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    噪音對超聲流量計計量性能的影響及其改進措施

    來源: 中國石化天然氣分公司 計量研究中心 (湖北 武漢 作者:劉博韜 發布日期:2020-06-03 10:53:19

     摘 要 針對天然氣流量計量過程中超聲聲學噪聲對超聲流量計計量性能影響的問題,在分析超聲波流量計工作原理、超聲信號處理方式、噪聲產生原因和國內外降噪技術的基礎上,從流量計本身和工藝布局方面綜合考慮,歸納了5種可有效提高超聲流量計計量性能工藝降噪方案,可為利用超聲流量計計量的天然氣站場計量工藝設計和改造提供參考。

     
           氣體超聲流量計具有準確度高、測量范圍寬、無流阻部件、可雙向測量等優點,被廣泛應用于天然氣貿易交接計量。經過多年的應用,氣體流量測量多采用時差法超聲流量計[1]。它是通過處理超聲波信號獲得天然氣流量,所以噪聲聲波干擾成為影響超聲波流量計可靠性和準確度的主要因素之一[2]。國內外氣體超聲流量計使用標準[3-4]也對防止流量計聲學噪音提出了相關要求。目前有針對氣體超聲流量計噪聲影響分析和改進措施的相關研究,但都集中在輸氣站場改造和降噪技術分析,缺少成套的輸氣站場降噪系統工藝設計方案。 
     
    1 噪聲源分析
    目前在超聲流量計計量系統中,噪聲源主要有以下幾種。 
           1)超聲流量計自身產生電噪聲[1],主要指環境以及電路中的磁電信號引起的干擾,器件的熱噪聲引起的干擾等。這類噪聲一般是在元器件工作時才出現,是非隨機產生的。如外供電源中的高次諧波噪聲;電路板布線不合理引出的高頻晶體振蕩器帶來的噪聲。 
           2)工藝設備產生噪聲,主要有調壓裝置、節流閥、匯管等,其中以節流件產生的節流噪聲對超聲流量計的影響非常為常見。各種“無噪音”閥門通過將聲能轉換到20 kHZ的超聲頻段以獲得聽覺上的無噪,因此調壓裝置成了產生聲學干擾的主因素[8]。
           3)安裝運行不規范產生噪音,如前后直管段配管不合理、突出的探頭、管道內的突出物等,均可產生噪聲,增加對計量準確性的影響。 
           4)工作環境噪音影響,環境噪音引起超聲流量計信號失真。
     
    2 降噪措施
    2.1 流量計本身的降噪措施
    針對可能會出現的噪聲干擾,流量計生產廠家在設計中也會從多方面綜合考慮,采取一些抗干擾的措施[1]。 
           1)一般計量系統中調壓器的主頻是在 60 kHz左右,適當提升換能器的頻率,避開調壓裝置的諧振主頻范圍。同時,增強信號處理單元的電容和電感濾波電路,過濾掉調壓器的次諧振頻率。 
           2)對流量計中的超聲換能器芯片采用技術手段,使其包裹在全金屬組成的屏蔽層中間,抵抗外界的電磁干擾。 
           3)在超聲換能器內部結構設計時,考慮從機械結構件上傳輸過來的噪聲的影響,加裝減振部件。 
           4)電路板設計時,在供電電源部分增加隔離電路,選用優質的電源模塊。降低電路對噪聲的敏感度,減少噪聲的拾取,切斷外部噪聲耦合路徑。對于信號處理單元的內部,采用模擬地和數字地地線分離的手段,多點接地,合理布線。 
     
    2.2 工藝降噪措施
    2.2.1 在流量計下游合理位置安裝調節裝置
           由于流體流動和節流件結構影響,一般情況下,向調節閥下游傳播的噪聲能量比向上游傳播的噪聲能量更大,故應盡量將調壓裝置安裝在超聲流量計下游,并確保足夠的安裝距離。調壓器(閥)的工作頻率通常在30~110 kHz,而氣體超聲流量計的換能器頻率設計在 120~200kHz,通過選擇較高頻率的換能器,增大流量信號與噪聲的頻率差,增強流量信號和噪聲的辨識度,基本可以大幅降低或消除調壓器(閥)的聲學噪聲影響。 
     
    2.2.2 加設降噪裝置
           超聲波降噪器又叫消聲器或消噪器,是利用附有吸聲襯里的管道及彎頭,截面積突然改變及其他聲阻抗不連續的管道等降噪器件,使管道內噪聲得到衰減或反射回去,從而實現消噪功能。部分降噪器和整流器一體化設計,實現降噪和整流雙重功能[9-10];部分消噪器可將噪聲降低約30%[11]。 
     
    2.2.3 加裝特殊管道組件
           將一定數量的管道組件安裝在調節閥與超聲波流量計之間,通過阻礙聲波的傳播或經過多次反射,減弱噪聲的能量,實現降噪目的。所有的管道組件都可以衰減噪音,衰減的程度與頻率相關[3]。噪音頻率在 200 kHz 時,不同管道組件所具備的降噪能力見表1。
    200 kHz時不同管道組件降噪能力
           由表1可知,彎頭和三通可顯著降低超聲波噪音。在調節閥與流量計之間安裝熱交換器或過濾器,所發揮的降噪作用將高于彎頭和T形管。
     
    3 設計方案
           在氣體超聲流量計的電路設計中雖已能有效避免電噪聲的干擾,但對于調壓器(閥)(含調壓和調流)等降壓節流元件所產生的聲學噪聲干擾,因其隨壓力和流量交變及不同安裝位置所形成的環境,會產生不一樣的聲學噪聲,很難在實驗室條件下得以模擬,所以優化工藝布局解決聲學噪聲干擾問題,對氣體超聲流量計穩定可靠計量就顯得十分重要。在設計階段,對潛在的噪聲源進行充分論證,從場站工藝布置、設備選型等方面統籌考慮,從源頭上減少噪聲干擾,是氣體超聲流量計計量系統穩定可靠使用的有效保證。下面介紹幾種常用計量調壓橇的工藝布局方案[12]。 
     
    3.1 計量橇和調壓橇單路成串
           計量橇和調壓橇單路成串設計工藝布置方式,在近幾年的省市級燃氣輸氣工程設計中得到愈來愈多的應用。超聲流量計和調壓設備之間設計單個 π 型降噪管以消減下游調壓設備回傳的聲學噪聲,具有設備結構緊湊、占地面積少、投資費用少的特點。工藝流程如圖1所示。
    計量橇和調壓橇單路成串計量與調壓各自獨立成橇
    3.2 計量橇和調壓橇各自獨立帶有匯管
           計量橇和調壓橇各自獨立帶有匯管這種工藝布置方式,在長輸管線大型分輸計量站中應用較多。其特點是各系統模塊化、集成度高、功能完備并且有相對獨立性,計量橇和調壓橇之間工藝配置界面清晰,分別設有獨立的計量和調壓匯管,匯管之間通常通過埋地的管道相連,有效地消除調壓器所產生的聲學噪聲。該管道布置沿縱向跨距大,場站占地面積較大,相對建設成本較高,對于地方燃氣公司等中小型企業的工業用戶則顯得費用投入高。工藝流程如圖2所示。
     
    3.3 計量橇與調壓橇之間單匯管和簡易降噪管組合
           計量橇與調壓橇之間采用單匯管和簡易降噪管(一個T形管和一個彎管)組合設計,在城市燃氣門站、城市管網的輸配站廣泛應用。其設計特點是管線布局結構緊湊,通過簡易降噪管和匯管能有效消除下游調壓器(閥)帶來的噪聲干擾,保證氣體超聲波流量計獲得優良的使用性能。該方案可減少一根匯管配置,場站占用地面積也相對減少,對場站建設費用投入也會降低。工藝配置方式如圖3所示。 
    工藝配置方式
    3.4 計量橇與調壓橇之間有共用匯管連接
           計量橇與調壓橇之間有共用匯管連接設計方案,主要針對需改建使用氣體超聲流量計計量,適合現場匯管兩面出口大于 3D(D為匯管的直徑)條件的工藝布局場合。這種工藝布置對氣體超聲波流量計的抗噪適應性要求較高,依據目前國內外主流品牌氣體超聲波流量計的技術現狀,在計量橇支路和調壓橇支路的橫向跨距間隔至少大于3D的跨距,才能消除下游調壓器(閥)帶來的噪聲干擾,保證氣體超聲波流量計獲得優良的使用性能。此設計方案雖然減少一根匯管的配置,但場站占地面積仍然較大,場站建設費用投入下降不明顯。工藝流程如圖4所示。 
    計量橇與調壓橇之間有共用匯管連接計量橇與調壓橇通過Z型交叉工藝管道連接
    3.5 計量與調壓橇裝改造的Z型交叉
           計量與調壓橇裝改造的Z型交叉設計方案,常用于一些原雙路渦輪流量計計量調壓橇裝的設計改造上。這種工藝布置是通過Z字型交叉工藝連接方式,克服流量計與調壓器距離太近無法放置π型降噪器,利用管道之間的跨度來安裝π型降噪器,以消除調壓器(閥)聲學噪聲對超聲信號的干擾。此方案雖然占地面積少,但改造施工必須在場站內部動火切割焊接,施工安全準備工作較關鍵。工藝流程如圖5所示。
     
    4 結束語
           隨著超聲流量計在天然氣貿易計量中的廣泛應用,如何有效降低或消除噪聲對計量準確性的影響已成為業界關注的問題。在輸氣站場設計標準化和模塊化的趨勢下,用戶應考慮在特定安裝條件下是否會存在噪音干擾,在站場設計階段應向超聲流量計生產廠家和調節閥生產廠家咨詢,制定標準化的超聲流量計計量調壓流程,利用各種降噪管道組件、降噪器等,綜合考慮計量系統可靠性和建設成本經濟性,選用推薦的設計方案,可以保障氣體超聲流量計計量工作準確和穩定運行。
     
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