噪聲對超聲波流量計的影響及案例分析
引言：天然氣流量計量作為天然氣管道工業中極其重要的一個環節 , 直接影響企業的經濟效益和用戶利益。近幾年來, 使用多聲道超聲波流量計作為天然氣計量儀表 , 利用傳播時間差法原理來測量天然氣流量 , 已經得到天然氣工業界越來越廣泛的認可。
傳播時間差法超聲波流量計的工作原理是利用超聲波換能器相向交替(或同時)收發超聲波脈沖 , 通過檢測并計算該脈沖在介質中順流和逆流的傳播時間差來間接測量流體的流速 , 再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。 因此 , 為了獲得傳播時間, 就要求流量計的接收換能器能夠正確檢測到發射換能器發出的超聲波脈沖 , 但是如果介質中存在超聲噪聲, 那么將使得換能器檢測單元無法檢測并分辨出正常的工作脈沖信號 , 導致流量計發生讀數錯誤或停止計量。 管道輸氣生產中, 產生超聲噪聲的噪聲源主要有調節閥、節流閥、減壓閥、泵等設備。我國標準《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》中指出“來自于被測介質內部的噪聲可能會對流量計的準確測量帶來不利影響 , 在設計及安裝過程中應讓流量計盡可能遠離噪聲源或采取措施消除噪聲干擾。然而 , 上述問題在某些天然氣計量工程中并沒有得到應有的重視 , 導致超聲波流量計投產后出現影響計量準確性, 甚至計量停止的故障。 本文通過介紹調節閥噪聲的衰減措施, 并對一起由調節閥噪聲引起的超聲波流量計故障案例進行分析及提出解決方案 , 建議完善細化我國超聲波流量計在帶噪聲源工況條件下設計、安裝的有關標準。
| 表 1 | 不同管件的降噪能力 | |
| 管件名稱 | 降噪能力(dB) | |
| 100m 直管段 | 5 | |
| 90 度彎頭 | 5 ～ 6 | |
| T 形管 | 10 | |
| 兩平面彎頭 | 14 | |
| 管束(換熱器) | 20 | |
| 多孔板消音器 | 24 | |
| 管束式消音器 | 33 | |
如表 1 所示 , 在超聲波流量計和調節閥之間安裝 100m 的直管段和 90 度彎頭的降噪能力相等, 但在應用中安裝 100m 直管段是根本不切實際的做法。 比較普遍而有效的辦法是在超聲波流量計與調節閥之間使用 T 形管或兩平面彎頭來衰減調節閥噪聲。 在實際的設計中 , 采用 T 形管的數量, 取決于很多因素, 當調節閥調壓壓差大于約 2.067M Pa 時應考慮使用兩個或兩個以上的 T 形管[ 3] 。 另外 , 若輸氣工藝中有過濾器、熱交換器這樣的設備時 , 考慮將它們安裝在流量計與調節閥之間 , 會獲得比使用彎頭、T 形管更好的降噪作用。
3)利用電子技術的手段來應對調節閥噪聲。 如在必要時通過使用更高頻率的換能器, 或利用數字信號處理來加強對超聲工作脈沖的識別和檢測及減少外部噪聲的影響等。
采用以上方法能夠起到不同程度的衰減噪聲的作用。 在實際設計中, 根據具體情況應考慮多種措施配合使用。將調節閥安裝在流量計下游, 并使用一個或多個 T 形管, 以及盡可能加大安裝距離是實惠的降噪辦法。
2、案例分析及解決方案：
某計量分輸站采用 Daniel3400 四聲道超聲波流量計作為天然氣流量計量儀表。 其工藝流程示意如圖 1 所示。
圖 1 原工藝管道系統流程圖
由于生產工況要求, 其輸氣流程分為直通流程和調壓流程兩種情況。 直通流程 :閥 1 —大小頭 — 整流器—超聲波流量計—下游用戶 ;調壓流程 :閥 2 —調節閥 —整流器 —超聲波流量計 —下游用戶。在正常的生產過程中 , 直通流程和調壓流程不會同時進行輸氣。 直通流程是早期建成投運的輸氣流程, 而調壓流程是由于上游氣源發生變化后 , 后期進行改造后新增的輸氣流程。 調壓流程按照圖 1 所示情況投產后, 隨著閥 2 上游壓力不斷升高, 調節閥產生的調壓壓差隨即升高, 先是超聲波流量計出現了聲道報警故障 , 隨后計量完全停止。
使用超聲波流量計管理軟件對其進行了診斷,從平均增益參數看并無顯著異常變化 , 但是換能器平均性能相比正常情況時發生了明顯的變化。 在正常情況下換能器上下游性能均為 100 %, 而故障情況下的平均性能如圖 2 所示, 可見各換能器上下游性能均顯著惡化, 導致這種情況的原因之一就是存在超聲噪聲干擾。
圖 2 故障情況下的平均性能
圖 3 改造后的工藝管道流程圖
考慮站場條件限制及改造投資等因素, 調節閥保留在了超聲波流量計的上游 , 但充分考慮了降噪措施。改造后工藝管道系統的調壓流程與直通流程的連接位置改到了大小頭的上游 , 采用易徑四通進行連接 , 并且在調壓流程上增加了一個 T 形管。改造后調壓流程所產生的噪聲被大大衰減, 使得超聲波流量計能夠正常計量。
上述案列中 , 雖然通過降噪措施解決了超聲波流量計受超聲噪聲影響不能計量的問題, 但值得注意的是調節閥安裝在超聲波流量計上游的做法在新建的工程中應予以避免。
3、結論：
充分重視帶噪聲源情況下超聲波流量計的設計和安裝, 注意以下幾個方面的問題 , 可以避免超聲噪聲影響流量計正常工作的情況發生 :
1)將超聲波流量計安裝在調節閥上游, 并盡量保證二者之間有足夠的距離;
2)在超聲波流量計和調節閥之間安裝 T 形管等管件來達到衰減噪聲的目的 ;
3)了解超聲波流量計的工作頻率及調節閥產生噪聲的頻率范圍 , 考慮采用更高發射頻率的超聲波流量計 , 以改善信噪比 ;4)在超聲波流量計初步設計或改造階段 , 加強設計單位工藝與儀表專業的溝通, 以及提前向制造商進行咨詢獲得技術支持是非常重要的 ;5)通過實驗、運行及借鑒國外經驗, 應盡快完善細化我國天然氣管道行業關于超聲波流量計設計及安裝的有關規范。