一種IC卡流量計量控制方法的研究

王耀生，葉慶紅（上海航天能源股份有限公司，上海 201201）

一種IC卡流量計量控制方法的研究

王耀生，葉慶紅（上海航天能源股份有限公司，上海 201201）

本文以目前城市管網中基于IC卡的流量計量和管理方法為背景，論述了如何有效地利用調壓器組成一種新型的IC卡流量計量控制系統，該系統對傳統的IC卡流量計量控制系統的控制方式做了改進，將流量體積校正儀、IC卡控制器、電機閥和調壓器集成為一體，有效實現了對燃氣調壓計量站的IC卡流量計量、控制和管理。

調壓器工作原理；IC卡控制器；電機閥；流量計量控制系統

1 前言

近年來，隨著我國天然氣開發應用進程的不斷加快，特別是城市燃氣的廣泛應用，對燃氣輸配管理提出了更多的實際需求。基于IC卡方式對流量的計量和管理是燃氣計量調壓站一種新的發展方向。一方面目前國內許多城市的煤改氣項目，即燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐項目正在按期進行，其中鍋爐前調壓計量裝置需要安裝IC卡流量控制系統。另一方面國內許多燃氣公司為了管理和結算的需要，正在計劃對現有的一批調壓站進行IC卡方式計量結算的改造和管理。然而目前燃氣行業現有的或者說傳統的IC卡流量計量控制系統主要是通過流量計、IC卡控制器、截止閥（DN100以下）組成，主要實現對小流量（500方/小時以下）的調壓計量站的IC卡流量結算管理。而對于大流量（2000方/小時以上）的調壓計量站的IC卡流量結算管理，目前國內這一系統尚屬空缺。

1.1 自力式調壓器的工作原理

自力式調壓器（如圖1所示）由主調壓器、指揮器、信號管三部分組成。調壓器開始啟動運行時，操作指揮器的手柄給定壓力。當主調壓器的出口壓力高于給定值時，指揮器薄膜上的作用力克服薄膜下的彈簧力，使薄膜組下降，調節閥芯靠近噴嘴，使噴嘴噴出的氣量減少，引起主調壓器下腔室壓力的下降。由于主調壓器薄膜上、下腔壓力差和主調壓器的彈簧力的關系被破壞，使調壓器閥門隨著薄膜下降而關小，通過閥口的氣量減少，調壓器后端的壓力又恢復到給定值。

當調壓器出口壓力低于給定值時，調節過程將按相反的方向進行調節。

圖1 自力式調壓器作用原理

1.2 調壓器導壓管路加裝手閥后的調壓功效與分析

自力式調壓器在工作過程中，其下腔壓力的變化源于指揮器出口導壓管壓力的變化。如圖2所示， 如果在指揮器出口導壓管路加裝一小的手動閥，然后通過快速、慢速、勻速、快開慢關、慢開開關等方式開啟和關閉小手動閥，我們發現自力式調壓器在進口壓力相對穩定的情況下，其工作過程存在著明顯的差異，并存在著規律性。具體表現在：（1）當快速開啟小手動閥時，調壓器流量會突然增大，調壓器出口壓力會迅速上升，并會超過其緊急切斷壓力。（2）當快速關閉小手動閥時，調壓器流量會突然減小，調壓器出口壓力會迅速下降。（3）當緩慢開啟小手動閥時，調壓器流量會逐步增大，調壓器出口壓力會逐步上升，但不會超過其緊急切斷壓力。（4）當緩慢關閉小手動閥時，調壓器流量會逐步減小，調壓器出口壓力會逐步下降，直到調壓器關閉，流量為零。

圖2 指揮器后端加裝小手動閥的實驗過程

圖3 指揮器后端加裝小手動閥的實驗曲線

調壓器出口壓力變化記錄曲線（如圖3所示）真實地反映了這種特性。

2 利用IC卡控制器驅動自力式調壓器的解決方案

怎樣才能有效自動地實現對調壓器的開啟和關閉，如果采用電機閥代替前面的手動閥，并合理地通過控制器控制電機閥的開啟和關閉，不失為一種可行的解決方案（如圖4所示）。

圖4 一種IC卡流量計量控制系統圖

2.1 微型電機閥的使用

在調壓器對下游管網的供氣過程中，首先要保證下游管網的安全，即出口壓力不能超出下游管網的承受壓力，為此調壓器都配置有緊急切斷閥，對于高壓管網切斷壓力是設定壓力的1.3倍，而對于中低壓管網設定壓力是設定壓力的1.4倍。同時在下游管網安全的情況下，要求調壓器能持續為下游供氣，應盡可能地避免因調壓設備的故障給下游造成停氣，特別是對于低壓管網，或下游的大工業用戶。由于停氣所造成的經濟影響不可估量，使得持續穩定的供氣成為各燃氣公司的首要責任。因此對調壓器的開啟和關閉控制，首要的是保障它在開啟過程中不會出現超壓而引起緊急切斷。要做到這一點，需要保證所選的控制閥門開啟過程比較緩慢。經過對比我們發現一些電機閥可以滿足緩慢開啟的要求。同時為了提高計量的精度，要求調壓器的關閉過程要快一些，即電機閥的關閉過程比開啟過程更快。同時由于燃氣行業的特殊要求，電機閥還必須滿足防爆、耐壓等標準。另一方面，作為自動控制設備，并與控制儀表連用，電機閥的驅動電壓應以24V為宜。同時考慮到現場的工況環境和電池供電的驅動功耗，進一步要求電機閥必須支持6V以下的驅動模式。此外，考慮到安裝的要求，電機閥應盡可能體積小巧，安裝方便。

2.2 IC卡控制器的選擇

在有效通過電機閥安全的控制調壓器的開啟之后，其實調壓器已經具備了雙重功效，調壓是其原有的功能，新增了人為關閉的功能，從而可通過調壓器實現對下游供氣的有效管理。目前燃氣行業基于IC卡方式對流量的計量和管理是燃氣計量調壓站一種新的發展方向，主要是通過流量計、IC卡控制器、截止閥（DN100以下），實現對小流量（500方/小時以下）的調壓計量站的IC卡流量結算管理。系統的工作原理是用戶購買的預存流量先寫入IC卡控制器內，而IC卡控制器又與流量計相連，可自動讀取流量計的累計流量，由于IC卡控制器具有對累計流量以IC卡計算方式自動完成遞減充值量計算的功能，因此隨著用戶用氣量的增加， IC卡控制器內的預存流量就會逐步減少，直到預存流量為零時， IC卡控制器會發出控制指令，驅動截止閥關閉，停止對下游的供氣。當用戶重新購買預存流量寫入IC卡控制器內后， IC卡控制器又會發出控制指令，驅動截止閥開啟。從而對于加裝了這種IC卡流量計量控制系統的燃氣調壓站，有效地實現了當IC卡預存流量為零時，通過截止閥自動關閉對下游的供氣，而當IC卡預存流量非零時，調壓站則持續為下游供氣。

而對于1000方/小時以上的調壓站，這種模式則無法使用。原因主要是IC卡控制器目前均采用電池供電工作模式，因此它對電動截止閥的驅動電壓和電流有嚴格的限制，僅能驅動DN100以下，小流量的截止閥，而對于DN100以上或著說大流量的截止閥則無法驅動。為很好地實現對大流量（2000方/小時以上）的調壓計量站的IC卡流量計量控制和管理，同時為現有的調壓計量站提供更加簡捷方便、切實可行的IC卡流量計量控制系統，我們嘗試利用電機閥對調壓器的控制實驗效果，用調壓器代替截止閥，采用流量體積校正儀、獨立的IC卡控制器、獨立的電機閥和調壓器，組成一套獨立的IC卡流量計量控制系統，有效地實現對燃氣調壓計量站的IC卡流量計量、控制和管理。其特點是：當IC卡預存流量為零時，通過調壓器自動關閉對下游的供氣，而當IC卡預存流量非零時，調壓器則持續為下游供氣（如圖4所示）。

3 新型IC卡流量計量控制系統的可行性

要使新型的IC卡流量計量控制系統成為可能，并使之產品化，首先要解決IC卡控制器與電機閥，以及與流量體積校正儀之間的通訊連接與性能匹配。

3.1 IC卡控制器與流量體積校正儀之間的通訊連接

對IC卡控制器而言，通常與流量計之間采用脈沖方式進行流量數據的傳遞，這種方式主要用于小流量的計量控制系統。而對于大流量的調壓計量站，一般則采用流量體積校正儀或流量計算機對流量進行計量和處理，而流量體積校正儀和流量計算機不提供脈沖輸出接口。這里盡管流量計有脈沖接口，但也僅提供給流量體積校正儀或流量計算機使用，無法提供給IC卡控制器。因此IC卡控制器要從流量體積校正儀得到流量信號，就必須要求流量體積校正儀廠家進行硬件升級和開發定制，并且要考慮到IC卡控制器與流量體積校正儀通訊的功耗與穩定性。當然通訊的長周期測試必不可少。為此這里給出幾種可行的通訊規范:

3.1.1 接口標準方式 1

（1）引出線: 接口需引二路信號: 計量信號線A 異常輸出線B1、B2。引出線需帶屏蔽輸出。

（2）高電平輸出：計量信號線A

流量計每走1方氣輸出1個高電平計數脈沖，脈沖高電平3V，高電平脈寬0.5秒，脈沖周期≥1秒。要求驅動電流≥1mA。（或在5V電壓下能可靠驅動5kΩ電阻負載）

（3）異常輸出線B1、B2

異常輸出線B1：當流量計內部電壓低時，輸出報警信號；報警信號線在流量計內部電壓正常時輸出為低電平；當流量計內部電壓低時，輸出為高電平。

異常輸出線B2：同上。

3.1.2 接口標準方式 2

（1）引出線：接口需引二路信號: 計量信號線A 異常輸出線B1、B2。引出線需帶屏蔽輸出。

（2）計量信號線輸出標準

OC門輸出，常態下為斷開狀態，每走1方氣，導通一次，導通寬度為500ms， 脈沖周期≥1秒。要求驅動電流≥1mA。（或在5V電壓下能可靠驅動5kΩ電阻負載）。

（3）低電壓報警輸出線標準

低電壓報警輸出線標準B1: OC門輸出，在流量計正常工作狀態下OC門輸出為斷開狀態，在流量計出現電壓低時，為提醒用戶及早更換流量計內電池，特輸出報警信號，此時OC門應恒導通（導通持續時間應大于30秒）。

更低電壓報警輸出線標準B2: OC門輸出，在流量計正常工作狀態下OC門輸出為斷開狀態， 在流量計出現電壓更低時，若低于此電壓流量計將無法正常工作， 特輸出報警信號，此時OC門應恒導通。

3.2 IC卡控制器與小型電機閥的匹配

在有效解決IC卡控制器和體積校正儀的通訊之后，接下來要解決的是IC卡控制器對小型電機閥的合理控制。這里有三個前提條件：（1）電機閥的開啟過程要緩慢平穩，確保開啟過程不會引起調壓器超壓切斷。（2）電機閥的關閉過程要盡量快捷 ，這樣會引起調壓器關閉迅速，從而減少計量的誤差。（3）IC卡控制器對電機閥驅動的有效驅動，電池功耗越小越好。 這對IC卡控制器的選擇和使用實際上提出了新的要求。 同時需要提供給IC卡控制器的生產商確切的開啟與關閉時間參數。為此IC卡控制器必須進行必要的軟硬件升級以滿足實際的應用需求。

4 新型IC卡流量計量控制系統的驗證與測試

在IC卡控制器、流量體積校正儀、小型電機閥之間嚴格地按照約定成功連接之后，接下來需要做的是在實驗室對新型流量計量控制系統進行在線通氣測試。測試主要按照中低壓調壓站現場的工況運行條件進行：比如進口壓力2BAR、2.5BAR、3BAR，出口壓力5kPa、10kPa、15kPa、20kPa，流量1000方/小時、1500方/小時、2000方/小時。實驗記錄如圖5、圖6所示。

從圖5和圖6中可以清楚地看到新型的IC卡流量計量控制系統當預存流量為零時，通過IC卡控制器快速關閉電機閥，從而調壓器迅速地停止對下游的供氣。當重新向IC卡控制器充值后， IC卡控制器會緩慢地開啟電機閥，從而調壓器出口壓力會平穩地、緩慢地上升，并達到調壓器的設定壓力，重新恢復對下游的供氣。

圖5 流量2000方/小時出口壓力20kPa 調壓器的關閉與開啟曲線

圖6 流量2000方/小時出口壓力5kPa 調壓器的關閉與開啟曲線

5 小結

新型的IC卡流量計量控制系統充分利用了間接作用式調壓器的工作原理，創新地在調壓器導閥出口管路上加裝電機閥，并通過IC卡控制器以流量計量方式，合理地對電機閥進行控制。控制條件為當IC卡預存流量為零時關閉電機閥，而IC卡預存流量非零時，開啟電機閥。從而有效地使調壓器具有了自動調壓與IC卡計量開關的雙重功能。同時由于IC卡控制器具有對累計流量以IC卡計算方式自動完成遞減充值量計算的功能，因此對于加裝了這種IC卡流量計量控制系統的燃氣調壓站，有效地實現了當IC卡預存流量為零時，通過調壓器自動關閉對下游的供氣，而當IC卡預存流量非零時，調壓站則持續為下游供氣。 它的顯著特點是既可以利用調壓器對下游進行調壓供氣，又可以利用調壓器進行供氣管理。因此一方面對于大流量（2000方/小時以上）的調壓計量站的IC卡流量結算管理提供了一種切實可行的解決方案。同時對于現有的燃氣調壓計量站進行IC卡流量結算的工程改造，不需要額外加裝流量截止閥，更不需要對調壓計量站的供氣管路進行改造。從而為管網公司和燃氣公司進行項目施工和供氣帶來了極大的方便。

[1] 段長貴. 燃氣輸配 (第三版) [M]. 北京: 中國建筑工業出版社. 2001.

王耀生，男，高級工程師，現就職于上海航天能源股份有限公司產品工程中心，任智能化管網技術研究室主任，長期從事燃氣輸配控制系統及控制產品的研究與開發。

Research about one kind of Control method for IC Card Flow measurement

Taking the IC card-based flow measurement and management of current city's gas pipeline network as background, this paper describes how to make use of pressure regulator to make up of one kind of new IC card-based flow measurement and control system. Comparing with conventional IC card flow measurement and control system， this system has done some improvements on control method. The flow instrument with volume correction, the IC card controller and the electrical valve and pressure regulator are integrated in this system, which achieves integration of the measurement, control and management of the IC card in the natural gas station.

Working principle of pressure regulator; IC card controller; Electrical valve; Low measurement and control system

B

1003-0492(2015)10-0096-04

TP273