基于STA-LSSVM的槽电压优化方法_徐辰华.pdf

测控技术2023 年第 42 卷第 7 期计算机与控制系统收稿日期:2022 02 22基金项目:国家自然科学基金面上项目(62073090);广西重点研发项目(2018AB67003);校级科研项目人才专项(2021SDKYA118)引用格式:徐辰华，吴冠宏 基于 STA-LSSVM 的槽电压优化方法 J 测控技术，2023，42(7):110 118XU C H，WU G H Cell Voltage Optimization Method Based on STA-LSSVMJ Measurement Control Technology，2023，42(7):110 118基于 STA LSSVM 的槽电压优化方法徐辰华1，2*，吴冠宏2(1 广东技术师范大学 自动化学院，广东 广州510080;2 广西大学 电气工程学院，广西 南宁530004)摘要:针对铝电解过程中，槽电压的参数调节主要采用“试探法”、过于依赖技术员、耗时长等问题，提出了一种基于状态转移算法(State Transition Algorithm，STA)的槽电压优化方法。首先，采用灰色关联度分析方法确定槽电压模型的输入变量;然后，基于改进的最小二乘支持向量机(Least Square SupportVector Machine，LSSVM)建立槽电压软测量模型;最后，采用状态转移算法对槽电压优化控制模型进行实验，获得槽电压优化值和一组优化操作参数。结果表明，建立的槽电压软测量模型具有较高的预测精度，STA 算法可寻到 3 819 7 V 的优化槽电压值，相较于优化前降低了 115 8 mV，每吨铝直流电耗降低了 363 kWh，实现了槽电压的优化控制，达到了较好的节能降耗目的。关键词:电解铝;槽电压;状态转移算法;最小二乘支持向量机;灰色关联度分析中图分类号:TP391 9文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)07 0110 09doi:10 19708/j ckjs 2022 08 291Cell Voltage Optimization Method Based on STA LSSVMXU Chenhua1，2*，WU Guanhong2(1 School of Automation，Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510080，China;2 School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)Abstract:In the process of aluminum electrolysis，the parameter adjustment of the cell voltage is mainly basedon the“heuristic method”，which relies too much on technicians and takes a long time A cell voltage optimiza-tion method based on state transition algorithm(STA)is proposed Firstly，the input variables of the cell volt-age model are determined by the grey relation analysis method Then，based on the improved least square sup-port vector machine(LSSVM)，the cell voltage soft sensing model is established Finally，the optimal controlmodel of cell voltage is experimented with the STA，and the optimal value of cell voltage and a set of optimaloperating parameters are obtained The results show that the established cell voltage soft sensing model has highprediction accuracy，and the STA can find the optimal cell voltage value of 3.819 7 V，which is 115 8 mV low-er than before optimization，and the DC power consumption per ton is reduced by 363 kWh，which realizesthe optimal control of the cell voltage and achieves better energy saving and consumption reductionKey words:electrolytic aluminum;cell voltage;STA;LSSVM;grey relation analysis近年来，随着我国国民生活水平不断提高、环保观念不断增强，国家对待工业产业结构优化越来越重视，尤其是在能源开发的部分，其主要目标是控制能源强度和能源消耗。而电解铝作为我国工业范畴中的高能耗产业，是我国六大耗能产业之一。因此明确提出将包括电解铝行业在内的高耗能行业的可持续发展目标和指标作为国家产业结构政策改革的首要方向。据调查，截止到 2020 年 6 月底，中国电解铝工业总产量为0114 115 5 万吨/年。在产量上，我国达到了世界上铝生产大国的水平，但在铝电解生产节能技术方面我国却不是铝生产强国。2016 年我国电解铝行业交流电耗普遍维持在每吨铝 13 562 kWh1，约占我国的电力总耗电量 7 5%左右。在全球关注节能降耗、提倡低碳绿色经济背景下的今天，与国外顶尖水平相比较，我国仍存在一定的差距。胡红武等2 也提出随着我产业节能环保政策愈发严格，对电解槽进行技术升级改进来达到节能降耗的目的对铝行业的进步有重大意义。在铝电解显示生产当中，技术员往往采用规范电解质成分，将极距和氧化铝浓度、低效应系数稳定在一个较低的水平来提高电流效率。通过加强电解质的电导率水平，缩减阳极的过电压，减少接触和阳极效应的分布来实现对槽电压降低，以使铝电解槽有尽可能低的槽电压3，达到铝电解有较低的电能消耗的目的。舒建4 在实际生产当中进行了槽电压降低实验，结果显示每吨铝直流电耗下降 515 kWh，给铝电解生产管理提供了实践依据。曹永峰等5 利用低电压技术和优化电流效率相关参数的方法成功在 400 kA 电解槽上完成电流效率的提高。槽电压过大会对铝电解过程造成很多不好的影响，比如:浪费电能;电解质摄入的热量越来越多，造成槽温升高，致使电解槽逐渐变成热槽，炉膛被融化，铝产品质量受到影响;造成铝损失速度加快以及电流效率降低。通过研究在铝电解生产过程中降低槽电压，以达到节能降耗的目的。在现行的工业电解槽槽况下，选择降低槽电压，就意味着选择降低极距，然而只是简单地降低极距肯定会影响到铝电解槽的电流效率和电解槽的稳定性，最终使得电解槽的产铝量下降。因此，为了达到槽电压降低且不会影响到生产过程的电流效率这一目的，只能在合理的范围内，调节对槽电压有影响的技术条件。本文采用广西某铝厂电解生产系列中某一电解槽的生产数据作为实验仿真数据，首先根据灰色关联度分析计算出影响槽电压的各个参数关联度。根据关联度大小排序，挑选出关联度较高的参数，剔除掉关联度较低的参数。为了提高槽电压预测精度和泛化能力，选择用状态转移算法(State Transition Algorithm，STA)优化最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vec-tor Machines，LSSVM)模型参数，建立起槽电压预测模型，然后采用 STA 在实际生产数据上进行仿真实验，获得最优槽电压及其对应的技术条件。最后结果验证了 STA-LSSVM 槽电压预测模型拥有较好的预测效果，而且基于 STA 对槽电压寻优能够找到一个较优槽电压并相应优化生产条件。实验结果对现实生产的意义在于不仅可以减少能耗，也避免了对实际生产经验的过度依赖。1铝电解过程机理分析冰晶石 氧化铝融盐电解法在现代国内外电解铝的生产中得到广泛应用，这一方法仍然是当代工业生产金属铝的唯一办法。此方法是 1886 年法国的艾鲁特和美国的霍尔一起发明的，在电解槽工作时，槽温控制在 940 960，氧化铝作为原料溶解在冰晶石溶液的电解质熔体里，同时通入强大的直流电，使氧化铝电离成为含氧的络离子，在阴极上还原成金属铝，在阳极析出 CO 和 CO2气体。铝液成品每隔一段时间用真空抬包吸出，经过净化工序，浇铸成商品铝锭。电解产生的废气净化后排空，回收的氟化物返回电解槽。电解铝工艺流程如图 1 所示。图 1电解铝工艺流程图铝电解槽电压6 是处于电解槽进电端和出电端之间电压降。根据相关生产工艺分析7 8，在铝电解生产流程当中，槽电阻和电流强度直接反映着槽电压的变化，氧化铝浓度、电解质温度和分子比对改变电解质导电率有着显著的影响，从而影响到槽电压的稳定;并且阳极效应发生的一个重要原因就是氧化铝浓度较低，此时的槽电压迅速上升，破坏电解槽平衡状态;极距被称为是从阳极底掌到阴极铝液镜面的距离，它的大小对槽电阻有着直接影响，最终导致槽电压变化;电解质温度受铝液高度的影响，铝液高度改变电解槽热平衡进而改变槽电压稳定性;电解质水平过低的情况下，阳极浸润不足同样引发阳极效应，造成槽电压飙升;铝水平在过高的情况下，使得槽内散热量增加，致使槽底变冷影响电解槽热平衡，从而影响槽电压稳定性。综上工艺分析，确定影响槽电压(x0)变化的主要技术条件有:极距(x1)、电解质水平(x2)、槽电阻(x3)、氧化铝浓度(x4)、铝水平(x5)、电流强度(x6)、分子比(x7)和电解质温度(x8)。111基于 STA LSSVM 的槽电压优化方法2基于灰色关联度的建模数据处理2 1槽电压关联度分析计算灰色关联度分析9 12 是一种隶属于灰色系统理论领域的多因素统计分析方法，利用灰色关联分析来综合评价受各种因素影响的目标事物或者现象的这一种方法已被普遍接受和使用。灰色关联度法从评价目标的参数出发，计算各组参数的残差值，接着求出每个指标的灰色关联度大小并做出排序，排序的顺序说明了指标与目标的关系密切程度以及对目标影响的大小，排名越靠前代表指标对目标的影响越大。根据国内某铝厂 195 组铝电解现场生产数据，通过对该组数据进行灰色关联度分析，计算得到分辨系数 =0 5 时，每个评价参数关于评价目标的灰色关联度，如表 1 所示。表 1各影响因素对槽电压的关联度影响因素关联度影响因素关联度影响因素关联度x10999 7x40998 2x70 998 5x20978 9x50970 7x80 423 9x30994 5x60805 2根据表 1 对每个影响因素的灰色关联度大小进行排序，得到:x1 x7 x4 x3 x2 x5 x6 x8，即极距 分子比 氧化铝浓度 槽电阻 电解质水平 铝水平 电流强度 电解质温度。极距的关联度最大，对槽电压变化影响最明显，而电解质温度对槽电压有着较小的影响。所以本章筛选关联度值大于 0 8 的影响因素作为仿真试验数据指标，忽略电解质温度对槽电压的影响。2 2数据预处理为了便于网络模型的训练，需将电解槽原始数据进行数据预处理。缺失值处理。工业数据当中难免会出现数据缺失值，因此需要对其进行填补。本文利用多重插补来对缺失数据进行填补，多值插补的思想在于随机初始化待插补的值，实际步骤常常是预估出待插补的值，再伴随多种噪声，形成多组不同的候补插补集，根据评