基于热电联产的铝电解槽的温度控制方法及装置与流程

本发明涉及微电网电-热异质能源解耦，具体而言，涉及一种基于热电联产的铝电解槽的温度控制方法及装置。

背景技术：

1、由于一些地区弃光现象严重，新能源就地消纳问题严峻，需要充分挖掘负荷侧需求响应潜力。电解铝负荷具有一定的调节能力，是重要的需求响应资源，在电解铝生产工艺出现停止危险前，电解铝的电力需求可以持续降低25％。高耗能电解铝工业主要集中在新能源资源丰富的地区等，由于电解铝工业耗电量大，因此，一般建有自备火电机组，其构成的园区成为高耗能工业电网。

2、相比火电机组，电解铝负荷响应速率更快，可以缩短系统调节时间，适用于跟踪具有不确定性的新能源波动。在孤岛微电网中，电解铝负荷可参与系统的频率调节，缓解新能源发电不确定性给系统带来的稳定性问题。电解铝负荷属于热蓄能负荷，具有较大的热惯量，短时间的调节对负荷的正常生产影响小，十分适合电力系统快速动态调节。但为了生产稳定，电解铝负荷不能频繁调节，在一次爬坡之后，应当稳定生产。

3、现代电解铝工业生产普遍采用冰晶石-氧化铝融盐电解法，温度是重要的影响因素，因此，在正常生产中，如若系列电流出现较大幅度的波动，会严重影响电解槽中的热稳定性，从而影响电解铝的正常生产。铝电解槽电热耦合关系复杂，在现有研究中，多采用有限元分析法建立铝电解槽电热耦合模型，用来研究分析各因素对电解槽热平衡的影响以及预测电解槽温度。

4、然而，有限元模型考虑因素全面，但模型复杂，计算量大，难以适用于一般的微电网优化调度中，且现有研究中缺乏考虑外部供热的铝电解槽电-热解耦方法。

5、针对上述相关技术中电解铝工业生产中多采用有限元分析法建立铝电解槽电热耦合模型，以分析各因素对铝电解槽热平衡的影响，计算量较大，适用性较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种基于热电联产的铝电解槽的温度控制方法及装置，以至少解决相关技术中电解铝工业生产中多采用有限元分析法建立铝电解槽电热耦合模型，以分析各因素对铝电解槽热平衡的影响，计算量较大，适用性较低的技术问题。

2、根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于热电联产的铝电解槽的温度控制方法，包括：根据电解铝系统中铝电解槽的结构信息确定所述铝电解槽对应的液态体系和固态体系，其中，所述液态体系是所述铝电解槽中电解质与铝液对应的体系，所述固态体系是所述铝电解槽中槽壳与阳极炭块对应的体系；确定所述液态体系的第一可用热量和所述固态体系的第二可用热量，其中，所述第一可用热量为所述液态体系的电流热效应产生的热量，所述第二可用热量为所述固态体系的热对流效应产生的热量；根据所述第一可用热量确定所述液态体系分别与时间、温度以及电流之间的第一变化关系，并根据所述第二可用热量确定所述固态体系的温度与时间的第二变化关系；根据所述第一变化关系和所述第二变化关系确定铝电解质与电流、热电联产系统的热功率之间的第三变化关系；根据所述第三变化关系确定所述热电联产系统需要向所述电解铝系统提供的热功率值；控制所述热电联产系统按照所述热功率值和所述电功率值向所述电解铝系统输送热功率，以使所述铝电解槽的温度保持在预定范围内。

3、可选地，确定所述液态体系的第一可用热量，包括：通过第一公式确定所述液态体系中以所述电解质为目标对象时的第一热量，其中，所述第一公式为：qin1+qchp-qreac-qh-qcout1-qcout-qex＝ce*me*δte，qin1表示所述电解槽电流热效应产生的热量，qchp表示所述热电联产系统的热电机组供给所述电解质加热的热量，qreac表示电化学反应过程中所吸收的热量，qh表示加热物料所需的热量，qcout1表示所述电解质对侧部槽壳的散热量，qcout表示所述电解质对所述阳极炭块的散热量，qex表示所述电解质与所述铝液交换的热量，ce表示所述电解质的比热容，me表示所述电解质的质量，δte表示所述电解质的温度变化量；通过第二公式确定所述液态体系中以所述铝液为目标对象时的第二热量，其中，所述第二公式为：qin2+qex-qcout2＝c1*m1*δt1，qin2表示所述铝液吸收所述电流产生的热量，qcout2表示所述铝液对所述侧部槽壳的散热量，c1表示所述铝液的比热容，m1表示所述铝液的质量，δt1表示所述铝液的温度变化量；确定所述第一热量和所述第二热量的和为所述第一可用热量。

4、可选地，确定所述固态体系的第二可用热量，包括：通过第三公式确定所述固态体系的所述第二可用热量，其中，所述第三公式为：qconv-qout＝cs*ms*δts，qconv表示所述液态体系传递到所述固态体系的热量，qout表示所述固态体系传递到环境中的热量，cs表示所述固态体系的比热容，ms表示所述固态体系的质量，δts表示所述固态体系的平均温度的变化量。

5、可选地，该基于热电联产的铝电解槽的温度控制方法还包括：通过第四公式确定所述液态体系传递到所述固态体系的热量qconv，其中，所述第四公式为：qconv＝qcout1+qcout2+qdout，qcout1表示所述电解质对侧部槽壳的散热量，qcout2表示所述铝液对所述侧部槽壳的散热量，qdout表示所述电解质对所述阳极炭块的散热量；通过第五公式确定所述电解质对所述阳极炭块的散热量qdout，其中，所述第五公式为：qdout＝hc(te-ts)acδt，ts为所述液态体系的温度，ta为所述固态体系的平均温度，hc为所述电解质与顶部阳极炭块间的对流换热系数，ac为所述电解质与所述顶部阳极炭块间的换热面积。

6、可选地，根据所述第一可用热量确定所述液态体系分别与时间、温度以及电流之间的第一变化关系，包括：通过第六公式确定所述液态体系与温度之间的关系，其中，所述第六公式为：qin+qchp-qreac-qh-qcout1-qcout2-qdout＝(ce*me+c1*m1)*δte，qin表示所述液态体系的电流热效应产生的热量。

7、可选地，所述液态体系的电流热效应产生的热量通过第七公式确定，其中，所述第七公式为：qin＝(ucell-e)iδt，ucell表示所述铝电解槽的槽电压，e表示所述铝电解槽的电化学反应压降，i表示通入所述铝电解槽的电流；所述热电联产系统的热电机组供给所述电解质加热的热量通过第八公式确定，其中，所述第八公式为：qchp表示所述热电联产系统的热电机组传输到液态体系的热量，ηh表示所述液态体系吸收热电机组输出的热功率的吸收率，i表示所述热电机组的编号，n表示所述热电机组的数量，表示所述热电机组i发出的热功率，δt表示单位时间长度。

8、可选地，所述热电联产系统的热电机组供给所述电解质加热的热量qreac通过第九公式确定，其中，所述第九公式为：表示生产每吨铝电解铝化学反应的功率消耗，m表示每台所述铝电解槽的产铝量；加热物料所需的热量通过第十公式确定，其中，所述第十公式为：表示加热焓折算成电能消耗；通过第十一公式确定每台所述铝电解槽的产铝量m＝0.3356iη，η表示电解槽电流的有效率。

9、可选地，根据所述第一可用热量确定所述液态体系分别与时间、温度以及电流之间的第一变化关系，包括：通过第十二公式确定所述液态体系分别与时间、温度以及电流之间的所述第一变化关系，其中，所述第十二公式为：δte表示所述电解质的温度变化量，δt表示单位时间长度，ucell表示所述铝电解槽的槽电压，e表示所述铝电解槽的电化学反应压降，i表示通入所述铝电解槽的电流，表示生产每吨铝电解铝化学反应的功率消耗，ηh表示所述电解质吸收热电机组输出的热功率的吸收率，m表示每台所述铝电解槽的产铝量，表示加热焓折算成电能消耗，ce表示所述电解质的比热容，me表示所述电解质的质量，c1表示铝液的比热容，m1表示铝液的质量,te、ts分别为液态体系和固态体系的平均温度，ts为常数；he、h1、hc分别为电解质与侧部槽壳间、铝液与侧部槽壳间、电解质与顶部阳极炭块间的对流换热系数；ae、a1、ac分别为电解质与侧部槽壳间、铝液与侧部槽壳间、电解质与顶部阳极炭块间的换热面积。

10、可选地，根据所述第二可用热量确定所述固态体系的温度与时间的第二变化关系，包括：通过第十三公式确定所述固态体系的温度与时间的第二变化关系，其中，所述第十三公式为：δts表示所述固态体系的平均温度变化量，cs表示固态体系的比热容，ms固态体系的质量,hs表示固态体系与外界环境间的对流换热系数，as表示固态体系与外界环境间的换热面积，ta为外界环境平均温度。

11、根据本发明实施例的另外一个方面，还提供了一种基于热电联产的铝电解槽的温度控制装置，包括：第一确定单元，用于根据电解铝系统中铝电解槽的结构信息确定所述铝电解槽对应的液态体系和固态体系，其中，所述液态体系是所述铝电解槽中电解质与铝液对应的体系，所述固态体系是所述铝电解槽中槽壳与阳极炭块对应的体系；第二确定单元，用于确定所述液态体系的第一可用热量和所述固态体系的第二可用热量，其中，所述第一可用热量为所述液态体系的电流热效应产生的热量，所述第二可用热量为所述固态体系的热对流效应产生的热量；第三确定单元，用于根据所述第一可用热量确定所述液态体系分别与时间、温度以及电流之间的第一变化关系，并根据所述第二可用热量确定所述固态体系的温度与时间的第二变化关系；第四确定单元，用于根据所述第一变化关系和所述第二变化关系确定铝电解质与电流、热电联产系统的热功率之间的第三变化关系；第五确定单元，用于根据所述第三变化关系确定所述热电联产系统需要向所述电解铝系统提供的热功率值；控制单元，用于控制所述热电联产系统按照所述热功率值和所述电功率值向所述电解铝系统输送热功率，以使所述铝电解槽的温度保持在预定范围内。

12、可选地，所述第二确定单元，包括：第一确定模块，用于通过第一公式确定所述液态体系中以所述电解质为目标对象时的第一热量，其中，所述第一公式为：qin1+qchp-qreac-qh-qcout1-qcout-qex＝ce*me*δte，qin1表示所述电解槽电流热效应产生的热量，qchp表示所述热电联产系统的热电机组供给所述电解质加热的热量，qreac表示电化学反应过程中所吸收的热量，qh表示加热物料所需的热量，qcout1表示所述电解质对侧部槽壳的散热量，qcout表示所述电解质对所述阳极炭块的散热量，qex表示所述电解质与所述铝液交换的热量，ce表示所述电解质的比热容，me表示所述电解质的质量，δte表示所述电解质的温度变化量；第二确定模块，用于通过第二公式确定所述液态体系中以所述铝液为目标对象时的第二热量，其中，所述第二公式为：qin2+qex-qcout2＝c1*m1*δt1，qin2表示所述铝液吸收所述电流产生的热量，qcout2表示所述铝液对所述侧部槽壳的散热量，c1表示所述铝液的比热容，m1表示所述铝液的质量，δt1表示所述铝液的温度变化量；确定所述第一热量和所述第二热量的和为所述第一可用热量。

13、可选地，所述第二确定单元，包括：第三确定模块，用于通过第三公式确定所述固态体系的所述第二可用热量，其中，所述第三公式为：qconv-qout＝cs*ms*δts，qconv表示所述液态体系传递到所述固态体系的热量，qout表示所述固态体系传递到环境中的热量，cs表示所述固态体系的比热容，ms表示所述固态体系的质量，δts表示所述固态体系的平均温度的变化量。

14、可选地，该基于热电联产的铝电解槽的温度控制装置还包括：第四确定模块，用于通过第四公式确定所述液态体系传递到所述固态体系的热量qconv，其中，所述第四公式为：qconv＝qcout1+qcout2+qdout，qcout1表示所述电解质对侧部槽壳的散热量，qcout2表示所述铝液对所述侧部槽壳的散热量，qdout表示所述电解质对所述阳极炭块的散热量；第五确定模块，用于通过第五公式确定所述电解质对所述阳极炭块的散热量qdout，其中，所述第五公式为：qdout＝hc(te-ts)acδt，ts为所述液态体系的温度，ta为所述固态体系的平均温度，hc为所述电解质与顶部阳极炭块间的对流换热系数，ac为所述电解质与所述顶部阳极炭块间的换热面积。

15、可选地，所述第三确定单元，包括：第六确定模块，用于通过第六公式确定所述液态体系与温度之间的关系，其中，所述第六公式为：qin+qchp-qreac-qh-qcout1-qcout2-qdout＝(ce*me+c1*m1)*δte，qin表示所述液态体系的电流热效应产生的热量。

16、可选地，所述液态体系的电流热效应产生的热量通过第七公式确定，其中，所述第七公式为：qin＝(ucell-e)iδt，ucell表示所述铝电解槽的槽电压，e表示所述铝电解槽的电化学反应压降，i表示通入所述铝电解槽的电流；所述热电联产系统的热电机组供给所述电解质加热的热量通过第八公式确定，其中，所述第八公式为：qchp表示所述热电联产系统的热电机组传输到液态体系的热量，ηh表示所述液态体系吸收热电机组输出的热功率的吸收率，i表示所述热电机组的编号，n表示所述热电机组的数量，表示所述热电机组i发出的热功率，δt表示单位时间长度。

17、可选地，所述热电联产系统的热电机组供给所述电解质加热的热量qreac通过第九公式确定，其中，所述第九公式为：表示生产每吨铝电解铝化学反应的功率消耗，m表示每台所述铝电解槽的产铝量；加热物料所需的热量通过第十公式确定，其中，所述第十公式为：表示加热焓折算成电能消耗；通过第十一公式确定每台所述铝电解槽的产铝量m＝0.3356iη，η表示电解槽电流的有效率。

18、可选地，所述第三确定单元，包括：第七确定模块，用于通过第十二公式确定所述液态体系分别与时间、温度以及电流之间的所述第一变化关系，其中，所述第十二公式为：δte表示所述电解质的温度变化量，δt表示单位时间长度，ucell表示所述铝电解槽的槽电压，e表示所述铝电解槽的电化学反应压降，i表示通入所述铝电解槽的电流，表示生产每吨铝电解铝化学反应的功率消耗，ηh表示所述电解质吸收热电机组输出的热功率的吸收率，m表示每台所述铝电解槽的产铝量，表示加热焓折算成电能消耗，ce表示所述电解质的比热容，me表示所述电解质的质量，c1表示铝液的比热容，m1表示铝液的质量,te、ts分别为液态体系和固态体系的平均温度，ts为常数；he、h1、hc分别为电解质与侧部槽壳间、铝液与侧部槽壳间、电解质与顶部阳极炭块间的对流换热系数；ae、a1、ac分别为电解质与侧部槽壳间、铝液与侧部槽壳间、电解质与顶部阳极炭块间的换热面积。

19、可选地，所述第三确定单元，包括：第八确定模块，用于通过第十三公式确定所述固态体系的温度与时间的第二变化关系，其中，所述第十三公式为：δts表示所述固态体系的平均温度变化量，cs表示固态体系的比热容，ms固态体系的质量,hs表示固态体系与外界环境间的对流换热系数，as表示固态体系与外界环境间的换热面积，ta为外界环境平均温度。

20、根据本发明实施例的另外一个方面，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，所述程序执行上述中任意一项所述的基于热电联产的铝电解槽的温度控制方法。

21、根据本发明实施例的另外一个方面，还提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述中任意一项所述的基于热电联产的铝电解槽的温度控制方法。

22、在本发明实施例中，根据电解铝系统中铝电解槽的结构信息确定铝电解槽对应的液态体系和固态体系，其中，液态体系是铝电解槽中电解质与铝液对应的体系，固态体系是铝电解槽中槽壳与阳极炭块对应的体系；确定液态体系的第一可用热量和固态体系的第二可用热量，其中，第一可用热量为液态体系的电流热效应产生的热量，第二可用热量为固态体系的热对流效应产生的热量；根据第一可用热量确定液态体系分别与时间、温度以及电流之间的第一变化关系，并根据第二可用热量确定固态体系的温度与时间的第二变化关系；根据第一变化关系和第二变化关系确定铝电解质与电流、热电联产系统的热功率之间的第三变化关系；根据第三变化关系确定热电联产系统需要向电解铝系统提供的热功率值；控制热电联产系统按照热功率值和电功率值向电解铝系统输送热功率，以使铝电解槽的温度保持在预定范围内。通过上述技术方案，实现了通过将铝电解槽分为液态体系和固态体系，对液态体系和固态系统进行分析后，得到热电联产系统需要向电解铝系统提供的热功率值，控制热电联产系统按照热功率值和电功率值向电解铝系统输送热功率，以使铝电解槽的温度保持在预定范围内的目的，在一定程度上有效克服了电解铝工业生产中多采用有限元分析法建立铝电解槽电热耦合模型，以分析各因素对铝电解槽热平衡的影响，计算量较大，适用性较低的缺陷，使得电解槽温度随时间动态变化过程以及温度与电流和chp热出力之间的关系可以被直观地观测到，进而解决了相关技术中电解铝工业生产中多采用有限元分析法建立铝电解槽电热耦合模型，以分析各因素对铝电解槽热平衡的影响，计算量较大，适用性较低的技术问题。