（热能工程专业论文）大型预焙铝电解槽槽电压波动特征提取.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 大型预焙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 在线检测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。 槽电压是铝电解槽中一个能够在线检测的参数，其波动信号中包含大量的与电解 槽运行相关的信息。从槽电压波动中提取特征，是建立相应的槽况诊断系统的重 要基础。 本论文以3 2 0 k a 系列预焙铝电解槽为研究对象，大量采集了典型故障槽的槽 电压波动信号，利用小波除噪技术对其进行了预处理，然后分别利用功率谱估计 算法以及小波包分解技术对槽电压波动信号进行了分析，得到以下重要结论： ( 1 )利用小波除噪技术对电压波动信号进行除噪不但能够保留原始信号中 的重要信息，而且能够很好的剔除噪声，使信号变得平滑，不同的槽电 压波动信号有不同的最优基小波。 ( 2 )基于非参数法的功率谱估计分辨率很差，不能很好的提取槽电压波动信 号的特征，而基于参数法的功率谱估计的分辨率大大的提高，能够很好 的提取某些槽况下槽电压波动的特征，而且得到的结果物理意义明确； 但是对于平稳性很差，突变信息多的信号，参数法不能很好的提取特征。 虽然子空间法比参数法分辨率更高，但是其算法过于复杂，不适宜在工 程实际中应用。 ( 3 )对槽电压波动信号进行一至三层小波包分解，发现三层小波包分解能够 很好的提取槽电压波动的能量特征向量，而且由于向量维数较高，抗干 扰能力强。对三层小波包分解进行了优化，发现不同的信号有不同的最 优小波包分解树。 ( 4 )对功率谱分析和小波分析两种算法进行比较，发现两种算法相辅相成， 各有优缺点。频谱分析算法较简单，耗时少，得到的结果物理意义明确， 但小波分析处理平稳性差、突变信息多的信号要优于频谱分析，结合两 种算法能够很好的提取槽电压波动的特征。 关键词铝电解槽，功率谱分析，小波分析，特征提取，槽电压波动 主堕查堂堡圭学位论文 英文摘要 a b s t r a c t s t a b i l i t yr e s e a r c ho fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l si so n eo ft h es p o t l i g h t si na l u m i n u m e l e c t r o l y s i sp r o c e s s d i a g n o s i n gw o r k i n gc o n d i t i o n so fa l la l u m i n u mr e d u c t i o ne e l l f r o mi t so n l i n ep 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 t s t r a t e g yt o e n h a n c ei t ss t a b i l i t y c e l lv o l t a g ei so n eo ft h ep a r a m e t e r st h a tc a nb ed e t e c t e do n l i n e w h o s ef l u c t u a t i o nc o n t a i n sal o to fi n f o r m a t i o nc o n c e r n i n gp 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 e x t r a c t i n gi n - d e p t hc h a r a c t e r i s t i c so fe e l lv o l t a g ef l u c t u a t i o n i sa ni m p o r t a n tf o u n d a t i o no fs y s t e m sd i a g n o s i n gw o r k i n gc o n d i t i o n sf o ra l u m i n u m r e d u c t i o nc e l l s t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e do n3 2 0 k a p r e b a k e da n o d ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s ， c o l l e c t e dm a n yc e l l v o l t a g es i g n a l so fa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l su n d e rt y p i c a l c o n d i t i o n s ，a n du s e dw a v e l e tt od e n o i s ea l ls i g n a l sc o l l e c t e d a f t e rt h a tp o w e rs p e c t r a l d e n s i t y ( p s d ) e s t i m a t i o nm e t h o da n dw a v e l e tp a c k e t sw e r eu s e dt oa n a l y z ec e l l v o l t a g es i g n a l s r e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u s i n gw a v e l e td e n o i s i n gt e c h n o l o g yc a np r e s e r v ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o ni n o r i g i n a ls i g n a l sa n dr e m o v en o i s et h u sm a k es i g n a l ss m o o t h d i f f e r e n tc e l lv o l t a g e s i g n a l sh a v ed i f f e r e n to p t i m a lw a v e l e tf u n c t i o n s ( 2 ) p s de s t i m a t i o nb a s e do nn o n p a r a m e t r i cm e t h o d sh a v ep o o rr e s o l u t i o n , a n d c a n n o te x t r a c tc h a r a c t e r i s t i c so fc e l l v o l t a g ef l u c t u a t i o nw e l l ，b u tp s de s t i m a r i o n b a s e dp a r a m e t r i cm e t h o d sh a v em u c hb e t t e rr e s o l u t i o na n dc a ne x t r a c tc h a r a c t e r i s t i c s o fc e l lv o l t a g ef l u c t u a t i o nu n d e rs o m ew o r k i n gc o n d i t i o n sw e l l t h ep s de s t i m a t i o n r e s u l t sh a v ec l e a rp h y s i c a lm e a n i n g s ，b u tp a r a m e t r i cm e t h o d sc a n n o te x t r a c t i n f o r m a t i o nf r o mu n s t a b l es i g n a l sc o n t a i n i n gm a n ys u d d e nc h a n g e sw e l l a l t h o u g h s u b s p a c em e t h o d sh a v eb e t t e rr e s o l u t i o nt h a np a r a m e t r i cm e t h o d sd o ，b u tt h e ya r et o o c o m p l e x t ob eu s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ( 3 ) u s i n gw a v e l e tp a c k e t st od e c o m p o s ec e l lv o l t a g es i g n a l sf r o m1t o3l e v e l s ，i t c a nb ef o u n do u tt h a t3 - l e v e lw a v e l e tp a c k e tc a ne x t r a c te n e r g ye i g e n v e c t o r so fc e l l v o l t a g ef l u c t u a t i o nw e l l ，w h a t sm o r e ，s i n c et h eh i g hd i m e n s i o no ft h ev e c t o r s t h e a l g o r i t h mi sr o b u s t a f t e rt h a tw a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o nw a so p t i m i z e d , i tc a l lb e f o u n do u tt h a td i f f e r e n ts i g n a l sh a v ed i f f e r e n to p t i m a lw a v e l e t p a c k e tt r e e ( 4 ) c o m p a r i n gp s de s t i m a t i o nw i t hw a v e l e ta l g o r i t h m ，i ti ss u g g e s t e dt h a tw a v e l e t c o m p l e m e n t w i t hp s de s t i m a t i o n , a n d t h e y h a v ed i f f e r e n t a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s f o u r i e ra n a l y s i si sm u c hs i m p l e r , l e s s - t i m ec o n s u m i n g ，a n dh a sc l e a r p h y s i c a lm e a n i n g s b u tw a v e l e tt r a n s f o r mh a sb e t t e rq u a l i t i e si np r o c e s s i n gu n s t a b l e s i g n a l sw i t hal o to fs u d d e nc h a n g ei n f o r m a t i o n ac o m b i n a t i o no ft h e s et w om e 吐l o d s 中南大学硕士学位论文英文摘要 c a ne x t r a c ti n - d e p t hc h a r a c t e r i s t i c so fc e l lv o l t a g ef l u c t u a t i o nv e r yw e l l k e y w o r d s ：a l u m i n u m r e d u c t i o nc e l l ，p s da n a l y s i s ，w a v e l e t a n a l y s i s ， c h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o n ，c e l lv o l t a g ef l u c t u a t i o n 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已在论文中作了明确的说明。 作者签名：锋 日期：皿年互月趁日 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：弹 导师签名 日期：2 毕年上月卫日 中南大学硕士学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1铝电解槽及其电压波动 1 1 1 铝电解过程 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【。氧化铝粉 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 ，么以) 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 2 1 。下面的方程式描述了这个化学 反应过程： 2 么乞0 3 ( 熔融) + 3 c ( 固态) = 4 a t ( 液态) + 3 c d 2 ( 气态) ( 卜1 ) 用来电解铝的设备称为电解槽，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。 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 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：如果没有电解质的涌动，由于氧化铝比电解质和熔融铝都要重( 密度更 大) ，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【3 】。 1 1 2 电解槽重要参数的测量 由于电解过程的高温高腐蚀等特点，可以直接检测的参数并不多，其中能很 方便进行在线检测的两个参数分别是全槽电压u 和系列电流，。系列电流由槽型 和整流设备决定，与电解槽的工作状态无关，因此槽电压在电解槽控制中具有非 常重要的意义。电解槽的单槽电压位于4 到5 伏之间，系列电流可以因槽型的不 同，差别很大。因为低电压时用电非常不经济，所以在工业生产铝的过程中，电 解槽被串联起来形成电解槽系列，以提高总电压。电解槽系列的结构如图1 2 所 中南大学硕士学位论文第一章绪论 示，系列中的所有电解槽有相同的电流不同的电压。 氧化铝离 e 图l l 铝电解槽结构简图 电解槽酒一l 电解槽n 电解槽n + l 图1 _ 2 电解槽系列结构简图 1 1 3 国内外铝电解槽槽电压波动的研究现状 槽电压波动是铝电解槽不稳定状态的最直观表现。从1 9 世纪后半叶开始，学 者们就已经开始对铝电解槽槽电压波动进行了研究，他们当时的研究主要是依赖 于计算得到的槽电阻，因为它能够反映电解槽中氧化铝浓度的变化f 2 , 4 。由于铝 电解过程的强腐蚀性，导致氧化铝浓度不能直接进行测量，所以槽电阻信息非常 有用。目前所采用的方法是使用反馈神经网络来预测电解槽状态和槽电阻【5 1 。预 测得到的槽状态被用来协助一个控制算法来加强对电解槽的控制。其它的研究工 作主要集中在通过分析系列电流和气泡噪声成分来估计氧化铝浓度，从而研究槽 电阻以及槽电压的波动f 6 1 ，研究者们还通过槽电阻的变化速率来研究氧化铝浓度 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的影响，采用的算法是h o l t - w i n t e r s 预测算法i 刀。 目前国内对槽电压的研究停留在应用层次上，经验丰富的铝电解专家可以通 过槽电压的波动曲线去判断电解槽的工作状态，即通过槽电压的时域波形去指导 生产。国内的研究工作主要有：王绍鹏等学者通过总结2 8 0 k a 电解槽的针振现象 对槽电压波动的原因进行了初步分析【8 】；黄晓明等学者提出一些生产中防止大幅 度电压摆的措施如保持工艺技术条件、提高换极质量、控制阳极效应等【9 】；文献 f 1 0 l q b 运用电压波动信息处理电压波动问题和优化电解工艺技术参数。另外丁蕾 等学者对槽电阻信号进行了频谱分析【1 1 1 ，认为槽电阻和系列电流的主频段分别在 0 0 0 2 , - - , 0 0 4 h z 和0 0 5 - 0 2 h z 之间，并设计滤波器，实现槽电阻信号的分离。这 些研究对初步认识槽电压波动的原因，在生产上根据经验有效地处理槽电压大幅 度波动等方面具有一定的指导意义，但上述研究对槽电压波动的特征信息提取尚 未作深入的研究。 国外的学者在实验室里搭建实验槽，通过人工注入气泡的方式，主要观察和 分析阳极下气泡对槽电压的影响【1 2 , 1 3 1 。l a r r yb a n t a 等【1 4 】在实验室建立透明铝电解 槽，人工形成气泡并以一定的速度注入到阳极下，观察气泡的生成、聚合、长大、 逃逸等变化，同步记录下槽电压的变化，然后得出气泡的变化和槽电压变化的关 系。他们发现槽电压波动的振幅和频率与气泡的变化有关，说明气泡在生成阶段 里覆盖在阳极表面，会增加槽电阻，进而提高槽电压。成型后的气泡在逃逸后， 电解质又能很好的湿润阳极，槽电阻下降，从而槽电压随之下降。l a s z l oi 等学 者【1 3 1 在实验室研究中把气泡对槽电压的影响分成两个阶段：气泡长成以后发生 移动的过程中槽电压波动频率主要受阳极电流密度和移动时气泡大小的影响，而 此时气泡大小主要受阳极材料、阳极底掌形状的影响；在气泡的聚合过程中，气 泡对槽电压的影响较大。这些实验室研究对分析气泡对槽电压的影响奠定了理论 和实验基础，同时也对生产操作中辨别槽电压波动原因并作出相应处理具有参考 意义。 同时l a r r yb a n t a 等学者还从电压摆产生机理上对电压波动进行过较详细的 分类【1 5 】，他们认为气泡、极间短路和铝液波动是电压摆产生的主要原因。此外 他们还设计了低通滤波器对槽电压信号进行滤波处理，提取了槽电压信号的一些 特征，挖掘了槽电压信号的动态信息【1 4 , 1 5 】。文献 1 6 ，1 7 仲基于电压信号的振幅和 频率构建人工神经网络来识别和诊断槽电压波动原因，但由于没有对电压信号特 征的提取，因此对槽况的诊断精度不高。 综上所述，国内对槽电压波动的研究主要停留在经验层面上，没有详细的理 论基础研究，对槽电压波动的特征没有进行研究，从而限制了基于槽电压波动的 槽况诊断系统的开发。国外的研究中，理论研究主要还是停留在实验室阶段，得 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 出的结论有一定的参考和指导意义，因为没有相应的生产实际数据来支持验证， 也使得他们所建立的模型具有局限性。 1 2 频谱分析与小波分析的理论基础 1 2 1f f t 算法和频谱分析概述 离散傅里叶变换( d f t ) 是数字信号处理的最基本工具。d f t 最常用的算法称 为快速傅里叶算法( f f t ) ，它是一种节省了计算时间的d f t 算法。傅里叶变换的 目的就在于找出被分析信号的频率成分。f f t 算法的执行时间，取决于变换的长 度，当长度为2 的幂次时速度要快。 对于输入序列x 以及它的变换x ( 在单位圆上均匀分布频率下的离散时间傅 里叶变换) ，两个函数满足下面的关系： - i x ( k + 1 ) = ：x ( n + l 孵 ( 1 - 3 ) 砌+ 1 ) = 专篓砌+ 烁蛔 其中，：p 叫等 ( 1 4 ) 稳态随机过程x ( n ) 的能量谱数学上定义为相关序列与其离散傅里叶变换的乘 积。如果使用归一化的频率，它可以表示为： ( 缈) = r 曩( 坍) p 一胁( 1 - 5 ) 上式可以通过关系式国= 2 万f z 写成一个物理频率( 如h z ) 的函数，其中工为 采样频率。 s 巅( 厂) = r 麒( 肌) p 之确7 厶( 1 - 6 ) m = m 相关序列可以通过逆离散时间傅里叶变化从能量谱中推导出来： 妯，= 学= 曼鼍等纱 m 乃 序列在整个n y q u i s t 区间上的平均能量可表示为： 删，= 冀知= 童半 m 8 ， 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 物理量：匕( 缈) = 墨势，名( 门= 旦旦定义为稳态随机信号矗的能量谱密度 也称为功率谱( 功率谱) 。一个信号在频率带b ，哆】( o q c o ：窟) 的功率可以 通过积分那一区间上的功率谱求得： 一 气一0 ，吐l - j 匕( 彩m + j 名( r o ) d r o ( 1 9 ) 从上面的表达式中可以发现匕( 缈) 代表一个信号在无穷小频率带上的能量 分布，这也是它被称为能量谱密度的原因。 功率谱的单位是能量( 例如瓦特) 每单位频率。当表示为足( c o ) 时，单位是 瓦特( 弧度样本) ，或者简单的就是瓦特弧度，当表示为气( 门，单位是瓦特 赫兹。功率谱对频率的积分得到的单位是瓦特，和预计得到的平均能量瓦，啦l 的 单位一致。 对实信号，功率谱是关于实轴对称的，于是匕( 国) ( 0 彩 万) 能够完全 的描述功率谱。然而，为了获得在整个n y q u i s t 区间上平均能量，有必要引入单 边功率谱的概念。 单边功率谱由下式给定： ( 1 1 0 ) 一个信号在频率带h ，国：】( o q 彩：万) 上的平均能量也可以利用单边 功率谱进行计算： 1 2 2 小波变换的基础理论 吻 瓦槐1 = 皿一佃 卿 1 2 2 1 小波的简史 尽管小波分析的数学基础可以回溯到1 9 世纪j o s e p hf o u r i e r 的研究，但从历 史的观点来看，它是一种新的方法。f o u r i e r 利用了频率分析理论作为基础，是 非常重要和具有深远意义的。 当在不同尺度下测量平均振动的方法不能应用于噪声分析时，学者们的注意 力从基于频率的分析逐渐转移到基于尺度的分析。第一个关于小波的记录可以回 溯到1 9 0 9 年a l f r e dh a m 的一篇论文中。现代理论形式的小波概念首先由j e a n m o r l e t 以及法国的m a r s e i l l e 理论物理中心的研究小组提出【l8 嘲。 5 万 o 彩 缈 ，m d z ( 0 y ) = z ( + d c o ) 一z ( o ) 、7 是不相关的( 如果e d z ( o ) d z ( 国) 】= 0 ) ，那么过程 z ( 国) 被称为一个正交的过 程。 过程 z ( 缈) 和 x ( f ) 的频谱特性之间存在一种关系，如下面的方程所示： e i d z ( r o ) 1 2 】= d h ( o ) ( 1 18 ) 也就是在频率国处，日( 缈) 的增量( x ( t ) 的积分频谱) 等于d z ( m ) 幅值平方的均 值。这个可以被解释成在频率国和彩+ d o ) 之间