摘 要 闡述聲發(fā)射技術的檢測原理，回顧了近年來聲發(fā)射技術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、流型轉變、顆粒質量流量、顆粒粒徑等方面的檢測，研究表明：聲發(fā)射信號對顆粒的運動非常敏感，能夠實時準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的發(fā)展方向。

關鍵詞 無損檢測 聲發(fā)射技術 氣固兩相流

中圖分類號 TP216? ?文獻標識碼 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，廣泛應用于石油化工、冶金、電力、環(huán)保、醫(yī)藥等領域［1，2］，對流動流型、顆粒濃度、顆粒速度及質量流量等的實時檢測，直接影響工業(yè)生產系統(tǒng)的操作和控制。流動的復雜性和隨機性使得流動參數檢測困難，氣固兩相流檢測技術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［7］，能夠檢測顆粒速度，由于顆粒電荷受顆粒性質、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)射技術是一種被動式的聲波檢測技術，作為一種動態(tài)無損檢測技術，在檢測設備狀態(tài)和動態(tài)參數方面得到了廣泛的應用，具有非侵入式、實時動態(tài)及適用于惡劣檢測環(huán)境等優(yōu)點。

1 聲發(fā)射技術檢測原理

聲發(fā)射是材料在外部力或內部力作用下局部能量快速釋放產生瞬態(tài)彈性波的現象［8］，聲發(fā)射技術使用壓電傳感器耦合在被測結構表面檢測彈性波并將其轉換為電信號，根據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、顯示器，信號超過門檻電壓時被采集，波形如圖1右側所示，參數有幅值、上升時間、持續(xù)時間等。對聲發(fā)射信號進行參數分析和頻譜分析，將聲發(fā)射信號與流動特征相關聯，以實現對氣固兩相流的檢測［11］。

2 聲發(fā)射技術檢測氣固兩相流研究現狀

2.1 氣固流化床

氣固流化床有良好的傳熱和傳質特性，是催化裂化、烯烴聚合、生物質氣化等工業(yè)過程的反應器，學者們應用聲發(fā)射技術研究了氣固流化床流型識別、流型轉變、最小流化速度及顆粒團聚等。

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雜，不同區(qū)域表現為不同的流型。

文獻［12］結合壓力脈動和聲發(fā)射技術研究了黏性顆粒運動軸向分布，聲發(fā)射信號能量軸向分布證實了黏性顆粒會出現分層流化現象；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。

文獻［13］使用聲發(fā)射技術檢測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，結合Hilbert?Huang分析床層不同位置顆粒運動特性，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 流型轉變

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

針對能量分析無法準確區(qū)分不同床層高度流型轉變速度的不足，文獻［15］對聲發(fā)射信號進行遞歸分析，發(fā)現了不同流型顆粒運動的周期性特點。根據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)化的轉變速度，且床層較低處的轉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之一，與流化床的工程設計和操作緊密相關［16］。

文獻［17］對氣固流化床的聲發(fā)射信號進行統(tǒng)計分析，信號的標準差、偏度和峰度隨氣速變化有兩個轉折點，分別對應初始流化速度（固體混合物中較小顆粒流化，出現孤立氣泡）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塊，嚴重時造成反應器堵塞。

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

文獻［19］將聲發(fā)射技術應用于烯烴聚合中試熱態(tài)試驗裝置結塊的檢測，比較了正常信號和結塊信號的功率譜質心，結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據描述方法建立預警模型，引入預警率參數減少錯誤預警，結果表明：建立的結塊早期預警模型比傳統(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)化設備，循環(huán)流化床鍋爐和催化裂化是其應用最廣泛的工業(yè)過程［20］，研究者使用聲發(fā)射技術研究循環(huán)流化床內的氣固流動。

2.2.1 物料返混高度

文獻［21］利用聲發(fā)射技術測量循環(huán)流化床物料返混高度，考察了粒徑、風量對流化狀態(tài)的影響，將聲發(fā)射信號進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數，得到了“最大返混上升高度”。

2.2.2 循環(huán)流化床防磨技術

文獻［22］使用聲發(fā)射技術研究循環(huán)流化床壁面磨損問題，對信號進行小波包分解處理，發(fā)現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，該頻段能量百分數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)流化床防磨技術提供了指導意見。

2.2.3 流型識別和流型轉變

在流型識別和流型轉變方面，文獻［23］對循環(huán)流化床聲發(fā)射信號進行標準差分析，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變速度，依據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，介尺度代表顆粒團和氣相的相互作用，宏尺度表征平均流動行為。

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

文獻［25］利用聲發(fā)射技術研究工業(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，提升管和下降管最初流化狀態(tài)穩(wěn)定，隨后由于下降管進出口固體流動不平衡導致提升管和下降管的流型不穩(wěn)定，觀察到下降管內流化床和移動床交替出現，通過信號能量的變化可以確定不穩(wěn)定階段的時間。

文獻［26］同時采用聲發(fā)射和壓力脈動法研究操作參數對循環(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，結合Hurst和分形分析得到信號多尺度特征，發(fā)現提升管不同位置的顆粒團和氣泡運動存在差異，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，底部更易出現環(huán)-核流形成顆粒團聚。

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

2.3 氣力輸送管道

氣力輸送過程固體顆粒參數的檢測有助于提高產品產量、降低成本和節(jié)能［28］，對于燃煤和生物質發(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)射技術在檢測氣力輸送管道流動特性方面取得了較大進展。

2.3.1 檢測顆粒質量流量

文獻［30］利用聲發(fā)射技術監(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的頻率由300 kHz增大到650 kHz，聲發(fā)射絕對能量與沙粒質量、表觀氣速呈正相關關系。

文獻［31］分析了顆粒-有機玻璃板碰撞和摩擦信號的功率譜，發(fā)現顆粒-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量流量和碰撞能量分數關系式，模型預測誤差低于6.62%。

安連鎖等采集了不同顆粒質量流量管道的聲發(fā)射信號，分別建立集合經驗模態(tài)分解（EEMD）IMF分量、小波包分解各頻段能量分數與顆粒質量流量的關系，EEMD方法得到的結果比小波包分析法更精確，平均誤差小于5%［32］。之后，該團隊又建立了EEMD和人工神經網絡聯合質量流量預測模型，優(yōu)化了神經網絡輸入層（IMF分量能量）個數、隱含層的層數和節(jié)點數，模型預測值與試驗結果吻合度較高，提供了一種氣力輸送顆粒質量流量實時在線測量手段［33］。

文獻［34］嘗試使用機器學習建立一個預測顆粒質量流量的通用模型，以信號時域特征、小波分解特征頻段能量分數及流型參數為模型輸入量，對不同規(guī)格管道和不同輸送物料的輸入量進行標準化，引入流型參數后不同流型的預測誤差降低8.9%，標準化也能顯著降低預測誤差，該項工作為實驗室規(guī)模的實驗和工業(yè)應用搭建了橋梁。

文獻［29］利用聲發(fā)射和靜電傳感器在線測量煤粉質量流量，通過靜電傳感器的多通道互相關獲得顆粒速度，建立了聲發(fā)射信號能量、顆粒速度和顆粒質量流量關聯式，檢測結果相對誤差在6.5%以內，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［35］對氣力輸送中兩種侵入式探針進行了對比，通過比較信號的均方根值，發(fā)現絲網探針采集的信號比T型探針更可信，EEMD的IMF能量與顆粒質量流量、IMF4的均方誤差貢獻分數與顆粒粒徑成線性關系。

2.3.2 檢測顆粒粒徑

文獻［36］在氣力輸送顆粒流中引入金屬波導桿，從顆粒撞擊產生的聲發(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系，比較了不同氣速下粒徑分布預測結果，發(fā)現高氣速條件下的預測結果更為精確，低氣速時小顆粒撞擊產生的信號被噪聲信號淹沒而難以識別，導致預測誤差較大。

文獻［37］把聲發(fā)射傳感器安裝在氣力輸送管道的彎頭外側，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行降噪處理，結合小波包分析和BP神經網絡建立了粒徑預測模型，預測相對誤差低于23%。

2.3.3 檢測顆粒速度

文獻［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性。

2.3.4 流型識別

ZHANG P等使用聲發(fā)射技術識別水平氣力輸送管道的流型，根據信號能量和能量分數隨表觀氣速的變化，能夠識別懸浮流到分層流的流型轉變，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］。該團隊還通過壓差法和聲發(fā)射技術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果表明：最小輸送速度在45°兩側呈現不同變化趨勢［40］。

文獻［41］對聲發(fā)射信號進行多尺度分析，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數的變化能夠反映粉煤的運動狀態(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，學者們還利用聲發(fā)射技術研究了臥式攪拌床反應器、矩形錯流移動床、旋風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生的聲發(fā)射信號頻率不同，文獻［42］利用聲發(fā)射技術檢測臥式攪拌床反應器結塊現象，頻譜分析和小波分析表明：加入結塊后，低頻段能量分數增大，高頻段能量分數降低，低頻段能量分數隨著結塊數量的增多而增大。文獻［43］提出一種基于聲發(fā)射技術的自回歸模型，建立了聲發(fā)射信號和臥式攪拌床反應器結塊的定性關系，冷模試驗信號自回歸功率譜分析表明：有結塊時信號低頻段能量增大，方差遠高于正常狀態(tài)，建立的聲發(fā)射自回歸模型成功應用于工業(yè)臥式攪拌床結塊檢測，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)射技術檢測矩形錯流移動床內的顆粒運動，通過頻譜分析發(fā)現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系，進一步利用聲發(fā)射技術檢測了空腔和貼壁現象，信號的功率譜能夠用來判斷空腔和貼壁現象，根據信號的標準差、平均絕對偏差能夠判斷是否出現貼壁現象，但不能識別空腔現象［44］。

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

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

3 展望

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

然而，聲發(fā)射技術檢測氣固兩相流還存在一些問題，需要在以下方面進一步研究：

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

b. 將智能算法與聲發(fā)射技術結合，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桿輔助進行，對波導桿的研究多只限于冷態(tài)試驗研究［47］，波導桿的聲傳播特性和設計缺少理論指導和試驗驗證，聲發(fā)射技術在更多工業(yè)現場氣固兩相流檢測有待探究。

參 考 文 獻

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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)射技術在氣固兩相流檢測中的研究進展［J］.化工自動化及儀表，2023，50（2）：131-136；164.