CN105422045B - 水下全电采油树系统一体式电动执行器 - Google Patents

水下全电采油树系统一体式电动执行器 Download PDF

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Abstract

本发明属于石油工程装备领域，具体地，涉及一种水下全电采油树系统一体式电动执行器，包括：执行器主轴，其特征在于：执行器主轴上部安装有上封盖，上封盖内设有固定永磁铁、滑动永磁铁；上封盖的底端通过螺钉与执行器外壳连接，电子设备支架安装在执行器外壳的上部；执行器外壳内设有八台直线电机，每台直线电机均由直线电机定子和直线电机动子构成；执行器主轴下端设有下封盖，下封盖的顶端开有四个等间距的矩形槽，电磁阀安装于矩形槽内。本发明采用直线电机驱动执行器主轴和水下阀门闸板动作，省去齿轮箱等结构，缩小了执行器尺寸；四台直线电机同时工作，另外四台直线电机作为备份，提高了电动执行器的可靠性。

Description

水下全电采油树系统一体式电动执行器
技术领域
本发明属于石油工程装备领域，具体地，涉及一种水下全电采油树系统一体式电动执行器。
背景技术
水下采油树系统是海洋油气田生产和井下作业时进行井口作业的装置，是水下生产系统最重要的设备之一。按照控制方式，可分为水下全液压采油树系统、水下电液复合采油树系统，以及近几年发展起来的水下全电采油树系统。水下全电采油树系统简化了控制系统中的液压组件，利用电气自动化系统为水下采油设备提供动力源，具有响应速度快、可进行超远距离控制等优点。
电动执行器是水下全电采油树最重要的部件之一，它控制着水下阀门的打开和关闭。目前的电动执行器采用旋转电机进行阀门的驱动和锁定，并采用弹簧完成阀门的复位。然而，随着水深的增加，弹簧尺寸不断增加，导致电动执行器尺寸很大。另外，电机的驱动和控制系统均位于水下电子模块内，要实现电机的闭环高精度控制，需要连接很多信号电缆和动力电缆。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种水下全电采油树系统一体式电动执行器。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
水下全电采油树系统一体式电动执行器，包括：执行器主轴，其特征在于：执行器主轴上部安装有上封盖，上封盖内设有固定永磁铁、滑动永磁铁，滑动永磁铁通过螺纹安装在执行器主轴上，固定永磁铁位于滑动永磁铁的上方、通过螺钉安装在上封盖上，固定永磁铁和滑动永磁铁沿执行器主轴极性反向安装；上封盖的底端通过螺钉与执行器外壳连接，电子设备支架安装在执行器外壳的上部，电子设备支架为三层结构，顶层安装有中央处理器、电池管理模块和两台充电锂电池组；中层安装有两台多轴运动控制卡；底层安装有八台直线电机驱动器；执行器外壳内设有八台直线电机，每台直线电机均由直线电机定子和直线电机动子构成，八台直线电机动子通过螺钉等间距地固定在执行器主轴的中部；上圆盘通过螺钉与八台直线电机定子固定在一起，下圆盘通过螺钉与直线电机定子固定在一起，下圆盘上开有通孔；连接板通过螺钉与执行器外壳的底端连接在一起；执行器主轴下端设有下封盖，下封盖的顶端开有四个等间距的矩形槽，电磁阀安装于矩形槽内，电磁阀的阀杆指向执行器主轴；连接板压在电磁阀上部，二者之间不固定；执行器主轴的下部沿周向等间距开有四个导向槽，用于阀杆的导向，在导向槽的顶端开有一个锁定孔，阀杆插入锁定孔，可以实现执行器主轴的锁定。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1、采用直线电机驱动执行器主轴和水下阀门闸板动作，省去齿轮箱等结构，缩小了执行器尺寸；四台直线电机同时工作，另外四台直线电机作为备份，提高了电动执行器的可靠性。
2、采用四台电磁阀和两块永磁铁来完成执行器主轴的锁定与复位，省去大尺寸弹簧等结构，进一步缩小了电动执行器的尺寸。
3、将中央处理器、多轴运动控制卡和直线电机驱动器等电子设备安装在电动执行器内，简化了电动执行器与水下电子模块的连接电缆。
附图说明
图1是水下全电采油树系统一体式电动执行器结构示意图；
图2是图1中A-A剖面示意图；
图中，1、执行器主轴，2、顶盖，3、上端径向轴承，4、上封盖，5、固定永磁铁，6、滑动永磁铁，7、脐带缆，8、水下湿式可插拔连接器，9、电子设备支架，10、中央处理器，11、电池管理模块，12、充电锂电池组，13、多轴运动控制卡，14、直线电机驱动器，15、上圆盘，16、执行器外壳，17、直线电机，18、直线电机定子，19、直线电机动子，20、下圆盘，21、锁定孔，22、导向槽，23、连接板，24、电磁阀，25、阀杆、26、下封盖，27、下端径向轴承，28、底盖，29、环形槽。
具体实施方式
如图1所示，水下全电采油树系统一体式电动执行器，包括：执行器主轴1，执行器主轴1上部安装有上封盖4，执行器主轴1与上封盖4之间设有上端径向轴承3，执行器主轴1沿轴向运动；上封盖4内设有固定永磁铁5、滑动永磁铁6，滑动永磁铁6通过螺纹安装在执行器主轴1上，滑动永磁铁6沿圆周方向等间距开有12个通孔，作为硅油流动的通路；固定永磁铁5位于滑动永磁铁6的上方、通过螺钉安装在上封盖4上；执行器主轴1穿过固定永磁铁5，执行器主轴1、固定永磁铁5之间留有空隙，注满绝缘硅油；固定永磁铁5和滑动永磁铁6沿执行器主轴1极性反向安装，两者互相吸引；上封盖4的内腔注满绝缘硅油，用于减少电动执行器各结构部件在深水高压下的形变，上封盖4上开有硅油注入孔，并由丝堵密封(图中未示意注入孔和丝堵)；上封盖4的顶面通过螺钉安装有顶盖2。
上封盖4的底端通过螺钉与执行器外壳16连接，电子设备支架9安装在执行器外壳16的上部，执行器主轴1穿过电子设备支架9，执行器主轴1、电子设备支架9之间留有空隙，注满绝缘硅油；电子设备支架9为三层结构，顶层安装有中央处理器10、电池管理模块11和两台充电锂电池组12；中层安装有两台多轴运动控制卡13；底层安装有八台直线电机驱动器14；电子设备支架9的上下两端均装有环形密封圈，实现电子设备舱的密封，电子设备舱内充有一个大气压的氮气，执行器外壳16上开有氮气充气孔，由丝堵密封(图中未示意)；电子设备支架9上开有通孔，中央处理器10、电池管理模块11、充电锂电池组12、多轴运动控制卡13和直线电机驱动器14通过通孔布置信号电缆和动力电缆；水下湿式可插拔连接器8穿过上封盖4和电子设备支架9并将上封盖4和电子设备支架9连接在一起；脐带缆7连接在水下湿式可插拔连接器8上。
执行器外壳16内设有八台直线电机17，每台直线电机17均由直线电机定子18和直线电机动子19构成，直线电机17的内腔注满绝缘硅油；八台直线电机动子19通过螺钉等间距地固定在执行器主轴1的中部(如图2)；上圆盘15位于电子设备支架9的下方，二者之间不固定；上圆盘15通过螺钉与八台直线电机定子18固定在一起，上圆盘15上开有通孔，直线电机17的信号电缆和动力电缆通过通孔连接到直线电机驱动器14上；下圆盘20通过螺钉与直线电机定子18固定在一起，下圆盘20上开有通孔；直线电机定子18、上圆盘15和下圆盘20安装在执行器外壳16的下部；直线电机驱动器14给直线电机17提供动力，直线电机动子19可沿直线电机定子18垂直上下运动；中央处理器10控制两台多轴运动控制卡13，每台多轴运动控制卡13控制四台直线电机驱动器14，每台直线电机驱动器14驱动一台直线电机17。
执行器主轴1穿过连接板23，二者之间留有空隙，注满绝缘硅油；连接板23与下圆盘20之间不固定，连接板23通过螺钉与执行器外壳16的底端连接在一起；连接板23开有通孔。
执行器主轴1下端设有下封盖26，执行器主轴1与下封盖26之间留有空隙，注满绝缘硅油；执行器主轴1与下封盖26的下端之间设有下端径向轴承27，执行器主轴1沿轴向运动；下封盖26通过螺钉与连接板23的底端连接在一起；底盖28通过螺钉安装在下封盖26的底面；下封盖26的顶端开有四个等间距的矩形槽，电磁阀24安装于矩形槽内，电磁阀24的阀杆25指向执行器主轴1；连接板23压在电磁阀24上部，二者之间不固定；执行器主轴1的下部沿周向等间距开有四个导向槽22，用于阀杆25的导向，在导向槽22的顶端开有一个锁定孔21，阀杆25插入锁定孔21，可以实现执行器主轴1的锁定。
水下全电采油树系统一体式电动执行器，安装在水下全电采油树上。执行器主轴1的底端通过联轴器与水下采油树阀门的闸板相连。电动执行器工作时，水下电子模块通过脐带缆7和水下湿式可插拔连接器8向电动执行器提供动力电源，并发出控制信号，中央控制器10控制一台多轴运动控制卡13，通过直线电机驱动器14控制四台间隔布置的直线电机17同时工作，直线电机动子19克服固定永磁铁5和滑动永磁铁6之间的吸引力，带动执行器主轴1和水下阀门的闸板向下运动，同时，电磁阀24的阀杆25沿导向槽22滑动。当直线电机动子19运动到最终位置时，电磁阀24线圈得电，阀杆25插入锁定孔21，将执行器主轴1锁住，水下阀门打开。当电磁阀24失电，阀杆25在弹簧作用从锁定孔21内缩回，执行器主轴1在固定永磁铁5和滑动永磁铁6吸引力，以及直线电机17的双重作用下向上运动，水下阀门关闭。
多轴运动控制卡13、直线电机驱动器14和直线电机17之间形成全闭环控制，即电流和电压传感器监测的直线电机17的电流和电压信息反馈到直线电机驱动器14，位移传感器监测的直线电机动子19的位置信息反馈到多轴运动控制卡13，通过全闭环控制算法，实现动子位移精确控制(图中未画出电流、电压和位置传感器)。
当正在工作的多轴运动控制卡13、直线电机驱动器14或者直线电机17中的任何一台出现故障时，中央控制器10切换到另外一台多轴运动控制卡13进行控制，通过另外四台直线电机驱动器14控制另外四台间隔布置的直线电机17，操作水下阀门的开关，形成双冗余控制。
当电动执行器失去电源动力时，电池管理模块11可控制两台充电锂电池组12形成冗余备用电源，为电动执行器提供临时动力，进行水下阀门的临时开关操作。
当电动执行器失去通讯信号和电源动力时，电磁阀24失电，阀杆25在弹簧作用从锁定孔21内缩回，执行器主轴1在固定永磁铁5和滑动永磁铁6之间的吸引力作用下带动水下阀门的闸板向上运动，水下阀门关闭，从而实现水下阀门的“失效安全”功能。
当出现紧急情况，失去对电动执行器的控制时，可将水下机器人ROV的操作手固定在执行器主轴1顶端的环形槽29内，推动执行器主轴1上下移动，从而实现水下阀门的打开与关闭。

Claims (10)

1.一种水下全电采油树系统一体式电动执行器，包括：执行器主轴，其特征在于：执行器主轴上部安装有上封盖，上封盖内设有固定永磁铁、滑动永磁铁，滑动永磁铁通过螺纹安装在执行器主轴上，固定永磁铁位于滑动永磁铁的上方、通过螺钉安装在上封盖上，固定永磁铁和滑动永磁铁沿执行器主轴极性反向安装；上封盖的底端通过螺钉与执行器外壳连接，电子设备支架安装在执行器外壳的上部，电子设备支架为三层结构，顶层安装有中央处理器、电池管理模块和两台充电锂电池组；中层安装有两台多轴运动控制卡；底层安装有八台直线电机驱动器；执行器外壳内设有八台直线电机，每台直线电机均由直线电机定子和直线电机动子构成，八台直线电机动子通过螺钉等间距地固定在执行器主轴的中部；上圆盘通过螺钉与八台直线电机定子固定在一起，下圆盘通过螺钉与直线电机定子固定在一起，下圆盘上开有通孔；连接板通过螺钉与执行器外壳的底端连接在一起；执行器主轴下端设有下封盖，下封盖的顶端开有四个等间距的矩形槽，电磁阀安装于矩形槽内，电磁阀的阀杆指向执行器主轴；连接板压在电磁阀上部，二者之间不固定；执行器主轴的下部沿周向等间距开有四个导向槽，用于阀杆的导向，在导向槽的顶端开有一个锁定孔，阀杆插入锁定孔，可以实现执行器主轴的锁定。
2.根据权利要求1所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：执行器主轴与上封盖之间设有上端径向轴承，执行器主轴沿轴向运动。
3.根据权利要求2所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：滑动永磁铁沿圆周方向等间距开有12个通孔，作为硅油流动的通路。
4.根据权利要求3所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：执行器主轴穿过固定永磁铁，执行器主轴、固定永磁铁之间留有空隙，注满绝缘硅油。
5.根据权利要求4所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：上封盖的内腔注满绝缘硅油，用于减少电动执行器各结构部件在深水高压下的形变，上封盖上开有硅油注入孔，并由丝堵密封；上封盖的顶面通过螺钉安装有顶盖。
6.根据权利要求5所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：执行器主轴穿过电子设备支架，执行器主轴、电子设备支架之间留有空隙，注满绝缘硅油。
7.根据权利要求6所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：电子设备支架的上下两端均装有环形密封圈，实现电子设备舱的密封，电子设备舱内充有一个大气压的氮气，执行器外壳上开有氮气充气孔，由丝堵密封。
8.根据权利要求7所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：电子设备支架上开有通孔，中央处理器、电池管理模块、充电锂电池组、多轴运动控制卡和直线电机驱动器通过通孔布置信号电缆和动力电缆；水下湿式可插拔连接器穿过上封盖和电子设备支架并将上封盖和电子设备支架连接在一起；脐带缆连接在水下湿式可插拔连接器上。
9.根据权利要求8所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：直线电机的内腔注满绝缘硅油，直线电机定子、上圆盘和下圆盘安装在执行器外壳的下部；直线电机驱动器给直线电机提供动力，直线电机动子可沿直线电机定子垂直上下运动；中央处理器控制两台多轴运动控制卡，每台多轴运动控制卡控制四台直线电机驱动器，每台直线电机驱动器驱动一台直线电机。
10.根据权利要求9所述的水下全电采油树系统一体式电动执行器，其特征在于：上圆盘位于电子设备支架的下方，二者之间不固定；上圆盘上开有通孔，直线电机的信号电缆和动力电缆通过通孔连接到直线电机驱动器上；执行器主轴穿过连接板，二者之间留有空隙，注满绝缘硅油；连接板与下圆盘之间不固定，连接板开有通孔；执行器主轴与下封盖之间留有空隙，注满绝缘硅油；执行器主轴与下封盖的下端之间设有下端径向轴承，执行器主轴沿轴向运动；下封盖通过螺钉与连接板的底端连接在一起；底盖通过螺钉安装在下封盖的底面。
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