铝电解短路口自诊断及自动连锁保护系统的开发及应用

祝元兵,周明珠,高 涛,马青爽,王 健,梁绵鑫,赵 鑫

(1.内蒙古电投能源股份有限公司,内蒙古 通辽 028000;2.沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

随着我国铝冶炼工业的飞速发展,铝冶炼企业数量急剧增加,规模逐步增大。铝电解槽供电设计都是采用串联方式连接, 槽周围及底部铝母线不仅是每台槽自身导电系统中的一部分, 也是整个电解系列导电回路中不可或缺的组成部分。其中任何一台电解槽短路口一旦发生爆炸事故,熔断的铝母线和短路后电流产生的能量将摧毁立柱母线。若在短时间内修复不好,而且又没有其它特殊短路措施将事故槽跨接, 整个系列就无法恢复送电,继而造成系列停产,给企业带来巨大的直接或间接损失。同时还会对一线操作人员造成严重的安全威胁,给企业带来巨大的安全隐患及经济损失。而传统的人工预防、预警及应急处置措施,均已无法全面保障现有的现代化大型铝电解生产过程安全[1,6]。

因此,亟需开发一套智能化实时评判、报警及自动应急处置的保护系统,从而可及时有效的对铝电解短路口异常情况进行初期报警和连锁自动保护处置,可极大地提升铝电解运行的稳定性及安全性。

1 系统概述及架构配置

短路口超压爆炸事故由电解槽断路或近似断路情况引发,是短路口电压远大于正常电解槽效应电压而导致的短路口爆炸事故。此类事故往往破坏性极强,需要所有电解铝企业予以重点防范。本方案主要集中于短路口高压状态的检测和应急处置。

本系统按照统一规划,逐步改进的策略,采用数据融合评判技术,达到对铝电解短路口异常状态的实时捕捉、精准评判、及时处理的目的,可将短路口超压风险及影响有效消除。

铝电解短路口异常自诊断及连锁保护系统是由单槽采集终端、多槽累加采集终端、边缘数据采集器以及核心智能评判机为主要设备组成的分散式边缘计算+集中评判管理架构模式(如图1所示)。该系统利用核心智能评判机,依据电解槽单槽电压、小组累加槽压、电解系列电流、电解系列电压、全系列单槽槽压等数据进行综合评判;系统将电解车间所有单槽、分组电压采集器输出的开关量信号,通过独立光纤网络,传送给设置在动力分厂主控室的核心智能化远动通讯控制管理机。管理机具有逻辑可编程功能,通过内部编制的专用算法评判软件对系统实时参数进行解算;一旦某一分组槽电压和该组内某一单槽电压同时发生超限输出,核心智能化远动通讯控制管理机传送一路信号给综合自动化系统,在后台系统实现远程报警,另一路信号通过重动装置将信号传给急停控制回路,向动力保护系统发出切断负荷执行信号,完成动力分厂降负荷操作,同时将故障点位第一时间定位[2-4]。

图1铝电解短路口异常自诊断及连锁保护系统架构示意图

2 系统评判分析流程

系统主要评判流程(如图2所示):当单槽槽压异常时,结合小组累加采样值进行双判据逻辑判定,减少初级干扰及误判,两个评判要素同时满足条件,并向核心评判管理机发出状态标记信号。核心评判管理机综合初级评判结果,参考当前瞬时电解系列电流、电解系列电压、单槽槽压等数据的变化特征进行再次校验比对,最终自主决策发出系列停电保护指令,通过预设的联动、告警、控制输出向动力继电保护系统发出执行信号,完成动力分厂降负荷操作全系列停电自动操作。项目建设规划先以初级评判为基础依据,进行系统初期试运行,并模拟各类型异常特征,通过对过程数据的积累和比对,不断完善各评判参考条件的权重比例,最终实现系统整体的稳定、精准、安全。项目实施初期,将以电解车间槽电压组合采样评判结果为主要依据进行模拟评判和投运试行。同时,将企业原有动力综自系统中部分关键生产数据(系列电压、电流、全系列单槽槽压值)进行对照检测,收集数据间的关联特性,进行计法建模的逐步完善,最终实现系统整体判断的正确、及时、可靠[5]。

图2 铝电解短路口异常自诊断及连锁保护系统评判流程图

3 生产应用

该系统已在内蒙古某大型铝电解企业300 kA、350 kA、400 kA三个铝电解生产系列的920台电解槽上安装并投运。项目实施后,将弥补传统人工巡检盲区,实现全时域高速监测电解槽槽压变化,在母线立柱短路口超压事故发生的初期及时准确自动评判及连锁保护处置,并能及时记录关键处置数据信息。将铝电解短路口超压事故消除在初期阶段,极大地减小事故对系列生产的影响和事故造成的人员、经济损失;对超压引发的铝电解立柱母线短路口损毁事故及时处置率不低于98%。系统设备现场检测及运行如图3所示。

图3 系统软硬件设备现场运行

4 结 语

本系统的研发属于填补国内该领域技术空白,作为一套铝电解生产中独立的专项保护系统,对其他系统和技术依赖性较低,可以应用于国内任何铝电解生产企业,对其生产安全具有较大的收益,市场前景广阔。目前,该项目成果正在进行转化,争取尽快进行产业化推广应用,为企业和社会创造更多直接效益和间接效益。