基于CCERT与声发射技术的气液固三相流相含率测量<sup>*</sup>
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基于CCERT与声发射技术的气液固三相流相含率测量
张凯1, 胡东芳2, 王保良1, 冀海峰1, 黄志尧1, 李海青1     
1. 浙江大学 控制科学与工程学院, 杭州 310027;
2. 浙江大学 化学工程与生物工程学院, 杭州 310027
摘要: 传统的相含率测量方法在测量三相流相含率时只能对某单一相进行检测,针对此问题,基于电容耦合电阻层析成像(CCERT)技术与声发射技术,建立了相含率测量模型,提出了一种三相流各相相含率的非侵入式测量方法。利用偏最小二乘回归法,在静态情况下建立CCERT技术的相含率测量模型,同时在鼓泡床上进行动态实验,采用差压法进行同步测量作为参考值验证模型的有效性,实现了对两相相含率的非接触测量。在此基础上,通过对声发射技术采集到的声音信号进行处理,建立声发射技术的气相相含率预测模型,利用该模型测量出三相体系中的气相相含率,结合CCERT技术测量出三相体系中的不导电相相含率,从而利用非侵入式测量方法得到三相流中的各相相含率。
关键词: 电容耦合     电阻层析成像     气液固三相流     声发射     相含率    
Measurement of phase holdup in gas-liquid-solid three-phase flow based on CCERT and acoustic emission
ZHANG Kai1, HU Dongfang2, WANG Baoliang1, JI Haifeng1, HUANG Zhiyao1, LI Haiqing1     
1. School of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
2. School of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Received: 2017-02-15; Accepted: 2017-08-23; Published online: 2017-08-24 18:24
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61371161)
Corresponding author. WANG Baoliang, E-mail: blwang@iipc.zju.edu.cn
Abstract: The traditional method to measure the phase holdup of three-phase flow is only for some single phase. In order to solve this problem, models to predict the phase holdup were established and a non-invasive method was proposed for the measurement of each phase holdup in three-phase flow based on capacitively coupled electrical resistance tomography (CCERT) and acoustic emission. Firstly, the phase holdup measurement model of gas-water two-phase flow was established by using partial least squares regression method in the static case. Meanwhile, the dynamic experiments that compare the method with the differential pressure method to verify the validity of the modelwere carried out on bubbling bed to fulfill the non-invasive measurement of the two-phase phase holdup. On this basis, the measurement model of gas holdup was established through processing the sound signals collected by acoustic emission system. Then, the gas holdupis measured in three-phase system by using the model and is combined with the non-conductive phase holdup measured by CCERT.Thus each phase holdup in three-phase flow is obtained in a non-invasive way.
Key words: capacitively coupled     electrical resistance tomography     gas-liquid-solid three-phase flow     acoustic emission     phase holdup    

随着航空航天科技的不断发展,国家对于航空燃料的需求也日益增长。生物燃料因其原料来源广泛、绿色环保的优点成为当前的研究热点。生物质水相催化合成技术是一项新型的燃料制取技术,目前已经取得了阶段性的成果[1]。鼓泡床反应器和固定床反应器是该技术的2种反应器[2],本文针对鼓泡床反应器中的三相相含率测量方法进行研究,有助于床内三相流动的机理研究和状态监测,对于提高燃料制取效率和安全性有着重要意义。

过程层析成像(Process Tomography,PT)技术是由计算机层析成像(Computerized Tomography,CT)技术上发展出的一类成像检测技术,能够实时地得到检测对象的主要参数。电阻层析成像技术(Electrical Resistance Tomography,ERT)因为其结构简单、成本低廉和非侵入等特点,成为目前的研究热点,有着重要的学术研究意义和广阔的工业应用前景[3]

电容耦合电阻层析成像(Capacitively Coupled Electrical Resistance Tomography, CCERT)技术是由电容耦合非接触电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection, C4D)技术[4-6]与ERT技术相结合而提出的,利用数字相敏解调技术得到电导率信息,相比于传统的ERT技术,实现了非接触测量。目前,该技术已在多相流领域取得了一定进展[7],但在流体参数测量方面还有待进一步研究。

鼓泡床反应器因其传热传质性能好、结构简单和不会堵塞等优点,在化工生产过程中有着广泛的应用。在鼓泡床反应器中,液相为连续相,气相和固相为离散相,对三相的相含率测量直接影响到了传质传热效率的提高,对于化工生产有着重要意义。然而,传统的相含率测量手段,诸如差压法[8]、电导探针法[9]、光纤探头法[10]等方法,都是侵入式测量,会对流场造成一定影响,同时这些方法只能测量某单一相含率,不能得到三相流的各相相含率。

针对这些问题,本文基于CCERT系统,利用数据挖掘方法,通过建立相含率测量模型,获取三相流中的不导电相(气相和固相)的相含率,利用声发射技术获取三相流中的气相相含率。结合2种技术所获取的信息,从而实现了对三相流体系中各相相含率的非接触检测。

1 系统基本原理与装置

图 1为C4D传感器的结构示意图。2个环状金属电极在轴向方向紧贴在管道外壁,其中,连接着交流激励源的电极为激励电极,另一个电极为检测电极,2个电极通过绝缘管壁与管道内的导电流体形成耦合电容C1C2,2个电极之间的导电流体等效为电阻R,其等效电路如图 2所示。对激励电极施加交流信号,信号通过等效电容与电阻后,检测系统在检测电极处接收到交流信号,此信号可以反映出管道内导电流体的电导信息。

图 1 C4D传感器示意图 Fig. 1 Schematic of C4D sensor
图 2 C4D传感器的等效电路 Fig. 2 Equivalent circuit of C4D sensor

CCERT系统是将C4D技术应用到ERT中,从而实现了非接触测量,其结构示意图如图 3所示。在同一水平面上,将12个矩形金属电极片等间距地贴在绝缘管壁外侧,管道中是被测流体。当绝缘管道内导电流体通过电极位置时,任意2个电极之间都存在一个等效电阻,该电阻随着流体的电导变化而变化。与此同时,金属电极会通过管壁与管道内的流体形成耦合电容。通过相敏解调技术,将电容信息与电阻信息分离,在上位机中得到被测流体的电导率分布信息,从而得到被测流体的分布信息。

图 3 CCERT传感器示意图 Fig. 3 Schematic of CCERT sensor

CCERT系统主要由3部分组成,整体结构如图 4所示,包括传感器、数据采集与处理系统和图像重建计算机。通过向某个电极施加正弦激励信号,数据采集与处理系统在其他电极上检测到电流信号,利用数字相敏解调技术,得到信号的幅值信息和相位信息,由此得到被测流体的电导率信息。根据求得的电导率信息,通过反线性投影(linear back projection)算法进行在线成像,得到被测流体的分布情况。

图 4 CCERT整体结构 Fig. 4 Integral structure of CCERT

与传统的ERT技术相比,CCERT技术实现了对被测流体的非侵入式测量,简化了安装过程的同时也不会对被测流场造成影响,在工业应用中有着广泛的前景。与传统ERT技术测量相含率类似,CCERT系统采集到的每一组电阻数据对应着一个相含率值,采用一定的数据挖掘方法对电阻数据进行处理,得到相含率的预测模型,即可测量出气液两相流中的各相相含率。

而此方法在三相流相含率的测量中有一定的局限性,只能得到导电相与不导电相的相含率。在本文的实验中,气相和固相为不导电相,即该方法不能区分出固相相含率和气相相含率。为此,本文利用声发射技术测量出三相流体系中的气相相含率,使得测量相含率的3个方程封闭,得到三相流体系中的各相相含率。

声发射技术通过采集被测对象的声波信号并进行处理,声波信号包含了鼓泡床内的综合动态信息,是气泡特性、颗粒特性以及操作条件等因素的动态反映。通过对声波信号的处理与分析,可以得到鼓泡床中的流型和相含率等信息。

本文所使用的声波检测系统主要由声波探头(北京鹏翔科技有限公司,PXR15)、前置放大器(北京鹏翔科技有限公司,PXPA IV)、主信号放大器(北京鹏翔科技有限公司,PXMA)和数据采集卡(NI公司,PCI-6071E)组成。

2 CCERT技术相含率测量实验

相含率作为两相流检测领域中重要的参数之一,其准确测量对于工业生产有着重要的意义[10]。传统层析成像技术利用重建出的流体分布图像,通过图像的灰度值计算出相含率[11-12],但是由于电学层析成像技术的“软场”特性[13]和数据量少等原因,该方法的精度有待提高。因此,本文利用偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)法将相含率与测量得到的电阻值建立线性回归模型,由此测算被测流体的相含率值。为此,本文实验分为静态实验和动态实验2组,利用静态实验模拟气液两相流流型来建立相含率的预测模型,同时利用所建立的预测模型在动态鼓泡床中测量各相相含率,验证模型的有效性。

静态实验采用的是12电极的CCERT传感器,在内径为100 mm、壁厚为3 mm的竖直管道中进行,利用不同直径的聚乙烯棒来模拟不同相含率下的泡状流。为了尽可能模拟多的情况,将不同直径的聚乙烯棒两两之间进行相互组合,并放置在管道的不同位置模拟多个气泡进行实验。聚乙烯棒与动态实验中离散的气泡存在一定差异,但其测量原理都是基于被测区域的电阻值来计算相含率,而电阻值又与绝缘部分的体积存在一定关系,因此可以初步将静态模型应用于动态实验中。静态实验一共采集了490组数据,每组数据包含66个电阻值和1个气相含率值,随机选取其中的375组作为训练集,选取剩余的115组作为测试集。图 5为采用PLSR法预测的气相相含率值与参考气相相含率值的对比。所建立模型的主成分数为8,决定系数R2为0.963 2,最大测量绝对误差为3.2%,满足实际应用要求。

图 5 PLSR的气相相含率预测模型 Fig. 5 Gas phase holdup prediction model of PLSR

为了进一步验证所建立的相含率预测模型的有效性,在内径为100 mm、壁厚为3 mm的鼓泡床中进行动态实验,实验介质为空气和水。利用静态实验中建立的模型测量相含率,采用差压法同步测量作为参考值进行对比。差压法测量相含率的方法如图 6所示。

图 6 差压法测量示意图 Fig. 6 Schematic of differential pressure method measurement

图 6可以得到

(1)
(2)

式中:ρl为液相密度;ρg为气相密度;g为重力加速度;εgAC两点之间的气相相含率;PA=PB。又因气体密度很小,所以忽略气体项,最终可以得到AC之间的气相相含率计算公式[14]

(3)

式中:ΔP为传感器两端的差压。本实验中,差压传感器的两端安装在CCERT电极上下两侧,距离为15 cm。分别利用2种方法同时测量了7个气体流量下的平均相含率值,结果对比如图 7(a)所示。同时,改变通气孔数量进行测量,结果如图 7(b)(c)所示。可以看出,随着气体流量的增加,相含率逐步增加。在气体流量相同的情况下,通气孔数量越多,相含率越大。所有的结果对比中,2种方法的测量结果最大相差3.4%。由此验证了本文所建立的CCERT相含率测量模型的可行性与有效性。

图 7 CCERT与差压法相含率测量值对比 Fig. 7 Comparison of phase holdup measurement values between CCERT and differential pressure method
3 声发射技术相含率测量实验

在实验室鼓泡床内进行气液两相流实验,利用声波探头采集相同液位、不同气体流量下的声波信号,通过一定的信号处理方法进行处理[15-16],同时利用差压法同步测定气相相含率,建立气相相含率的声波预测模型。声波探头在不同位置所采集到的信号并不相同,但由于本文的鼓泡床床径较小,声波信号所包含的能量信息基本一致,因此实验中只选用一个位置进行测量。本文声发射实验中低频段气相信号主要分布在10 kHz以下频段,高频段固相信号主要分布在10~20 kHz频段,为了尽可能复现系统本征信号,本实验中声发射技术的信号采样频率为200 kHz。

将采集到的初始声信号利用Daubechies二阶小波分解为1~9尺度的细节信号和一个概貌信号。由于9尺度下的最低频段为0~195.312 5 kHz,已经低于低频声信号所在频段,所以分解尺度定为9。将10个信号的能量值作为自变量,同时间内差压法测得的气相相含率值作为因变量,利用PLSR法建立气相相含率的预测模型。通过调节气体流量以及通气孔数量,一共采集了100组数据,随机选取其中的65组作为训练集,选取剩余的35组作为测试集,得到的预测结果对比如图 8所示。所建立预测模型的主成分数为4,R2为0.96,最大测量绝对误差为4.26%,满足实际应用的检测要求。

图 8 声发射技术的气相相含率预测模型 Fig. 8 Gas phase holdup prediction model of acoustic emission
4 三相流各相相含率测量实验

利用已经建立好的CCERT相含率预测模型以及声发射相含率预测模型,在气液固三相流体系中进行实验,测量三相的各相相含率。实验在内径为100 mm的实验室鼓泡床内进行,在气液两相流中添加300 g的不导电陶瓷颗粒作为固相,调节气体流量进行多组实验。其中,陶瓷颗粒粒径为3~5 mm,介电常数为0.619 pF/cm。通常来讲,三相流体系中的声波信号主要来源于气泡活动与固体颗粒碰撞,其中气泡运动产生的声信号频率较低,而固体颗粒产生的声信号频率较高。

为了获取参考值作为对比,采用CCERT与差压法相结合的方法来测量各相相含率。ERT技术与差压法结合测量三相流相含率的方法已经被验证可行[17],其公式推导如下:

(4)

式中:ρs为固相密度;H为2个取压点之间的距离;εlεsεg分别为液、固、气相相含率。

又由于气液固三相相含率之间满足如下关系:

(5)

忽略气体密度后,联立式(4)和式(5)得

(6)

利用已经建立好的CCERT相含率预测模型进行测量,得到不导电相(气相和固相)的相含率εm。所以,固相相含率为

(7)

之后,由式(6)和式(5)可以求得其他两相的相含率。

本文同时用将差压法与CCERT相结合的方法与将声发射技术与CCERT相结合的方法进行实验,2种方法测量结果的对比如图 9所示。可以看出,在相同气体流量下,加入固体颗粒后,气相相含率有所降低。同时,随着气体流量的增加,固相相含率的增长逐渐减缓。总体而言,2种方法的测量结果基本一致,最大相差值为2.8%。

图 9 三相流各相相含率测量结果 Fig. 9 Measurement results of phase holdup in three-phase flow
5 结论

1) 在静态实验中,建立CCERT技术的气液两相流相含率预测模型,决定系数为0.963 2,最大测量绝对误差为3.2%,并在动态实验中验证了模型的有效性。

2) 在气液两相流中建立了声发射技术的气相相含率预测模型,决定系数为0.96,最大测量绝对误差为4.26%,并验证了模型的有效性。

3) 融合CCERT技术与声发射技术的相含率预测信息,测量出三相流体系中的各相相含率,并与传统方法进行对比,验证可行性。

4) 结合了CCERT技术与声发射技术2种非接触式测量方法,提出了一种三相流相含率的非接触式测量方法。

参考文献
[1] 赵光辉, 姜伟, 牛欣宇, 等. 航空生物燃料制备技术及应用前景[J]. 中外能源, 2014, 19 (8): 30–34.
ZHAO G H, JIANG W, NIU X Y, et al. Jet fuel preparation technology and application prospects[J]. Sino-Global Energy, 2014, 19 (8): 30–34. (in Chinese)
[2] 马俊国, 葛庆杰, 马现刚, 等. 浆态床反应器中生物质合成气合成二甲醚的研究[J]. 燃料化学学报, 2012, 40 (7): 843–847.
MA J G, GE Q J, MA X G, et al. DME synthesis from biomass-derived syngas in a slurry-bed reactor[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2012, 40 (7): 843–847. (in Chinese)
[3] 李海青, 黄志尧. 特种检测技术及应用[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 2000.
LI H Q, HUANG Z Y. Special testing technology and its application[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2000. (in Chinese)
[4] GAS B, DEMJANENKO M, VACIK J. High-frequency contactless conductivity detection in isotachophoresis[J]. Journal of Chromatography, 1980, 192 (2): 253–257. DOI:10.1016/S0021-9673(80)80001-X
[5] ZEMANN A J, SCHNELL E, VOLGGER D, et al. Contactless conductivity detection for capillary electrophoresis[J]. Analytical Chemistry, 1998, 70 (3): 563–567. DOI:10.1021/ac9707592
[6] DA SILVA J A F, DO LAGO C L. An oscillometric detector for capillary electrophoresis[J]. Analytical Chemistry, 1998, 70 : 4339–4343. DOI:10.1021/ac980185g
[7] WANG B L, HU Y Y, JI H F, et al. A novel electrical resistance tomography system based on C4D technique[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2013, 62 (5): 1017–1024. DOI:10.1109/TIM.2013.2246912
[8] JOSHI J B, RANADE V V, GHARAT S D, et al. Sparged loop reactors[J]. Canadian Journal of Chemical Engineering, 1990, 68 (5): 705–741.
[9] CHRISTOPHE B, ANNE-MARIE D, GABRIEL W. Measuring techniques in gas-liquid and gas-liquid-solid reactors[J]. Chemical Engineering Science, 2002, 57 (16): 3185–3215. DOI:10.1016/S0009-2509(02)00193-8
[10] HEWITT G F. Measurement of two phase flow parameters[M]. London: Academic Press, 1978.
[11] HUANG Z Y, WANG B L, LI H Q. Application of electrical capacitance tomography to the void fraction measurement of two-phase flow[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2003, 52 (1): 7–12. DOI:10.1109/TIM.2003.809087
[12] ADAM M S, YANG W Q, WATSON R A. Capacitance tomographic system for the measurement of void fraction in transient cavitation[J]. Journal of Hydraulic Research, 1998, 36 (4): 707–719. DOI:10.1080/00221689809498617
[13] 王化祥, 曹章. 电阻抗层析成像系统"软场"非线性特性——基于统计的方法[J]. 天津大学学报, 2006, 39 (5): 543–547.
WANG H X, CAO Z. Nolinearity of "soft" field in electrical impedance tomography system-Based on statistical methods[J]. Journal of Tianjin University, 2006, 39 (5): 543–547. (in Chinese)
[14] 门卓武, 阙国和, BECHKISHA, 等. 操作变量对大型浆态床反应器流体力学特性的影响[J]. 化工学报, 2002, 53 (1): 4–10.
MEN Z W, QUE G H, BECHKISH A, et al. Effect of operating variables on hydrodynamics in large scale slurry bubble column reactor[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2002, 53 (1): 4–10. (in Chinese)
[15] WANG J D, WANG Y X, REN C J, et al. Determination of flooding/loading transition using acoustic emission measurement[J]. Quimica Nova, 2013, 34 (9): 1651–1655.
[16] 王云兴. 搅拌釜反应器相含率测量的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2010: 49-52.
WANG Y X.Research on phase holdup measurement in stirredtank reactor[D].Hangzhou:Zhejiang University, 2010:49-52(in Chinese). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10335-2010062536.htm
[17] 韩玉环, 靳海波. 采用电阻层析成像技术测量三相外环流反应器中相含率的实验研究[J]. 过程工程学报, 2009, 9 (3): 431–436.
HAN Y H, JIN H B. Experimental study on phase holdup in three-phase external loop airlift reactors using electrical resistance tomography[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2009, 9 (3): 431–436. (in Chinese)
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0065
北京航空航天大学主办。
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张凯, 胡东芳, 王保良, 冀海峰, 黄志尧, 李海青
ZHANG Kai, HU Dongfang, WANG Baoliang, JI Haifeng, HUANG Zhiyao, LI Haiqing
基于CCERT与声发射技术的气液固三相流相含率测量
Measurement of phase holdup in gas-liquid-solid three-phase flow based on CCERT and acoustic emission
北京航空航天大学学报, 2017, 43(11): 2352-2358
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2017, 43(11): 2352-2358
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0065

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收稿日期: 2017-02-15
录用日期: 2017-08-23
网络出版时间: 2017-08-24 18:24

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