王耀生，叶庆红（上海航天能源股份有限公司，上海 201201）

一种IC卡流量计量控制方法的研究

王耀生，叶庆红（上海航天能源股份有限公司，上海 201201）

本文以目前城市管网中基于IC卡的流量计量和管理方法为背景，论述了如何有效地利用调压器组成一种新型的IC卡流量计量控制系统，该系统对传统的IC卡流量计量控制系统的控制方式做了改进，将流量体积校正仪、IC卡控制器、电机阀和调压器集成为一体，有效实现了对燃气调压计量站的IC卡流量计量、控制和管理。

调压器工作原理；IC卡控制器；电机阀；流量计量控制系统

1 前言

近年来，随着我国天然气开发应用进程的不断加快，特别是城市燃气的广泛应用，对燃气输配管理提出了更多的实际需求。基于IC卡方式对流量的计量和管理是燃气计量调压站一种新的发展方向。一方面目前国内许多城市的煤改气项目，即燃煤锅炉改为燃气锅炉项目正在按期进行，其中锅炉前调压计量装置需要安装IC卡流量控制系统。另一方面国内许多燃气公司为了管理和结算的需要，正在计划对现有的一批调压站进行IC卡方式计量结算的改造和管理。然而目前燃气行业现有的或者说传统的IC卡流量计量控制系统主要是通过流量计、IC卡控制器、截止阀（DN100以下）组成，主要实现对小流量（500方/小时以下）的调压计量站的IC卡流量结算管理。而对于大流量（2000方/小时以上）的调压计量站的IC卡流量结算管理，目前国内这一系统尚属空缺。

1.1 自力式调压器的工作原理

自力式调压器（如图1所示）由主调压器、指挥器、信号管三部分组成。调压器开始启动运行时，操作指挥器的手柄给定压力。当主调压器的出口压力高于给定值时，指挥器薄膜上的作用力克服薄膜下的弹簧力，使薄膜组下降，调节阀芯靠近喷嘴，使喷嘴喷出的气量减少，引起主调压器下腔室压力的下降。由于主调压器薄膜上、下腔压力差和主调压器的弹簧力的关系被破坏，使调压器阀门随着薄膜下降而关小，通过阀口的气量减少，调压器后端的压力又恢复到给定值。

当调压器出口压力低于给定值时，调节过程将按相反的方向进行调节。

图1 自力式调压器作用原理

1.2 调压器导压管路加装手阀后的调压功效与分析

自力式调压器在工作过程中，其下腔压力的变化源于指挥器出口导压管压力的变化。如图2所示， 如果在指挥器出口导压管路加装一小的手动阀，然后通过快速、慢速、匀速、快开慢关、慢开开关等方式开启和关闭小手动阀，我们发现自力式调压器在进口压力相对稳定的情况下，其工作过程存在着明显的差异，并存在着规律性。具体表现在：（1）当快速开启小手动阀时，调压器流量会突然增大，调压器出口压力会迅速上升，并会超过其紧急切断压力。（2）当快速关闭小手动阀时，调压器流量会突然减小，调压器出口压力会迅速下降。（3）当缓慢开启小手动阀时，调压器流量会逐步增大，调压器出口压力会逐步上升，但不会超过其紧急切断压力。（4）当缓慢关闭小手动阀时，调压器流量会逐步减小，调压器出口压力会逐步下降，直到调压器关闭，流量为零。

图2 指挥器后端加装小手动阀的实验过程

图3 指挥器后端加装小手动阀的实验曲线

调压器出口压力变化记录曲线（如图3所示）真实地反映了这种特性。

2 利用IC卡控制器驱动自力式调压器的解决方案

怎样才能有效自动地实现对调压器的开启和关闭，如果采用电机阀代替前面的手动阀，并合理地通过控制器控制电机阀的开启和关闭，不失为一种可行的解决方案（如图4所示）。

图4 一种IC卡流量计量控制系统图

2.1 微型电机阀的使用

在调压器对下游管网的供气过程中，首先要保证下游管网的安全，即出口压力不能超出下游管网的承受压力，为此调压器都配置有紧急切断阀，对于高压管网切断压力是设定压力的1.3倍，而对于中低压管网设定压力是设定压力的1.4倍。同时在下游管网安全的情况下，要求调压器能持续为下游供气，应尽可能地避免因调压设备的故障给下游造成停气，特别是对于低压管网，或下游的大工业用户。由于停气所造成的经济影响不可估量，使得持续稳定的供气成为各燃气公司的首要责任。因此对调压器的开启和关闭控制，首要的是保障它在开启过程中不会出现超压而引起紧急切断。要做到这一点，需要保证所选的控制阀门开启过程比较缓慢。经过对比我们发现一些电机阀可以满足缓慢开启的要求。同时为了提高计量的精度，要求调压器的关闭过程要快一些，即电机阀的关闭过程比开启过程更快。同时由于燃气行业的特殊要求，电机阀还必须满足防爆、耐压等标准。另一方面，作为自动控制设备，并与控制仪表连用，电机阀的驱动电压应以24V为宜。同时考虑到现场的工况环境和电池供电的驱动功耗，进一步要求电机阀必须支持6V以下的驱动模式。此外，考虑到安装的要求，电机阀应尽可能体积小巧，安装方便。

2.2 IC卡控制器的选择

在有效通过电机阀安全的控制调压器的开启之后，其实调压器已经具备了双重功效，调压是其原有的功能，新增了人为关闭的功能，从而可通过调压器实现对下游供气的有效管理。目前燃气行业基于IC卡方式对流量的计量和管理是燃气计量调压站一种新的发展方向，主要是通过流量计、IC卡控制器、截止阀（DN100以下），实现对小流量（500方/小时以下）的调压计量站的IC卡流量结算管理。系统的工作原理是用户购买的预存流量先写入IC卡控制器内，而IC卡控制器又与流量计相连，可自动读取流量计的累计流量，由于IC卡控制器具有对累计流量以IC卡计算方式自动完成递减充值量计算的功能，因此随着用户用气量的增加， IC卡控制器内的预存流量就会逐步减少，直到预存流量为零时， IC卡控制器会发出控制指令，驱动截止阀关闭，停止对下游的供气。当用户重新购买预存流量写入IC卡控制器内后， IC卡控制器又会发出控制指令，驱动截止阀开启。从而对于加装了这种IC卡流量计量控制系统的燃气调压站，有效地实现了当IC卡预存流量为零时，通过截止阀自动关闭对下游的供气，而当IC卡预存流量非零时，调压站则持续为下游供气。

而对于1000方/小时以上的调压站，这种模式则无法使用。原因主要是IC卡控制器目前均采用电池供电工作模式，因此它对电动截止阀的驱动电压和电流有严格的限制，仅能驱动DN100以下，小流量的截止阀，而对于DN100以上或着说大流量的截止阀则无法驱动。为很好地实现对大流量（2000方/小时以上）的调压计量站的IC卡流量计量控制和管理，同时为现有的调压计量站提供更加简捷方便、切实可行的IC卡流量计量控制系统，我们尝试利用电机阀对调压器的控制实验效果，用调压器代替截止阀，采用流量体积校正仪、独立的IC卡控制器、独立的电机阀和调压器，组成一套独立的IC卡流量计量控制系统，有效地实现对燃气调压计量站的IC卡流量计量、控制和管理。其特点是：当IC卡预存流量为零时，通过调压器自动关闭对下游的供气，而当IC卡预存流量非零时，调压器则持续为下游供气（如图4所示）。

3 新型IC卡流量计量控制系统的可行性

要使新型的IC卡流量计量控制系统成为可能，并使之产品化，首先要解决IC卡控制器与电机阀，以及与流量体积校正仪之间的通讯连接与性能匹配。

3.1 IC卡控制器与流量体积校正仪之间的通讯连接

对IC卡控制器而言，通常与流量计之间采用脉冲方式进行流量数据的传递，这种方式主要用于小流量的计量控制系统。而对于大流量的调压计量站，一般则采用流量体积校正仪或流量计算机对流量进行计量和处理，而流量体积校正仪和流量计算机不提供脉冲输出接口。这里尽管流量计有脉冲接口，但也仅提供给流量体积校正仪或流量计算机使用，无法提供给IC卡控制器。因此IC卡控制器要从流量体积校正仪得到流量信号，就必须要求流量体积校正仪厂家进行硬件升级和开发定制，并且要考虑到IC卡控制器与流量体积校正仪通讯的功耗与稳定性。当然通讯的长周期测试必不可少。为此这里给出几种可行的通讯规范:

3.1.1 接口标准方式 1

（1）引出线: 接口需引二路信号: 计量信号线A 异常输出线B1、B2。引出线需带屏蔽输出。

（2）高电平输出：计量信号线A

流量计每走1方气输出1个高电平计数脉冲，脉冲高电平3V，高电平脉宽0.5秒，脉冲周期≥1秒。要求驱动电流≥1mA。（或在5V电压下能可靠驱动5kΩ电阻负载）

（3）异常输出线B1、B2

异常输出线B1：当流量计内部电压低时，输出报警信号；报警信号线在流量计内部电压正常时输出为低电平；当流量计内部电压低时，输出为高电平。

异常输出线B2：同上。

3.1.2 接口标准方式 2

（1）引出线：接口需引二路信号: 计量信号线A 异常输出线B1、B2。引出线需带屏蔽输出。

（2）计量信号线输出标准

OC门输出，常态下为断开状态，每走1方气，导通一次，导通宽度为500ms， 脉冲周期≥1秒。要求驱动电流≥1mA。（或在5V电压下能可靠驱动5kΩ电阻负载）。

（3）低电压报警输出线标准

低电压报警输出线标准B1: OC门输出，在流量计正常工作状态下OC门输出为断开状态，在流量计出现电压低时，为提醒用户及早更换流量计内电池，特输出报警信号，此时OC门应恒导通（导通持续时间应大于30秒）。

更低电压报警输出线标准B2: OC门输出，在流量计正常工作状态下OC门输出为断开状态， 在流量计出现电压更低时，若低于此电压流量计将无法正常工作， 特输出报警信号，此时OC门应恒导通。

3.2 IC卡控制器与小型电机阀的匹配

在有效解决IC卡控制器和体积校正仪的通讯之后，接下来要解决的是IC卡控制器对小型电机阀的合理控制。这里有三个前提条件：（1）电机阀的开启过程要缓慢平稳，确保开启过程不会引起调压器超压切断。（2）电机阀的关闭过程要尽量快捷 ，这样会引起调压器关闭迅速，从而减少计量的误差。（3）IC卡控制器对电机阀驱动的有效驱动，电池功耗越小越好。 这对IC卡控制器的选择和使用实际上提出了新的要求。 同时需要提供给IC卡控制器的生产商确切的开启与关闭时间参数。为此IC卡控制器必须进行必要的软硬件升级以满足实际的应用需求。

4 新型IC卡流量计量控制系统的验证与测试

在IC卡控制器、流量体积校正仪、小型电机阀之间严格地按照约定成功连接之后，接下来需要做的是在实验室对新型流量计量控制系统进行在线通气测试。测试主要按照中低压调压站现场的工况运行条件进行：比如进口压力2BAR、2.5BAR、3BAR，出口压力5kPa、10kPa、15kPa、20kPa，流量1000方/小时、1500方/小时、2000方/小时。实验记录如图5、图6所示。

从图5和图6中可以清楚地看到新型的IC卡流量计量控制系统当预存流量为零时，通过IC卡控制器快速关闭电机阀，从而调压器迅速地停止对下游的供气。当重新向IC卡控制器充值后， IC卡控制器会缓慢地开启电机阀，从而调压器出口压力会平稳地、缓慢地上升，并达到调压器的设定压力，重新恢复对下游的供气。

图5 流量2000方/小时出口压力20kPa 调压器的关闭与开启曲线

图6 流量2000方/小时出口压力5kPa 调压器的关闭与开启曲线

5 小结

新型的IC卡流量计量控制系统充分利用了间接作用式调压器的工作原理，创新地在调压器导阀出口管路上加装电机阀，并通过IC卡控制器以流量计量方式，合理地对电机阀进行控制。控制条件为当IC卡预存流量为零时关闭电机阀，而IC卡预存流量非零时，开启电机阀。从而有效地使调压器具有了自动调压与IC卡计量开关的双重功能。同时由于IC卡控制器具有对累计流量以IC卡计算方式自动完成递减充值量计算的功能，因此对于加装了这种IC卡流量计量控制系统的燃气调压站，有效地实现了当IC卡预存流量为零时，通过调压器自动关闭对下游的供气，而当IC卡预存流量非零时，调压站则持续为下游供气。 它的显著特点是既可以利用调压器对下游进行调压供气，又可以利用调压器进行供气管理。因此一方面对于大流量（2000方/小时以上）的调压计量站的IC卡流量结算管理提供了一种切实可行的解决方案。同时对于现有的燃气调压计量站进行IC卡流量结算的工程改造，不需要额外加装流量截止阀，更不需要对调压计量站的供气管路进行改造。从而为管网公司和燃气公司进行项目施工和供气带来了极大的方便。

[1] 段长贵. 燃气输配 (第三版) [M]. 北京: 中国建筑工业出版社. 2001.

王耀生，男，高级工程师，现就职于上海航天能源股份有限公司产品工程中心，任智能化管网技术研究室主任，长期从事燃气输配控制系统及控制产品的研究与开发。

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

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1003-0492(2015)10-0096-04

TP273