電解槽電壓自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

滿江勇（烏魯木齊合興同創(chuàng)環(huán)保設(shè)備有限公司烏魯木齊830011）

電解槽電壓自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

滿江勇
（烏魯木齊合興同創(chuàng)環(huán)保設(shè)備有限公司烏魯木齊830011）

采用電解槽還原析出銅、鎳、鋅、鉛、鉻、鈷等有色金屬的生產(chǎn)方法，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境為強(qiáng)腐蝕、大磁場(chǎng)、高電流環(huán)境，電解槽槽電壓、陰陽(yáng)極間電壓在線監(jiān)測(cè)困難，導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量控制困難、單位電耗增加、人員現(xiàn)場(chǎng)操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，實(shí)際生產(chǎn)能耗普遍高于設(shè)計(jì)能耗。研究開發(fā)一種槽壓自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，顯得尤為重要。

電解槽電壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)降低能耗

1 研究背景

采用電解槽還原析出銅、鎳、鋅、鉛、鉻、鈷等有色金屬的生產(chǎn)方法在冶金行業(yè)應(yīng)用極為廣泛。但是，由于該生產(chǎn)方法的環(huán)境為強(qiáng)腐蝕、大磁場(chǎng)、高電流環(huán)境，電解槽槽電壓、陰陽(yáng)極間電壓在線監(jiān)測(cè)困難，現(xiàn)場(chǎng)大部分采用人工巡視、觸摸、灑水等方式判斷短路、涼板，導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量控制困難、單位電耗增加、人員現(xiàn)場(chǎng)操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，實(shí)際生產(chǎn)能耗普遍高于設(shè)計(jì)能耗。

通過(guò)在新疆的生產(chǎn)企業(yè)實(shí)地調(diào)研，得知目前國(guó)內(nèi)尚未有先進(jìn)適用的槽壓自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，部分企業(yè)也提出了相應(yīng)的需求。研發(fā)一種槽壓自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低單位電耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，顯得尤為重要。

2 電解工藝的技術(shù)原理

電解槽是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。電解槽構(gòu)成三要素：直流電源、電極（陰陽(yáng)極）、電解質(zhì)溶液（或熔融電解質(zhì)）。電解質(zhì)是指在水溶液中或熔融狀態(tài)下能夠?qū)щ姷幕衔?。影響產(chǎn)品電解析出產(chǎn)品質(zhì)量的其他主要因素還有：⑴電解液中電解質(zhì)的濃度；⑵電解液中電解質(zhì)的性質(zhì)；⑶電解液的溫度；⑷溶劑的介電常數(shù)和離子的強(qiáng)度等，對(duì)溶液的金屬還原析出質(zhì)量和效率影響也較大。

電解時(shí)電解質(zhì)的理論電解電壓與實(shí)際電解電壓之比即為電壓效率。后者即是電解槽的槽電壓。槽電壓是理論電解電壓、超電壓和輸電導(dǎo)體電壓損失之和。影響槽電壓大小的因素很多,除超電壓的因素外,還有導(dǎo)線與電極之間的接觸電壓、隔膜材料、電解槽結(jié)構(gòu)、電流密度等。槽電壓通常遠(yuǎn)大于理論電解電壓，導(dǎo)致電壓效率很低。因此，降低超電壓和輸電導(dǎo)體的電壓損失是提高電壓效率的關(guān)鍵。

3 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過(guò)與各相關(guān)企業(yè)的電解廠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集后，統(tǒng)計(jì)得知采用可溶陽(yáng)極電解的工藝，槽電壓一般在0～0.5 V之內(nèi)；采用不溶陽(yáng)極電解的工藝，槽電壓一般在1～5 V之內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)車間內(nèi)都不同程度上有酸霧，人員每過(guò)一至兩小時(shí)需進(jìn)入電解槽槽面上檢查陰陽(yáng)極導(dǎo)電母排。通過(guò)目測(cè)、彎腰觸摸、灑水等方式，判斷極間是否發(fā)生短路、串板、涼板故障，再通過(guò)人員提起陰極板、調(diào)整極間距等方法，進(jìn)行故障排除。人員作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，環(huán)境對(duì)身體長(zhǎng)期易傷害，操作工人數(shù)多，造成勞動(dòng)生產(chǎn)率低，單位電耗增多，普遍比設(shè)計(jì)電耗高。

4 研究開發(fā)準(zhǔn)備

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，有針對(duì)性的采購(gòu)元器件，自制變送器、接收器、信號(hào)放大器，先后研發(fā)了兩套槽電壓自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，專門針對(duì)槽壓監(jiān)測(cè)和極間短路開發(fā)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)。其中一套是監(jiān)測(cè)0～0.5 V電壓的電解槽，一套是監(jiān)測(cè)1～5 V電壓的電解槽。通過(guò)前端高速采樣采集電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)毛刺干擾濾波，特別算法對(duì)電壓信號(hào)的識(shí)別，進(jìn)行信號(hào)處理。設(shè)置無(wú)線通信和報(bào)警顯示，來(lái)判定槽壓是否正常和是否發(fā)生了極間短路。

本系統(tǒng)都是采用的以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，可以方便地與廠區(qū)局域網(wǎng)無(wú)縫連接。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)均可快捷地訪問(wèn)系統(tǒng)，通過(guò)操作系統(tǒng)自帶的IE瀏覽器即可查看、調(diào)取電壓和溫度數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，該系統(tǒng)采取了抗電磁干擾、抗絕緣、耐腐蝕的材料，達(dá)到了本質(zhì)安全等特點(diǎn)（圖1）。

前段采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)極小槽壓信號(hào)的采樣，濾波，共模電壓處理，數(shù)模轉(zhuǎn)化和無(wú)線通信，把采樣的槽壓數(shù)值傳送給處理終端。處理終端可以顯示每個(gè)電解槽的電壓并存儲(chǔ)電壓數(shù)據(jù)，如果發(fā)生極間短路，處理終端會(huì)報(bào)警并顯示是哪個(gè)電解槽發(fā)生了極間短路。系統(tǒng)設(shè)有以下功能特點(diǎn)：

⑴基于Web的以太網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，可多點(diǎn)監(jiān)控；

⑵人性化的中文界面，可視化視圖，易于定位。簡(jiǎn)單易用，操作方便；

⑶監(jiān)測(cè)電壓范圍可以從0～0.5 V、1～5 V、6～9 V等三個(gè)電壓段。1信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量，結(jié)果實(shí)時(shí)可見。

圖1 槽電壓自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

5 研究開發(fā)實(shí)施技術(shù)目標(biāo)

2014年6月、9月我們分別在疆內(nèi)兩家電解廠做了試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱藱z驗(yàn)電解槽槽壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于電解槽短路監(jiān)測(cè)是否達(dá)到以下目標(biāo)：

⑴槽壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；⑵短路狀況能否及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，有沒(méi)有誤報(bào)和漏報(bào)情況；⑶軟件操作是否滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

將電解池槽壓監(jiān)控系統(tǒng)前端探測(cè)模塊安裝到每個(gè)電解池上并通電，安裝完畢，通過(guò)調(diào)整，即刻可知道每個(gè)電解池的槽壓數(shù)據(jù)，同時(shí)用萬(wàn)用表來(lái)檢驗(yàn)槽壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，經(jīng)測(cè)量與萬(wàn)用表的電壓數(shù)據(jù)誤差≤3 mV，可以使用。

前端探測(cè)模塊的天線和后端接收模塊安裝完后，打開監(jiān)控電腦，此時(shí)即可在中控室（休息室）讀取前端電解槽的槽壓數(shù)據(jù)。

首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：陰陽(yáng)極對(duì)短路的發(fā)現(xiàn)與操作工巡檢記錄對(duì)照驗(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)操作工在記錄小夜班晚20∶30和大夜班凌晨4∶30查槽的記錄顯示有一對(duì)陰陽(yáng)極對(duì)短路；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的電壓曲線見圖2。

從圖2可以看到：當(dāng)班小夜班晚上19∶30和次日大夜班2∶30左右發(fā)生了兩次電壓明顯的下降，發(fā)生了一次串板、一次短路。操作人員發(fā)現(xiàn)陰陽(yáng)極上吊耳發(fā)熱分別是當(dāng)班小夜班20：30和次班大夜班∶4∶30，比監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)晚了1～2 h。

第二次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)短路故障。第二次在做現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了第一組電解槽明顯電壓下降，并馬上告知現(xiàn)場(chǎng)操作工，經(jīng)確認(rèn)，發(fā)生了兩對(duì)陰陽(yáng)極對(duì)短路，并做了處理，整個(gè)過(guò)程的電壓曲線見圖3。

圖2

圖3

第三次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：第三次做測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)電解槽顯示槽壓又出現(xiàn)電壓下降，把該情況通知現(xiàn)場(chǎng)操作工，經(jīng)確認(rèn)，發(fā)生了一對(duì)陰陽(yáng)極對(duì)短路情況，趕緊做了處理。整個(gè)過(guò)程的電壓曲線見圖4。

圖4

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后得出結(jié)論：電解槽槽壓自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)電壓曲線，能夠及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)極間短路的故障，比現(xiàn)場(chǎng)操作人員的判斷方法要提早1 h，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，沒(méi)有漏報(bào)和誤報(bào)現(xiàn)象，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期研發(fā)效果。

7 研究開發(fā)總結(jié)

通過(guò)電解槽槽壓自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)，使之現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，不影響生產(chǎn)。具備提前發(fā)現(xiàn)故障，分區(qū)設(shè)置多級(jí)報(bào)警閾值，操作簡(jiǎn)單易會(huì)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人員誤操作幾率，達(dá)到降低能耗的目標(biāo)，為企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益做出了有益支撐，可以為企業(yè)推廣。

8 后期改進(jìn)措施

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)槽電壓準(zhǔn)確性靈敏度都很高，但是每個(gè)電解廠槽內(nèi)安放的陰陽(yáng)極板的數(shù)量不同，有的是30多對(duì)陰陽(yáng)極板，有的是50多對(duì)陰陽(yáng)極板。電解槽通電母線上槽電壓發(fā)生變化時(shí)，槽內(nèi)的幾十對(duì)陰陽(yáng)極板間，只有個(gè)別發(fā)生短路、串板、涼板現(xiàn)象，不能明確到是哪個(gè)陰陽(yáng)極板間發(fā)生故障，后期將主要改進(jìn)針對(duì)具體的那個(gè)陰陽(yáng)極間發(fā)生故障的預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究開發(fā)。

[1]馬榮駿.濕法冶金原理.冶金工業(yè)出版社，2007，7.

[2]馬竹梧.冶金工業(yè)自動(dòng)化.機(jī)械工業(yè)出版社，2011，8.

[3]郭年祥.有色冶金化工過(guò)程原理及設(shè)備.冶金工業(yè)出版社，2008，6.

收稿:2014-11-25

DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.032