气体超声流量计受噪声影响因素分析及解决方法

＊何胜利

（上海中核维思仪器仪表股份有限公司 上海 201614）

1.前言

近年来，利用气体超声流量计进行天然气的采集系统控制以及长输管网输送、城市门站、工业用户之间的贸易交接计量，而在这些天然气生产、输送、流量控制和贸易计量的工艺过程中产生一些超声类的噪声，这些噪声的频率与气体超声流量计中换能器的工作频率相接近，由此会对气体超声流量计的计量性能带来负面影响。因而我们需要对工艺过程中能够产生噪声源的设备状况进行分析，并从流量计计量系统的结构、换能器工作频率、信号处理原理、信号处理电路以及信号处理软件等方面找到消除噪声影响的方法。

2.噪声源分析

天然气在生产输送过程中需要根据输气量，输气管道的口径，输气站场之间距离等情况，不断的调节管道中的压力，城市燃气的中高压调压站或调压箱成为了燃气输送的纽带。而随着燃气需求量的不断增加，输气管线中的最高压力也会做相应的提升，在各级调压站或调压箱中的压差和流量随之增加，由此造成了调压系统中调压器的阀口产生频率范围非常宽的噪声（超声频率也包括其中）。同时管网中的节流装置和汇管，以及管道配置或安装不规范造成管道内有突出物，也会产生高频噪声。这些噪声主要分为以下几类：

(1)流体动力学噪声

流体动力学噪声是指由管道中输送的天然气通过调节阀的阀口，相互摩擦作用造成流体内部的湍流所产生的辐射噪声，主要机理是阀口固定物与流体的相对运动及流体自身的不规则运动，所激起的流体内部应力和压力扰动在天然气内的传递。

(2)空气动力学噪声

空气动力学噪声是指气流内部运动或与物体互相作用所产生的噪声。天然气进入调压器减压并通过出口扩径产生局部的压力脉动，并以波的形式通过周围的空气向外传播而形成噪声。这种噪音产生的频率大概是1000～8000Hz，峰值频率也没有特别的陡。这种噪音的原因主要有流体湍流和流体达到临界流速引起的激波两种情况。

(3)机械振动噪声

机械振动噪声是由于调节阀运转时，机械类振动、固有频率振动和由阀芯振荡性位移引起流体的压力波动而产生的噪声。机械振动噪声是指这一类噪声产生的原因与调压器的设计、零部件材料、加工工艺、装配质量有关。

3.消除噪声影响的方法

消除噪声对气体超声流量计的负面影响需要从多方面入手，在气体超声流量计设计开发之初就要考虑今后的运行现场可能会出现的噪声干扰问题，其次对于流量计的安装环境条件提出一定的要求，以避免由于噪声引起气体超声流量计的计量偏差。

(1)换能器频率的选择

换能器作为气体超声流量计中的一个关键部件，它承担了超声信号交替发射和接收的重要任务。在气体超声流量计中采用信噪比高的换能器，可大大提升流量计在实际应用中的准确度等级、可靠性和稳定性的技术指标。

通过对调压器在不同运行环境中的试验研究发现，调压器的噪声是一个复频信号，声频从10kHz到100～200kHz均有，主要噪声信号幅值较大的频率集中在60kHz左右，所以在设计选择换能器的工作频率时，要避开噪声的频率范围，通常选用200kHz频率的换能器。由于调压器产生的是一种宽带复频噪声，所以在极端的情况下需要选用250kHz及以上的换能器，以保证流量计的信噪比能够满足测量精度的要求。

(2)信号处理单元

为了克服管道种的噪声对气体超声流量计的影响，在信号处理单元需要采取多种的降噪方法：首先对于发射用的换能器采取多脉冲触发，提高超声波信号的信噪比；其次根据输气光纤中噪声的特点，选用合适低通滤波电路，过滤超声波信号种的低频噪声；最后采用数字图像处理噪声，也即通过编码方式进行波形的传输，并通过各种软件滤波的手段去除噪声。

在实际应用中在波形采集、编码、传输和处理期间，噪声总是会出现在数字图像中，很难从数字图像中去除噪声，我们可以通过分析噪声行为来选择这些滤波器。通过这种方式，对噪声进行完整的量化分析及选择其最适合的滤波器。通常滤除高斯噪声采用的高斯滤波器或双边过滤器，过滤泊松噪声采用均值滤波器，过滤脉冲噪音需采用中值过滤器。

(3)安装位置的选择

在设计气体超声流量计作为计量仪表的计量调压装置时，需要避免图1所示的安装位置。因为调压器安装在超声流量计的前端，流体动力学噪声会直接干扰气体超声流量计的运行。

图1 调节阀安装在流量计前端示意图

一般情况下需要将调压设备设计安装到气体超声流量计的后端，如图2所示。

图2 调节阀安装在流量计后端示意图

在安装位置许可的情况下，最好在计量仪表和调压装置之间的管线上加装一个汇管，彻底隔绝调压设备对气体超声流量计的干扰，如图3所示。

图3 流量计与调节阀之间加装汇管示意图

(4)加装降噪管

有些调压计量站是在原有的涡轮或腰轮计量调压站基础上改造的，整体安装空间和投入费用有限，所以无法满足计量仪表安放在调压装置之前。这种情况下可以考虑在计量仪表和调压装置之间安装降噪管。目前最常用的是π型降噪管，如图4所示。

图4 π型降噪管示意图

图4中的π型降噪管使被测气体可通过90°的弯头和T型三通+封帽组合，改变噪声在气流中的直线传播方向，通过噪声在管壁中的多次反射，起到互相抵消作用。条件许可的情况下采用更多的T型三通+封帽组合相比90°弯头效果会更好，能够增强气体流动反射对冲或旋转混合的效果，使噪声的反射强度增加，打乱和消弱噪声的影响。

4.实际应用案例

在河北霸州的计量调压站采用了2台DN150 Class600四声道气体超声流量计，设计初期仅考虑调压器安放在超声流量计的下游，并且在流量计和调压器之间加装了简单的降噪管，未采取其它的降噪措施。实际投运，由于该站天然气进出口的压差比较大，调压器距离流量计比较近，在运行中被测气体的流速超过3m/s，就无法正常工作，流速数据乱跳，信噪比下降，使用率大幅下降，见图5。

图5 四声道流量计各声道流速、信噪比和使用率变化示意图

针对运行中出现的问题，认证研究噪声源的出现的根源，采取了一系列的改进措施：

（1）在π型降噪管的三个T型接头处加长管段和封帽组合的深度，见图6。增加气体流动对冲或旋转混合的强度，以抵抗噪声的回波冲击。

图6 增加π型降噪管封帽深度后的应用现场

（2）气体超声流量计中超声波换能器的频率由原来的120kHz提高到200kHz，有效避开了调压器低频噪声的影响。

（3）在信号处理单元提高超声波信号触发脉冲的数量，采用编码技术采集超声信号的波形，并进行数字滤波处理，大大提高接收信号的信噪比和使用率。

采取了上述一系列的降噪措施后，确保流量计在高流速下的可靠稳定的运行，有效的保证了流速、信噪比和使用率指标在正常的范围内，如图7所示。

图7 加装π型降噪管后流量计各声道流速、信噪比和使用率示意图

5.计量系统设计和改造

为了规避气体超声流量计在实际应用中受噪声的影响，需要在设计计量系统时或对老系统进行改造时需要考虑以下几个方面：

（1）了解调压器工作时可能会产生噪声的频率范围，选择气体超声流量计的超声波工作频率需要规避调压器噪声的频率范围；

（2）在流量计与调压器串联的工艺系统中，无论调压器位于流量计前还是流量计后，需要关注其调压的幅度是否很大，如果调压倍比超过3:1，则要考虑在串联的工艺系统中加装降噪管或T型三通等降噪设备；

（3）调压器计量工艺尽量设计为先计量后调压，即调压器安装于气体超声流量计的后端，并确保一定的距离，必要时采用汇管或π型降噪管进行隔离；

（4）选择能够有效应对（解决）调压器或现场运行出现噪声问题的抗噪性能优越的气体超声流量计产品。

6.结论

天然气在传输和计量过程中会面临许多不确定的因素，尤其是在气体超声流量计被广泛应用到天然气的计量调压站时，在设计、选型和安装的初期需要考虑调压器的实际运行状况与气体计量仪表之间的匹配性。

只要有效的解决或规避工艺现场运行的噪声问题，才能确保气体超声流量计计量系统工作的准确度、稳定性和可靠性。