噪聲對(duì)超聲波流量計(jì)的影響及案例分析
引言：天然氣流量計(jì)量作為天然氣管道工業(yè)中極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié) , 直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和用戶利益。近幾年來, 使用多聲道超聲波流量計(jì)作為天然氣計(jì)量?jī)x表 , 利用傳播時(shí)間差法原理來測(cè)量天然氣流量 , 已經(jīng)得到天然氣工業(yè)界越來越廣泛的認(rèn)可。
傳播時(shí)間差法超聲波流量計(jì)的工作原理是利用超聲波換能器相向交替(或同時(shí))收發(fā)超聲波脈沖 , 通過檢測(cè)并計(jì)算該脈沖在介質(zhì)中順流和逆流的傳播時(shí)間差來間接測(cè)量流體的流速 , 再通過流速來計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法。 因此 , 為了獲得傳播時(shí)間, 就要求流量計(jì)的接收換能器能夠正確檢測(cè)到發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波脈沖 , 但是如果介質(zhì)中存在超聲噪聲, 那么將使得換能器檢測(cè)單元無法檢測(cè)并分辨出正常的工作脈沖信號(hào) , 導(dǎo)致流量計(jì)發(fā)生讀數(shù)錯(cuò)誤或停止計(jì)量。 管道輸氣生產(chǎn)中, 產(chǎn)生超聲噪聲的噪聲源主要有調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥、減壓閥、泵等設(shè)備。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》中指出“來自于被測(cè)介質(zhì)內(nèi)部的噪聲可能會(huì)對(duì)流量計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量帶來不利影響 , 在設(shè)計(jì)及安裝過程中應(yīng)讓流量計(jì)盡可能遠(yuǎn)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(jì)量工程中并沒有得到應(yīng)有的重視 , 導(dǎo)致超聲波流量計(jì)投產(chǎn)后出現(xiàn)影響計(jì)量準(zhǔn)確性, 甚至計(jì)量停止的故障。 本文通過介紹調(diào)節(jié)閥噪聲的衰減措施, 并對(duì)一起由調(diào)節(jié)閥噪聲引起的超聲波流量計(jì)故障案例進(jìn)行分析及提出解決方案 , 建議完善細(xì)化我國(guó)超聲波流量計(jì)在帶噪聲源工況條件下設(shè)計(jì)、安裝的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
| 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(jì)和調(diào)節(jié)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(yīng)用中安裝 100m 直管段是根本不切實(shí)際的做法。 比較普遍而有效的辦法是在超聲波流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥之間使用 T 形管或兩平面彎頭來衰減調(diào)節(jié)閥噪聲。 在實(shí)際的設(shè)計(jì)中 , 采用 T 形管的數(shù)量, 取決于很多因素, 當(dāng)調(diào)節(jié)閥調(diào)壓壓差大于約 2.067M Pa 時(shí)應(yīng)考慮使用兩個(gè)或兩個(gè)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(shè)備時(shí) , 考慮將它們安裝在流量計(jì)與調(diào)節(jié)閥之間 , 會(huì)獲得比使用彎頭、T 形管更好的降噪作用。
3)利用電子技術(shù)的手段來應(yīng)對(duì)調(diào)節(jié)閥噪聲。 如在必要時(shí)通過使用更高頻率的換能器, 或利用數(shù)字信號(hào)處理來加強(qiáng)對(duì)超聲工作脈沖的識(shí)別和檢測(cè)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(shí)際設(shè)計(jì)中, 根據(jù)具體情況應(yīng)考慮多種措施配合使用。將調(diào)節(jié)閥安裝在流量計(jì)下游, 并使用一個(gè)或多個(gè) T 形管, 以及盡可能加大安裝距離是實(shí)惠的降噪辦法。
2、案例分析及解決方案：
某計(jì)量分輸站采用 Daniel3400 四聲道超聲波流量計(jì)作為天然氣流量計(jì)量?jī)x表。 其工藝流程示意如圖 1 所示。
圖 1 原工藝管道系統(tǒng)流程圖
由于生產(chǎn)工況要求, 其輸氣流程分為直通流程和調(diào)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(jì)—下游用戶 ;調(diào)壓流程 :閥 2 —調(diào)節(jié)閥 —整流器 —超聲波流量計(jì) —下游用戶。在正常的生產(chǎn)過程中 , 直通流程和調(diào)壓流程不會(huì)同時(shí)進(jìn)行輸氣。 直通流程是早期建成投運(yùn)的輸氣流程, 而調(diào)壓流程是由于上游氣源發(fā)生變化后 , 后期進(jìn)行改造后新增的輸氣流程。 調(diào)壓流程按照?qǐng)D 1 所示情況投產(chǎn)后, 隨著閥 2 上游壓力不斷升高, 調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的調(diào)壓壓差隨即升高, 先是超聲波流量計(jì)出現(xiàn)了聲道報(bào)警故障 , 隨后計(jì)量完全停止。
使用超聲波流量計(jì)管理軟件對(duì)其進(jìn)行了診斷,從平均增益參數(shù)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(shí)發(fā)生了明顯的變化。 在正常情況下?lián)Q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(dǎo)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(chǎng)條件限制及改造投資等因素, 調(diào)節(jié)閥保留在了超聲波流量計(jì)的上游 , 但充分考慮了降噪措施。改造后工藝管道系統(tǒng)的調(diào)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(jìn)行連接 , 并且在調(diào)壓流程上增加了一個(gè) T 形管。改造后調(diào)壓流程所產(chǎn)生的噪聲被大大衰減, 使得超聲波流量計(jì)能夠正常計(jì)量。
上述案列中 , 雖然通過降噪措施解決了超聲波流量計(jì)受超聲噪聲影響不能計(jì)量的問題, 但值得注意的是調(diào)節(jié)閥安裝在超聲波流量計(jì)上游的做法在新建的工程中應(yīng)予以避免。
3、結(jié)論：
充分重視帶噪聲源情況下超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)和安裝, 注意以下幾個(gè)方面的問題 , 可以避免超聲噪聲影響流量計(jì)正常工作的情況發(fā)生 :
1)將超聲波流量計(jì)安裝在調(diào)節(jié)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(jì)和調(diào)節(jié)閥之間安裝 T 形管等管件來達(dá)到衰減噪聲的目的 ;
3)了解超聲波流量計(jì)的工作頻率及調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生噪聲的頻率范圍 , 考慮采用更高發(fā)射頻率的超聲波流量計(jì) , 以改善信噪比 ;4)在超聲波流量計(jì)初步設(shè)計(jì)或改造階段 , 加強(qiáng)設(shè)計(jì)單位工藝與儀表專業(yè)的溝通, 以及提前向制造商進(jìn)行咨詢獲得技術(shù)支持是非常重要的 ;5)通過實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行及借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn), 應(yīng)盡快完善細(xì)化我國(guó)天然氣管道行業(yè)關(guān)于超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)及安裝的有關(guān)規(guī)范。