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噪声对超声波流量计的影响及案例分析


文章日期:2018-01-25|阅读数:


引言:天然气流量计量作为天然气管道工业中极其重要的一个环节 , 直接影响企业的经济效益和用户利益。近几年来, 使用多声道超声波流量计作为天然气计量仪表 , 利用传播时间差法原理来测量天然气流量 , 已经得到天然气工业界越来越广泛的认可。
 传播时间差法超声波流量计的工作原理是利用超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波脉冲 , 通过检测并计算该脉冲在介质中顺流和逆流的传播时间差来间接测量流体的流速 , 再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。 因此 , 为了获得传播时间, 就要求流量计的接收换能器能够正确检测到发射换能器发出的超声波脉冲 , 但是如果介质中存在超声噪声, 那么将使得换能器检测单元无法检测并分辨出正常的工作脉冲信号 , 导致流量计发生读数错误或停止计量。 管道输气生产中, 产生超声噪声的噪声源主要有调节阀、节流阀、减压阀、泵等设备。我国标准《用气体超声流量计测量天然气流量》中指出“来自于被测介质内部的噪声可能会对流量计的准确测量带来不利影响 , 在设计及安装过程中应让流量计尽可能远离噪声源或采取措施消除噪声干扰。然而 , 上述问题在某些天然气计量工程中并没有得到应有的重视 , 导致超声波流量计投产后出现影响计量准确性, 甚至计量停止的故障。 本文通过介绍调节阀噪声的衰减措施, 并对一起由调节阀噪声引起的超声波流量计故障案例进行分析及提出解决方案 , 建议完善细化我国超声波流量计在带噪声源工况条件下设计、安装的有关标准。

 
1、调节阀噪声及降噪措施:
1.1、调节阀噪声:
  在天然气管道输气生产过程中 , 调节阀是***常用到的调压设备。 当调节阀进行调压时, 会产生很宽频率范围的噪声 , 包括超声频率范围的超声噪声。该噪声从本质上具备声波的物理性质 , 它的大小与阀的类型、气体流速及调压压差等因素有关 , 噪声产生之后会向调节阀上游和下游同时传播。 但是由于调节阀的压差作用 , 气体在节流口被紧紧地向下游压缩 , 使得主要的噪声能量以冲击波的形式传播到了下游, 相对较少的噪声能量向上游传播。 对于超声波流量计, 其换能器超声脉冲都有特定的工作频率, 用于天然气计量的超声波流量计其脉冲频率均在 120kHz 以上。 换能器仅对其工作频率的脉冲信号进行响应, 若调节阀调压产生的噪声频率达到换能器工作频率 , 并通过气流介质传播到达超声波流量计时, 将使得换能器无法正常检测并分辨出工作脉冲信号 , 导致计量故障。
 
1.2、降噪措施:
  在带调节阀的工况场合设计使用超声波流量计要充分考虑降噪措施。
1)由于传播到调节阀上游的噪声能量远小于向下游传播的噪声能量 , 因此应首先考虑将调节阀安装在超声波流量计下游, 并确保有尽可能大的安装距离。
2)通过在超声波流量计和调节阀之间安装一定数量的管件可以达到不同程度衰减超声噪声的目的[ 1] , 不同管件的降噪能力见表 1 。
表 1 不同管件的降噪能力
     
  管件名称 降噪能力(dB)
     
  100m 直管段 5
     
  90 度弯头 5 ~ 6
     
  T 形管 10
     
  两平面弯头 14
     
  管束(换热器) 20
     
  多孔板消音器 24
     
  管束式消音器 33
     
 
如表 1 所示 , 在超声波流量计和调节阀之间安装 100m 的直管段和 90 度弯头的降噪能力相等, 但在应用中安装 100m 直管段是根本不切实际的做法。 比较普遍而有效的办法是在超声波流量计与调节阀之间使用 T 形管或两平面弯头来衰减调节阀噪声。 在实际的设计中 , 采用 T 形管的数量, 取决于很多因素, 当调节阀调压压差大于约 2.067M Pa 时应考虑使用两个或两个以上的 T 形管[ 3] 。 另外 , 若输气工艺中有过滤器、热交换器这样的设备时 , 考虑将它们安装在流量计与调节阀之间 , 会获得比使用弯头、T 形管更好的降噪作用。
 
3)利用电子技术的手段来应对调节阀噪声。 如在必要时通过使用更高频率的换能器, 或利用数字信号处理来加强对超声工作脉冲的识别和检测及减少外部噪声的影响等。
 采用以上方法能够起到不同程度的衰减噪声的作用。 在实际设计中, 根据具体情况应考虑多种措施配合使用。将调节阀安装在流量计下游, 并使用一个或多个 T 形管, 以及尽可能加大安装距离是实惠的降噪办法。
 
2、案例分析及解决方案:
  某计量分输站采用 Daniel3400 四声道超声波流量计作为天然气流量计量仪表。 其工艺流程示意如图 1 所示。
图 1   原工艺管道系统流程图
图 1   原工艺管道系统流程图
  由于生产工况要求, 其输气流程分为直通流程和调压流程两种情况。 直通流程 :阀 1 —大小头 — 整流器—超声波流量计—下游用户 ;调压流程 :阀 2 —调节阀 —整流器 —超声波流量计 —下游用户。在正常的生产过程中 , 直通流程和调压流程不会同时进行输气。 直通流程是早期建成投运的输气流程, 而调压流程是由于上游气源发生变化后 , 后期进行改造后新增的输气流程。 调压流程按照图 1 所示情况投产后, 随着阀 2 上游压力不断升高, 调节阀产生的调压压差随即升高, 先是超声波流量计出现了声道报警故障 , 随后计量完全停止。
  使用超声波流量计管理软件对其进行了诊断,从平均增益参数看并无显著异常变化 , 但是换能器平均性能相比正常情况时发生了明显的变化。 在正常情况下换能器上下游性能均为 100 %, 而故障情况下的平均性能如图 2 所示, 可见各换能器上下游性能均显著恶化, 导致这种情况的原因之一就是存在超声噪声干扰。
图 2   故障情况下的平均性能
图 2   故障情况下的平均性能
  同时, 另一个重要的参数 ———信噪比也显示出 对流量计的影响。了明确的诊断信息 , 帮助做出故障判断。 流量计正 结合现场及通过软件分析 , 图 1 所示的工艺流常工作情况下, A 、B 、C 、D 四个声道的信噪比分别为 程中影响计量的主要有三个问题 :1273 、2634 、3035 、1395(dB), 而故障情况下分别为 1)调节阀调压噪声是导致超声波流量计出现故113 、64 、23 、109(dB), 远远小于正常值。 障的根本原因 ;2)调节阀安装在了超声波流量计的根据现场工艺安装条件及图 2 和信噪比给出的 上游 , 且没有考虑足够的降噪措施 ;3)调压流程在整诊断信息, 即可判断超声波流量计上游调节阀是导 流器上游的 5D 直管段上进行了开孔连接, 也是错致流量计信噪比、平均性能严重恶化的根本原因。 误的做法。
  从图 1 可见, 尽管在调节阀到流量计之间有两个 90 根据上述故障情况 , 提出解决方案如图 3度弯头 , 但是它们并没有从根本上解决调节阀噪声 所示。
 图 3   改造后的工艺管道流程图


图 3   改造后的工艺管道流程图

 考虑站场条件限制及改造投资等因素, 调节阀保留在了超声波流量计的上游 , 但充分考虑了降噪措施。改造后工艺管道系统的调压流程与直通流程的连接位置改到了大小头的上游 , 采用易径四通进行连接 , 并且在调压流程上增加了一个 T 形管。改造后调压流程所产生的噪声被大大衰减, 使得超声波流量计能够正常计量。
 上述案列中 , 虽然通过降噪措施解决了超声波流量计受超声噪声影响不能计量的问题, 但值得注意的是调节阀安装在超声波流量计上游的做法在新建的工程中应予以避免。
 
3、结论:

 充分重视带噪声源情况下超声波流量计的设计和安装, 注意以下几个方面的问题 , 可以避免超声噪声影响流量计正常工作的情况发生 :
  1)将超声波流量计安装在调节阀上游, 并尽量保证二者之间有足够的距离;
  2)在超声波流量计和调节阀之间安装 T 形管等管件来达到衰减噪声的目的 ;
  3)了解超声波流量计的工作频率及调节阀产生噪声的频率范围 , 考虑采用更高发射频率的超声波流量计 , 以改善信噪比 ;4)在超声波流量计初步设计或改造阶段 , 加强设计单位工艺与仪表专业的沟通, 以及提前向制造商进行咨询获得技术支持是非常重要的 ;5)通过实验、运行及借鉴国外经验, 应尽快完善细化我国天然气管道行业关于超声波流量计设计及安装的有关规范。


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