摘 要 闡述聲發(fā)射技術(shù)的檢測原理，回顧了近年來聲發(fā)射技術(shù)在氣固兩相流檢測中的研究成果，包括氣固流化床、循環(huán)流化床、氣力輸送管道等，涉及到流化狀態(tài)識別、流型轉(zhuǎn)變、顆粒質(zhì)量流量、顆粒粒徑等方面的檢測，研究表明：聲發(fā)射信號對顆粒的運(yùn)動非常敏感，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確檢測氣固兩相流動特征。最后展望了基于聲發(fā)射的氣固兩相流檢測技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 無損檢測 聲發(fā)射技術(shù) 氣固兩相流

中圖分類號 TP216? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? ?文章編號 1000?3932（2023）02?0131?07

氣固兩相流是重要的多相流流動形式之一，廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、電力、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域［1，2］，對流動流型、顆粒濃度、顆粒速度及質(zhì)量流量等的實(shí)時檢測，直接影響工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的操作和控制。流動的復(fù)雜性和隨機(jī)性使得流動參數(shù)檢測困難，氣固兩相流檢測技術(shù)是理論研究和工程測量急需解決的問題［3～5］。

目前，氣固兩相流檢測方法主要包括光纖法、靜電法和聲波法。光纖法可同時檢測顆粒速度、濃度和粒徑［6］，但是只能用于檢測稀相流動；靜電法利用流動顆粒靜電特性獲得流體的流動參數(shù)［7］，能夠檢測顆粒速度，由于顆粒電荷受顆粒性質(zhì)、流動狀態(tài)和傳輸環(huán)境影響，不能直接測量工業(yè)過程的顆粒流量；聲發(fā)射技術(shù)是一種被動式的聲波檢測技術(shù)，作為一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，在檢測設(shè)備狀態(tài)和動態(tài)參數(shù)方面得到了廣泛的應(yīng)用，具有非侵入式、實(shí)時動態(tài)及適用于惡劣檢測環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

1 聲發(fā)射技術(shù)檢測原理

聲發(fā)射是材料在外部力或內(nèi)部力作用下局部能量快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象［8］，聲發(fā)射技術(shù)使用壓電傳感器耦合在被測結(jié)構(gòu)表面檢測彈性波并將其轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)信號的變化識別信號源的動態(tài)特性。氣固體系中的聲發(fā)射信號是顆粒-顆粒、顆粒-壁面的碰撞和摩擦作用及氣體湍流產(chǎn)生的，包括可聽聲和更高頻率的信號［9，10］。

氣固兩相流聲發(fā)射檢測系統(tǒng)如圖1所示，傳感器安裝在氣固體系的壁面上，依次連接系統(tǒng)主機(jī)、顯示器，信號超過門檻電壓時被采集，波形如圖1右側(cè)所示，參數(shù)有幅值、上升時間、持續(xù)時間等。對聲發(fā)射信號進(jìn)行參數(shù)分析和頻譜分析，將聲發(fā)射信號與流動特征相關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對氣固兩相流的檢測［11］。

2 聲發(fā)射技術(shù)檢測氣固兩相流研究現(xiàn)狀

2.1 氣固流化床

氣固流化床有良好的傳熱和傳質(zhì)特性，是催化裂化、烯烴聚合、生物質(zhì)氣化等工業(yè)過程的反應(yīng)器，學(xué)者們應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)研究了氣固流化床流型識別、流型轉(zhuǎn)變、最小流化速度及顆粒團(tuán)聚等。

2.1.1 流型識別

在流型識別方面，黏性顆粒氣固流化流型復(fù)雜，不同區(qū)域表現(xiàn)為不同的流型。

文獻(xiàn)［12］結(jié)合壓力脈動和聲發(fā)射技術(shù)研究了黏性顆粒運(yùn)動軸向分布，聲發(fā)射信號能量軸向分布證實(shí)了黏性顆粒會出現(xiàn)分層流化現(xiàn)象；作者還考察了表觀氣速和初始床層高度對流型的影響，建立了流型圖，可為優(yōu)化黏性顆粒流化操作提供指導(dǎo)。

文獻(xiàn)［13］使用聲發(fā)射技術(shù)檢測Geldart A/B/D類型顆粒氣固流化床塌落過程，通過信號能量曲線可以判別顆粒類型，結(jié)合Hilbert?Huang分析床層不同位置顆粒運(yùn)動特性，塌落過程中床層底部和上部顆粒與壁面的摩擦、撞擊作用不同。

2.1.2 流型轉(zhuǎn)變

在流型轉(zhuǎn)變方面，文獻(xiàn)［14］首次利用聲發(fā)射技術(shù)檢測聚乙烯顆粒流化狀態(tài)，結(jié)果表明：聲發(fā)射對顆粒運(yùn)動很敏感，通過信號能量時序分析可以得到流型轉(zhuǎn)變速度，檢測結(jié)果與壓力梯度法、壓力脈動法和經(jīng)驗公式計算值一致。結(jié)合顆粒溫度和信號能量空間分布，能定量測定顆粒運(yùn)動活性，提出了檢測分布板去流化區(qū)域的判據(jù)。

針對能量分析無法準(zhǔn)確區(qū)分不同床層高度流型轉(zhuǎn)變速度的不足，文獻(xiàn)［15］對聲發(fā)射信號進(jìn)行遞歸分析，發(fā)現(xiàn)了不同流型顆粒運(yùn)動的周期性特點(diǎn)。根據(jù)遞歸特征值隨氣速的變化能清晰檢測到從鼓泡流態(tài)化到湍動流態(tài)化的轉(zhuǎn)變速度，且床層較低處的轉(zhuǎn)變速度大于床層較高處的。

2.1.3 最小流化速度

最小流化速度是氣固流化床最重要的參數(shù)之一，與流化床的工程設(shè)計和操作緊密相關(guān)［16］。

文獻(xiàn)［17］對氣固流化床的聲發(fā)射信號進(jìn)行統(tǒng)計分析，信號的標(biāo)準(zhǔn)差、偏度和峰度隨氣速變化有兩個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別對應(yīng)初始流化速度（固體混合物中較小顆粒流化，出現(xiàn)孤立氣泡）和最小流化速度，床層高度增加時初始流化速度消失，即在足夠高的長徑比下較小顆粒也不易流化。

2.1.4 顆粒團(tuán)聚

流化床烯烴聚合過程會釋放大量的熱量，聚合物顆粒容易聚集結(jié)塊，嚴(yán)重時造成反應(yīng)器堵塞。

文獻(xiàn)［18］利用聲發(fā)射技術(shù)檢測近分布板區(qū)域的動結(jié)塊，對比加入絲狀結(jié)塊、塊狀結(jié)塊與正常流化信號能量和頻譜的差異，提出動結(jié)塊的聲發(fā)射判據(jù)。

文獻(xiàn)［19］將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于烯烴聚合中試熱態(tài)試驗裝置結(jié)塊的檢測，比較了正常信號和結(jié)塊信號的功率譜質(zhì)心，結(jié)塊時信號能量分布發(fā)生變化，利用小波包分解和支持向量數(shù)據(jù)描述方法建立預(yù)警模型，引入預(yù)警率參數(shù)減少錯誤預(yù)警，結(jié)果表明：建立的結(jié)塊早期預(yù)警模型比傳統(tǒng)的壓力和溫度監(jiān)測方法提前20～50 min發(fā)出預(yù)警。

2.2 循環(huán)流化床

循環(huán)流化床是典型的高效無氣泡流態(tài)化設(shè)備，循環(huán)流化床鍋爐和催化裂化是其應(yīng)用最廣泛的工業(yè)過程［20］，研究者使用聲發(fā)射技術(shù)研究循環(huán)流化床內(nèi)的氣固流動。

2.2.1 物料返混高度

文獻(xiàn)［21］利用聲發(fā)射技術(shù)測量循環(huán)流化床物料返混高度，考察了粒徑、風(fēng)量對流化狀態(tài)的影響，將聲發(fā)射信號進(jìn)行小波包尺度能量特征分析，對比完全流化狀態(tài)下不同高度特征頻段能量百分?jǐn)?shù)，得到了“最大返混上升高度”。

2.2.2 循環(huán)流化床防磨技術(shù)

文獻(xiàn)［22］使用聲發(fā)射技術(shù)研究循環(huán)流化床壁面磨損問題，對信號進(jìn)行小波包分解處理，發(fā)現(xiàn)0～12.5 kHz低頻段信號可以反映顆粒與壁面的接觸程度，加裝方形凸臺后，該頻段能量百分?jǐn)?shù)低于三角形和半圓形，說明方形凸臺更能減緩顆粒與壁面的碰撞摩擦作用，具有更好的防磨效果，為循環(huán)流化床防磨技術(shù)提供了指導(dǎo)意見。

2.2.3 流型識別和流型轉(zhuǎn)變

在流型識別和流型轉(zhuǎn)變方面，文獻(xiàn)［23］對循環(huán)流化床聲發(fā)射信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差分析，得到了鼓泡流化-湍流流化-快速流化-密相氣力輸送的流型轉(zhuǎn)變速度，依據(jù)Hurst和小波分析，將聲信號劃分為微尺度、介尺度和宏尺度，微尺度信號反映顆粒間碰撞和顆粒-壁面碰撞作用，介尺度代表顆粒團(tuán)和氣相的相互作用，宏尺度表征平均流動行為。

文獻(xiàn)［24］通過分析循環(huán)流化床非線性特征來預(yù)測流型轉(zhuǎn)變，通過算法復(fù)雜性、漲落復(fù)雜性和香農(nóng)熵分析獲取流型轉(zhuǎn)變速度，算法復(fù)雜性和香農(nóng)熵分析得到的流型轉(zhuǎn)變速度與經(jīng)驗值最接近。

文獻(xiàn)［25］利用聲發(fā)射技術(shù)研究工業(yè)規(guī)模冷態(tài)循環(huán)流化床顆粒循環(huán)建立過程的氣固動力學(xué)，提升管和下降管最初流化狀態(tài)穩(wěn)定，隨后由于下降管進(jìn)出口固體流動不平衡導(dǎo)致提升管和下降管的流型不穩(wěn)定，觀察到下降管內(nèi)流化床和移動床交替出現(xiàn)，通過信號能量的變化可以確定不穩(wěn)定階段的時間。

文獻(xiàn)［26］同時采用聲發(fā)射和壓力脈動法研究操作參數(shù)對循環(huán)流化床氣固混合的影響，考察了提升管、鼓泡床、密封罐的氣速對氣固流動的影響，提升管和鼓泡床的氣速對氣固流動的影響顯著，結(jié)合Hurst和分形分析得到信號多尺度特征，發(fā)現(xiàn)提升管不同位置的顆粒團(tuán)和氣泡運(yùn)動存在差異，在快速流化條件下，顆粒主要集中在提升管底部，上部區(qū)域顆粒濃度較低，底部更易出現(xiàn)環(huán)-核流形成顆粒團(tuán)聚。

文獻(xiàn)［27］借助波導(dǎo)桿檢測循環(huán)流化床提升管流型，設(shè)計的波導(dǎo)桿能有效屏蔽噪聲信號，根據(jù)聲發(fā)射信號能量徑向分布發(fā)現(xiàn)，在密相輸送時提升管表現(xiàn)為環(huán)-核流，信號能量與固體質(zhì)量通量成線性關(guān)系。

2.3 氣力輸送管道

氣力輸送過程固體顆粒參數(shù)的檢測有助于提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降低成本和節(jié)能［28］，對于燃煤和生物質(zhì)發(fā)電廠，精確檢測燃料流量可以提高燃燒效率，同時減少污染物排放［29］。近年來，聲發(fā)射技術(shù)在檢測氣力輸送管道流動特性方面取得了較大進(jìn)展。

2.3.1 檢測顆粒質(zhì)量流量

文獻(xiàn)［30］利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測沙粒輸送過程，沙粒量由0.2 g增加到1.0 g，信號最大能量所對應(yīng)的頻率由300 kHz增大到650 kHz，聲發(fā)射絕對能量與沙粒質(zhì)量、表觀氣速呈正相關(guān)關(guān)系。

文獻(xiàn)［31］分析了顆粒-有機(jī)玻璃板碰撞和摩擦信號的功率譜，發(fā)現(xiàn)顆粒-壁面碰撞信號的主頻高于顆粒-壁面摩擦信號，利用小波分析建立了稀相氣力輸送過程顆粒質(zhì)量流量和碰撞能量分?jǐn)?shù)關(guān)系式，模型預(yù)測誤差低于6.62%。

安連鎖等采集了不同顆粒質(zhì)量流量管道的聲發(fā)射信號，分別建立集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EEMD）IMF分量、小波包分解各頻段能量分?jǐn)?shù)與顆粒質(zhì)量流量的關(guān)系，EEMD方法得到的結(jié)果比小波包分析法更精確，平均誤差小于5%［32］。之后，該團(tuán)隊又建立了EEMD和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合質(zhì)量流量預(yù)測模型，優(yōu)化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層（IMF分量能量）個數(shù)、隱含層的層數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)，模型預(yù)測值與試驗結(jié)果吻合度較高，提供了一種氣力輸送顆粒質(zhì)量流量實(shí)時在線測量手段［33］。

文獻(xiàn)［34］嘗試使用機(jī)器學(xué)習(xí)建立一個預(yù)測顆粒質(zhì)量流量的通用模型，以信號時域特征、小波分解特征頻段能量分?jǐn)?shù)及流型參數(shù)為模型輸入量，對不同規(guī)格管道和不同輸送物料的輸入量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，引入流型參數(shù)后不同流型的預(yù)測誤差降低8.9%，標(biāo)準(zhǔn)化也能顯著降低預(yù)測誤差，該項工作為實(shí)驗室規(guī)模的實(shí)驗和工業(yè)應(yīng)用搭建了橋梁。

文獻(xiàn)［29］利用聲發(fā)射和靜電傳感器在線測量煤粉質(zhì)量流量，通過靜電傳感器的多通道互相關(guān)獲得顆粒速度，建立了聲發(fā)射信號能量、顆粒速度和顆粒質(zhì)量流量關(guān)聯(lián)式，檢測結(jié)果相對誤差在6.5%以內(nèi)，為傳統(tǒng)的粉煤電站改造為智能火力發(fā)電廠提供了必要條件。

文獻(xiàn)［35］對氣力輸送中兩種侵入式探針進(jìn)行了對比，通過比較信號的均方根值，發(fā)現(xiàn)絲網(wǎng)探針采集的信號比T型探針更可信，EEMD的IMF能量與顆粒質(zhì)量流量、IMF4的均方誤差貢獻(xiàn)分?jǐn)?shù)與顆粒粒徑成線性關(guān)系。

2.3.2 檢測顆粒粒徑

文獻(xiàn)［36］在氣力輸送顆粒流中引入金屬波導(dǎo)桿，從顆粒撞擊產(chǎn)生的聲發(fā)射信號中提取顆粒粒徑分布信息，建立峰值電壓與顆粒粒徑的關(guān)系，比較了不同氣速下粒徑分布預(yù)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高氣速條件下的預(yù)測結(jié)果更為精確，低氣速時小顆粒撞擊產(chǎn)生的信號被噪聲信號淹沒而難以識別，導(dǎo)致預(yù)測誤差較大。

文獻(xiàn)［37］把聲發(fā)射傳感器安裝在氣力輸送管道的彎頭外側(cè)，通過Savitzky?Glay平滑濾波器輔助的多次掃描累積方法對功率譜進(jìn)行降噪處理，結(jié)合小波包分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了粒徑預(yù)測模型，預(yù)測相對誤差低于23%。

2.3.3 檢測顆粒速度

文獻(xiàn)［38］將聲發(fā)射傳感器安裝在氣力輸送管道固定軸向距離的兩個金屬絲網(wǎng)上，通過接收信號的時間差計算顆粒平均速度，考察了傳感器安裝位置對信號的影響，信號均方根值與顆粒動量、能量與顆粒動能有很好的相關(guān)性。

2.3.4 流型識別

ZHANG P等使用聲發(fā)射技術(shù)識別水平氣力輸送管道的流型，根據(jù)信號能量和能量分?jǐn)?shù)隨表觀氣速的變化，能夠識別懸浮流到分層流的流型轉(zhuǎn)變，定義周向波動差異并建立流型圖，通過不同顆粒、不同管徑和檢測位置試驗，驗證了該方法的通用性［39］。該團(tuán)隊還通過壓差法和聲發(fā)射技術(shù)研究了斜管傾斜角度對最小輸送速度的影響，不同傾斜角度斜管的聲發(fā)射信號能量隨表觀氣速變化結(jié)果表明：最小輸送速度在45°兩側(cè)呈現(xiàn)不同變化趨勢［40］。

文獻(xiàn)［41］對聲發(fā)射信號進(jìn)行多尺度分析，研究了粉煤高壓密相氣力輸送流動形態(tài)，借助V統(tǒng)計分析和小波分析，將聲信號分為微尺度（18.75～300 kHz）、介尺度（2.34～18.75 kHz）和宏尺度（0～2.34 kHz），分別表示顆粒-壁面相互作用、氣固相互作用、氣體-壁面摩擦引起的管道振動，微尺度和介尺度信號能量分?jǐn)?shù)的變化能夠反映粉煤的運(yùn)動狀態(tài)。

2.4 其他氣固兩相流

除了氣固流化床、循環(huán)流化床和氣力輸送管道的檢測外，學(xué)者們還利用聲發(fā)射技術(shù)研究了臥式攪拌床反應(yīng)器、矩形錯流移動床、旋風(fēng)分離器的氣固流動和輸氣管道故障檢測。

不同粒徑的顆粒撞擊壁面產(chǎn)生的聲發(fā)射信號頻率不同，文獻(xiàn)［42］利用聲發(fā)射技術(shù)檢測臥式攪拌床反應(yīng)器結(jié)塊現(xiàn)象，頻譜分析和小波分析表明：加入結(jié)塊后，低頻段能量分?jǐn)?shù)增大，高頻段能量分?jǐn)?shù)降低，低頻段能量分?jǐn)?shù)隨著結(jié)塊數(shù)量的增多而增大。文獻(xiàn)［43］提出一種基于聲發(fā)射技術(shù)的自回歸模型，建立了聲發(fā)射信號和臥式攪拌床反應(yīng)器結(jié)塊的定性關(guān)系，冷模試驗信號自回歸功率譜分析表明：有結(jié)塊時信號低頻段能量增大，方差遠(yuǎn)高于正常狀態(tài)，建立的聲發(fā)射自回歸模型成功應(yīng)用于工業(yè)臥式攪拌床結(jié)塊檢測，該方法對環(huán)境友好且有較高的精度。

JIANG Y T等首次使用聲發(fā)射技術(shù)檢測矩形錯流移動床內(nèi)的顆粒運(yùn)動，通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)顆粒排料速率與信號平均能量、顆粒移動速度與信號特征峰頻率位移成線性關(guān)系，進(jìn)一步利用聲發(fā)射技術(shù)檢測了空腔和貼壁現(xiàn)象，信號的功率譜能夠用來判斷空腔和貼壁現(xiàn)象，根據(jù)信號的標(biāo)準(zhǔn)差、平均絕對偏差能夠判斷是否出現(xiàn)貼壁現(xiàn)象，但不能識別空腔現(xiàn)象［44］。

文獻(xiàn)［45］結(jié)合多種分析方法監(jiān)測旋風(fēng)分離器氣固流體力學(xué)和分離效率的臨界變化，信號能量反映顆粒運(yùn)動和顆粒-壁面相互作用，信息熵表征氣固兩相運(yùn)動混沌特性和復(fù)雜程度，通過Hurst和小波分析得到旋風(fēng)分離器內(nèi)部多尺度特征（顆粒-顆粒及顆粒壁面碰撞、顆粒團(tuán)與氣相的相互作用、整體流動行為），將這些分析結(jié)果與通過進(jìn)出口固含量比值計算的分離效率、壓降結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明：聲發(fā)射技術(shù)能夠有效反映旋風(fēng)分離器分離效率的臨界變化。

文獻(xiàn)［46］將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于輸氣管道故障檢測，研究不同氣速下管道內(nèi)含有水滴和固體顆粒的聲發(fā)射信號，發(fā)現(xiàn)信號的能量、特征頻率和管道氣速、管道內(nèi)的顆粒種類及質(zhì)量有很好的相關(guān)性。

3 展望

氣固兩相流流動具有非線性和多尺度特性，準(zhǔn)確檢測其動態(tài)特征對于優(yōu)化操作具有重大意義。聲發(fā)射技術(shù)作為一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，檢測信號來源于氣固體系本身，對顆粒運(yùn)動檢測靈敏度高。筆者總結(jié)了聲發(fā)射技術(shù)檢測氣固兩相流流型、流動參數(shù)和故障的應(yīng)用，表明聲發(fā)射技術(shù)可以實(shí)時快速準(zhǔn)確地檢測氣固流動特征。

然而，聲發(fā)射技術(shù)檢測氣固兩相流還存在一些問題，需要在以下方面進(jìn)一步研究：

a. 聲發(fā)射技術(shù)檢測現(xiàn)場可能包含連續(xù)或隨機(jī)背景噪聲，如何降低噪聲對信號的干擾并獲取與氣固流動相關(guān)的有用信息需要深入研究。

b. 將智能算法與聲發(fā)射技術(shù)結(jié)合，使氣固兩相流檢測自動化和智能化，提高檢測精度，減少對專業(yè)檢測人員的依賴是未來的發(fā)展方向。

c. 目前氣固兩相流聲發(fā)射試驗多在冷態(tài)下進(jìn)行，缺少熱態(tài)試驗研究。高溫條件下氣固兩相流檢測通常采用波導(dǎo)桿輔助進(jìn)行，對波導(dǎo)桿的研究多只限于冷態(tài)試驗研究［47］，波導(dǎo)桿的聲傳播特性和設(shè)計缺少理論指導(dǎo)和試驗驗證，聲發(fā)射技術(shù)在更多工業(yè)現(xiàn)場氣固兩相流檢測有待探究。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-07-25，修回日期：2022-11-17）

Application Study of Acoustic Emission Technology in?the Detection of Gas?Solid Flow

MO Ya?jing

（Luoyang Technology Research and Development Centre， SINOPEC? Engineering （Group）Co.，Ltd.）

Abstract? ? The detection principle of acoustic emission technology was briefly introduced， and the research results of acoustic emission technology in gas?solid flow detection in recent years were reviewed， including gas?solid fluidized bed， circulating fluidized bed and pneumatic conveying pipeline which involved the detection of fluidization state identification， flow pattern transformation， particle mass flow rate and particle size. The results demonstrate that， the acoustic emission signal is very sensitive to particles motion， and it can accurately detect gas?solid flow characteristics in time. Finally， the development direction of gas?solid flow detection technology based on acoustic emission was prospected.

Key words? ?NDT， acoustic emission technology， gas?solid flow

作者簡介：莫雅婧（1989-），工程師，從事聲發(fā)射檢測氣固兩相流方向的研究，moyajing.segr@sinopec.com。

引用本文：莫雅婧.聲發(fā)射技術(shù)在氣固兩相流檢測中的研究進(jìn)展［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：131-136；164.