一种分布控制式水下电动阀门执行装置

技术领域

本发明属于海洋石油工程领域，具体涉及一种分布控制式水下电动阀门执行装置。

背景技术

水下生产系统作为目前海洋油气资源开发的一种主流模式，其具备适应性强、占用空间小、效率高、经济性好等优点。随着科技的不断发展，水下生产系统经历了从液压式到电液复合式，再到全电式的发展历程，目前我国渤海油气田多采用电液复合式水下生产系统实现油气田的开采。然而随着作业水深的不断增加，电液复合式水下生产系统已不再适用，全球各大知名油气巨头逐渐将目光转向全电式水下生产系统。我国目前缺少全电式水下生产系统相关设备的研发能力，存在较多核心问题尚未突破。

其中，全电式水下采油树及内部关键设备作为整个水下生产系统的核心，是亟需突破的关键设备之一。水下电动阀门执行装置是整个水下生产系统的终端执行单元，又是整个水下全电采油树最核心、最关键的设备之一，其工作的可靠性和安全性直接影响到整个全电式水下生产系统的性能。

但是针对水下电动阀门执行装置，其传统设计方法多为借鉴液动式阀门执行装置，采用复位弹簧实现阀门的失效紧急关断。这时执行装置在驱动阀门时除需克服阀门本身的负载外，还需要克服巨大的弹簧力，阀门完全开启后还需设置单独的低功耗保持机构，维持生产阀门的开启状态。由于复位弹簧和低功耗保持机构的存在，导致水下电动阀门执行装置体积庞大、功耗增加、系统生产成本提高等问题。此外，传统的水下电动阀门执行装置通常与全电采油树阀门固连，其内部集成了许多电子控制元件，一旦出现故障，需将整个全电采油树进行整体回收。

发明内容

本发明为解决现有技术中，驱动电机发生故障时所出现的系统的不可靠性；因复位弹簧而整体尺寸和功耗大以及还不适合用于超深环境；并在与阀门固连而在收回维修方面的成本多等问题，提供了一种分布控制式水下电动阀门执行装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种分布控制式水下电动阀门执行装置，所述一种分布控制式水下电动阀门执行装置包括控制机构、驱动机构、执行机构插头部、耐压舱壳体和驱动舱壳体，耐压舱壳体和驱动舱壳体由上至下依次设置，且耐压舱壳体的底部与驱动舱壳体的顶部固定连接，所述控制机构设置在耐压舱壳体内，所述驱动机构设置在驱动舱壳体内，所述控制机构与所述驱动机构电气连接，所述驱动机构与所述执行机构插头部连接。

优选的，所述驱动机构包括传动组件和两个驱动单元，两个所述驱动单元并排设置，且每个驱动单元均与所述控制机构电气连接，两个所述驱动单元均与所述传动组件连接，所述传动组件与所述执行机构插头部连接。

优选的，每个所述驱动单元包括驱动电机、电磁离合器和传动齿轮，驱动电机与所述控制机构电气连接，驱动电机的电机轴通过电磁离合器与传动齿轮连接，传动齿轮与所述传动组件连接。

优选的，所述传动组件包括减速器和从动齿轮，从动齿轮同轴固定套装在减速器的输入轴上，从动齿轮与传动齿轮啮合，减速器的输出轴与所述执行机构插头部连接。

优选的，所述控制机构包括电源模块、继电器、电机控制器和驱动器；电源模块为继电器、电机控制器和驱动器提供电力，电机控制器的控制信号输出端与驱动器的控制信号输入端连接，驱动器的控制信号输出端与驱动电机的控制信号输入端连接。

优选的，所述控制机构还包括电池充电模块和锂离子电池组，所述锂离子电池组具有两套独立的电池组和电池管理系统，每套所述电池管理系统各自与相应的所述电机控制器信号连接，每个所述电池充电模块各自从所述电源模块接受电源，且提供至相应所述电池组。

优选的，所述控制机构为冗余设置，所述冗余设置的数量为两个。

优选的，所述执行机构插头部包括ROV插头和自适应接口，自适应接口设置在ROV插头内，且自适应接口的外壁与ROV插头的内壁通过轴承转动连接，减速器的输出轴同轴固定插装在自适应接口内。

优选的，所述ROV插头外壁表面设有机械式锁紧解锁机构。

优选的，所述驱动舱壳体外壁表面设有压力补偿器，所述压力补偿器与所述驱动舱壳体一体成型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的执行装置中，因其驱动机构采用两个冗余的驱动单元结合传动组件而驱动阀门，当单个驱动单元发生故障时，可将失效的驱动单元从系统中分离，由另外的驱动单元转动传动组件而单独操作阀门，增加了系统的可靠性。

2、本发明的执行装置中，采用锂离子电池组作为备用电源，实现阀门丢电后的紧急关断功能，以此实现执行机构的失效安全功能。因省去了体积较大的复位弹簧以及不需要额外的低功耗保持机构抵抗复位弹簧力，不仅极大程度地减小了执行机构的整体尺寸而且还降低了水下控制系统的整个功耗。而且因锂离子电池组不受水深等环境参数影响，所以还增加了执行机构在作业水深环境中的适应性。尤其在未来的超深水油气开发具有较强的环境适应性。而且锂离子电池组内搭配了专属的电池管理系统，可实时监测系统状态。

3、本发明的执行装置，采用了执行装置与阀门的分体式设计，可适配多种水下阀门。因此当执行装置控制机构元件发生损坏后，执行装置可由ROV操作单独回收，避免了传统执行器和阀门一体化式的方式，极大程度降低了执行装置失效后的维修成本。该发明对于推动我国海洋油气开发技术的发展是具有重大意义的。

附图说明

图1为本发明总体外观示意图；

图2为本发明驱动机构内部结构示意图；

图3为本发明驱动机构剖面图；

图4为本发明控制机构内部结构示意图；

图5为本发明与水下阀门安装示意图；

图6为本发明电气系统原理图；

图中标号说明：

1、耐压舱壳体；2、耐压舱下盖；3、驱动舱壳体；4驱动舱壳体下盖；5、减速器壳体；6、压力补偿器；7、干式电接头；8、ROV插拔电接头；11、电源模块；12、电机控制器；13、驱动器；14、继电器；15、电池充电模块；151、充电模块支架；16、锂离子电池组；17、充气堵头；18、滑轨；19、滑轨安装板；21、驱动电机；211、电机输出轴；212、电机壳体；213、电机壳体上盖；22、电磁离合器；23、传动齿轮；24、从动齿轮；25、减速器；251、减速器输入轴；252、减速器输出轴；26、编码器；31、ROV插头；32、自适应接口；33、锁紧解锁机构；41、ROV接口；42、丝杠螺母；43、水下阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步的详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，所有方向性指示例如上、下、左、右、前、后、内、外等为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明公开了一种分布控制式水下电动阀门执行装置，所述执行装置包括耐压舱壳体1、驱动舱壳体3以及减速器壳体5，且均呈环状。所述耐压舱壳体1、所述驱动舱壳体3以及所述减速器壳体5由上至下依次设置。所述耐压舱壳体1通过螺钉与耐压舱下盖2密封连接，所述耐压舱下盖2通过螺钉与所述驱动舱壳体3密封连接，所述驱动舱壳体3通过螺钉与驱动舱壳体下盖4密封连接。而且所述驱动舱壳体下盖4顶面还设有凹槽，用以连接所述驱动舱壳体3的底端，并在该凹槽放置O型圈用以径向密封。所述减速器壳体5通过螺钉与所述驱动舱壳体下盖4连接。

所述驱动舱壳体3外壁表面设有压力补偿器6，以便在深海中保护所述执行装置不被破坏。所述压力补偿器6与所述驱动舱壳体3一体成型，且向外凸出。所述压力补偿器6采用充油式压力补偿。

所述执行装置还包括控制机构、驱动机构以及执行机构插头部。所述控制机构与所述驱动机构通过干式电接头7建立了电气连接。所述干式电接头7通过螺钉与所述耐压舱下盖2连接。所述控制机构设置在所述耐压舱壳体1内，所述驱动机构设置在所述驱动舱壳体3内。所述驱动机构与所述执行机构插头部连接。

如图2，3所示，所述驱动机构包括传动组件和驱动单元。所述驱动单元为冗余设置，且冗余设置的个数采用两个。所述驱动单元为水下设备阀门的开启闭提供驱动动力。两个所述驱动单元均与所述传动组件连接，所述传动组件与所述执行机构插头部连接。每个所述驱动单元包括驱动电机21、电磁离合器22以及传动齿轮23。所述驱动电机21与所述控制机构电气连接。所述驱动电机21具有控制信号输入端。所述驱动电机1以竖向并排设置在所述驱动舱壳体3内的上部，每个所述驱动电机21的外围均各自固定设有电机壳体212和电机壳体上盖213。两个所述电机壳体212相互最靠近的外壁通过螺钉固定连接，且每个所述电机壳体212最靠近所述驱动舱壳体3的外壁通过螺钉固定在所述驱动舱壳体3的内壁，从而使两台所述驱动电机1不被松动都能正确传递旋转运动。在正常工作情况下，两台所述驱动电机21各自承担一半负载。但当其中一路发生故障时，另一路仍可单独控制驱动阀门的开启和关闭。

每个所述驱动电机21各自均具有一个电机输出轴211。每个所述电机输出轴211上端与各自的驱动电机转子连接，且每个所述电机输出轴211底部通过所述电磁离合器22与所述传动齿轮23固定连接。所述传动齿轮23与所述传动组件连接。通过控制每个所述电磁离合器22的断电都可控制所述执行装置开启闭阀门的工作。所述电磁离合器22和所述传动齿轮23均设在所述驱动舱壳体3内部。

所述传动组件包括减速器25和从动齿轮24。所述减速器25具有减速器输入轴251和减速器输出轴252。所述从动齿轮24同轴固定套装在所述减速器输入轴251上与所述减速器5固定连接。所述从动齿轮24位于两个所述传动齿轮23中间，且与两个所述传动齿轮24均互相啮合。两个所述传动齿轮23和所述从动齿轮24的齿数和模数相等。

所述从动齿轮24位于所述驱动舱壳体3内部。所述减速器25设在所述减速器壳体5内部，且通过螺钉固定在所述减速器壳体28的内壁。所述减速器25具有方向自锁功能，能够实现执行机构的无功耗保持功能，极大程度上减小了系统的功耗。所述减速器25的输出轴252与所述执行机构插头部连接。

所述驱动机构均可在高压绝缘油内工作。

所述驱动舱壳体3内还设有编码器26。所述编码器26具有定子和转子。所述定子固定在所述电机壳体212的下盖外壁，所述转子固定在所述电机输出轴211上。当所述驱动电机21转动时，所述编码器26能够收集所述驱动电机21的转速、位置等参数。

如图4所示，所述控制机构包括电源模块11、继电器14、电机控制器12、驱动器13、电池充电模块15以及锂离子电池组16。所述控制机构的作用为控制驱动电机21，且所述控制机构无法在高压绝缘油内工作。

所述电源模块11提供电源至所述继电器14、所述电机控制器12、所述驱动器13和所述电池充电模块15。

所述电机控制器12的控制信号输出端与所述驱动器13的控制信号输入端连接，所述驱动器13的控制信号输出端与所述驱动电机21的控制信号输入端连接。

所述电机控制器12可以接受水上平台发出的控制指令后驱动所述驱动器13，从而控制所述驱动电机21运动。当所述驱动电机21运动时，所述编码器26将收集的参数反馈给所述电机控制器12。

所述继电器14是用于控制所述电磁离合器22电源电路的导通或切断。所述驱动器13通过IO接口控制所述继电器17。

所述锂离子电池组16内部集成了两套独立的电池组和电池管理系统，每一套所述电池管理系统由相应所述电池组供电，且每一套所述电池管理系统各自与相应的所述电机控制器12信号连接。因此，所述电池管理系统能实时监测所述电池组的电池状态，并且实时反馈给所述电机控制器12。每个所述电池充电模块15各自从所述电源模块11接受电源，且提供至相应所述电池组。当所述锂离子电池组16监测到电池输入电力丢失后，所述电池管理系统会释放所述锂离子电池组16所存储的电力，用于紧急关闭阀门。

所述执行装置由全电式水下控制模块提供电力及通信信号。

所述控制机构为冗余设置。本实施例中所述控制机构冗余设置的个数采用两个。

当冗余设置所述控制机构时，所述电机控制器12分为主路电机控制器和从路电机控制器，且各自与相应的所述驱动器13均双向信号连接。所述主路电机控制器12与所述从路电机控制器12信号连接，每个所述驱动器13各自与相应的所述驱动电机21信号连接。所述从路电机控制器能够将所述驱动电机21的状态实时反馈给所述主路电机控制器，因此，所述主路电机控制器12能够实时读取两台所述驱动电机21的状态，可通过软件编程的方式实现两台所述驱动电机21的同步控制。

所述耐压舱下盖2和所述耐压舱壳体1构成了所述控制机构舱体，且所述控制机构舱体采用耐压结构。

所述控制机构舱体的内部空间内竖向设有滑轨安装板19。所述滑轨安装板19的底端通过螺钉固定在所述耐压舱下盖2的上部底面。所述滑轨安装板19的一侧面通过螺钉竖向固定设有滑轨18。所述滑轨18上固定设有所述电源模块11、所述电机控制器12以及所述继电器14。

所述耐压舱下盖2的上部底面通过螺钉还设有所述驱动器13。所述驱动器13工作时，可将热量通过所述耐压舱壳体1传递至外部海水，实现良好的散热。所述驱动器13具有IO接口。

所述耐压舱下盖2的上部底面通过螺钉还设有充电模块支架151和固定支架。所述固定支架上设有所述锂离子电池组16。所述充电模块支架151上通过螺钉设有所述电池充电模块15。

为提高所述控制机构的寿命，所述耐压舱下盖2还设有充气口和充气堵头17。通过所述充气口向所述控制机构内部冲入氮气，之后通过所述充气堵头17堵住所述充气口。

因所述驱动机构中的驱动单元和所述控制机构均为冗余设置，当其中一台所述驱动电机21发生故障而失效时，水上平台通过控制所述驱动器13的IO接口控制相应的所述继电器14，将该路的所述电磁离合器22断电，将损坏失效的所述驱动电机21从系统中分离，避免单个所述驱动电机21损坏后成为另一台所述驱动电机的21负载。通过控制另一台所述驱动电机21仍可独立控制驱动阀门的开启和关闭。

所述执行机构插头部包括标准的ROV插头31和自适应接口32，所述自适应接口32设置在所述ROV插头31内，且所述自适应插口32的外壁与所述ROV插头31的内壁通过轴承转动连接。所述ROV插头31内还设有所述减速器输出轴252，所述减速器输出轴252同轴固定插装在所述自适应接口32，且与所述减速器25固定连接。所述减速器输出轴252与所述自适应接口32采用键连接。所述ROV插头31可适应CLASS IV级ROV操作接口。所述ROV插头31与所述减速器壳体5焊接固定连接。

所述ROV插头31外壁表面通过螺钉固定设有机械式锁紧解锁机构33。

所述执行装置采用分体式设计，可由ROV独立操作。因而当所述执行装置的内部机构(包括驱动机构和控制机构)发生故障需要回收时，无需配备专属的回收工具，仅由ROV独立操作便可完成执行装置的回收和安装。

而且将驱动电机21的驱动机构和控制机构集成在水下电动阀门执行装置内部，极大程度上缩小了全电式水下控制模块的整体尺寸。

所述执行装置输出的运动为旋转运动，可直接操作水下球阀等旋转类阀门。

如图5所示，当所述执行装置操作水下闸阀等直线运动阀门时，需在水下闸阀内部适配丝杠螺母42传动机构，将所述执行装置的所述驱动电机21输出旋转运动转化为驱动阀门的直线线性运动。

本发明的工作原理如下：

正常开启时：开始工作时水下阀门处于关闭状态。此时由水上平台发送控制指令，全电式水下控制模块接收到水上平台发出的控制指令后，将控制信号发送至水下所述电动阀门执行装置内部的所述电机控制器12。两台所述电机控制器12均接收到指令后，会分别驱动各自的所述驱动器13，从而控制两台所述驱动电机21运动。所述驱动电机1将运动传递至所述电磁离合器22，所述电磁离合器22通过传动齿轮23将运动传递至所述从动齿轮24，再由从动齿轮24将运动传递至所述减速器25，经所述减速器25减速增扭后，通过减速器输出轴252传递至水下阀门43，使阀门开启。当阀门开启后，水上平台通过控制所述驱动器13的IO接口控制相应所述继电器14，将所述电磁离合器22断电，从而结束工作。

当所述驱动电机21转动时，所述编码器26能够将转速、位置等参数实时反馈给各自的所述电机控制器12。所述电机控制器12为一主一从，主电机控制器能够实时读取两台所述驱动电机21的状态，并实现两台所述驱动电机21的同步控制。

正常关闭时：开始工作时阀门处于开启状态。操作过程与阀门开启过程类似。

失效安全关断时：开始工作时阀门处于开启状态。当所述执行装置意外断电时，所述电池管理系统监测到所述锂离子电池组16中输入的电流丢失。此时所述电池管理系统会自动控制所述锂离子电池组16释放电力，并发送指令给所述电机控制器12，所述电机控制器12读取到所述电池管理系统的报警指令后，能够自动运行其内部程序，从而控制所述驱动电机21紧急关闭阀门。

所述执行装置，可用于控制全电式水下采油树、水下全电管汇和水下全电分离器等全电式水下生产设施中各种类型阀门的启闭。

最后应说明的是：以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。