储运过程中气液混相计量的小波去噪优化研究

钟卡 张晓莉 慕进良 王韧岫（中石油管道联合有限公司西部塔里木输油气分公司，新疆库尔勒 841000）

储运过程中气液混相计量的小波去噪优化研究

钟卡 张晓莉 慕进良 王韧岫（中石油管道联合有限公司西部塔里木输油气分公司，新疆库尔勒 841000）

气液混相测量方法一直是一个国际难题。本文首先阐述了超声波流量计计量气液混相流过程中，声波信号不稳定的原因为流速所导致的非稳流的形成，利用小波分析方法对计量重复性和稳定性进行优化。

超声波流量计，小波去噪，信号获取

1 计量原理、背景及意义

天然气在地面管道的储运过程中常受压降的影响重质烃组分凝析，在管道内形成一定含量的液相组分，气液混相测量方法一直是一个国际难题。与孔板、涡轮流量计相比，超声流量计具有计量精度高、受气质条件影响小、量程比大、不产生天然气节流等优势，适于含液量低于10%的气液混相天然气计量。

在天然气管流的两相流动中，流型可分为层流、泡流、塞状流、波状流、段塞流及环状流等6种形态。当管道内天然气流量较小、流速较低时，流型处于层流、泡流或波状流的状态，此时液相始终为连续相。由于液相压力系统的稳定性高于气相压力系统，故超声波流量计测量时声波信号较为稳定，波动幅度较小。但当流速增加后，流型变化为塞状流或段塞流，此时液相系统开始出现不连续。由于超声波流量计所采用的是声波时差法进行测量，气液两相的不稳定管流会造成声波时差信号的波动，且随着流量的增大，误差逐渐增大。

超声波流量计主要从三个方面对噪声进行控制：控制噪声源、切断噪声传播途径、噪声数字信号处理。本文提出了利用小波分析去噪的方法，优化超声波流量计计量过程中的声波信号，将声波信号分解为5层小波，将高频子波，即噪声剔除，并重新叠加组合，改善信号失真，提高测量结果的重复性和稳定性。

2 声波信号的准确获取与小波去噪

2.1 线性插入法减小计量误差

超声波流量计一般由超声波换能器、信号处理电路及流量显示系统组成。超声波的发射和接收都必须通过超声波换能器才能实现。超声波流量计测量顺流与逆流的传播时间，是依据系统自动控制并记录发生声波的起始时刻，再根据另一侧换能器的接收时刻来确定声波信号的传播时间。依据换能器接收到的声波信号，读取每次波形信号与横轴相交的“过零点”，按时间顺序分别排列为：T1、T2、T3...Tn。为了确定最大振幅所在时刻，采用线性插值的方法，见图1

图1 线性插值计算过零点

若采样的间隔设为Tc，则利用插值法所计算的过零点时间ti为：

计算出ti、ts、tn后，再根据管壁上下游两端换能器所测定的顺流传播时间ts与逆流传播时间tn后，便可依据超声波流量计的计算公式算出管内流体瞬时流量Q为：

其中，D为管道直径，θ为声道角的角度，L为声道长度，Δt为顺流与逆流的时间差。

2.2 超声波信号获取及小波分析去噪

在弹性介质中，若波源所激起的频率在20Hz到20kHz之间，就能引起人的听觉。超声波是以人耳能听到的声波频率为基准，频率高于20kHz的不可闻声波称为超声波，超声波频率可高达1011Hz。超声波具有频率高、波长短、方向性好、能量大、穿透力强等特性。管道储运天然气过程中，所采用的声波信号发射频率范围一般为1-10MHz。

由于天然气声波信号会受到各种因素的干扰，因此进行小波去噪对声波信号进行优化与平滑处理。之前有国内学者提出利用软阈值启发式算法可以应用在小波分析中对信号进行降噪处理，而本文通过这种方法，对所采集的声波信号进行频谱分析，发现信号的频率主要集中在10MHz以下，本文选用的发射频率为5MHz和10MHz，在塞状流和段塞流的流型下分别进行两组测试对比实验，利用小波分解将声波信号分解为5层小波，将高频子波剔除，并观察规律，见图2。

图2 小波频谱分析

对比原始信号、小波分析去噪处理后的测量误差数据，其误差结果如表1所示。

表1 不同信号处理方法重复性及稳定性对比

3 结语

（1）本文将小波方法引入到对超声波流量计的信号处理中，利用小波多尺度分析的功能，利用自动启发式算法识别噪声，滤除噪音，改善信号失真，提高测量结果的重复性和系统稳定性，在实际应用中具有重要意义。

（2）通过分析超声波流量计将声波信号转换为瞬时流量参数的过程，并结合天然气在管道中的流动形态分析得出：声波信号产生噪声的主要原因为气相流动的不连续性。由于气相的不连续导致超声波流量计的换能器在接受声波信号是出现“打偏”的现象，造成信号的瞬时不稳，在用线性插值方法计算过零点的过程中出现偏差，从而导致了计量结果的误差。

（3）根据表1数据，通过对比不同发射频率下的管塞状流与段塞流的误差分析结果来看，塞状流的测量误差比段塞流要低，这是由于段塞流的气相更加不连续的结果。同时还可观察到，声波发射频率越高时，利用小波去噪所达到的降噪效果越理想。

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