氣體超聲流量計具有準確度高、測量范圍寬、無流阻部件、可雙向測量等優(yōu)點，被廣泛應用于天然氣貿(mào)易交接計量。經(jīng)過多年的應用，氣體流量測量多采用時差法超聲流量計[1]。它是通過處理超聲波信號獲得天然氣流量，所以噪聲聲波干擾成為影響超聲波流量計可靠性和準確度的主要因素之一[2]。國內(nèi)外氣體超聲流量計使用標準[3-4]也對防止流量計聲學噪音提出了相關(guān)要求。目前有針對氣體超聲流量計噪聲影響分析和改進措施的相關(guān)研究，但都集中在輸氣站場改造和降噪技術(shù)分析，缺少成套的輸氣站場降噪系統(tǒng)工藝設計方案。 

 

1 噪聲源分析

目前在超聲流量計計量系統(tǒng)中，噪聲源主要有以下幾種。 

       1）超聲流量計自身產(chǎn)生電噪聲[1]，主要指環(huán)境以及電路中的磁電信號引起的干擾，器件的熱噪聲引起的干擾等。這類噪聲一般是在元器件工作時才出現(xiàn)，是非隨機產(chǎn)生的。如外供電源中的高次諧波噪聲；電路板布線不合理引出的高頻晶體振蕩器帶來的噪聲。 

       2）工藝設備產(chǎn)生噪聲，主要有調(diào)壓裝置、節(jié)流閥、匯管等，其中以節(jié)流件產(chǎn)生的節(jié)流噪聲對超聲流量計的影響非常為常見。各種“無噪音”閥門通過將聲能轉(zhuǎn)換到20 kHZ的超聲頻段以獲得聽覺上的無噪，因此調(diào)壓裝置成了產(chǎn)生聲學干擾的主因素[8]。

       3）安裝運行不規(guī)范產(chǎn)生噪音，如前后直管段配管不合理、突出的探頭、管道內(nèi)的突出物等，均可產(chǎn)生噪聲，增加對計量準確性的影響。 

       4）工作環(huán)境噪音影響，環(huán)境噪音引起超聲流量計信號失真。

 

2 降噪措施

2.1 流量計本身的降噪措施

針對可能會出現(xiàn)的噪聲干擾，流量計生產(chǎn)廠家在設計中也會從多方面綜合考慮，采取一些抗干擾的措施[1]。 

       1）一般計量系統(tǒng)中調(diào)壓器的主頻是在 60 kHz左右，適當提升換能器的頻率，避開調(diào)壓裝置的諧振主頻范圍。同時，增強信號處理單元的電容和電感濾波電路，過濾掉調(diào)壓器的次諧振頻率。 

       2）對流量計中的超聲換能器芯片采用技術(shù)手段，使其包裹在全金屬組成的屏蔽層中間，抵抗外界的電磁干擾。 

       3）在超聲換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計時，考慮從機械結(jié)構(gòu)件上傳輸過來的噪聲的影響，加裝減振部件。 

       4）電路板設計時，在供電電源部分增加隔離電路，選用優(yōu)質(zhì)的電源模塊。降低電路對噪聲的敏感度，減少噪聲的拾取，切斷外部噪聲耦合路徑。對于信號處理單元的內(nèi)部，采用模擬地和數(shù)字地地線分離的手段，多點接地，合理布線。 

 

2.2 工藝降噪措施

2.2.1 在流量計下游合理位置安裝調(diào)節(jié)裝置

       由于流體流動和節(jié)流件結(jié)構(gòu)影響，一般情況下，向調(diào)節(jié)閥下游傳播的噪聲能量比向上游傳播的噪聲能量更大，故應盡量將調(diào)壓裝置安裝在超聲流量計下游，并確保足夠的安裝距離。調(diào)壓器（閥）的工作頻率通常在30~110 kHz，而氣體超聲流量計的換能器頻率設計在 120~200kHz，通過選擇較高頻率的換能器，增大流量信號與噪聲的頻率差，增強流量信號和噪聲的辨識度，基本可以大幅降低或消除調(diào)壓器（閥）的聲學噪聲影響。 

 

2.2.2 加設降噪裝置

       超聲波降噪器又叫消聲器或消噪器，是利用附有吸聲襯里的管道及彎頭，截面積突然改變及其他聲阻抗不連續(xù)的管道等降噪器件，使管道內(nèi)噪聲得到衰減或反射回去，從而實現(xiàn)消噪功能。部分降噪器和整流器一體化設計，實現(xiàn)降噪和整流雙重功能[9-10]；部分消噪器可將噪聲降低約30%[11]。 

 

2.2.3 加裝特殊管道組件

       將一定數(shù)量的管道組件安裝在調(diào)節(jié)閥與超聲波流量計之間，通過阻礙聲波的傳播或經(jīng)過多次反射，減弱噪聲的能量，實現(xiàn)降噪目的。所有的管道組件都可以衰減噪音，衰減的程度與頻率相關(guān)[3]。噪音頻率在 200 kHz 時，不同管道組件所具備的降噪能力見表1。

       由表1可知，彎頭和三通可顯著降低超聲波噪音。在調(diào)節(jié)閥與流量計之間安裝熱交換器或過濾器，所發(fā)揮的降噪作用將高于彎頭和T形管。

 

3 設計方案

       在氣體超聲流量計的電路設計中雖已能有效避免電噪聲的干擾，但對于調(diào)壓器（閥）（含調(diào)壓和調(diào)流）等降壓節(jié)流元件所產(chǎn)生的聲學噪聲干擾，因其隨壓力和流量交變及不同安裝位置所形成的環(huán)境，會產(chǎn)生不一樣的聲學噪聲，很難在實驗室條件下得以模擬，所以優(yōu)化工藝布局解決聲學噪聲干擾問題，對氣體超聲流量計穩(wěn)定可靠計量就顯得十分重要。在設計階段，對潛在的噪聲源進行充分論證，從場站工藝布置、設備選型等方面統(tǒng)籌考慮，從源頭上減少噪聲干擾，是氣體超聲流量計計量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠使用的有效保證。下面介紹幾種常用計量調(diào)壓橇的工藝布局方案[12]。 

 

3.1 計量橇和調(diào)壓橇單路成串

       計量橇和調(diào)壓橇單路成串設計工藝布置方式，在近幾年的省市級燃氣輸氣工程設計中得到愈來愈多的應用。超聲流量計和調(diào)壓設備之間設計單個 π 型降噪管以消減下游調(diào)壓設備回傳的聲學噪聲，具有設備結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積少、投資費用少的特點。工藝流程如圖1所示。

3.2 計量橇和調(diào)壓橇各自獨立帶有匯管

       計量橇和調(diào)壓橇各自獨立帶有匯管這種工藝布置方式，在長輸管線大型分輸計量站中應用較多。其特點是各系統(tǒng)模塊化、集成度高、功能完備并且有相對獨立性，計量橇和調(diào)壓橇之間工藝配置界面清晰，分別設有獨立的計量和調(diào)壓匯管，匯管之間通常通過埋地的管道相連，有效地消除調(diào)壓器所產(chǎn)生的聲學噪聲。該管道布置沿縱向跨距大，場站占地面積較大，相對建設成本較高，對于地方燃氣公司等中小型企業(yè)的工業(yè)用戶則顯得費用投入高。工藝流程如圖2所示。

 

3.3 計量橇與調(diào)壓橇之間單匯管和簡易降噪管組合

       計量橇與調(diào)壓橇之間采用單匯管和簡易降噪管(一個T形管和一個彎管)組合設計，在城市燃氣門站、城市管網(wǎng)的輸配站廣泛應用。其設計特點是管線布局結(jié)構(gòu)緊湊，通過簡易降噪管和匯管能有效消除下游調(diào)壓器（閥）帶來的噪聲干擾，保證氣體超聲波流量計獲得優(yōu)良的使用性能。該方案可減少一根匯管配置，場站占用地面積也相對減少，對場站建設費用投入也會降低。工藝配置方式如圖3所示。 

3.4 計量橇與調(diào)壓橇之間有共用匯管連接

       計量橇與調(diào)壓橇之間有共用匯管連接設計方案，主要針對需改建使用氣體超聲流量計計量，適合現(xiàn)場匯管兩面出口大于 3D（D為匯管的直徑）條件的工藝布局場合。這種工藝布置對氣體超聲波流量計的抗噪適應性要求較高，依據(jù)目前國內(nèi)外主流品牌氣體超聲波流量計的技術(shù)現(xiàn)狀，在計量橇支路和調(diào)壓橇支路的橫向跨距間隔至少大于3D的跨距，才能消除下游調(diào)壓器（閥）帶來的噪聲干擾，保證氣體超聲波流量計獲得優(yōu)良的使用性能。此設計方案雖然減少一根匯管的配置，但場站占地面積仍然較大，場站建設費用投入下降不明顯。工藝流程如圖4所示。 

3.5 計量與調(diào)壓橇裝改造的Z型交叉

       計量與調(diào)壓橇裝改造的Z型交叉設計方案，常用于一些原雙路渦輪流量計計量調(diào)壓橇裝的設計改造上。這種工藝布置是通過Z字型交叉工藝連接方式，克服流量計與調(diào)壓器距離太近無法放置π型降噪器，利用管道之間的跨度來安裝π型降噪器，以消除調(diào)壓器（閥）聲學噪聲對超聲信號的干擾。此方案雖然占地面積少，但改造施工必須在場站內(nèi)部動火切割焊接，施工安全準備工作較關(guān)鍵。工藝流程如圖5所示。

 

4 結(jié)束語

       隨著超聲流量計在天然氣貿(mào)易計量中的廣泛應用，如何有效降低或消除噪聲對計量準確性的影響已成為業(yè)界關(guān)注的問題。在輸氣站場設計標準化和模塊化的趨勢下，用戶應考慮在特定安裝條件下是否會存在噪音干擾，在站場設計階段應向超聲流量計生產(chǎn)廠家和調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)廠家咨詢，制定標準化的超聲流量計計量調(diào)壓流程，利用各種降噪管道組件、降噪器等，綜合考慮計量系統(tǒng)可靠性和建設成本經(jīng)濟性，選用推薦的設計方案，可以保障氣體超聲流量計計量工作準確和穩(wěn)定運行。

 

參考文獻： 

[1] 李躍忠.多聲道超聲波氣體流量測量關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武 漢:華中科技大學

[2] CHEN J, SHI S. Noise analysis of digital ultrasonic nonde⁃structive evaluation system[J]. International Journal of Pres⁃sure Vessels and Piping,1999,76(9): 619-630. 

[3] 全國石油天然氣標準化技術(shù)委員會.用氣體超聲流量計測量天然氣流量:GB/T 18604

[4] Jan G.Drenthen. Iso/ cd 17089 measurement of fluid flow inclosed conduits ultrasonic meters for gas, meters for fiscaland allocation measurement[C]//Proceedings of the 12 th In⁃ternational Conference on Flow Measurement.Guilin, China:[s.n.],2004:47-56. 

[5] 閆青松,仇攀,李宜震,等.周村站氣體超聲流量計噪音干擾問題研究[J].

[6] 張書麗,李宜震,王沖,等.噪聲對氣體超聲流量計的影響及改進[J].

[7] 李方圓,江濤.超聲流量計噪聲控制技術(shù)及應用[J].

[8] 陳武新,趙剛.調(diào)節(jié)閥高頻噪聲對超聲波計量的影響與對策[J].

[9] 李冰,王貴周,汪峰.氣體超聲波流量計用降噪整流裝置的研究[J]. 

[10] 霍紅慶,李衡,李海峰,等.超聲波氣體流量計降噪整流器優(yōu)化設計[J].

[11] 劉蘭慧,王亮.噪聲對超聲波流量計的影響分析[J]. 

[12] 白宏. 降低噪聲對氣體超聲波流量計影響的措施[J].