氣體超聲流量計受噪聲影響因素分析及解決方法

2022-11-04 08:18:06何勝利

當代化工研究 2022年19期

＊何勝利

（上海中核維思儀器儀表股份有限公司上海 201614）

1.前言

近年來，利用氣體超聲流量計進行天然氣的采集系統控制以及長輸管網輸送、城市門站、工業用戶之間的貿易交接計量，而在這些天然氣生產、輸送、流量控制和貿易計量的工藝過程中產生一些超聲類的噪聲，這些噪聲的頻率與氣體超聲流量計中換能器的工作頻率相接近，由此會對氣體超聲流量計的計量性能帶來負面影響。因而我們需要對工藝過程中能夠產生噪聲源的設備狀況進行分析，并從流量計計量系統的結構、換能器工作頻率、信號處理原理、信號處理電路以及信號處理軟件等方面找到消除噪聲影響的方法。

2.噪聲源分析

天然氣在生產輸送過程中需要根據輸氣量，輸氣管道的口徑，輸氣站場之間距離等情況，不斷的調節管道中的壓力，城市燃氣的中高壓調壓站或調壓箱成為了燃氣輸送的紐帶。而隨著燃氣需求量的不斷增加，輸氣管線中的最高壓力也會做相應的提升，在各級調壓站或調壓箱中的壓差和流量隨之增加，由此造成了調壓系統中調壓器的閥口產生頻率范圍非常寬的噪聲（超聲頻率也包括其中）。同時管網中的節流裝置和匯管，以及管道配置或安裝不規范造成管道內有突出物，也會產生高頻噪聲。這些噪聲主要分為以下幾類：

(1)流體動力學噪聲

流體動力學噪聲是指由管道中輸送的天然氣通過調節閥的閥口，相互摩擦作用造成流體內部的湍流所產生的輻射噪聲，主要機理是閥口固定物與流體的相對運動及流體自身的不規則運動，所激起的流體內部應力和壓力擾動在天然氣內的傳遞。

(2)空氣動力學噪聲

空氣動力學噪聲是指氣流內部運動或與物體互相作用所產生的噪聲。天然氣進入調壓器減壓并通過出口擴徑產生局部的壓力脈動，并以波的形式通過周圍的空氣向外傳播而形成噪聲。這種噪音產生的頻率大概是1000～8000Hz，峰值頻率也沒有特別的陡。這種噪音的原因主要有流體湍流和流體達到臨界流速引起的激波兩種情況。

(3)機械振動噪聲

機械振動噪聲是由于調節閥運轉時，機械類振動、固有頻率振動和由閥芯振蕩性位移引起流體的壓力波動而產生的噪聲。機械振動噪聲是指這一類噪聲產生的原因與調壓器的設計、零部件材料、加工工藝、裝配質量有關。

3.消除噪聲影響的方法

消除噪聲對氣體超聲流量計的負面影響需要從多方面入手，在氣體超聲流量計設計開發之初就要考慮今后的運行現場可能會出現的噪聲干擾問題，其次對于流量計的安裝環境條件提出一定的要求，以避免由于噪聲引起氣體超聲流量計的計量偏差。

(1)換能器頻率的選擇

換能器作為氣體超聲流量計中的一個關鍵部件，它承擔了超聲信號交替發射和接收的重要任務。在氣體超聲流量計中采用信噪比高的換能器，可大大提升流量計在實際應用中的準確度等級、可靠性和穩定性的技術指標。

通過對調壓器在不同運行環境中的試驗研究發現，調壓器的噪聲是一個復頻信號，聲頻從10kHz到100～200kHz均有，主要噪聲信號幅值較大的頻率集中在60kHz左右，所以在設計選擇換能器的工作頻率時，要避開噪聲的頻率范圍，通常選用200kHz頻率的換能器。由于調壓器產生的是一種寬帶復頻噪聲，所以在極端的情況下需要選用250kHz及以上的換能器，以保證流量計的信噪比能夠滿足測量精度的要求。

(2)信號處理單元

為了克服管道種的噪聲對氣體超聲流量計的影響，在信號處理單元需要采取多種的降噪方法：首先對于發射用的換能器采取多脈沖觸發，提高超聲波信號的信噪比；其次根據輸氣光纖中噪聲的特點，選用合適低通濾波電路，過濾超聲波信號種的低頻噪聲；最后采用數字圖像處理噪聲，也即通過編碼方式進行波形的傳輸，并通過各種軟件濾波的手段去除噪聲。

在實際應用中在波形采集、編碼、傳輸和處理期間，噪聲總是會出現在數字圖像中，很難從數字圖像中去除噪聲，我們可以通過分析噪聲行為來選擇這些濾波器。通過這種方式，對噪聲進行完整的量化分析及選擇其最適合的濾波器。通常濾除高斯噪聲采用的高斯濾波器或雙邊過濾器，過濾泊松噪聲采用均值濾波器，過濾脈沖噪音需采用中值過濾器。

(3)安裝位置的選擇

在設計氣體超聲流量計作為計量儀表的計量調壓裝置時，需要避免圖1所示的安裝位置。因為調壓器安裝在超聲流量計的前端，流體動力學噪聲會直接干擾氣體超聲流量計的運行。

圖1 調節閥安裝在流量計前端示意圖

一般情況下需要將調壓設備設計安裝到氣體超聲流量計的后端，如圖2所示。

圖2 調節閥安裝在流量計后端示意圖

在安裝位置許可的情況下，最好在計量儀表和調壓裝置之間的管線上加裝一個匯管，徹底隔絕調壓設備對氣體超聲流量計的干擾，如圖3所示。

圖3 流量計與調節閥之間加裝匯管示意圖

(4)加裝降噪管

有些調壓計量站是在原有的渦輪或腰輪計量調壓站基礎上改造的，整體安裝空間和投入費用有限，所以無法滿足計量儀表安放在調壓裝置之前。這種情況下可以考慮在計量儀表和調壓裝置之間安裝降噪管。目前最常用的是π型降噪管，如圖4所示。

圖4 π型降噪管示意圖

圖4中的π型降噪管使被測氣體可通過90°的彎頭和T型三通+封帽組合，改變噪聲在氣流中的直線傳播方向，通過噪聲在管壁中的多次反射，起到互相抵消作用。條件許可的情況下采用更多的T型三通+封帽組合相比90°彎頭效果會更好，能夠增強氣體流動反射對沖或旋轉混合的效果，使噪聲的反射強度增加，打亂和消弱噪聲的影響。

4.實際應用案例

在河北霸州的計量調壓站采用了2臺DN150 Class600四聲道氣體超聲流量計，設計初期僅考慮調壓器安放在超聲流量計的下游，并且在流量計和調壓器之間加裝了簡單的降噪管，未采取其它的降噪措施。實際投運，由于該站天然氣進出口的壓差比較大，調壓器距離流量計比較近，在運行中被測氣體的流速超過3m/s，就無法正常工作，流速數據亂跳，信噪比下降，使用率大幅下降，見圖5。