在高温、高磁场、高腐蚀性环境下运行的设备，它的破损几乎都 是先由阴极破损引起的，阴极破损的最直接表现为铝液中铁、硅含量急剧升高、 4 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 槽底压降超高。在电解铝的实际生产中，经过对破损槽通过干刨炉的方法进行全 面解剖后，发现电解槽破损的主要形式【7 】有： 槽底隆起。槽底沿长度方向呈山丘状隆起，形成中间高、四周低的状况， 并伴有裂痕。隆起高度一般可达l o o m m 左右，个别超过1 5 0 r a m 。停槽后对槽内 衬进行解剖，可观察到炭块和钢棒交织在一起成弯弓状，炭块下部与耐火砖交界 处有较厚的铝电解质，以及铝硅酸盐沉积物等。 阴极炭块折断、劈裂。阴极炭块横向断裂，在槽底表面沿长度方向形成一 条或几条大裂纹。刨炉后发现，大裂纹大都穿透炭块，断裂处有铝电解液冲蚀， 炭块下面有较厚的铝铁合金层和铝硅酸盐沉积物。 冲蚀坑。在槽底隆起开裂处和炭缝处常有大小和深度不等的冲蚀坑，其形 状为上大下小的喇叭形状，坑穴表面光滑，覆盖有白色氧化铝固体。 捣固糊的破损。炭块间及槽周边与底部炭块间的捣固糊常出现起层、穿孔、 断裂等现象，铝水、电解质顺着缝隙渗入，引起扎固区局部穿孔漏炉。 电解质腐蚀烧穿边部槽壳。电化学腐蚀和剥落经常出现在液体电解质浸没 部分，侵蚀和剥落使侧部炭块很快穿孔，接着烧穿边部槽壳，造成侧部漏炉。 侧部炭块上抬。电解槽侧部炭块上抬，使槽沿板拱起、脱落，造成电解槽 破损。 破损槽的处理方法【7 】 电解槽破损部位的修补。用氟化钙或氟化镁补槽；用镁砂混合沉淀块补槽； 用沉淀黏结镁砖碎块补槽。 切断破损处过负荷阴极钢棒小母线。当槽底内衬的破损比较集中，且扩展 较快时，由于高温的铝液和电解质流入破损缝隙，熔化阴极钢棒，此处形成局部 短路，引起阴极电流过载，此棒发生过热和化棒现象，并导致原铝中铁含量迅速 上升。发生这种情况时，如果生产上不及时采取补救措施，可先用厂房内压缩空 气吹风冷却局部过热和烧红的阴极钢棒或槽壳部分。如因过负荷而烧红的阴极钢 棒不多，可以及时将烧红棒的阴极小母线切断，使其不继续通电受热，并使流入 此处的铝液和电解质熔体冷却和凝固，防止进一步化棒或造成漏槽。 1 3 铝电解槽槽况诊断方法的研究现状 1 3 1 国外研究现状 近年来，随着故障诊断技术的不断进步和计算机技术的发展，美国、英国、 挪威等国家采用了人工智能、专家系统和神经网络等技术对铝电解槽槽况进行了 综合分析和诊断，取得了较好的诊断效果。加拿大和挪威等国家利用专家监控系 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 统对铝电解槽槽况进行了全面的解析和诊断，并根据结果对铝电解槽生产过程进 行控制，取得了较好的经济效益 8 - 1 0 】。 b e r e z i n a i 、p o l i a k o vp v 等 1 1 - 1 2 】学者针对不同的电压噪音信号对应不同的电 解槽病因，利用专家系统、神经网络、模糊控制等手段对电解槽电压噪音信号进 行分类，以辨别出不同的槽况，进而对电解槽进行诊断。该诊断系统能减少病槽 的出现数量，降低阳极效应次数，减少电解槽的运行费用。但作者只是根据现场 槽况提取出病槽( 例如炭渣槽、铝液波动槽、阴极破损槽) 出现时的电压信号波 动特征诊断槽况，并没有提取出不同槽况下电压信号的深层特征，故会存在诊断 精度不高的缺点。 r o l l a n dw k 、s t e i n s n e sa 等【9 】学者开发专家系统对电解槽不同槽况做出相 应反应，帮助现场操作人员监控和处理电解槽的不同状况。但该系统更多的依靠 专家经验，缺少一定的理论依据。 m e g h l a o u ia 、b u ir t 等【1 3 1 5 】学者利用神经网络，根据不同槽况下槽电阻， 氧化铝浓度，建立神经系统控制模型，对氧化铝下料进行预测和控制，该系统能 避免和减少阳极效应，降低能量消耗，增强电解槽的热稳定性。但氧化铝浓度不 能实时的在线采集，作者通过槽电阻来预测氧化铝浓度，存在一定的误差。如果 获得实时的氧化铝浓度数据后对下料进行控制，则存在反应的滞后性。 s t a mm a r c oa 、t a y l o rm a r kp 等【1 6 1 9 】学者根据物料和能量平衡原理，对氧 化铝下料、过热度、电解质温度、铝液温度等工艺参数及槽底和阳极覆盖层状况 进行综合分析，开发出多变量过程控制系统诊断电解槽状况，并检测病槽的病因。 该系统能够检测出阳极长包，但没有实时的在线应用，作者未来的研究方向是要 能够实时在线的检测阳极长包。同时该系统并没有对除阳极长包之外的其他槽况 进行诊断，诊断类型比较单一。 b a n t al a r r y 、b i e d l e rp h i l i p 等 2 0 - 2 2 学者通过实时采集槽电压和电流得到槽电 阻，并对槽电阻噪音信号进行较详细的分类，认为不同的噪音对应不同的波动特 征和原因，并对气泡、极间短路和铝液波动产生的噪音信号进行分析，以提供控 制策略稳定槽况。但作者只分析了铝液波动所产生噪音信号的频谱图，没有给出 其它噪音信号的频谱图，即没有对不同噪音信号进行彻底的深层分析，缺乏可靠 的分类依据。 1 3 2 国内研究现状 我国故障诊断技术起步较晚，上世纪8 0 年代才慢慢发展起来。目前，我国 在这方面的研究主要集中在模糊专家系统、神经网络以及小波变换等方面，并且 在一定程度上取得了比较好的诊断效果。 6 中南大学硕_ 上学位论文第一章绪论 由清华大学承担的“流程工业典型设备的故障诊断与预测维护系统课题， 以其在技术研究上的突破及成功应用，顺利地通过了8 6 3 计划c i m s 主题专家组组 织的验收【2 3 。2 6 】。课题研究和开发了具有自主知识产权的铝电解槽智能健康诊断系 统。该故障诊断系统能够辨识不同的故障模式并计算其可能性，增加了诊断结果 的准确性。可以有效地预报铝电解槽的阳极效应，从而改善对铝电解槽状态的监 控，对控制阳极效应的发生次数、节能和保证铝产品产量均起到了积极的作用。 但是该系统对于不同槽况深层特征的提取没有做更多的分析，则对于故障槽况诊 断的精度需进一步提高，以更加完善该系统。 中南大学与中铝广西分公司【2 7 】联合开发的基于小波包变换预处理的铝电解 槽针振信息元诊断系统，针对铝电解槽电压波动信号的频谱特点，采用小波包分 析方法提取了电压信号的特征向量，进行预处理得到不同频段的能量特征向量， 应用b p 神经网络建立特征向量到振针信息元之间的映射，仿真结果表明，能够 及时发现铝电解槽的早期不良症状。但该系统所提取的电压波动信号能量特征向 量对于不同槽况的区分度不够，需进一步分析。 沈阳铝镁设计院和东北大学【2 8 】联合开发了铝电解槽模糊专家系统，把电解 专家的知识和经验作为规则引入到系统之中，对槽况进行在线监测与诊断，并对 病槽( 冷槽、热槽、阳极病变槽) 做出预测并给出相应的处理措施，具有较高的 推广应用价值。但该系统仅引入专家经验，对病槽的判断是基于经验之上的，缺 少对病槽深层特征的提取。 东北大学和沈阳建筑大学【2 9 】通过对铝电解故障发生机理和故障发生时相关 特征量变化趋势的分析，基于模糊逻辑理论，建立了多级模糊故障检测模型，采 用b p 神经网络建立了故障分类模型，实现对铝电解故障的检测和预报。该模糊 神经网络故障诊断方法，有效地降低铝电解的故障发生率，降低了能耗，提高了 铝的产量和质量，具有良好的应用前景。但作者对于冷槽、热槽、阳极效应这三 种故障槽况的特征提取，更多的是采用表观特征，分类模型中对槽况特征的区分 较单一。 中南大学开发了神经网络槽况诊断专家子系统 3 0 3 1 1 ，对电解槽的槽况进行诊 断，给出槽况的中长期预报。在对阳极效应的预报方面，也有了新进展，提出了 通过对碳阳极气泡振动信号的频谱分析来预报铝电解槽的阳极效应的方法。但并 没有针对其它槽况的噪音信号进行分析，缺少推广价值。 贵州铝厂和北方工业大学【3 2 】合作，将模糊逻辑与专家系统结合起来，收集 工艺专家的经验，研制成功铝电解槽模糊专家系统，模拟人类专家对槽况进行诊 断、预测和处理，使槽况运行稳定，防止了病槽的发生。但同样存在缺少对病槽 深层特征的提取。 7 中南大学硕上学位论文第一章绪论 由以上国内外研究现状可知：国内外对于槽况诊断方法的研究，多通过神经 网络、专家系统、模糊控制、多元控制等手段对槽况进行诊断，而诊断的依据多 为槽电压和槽电阻信号的波形特征、铝电解生产过程中重要工艺参数的表观特 点、专家经验等，缺乏对不同槽况深层特征的提取或者提取的特征对不同槽况的 区分度不够。而本文针对铝电解槽每一块阳极的电流信号进行分析研究，提取其 深层特征，以诊断出不同槽况，不同程度上弥补国内外研究的不足。 1 4 信号处理方法 信号处理作为一门科学，在科学与工程技术中越来越显示出其不可或缺的重 要性。近2 0 年来，信号处理从傅里叶变换开始，已有很大的发展。现代信号处 理方法以现代谱分析为起点，现已包括现代谱分析、自适应信号滤波、高阶统计 量分析、独立分量分析、时一频分析、小波变化分析、希尔伯德一黄变换分析以 及神经网络等。 对于阳极电流信号，本文提出了“频谱一小波包一神经网络 相结合的信号 处理方法进行分析。下面对所用信号处理方法做简单介绍。 1 4 i 功率谱估计 信号的频谱分析是研究信号特性的重要手段之一，通常是求其功率谱来进行 频谱分析。功率谱反映了随机信号各频率成份功率能量的分布情况，可以揭示信 号中隐含的周期性及靠得很近的谱峰等有用信息，在许多领域都发挥了重要作 用。然而，实际应用中的平稳随机信号通常是有限长的，只能根据有限长信号估 计原信号的真实功率谱，这就是功率谱估计。 功率谱估计分为经典谱估计和现代谱估计【3 3 1 。经典谱估计是将数据工作区 外的未知数据假设为零，相当于数据加窗，主要方法有相关法和周期图法；现代 谱估计是通过观测数据估计参数模型再按照求参数模型输出功率的方法估计信 号功率谱，主要是针对经典谱估计的分辨率低和方差性能不好等问题提出的，应 用最广的是a r 参数模型。 ( 1 ) 经典功率谱估计 相关法：相关法是利用维纳一辛钦定理，该方法先由序列x ( 胛) 估计出自相 关函数r ( ，z ) ，然后对r ( ，1 ) 进行傅立叶变换，便得到x ( n ) 的功率谱估计。 枷= 专荟- i - i , 石, ik 比制 ( 1 2 ) 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 全，( q ) = 圭会，k k 一加q ，i i 一l ( 1 3 ) 周期图法：周期图法是把随机序列x ( n ) 的n 个观测数据视为一能量有限 的序列，直接计算x ( n ) 的离散傅立叶变换，得x ( k ) ，然后再取其幅值的平方， 并除以，作为序列z 仰) 真实功率谱的估计。即： 砧】：世丢， ( 4 ， x g 皿) = d 肿b k b = 石k 一皿 ( 1 - 5 ) 全( q ) = 专k 2 ( 1 - 6 ) ( 2 ) 现代功率谱估计 在经典谱估计进行功率谱估计时，由于将所有在窗口外的数据都视为0 ，这 便使得谱估计的质量下降。现代谱估计是利用待研究信号的先验知识，对信号在 窗口外的数据作出某种较合理的假设，以达到提高谱估计质量的目的。现代功率 谱估计主要是利用白噪声输入参数模型之后得到输出序列，当改变系统参数时得 到的序列也不同，这样当改变参数使得输出与已知有限序