一种用于直接负荷控制的电解铝负荷电热特性建模方法

1.一种用于直接负荷控制的电解铝负荷电热特性建模方法，其特征是，包括以下步骤：搭建电解铝生产系列；采用冰晶石-氧化铝融盐电解法获取电解铝负荷；建立电解铝散热量模型；建立电解铝电热交换模型；确定电解铝负荷控制约束；所述电解铝电热交换模型为：电解质与环境热量交换满足:Q loss ＝(T r -T e0 )K (12)式中:Q loss 为电解槽散热量，K为热交换热导；T r 为环境温度；T e0 为正常产铝时电解质温度；根据热力学第一定律建立电解质温度变化模型:式中:C e 为电解质热容；T e (t)为电解质温度；Q e 为电解槽输入热量；所述电解铝负荷控制约束包括：电解铝负荷控制的约束为:T e (t)≥T liq (14)式中:T liq 为电解质初晶温度；电解铝断电的时间约束为:t cut ≤τln[(T e0 -T r )/(T liq -T r )] (15)式中:t cut 为电解铝断电直切控制的时间，τ＝C e /K为电解槽温度变化时间常数。 2.根据权利要求1所述的一种用于直接负荷控制的电解铝负荷电热特性建模方法，其特征是，所述直接负荷控制包括：电解铝的直接控制策略：通过切除电解铝的总降开关进行电解铝生产系列的功率切除；电解铝的恢复策略：当到达电解铝负荷的用电约束时，恢复电解铝的供电，提高槽的工作电压，增加电解槽的热量注入，恢复电解槽的热平衡，直至电解槽转入正常。 3.根据权利要求1所述的一种用于直接负荷控制的电解铝负荷电热特性建模方法，其特征是，所述搭建电解铝生产系列的过程为将若干电解槽串联连接，由同一直流电源供电，构成一个生产系列。 4.根据权利要求1所述的一种用于直接负荷控制的电解铝负荷电热特性建模方法，其特征是，所述冰晶石-氧化铝融盐电解法包括：1)电解铝的两极反应方程如下:Al 2 O 3 +1.5C＝＝2Al+1.5CO 2 (1)2)电解铝的副反应式如下:2Al+3CO 2 ＝＝Al 2 O 3 +3CO (2)部分CO 2 与C发生化学反应:如下C+CO 2 ＝＝2CO (3)3)电解铝的总反应式如下:x(1-y)γ-Al 2 O 3 +xyα-Al 2 O 3 +(1.5+b)C＝＝2xAl+(3x-1.5-b)CO 2 +(3-3x+2b)CO(4)式中:设y为γ-Al 2 O 3 型占比，x为电流效率百分数；b为CO 2 与C反应式中的摩尔数。 5.根据权利要求1所述的一种用于直接负荷控制的电解铝负荷电热特性建模方法，其特征是，所述电解铝散热量模型包括：1)电解槽电压U cell 为:U cell ＝U emf +U el +U bub +U an +U ca +U ex (5)式中:U emf 为极化电压；U el 为电解质电压；U bub 为电解质中阳极气泡电压；U an 为阳极电压；U ca 为阴极电压；U ex 为电解槽外部电压；2)热损失边界内的电解槽电压U cl 为:U cl ＝U emf +U el +U bub +U an +U ca (7)由式(5)和式(7)可得:U cl ＝U cell -U bus -U sh (8)式中:U bus 为阴、阳极母线压降；U sh 为母线均摊电压；U bus 和U sh 组成电解槽外部电压U ex ；3)电解铝当量电压E ΔH o 为：E ΔH o ＝-ΔH o (x)/(nF) (9)根据电解铝总反应式可得电子转移n＝6(x)；根据标准的γ-Al 2 O 3 化学反应数据，采用多元回归法得到当量电压，为电解质温度、环境温度、电流效率百分数、γ-Al 2 O 3 型占比以及CO 2 与C反应式中的摩尔数的函数，如式(10)所示：E ΔH o ＝0.23706+4.6757×10 -4 T e -2.25×10 -7 (T e ) 2 +x(1.4024+0.03253y+2.23×10 -4 T e )+b(0.3086-1.97×10 -5 T e )+(25-T r )[0.000145(x-xy)+0.0000138xy+0.000015(b+1.5)](10)式中:T r 为环境温度；T e 为电解质温度；y为γ-Al 2 O 3 型占比，x为电流效率百分数；b为CO 2 与C反应式中的摩尔数；4)电解槽散热量Q loss 为:Q loss ＝I(U cl -E ΔH o ) (11)式中:I为电解槽电流。 6.根据权利要求5所述的一种用于直接负荷控制的电解铝负荷电热特性建模方法，其特征是，所述U emf 是指长期电解并析出铝所需外加到两极上的最小电压，为氧化铝分解电压与两极过电压之和：U emf ＝U rev +η sa +η ca +η cc (6)U rev 为分解电压；η sa 为阳极表层过电压；η ca 为阳极过电压；η cc 为阴极过电压。