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调节阀高频噪声对超声波计量的影响与对策

发布:2020/8/25 10:47:39人气:72
超声波流量计具有计量精度高、对管径的适应性强、使用方便等优点,尤其在高压、大流量的天然气流量计量中具有显著优势。近年来,我因陆续建成的西气东输一线、二线,川气东送,陕京一线、二线、三线等大型管道工程的主计量均毫无例外地选择了超声波流量计。但是,超声波流量计的实际使用条件往往与实验室条件差异较大,造成其计量准确度降低,甚至无法工作,调压计量串中调节阀产生的高频噪声对超声波计量的影响就是典型例证。
 
1、调节阀噪声的产生与影响
天然气调节阀的工作原理是通过改变流体流通面积实现对流量和压力的调节。当流体流经调节阀的节流元件时,因流态和流速改变而产生噪声,包括阀内件的机械噪声和流体噪声。机械噪声是流体流态改变产生的涡流和湍流冲击阀部件而引起振动,波及邻近表面产生噪音,具有音调的特性。流体噪声是天然气在节流过程中,机械能转化为声能的直接结果,是调节阀噪声的主要来源。
超声波流量计的工作原理是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波,通过检测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差测量流体的流速,再由流速计算流量的一种间接进行流量计量的方法2超声波换能器传播的声音频率一般在125kHz(不同厂家有所不同),根据工况不同,调压计量串中调节阀通过节流降压所产生的噪声约为16~130kHz,在定条件下与超声波流量计的工作频率重合。这些高频噪声造成流量计信号模糊,并产生流量信噪比,使流量计的电子单元难以区别甚或无法区分这两种信号,导致超声波换能器不能准确收发超声波,因此极大地影响超声波流量计的性能、准确度和稳定性,甚至使流量计无法工作。试验研究表明,高频噪声可使超声波计量的误差高达2%,对于贸易计量而言,这是不可接受的;在实际生产中,流量计常与调节阀共同使用,组成调压计量串。因此,须解决调节阀高频噪声的问题。
 
2、调节阀安装位置的影响
2.1改造前
某输气A站于2008年建成,在投运初期曾出现计量数据丢失的情况,流量历史曲线亦随机出现没有流量的时间点,导致累计计量流量比实际流量少,给企业带来损失。计量装置采用四声道气体超声波流量计和轴流式调节阀,设计为调压在前、计量在后的工艺流程模式(图1,D为管道直径)。
该站投运时瞬时工作流量12000m³/h,调节阀上游压力3.2MPa、下游压力1.2MPa,经计算,对应下游气体流速5.24m/s。将调节阀后供气压力由1.2MPa提高到2MPa,对应下游气体流速3.24m/s,以保证换能器性能的稳定(压力越高,超声换能器的传送信号越稳定),初步解决了计量数据丢失的问题。但将瞬时供气量由12000m³/h提升至26000m³/h后,再次出现计量数据丢失的情况,并且出现较长时间不计量和偶尔计量数据变化幅度大等更为严重的情况。此时调节阀上游压力3.1MPa、下游压力2MPa,经计算,对应气体流速7.02m/s。利用超声波流量计CUI软件检测表明:超声波流量计在不计量状态下的增益系数Gain严重增大,甚至超过70(正常为40~70);信噪比SNR严重减小,超声波流量计4个声道的信噪比全部低于1000,极端情况下信噪比甚至低于100(表1)。以此判断超声波流量计换能器信号受到严重干扰。
调节阀工作时的气体流速由8ms降为4ms,流量计可以工作,而气体流速由4ms增至10ms,超声波流量计的信噪比全部低于100,4个声道轮换出现随机数据。流量计正常工作的气体流速为0.8~30m/s,证明无法计量的问题不是气体流速过快所致。调节阀所产生的噪声与气体流速呈正比例关系,流速越高其噪声越大。经测量,当气体流速为10ms时,噪声频率范围大致在120~126kHz之间。调节阀安装在流量计上游,噪声沿着气流向下传播,以此确定是调节阀调压所产生的高频噪声干扰了超声波换能器的正常信号,导致计量失真。
2.2改造后
根据现场实际工况,采取干扰噪声传播通道的方式实现降噪,对超声波计量工艺流程进行改造(图2)。
首先通过加长上游直管段和在上游10D管段加装整流器,使气流稳定,确保超声波流量计显示的数据接近真实值;其次将调节阀安装在超声波流量计下游,大部分噪声信号随着气流向下传递,不再干扰超声波流量计的正常信号。通过两种方式彻底消除向上游传递的噪声:一是通过交又入地管道后被大地吸收,二是通过T形头将逆流而上的噪声反射回去。将供气流速提高至21ms,利用超声波流量计CUI软件检测表明:声速稳定,信噪比均高于3000,增益系数亦在正常范围内(表2),气体流速稳定可靠。

 
3、调节阀与T形头的影响
某输气B站于2009年将孔板流量计改造为超声波流量计,将调节阀安装在超声波流量计下游,并选用具有降噪功能的调节阀,以解决噪声干扰问题;为了明确T形头对超声计量的影响,工艺流程改造未加装T形头。改造后,由于新调节阀未到货,暂时使用了不具备降噪功能的老调节阀。以改造流程运行,调节阀上游压力为3.5MPa,下游压力为1.6MPa,气体ZUI大瞬时流速为18m/s。利用超声波流量计CUⅡ软件检测表明:当流量计在ZUI大流量的60%范围内工作时,信噪比2500以上,正常计量;当流量计流量超过ZUI大流量的70%时,信噪比1200以上,基本正常计量。安装具备降噪功能的调节阀后,立即出现了供气长时间无计量数据显示的严重问题。超声波流量计CUI软件检测表明:超声波流量计信噪比最高不到100,部分声道在50以下,一个声道气体流速为0,其他3个声道气体流速阶跃跳动,仪表显示瞬时流量为零,证实是噪声干扰所致。其原因在于:调节阀降噪声源处理方法是在阀内件套筒和柱塞上钻若干按一定规律分布的小孔,以减小流体通过的喷射体积,从而降低机械能转化为声能的效应,但其产生的较小流体涡流将声能移至较高的频率,使人不易感到噪声的存在;其结果是将人耳能听到的低频噪声转化为不能听到的高频信号,其颊率与超声波流量计信号重合,因此导致超声波流量计完全无法正常工作。将降噪调节阀更换为普通轴流式调节阀,并完全按照A站的工艺模式加装T形头,流量计随即恢复正常工作。将瞬时流量提高至24m/s,超声波流量计信噪比均在3000以上,运行状况良好。
 
4、结论与建议
调节阀噪声频率范围随气体流速的增大而增大,其不但可以沿着气流向下传播,也可以在向下游传播过程中遇到弯头等时反射回上游,从而影响超声波流量计的正常信号。基于此,提出以下建议:
(1)新建调压计量工艺流程,将超声波流量计安装在调节阀上游,同时充分考虑流量计上、下游直管段的长度,以上游30D以上、下游15D以上为宜。下游入地接入汇管,通过汇管出地再接入调节阀后出站。这样可以使向上游传播的部分噪声被汇管充分分解,部分噪声被大地充分吸收,从而降低噪声对超声计量的干扰影响。
(2)改建调压计量工艺,往往受狭小场地的约束,难以大面积改动。在没有足够空间的情况下,可以将原工艺流程的调压设施与相邻计量支路交叉入地后再出地,同时在气流反方向加装T形头,从而有效增加下游直管段的长度,T形头亦能够有效反射回下游传播来的噪声信号。
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