管道流量計現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)在新疆水資源取用水管理中的應(yīng)用

張建軍 ，周 坤

（1．新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000；2．水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心，江蘇 南京 210012）

新疆水資源分布極不均勻，集中表現(xiàn)在降水稀少，氣候干燥，蒸發(fā)強烈，廣大平原區(qū)降水產(chǎn)流能力較弱，盆地中部存在大面積荒漠不產(chǎn)流區(qū)。鑒于新疆目前水資源緊缺的實際情況，為落實最嚴(yán)格的水資源管理制度[1]，水利部在 2012年啟動了國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目。國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)新疆項目分 2 期建成：一期建成 232 戶 510 個取用水國控監(jiān)測點；二期建成 570 個取用水戶 716 個取用水國控監(jiān)測點。

在一期水資源信息平臺的基礎(chǔ)上，二期完善并提升了新疆水資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)與水利部水資源管理信息[2]的互聯(lián)互通和主要水資源管理業(yè)務(wù)的在線處理，為實行最嚴(yán)格水資源管理制度提供技術(shù)支撐。同時實現(xiàn)河道外頒證取水許可水量監(jiān)測覆蓋率 80%、用水量監(jiān)測覆蓋率 50% 的目標(biāo)。

目前，在水資源計量[3]、管理、統(tǒng)計等多方面，新疆存在監(jiān)測計量設(shè)施滯后、行業(yè)發(fā)展與水資源計量、統(tǒng)計管理不平衡[4]、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、地方法規(guī)不完善、水資源監(jiān)測內(nèi)容不全面等問題。因此，如何準(zhǔn)確地獲得取水計量數(shù)據(jù)[5]，全面、準(zhǔn)確、及時掌握取用水戶用水情況，提高水資源精細(xì)化水平，對節(jié)約用水[6]、保障水資源可持續(xù)利用具有重要意義。為此，通過隨機抽取，對新疆 5 個地（州、市）11 個取用水戶州 21 個管道流量計進行現(xiàn)場校準(zhǔn)工作。通過這 5 個地區(qū)取水戶 21 個管道流量的現(xiàn)場比測，對比測數(shù)據(jù)進行綜合分析，全面了解取水計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為提高水資源管理質(zhì)量提供保障。

1 校準(zhǔn)設(shè)備與方法

1.1 實驗室與現(xiàn)場校準(zhǔn)方法研究

管道流量計的實驗室檢定/校準(zhǔn)方法一般參照相應(yīng)的計量檢定規(guī)程，由獲得計量授權(quán)的部門開展此方面工作，但受限于實驗室檢定條件有限（主要對于大管徑的流量計），加上計量設(shè)施不便拆卸送檢的客觀問題，目前采用便攜式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)器對管道計量設(shè)施進行在線校準(zhǔn)的方法是可行且有意義的?，F(xiàn)場校準(zhǔn)的方法一般按照 CJ/T 364—2011《管道式電磁流量計在線校準(zhǔn)要求》執(zhí)行，超聲波和其他類型的流量計可參照執(zhí)行。對于計量設(shè)施的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法一般主要有 2 種：標(biāo)準(zhǔn)表法和電參數(shù)法。電參數(shù)法往往難以確定電參數(shù)測量與流量測量值之間的函數(shù)關(guān)系，加上由于設(shè)備安裝時限較久，被檢計量設(shè)施的出廠時的相關(guān)電參數(shù)經(jīng)常無法查證，從而增加了電參數(shù)法的測量不確定性，所以目前普遍采用的是便攜式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)器對管道流量計進行在線校準(zhǔn)。

1.2 校準(zhǔn)儀器與安裝管段位置的選取

選用德國的 F601 型便攜式超聲波流量計作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)表。性能參數(shù)為測量誤差 ≤±0.50% FS，重復(fù)性 ≤0.10% FS，該設(shè)備經(jīng)計量檢定合格，具有監(jiān)測信號穩(wěn)定、靈敏度高、適用邊界條件廣泛、現(xiàn)場讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)快的特點，是管道流量在線校準(zhǔn)工作中專用設(shè)備。

標(biāo)準(zhǔn)表安裝位置應(yīng)選擇在被校準(zhǔn)流量計的上游或下游側(cè)。安裝管段是在被流量計所安裝的管道上，選定的流場條件和管道外形尺寸都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的一段直管。選定原則一般有：

1）應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)表前后直管段長度（一般建議為前 10D后 5D，D為該管道直徑）。

2）應(yīng)盡量選擇水平管道或上升管道作為標(biāo)準(zhǔn)管段的安裝位置。

3）校準(zhǔn)斷面管段無襯里。

4）無電磁和振動干擾。

5）安裝位置及聲束反射位置應(yīng)避開管道的焊縫。

1.3 校準(zhǔn)方法

1.3.1 現(xiàn)場設(shè)備檢查

現(xiàn)場校準(zhǔn)工作前，應(yīng)對所用的設(shè)備作必要的例行檢查，確保運行安全和測得數(shù)據(jù)的正確可靠。同時，觀察被校準(zhǔn)流量計，確認(rèn)其處于正常工作狀態(tài)，且能夠有效讀取其流量示值。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)表安裝

設(shè)備檢查完成后，開始標(biāo)準(zhǔn)表的安裝工作。

1）現(xiàn)場實測管道外徑，具體方法為用標(biāo)準(zhǔn)卷尺分別在標(biāo)準(zhǔn)表 2 只換能器安裝距離內(nèi)等間隔測量 3～6 個管道外周長，分別用測量結(jié)果計算出管道外徑，其平均值D計算如下：

式中：n為測量次數(shù)，n≥3；Di為第i點測得的管周長計算出的管道外徑。

對無法測量的參數(shù)，如管道材質(zhì)、襯里材料、厚度等，根據(jù)技術(shù)資料現(xiàn)場查明確認(rèn)。優(yōu)先選擇不帶襯里的管道作為標(biāo)準(zhǔn)表安裝管段，如無法避開，襯里材質(zhì)與厚度必須事前確認(rèn)。

2）清理已定安裝位置附近的管外壁，清理面積比標(biāo)準(zhǔn)表換能器面積約增加 1 倍，將管壁上的油漆、鐵銹、污垢等清除干凈，露出管道材質(zhì)，打磨光滑。

3）在標(biāo)準(zhǔn)表換能器表面均勻涂以耦合劑，將標(biāo)準(zhǔn)表換能器上標(biāo)志對準(zhǔn)安裝位置，使其發(fā)射面與管壁緊密接觸，并用緊固件將標(biāo)準(zhǔn)表換能器穩(wěn)定固定在管道上。

2 個換能器安裝的相對位置有以下 2 種方式：

a．V 方式。V 方式安裝傳感器是最常用的方法，被稱為反射法。

b．Z 方式。Z 方式安裝傳感器一般是在較大管徑的管道上使用，被稱為直接法，V 和 Z 方式具體安裝示意圖如圖 1 所示，主要區(qū)別在下游換能器安裝位置。

圖1 換能器 V 和 Z 方式安裝示意圖

4）將標(biāo)準(zhǔn)表換能器信號傳輸電纜連接到顯示主機上。按標(biāo)準(zhǔn)表的使用手冊或說明書要求將信號調(diào)試到最佳狀態(tài)。

1.4 現(xiàn)場校準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)表安裝調(diào)試完成后，開始現(xiàn)場校準(zhǔn)工作：

1）根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定校準(zhǔn)流量點，校準(zhǔn)流量點一般 1～3 個，每個流量點校準(zhǔn) 3 次。

2）每次校準(zhǔn)時，同時讀取并記錄被校準(zhǔn)流量計和標(biāo)準(zhǔn)表的示值。若讀取的數(shù)值為瞬時值，則至少讀取 20 個數(shù)值，每次讀數(shù)間隔 60 s，之后在做平均值計算時允許按規(guī)則剔除讀數(shù)粗大誤差，以計算出的平均值作為該次測量的標(biāo)準(zhǔn)值和流量計示值。若讀取的數(shù)值為累積值，則應(yīng)保證大于最小讀數(shù)的1 000 倍或讀取至少 20 min 的累積值。

3）檢測時讀取的標(biāo)準(zhǔn)表和被校準(zhǔn)流量計示值至少保留小數(shù)點后 2 位。

2 校準(zhǔn)結(jié)果分析

2.1 分析方法

2.1.1 相對示值誤差

流量點每次校準(zhǔn)的相對示值誤差Eij計算如下：

式中：qij為第i流量點第j次校準(zhǔn)時的流量計示值（瞬時值或累積值）；qs，ij為第i流量點第j次校準(zhǔn)時的標(biāo)準(zhǔn)表示值（瞬時值或累積值）。

2.1.2 重復(fù)性

流量計每個流量點的重復(fù)性Er，i計算如下：式中：n為第i流量點的校準(zhǔn)次數(shù)；Ei為第i流量點的平均示值誤差；取流量計所有流量點的重復(fù)性最大值作為該臺流量計的重復(fù)性Er。

2.1.3 不確定度

1）不確定度分量及靈敏系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)表示值qs的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算如下：

式中：Ur為擴展不確定度；ur為不確定度；k為包含因子；cr（qs）為標(biāo)準(zhǔn)表靈敏系數(shù)，取值為 1。

測量管道內(nèi)徑d的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur（d），若管徑測量誤差為δ，按矩形分布考慮，計算如下：

2）重復(fù)性Er的不確定度。測量重復(fù)性靈敏系數(shù)cr（Er）為 1。平均示值誤差E的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算如下：式中：E為所有流量點的平均示值誤差，由于溫度、壓力影響相對較小，忽略其不確定度的影響。

3）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴展不確定度。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucr計算如下：

式中：cr（qs） 為標(biāo)準(zhǔn)表靈敏系數(shù)，取值為 1；cr（Er） 為測量重復(fù)性靈敏系數(shù)，取值為 2；cr（d）測量管道內(nèi)徑d靈敏系數(shù)，取值為 2；為平均示值誤差靈敏系數(shù)，取值為 1。

Ur計算如下：

2.2 校準(zhǔn)結(jié)果分析

校準(zhǔn)分析結(jié)果如表 1 所示，從表 1 對烏魯木齊、巴州、塔城、吐魯番、克拉瑪依 5 個地區(qū) 21 個管道流量的分析結(jié)果可看出，流量計量設(shè)施運行情況總體良好，個別設(shè)備相對示值誤差偏大，其中烏魯木齊市水業(yè)集團的柴北水源地取水口流量計誤差為 5.64%，烏蘇市供排水公司第三水廠 1 號表誤差為 5.65%，但 2 只流量計測量重復(fù)性較好，通過參數(shù)設(shè)置將校準(zhǔn)至誤差 5% 內(nèi)為宜。正值誤差表示規(guī)定時間內(nèi)被檢流量計顯示的流量超過標(biāo)準(zhǔn)表實測的流量；反之，負(fù)值誤差表示規(guī)定時間內(nèi)被檢流量計顯示的流量小于標(biāo)準(zhǔn)表實測的流量。

表1 校準(zhǔn)站點數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中，不確定度分量的來源分析，由于使用的計量器具精度本身較高，因此由標(biāo)準(zhǔn)表示值和管徑測量引入的不確定度分量較小。影響擴展不確定度的主要來源為各流量比測點中被檢設(shè)備的重復(fù)性及平均示值誤差，以吐魯番市高昌區(qū)農(nóng)村飲水安全工程管理站的城鄉(xiāng)一體化水源地 2 號表為例，由于該計量設(shè)施測量重復(fù)性和相對示值誤差均偏大，導(dǎo)致其擴展不確定也隨之偏大，說明該設(shè)備的測量可靠度已不在合理范圍內(nèi)，建議進行更換。

通過此次管道流量數(shù)據(jù)及各站點現(xiàn)場情況分析，由于取水管道受不同環(huán)境、工況、水源水質(zhì)等客觀條件影響，導(dǎo)致取水管道內(nèi)（外）部安裝的流量計量設(shè)施經(jīng)過長時間不間斷運行，對其設(shè)施的計量精度造成不同程度影響。在確保水資源高效合理利用的前提下，應(yīng)更為普及地開展現(xiàn)場校準(zhǔn)工作。通過對站點校準(zhǔn)數(shù)據(jù)誤差分析，有效地篩選出各站點計量設(shè)施的優(yōu)劣情況，以便后續(xù)更換或調(diào)整設(shè)備參數(shù)，達(dá)到其精度要求的合理范圍。

3 問題與建議

本次進行現(xiàn)場校準(zhǔn)的管道流量計為超聲波或電磁流量計，計量設(shè)施安裝在現(xiàn)場環(huán)境下，管道多為取原水，經(jīng)過時間累積后，會有雜質(zhì)附著在插入式傳感器表面，同時，管道的銹蝕情況也會影響管道過水面積，從而對流量計算產(chǎn)生影響。建議按照產(chǎn)品特性分析，每 2 a 要至少進行 1 次在線檢測工作，以驗證其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對于相對誤差偏大的計量設(shè)施應(yīng)及時進行調(diào)整或更換。

3.1 重復(fù)建設(shè)

主要表現(xiàn)為同一管道計量站點，存在自治區(qū)國控項目與各地區(qū)、縣水利部門或兵團在部分地方重復(fù)建設(shè)計量設(shè)施，造成計量數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象，建議比較各家計量設(shè)備的準(zhǔn)確優(yōu)劣，通過數(shù)據(jù)接入的方式加以整合，共享監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)一致性差

主要表現(xiàn)為中心站數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)地 RTU 和傳感器儀表數(shù)據(jù)不一致的情況，平臺軟件計算公式及入庫數(shù)據(jù)需要進行復(fù)核。建議平臺部分的運維單位和建設(shè)單位協(xié)調(diào)，排查問題原因，保證數(shù)據(jù)的一致性，計算的準(zhǔn)確性。

3.3 其他典型問題

除了重復(fù)建設(shè)和數(shù)據(jù)一致性的問題，還有一些較典型的問題，具體如下：

1）管道停用但流量計仍在計量，屬于流量計設(shè)置問題或故障，建議運維單位盡快對設(shè)備問題進行排查，保證中心站接收所到的數(shù)據(jù)真實有效。

2）國控監(jiān)測站點所安裝的計量設(shè)施與取用水戶自行安裝的計量設(shè)施數(shù)據(jù)不一致，差異較大。建議通過具有資質(zhì)的第三方進行現(xiàn)場校準(zhǔn)，統(tǒng)一計量數(shù)據(jù)。

3）管道不滿管計量。管道流量計的測流是建立在有壓滿管的基礎(chǔ)上，不滿管情況下，流量計的監(jiān)測數(shù)值不能作為計量依據(jù)，若取水管道長期存在不滿管的情況，建議變更測流管道、安裝位置或測流方法。

3.4 產(chǎn)品選型

目前比較常見的管道型在線計量設(shè)施一般有電磁流量計、超聲波流量計和遠(yuǎn)傳水表。從計量設(shè)施本身的產(chǎn)品特性上來看，在同等的安裝條件下，計量設(shè)施的測量精度以電磁流量計最優(yōu)，其次是超聲波流量計，遠(yuǎn)傳水表略差。而結(jié)合管徑和造價而言，超聲波流量計性價比最高，適用范圍也較廣；電磁流量計造價受管徑影響較大，一般用于中小型管道和測量精度要求高的場合；遠(yuǎn)傳水表價格低廉，適用于小型管道的流量測量。

3.5 特殊情況

針對本項目現(xiàn)場校準(zhǔn)過程中，除實測數(shù)據(jù)的21 個管道流量，還有一部分設(shè)備現(xiàn)場無法對實測數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，針對不同情況提供如下建議：

1）直管段長度不夠造成無法安裝標(biāo)準(zhǔn)表的，取水戶應(yīng)在今后的新建取水設(shè)施上，吸取經(jīng)驗，更加規(guī)范，避免此類情況再發(fā)生。對于已經(jīng)安裝的，有條件的可以更換安裝位置，或者通過開挖檢修井（口）等，預(yù)留足夠的直管段以供今后的定期檢測；確實因為現(xiàn)場條件無法進行在線檢測的，只能考慮就近送至當(dāng)?shù)赜嬃坎块T進行實驗室檢定。

2）對于設(shè)備損壞的計量設(shè)施，應(yīng)及時檢查原因，對無法修復(fù)的設(shè)備應(yīng)及時更換新的計量設(shè)施，保證其取水計量的長期穩(wěn)定監(jiān)測。

3）對于因取水戶停產(chǎn)、設(shè)備停用或水泵等原因暫無法校準(zhǔn)的計量設(shè)施，管理部門應(yīng)及時跟進取水戶運行情況，在復(fù)工復(fù)產(chǎn)后應(yīng)及時安排在線校準(zhǔn)工作。

4）水行政主管部門可通過制定地方標(biāo)準(zhǔn)或管理條例，規(guī)范取水戶取水計量設(shè)施的安裝、使用和維護等環(huán)節(jié)，保證取水設(shè)施的準(zhǔn)確計量。

4 結(jié)語

通過本次在線校準(zhǔn)工作，能夠客觀、真實反映新疆地區(qū)部分取用水國控點的監(jiān)測計量現(xiàn)狀，后續(xù)運維過程中應(yīng)分類梳理存在問題，對癥解決，同時還需要舉一反三，排查全范圍內(nèi)的水資源監(jiān)測計量現(xiàn)狀；此外還需要對無法實測數(shù)據(jù)的情況開展相關(guān)計量溯源研究工作，保證在各種不同工況條件下的數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過對此類工作的開展，既能夠有效提升水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量，也能為新疆的經(jīng)濟社會發(fā)展提供技術(shù)支撐。

黨的十九屆五中全會明確要求建立水資源剛性約束制度，取水口取水監(jiān)測計量是取用水管理不可或缺的手段，是發(fā)揮水資源剛性約束作用的重要基礎(chǔ)性工作。新疆是嚴(yán)重缺水地區(qū)，有效利用水資源，合理管控水資源是一項長期的工作，因此本研究與實踐應(yīng)用具有長期、廣泛的推廣價值。