專利名稱：用于井口閥或其它應(yīng)用的致動器和包括該致動器的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及調(diào)節(jié)閥，尤其是涉及在可能不容易利用商業(yè)電源的遠程位置上高負荷運行的調(diào)節(jié)閥，例如用于井口的調(diào)節(jié)閥，其調(diào)節(jié)天然氣或流出地井的其它過程流體的流量。
背景技術(shù)：
在商業(yè)天然氣生產(chǎn)工業(yè)中，氣體收集管網(wǎng)絡(luò)常常將局部地理區(qū)域內(nèi)的幾十至幾百個天然氣地井連接和分支在一起。各個井將通過氣體收集管網(wǎng)絡(luò)把天然氣輸送到公共輸出位置。這些井可以由幾個不同的土地所有人和/或開采權(quán)所有人擁有，他們可以將他們的天然氣產(chǎn)品銷售給天然氣商業(yè)供應(yīng)商。典型地，商業(yè)供應(yīng)商將根據(jù)它的需要從土地所有人或權(quán)利所有人購買天然氣。這需要調(diào)節(jié)和監(jiān)控每口井中的天然氣產(chǎn)量。即使天然氣商業(yè)購買商擁有地或開采權(quán)，它仍然還想監(jiān)控和/或調(diào)節(jié)每口井的產(chǎn)量來控制它的供應(yīng)。常常，想要的天然氣輸出小于幾個組合井的最大生產(chǎn)量。這樣的要求由于循環(huán)季節(jié)性趨勢和因為其他經(jīng)濟原因而可能變化。
為了調(diào)節(jié)各個井的生產(chǎn)輸出，用于各個井的分支收集管典型地具有流量調(diào)節(jié)閥和布置成串聯(lián)在流體內(nèi)的氣體流量傳感器。氣體流量傳感器指示流經(jīng)收集管的天然氣量。調(diào)節(jié)控制閥提供可變的開度，調(diào)節(jié)控制閥在收集管內(nèi)形成節(jié)流孔板，從而設(shè)定收集管內(nèi)的天然氣流速。
由于存放天然氣的地方按照地理結(jié)構(gòu)進行布置，成組的天然氣生產(chǎn)井常常位于沒有商業(yè)電源的遠程區(qū)域內(nèi)。這樣的井也可以是遠離文明社會或者從文明社會不容易進入。結(jié)果，實現(xiàn)天然氣調(diào)節(jié)閥的自動控制和致動還沒有簡單的解決方案。天然氣生產(chǎn)井內(nèi)的流體壓力可以高達約900psi或者在某些情況下更高，以及低達約10psi。這就要求和需要具有高致動力的致動裝置，從而井口調(diào)節(jié)閥可以具有施加到它們上的幾百磅的力。現(xiàn)有技術(shù)中的現(xiàn)成解決方式必須使用少部分過程氣體(例如天然氣)作為工作流體，來向氣動調(diào)節(jié)器/致動器部件組合提供動力，包括氣動致動器、I/P調(diào)節(jié)器、減壓調(diào)節(jié)器和定位器，它們布置在操作流體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用于定位井口調(diào)節(jié)閥，如圖22中示意地圖示，圖22描述目前使用的典型井口生產(chǎn)井系統(tǒng)。在這個布置中，必須要控制工作流體。常常使用太陽能電池板和電池(因為成本原因它們保持盡可能小)來提供小的本地電源，以向電動機操作的調(diào)節(jié)器供電，調(diào)節(jié)器電控制工作流體流量。這樣在氣動致動器上提供電控制。
盡管氣動致動已經(jīng)證明能工作，但使用如圖21中所示的氣動致動已經(jīng)長期存在幾個重要缺點。具體地，現(xiàn)有技術(shù)的氣動致動系統(tǒng)(包括許多單個調(diào)節(jié)器和致動器部件)消耗和排放天然氣，意味著當重新定位或另外控制調(diào)節(jié)閥時，天然氣因此是釋放到大氣中的氣體。因為氣體排放，這些系統(tǒng)在滿足與短時天然氣散發(fā)相關(guān)的嚴格環(huán)境調(diào)節(jié)方面可能帶來困難。而且，由于短時天然氣散發(fā)，存在重大安全隱患。無論是由照明、其他相鄰設(shè)備或部件(包括控制電子設(shè)備)產(chǎn)生的，還是由維護人員或他們的設(shè)備在氣體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作時產(chǎn)生的電火花(當不遵守安全預(yù)防時這種隱患或許增加)，可能點燃釋放的天然氣和產(chǎn)生可能爆炸的情形。
考慮到前述方面，長期需要提供實用和經(jīng)濟上可行的解決方案來減少并且如果可能就消除與在控制調(diào)節(jié)井口閥時出現(xiàn)的短時天然氣散發(fā)相關(guān)的風(fēng)險和其他缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及使用電致動來驅(qū)動井口閥以便調(diào)節(jié)井中過程流體流量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于從所述井中收集過程流體的收集管；檢測穿過所述收集管的過程流體流量的流量傳感器；本地電源；以及與所述流量傳感器串聯(lián)以調(diào)節(jié)穿過所述收集管的過程流體流量的井口閥。用齒輪減速鏈和電動機來實現(xiàn)電致動。齒輪減速鏈包括多個齒輪，用于降低移動所述井口閥而需要的致動力。所述電動機由所述本地電源供電，并且通過所述齒輪減速鏈驅(qū)動所述井口閥。
本發(fā)明的優(yōu)點是可以在所有位置之間定位所述井口閥，而無需利用和釋放過程氣體來致動所述井口閥。而且，典型地包括電池和太陽能電池板的現(xiàn)有本地電源可以用來給電動致動井口閥供電。
本發(fā)明的另一方面涉及一種使用本地電源控制井口閥位置以控制井中過程氣體流量的新方法，所述方法包括用電致動力來電動致動所述井口閥以調(diào)節(jié)過程氣體的流量而無需釋放過程氣體；使用所述本地電源給所述電動致動提供動力；以及放大所述電致動力，從而降低電動致動的速度，其中所述放大是足夠的以便只使用所述本地電源就能實現(xiàn)所述電動致動。
本發(fā)明的又一方面涉及一種改進井口閥以減少井中過程氣體散發(fā)的方法，所述方法包括拆除利用和排放過程氣體來定位井口閥的氣動致動器(和它的工作流體調(diào)節(jié)部件)，其中所述氣動致動器使用本地電源進行電控制。然后，用具有電動機和齒輪減速鏈的電動致動器機構(gòu)來代替所述氣動致動裝置。所述電動致動器機構(gòu)通過所述齒輪減速鏈來驅(qū)動所述井口閥，而無需釋放用于致動力的過程氣體。所述方法還包括用所述本地電源給所述電動機供電，所述齒輪減速鏈配備有足夠大的減速比，以便所述本地電源足夠所述電動機通過所述齒輪減速鏈來驅(qū)動所述井口閥，而不管施加在所述井口閥上的過程流體壓力和/或彈簧力。同時可以更換或不更換井口閥。
本發(fā)明的另一方面涉及一種電動致動器的新配置。所述致動器包括適合于旋轉(zhuǎn)輸出軸的電動機和具有多個齒輪的齒輪減速鏈，所述齒輪減速鏈包括位于所述輸出軸上的輸入齒輪和旋轉(zhuǎn)輸出端。當所述電動機旋轉(zhuǎn)所述輸出軸時，所述多個齒輪適合于放大從所述輸入齒輪到旋轉(zhuǎn)輸出端的力。所述電動致動器還包括作用在所述齒輪減速鏈上的手動超馳輸入端以便可以手動驅(qū)動所述齒輪減速鏈，以及具有接通位置的制動器，其中所述制動器適合于防止所述齒輪減速鏈向回驅(qū)動。
根據(jù)這個方面，可以將彈簧布置成在預(yù)定方向上推動所述齒輪減速鏈。當所述制動器在接通位置時，它提供足夠的阻力來保持所述齒輪減速鏈的當前位置以抵消彈簧的作用。所述電動機具有足夠的旋轉(zhuǎn)輸出力來克服所述制動器在接通位置時的阻力以便移動所述齒輪減速鏈。
本發(fā)明的又一特征在于，所述電動致動器可在三種不同的可能操作模式之間進行配置。通過使手動可逆的彈簧具有偏置力和也具有切斷位置以便所述彈簧可以驅(qū)動所述齒輪減速鏈的制動器，來實現(xiàn)按照三種不同的可能模式的配置。然后，所述電動致動器在所述電動機掉電時具有三種不同的可配置操作模式，包括第一故障偏置模式、第二故障偏置模式和故障固定模式，在第一故障偏置模式中，所述彈簧布置成在掉電時在第一方向?qū)⑺鳊X輪減速鏈推向第一限度，而所述制動器位于切斷位置；在第二故障偏置模式中，所述彈簧布置成在掉電時在第二方向?qū)⑺鳊X輪減速鏈推向第二限度，而所述制動器位于切斷位置；在故障固定模式中，所述制動器位于接通位置，并且保持所述齒輪減速鏈的當前位置。
所述電動致動器可以安裝或能安裝到閥以提供電動致動閥組件。
根據(jù)本文中提供的本發(fā)明描述，本發(fā)明的其他優(yōu)點以及附加的發(fā)明特征將是顯而易見的。


圖1是依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例包括電動致動閥的井口系統(tǒng)的示意平面圖。
圖2是圖1中所示的電動致動閥的立體圖。
圖3-4是圖2中所示的電動致動閥的橫剖面，其中從前部和側(cè)部圖示這些橫剖面圖。
圖5和6是圖3的電動致動器部分的橫剖面。
圖7是從頂部觀察前面圖中所示的電動致動器的橫剖面。
圖8是圖4中所示的電動致動閥的閥部分的放大橫剖面。
圖9是圖8的放大橫剖面，圖解閥的密封裝置。
圖10是圖9中所示的密封裝置的分解裝配圖。
圖11是前面圖中所示的電動致動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖12是前面圖中所示的電動致動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖13-14是前面圖中所示的電動致動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前視圖和后視圖。
圖15和17是在前面圖中所示的電動致動器內(nèi)使用的制動機構(gòu)的前端視圖和后端視圖。
圖16是制動器箱的立體圖。
圖18a和18b是圖15-17中所示的制動機構(gòu)的橫剖面，分別圖示了開和關(guān)位置。
圖19是圖15-18中所示的制動機構(gòu)的分解裝配圖。
圖20是與圖3相同的圖，除了向回驅(qū)動彈簧使閥偏向開位置之外。
圖21是離合器齒輪下降的橫剖面，離合器齒輪可以用于電動致動器，代替齒輪之一。
圖22是用于井口閥的通用控制系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例在所有這些圖中圖示了特別適合于井口閥12的電動致動器10。圖1圖解了天然氣井生產(chǎn)系統(tǒng)14，作為電動致動器10的典型應(yīng)用和操作環(huán)境。如圖1中所示，井口閥12調(diào)節(jié)穿過集氣管18的天然氣生產(chǎn)井16產(chǎn)量輸出。井口閥12安裝在集氣管18內(nèi)，與氣體流量傳感器20進行流體串聯(lián)。井口閥12的開度和井16的天然氣壓力(對于大多數(shù)生產(chǎn)井而言，典型地，天然氣壓力在約10-900磅/平方英寸(psi)之間變化或甚至更高)確定穿過集氣管18的天然氣流速。氣體流量傳感器20測量流過管18的天然氣量。氣體流量傳感器20向電子控制器22提供表示檢測流速的電反饋，用于對電動致動器10和井口閥12進行閉環(huán)控制。
由于井16可能定位在遠離市場上可買到的電源，因此系統(tǒng)14圖示為包括本地電源，典型地包括小太陽電池板24和電池26。太陽電池板24產(chǎn)生小的電源，而電池26存儲該電源。有利地，電動致動器10可以代替氣動致動系統(tǒng)，而無需任何附加動力或電力生成，如果需要就只使用現(xiàn)有的本地電源。這樣，在電力生成方面無需浪費附加成本，并且本發(fā)明可以用作改型設(shè)備來代替現(xiàn)有井口閥上的氣動致動系統(tǒng)。然而，要說明的是，在某些情況下，電力生成或存儲容量的某些附加擴充可能是理想的。
在圖1中，顯示兩個獨立控制器22、82，但如果需要這些控制器可以集成在單控制器組件內(nèi)。為了提供改型和新的系統(tǒng)，將典型地使用兩個獨立控制器22、82。
井口閥12可以是可直線平移閥、回轉(zhuǎn)閥或其他可移動/可定位閥。參考圖2-4和8，圖解的井口閥12圖示為直線型，包括閥殼體28和可直線平移閥件20。閥殼體28包括限定流道32的閥體41。流道32在閥體41端部上的一對安裝法蘭32之間延伸和穿過。安裝法蘭32適合于將井口閥12安裝在集氣管18上。閥件20可以包括單獨部件，如圖所示，該單獨部件包括栓塞件36和伸出栓塞件36的細長閥桿38。閥桿38穿過閥殼體20，并且由電動致動器10對其進行作用。閥桿38將選擇定位力從電動致動器10傳遞到栓塞件36。栓塞件36位于沿著流道32的罩42內(nèi)來提供節(jié)流孔板，節(jié)流孔板調(diào)節(jié)穿過閥的流量。在完全關(guān)閉和完全打開位置以及它們間的中間位置之間，栓塞件36可朝向和遠離閥座40進行平移。栓塞件36在完全關(guān)閉位置時堵塞所有流量，而在完全打開位置時允許最大流量。
為了提供可移動閥件20的安裝，閥殼體38可以由多個部件構(gòu)成，包括閥體41、計量罩42和閥帽44，計量罩42徑向抑制和引導(dǎo)閥栓塞件36的移動，閥帽44徑向抑制和提供密封裝置46。密封裝置46提供靜態(tài)密封和動態(tài)密封，防止天然氣漏出閥12。在Don Arbuckle的美國專利US6161835中圖解了用于防止閥內(nèi)天然氣泄漏的一種適當密封裝置，其所有公開內(nèi)容文本作為參考引用。
然而，公開的實施例包括更有利和新穎的密封裝置46，其更不復(fù)雜、更不昂貴和更可靠。參考圖9-10，密封裝置46包括穿過和圍繞閥桿38的加壓環(huán)形活塞47?；钊?7的一面由容納在閥流道32內(nèi)的過程流體進行作用，來對容納在密封劑腔48內(nèi)的密封潤滑劑流體進行加壓。活塞47包括容納密封墊的軸套部分49?；钊?7的外圍攜帶O形環(huán)襯墊50，用于防止過程流體和潤滑劑之間的流通。如果有的話，期望在設(shè)置O形環(huán)襯墊50的地方存在不很多的活塞運動，因此，可以認為這是用于所有實用目的的靜態(tài)密封。另一靜態(tài)O形環(huán)襯墊51位于閥體41和閥帽44之間，用于防止漏出密封劑腔48。因此，串聯(lián)布置這兩個O形環(huán)襯墊50，51，并且提供冗余備用來確保過程流體不漏出密封劑腔。
容納在活塞軸套部分49內(nèi)的密封墊包括一對流體串聯(lián)布置的動態(tài)O形環(huán)襯墊52、隔離件53、一對襯墊固定器墊圈54、PTFE導(dǎo)向軸襯55、扣環(huán)56和保持墊圈57?？郗h(huán)56扣入活塞軸套部分49中的凹槽內(nèi)來使密封墊軸向保持在適當位置。PTFE導(dǎo)向軸襯55緊緊安裝在閥桿38的周圍來提供閥件30的低摩擦滑動。隔離件53軸向隔開O形環(huán)襯墊52和襯墊固定器墊圈54來提供襯墊52的平衡和保持力?？?8穿過隔離件53以便潤滑劑的加壓圓筒環(huán)圍繞襯墊52之間的閥桿38，這樣潤滑劑對每個動態(tài)襯墊52進行作用。
提供封閉密封墊和活塞的蓋59來防止灰塵和其他外部污染物損害密封裝置46?？梢圆鸪w59來人工檢查潤滑劑液位，潤滑劑液位說明襯墊50、51、52工作有多好。具體地，活塞軸套部分的末端用作密封劑液位指示器61。當軸套末端或指示器61與閥帽44的頂面齊平或共面時，適當量密封潤滑劑容納在密封劑腔48內(nèi)。如果由于軸向活塞運動而使指示器61上升到頂面之上，即表示密封劑已經(jīng)泄漏。如果需要，可以沿著活塞軸套部分49的外表面提供分區(qū)刻度來提供潤滑劑液位的數(shù)字指示。這個密封裝置46具有若干優(yōu)點，包括更容易制造和裝配，防止污染物到達密封裝置，以及指示密封潤滑劑液位的整體機構(gòu)。
井口閥12可以包括彈簧60，用于將活動閥件30偏置到打開位置和關(guān)閉位置。如圖3和8中所示，彈簧60圖示為鋼螺旋彈簧，其布置成將閥件30偏置到關(guān)閉位置。彈簧套62安裝在電動致動器10和閥體41之間來覆蓋和支撐彈簧60。彈簧60由彈簧套62的一端支撐，并且被支撐在彈簧座板64上，彈簧座板64由致動器桿66支撐。致動器桿66的一端接合閥桿38，而另一端具有驅(qū)動架68。
參考圖3和11-13，驅(qū)動架68提供在致動器桿66上滑動的套筒件67，以便驅(qū)動架68能相對致動器桿66旋轉(zhuǎn)。止推軸承70更好地確保驅(qū)動架68自由旋轉(zhuǎn)，特別是因為它被波形彈簧71軸向固定在適當位置上。將套筒件67軸向限制在一對螺母69之間，這對螺母69安裝在致動器桿66和波形彈簧71上，波形彈簧71將套筒件67和驅(qū)動架68偏置到致動器桿66上的固定位置。這個排列允許驅(qū)動架自由旋轉(zhuǎn)以便彈簧60的力不能使驅(qū)動架68扭曲，從而防止過早磨損，但它也使驅(qū)動架保持在致動器桿上的固定軸向位置。波形彈簧71在閥件30接觸座時也輕壓縮，從而減少齒輪上的合成撞擊負載。用于將轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成直線運動的架和小齒輪機構(gòu)的另一備選方案是滾珠螺桿機構(gòu)，這種機構(gòu)和其他轉(zhuǎn)換機構(gòu)可以用作備選方案。
要說明的是，在圖8中將彈簧套62和彈簧60圖示為井口閥12的一部分。然而，作為選擇，彈簧套62和彈簧60可以認為是電動致動器的一部分和/或可以集成在電動致動器或閥的部件內(nèi)。無論是這樣還是那樣，彈簧60都將偏置力施加到電動致動閥，偏置力直接或間接有效地作用在閥塞件36和齒輪減速鏈76上。
公開的實施例也在致動器桿66上提供支撐結(jié)構(gòu)65，致動器桿66提供用于向回驅(qū)動彈簧60致動力的部件，彈簧60也是可逆的。如圖20中所示，彈簧60可以接合彈簧套62的另一端，其中彈簧座板64由可供選擇的支撐結(jié)構(gòu)65支撐，以便當將彈簧壓縮在彈簧座板64和彈簧套62之間時，向打開位置偏置閥。因此，彈簧是可逆的以便電動致動井口閥可以配置成將井口閥偏置成打開或關(guān)閉。
參考圖2-7，電動致動器10包括致動器外殼72(由優(yōu)選按照防漏方式固定在一起的幾個鋁殼構(gòu)成)，致動器外殼72通常容納和支撐步進電動機74、齒輪減速鏈76、制動機構(gòu)78、手動超馳機構(gòu)80和通常表示為電動機控制器的電動機驅(qū)動器82。致動器外殼72安裝在彈簧套62上。步進電動機74是非易燃型電動機，當電動致動器用在天然氣或其他易燃流體周圍時，非易燃型電動機防止火花形成，從而進一步減少由于氣體泄漏而出現(xiàn)危險情況的可能性。其他可能適當?shù)姆阑鸹ㄐ碗妱訖C包括無刷DC電動機和防火花AC電動機。
在涉及井口閥應(yīng)用的本發(fā)明實施例中，控制器82選擇性地給電動機74加電壓?？刂破?2可以按照用于保持井口閥12當前位置的保持模式和用于驅(qū)動井口閥12的致動模式來操作電動機74。電動機在保持模式下消耗1-3瓦(提供在制動解除下保持當前閥位置的力)，而在致動模式下消耗4-12瓦。這個很低的功耗使電動致動器10能以太陽電池板24和電池26提供的現(xiàn)有電源來獨自運轉(zhuǎn)(這個本地電源可能最初打算用于調(diào)節(jié)電動-氣動井口閥)。
參考圖11-14，步進電動機74包括相對致動器外殼72按照固定關(guān)系安裝的電動機外殼或定子84，以及包括輸出軸86的轉(zhuǎn)子。輸出軸86相對定子84旋轉(zhuǎn)。輸出軸86在其上整體提供小齒輪88(通過機械加工輸出軸或安裝固定在其上的分離齒輪齒)，輸出軸86為齒輪減速鏈76提供輸入。齒輪減速鏈76包括多個單獨減速齒輪90a-d，各自包括大上游齒輪齒92a-d和小下游齒輪齒94a-d(即“差速”齒輪)，它們安裝在公共齒輪軸96a-d上。
致動器外殼72按照平行關(guān)系可旋轉(zhuǎn)地安裝或支撐齒輪軸96a-d以便進行旋轉(zhuǎn)。輸出軸86上的小齒輪88與第一減速齒輪90的大齒92a相嚙合，以便從電動機輸出軸86到第一齒輪軸96a來擴大力。類似地排列齒輪減速鏈內(nèi)的其他齒輪，其中小齒輪齒94a-94c分別驅(qū)動大齒輪齒92b-d。當電動機旋轉(zhuǎn)時，從電動機輸出軸86到旋轉(zhuǎn)輸出，越過齒輪減速鏈76來施加和擴大由電動機74提供的電致動力，然后，由最后的小差速齒輪齒94d來施加電致動力。小齒輪齒94d與驅(qū)動齒條68相嚙合來驅(qū)動驅(qū)動齒條68，從而將轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成直線平動能。由致動器外殼72支撐的彈簧偏壓凸輪部件73按照嚙合關(guān)系保持齒條偏向差速齒輪齒94d(這可以用作扭矩限定裝置以便在出現(xiàn)誤差或過扭矩情形時防止被損害)。用于將轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換成直線運動的齒條和小齒輪機構(gòu)的另一替換是滾珠螺旋機構(gòu)，這種及其他轉(zhuǎn)換機構(gòu)可以用作替換。
為了足夠驅(qū)動井口閥系統(tǒng)14內(nèi)的井口閥12，齒輪鏈的齒輪減速比優(yōu)選為至少100∶1，更優(yōu)選為至少400∶1。由于這樣大致的齒輪減速比，用齒輪減速鏈來放大小電動機力(例如使用目前容易利用的電動機技術(shù)消耗4-12瓦來驅(qū)動閥)，以提供與彈簧力和/或流體力相反的足夠致動力來驅(qū)動和定位閥12，由于事實上井口壓力可以在約10-900psi范圍內(nèi)變化，致動力可能非常大。顯然，由于閥12在完全打開和關(guān)閉位置之間的回轉(zhuǎn)時間花費約1-5分鐘，將實質(zhì)上降低致動速度。已經(jīng)認識到，慢回轉(zhuǎn)時間是可接受的并且不明顯影響井的生產(chǎn)量控制(特別是因為生產(chǎn)常常是每天24小時，其中在相對稀少的基礎(chǔ)上出現(xiàn)需要的井輸出變化)。當考慮與為了所有實際目的而使用本地電源減小和事實上消除所有短暫氣體排放相關(guān)的重要優(yōu)點時，這也是特別實際的，本地電源典型地提供在井口閥位置上。
參考圖15-19，制動機構(gòu)78至少部分通過齒輪減速鏈76來作用，如公開的實施例中所示，直接作用在電動機74的輸出軸86上。制動機構(gòu)78可以作用在電動機小齒輪88上來阻止通過齒輪鏈傳遞的向回驅(qū)動彈簧力和/或流體壓力，以便只有部分力傳遞給電動機74的輸出軸86。從而，制動機構(gòu)78可以用來大大減小電動機保持閥當前位置而需要的吸持力量，或者完全消除維持閥當前位置的吸持力。
制動機構(gòu)78包括一對制動鉗110和轉(zhuǎn)子112。制動鉗110在它們的外圍上包括容納固定支撐銷116的槽114，這些支撐銷116由致動器外殼72支撐和安裝在其內(nèi)，并且伸出致動器外殼72。銷116保持鉗110固定并且防止鉗110旋轉(zhuǎn)。外鉗110也軸向地緊靠致動器外殼72并且由其支撐。轉(zhuǎn)子112包括套筒部分118和板狀部分120，套筒部分118刻有到輸出軸86的鍵槽，板狀部分120軸向地插在制動鉗110之間。鉗110包括徑向內(nèi)凸圓形肋122，當制動接合在接通位置時，圓形肋122摩擦地接合轉(zhuǎn)子板狀部分120。肋122在徑向上相對薄以提供直徑基本恒定的環(huán)，環(huán)接合轉(zhuǎn)子112來提供更穩(wěn)定的制動力(例如，從而避免由于徑向上更寬的制動墊片鉗而可能在更小直徑上出現(xiàn)滑動)。制動彈簧124施加軸向力以使鉗110摩擦地接合轉(zhuǎn)子112的相對側(cè)。
盡管制動機構(gòu)78可以永久地定位在接通位置上，從而單獨地設(shè)計成動態(tài)制動，但優(yōu)選地，制動機構(gòu)也包括致動裝置126，用于使制動在接通和切斷位置之間接合和脫離，如圖18a和18b中所示。制動也可以具有不同程度的接合來提供不同程度的制動力。在公開的實施例中，致動裝置126包括螺旋進入或以別的方式安裝在致動器外殼72內(nèi)的套筒狀支撐外殼128。致動裝置126也包括桿狀選擇器開關(guān)構(gòu)件130，其可滑動地插入支撐外殼128來相對支撐外殼128進行旋轉(zhuǎn)和直線運動。
用銷132和槽134機構(gòu)來抑制開關(guān)構(gòu)件130相對支撐外殼128的直線和旋轉(zhuǎn)運動。銷132牢固地安裝到開關(guān)構(gòu)件130，并且從其徑向伸出進入槽134，槽134由支撐外殼128來限定。槽134包括分別對應(yīng)于接通和切斷位置的第一軸向延伸腿138和第二軸向延伸腿140，以及分開這些腿138、140的軸向延伸中間部分142。第一腿138比第二腿140更長以提供接通和切斷位置。外彈簧144由墊圈146支撐，墊圈146由致動器外殼72在固定位置內(nèi)保持固定。外彈簧144將開關(guān)構(gòu)件130軸向地偏向支撐外殼128，以便當銷132定位在腿138、140之一內(nèi)時，阻止和推動銷132到腿終端。
開關(guān)構(gòu)件130包括穿過支撐外殼128內(nèi)中心孔延伸的致動桿部分148。桿部分148包括暴露在致動器外殼72外部的可手動轉(zhuǎn)動的頭部?？赊D(zhuǎn)動的頭部圖示為包括螺絲刀槽150或其他適合于用工具或曲柄機構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。如圖18a、18b中所示，可以向內(nèi)手動推動開關(guān)構(gòu)件130來抵制外向回驅(qū)動彈簧144的作用，并且在接通和切斷位置之間進行手動旋轉(zhuǎn)(如圖15中所示，在支撐外殼的外部進行指示)。
開關(guān)構(gòu)件130承載制動彈簧124，制動彈簧124適合于將軸向制動力施加到制動鉗110。制動彈簧124在一端由彈簧座152支撐，并且軸向地迫使制動應(yīng)用器板154遠離選擇器開關(guān)構(gòu)件130。彈簧座152包括螺紋桿156，螺紋桿156經(jīng)由自鎖螺紋旋入和鎖入選擇器開關(guān)構(gòu)件130中的螺紋孔158內(nèi)，以便彈簧座152的位置相對于選擇器開關(guān)構(gòu)件130是固定的。彈簧座152旋入選擇器開關(guān)構(gòu)件130到什么程度通常在裝配期間確定，并且在裝配期間用來測量和設(shè)定在接通位置內(nèi)為制動機構(gòu)78施加的制動力。制動應(yīng)用器板154相對于彈簧座152可軸向移動。帶肩螺栓160穿過制動應(yīng)用器板154，并且安裝在彈簧座152內(nèi)。帶肩螺栓160支撐和引導(dǎo)應(yīng)用器板154的軸向滑動。
如圖18a中所示，當制動機構(gòu)78位于接通位置時，制動彈簧124將應(yīng)用器板154推向內(nèi)制動鉗110，以便彈簧對著轉(zhuǎn)子112壓縮制動鉗110。如圖18b中所示，當制動機構(gòu)78位于切斷位置時，制動彈簧124將應(yīng)用器板154推向帶肩螺栓160的頭部，帶肩螺栓160的頭部用作止檔來防止彈簧作用在鉗110上。
同樣在電動致動器10內(nèi)提供包括可轉(zhuǎn)動輸入軸162的手動超馳機構(gòu)80，輸入軸162包括可以與手動曲柄或工具進行接合并旋轉(zhuǎn)的矩形結(jié)構(gòu)的頭部。輸入軸162在致動器外殼72內(nèi)滑轉(zhuǎn)。輸入軸162通過扭矩限定離合器166(或者其他扭矩限定裝置，例如安全銷)作用在齒輪軸90d之一上，以便輸入軸162的旋轉(zhuǎn)能手動直線地操作閥件30。扭矩限定離合器166防止裝置的手動過扭矩，從而防止由于手動過扭矩而可能另外出現(xiàn)對驅(qū)動架68和驅(qū)動小齒輪94d的損害。扭矩限定離合器166可以包括耦合到輸入軸162的輸入板，輸入板與結(jié)合到齒輪軸90d的輸出板進行摩擦接合。在預(yù)定的力或扭矩下，離合器166的板彼此相對滑動來防止閥的過驅(qū)動。這樣設(shè)置離合器166以便引起滑動的預(yù)定扭矩足夠小來防止由于手動過扭矩而對井口閥12造成的損害，但足夠大來充分克服作用在閥上的所有制動和偏置力，例如由制動機構(gòu)78和閥偏置彈簧60引起的制動和偏置力，從而手動超馳(override)機構(gòu)80可手動操作以便在完全打開和完全關(guān)閉位置之間將閥件30驅(qū)動到選定位置，甚至制動機構(gòu)78接合在接通位置內(nèi)。輸入軸162的頭部具有指針172，而致動器外殼72具有刻度174，它們指示閥12的開度。當手動調(diào)節(jié)閥時，指針172和刻度174用來在視覺上和為維護人員指示閥的位置。
公開實施例的重要特征在于可在三種不同的可能操作模式之間配置電動致動器10。通過使用手動可逆的彈簧60的偏置力和也具有接通及切斷位置的制動機構(gòu)78來完成配置，以便彈簧60可以驅(qū)動齒輪減速鏈76和閥件30，或者當存在掉電時制動機構(gòu)78可以用來保持閥位置。因此，根據(jù)電動機74的掉電，電動致動器10具有三種不同的可配置操作模式，包括故障打開模式、故障關(guān)閉模式和故障固定模式，在故障打開模式中，彈簧60布置成在掉電時將齒輪減速鏈76和閥件30推向完全打開位置，而制動機構(gòu)78位于切斷位置；在故障關(guān)閉模式中，彈簧60布置成在掉電時將齒輪減速鏈76和閥件30推向完全關(guān)閉位置，而制動機構(gòu)78位于切斷位置；在故障固定模式中，制動機構(gòu)78位于接通位置，并且保持齒輪減速鏈76和閥件30的當前位置。
在公開的實施例中使用多位置檢測裝置。首先，電動機控制器82整體地組合了模擬位置傳感器176，模擬位置傳感器176從發(fā)送給步進電動機74的電動機位置控制信號中獲得旋轉(zhuǎn)輸出的位置。模擬位置傳感器是累加器或計數(shù)器的形式，當驅(qū)動步進電動機74來以電子方式獲得閥12的位置時，累加器或計數(shù)器從計數(shù)中增加數(shù)量和減少數(shù)量。閥位置的變化與模擬位置傳感器176的計數(shù)變化線性地成比例。公開的實施例也包括連接到電動機控制器82并向其提供反饋的冗余位置傳感器，冗余位置傳感器圖示成電位計178的形式。電位計178由凸輪進行定位，位于最后齒輪軸96的延伸部分上的偏心表面對凸輪進行作用。電位計178提供冗余反饋，用來檢驗?zāi)M位置傳感器176的精度，由于可能存在掉電或步進電動機74的滑動，模擬位置傳感器176可能具有誤差。最后，公開的實施例也可以包括限位開關(guān)184，限位開關(guān)184接近最后齒輪軸96d安裝在設(shè)定點上，表示井口閥12的行程末端也定義為完全打開和完全關(guān)閉位置。伸出的輸出齒輪軸96d包括凸輪偏心輪，凸輪偏心輪觸發(fā)設(shè)定點上的限位開關(guān)184。限位開關(guān)184電連接到用戶接口來提供閥位于設(shè)定點的指示。這樣提供獨立反饋來檢驗操作的精度。作為選擇，限位開關(guān)信號能用來切斷到電動機74的電源，以確?？刂破?2不向電動機發(fā)送信號來獲得閥以前的完全打開或關(guān)閉位置之一。限位開關(guān)184也是可調(diào)節(jié)的，并且相對輸出軸96d可手動旋轉(zhuǎn)，以便如果終端用戶希望定義不同的行程范圍末端，終端用戶可以按照他認為合適來手動配置和定義行程范圍末端。
參考圖1，系統(tǒng)14也可以包括由本地電源提供電力的無線收發(fā)器186，無線收發(fā)器186與一個或兩個控制器22、82進行電通信。要說明的是，第一控制器22提供在典型地位于電動致動器10外部的井口閥位置上，以提供系統(tǒng)電平控制。電動機控制器82更是電動機驅(qū)動器以便有利于控制電動致動器10的驅(qū)動和井口閥12的定位。在任何情況下，無線收發(fā)器186可以從遠程定位的收發(fā)器188中無線接收遠程控制輸入和命令信號，以便可以遠程控制一個或兩個控制器22、82來無線調(diào)節(jié)井口閥12的位置。收發(fā)器186也可以向遠程位置發(fā)送反饋，從而將井口位置上的操作參數(shù)(例如流速、閥位置、功率級、故障等)通知給維護人員。
實施例的另一替換方面可以是為電動致動器10引入睡眠模式，睡眠模式中基本上沒有消耗電力并且在閥12正確定位時本身自動斷電。根據(jù)這個模式，制動機構(gòu)78通常位于接通位置，從而用作動態(tài)制動，動態(tài)制動布置成向閥12的移動提供阻力。由于制動機構(gòu)78在接通時提供足夠的力來防止齒輪鏈在掉電時的向回驅(qū)動，制動機構(gòu)78可操作來保持井口閥12的當前位置。電動機74提供足夠的力和扭矩以使制動滑動，從而在想要時向制動提供過大的功率來移動井口閥12。當這些遠程位置內(nèi)的電力不足時，睡眠模式還提供能量效率和降低功耗。
圖21中所示的另一特征是選擇降低離合器減速齒輪190b，其可以代替減速齒輪90b。當配置成故障打開模式時，其中如圖20中所示彈簧60偏置成將閥偏置成打開，離合器減速齒輪190b是特別有用的，并且可以用于致動器。類似地，離合器減速齒輪190b在齒輪軸196b上包括大齒輪齒192b和小齒輪齒194b。如圖所示，大齒輪齒192b與套筒軸襯191可滑動地安裝在一起。由軸向固定的軸承支撐構(gòu)件195(它們由致動器外殼支撐)支撐的一對彈簧墊圈193，將一對支撐板197和與它們之間的大齒輪齒192b摩擦接合的盤198一起推向小齒輪194b。支撐板197連接或鎖接到軸196b，以便由彈簧墊圈193施加的壓縮可操作成在小于預(yù)定扭矩時把大齒輪齒192b鎖定到軸196b，而在大于預(yù)定扭矩時允許大齒輪齒192b旋轉(zhuǎn)滑動。組合在減速齒輪190b內(nèi)的離合器機構(gòu)的優(yōu)點是在預(yù)定扭矩時出現(xiàn)滑動。當使用步進電動機74時，在高負荷下滑動能出現(xiàn)在步進電動機內(nèi)。通過在低負荷下設(shè)定離合器減速齒輪內(nèi)的滑動(解決齒輪放大)，這樣更好地確保步進電動機74內(nèi)的滑動不出現(xiàn)，滑動能另外允許彈簧將閥移到非理想位置。
最后，盡管本發(fā)明表示成用于控制或調(diào)節(jié)井口上的天然氣，但本發(fā)明可以具有其他應(yīng)用。例如，致動器10可以與閥一起使用來調(diào)節(jié)其他類型過程流體的流量，包括其他類型的氣體和液體。
因此，通過參照相同內(nèi)容在此引入了本文中引用的所有參考文獻，包括出版物、專利申請和專利，就好像每個參考文獻被單獨和具體地通過參照而被引用，并在本文中進行了全文闡述。
在描述本發(fā)明的上下文中，術(shù)語“a”、“an”和“the”以及類似指示代詞的使用(特別是在下面權(quán)利要求書的上下文中)解釋為覆蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)，除非在本文中進行另外指示或者顯然上下文矛盾。術(shù)語“comprising”、“having”、“including”和“containing”解釋為開放術(shù)語(即，意思是“包括但不局限于”)，除非另外注釋。本文中數(shù)值范圍的列舉只是旨在用作獨立地引用落入該范圍內(nèi)的每個單獨值的速記方法，除非本文中另外指示，并且每個單獨值包含在說明書中，就好像在本文中獨立地列舉它?？梢园凑杖魏芜m當順序執(zhí)行本文中描述的所有方法，除非本文中另外指示或另外上下文顯然矛盾。本文中提供的任何和所有實例或示例性術(shù)語(例如，“such as”)只是旨在更好地闡明本發(fā)明的實施例，并且不是造成對本發(fā)明范圍的限定，除非另外要求。說明書中沒有術(shù)語應(yīng)該解釋為表示非要求部件作為實踐本發(fā)明的必要條件。
本文中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，包括發(fā)明人認為執(zhí)行本發(fā)明的最好方式。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，閱讀了前面描述之后，那些優(yōu)選實施例的變化可以變得顯而易見。發(fā)明人期望技術(shù)人員適當使用這樣的變化，并且，發(fā)明人想要按照與本文中具體描述不同的方式來實踐本發(fā)明。另外，按照適用法律的允許，本發(fā)明包括附屬權(quán)利要求書中所述主題的所有修改和等效結(jié)構(gòu)。而且，本發(fā)明包括上述部件在其所有可能變化內(nèi)的任何組合，除非本文中另外指示或另外上下文顯然矛盾。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)節(jié)井中過程流體流量的系統(tǒng)，包括用于從所述井中收集過程流體的收集管；檢測穿過所述收集管的過程流體流量的流量傳感器；本地供電電源；與所述流量傳感器串聯(lián)的井口閥，所述井口閥可移動以調(diào)節(jié)穿過所述收集管的過程流體的流量；包括多個齒輪的齒輪減速鏈，用于降低移動所述井口閥而需要的致動力；以及由所述本地供電電源供電的電動機，用于通過所述齒輪減速鏈驅(qū)動所述井口閥。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中在所有位置之間設(shè)置所述井口閥，而無需利用和釋放過程氣體來致動所述井口閥。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括制動器，所述制動器具有接通位置，在接通位置中所述制動器作用在所述井口閥上來保持所述井口閥的當前位置。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述制動器經(jīng)由手動驅(qū)動的選擇器開關(guān)在所述接通位置和切斷位置之間可移動。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，還包括手動超馳輸入端和離合器，所述手動超馳輸入端結(jié)合到所述井口閥以便所述手動超馳輸入端的手動旋轉(zhuǎn)定位所述井口閥，其中所述離合器布置成限定由所述手動超馳輸入端施加到所述齒輪減速鏈和所述井口閥的扭矩量。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括向所述井口閥施加保持力的動態(tài)制動器，所述電動機提供足夠量的電致動力來克服所述動態(tài)制動器的保持力以驅(qū)動所述井口閥，當所述電動機不提供任何電致動力時，所述制動器通過至少部分齒輪減速鏈來保持所述井口閥的當前位置，以便所述井口閥在所述電源掉電時維持當前位置。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括將所述井口閥偏置到完全關(guān)閉位置的彈簧，所述井口閥在所述電動機掉電時自動地移到完全關(guān)閉位置，還包括具有制動器和手動輸入端的裝置，用于在所述電動機掉電時有選擇地設(shè)定所述井口閥的位置。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括將所述井口閥偏置到完全打開位置的彈簧，所述井口閥在所述電動機掉電時自動地移到完全打開位置，還包括具有制動器和手動輸入端的裝置，用于在所述電動機掉電時有選擇地設(shè)定所述井口閥的位置。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電動機是從包括步進電動機、無刷直流電動機和無火花交流電動機組成的組中選擇的無火花電動機。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述齒輪減速鏈的齒輪比大于約100∶1，其中通過所述齒輪比來增大所述電動機施加到所述井口閥的力。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述齒輪比大于400∶1。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括用于給所述電動機有選擇地通電的控制器，其中所述電動機具有用于保持所述井口閥當前位置的保持模式和用于驅(qū)動所述井口閥的致動模式，所述電動機在保持模式下消耗1-3瓦的功率而在致動模式下消耗4-12瓦的功率。
13.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括由所述本地電源供電的控制器，所述控制器操作所述電動機來設(shè)定所述閥位置，所述控制器具有保持模式和活動模式，在保持模式下，所述井口閥維持在當前位置，而在活動模式下，所述控制器主動地給所述電動機供電來定位所述井口閥，與活動模式相比，所述電動機在保持模式下從所述本地電源中消耗更少的電力。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述本地電源包括靠近所述井口閥的太陽能格柵和電池。
15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括由所述本地電源供電的控制器，所述控制器具有代表來自于井中的過程流體要求輸出的請求輸入，所述控制器響應(yīng)所述流量傳感器來依據(jù)所述請求輸入設(shè)定所述井口閥的位置。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括指示所述井口閥位置的位置傳感器，所述控制器響應(yīng)所述位置傳感器來依據(jù)所述請求輸入設(shè)定所述井口閥的位置。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述位置傳感器包括組合在所述控制器內(nèi)的模擬位置傳感器，所述模擬位置傳感器從發(fā)送給所述電動機的電動機位置控制信號中獲得所述井口閥的位置，還包括冗余位置傳感器，以向所述控制器提供反饋來檢驗所述模擬位置傳感器的精度。
18.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，還包括在電通信控制器中由所述本地電源供電的無線收發(fā)器，其中所述控制器可以進行遠程控制來無線地調(diào)節(jié)所述井口閥的位置，并且可以無線地指示操作參數(shù)。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述井口閥包括閥殼體和可滑動地安裝在所述閥殼體內(nèi)進行直線往復(fù)運動的閥件，所述閥件結(jié)合到齒條，所述齒輪減速鏈包括位于所述電動機旋轉(zhuǎn)軸上的輸入小齒輪、與所述齒條嚙合來驅(qū)動所述齒條的輸出小齒輪、以及位于輸入小齒輪和輸出小齒輪之間的多個齒輪，其中從所述輸入小齒輪到所述輸出小齒輪降低速度和增加扭矩。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括被布置成向閥移動提供阻力的動態(tài)制動器，以及由所述本地電源供電的控制器，所述控制器在致動模式下給所述電動機供電，產(chǎn)生足夠的力來克服由所述動態(tài)制動器提供的阻力以設(shè)定所述閥位置，所述控制器具有不向所述電動機供電的睡眠模式，其中當在睡眠模式下時，所述動態(tài)制動器至少部分通過所述齒輪減速鏈來作用，向反作用彈簧和/或流體力提供作用在所述井口閥上的足夠的力，來防止所述井口閥移動。
21.一種電動致動閥，包括適合于旋轉(zhuǎn)輸出軸的電動機；包括多個齒輪的齒輪減速鏈，所述齒輪減速鏈包括由所述輸出軸驅(qū)動的輸入齒輪和旋轉(zhuǎn)輸出端，當所述電動機旋轉(zhuǎn)所述輸出軸時，所述多個齒輪適合于放大從所述輸入齒輪到旋轉(zhuǎn)輸出端的力；作用在所述齒輪減速鏈上的手動超馳輸入端；具有接通和切斷位置的制動器，所述制動器作用在所述齒輪減速鏈上，所述制動器在接通位置時適合于防止所述齒輪減速鏈向回驅(qū)動；以及適合于控制經(jīng)其流動的流體的閥，所述閥包括閥殼體和閥件，所述閥殼體限定流道，所述閥件在所述閥殼體內(nèi)可在打開和關(guān)閉位置之間移動以控制流道的開度。
22.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，還包括布置成將閥推到打開和關(guān)閉位置之一的彈簧，所述制動器在接通位置時提供足夠的阻力來保持所述閥的當前位置以抵消彈簧的作用，其中所述電動機具有足夠的旋轉(zhuǎn)輸出力來克服所述制動器在接通位置時的阻力以便移動所述閥。
23.如權(quán)利要求22所述的電動致動閥，其中所述彈簧的偏置力是手動可逆的，其中根據(jù)所述電動機的掉電，所述電動致動閥具有三種不同的可配置操作模式，包括故障打開模式、故障關(guān)閉模式和故障固定模式，在故障打開模式中，所述彈簧布置成在掉電時將所述閥推向打開位置，而所述制動器位于切斷位置；在故障關(guān)閉模式中，所述彈簧布置成在掉電時將所述閥推向關(guān)閉位置，而所述制動器位于切斷位置；在故障固定模式中，所述制動器位于接通位置，并且保持所述閥的當前位置。
24.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，其中所述井口閥包括閥殼體和可滑動地安裝在所述閥殼體內(nèi)以進行直線往復(fù)運動的閥件，所述閥件結(jié)合到齒條，所述齒輪減速鏈包括位于所述電動機旋轉(zhuǎn)軸上的輸入小齒輪、與所述齒條嚙合以驅(qū)動所述齒條的輸出小齒輪、以及位于輸入小齒輪和輸出小齒輪之間的多個中間齒輪，其中從所述輸入小齒輪到所述輸出小齒輪降低速度并增加扭矩。
25.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，還包括將所述手動超馳輸入端結(jié)合到所述齒輪減速鏈的離合器，所述離合器配置成以預(yù)定扭矩滑動來防止所述閥的過扭矩，并且以足夠的預(yù)定扭矩抓住以壓制位于接通位置時的制動器。
26.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，其中所述制動器經(jīng)由手動驅(qū)動的選擇器開關(guān)在所述接通位置和切斷位置之間可移動。
27.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，其中所述制動器直接作用在所述輸出軸上，所述制動器包括與所述輸出軸成為整體的轉(zhuǎn)子構(gòu)件。
28.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，還包括控制所述電動機供電的控制器，所述控制器組合有模擬位置傳感器，所述模擬位置傳感器從發(fā)送給所述電動機的電動機位置控制信號中獲得所述閥位置，還包括與所述閥進行傳感通信的冗余位置傳感器，用于向所述控制器提供反饋來檢驗所述模擬位置傳感器的精度。
29.如權(quán)利要求28所述的電動致動閥，還包括指示所述閥的預(yù)選位置的限位開關(guān)。
30.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，還包括致動器外殼、彈簧套和彈簧，所述致動器外殼容納并可旋轉(zhuǎn)地支撐齒輪，所述彈簧套容納所述彈簧，并且插在所述閥殼體和所述致動器外殼之間，所述閥件包括栓塞件和從所述栓塞件穿過所述閥殼體的閥桿，由旋轉(zhuǎn)輸出端通過轉(zhuǎn)換裝置線性地轉(zhuǎn)換致動器桿，所述致動器桿穿過所述彈簧套，所述彈簧布置成直接作用在所述致動器桿上。
31.一種電動致動器，包括適合于旋轉(zhuǎn)輸出軸的電動機；具有多個齒輪的齒輪減速鏈，所述齒輪減速鏈包括由所述輸出軸驅(qū)動的輸入齒輪和旋轉(zhuǎn)輸出端，當所述電動機旋轉(zhuǎn)所述輸出軸時，所述多個齒輪適合于放大從所述輸入齒輪到旋轉(zhuǎn)輸出端的力；作用在所述齒輪減速鏈上的手動超馳輸入端；具有接通位置的制動器，所述制動器在接通位置時適合于防止所述齒輪減速鏈向回驅(qū)動。
32.如權(quán)利要求31所述的電動致動器，其中彈簧布置成在預(yù)定方向上推動所述齒輪減速鏈，所述制動器在接通位置時提供足夠的阻力來保持所述齒輪減速鏈的當前位置以抵消彈簧的作用，其中所述電動機具有足夠的旋轉(zhuǎn)輸出力來克服所述制動器在接通位置時的阻力以便驅(qū)動所述齒輪減速鏈。
33.如權(quán)利要求32所述的電動致動器，其中所述彈簧的偏置力是手動可逆的，并且所述制動器具有切斷位置，其中根據(jù)所述電動機的掉電，所述電動致動器具有三種不同的可配置操作模式，包括第一故障偏置模式、第二故障偏置模式和故障固定模式，在第一故障偏置模式中，所述彈簧布置成在掉電時在第一方向?qū)⑺鳊X輪減速鏈推向第一限度，而所述制動器位于切斷位置；在第二故障偏置模式中，所述彈簧布置成在掉電時在第二方向?qū)⑺鳊X輪減速鏈推向第二限度，而所述制動器位于切斷位置；在故障固定模式中，所述制動器位于接通位置，并且保持所述齒輪減速鏈的當前位置。
34.如權(quán)利要求31所述的電動致動器，其中所述齒輪減速鏈的旋轉(zhuǎn)輸出端整體地提供輸出小齒輪，所述輸出小齒輪驅(qū)動承載在致動器桿上的齒條，所述齒輪減速鏈包括位于所述電動機旋轉(zhuǎn)輸出軸上的輸入小齒輪，以及位于所述輸入小齒輪和輸出入小齒輪之間的多個中間齒輪，其中從所述輸入小齒輪到所述輸出小齒輪降低速度并增加扭矩。
35.如權(quán)利要求31所述的電動致動器，還包括將所述手動超馳輸入端結(jié)合到所述齒輪減速鏈的離合器，所述離合器配置成以預(yù)定扭矩滑動來防止所述齒輪減速鏈的過扭矩，并且以足夠的預(yù)定扭矩抓住以壓制位于接通位置時的制動器。
36.如權(quán)利要求31所述的電動致動器，其中所述制動器經(jīng)由手動驅(qū)動的選擇器開關(guān)在所述接通位置和切斷位置之間可移動。
37.如權(quán)利要求31所述的電動致動器，其中所述制動器直接作用在所述輸出軸上，所述制動器包括與所述輸出軸成為整體的轉(zhuǎn)子構(gòu)件。
38.如權(quán)利要求31所述的電動致動器，還包括控制所述電動機供電的控制器，所述控制器組合有模擬位置傳感器，所述模擬位置傳感器從發(fā)送給所述電動機的電動機位置控制信號中獲得所述閥位置，還包括與所述閥進行傳感通信的冗余位置傳感器，用于向所述控制器提供反饋來檢驗所述模擬位置傳感器的精度。
39.如權(quán)利要求38所述的電動致動器，還包括指示所述閥的預(yù)選位置的限位開關(guān)。
40.如權(quán)利要求31所述的電動致動器，還包括致動器外殼、彈簧套和彈簧，所述致動器外殼容納并可旋轉(zhuǎn)地支撐齒輪，所述彈簧套容納所述彈簧，并且被安裝至所述致動器外殼，所述閥桿由旋轉(zhuǎn)輸出端通過轉(zhuǎn)換裝置線性地轉(zhuǎn)換，所述致動器桿穿過所述彈簧套，所述彈簧布置成直接作用在所述致動器桿上。
41.如權(quán)利要求31所述的電動致動器，其中所述制動器至少部分通過所述減速鏈作用在所述旋轉(zhuǎn)輸出端上。
42.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，其中所述制動器至少部分地通過所述減速鏈作用在所述旋轉(zhuǎn)輸出端上。
43.如權(quán)利要求21所述的電動致動閥，其中所述閥是井口閥，適合于安裝到收集管來調(diào)節(jié)井中過程流體的流量，其中所述電動機適合于由靠近井的本地電源通過控制器進行供電，所述本地電動機只利用所述本地電源通過所述齒輪減速鏈進行的力放大來提供足夠的致動力，以便驅(qū)動所述閥而不管作用在所述井口閥上的彈簧力和/或流體力。
44.一種使用本地電源控制井口閥位置以控制井中過程氣體流量的方法，包括用電致動力來電動致動所述井口閥以調(diào)節(jié)過程氣體的流量而無需釋放過程氣體；使用所述本地電源給所述電動致動提供動力；以及放大所述電致動力，從而降低電動致動的速度，所述放大是足夠的以便只使用所述本地電源就能實現(xiàn)所述電動致動。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，還包括用偏置力將所述井口閥偏置到打開位置和關(guān)閉位置之一，被放大的所述電致動力大于所述偏置力。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，還包括將制動力施加到所述井口閥和放大所述制動力，被放大的所述制動力大于所述偏置力以保持所述井口閥的當前位置，但小于被放大的電致動力。
47.如權(quán)利要求45所述的方法，還包括在電動致動喪失時將所述閥手動定位在選擇位置內(nèi)，并且用足夠的力將所述閥有選擇地保持在選擇位置內(nèi)以消除所述偏置力。
48.如權(quán)利要求44所述的方法，還包括檢測穿過所述收集管的流速；接收用于流經(jīng)所述收集管的流體的要求流速；以及控制所述井口閥的位置來使要求流速與檢測流速匹配。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，還包括檢測所述井口閥的位置，所述控制響應(yīng)于所述位置檢測以把所述閥移到設(shè)定點。
50.如權(quán)利要求44所述的方法，還包括用靠近井口閥的太陽能電池板和電池來生成和存儲本地電源。
51.一種改進井口閥以減少井中過程氣體散發(fā)的方法，包括拆除利用和排放過程氣體以定位井口閥的氣動致動裝置，所述氣動致動裝置使用本地電源進行電控制；用具有電動機和齒輪減速鏈的電動致動器機構(gòu)來代替所述氣動致動裝置，所述電動致動器機構(gòu)通過所述齒輪減速鏈來驅(qū)動所述井口閥，而無需釋放用于致動力的過程氣體；以及用所述本地電源給所述電動機供電，所述齒輪減速鏈具有足夠大的減速比，以便所述本地電源足夠所述電動機通過所述齒輪減速鏈來驅(qū)動所述井口閥，而不管施加在所述井口閥上的過程流體壓力和/或彈簧力。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括用新的井口閥替換所述井口閥。
53.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括使用制動器和彈簧按照三種故障偏置模式之一有選擇地配置所述電動致動器，包括故障偏置打開模式、故障偏置關(guān)閉模式和故障固定位置，在故障偏置打開模式中，所述彈簧布置成在掉電時將所述閥推向打開位置，而所述制動器位于切斷位置；在故障偏置關(guān)閉模式中，所述彈簧布置成在掉電時將所述閥推向關(guān)閉位置，而所述制動器位于切斷位置；在故障固定位置中，所述制動器在掉電時位于接通位置并且保持所述閥的當前位置來抵消彈簧和/或流體力。
54.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括配置與所述齒輪減速鏈連接的手動超馳輸入端。
55.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括利用所述本地電源而無需補充所述本地電源。
全文摘要
一種電動致動器特別適合于驅(qū)動井口閥以便調(diào)節(jié)生產(chǎn)井中天然氣的流量。所述電動致動器可以使用井口閥系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)有的本地電源進行驅(qū)動，典型地是太陽能電池板和電池。所述電動致動器可以包括齒輪減速鏈、制動器和具有離合器保護的手動超馳輸入裝置。所述電動致動器可以配置成三種不同的操作模式，在掉電時提供預(yù)定位置，包括故障偏置固定、故障打開和故障偏置關(guān)閉。
文檔編號E21B34/00GK1748072SQ200480003986
公開日2006年3月15日 申請日期2004年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月10日
發(fā)明者凱文·E·格里伯, 杰弗里·T·斯圖爾特, 格蘭特·A·斯威爾, 喬爾·W·克萊克, 羅格·T·許貝里 申請人:伍德沃德調(diào)控器公司