大型铝电解槽非稳态非均一模型及关键极节能技术研究

论文摘要

新型节能技术是铝电解领域的热点研究课题和我国节约能源的重要途径，非稳态、非均一模型是实现铝电解节能技术的理论基础，将铝电解槽非稳态、非均一模型集成起来形成操作优化集成式智能型决策支持系统，进而实现关键极节能技术是本论文研究的主要内容。论文运用小波包变换技术、自适应神经模糊推理技术、数值仿真技术、软测量技术、多神经网络技术、模糊C均值聚类技术、多数据库技术、可视化技术与面向对象的集成化技术，对铝电解槽非稳态非均一模型及其在线显示系统开发的理论、方法进行了深入地研究，主要包括：铝电解槽电压波动信息元分析模型、动态槽况诊断系统、铝液波动模型、实时非均一极距软测量模型、极距和铝液波动在线监测系统、多数据库集成系统、操作优化集成式智能型决策支持系统开发及应用等内容。在此基础上，论文提出了关键极节能新技术，对与之相配套的新工艺进行了研究。论文针对铝电解槽槽电压波动信号的动态特性，提出了基于小波包和自适应神经模糊推理系统的电压波动信息元分析模型。得到五种槽况的电压信号的特征波谱，通过对电压信号的小波包变换提取了信号的能量特征向量，并以此作为自适应神经模糊推理系统的样本。在此基础上，对动态槽况实时诊断系统的系统结构及特点、系统功能模块及其应用实例进行了深入的研究和探讨。铝液波动是铝电解槽不稳定的主要因素，论文通过对铝液波动的数值模拟和试验研究，提出了基于模糊C均值聚类和多神经网络的铝电解槽实时非均一极距软测量模型。通过对铝液波动不稳定性机理的论述，提出了一个基于“level Set”的铝液界面跟踪技术，给出了系统的控制方程，仿真结果表明，320KA系列铝电解槽具有很好的磁流体稳定性；论文探讨了软测量模型中辅助变量的确定，分析了阳极导杆温度变化、阳极电阻变化、阳极底掌电流分布的数值模拟结果，并对大量的样本进行了模糊C均值聚类分析，利用多神经网络建立了铝电解槽实时非均一极距软测量模型。在此基础上，对极距和铝液波动的在线监测系统的软硬件组成及系统的应用进行了深入地研究，并提出了铝液波动的三种原因。论文以铝电解槽非稳态、非均一模型为基础，开发了一个将电压波动信息元分析模型、实时非均一极距软测量模型、操作优化决策支持模型等集成在一起的铝电解槽操作优化集成式智能性决策支持系统，提出了面向对象技术的知识表示方法和知识库模型，提出了基于目标驱动的模型库集成技术，并以中国铝业广西分公司320KA系列004#槽为试用对象，对系统的运行结果进行了实测与总结，诊断结果与实际结果相符，成功地实现了提高槽子电流效率、降低能耗的目的。论文以铝电解槽非稳态非均一模型及集成式智能型决策支持模型的开发为基础，提出了关键极节能新技术，对关键极节能新技术的定义和特征、技术实现进行了研究，提出了一套低极距下关键极节能操作新工艺，在试验槽上成功地实现了降低槽平均电压40mv、电流效率保持不变的节能效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究背景和意义
• 1.2 铝电解槽模型的研究进展
• 1.2.1 铝电解槽热电及热应力模型的研究进展
• 1.2.2 铝电解槽电磁流动模型的研究进展
• 1.2.3 铝电解槽热、电、磁、流动耦合模型的研究进展
• 1.3 铝电解槽模型存在的问题
• 1.4 铝电解槽非稳态和非均一模型的研究进展
• 1.4.1 铝电解槽非稳态非均一模型的分类
• 1.4.2 槽电压（针振）波动信息元分析模型
• 1.4.3 铝液波动机理模型方面的研究
• 1.4.4 铝液波动模型的数值求解方法
• 1.4.5 实时阳极电流波动及其非均一分布模型
• 1.4.6 实时非均一极距模型
• 1.4.7 操作优化集成式智能型决策模型
• 1.5 铝电解槽节能的研究进展
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第2章 铝电解槽电压波动（针振）信息元分析模型与动态槽况诊断系统
• 2.1 概述
• 2.2 基于小波包和ANFIS的电压波动信息元分析模型
• 2.2.1 基于小波包和ANFIS的电压波动信息元分析模型的结构
• 2.2.2 小波包分解
• 2.2.3 自适应神经模糊推理系统（ANFIS）
• 2.3 铝电解槽电压波动信号的特征提取
• 2.3.1 电压波动信号的小波包分解
• 2.3.2 对小波包分解系数重构
• 2.3.3 求小波包-能量谱
• 2.3.4 构造能量特征向量
• 2.4 动态槽况实时诊断系统的开发
• 2.4.1 系统总体结构及特点
• 2.4.2 系统功能模块
• 2.4.3 Delphi自定义组件的开发
• 2.5 应用实例
• 2.5.1 离线诊断实例及模型验证
• 2.5.2 在线运行实例
• 2.6 本章小结
• 第3章 铝电解槽铝液界面波动模型及数值模拟
• 3.1 概述
• 3.2 铝电解槽内铝液界面波动机理分析
• 3.2.1 重力波理论
• 3.2.2 Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性理论
• 3.2.3 Magnetic-hydro-dynamic（MHD）不稳定性理论
• 3.2.4 气泡驱动理论
• 3.3 铝液界面波动物理模型
• 3.4 两流体MHD控制方程
• 3.4.1 基本控制方程
• 3.4.2 无量纲准数和方程
• 3.4.3 边界条件
• 3.5 数值求解
• 3.5.1 跟踪铝液界面的Level Set技术
• 3.5.2 有限体积法
• 3.6 结果分析和验证
• 3.6.1 磁场计算结果分析
• 3.6.2 铝液界面波动计算结果分析与验证
• 3.7 结论
• 第4章 铝电解槽实时非均一极距软测量模型的建立
• 4.1 概述
• 4.2 极距软测量模型辅助变量的确定
• 4.2.1 实验方案
• 4.2.2 阳极等距压降和极距之间的关系
• 4.2.3 阳极电流和阳极底掌气泡区压降之间的关系
• 4.2.4 极距软测量模型辅助变量的确定
• 4.3 导杆温度和阳极电阻的实验研究
• 4.3.1 导杆温度的实验研究
• 4.3.2 阳极电阻的实验研究
• 4.4 四阳极热电场的数值模拟
• 4.4.1 四阳极热电场的数学模型
• 4.4.2 边界条件
• 4.4.3 计算结果分析
• 4.5 阳极底掌面的电流分布的数值模拟
• 4.6 基于模糊C均值聚类（FCM）和多神经网络的非均一动态极距模型
• 4.6.1 模糊C均值聚类算法
• 4.6.2 基于FCM和多神经网络的非均一极距软测量模型建立和验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 铝电解槽极距和铝液波动在线监测系统的开发与应用
• 5.1 概述
• 5.2 系统硬件组成与开发
• 5.2.1 采集卡的工作原理
• 5.2.2 采集卡的性能和技术指标
• 5.2.3 采集卡接线方式
• 5.3 系统软件组成与开发
• 5.3.1 软件功能组成
• 5.3.2 采集程序开发步骤
• 5.4 系统应用与结果分析
• 5.4.1 单振源波动
• 5.4.2 多因素耦合波动
• 5.4.3 外界扰动
• 5.5 本章小结
• 第6章 铝电解槽的多数据库研究
• 6.1 概述
• 6.2 铝电解槽多数据库系统概述
• 6.3 铝电解槽多数据库的模式集成
• 6.3.1 集成模式的体系结构
• 6.3.2 集成模式的实现
• 6.4 铝电解槽多数据库的事务处理
• 6.4.1 事务模型
• 6.4.2 事务模型的设计和实现
• 6.5 铝电解槽多数据库的查询处理和优化
• 6.5.1 多数据库全局查询语言
• 6.5.2 多数据库查询分解
• 6.5.3 多数据库查询处理优化
• 6.6 本章小结
• 第7章 铝电解槽操作优化IIDSS的开发与应用
• 7.1 概述
• 7.2 铝电解槽操作优化IIDSS多库系统总体方案
• 7.2.1 系统结构
• 7.2.2 系统功能模块
• 7.2.3 系统开发环境和系统界面
• 7.3 基于神经网络的铝电解槽专家系统的研究
• 7.3.1 系统结构
• 7.3.2 知识的获取
• 7.3.3 知识表示
• 7.3.4 推理系统
• 7.3.5 系统的输入与输出
• 7.4 铝电解槽操作优化IIDSS面向对象的知识表示方法
• 7.4.1 铝电解槽IIDSS的异构知识的分类
• 7.4.2 面向对象的知识表示
• 7.5铝电解槽操作优化IIDSS面向对象的的知识库模型设计
• 7.5.1 面向对象知识库的结构
• 7.5.2 基于多层链表的知识库内存结构模型
• 7.5.3 铝电解槽IIDSS知识库知识的推理机制
• 7.6 铝电解槽操作优化IIDSS模型库系统的设计
• 7.6.1 面向对象模型库的模型对象表示方法
• 7.6.2 基于目标驱动的模型库的集成技术
• 7.7 工业应用实例及效果
• 7.8 本章小结
• 第8章 铝电解槽关键极节能技术研究
• 8.1 概述
• 8.2 铝电解槽节能技术概述
• 8.3 铝电解槽关键极节能技术的定义和特征
• 8.3.1 极距均一性的必要性和条件
• 8.3.2 关键极节能技术的定义和特征
• 8.4 铝电解槽关键极节能技术的实现
• 8.4.1 基于整体降低阳极母线的技术研究
• 8.4.2 关键极节能技术的实施
• 8.5 铝电解槽关键极节能技术的应用
• 8.6 本章小结
• 第9章 结论与建议
• 9.1 论文主要工作和研究成果
• 9.2 今后的工作建议
• 参考文献
• 附录A 部分系统运行图例
• 附录B 博士期间发表的论文、参加科研及获奖情况
• 致谢