噪声对超声波流量计的影响分析

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/T18604-2014《用气体超声流量计测量天然气流量》(下文简称GB/T18604)、IS017089-2-2012《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IS017089)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###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。咨询请联系www.xmsensor.com王春燕

在我国长输和集输管道的工程实践中,孔板流量计特别是高级孔板阀长期占据统治地位。而随着我国石油天然气事业的大规模发展,在高压、大流量计量方面,孔板流量计越来越受到自身结构的限制而显示出其局限性。近年来一些新型的流量计在国外取得理论和实践成功的基础上,也积极投身国内市场,取得一系列成功经验。特别是超声波流量计在高压、大流量场合具有明显优势,大有取代高级孔板阀之势。由于认识的误区很多人认为超声波流量计性能好但价格昂贵,事实是不是如此呢?我们通过一系列比较可以得到更正确的结论。
1、孔板流量计的使用要求
孔板流量计(流量与差压的平方成正比)的使用条件、使用范围和对管道的要求:
流体:应是单相、均质的牛顿流体,在通过节流装置时不发生相变和析出杂质,在节流装置中不得有任何形式的物质黏附或聚集。
管道:仅适用于圆管,管径大小有一定限制,上下游有很长的直管段,而且节流件上游
10D、下游 4D直管段的内表面粗糙度、圆度要严格符合具体规定。
流态:流动应是连续、稳定的,不是脉动流;在受到节流件影响前已形成典型的、充分发展的流速分布,流线与管轴线平行,不得为旋转流。
2、技术性能的比较 2.1量程比低
由于结构特点,孔板流量计是通过节流件来完成测量的,所以其量程比通常只有1:3,最高可达1:10,而超声波流量计没有任何阻流件,其量程比可达
1:200。这两个数据表明:如果实现一种测量方案,假定其流量范围是从1m3/h~40m3/h,使用超声波流量计只需要一路工艺计量回路就可以实现,如果采用孔板流量计,需要多路才能实现。
2.2压损
由于孔板流量计的结构有阻流件,超声波流量计没有阻流件,那么显而易见:孔板流量计的压损很大,超声波流量计压损实际可以忽略不计。节流装置能耗计算如下:
以下以 1 个典型用户用气参数进行能耗计算:用气量160× 104m3/d,用气压力
0.6MPa。 节流装置压力损失计算式:(最大刻度差压50kPa、β=0.68) δ
P=(1-0.24 β -0.52 β2-0.16 β3)Δ P =0.5486×50 =27.43kPa
节流装置能耗计算式:(压缩机效率η =0.8) W= δp ×QV/η = 27430×18.5185/0.8
=634953W 计算耗能费:能源价 0.4 元 /kWh 耗能费=×× =(634953/1000)
×365×24×0.4 =2224876 该计算仅只是能耗损失,不包括压缩机运行等费用。
2.3精度
孔板流量计的计量精度理论上可以达到1%,但是通过大量的实践证明,由于孔板流量计抗干扰能力较差,现场精度最高能达到2%,一般情况下在3%左右。超声波流量计的精度则可以达到0.5%
甚至更高。由此可见选择两种不同的计量仪表, 对于测量的影响会有多大。
2.4测脉动流
由于孔板流量计是靠孔板前后的差压信号来实现流量测量的,脉动流会使孔板前后的差压不准,所以孔板流量计不适合测脉动流,而超声波流量计可以测量脉动流的强度并消除其干扰,所以它适合测脉动流。
2.5测双向流
孔板流量计依据一个节流元件来实现测量目的,这个节流元件具有严格的方向性,因此孔板流量计无法测双向流。超声波流量计只与超声信号在流体中的传播时间有关,因此可以测双向流。
2.6测湿气体孔板流量计不适合测量湿气体;若被测气体为湿气体,那么在孔板流量计的前端容易积液,使得上下游差压产生变化,而孔板流量计正是根据上下游的压差来测量流量的,如果差压产生变化,则孔板流量计不可能准确测量气体的流量。超声波流量计具有自检测功能,如果所测量气体为湿气体,对超声波流量计产生影响时,仪表本身可以修正,因此超声波流量计适用于湿气体的测量(湿气体体积组分含量低于5%)。
2.7清洗计量管路
孔板流量计本身有阻流件,清洗球无法通过,因此孔板流量计安装在管线上时无法在线清洗计量管路,只有拆除孔板流量计才能清洗管路。而对超声波流量计来说,不存在这样的问题。
2.8涡流影响
孔板流量计采用差压法测量气体的流量,涡流直接影响孔板两端的差压,因此孔板流量计对涡流很敏感,要求有很长的直管段才能满足测量精度的要求。新的国际标准ISO5167已经对孔板流量计上游直管段的长度作了更高的规定:孔板流量计上游直管段至少要有44D,若孔板流量计上游有汇管存在,则上游直管段的长度至少要有145D。
2.9流速分布的影响
孔板流量计由于结构原理的限制,要求测量时流速分布均匀,但是由于现场计量管路的复杂性,气体在管路的流速分布是不可能均匀对称的,因此孔板流量计对流速分布不对称非常敏感。超声波流量计可以修正流速分布不对称的现象。
2.10重复性
对于孔板流量计而言,随着使用过程中孔板边缘的磨损,孔板流量计的精度和重复性都会下降,而超声波流量计无压损、无示值漂移现象,重复性高。
2.11工艺管路复杂性比较
对于孔板流量计,由于量程比窄,计量管路多,而且上、下游直管段长,现场工艺管路复杂。超声波流量计量程比宽,上、下游直管段短,工艺管路简单。
2.12维修维护率比较
孔板流量计有阻流件,上游易积液、对高含硫的天然气,其孔板磨损快,维修维护率高。超声波流量计无可动部件,特殊材料的超声探头可以抗H2S
的腐蚀,维护简单。 2.13一次性投资比较
孔板流量计由于量程比窄,对于相同的流量计量要求,其计量管路多,虽然直接的计量仪表投资少,但是相关的阀门、温度变送器、压力变送器、直管段、汇管等一次性投资多。超声波流量计单表价格高于孔板流量计,但是由于量程比宽,整个计量回路少,实际站场一次性投资少。3.现场安装比较
直管段的长度孔板流量计上有直管段至少要有44D,若孔板流量计上游有汇管存在,则上游直管段的长度至少要有145D。(详见《国际流量计量学术动态及发展趋势》(《中国计量》2002年)或ISO
5167-2)。
超声波流量计上、下游直管段要求为10D、5D(《用气体超声波流量计测量天然气的流量》—
国标GB/T 18604-2001)。 安装的影响
对于孔板流量计,安装条件直接影响其计量精度,对现场安装的同心度要求很高。
使用条件
由于孔板流量计的原理决定其现场使用条件必须与设计条件相符,压力、流量的适应性差。超声波流量计对现场的适应性极强,对压力、流量的波动不敏感,有较强的过载能力。
4长期使用的比较 精度变化
孔板流量计由于长期使用,孔板入口边缘磨损,孔板弯曲变形,都会使精度丧失。超声波流量计由于无磨损、无示值漂移现象,可以长期保持较高的精度。
脏污的影响由于孔板流量计由节流件,长期使用时,脏污物将堆积在孔板的上游,造成差压信号不准,直接影响计量精度。脏污和孔板钝化可造成计量偏差
2~10%
以上。超声波流量计为中空管段,探头在仪表上部,脏污不易影响探头工作,不会影响计量精度,而且流量计可以检测脏污情况并修正和报警提示、及时进行清洗。
故障排除
由于孔板流量计的仪表特性取决于节流件的几何形状和尺寸,需要经常检查节流件,一旦节流件发生变化就必须更换,节流件的寿命取决于气体的组分、流量及压力。超声波流量计本身具有很强的自诊断功能,一旦不在正常状况就会报警,并自动记录报警期间的数据,超声探头的使用寿命至少为
8 年,并可在线更换。
备品备件孔板流量计由于节流件经常磨损、变形,因此需要备多套节流件;超声波流量计只需要备一套探头,可替换使用。
日常维护
孔板流量计需要经常维护,并检查节流件的几何尺寸等参数。在线更换孔板后很难保证不泄漏,使压差不准,难以保证计量精度。超声波流量计则可免维护,自检功能强大。
强检周期孔板流量计一年一检,一般采用几何检定法。超声波流量计3
年一检,可以实现在线标定。 5、结论
综上所述,使用气体超声波流量计比使用孔板流量计无论从安全性能、技术性能还是从一次性投资以及长期运行费用上都有很大的优势。由于说明问题的需要,本文中计算和实例均选用较大用气量进行比较,实际通过比较计算一般DN200口径以上流量计选用气体超声波流量计具有较大优势,DN150特别是以下流量计的选取由于气体超声波流量计本身价格因素使用孔板流量计更为经济,但从保证计量精度出发也推荐选用更精确的计量仪表。www.kfklyb.com

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