噪声对超声波流量计的影响分析

1　概述

超声波流量计具有计量精度高、维修维护成本低、带自诊断功能等诸多优点，多声道超声波流量计在天然气计量领域越来越得到广泛应用。目前，针对超声波流量计的技术标准及报告有：GB／T 18604－2014《用气体超声流量计测量天然气流量》(下文简称GB／T 18604)、IS0 17089-2－2012《封闭管道内的流体流量测量－气体超声流量计－第1部分：用于贸易计量和分配计量的流量计》(下文简称IS0 17089)和美国AGA于1998年发布的AGA9号报告《用多声道超声流量计测量天然气流量》(下文简称AGA9号报告)。这些标准、报告对超声波流量计的使用起到极大的促进作用，但由于缺乏洋细和严格的安装指导，不能指导工程设计人员对现场仪表进行设计安装。

影响超声波流量计流量测量结果不确定度的因素很多，比如流量计上游直管段内壁粗糙度、气体成分、上游直管段长度、流量计上游流体流态、噪声干扰、气流脉动等。对操作人员来说，最常见的是管道中的噪声可能会干扰超声波流量计的工作，进而影响仪表的性能。这种噪声最典型的产生部位是有压力降的地方，比如流量调节阀。

本文重点讨论噪声对超声波流量计的影响以及消除或减少噪声影响的措施。在项目开始阶段，如果工程设计人员能认识到这些影响因素并采取相应措施，可以很大程度上降低工程成本，而一旦所有设备都安装完毕，发现了问题再采取措施，一般就要付出高昂的代价。所以，了解这些减少噪声影响的措施是非常必要的，它可以指导用户正确应用超声波流量计。

2　噪声对超声波流量计的影响^[1]。

工艺装置运行中会产生噪声，如高速气体通过管子、管件、突出的温度传感器、调节阀等。。研究发现，产生噪声最大的是大压力降调节阀，这种噪声如果不加以处理，会干扰流量计的信号检测系统工作，并导致传输检测错误。调节阀产生的噪声大小及性质与调节阀的设计有关。有些调节阀为达到“低噪声”的特性，特意把噪声频率提高，但高频率达到超声波流量计的工作频率范围，严重影响超声波流量计的正常工作。虽然调节阀可以通过笼式设计等手段来降低噪声信号，但调节阀特性也决定了任何带节流特性的阀门都是一个潜在超声噪声源。研究表明，阀体能量损耗与通过阀体的压力降及实际工况流速成正比，而噪声随着通过阀体能量损耗的提高而提高。

P=qvDp

式中P——能量损耗，W

qv——工况流量，m³／s

Dp——阀体压力降，Pa

例如一条公称直径为200mm的天然气管道，气体流过调节阀的流速为20m／s，可得出流量0.628m³／s，若压力降约为10kPa，则能量损耗6.28kW，噪声大小与该能量损耗成正比。对于一般超声波流量计，如果选用本安型仪表，电气回路的能量会被限制在2W以内，与该能量损耗相比小很多，因此，要想让仪表的信号能够抵抗噪声的干扰必须要采取措施。

噪声一旦产生，就会在调节阀的上游和下游传播，所以仅将超声波流量计安装在调节阀之前并不能保证流量计不受调节阀噪声的干扰。实验结果表明，调节阀安装在流量计下游，离调节阀近的传感器受到的噪声干扰比离调节阀远的传感器受到的噪声干扰要大2～4倍。

3　消除或降低噪声影响的措施

①在安装条件固定的前提下，提高流量计本身的信号处理能力和诊断能力，能有效降低噪声。

②在正常情况下，流量计的测量精度是很重要的。在精度不能保证的情况下，应用流量计测量某个产生噪声的调节阀流量，必然会产生错误的结果。所以，改善流量计对声脉冲的识别和检测，同时提高信号的过滤能力，能提高测量的准确度。

③为降低噪声干扰，宜把流量计安装在调节阀的上游，好处是压力较高，信号较强，不会放大噪声。

④加长流量计上下游直管段以及在流量计和噪声源之间安装隔离设备都会减弱噪声。但直管段长度可能需要多倍管径才能消减噪声干扰，所以安装隔离设备更方便有效。实验表明，过滤器、热交换器和涡轮设备都是良好的降低噪声的设备。弯头、盲三通也能降低噪声，最好的方法是安装盲三通，流体通过盲三通后噪声被反射回去。

⑤用两个阀门来分担压力降的方法也能减少噪声的产生，但通常这种方法成本较高。

⑥超声波消噪器降噪效果显著。消噪器就是使用单一的与流量计波长相同的复合型小反射设备、泡沫或有粘性、弹性、吸收性的一些设备实现消除噪声的目的。测试显示，这种方式可以降低30％的噪声。消噪器可直接安装在流量计的下游，法兰连接，不会影响流量计的精度。

超声波消噪器通常会发生堵塞和一定的压力降，因此会丧失一些优势。但是在有些情况下，比如与调节阀较大的压力降导致产生的噪声相比，消噪器的压力降可以忽略不计。在海上平台等空间受限的情况下可以应用消噪器降低噪声。

4　安装条件的影响及解决办法

IS0 17089和GB／T 18604都提出了噪声对超声波流量计性能的影响。除噪声影响外，计量管路配置、上下游直管段长度也是影响超声波流量计性能的重要因素。

流量计上游不同的安装条件(阀门、汇管、弯头等)会对进入流量计的流体流态产生影响，在流量计上游安装整流设备可以有效地消除上游产生的流态变化^[2-3]。目前对于天然气长输管道分输站上下游之间、天然气门站与下游工业用户之间等用于贸易交接的应用中，一般将整流设备作为计量管路的基本设计内容，并把流量计与上下游直管段及整流设备一并校准，以消除不同安装条件对校准后流量计准确度的影响。

关于流量计上下游直管段长度，AGA9号报告和GB／T 18604给出了不同的指导数据。AGA9号报告推荐10D(D为管道直径)直管段在整流设备前、10D直管段在整流设备和流量计之间、流量计下游5D直管段。GB／T 18604指出，在安装整流设备的情况下，流量计上游至少需要3：0勿的直管段，且整流设备至少安装在流量计上游10D处，流量计下游直管段长度至少为5D。

在实际工程应用中，由于受到安装空间以及橇体运输等条件的限制，一般采用AGA9号报告推荐的直管段长度要求，而且设备厂家也承诺在此条件下，超声波流量计量系统可以达到测量精度及稳定性等性能要求。

5　结论

①超声波流量计量系统设计阶段就要充分考虑到调节阀对流量计的潜在噪声影响，项目实施后再改造难度大，成本高；

②超声波流量计务必安装在调节阀的上游；

③尽可能用管道或其他设备将流量计和调节阀隔离开；

④条件允许的情况下，用盲三通代替弯头；

⑤在现有安装条件下，提高流量计本身的信号处理能力(过滤和识别)和诊断能力；

⑥用两个阀门共同分担压力降的办法可以降低噪声，但造价较高；

⑦在空间受限，安装条件达不到要求的情况下，考虑使用消噪器。

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