CN1748072A - 用于井口阀或其它应用的致动器和包括该致动器的系统 - Google Patents

Abstract

一种电动致动器特别适合于驱动井口阀以便调节生产井中天然气的流量。所述电动致动器可以使用井口阀系统内现有的本地电源进行驱动，典型地是太阳能电池板和电池。所述电动致动器可以包括齿轮减速链、制动器和具有离合器保护的手动超驰输入装置。所述电动致动器可以配置成三种不同的操作模式，在掉电时提供预定位置，包括故障偏置固定、故障打开和故障偏置关闭。

Description

用于井口阀或其它应用的致动器和包括该致动器的系统

技术领域

本发明涉及调节阀，尤其是涉及在可能不容易利用商业电源的远程位置上高负荷运行的调节阀，例如用于井口的调节阀，其调节天然气或流出地井的其它过程流体的流量。

背景技术

在商业天然气生产工业中，气体收集管网络常常将局部地理区域内的几十至几百个天然气地井连接和分支在一起。各个井将通过气体收集管网络把天然气输送到公共输出位置。这些井可以由几个不同的土地所有人和/或开采权所有人拥有，他们可以将他们的天然气产品销售给天然气商业供应商。典型地，商业供应商将根据它的需要从土地所有人或权利所有人购买天然气。这需要调节和监控每口井中的天然气产量。即使天然气商业购买商拥有地或开采权，它仍然还想监控和/或调节每口井的产量来控制它的供应。常常，想要的天然气输出小于几个组合井的最大生产量。这样的要求由于循环季节性趋势和因为其他经济原因而可能变化。

为了调节各个井的生产输出，用于各个井的分支收集管典型地具有流量调节阀和布置成串联在流体内的气体流量传感器。气体流量传感器指示流经收集管的天然气量。调节控制阀提供可变的开度，调节控制阀在收集管内形成节流孔板，从而设定收集管内的天然气流速。

由于存放天然气的地方按照地理结构进行布置，成组的天然气生产井常常位于没有商业电源的远程区域内。这样的井也可以是远离文明社会或者从文明社会不容易进入。结果，实现天然气调节阀的自动控制和致动还没有简单的解决方案。天然气生产井内的流体压力可以高达约900psi或者在某些情况下更高，以及低达约10psi。这就要求和需要具有高致动力的致动装置，从而井口调节阀可以具有施加到它们上的几百磅的力。现有技术中的现成解决方式必须使用少部分过程气体(例如天然气)作为工作流体，来向气动调节器/致动器部件组合提供动力，包括气动致动器、I/P调节器、减压调节器和定位器，它们布置在操作流体网络内用于定位井口调节阀，如图22中示意地图示，图22描述目前使用的典型井口生产井系统。在这个布置中，必须要控制工作流体。常常使用太阳能电池板和电池(因为成本原因它们保持尽可能小)来提供小的本地电源，以向电动机操作的调节器供电，调节器电控制工作流体流量。这样在气动致动器上提供电控制。

尽管气动致动已经证明能工作，但使用如图21中所示的气动致动已经长期存在几个重要缺点。具体地，现有技术的气动致动系统(包括许多单个调节器和致动器部件)消耗和排放天然气，意味着当重新定位或另外控制调节阀时，天然气因此是释放到大气中的气体。因为气体排放，这些系统在满足与短时天然气散发相关的严格环境调节方面可能带来困难。而且，由于短时天然气散发，存在重大安全隐患。无论是由照明、其他相邻设备或部件(包括控制电子设备)产生的，还是由维护人员或他们的设备在气体网络内工作时产生的电火花(当不遵守安全预防时这种隐患或许增加)，可能点燃释放的天然气和产生可能爆炸的情形。

考虑到前述方面，长期需要提供实用和经济上可行的解决方案来减少并且如果可能就消除与在控制调节井口阀时出现的短时天然气散发相关的风险和其他缺点。

发明内容

本发明的一个方面涉及使用电致动来驱动井口阀以便调节井中过程流体流量的系统，所述系统包括用于从所述井中收集过程流体的收集管；检测穿过所述收集管的过程流体流量的流量传感器；本地电源；以及与所述流量传感器串联以调节穿过所述收集管的过程流体流量的井口阀。用齿轮减速链和电动机来实现电致动。齿轮减速链包括多个齿轮，用于降低移动所述井口阀而需要的致动力。所述电动机由所述本地电源供电，并且通过所述齿轮减速链驱动所述井口阀。

本发明的优点是可以在所有位置之间定位所述井口阀，而无需利用和释放过程气体来致动所述井口阀。而且，典型地包括电池和太阳能电池板的现有本地电源可以用来给电动致动井口阀供电。

本发明的另一方面涉及一种使用本地电源控制井口阀位置以控制井中过程气体流量的新方法，所述方法包括：用电致动力来电动致动所述井口阀以调节过程气体的流量而无需释放过程气体；使用所述本地电源给所述电动致动提供动力；以及放大所述电致动力，从而降低电动致动的速度，其中所述放大是足够的以便只使用所述本地电源就能实现所述电动致动。

本发明的又一方面涉及一种改进井口阀以减少井中过程气体散发的方法，所述方法包括：拆除利用和排放过程气体来定位井口阀的气动致动器(和它的工作流体调节部件)，其中所述气动致动器使用本地电源进行电控制。然后，用具有电动机和齿轮减速链的电动致动器机构来代替所述气动致动装置。所述电动致动器机构通过所述齿轮减速链来驱动所述井口阀，而无需释放用于致动力的过程气体。所述方法还包括用所述本地电源给所述电动机供电，所述齿轮减速链配备有足够大的减速比，以便所述本地电源足够所述电动机通过所述齿轮减速链来驱动所述井口阀，而不管施加在所述井口阀上的过程流体压力和/或弹簧力。同时可以更换或不更换井口阀。

本发明的另一方面涉及一种电动致动器的新配置。所述致动器包括适合于旋转输出轴的电动机和具有多个齿轮的齿轮减速链，所述齿轮减速链包括位于所述输出轴上的输入齿轮和旋转输出端。当所述电动机旋转所述输出轴时，所述多个齿轮适合于放大从所述输入齿轮到旋转输出端的力。所述电动致动器还包括作用在所述齿轮减速链上的手动超驰输入端以便可以手动驱动所述齿轮减速链，以及具有接通位置的制动器，其中所述制动器适合于防止所述齿轮减速链向回驱动。

根据这个方面，可以将弹簧布置成在预定方向上推动所述齿轮减速链。当所述制动器在接通位置时，它提供足够的阻力来保持所述齿轮减速链的当前位置以抵消弹簧的作用。所述电动机具有足够的旋转输出力来克服所述制动器在接通位置时的阻力以便移动所述齿轮减速链。

本发明的又一特征在于，所述电动致动器可在三种不同的可能操作模式之间进行配置。通过使手动可逆的弹簧具有偏置力和也具有切断位置以便所述弹簧可以驱动所述齿轮减速链的制动器，来实现按照三种不同的可能模式的配置。然后，所述电动致动器在所述电动机掉电时具有三种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，所述弹簧布置成在掉电时在第一方向将所述齿轮减速链推向第一限度，而所述制动器位于切断位置；在第二故障偏置模式中，所述弹簧布置成在掉电时在第二方向将所述齿轮减速链推向第二限度，而所述制动器位于切断位置；在故障固定模式中，所述制动器位于接通位置，并且保持所述齿轮减速链的当前位置。

所述电动致动器可以安装或能安装到阀以提供电动致动阀组件。

根据本文中提供的本发明描述，本发明的其他优点以及附加的发明特征将是显而易见的。

附图说明

图1是依据本发明优选实施例包括电动致动阀的井口系统的示意平面图。

图2是图1中所示的电动致动阀的立体图。

图3-4是图2中所示的电动致动阀的横剖面，其中从前部和侧部图示这些横剖面图。

图5和6是图3的电动致动器部分的横剖面。

图7是从顶部观察前面图中所示的电动致动器的横剖面。

图8是图4中所示的电动致动阀的阀部分的放大横剖面。

图9是图8的放大横剖面，图解阀的密封装置。

图10是图9中所示的密封装置的分解装配图。

图11是前面图中所示的电动致动器的内部结构的立体图。

图12是前面图中所示的电动致动器的内部结构的侧视图。

图13-14是前面图中所示的电动致动器的内部结构的前视图和后视图。

图15和17是在前面图中所示的电动致动器内使用的制动机构的前端视图和后端视图。

图16是制动器箱的立体图。

图18a和18b是图15-17中所示的制动机构的横剖面，分别图示了开和关位置。

图19是图15-18中所示的制动机构的分解装配图。

图20是与图3相同的图，除了向回驱动弹簧使阀偏向开位置之外。

图21是离合器齿轮下降的横剖面，离合器齿轮可以用于电动致动器，代替齿轮之一。

图22是用于井口阀的通用控制系统的示意图。

具体实施方式

依据本发明的优选实施例在所有这些图中图示了特别适合于井口阀12的电动致动器10。图1图解了天然气井生产系统14，作为电动致动器10的典型应用和操作环境。如图1中所示，井口阀12调节穿过集气管18的天然气生产井16产量输出。井口阀12安装在集气管18内，与气体流量传感器20进行流体串联。井口阀12的开度和井16的天然气压力(对于大多数生产井而言，典型地，天然气压力在约10-900磅/平方英寸(psi)之间变化或甚至更高)确定穿过集气管18的天然气流速。气体流量传感器20测量流过管18的天然气量。气体流量传感器20向电子控制器22提供表示检测流速的电反馈，用于对电动致动器10和井口阀12进行闭环控制。

由于井16可能定位在远离市场上可买到的电源，因此系统14图示为包括本地电源，典型地包括小太阳电池板24和电池26。太阳电池板24产生小的电源，而电池26存储该电源。有利地，电动致动器10可以代替气动致动系统，而无需任何附加动力或电力生成，如果需要就只使用现有的本地电源。这样，在电力生成方面无需浪费附加成本，并且本发明可以用作改型设备来代替现有井口阀上的气动致动系统。然而，要说明的是，在某些情况下，电力生成或存储容量的某些附加扩充可能是理想的。

在图1中，显示两个独立控制器22、82，但如果需要这些控制器可以集成在单控制器组件内。为了提供改型和新的系统，将典型地使用两个独立控制器22、82。

井口阀12可以是可直线平移阀、回转阀或其他可移动/可定位阀。参考图2-4和8，图解的井口阀12图示为直线型，包括阀壳体28和可直线平移阀件20。阀壳体28包括限定流道32的阀体41。流道32在阀体41端部上的一对安装法兰32之间延伸和穿过。安装法兰32适合于将井口阀12安装在集气管18上。阀件20可以包括单独部件，如图所示，该单独部件包括栓塞件36和伸出栓塞件36的细长阀杆38。阀杆38穿过阀壳体20，并且由电动致动器10对其进行作用。阀杆38将选择定位力从电动致动器10传递到栓塞件36。栓塞件36位于沿着流道32的罩42内来提供节流孔板，节流孔板调节穿过阀的流量。在完全关闭和完全打开位置以及它们间的中间位置之间，栓塞件36可朝向和远离阀座40进行平移。栓塞件36在完全关闭位置时堵塞所有流量，而在完全打开位置时允许最大流量。

为了提供可移动阀件20的安装，阀壳体38可以由多个部件构成，包括阀体41、计量罩42和阀帽44，计量罩42径向抑制和引导阀栓塞件36的移动，阀帽44径向抑制和提供密封装置46。密封装置46提供静态密封和动态密封，防止天然气漏出阀12。在Don Arbuckle的美国专利US6161835中图解了用于防止阀内天然气泄漏的一种适当密封装置，其所有公开内容文本作为参考引用。

然而，公开的实施例包括更有利和新颖的密封装置46，其更不复杂、更不昂贵和更可靠。参考图9-10，密封装置46包括穿过和围绕阀杆38的加压环形活塞47。活塞47的一面由容纳在阀流道32内的过程流体进行作用，来对容纳在密封剂腔48内的密封润滑剂流体进行加压。活塞47包括容纳密封垫的轴套部分49。活塞47的外围携带O形环衬垫50，用于防止过程流体和润滑剂之间的流通。如果有的话，期望在设置O形环衬垫50的地方存在不很多的活塞运动，因此，可以认为这是用于所有实用目的的静态密封。另一静态O形环衬垫51位于阀体41和阀帽44之间，用于防止漏出密封剂腔48。因此，串联布置这两个O形环衬垫50，51，并且提供冗余备用来确保过程流体不漏出密封剂腔。

容纳在活塞轴套部分49内的密封垫包括一对流体串联布置的动态O形环衬垫52、隔离件53、一对衬垫固定器垫圈54、PTFE导向轴衬55、扣环56和保持垫圈57。扣环56扣入活塞轴套部分49中的凹槽内来使密封垫轴向保持在适当位置。PTFE导向轴衬55紧紧安装在阀杆38的周围来提供阀件30的低摩擦滑动。隔离件53轴向隔开O形环衬垫52和衬垫固定器垫圈54来提供衬垫52的平衡和保持力。孔58穿过隔离件53以便润滑剂的加压圆筒环围绕衬垫52之间的阀杆38，这样润滑剂对每个动态衬垫52进行作用。

提供封闭密封垫和活塞的盖59来防止灰尘和其他外部污染物损害密封装置46。可以拆除盖59来人工检查润滑剂液位，润滑剂液位说明衬垫50、51、52工作有多好。具体地，活塞轴套部分的末端用作密封剂液位指示器61。当轴套末端或指示器61与阀帽44的顶面齐平或共面时，适当量密封润滑剂容纳在密封剂腔48内。如果由于轴向活塞运动而使指示器61上升到顶面之上，即表示密封剂已经泄漏。如果需要，可以沿着活塞轴套部分49的外表面提供分区刻度来提供润滑剂液位的数字指示。这个密封装置46具有若干优点，包括更容易制造和装配，防止污染物到达密封装置，以及指示密封润滑剂液位的整体机构。

井口阀12可以包括弹簧60，用于将活动阀件30偏置到打开位置和关闭位置。如图3和8中所示，弹簧60图示为钢螺旋弹簧，其布置成将阀件30偏置到关闭位置。弹簧套62安装在电动致动器10和阀体41之间来覆盖和支撑弹簧60。弹簧60由弹簧套62的一端支撑，并且被支撑在弹簧座板64上，弹簧座板64由致动器杆66支撑。致动器杆66的一端接合阀杆38，而另一端具有驱动架68。

参考图3和11-13，驱动架68提供在致动器杆66上滑动的套筒件67，以便驱动架68能相对致动器杆66旋转。止推轴承70更好地确保驱动架68自由旋转，特别是因为它被波形弹簧71轴向固定在适当位置上。将套筒件67轴向限制在一对螺母69之间，这对螺母69安装在致动器杆66和波形弹簧71上，波形弹簧71将套筒件67和驱动架68偏置到致动器杆66上的固定位置。这个排列允许驱动架自由旋转以便弹簧60的力不能使驱动架68扭曲，从而防止过早磨损，但它也使驱动架保持在致动器杆上的固定轴向位置。波形弹簧71在阀件30接触座时也轻压缩，从而减少齿轮上的合成撞击负载。用于将转动能转换成直线运动的架和小齿轮机构的另一备选方案是滚珠螺杆机构，这种机构和其他转换机构可以用作备选方案。

要说明的是，在图8中将弹簧套62和弹簧60图示为井口阀12的一部分。然而，作为选择，弹簧套62和弹簧60可以认为是电动致动器的一部分和/或可以集成在电动致动器或阀的部件内。无论是这样还是那样，弹簧60都将偏置力施加到电动致动阀，偏置力直接或间接有效地作用在阀塞件36和齿轮减速链76上。

公开的实施例也在致动器杆66上提供支撑结构65，致动器杆66提供用于向回驱动弹簧60致动力的部件，弹簧60也是可逆的。如图20中所示，弹簧60可以接合弹簧套62的另一端，其中弹簧座板64由可供选择的支撑结构65支撑，以便当将弹簧压缩在弹簧座板64和弹簧套62之间时，向打开位置偏置阀。因此，弹簧是可逆的以便电动致动井口阀可以配置成将井口阀偏置成打开或关闭。

参考图2-7，电动致动器10包括致动器外壳72(由优选按照防漏方式固定在一起的几个铝壳构成)，致动器外壳72通常容纳和支撑步进电动机74、齿轮减速链76、制动机构78、手动超驰机构80和通常表示为电动机控制器的电动机驱动器82。致动器外壳72安装在弹簧套62上。步进电动机74是非易燃型电动机，当电动致动器用在天然气或其他易燃流体周围时，非易燃型电动机防止火花形成，从而进一步减少由于气体泄漏而出现危险情况的可能性。其他可能适当的防火花型电动机包括无刷DC电动机和防火花AC电动机。

在涉及井口阀应用的本发明实施例中，控制器82选择性地给电动机74加电压。控制器82可以按照用于保持井口阀12当前位置的保持模式和用于驱动井口阀12的致动模式来操作电动机74。电动机在保持模式下消耗1-3瓦(提供在制动解除下保持当前阀位置的力)，而在致动模式下消耗4-12瓦。这个很低的功耗使电动致动器10能以太阳电池板24和电池26提供的现有电源来独自运转(这个本地电源可能最初打算用于调节电动-气动井口阀)。

参考图11-14，步进电动机74包括相对致动器外壳72按照固定关系安装的电动机外壳或定子84，以及包括输出轴86的转子。输出轴86相对定子84旋转。输出轴86在其上整体提供小齿轮88(通过机械加工输出轴或安装固定在其上的分离齿轮齿)，输出轴86为齿轮减速链76提供输入。齿轮减速链76包括多个单独减速齿轮90a-d，各自包括大上游齿轮齿92a-d和小下游齿轮齿94a-d(即“差速”齿轮)，它们安装在公共齿轮轴96a-d上。

致动器外壳72按照平行关系可旋转地安装或支撑齿轮轴96a-d以便进行旋转。输出轴86上的小齿轮88与第一减速齿轮90的大齿92a相啮合，以便从电动机输出轴86到第一齿轮轴96a来扩大力。类似地排列齿轮减速链内的其他齿轮，其中小齿轮齿94a-94c分别驱动大齿轮齿92b-d。当电动机旋转时，从电动机输出轴86到旋转输出，越过齿轮减速链76来施加和扩大由电动机74提供的电致动力，然后，由最后的小差速齿轮齿94d来施加电致动力。小齿轮齿94d与驱动齿条68相啮合来驱动驱动齿条68，从而将转动能转换成直线平动能。由致动器外壳72支撑的弹簧偏压凸轮部件73按照啮合关系保持齿条偏向差速齿轮齿94d(这可以用作扭矩限定装置以便在出现误差或过扭矩情形时防止被损害)。用于将转动能转换成直线运动的齿条和小齿轮机构的另一替换是滚珠螺旋机构，这种及其他转换机构可以用作替换。

为了足够驱动井口阀系统14内的井口阀12，齿轮链的齿轮减速比优选为至少100∶1，更优选为至少400∶1。由于这样大致的齿轮减速比，用齿轮减速链来放大小电动机力(例如使用目前容易利用的电动机技术消耗4-12瓦来驱动阀)，以提供与弹簧力和/或流体力相反的足够致动力来驱动和定位阀12，由于事实上井口压力可以在约10-900psi范围内变化，致动力可能非常大。显然，由于阀12在完全打开和关闭位置之间的回转时间花费约1-5分钟，将实质上降低致动速度。已经认识到，慢回转时间是可接受的并且不明显影响井的生产量控制(特别是因为生产常常是每天24小时，其中在相对稀少的基础上出现需要的井输出变化)。当考虑与为了所有实际目的而使用本地电源减小和事实上消除所有短暂气体排放相关的重要优点时，这也是特别实际的，本地电源典型地提供在井口阀位置上。

参考图15-19，制动机构78至少部分通过齿轮减速链76来作用，如公开的实施例中所示，直接作用在电动机74的输出轴86上。制动机构78可以作用在电动机小齿轮88上来阻止通过齿轮链传递的向回驱动弹簧力和/或流体压力，以便只有部分力传递给电动机74的输出轴86。从而，制动机构78可以用来大大减小电动机保持阀当前位置而需要的吸持力量，或者完全消除维持阀当前位置的吸持力。

制动机构78包括一对制动钳110和转子112。制动钳110在它们的外围上包括容纳固定支撑销116的槽114，这些支撑销116由致动器外壳72支撑和安装在其内，并且伸出致动器外壳72。销116保持钳110固定并且防止钳110旋转。外钳110也轴向地紧靠致动器外壳72并且由其支撑。转子112包括套筒部分118和板状部分120，套筒部分118刻有到输出轴86的键槽，板状部分120轴向地插在制动钳110之间。钳110包括径向内凸圆形肋122，当制动接合在接通位置时，圆形肋122摩擦地接合转子板状部分120。肋122在径向上相对薄以提供直径基本恒定的环，环接合转子112来提供更稳定的制动力(例如，从而避免由于径向上更宽的制动垫片钳而可能在更小直径上出现滑动)。制动弹簧124施加轴向力以使钳110摩擦地接合转子112的相对侧。

尽管制动机构78可以永久地定位在接通位置上，从而单独地设计成动态制动，但优选地，制动机构也包括致动装置126，用于使制动在接通和切断位置之间接合和脱离，如图18a和18b中所示。制动也可以具有不同程度的接合来提供不同程度的制动力。在公开的实施例中，致动装置126包括螺旋进入或以别的方式安装在致动器外壳72内的套筒状支撑外壳128。致动装置126也包括杆状选择器开关构件130，其可滑动地插入支撑外壳128来相对支撑外壳128进行旋转和直线运动。

用销132和槽134机构来抑制开关构件130相对支撑外壳128的直线和旋转运动。销132牢固地安装到开关构件130，并且从其径向伸出进入槽134，槽134由支撑外壳128来限定。槽134包括分别对应于接通和切断位置的第一轴向延伸腿138和第二轴向延伸腿140，以及分开这些腿138、140的轴向延伸中间部分142。第一腿138比第二腿140更长以提供接通和切断位置。外弹簧144由垫圈146支撑，垫圈146由致动器外壳72在固定位置内保持固定。外弹簧144将开关构件130轴向地偏向支撑外壳128，以便当销132定位在腿138、140之一内时，阻止和推动销132到腿终端。

开关构件130包括穿过支撑外壳128内中心孔延伸的致动杆部分148。杆部分148包括暴露在致动器外壳72外部的可手动转动的头部。可转动的头部图示为包括螺丝刀槽150或其他适合于用工具或曲柄机构进行旋转的结构。如图18a、18b中所示，可以向内手动推动开关构件130来抵制外向回驱动弹簧144的作用，并且在接通和切断位置之间进行手动旋转(如图15中所示，在支撑外壳的外部进行指示)。

开关构件130承载制动弹簧124，制动弹簧124适合于将轴向制动力施加到制动钳110。制动弹簧124在一端由弹簧座152支撑，并且轴向地迫使制动应用器板154远离选择器开关构件130。弹簧座152包括螺纹杆156，螺纹杆156经由自锁螺纹旋入和锁入选择器开关构件130中的螺纹孔158内，以便弹簧座152的位置相对于选择器开关构件130是固定的。弹簧座152旋入选择器开关构件130到什么程度通常在装配期间确定，并且在装配期间用来测量和设定在接通位置内为制动机构78施加的制动力。制动应用器板154相对于弹簧座152可轴向移动。带肩螺栓160穿过制动应用器板154，并且安装在弹簧座152内。带肩螺栓160支撑和引导应用器板154的轴向滑动。

如图18a中所示，当制动机构78位于接通位置时，制动弹簧124将应用器板154推向内制动钳110，以便弹簧对着转子112压缩制动钳110。如图18b中所示，当制动机构78位于切断位置时，制动弹簧124将应用器板154推向带肩螺栓160的头部，带肩螺栓160的头部用作止档来防止弹簧作用在钳110上。

同样在电动致动器10内提供包括可转动输入轴162的手动超驰机构80，输入轴162包括可以与手动曲柄或工具进行接合并旋转的矩形结构的头部。输入轴162在致动器外壳72内滑转。输入轴162通过扭矩限定离合器166(或者其他扭矩限定装置，例如安全销)作用在齿轮轴90d之一上，以便输入轴162的旋转能手动直线地操作阀件30。扭矩限定离合器166防止装置的手动过扭矩，从而防止由于手动过扭矩而可能另外出现对驱动架68和驱动小齿轮94d的损害。扭矩限定离合器166可以包括耦合到输入轴162的输入板，输入板与结合到齿轮轴90d的输出板进行摩擦接合。在预定的力或扭矩下，离合器166的板彼此相对滑动来防止阀的过驱动。这样设置离合器166以便引起滑动的预定扭矩足够小来防止由于手动过扭矩而对井口阀12造成的损害，但足够大来充分克服作用在阀上的所有制动和偏置力，例如由制动机构78和阀偏置弹簧60引起的制动和偏置力，从而手动超驰(override)机构80可手动操作以便在完全打开和完全关闭位置之间将阀件30驱动到选定位置，甚至制动机构78接合在接通位置内。输入轴162的头部具有指针172，而致动器外壳72具有刻度174，它们指示阀12的开度。当手动调节阀时，指针172和刻度174用来在视觉上和为维护人员指示阀的位置。

公开实施例的重要特征在于可在三种不同的可能操作模式之间配置电动致动器10。通过使用手动可逆的弹簧60的偏置力和也具有接通及切断位置的制动机构78来完成配置，以便弹簧60可以驱动齿轮减速链76和阀件30，或者当存在掉电时制动机构78可以用来保持阀位置。因此，根据电动机74的掉电，电动致动器10具有三种不同的可配置操作模式，包括故障打开模式、故障关闭模式和故障固定模式，在故障打开模式中，弹簧60布置成在掉电时将齿轮减速链76和阀件30推向完全打开位置，而制动机构78位于切断位置；在故障关闭模式中，弹簧60布置成在掉电时将齿轮减速链76和阀件30推向完全关闭位置，而制动机构78位于切断位置；在故障固定模式中，制动机构78位于接通位置，并且保持齿轮减速链76和阀件30的当前位置。

在公开的实施例中使用多位置检测装置。首先，电动机控制器82整体地组合了模拟位置传感器176，模拟位置传感器176从发送给步进电动机74的电动机位置控制信号中获得旋转输出的位置。模拟位置传感器是累加器或计数器的形式，当驱动步进电动机74来以电子方式获得阀12的位置时，累加器或计数器从计数中增加数量和减少数量。阀位置的变化与模拟位置传感器176的计数变化线性地成比例。公开的实施例也包括连接到电动机控制器82并向其提供反馈的冗余位置传感器，冗余位置传感器图示成电位计178的形式。电位计178由凸轮进行定位，位于最后齿轮轴96的延伸部分上的偏心表面对凸轮进行作用。电位计178提供冗余反馈，用来检验模拟位置传感器176的精度，由于可能存在掉电或步进电动机74的滑动，模拟位置传感器176可能具有误差。最后，公开的实施例也可以包括限位开关184，限位开关184接近最后齿轮轴96d安装在设定点上，表示井口阀12的行程末端也定义为完全打开和完全关闭位置。伸出的输出齿轮轴96d包括凸轮偏心轮，凸轮偏心轮触发设定点上的限位开关184。限位开关184电连接到用户接口来提供阀位于设定点的指示。这样提供独立反馈来检验操作的精度。作为选择，限位开关信号能用来切断到电动机74的电源，以确保控制器82不向电动机发送信号来获得阀以前的完全打开或关闭位置之一。限位开关184也是可调节的，并且相对输出轴96d可手动旋转，以便如果终端用户希望定义不同的行程范围末端，终端用户可以按照他认为合适来手动配置和定义行程范围末端。

参考图1，系统14也可以包括由本地电源提供电力的无线收发器186，无线收发器186与一个或两个控制器22、82进行电通信。要说明的是，第一控制器22提供在典型地位于电动致动器10外部的井口阀位置上，以提供系统电平控制。电动机控制器82更是电动机驱动器以便有利于控制电动致动器10的驱动和井口阀12的定位。在任何情况下，无线收发器186可以从远程定位的收发器188中无线接收远程控制输入和命令信号，以便可以远程控制一个或两个控制器22、82来无线调节井口阀12的位置。收发器186也可以向远程位置发送反馈，从而将井口位置上的操作参数(例如流速、阀位置、功率级、故障等)通知给维护人员。

实施例的另一替换方面可以是为电动致动器10引入睡眠模式，睡眠模式中基本上没有消耗电力并且在阀12正确定位时本身自动断电。根据这个模式，制动机构78通常位于接通位置，从而用作动态制动，动态制动布置成向阀12的移动提供阻力。由于制动机构78在接通时提供足够的力来防止齿轮链在掉电时的向回驱动，制动机构78可操作来保持井口阀12的当前位置。电动机74提供足够的力和扭矩以使制动滑动，从而在想要时向制动提供过大的功率来移动井口阀12。当这些远程位置内的电力不足时，睡眠模式还提供能量效率和降低功耗。

图21中所示的另一特征是选择降低离合器减速齿轮190b，其可以代替减速齿轮90b。当配置成故障打开模式时，其中如图20中所示弹簧60偏置成将阀偏置成打开，离合器减速齿轮190b是特别有用的，并且可以用于致动器。类似地，离合器减速齿轮190b在齿轮轴196b上包括大齿轮齿192b和小齿轮齿194b。如图所示，大齿轮齿192b与套筒轴衬191可滑动地安装在一起。由轴向固定的轴承支撑构件195(它们由致动器外壳支撑)支撑的一对弹簧垫圈193，将一对支撑板197和与它们之间的大齿轮齿192b摩擦接合的盘198一起推向小齿轮194b。支撑板197连接或锁接到轴196b，以便由弹簧垫圈193施加的压缩可操作成在小于预定扭矩时把大齿轮齿192b锁定到轴196b，而在大于预定扭矩时允许大齿轮齿192b旋转滑动。组合在减速齿轮190b内的离合器机构的优点是在预定扭矩时出现滑动。当使用步进电动机74时，在高负荷下滑动能出现在步进电动机内。通过在低负荷下设定离合器减速齿轮内的滑动(解决齿轮放大)，这样更好地确保步进电动机74内的滑动不出现，滑动能另外允许弹簧将阀移到非理想位置。

最后，尽管本发明表示成用于控制或调节井口上的天然气，但本发明可以具有其他应用。例如，致动器10可以与阀一起使用来调节其他类型过程流体的流量，包括其他类型的气体和液体。

因此，通过参照相同内容在此引入了本文中引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，就好像每个参考文献被单独和具体地通过参照而被引用，并在本文中进行了全文阐述。

在描述本发明的上下文中，术语“a”、“an”和“the”以及类似指示代词的使用(特别是在下面权利要求书的上下文中)解释为覆盖单数和复数，除非在本文中进行另外指示或者显然上下文矛盾。术语“comprising”、“having”、“including”和“containing”解释为开放术语(即，意思是“包括但不局限于”)，除非另外注释。本文中数值范围的列举只是旨在用作独立地引用落入该范围内的每个单独值的速记方法，除非本文中另外指示，并且每个单独值包含在说明书中，就好像在本文中独立地列举它。可以按照任何适当顺序执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显然矛盾。本文中提供的任何和所有实例或示例性术语(例如，“such as”)只是旨在更好地阐明本发明的实施例，并且不是造成对本发明范围的限定，除非另外要求。说明书中没有术语应该解释为表示非要求部件作为实践本发明的必要条件。

本文中描述了本发明的优选实施例，包括发明人认为执行本发明的最好方式。对于本领域普通技术人员来说，阅读了前面描述之后，那些优选实施例的变化可以变得显而易见。发明人期望技术人员适当使用这样的变化，并且，发明人想要按照与本文中具体描述不同的方式来实践本发明。另外，按照适用法律的允许，本发明包括附属权利要求书中所述主题的所有修改和等效结构。而且，本发明包括上述部件在其所有可能变化内的任何组合，除非本文中另外指示或另外上下文显然矛盾。

Claims (55)

1、一种用于调节井中过程流体流量的系统，包括：

用于从所述井中收集过程流体的收集管；

检测穿过所述收集管的过程流体流量的流量传感器；

本地供电电源；

与所述流量传感器串联的井口阀，所述井口阀可移动以调节穿过所述收集管的过程流体的流量；

包括多个齿轮的齿轮减速链，用于降低移动所述井口阀而需要的致动力；以及

由所述本地供电电源供电的电动机，用于通过所述齿轮减速链驱动所述井口阀。

2、如权利要求1所述的系统，其中在所有位置之间设置所述井口阀，而无需利用和释放过程气体来致动所述井口阀。

3、如权利要求1所述的系统，还包括制动器，所述制动器具有接通位置，在接通位置中所述制动器作用在所述井口阀上来保持所述井口阀的当前位置。

4、如权利要求3所述的系统，其中所述制动器经由手动驱动的选择器开关在所述接通位置和切断位置之间可移动。

5、如权利要求4所述的系统，还包括手动超驰输入端和离合器，所述手动超驰输入端结合到所述井口阀以便所述手动超驰输入端的手动旋转定位所述井口阀，其中所述离合器布置成限定由所述手动超驰输入端施加到所述齿轮减速链和所述井口阀的扭矩量。

6、如权利要求1所述的系统，还包括向所述井口阀施加保持力的动态制动器，所述电动机提供足够量的电致动力来克服所述动态制动器的保持力以驱动所述井口阀，当所述电动机不提供任何电致动力时，所述制动器通过至少部分齿轮减速链来保持所述井口阀的当前位置，以便所述井口阀在所述电源掉电时维持当前位置。

7、如权利要求1所述的系统，还包括将所述井口阀偏置到完全关闭位置的弹簧，所述井口阀在所述电动机掉电时自动地移到完全关闭位置，还包括具有制动器和手动输入端的装置，用于在所述电动机掉电时有选择地设定所述井口阀的位置。

8、如权利要求1所述的系统，还包括将所述井口阀偏置到完全打开位置的弹簧，所述井口阀在所述电动机掉电时自动地移到完全打开位置，还包括具有制动器和手动输入端的装置，用于在所述电动机掉电时有选择地设定所述井口阀的位置。

9、如权利要求1所述的系统，其中所述电动机是从包括步进电动机、无刷直流电动机和无火花交流电动机组成的组中选择的无火花电动机。

10、如权利要求1所述的系统，其中所述齿轮减速链的齿轮比大于约100∶1，其中通过所述齿轮比来增大所述电动机施加到所述井口阀的力。

11、如权利要求10所述的系统，其中所述齿轮比大于400∶1。

12、如权利要求10所述的系统，还包括用于给所述电动机有选择地通电的控制器，其中所述电动机具有用于保持所述井口阀当前位置的保持模式和用于驱动所述井口阀的致动模式，所述电动机在保持模式下消耗1-3瓦的功率而在致动模式下消耗4-12瓦的功率。

13、如权利要求1所述的系统，还包括：由所述本地电源供电的控制器，所述控制器操作所述电动机来设定所述阀位置，所述控制器具有保持模式和活动模式，在保持模式下，所述井口阀维持在当前位置，而在活动模式下，所述控制器主动地给所述电动机供电来定位所述井口阀，与活动模式相比，所述电动机在保持模式下从所述本地电源中消耗更少的电力。

14、如权利要求1所述的系统，其中所述本地电源包括靠近所述井口阀的太阳能格栅和电池。

15、如权利要求1所述的系统，还包括由所述本地电源供电的控制器，所述控制器具有代表来自于井中的过程流体要求输出的请求输入，所述控制器响应所述流量传感器来依据所述请求输入设定所述井口阀的位置。

16、如权利要求15所述的系统，还包括指示所述井口阀位置的位置传感器，所述控制器响应所述位置传感器来依据所述请求输入设定所述井口阀的位置。

17、如权利要求16所述的系统，其中所述位置传感器包括组合在所述控制器内的模拟位置传感器，所述模拟位置传感器从发送给所述电动机的电动机位置控制信号中获得所述井口阀的位置，还包括冗余位置传感器，以向所述控制器提供反馈来检验所述模拟位置传感器的精度。

18、如权利要求16所述的系统，还包括在电通信控制器中由所述本地电源供电的无线收发器，其中所述控制器可以进行远程控制来无线地调节所述井口阀的位置，并且可以无线地指示操作参数。

19、如权利要求1所述的系统，其中所述井口阀包括阀壳体和可滑动地安装在所述阀壳体内进行直线往复运动的阀件，所述阀件结合到齿条，所述齿轮减速链包括位于所述电动机旋转轴上的输入小齿轮、与所述齿条啮合来驱动所述齿条的输出小齿轮、以及位于输入小齿轮和输出小齿轮之间的多个齿轮，其中从所述输入小齿轮到所述输出小齿轮降低速度和增加扭矩。

20、如权利要求1所述的系统，还包括被布置成向阀移动提供阻力的动态制动器，以及由所述本地电源供电的控制器，所述控制器在致动模式下给所述电动机供电，产生足够的力来克服由所述动态制动器提供的阻力以设定所述阀位置，所述控制器具有不向所述电动机供电的睡眠模式，其中当在睡眠模式下时，所述动态制动器至少部分通过所述齿轮减速链来作用，向反作用弹簧和/或流体力提供作用在所述井口阀上的足够的力，来防止所述井口阀移动。

21、一种电动致动阀，包括：

适合于旋转输出轴的电动机；

包括多个齿轮的齿轮减速链，所述齿轮减速链包括由所述输出轴驱动的输入齿轮和旋转输出端，当所述电动机旋转所述输出轴时，所述多个齿轮适合于放大从所述输入齿轮到旋转输出端的力；

作用在所述齿轮减速链上的手动超驰输入端；

具有接通和切断位置的制动器，所述制动器作用在所述齿轮减速链上，所述制动器在接通位置时适合于防止所述齿轮减速链向回驱动；以及

适合于控制经其流动的流体的阀，所述阀包括阀壳体和阀件，所述阀壳体限定流道，所述阀件在所述阀壳体内可在打开和关闭位置之间移动以控制流道的开度。

22、如权利要求21所述的电动致动阀，还包括布置成将阀推到打开和关闭位置之一的弹簧，所述制动器在接通位置时提供足够的阻力来保持所述阀的当前位置以抵消弹簧的作用，其中所述电动机具有足够的旋转输出力来克服所述制动器在接通位置时的阻力以便移动所述阀。

23、如权利要求22所述的电动致动阀，其中所述弹簧的偏置力是手动可逆的，其中根据所述电动机的掉电，所述电动致动阀具有三种不同的可配置操作模式，包括故障打开模式、故障关闭模式和故障固定模式，在故障打开模式中，所述弹簧布置成在掉电时将所述阀推向打开位置，而所述制动器位于切断位置；在故障关闭模式中，所述弹簧布置成在掉电时将所述阀推向关闭位置，而所述制动器位于切断位置；在故障固定模式中，所述制动器位于接通位置，并且保持所述阀的当前位置。

24、如权利要求21所述的电动致动阀，其中所述井口阀包括阀壳体和可滑动地安装在所述阀壳体内以进行直线往复运动的阀件，所述阀件结合到齿条，所述齿轮减速链包括位于所述电动机旋转轴上的输入小齿轮、与所述齿条啮合以驱动所述齿条的输出小齿轮、以及位于输入小齿轮和输出小齿轮之间的多个中间齿轮，其中从所述输入小齿轮到所述输出小齿轮降低速度并增加扭矩。

25、如权利要求21所述的电动致动阀，还包括将所述手动超驰输入端结合到所述齿轮减速链的离合器，所述离合器配置成以预定扭矩滑动来防止所述阀的过扭矩，并且以足够的预定扭矩抓住以压制位于接通位置时的制动器。

26、如权利要求21所述的电动致动阀，其中所述制动器经由手动驱动的选择器开关在所述接通位置和切断位置之间可移动。

27、如权利要求21所述的电动致动阀，其中所述制动器直接作用在所述输出轴上，所述制动器包括与所述输出轴成为整体的转子构件。

28、如权利要求21所述的电动致动阀，还包括控制所述电动机供电的控制器，所述控制器组合有模拟位置传感器，所述模拟位置传感器从发送给所述电动机的电动机位置控制信号中获得所述阀位置，还包括与所述阀进行传感通信的冗余位置传感器，用于向所述控制器提供反馈来检验所述模拟位置传感器的精度。

29、如权利要求28所述的电动致动阀，还包括指示所述阀的预选位置的限位开关。

30、如权利要求21所述的电动致动阀，还包括致动器外壳、弹簧套和弹簧，所述致动器外壳容纳并可旋转地支撑齿轮，所述弹簧套容纳所述弹簧，并且插在所述阀壳体和所述致动器外壳之间，所述阀件包括栓塞件和从所述栓塞件穿过所述阀壳体的阀杆，由旋转输出端通过转换装置线性地转换致动器杆，所述致动器杆穿过所述弹簧套，所述弹簧布置成直接作用在所述致动器杆上。

31、一种电动致动器，包括：

适合于旋转输出轴的电动机；

具有多个齿轮的齿轮减速链，所述齿轮减速链包括由所述输出轴驱动的输入齿轮和旋转输出端，当所述电动机旋转所述输出轴时，所述多个齿轮适合于放大从所述输入齿轮到旋转输出端的力；

作用在所述齿轮减速链上的手动超驰输入端；

具有接通位置的制动器，所述制动器在接通位置时适合于防止所述齿轮减速链向回驱动。

32、如权利要求31所述的电动致动器，其中弹簧布置成在预定方向上推动所述齿轮减速链，所述制动器在接通位置时提供足够的阻力来保持所述齿轮减速链的当前位置以抵消弹簧的作用，其中所述电动机具有足够的旋转输出力来克服所述制动器在接通位置时的阻力以便驱动所述齿轮减速链。

33、如权利要求32所述的电动致动器，其中所述弹簧的偏置力是手动可逆的，并且所述制动器具有切断位置，其中根据所述电动机的掉电，所述电动致动器具有三种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，所述弹簧布置成在掉电时在第一方向将所述齿轮减速链推向第一限度，而所述制动器位于切断位置；在第二故障偏置模式中，所述弹簧布置成在掉电时在第二方向将所述齿轮减速链推向第二限度，而所述制动器位于切断位置；在故障固定模式中，所述制动器位于接通位置，并且保持所述齿轮减速链的当前位置。

34、如权利要求31所述的电动致动器，其中所述齿轮减速链的旋转输出端整体地提供输出小齿轮，所述输出小齿轮驱动承载在致动器杆上的齿条，所述齿轮减速链包括位于所述电动机旋转输出轴上的输入小齿轮，以及位于所述输入小齿轮和输出入小齿轮之间的多个中间齿轮，其中从所述输入小齿轮到所述输出小齿轮降低速度并增加扭矩。

35、如权利要求31所述的电动致动器，还包括将所述手动超驰输入端结合到所述齿轮减速链的离合器，所述离合器配置成以预定扭矩滑动来防止所述齿轮减速链的过扭矩，并且以足够的预定扭矩抓住以压制位于接通位置时的制动器。

36、如权利要求31所述的电动致动器，其中所述制动器经由手动驱动的选择器开关在所述接通位置和切断位置之间可移动。

37、如权利要求31所述的电动致动器，其中所述制动器直接作用在所述输出轴上，所述制动器包括与所述输出轴成为整体的转子构件。

38、如权利要求31所述的电动致动器，还包括控制所述电动机供电的控制器，所述控制器组合有模拟位置传感器，所述模拟位置传感器从发送给所述电动机的电动机位置控制信号中获得所述阀位置，还包括与所述阀进行传感通信的冗余位置传感器，用于向所述控制器提供反馈来检验所述模拟位置传感器的精度。

39、如权利要求38所述的电动致动器，还包括指示所述阀的预选位置的限位开关。

40、如权利要求31所述的电动致动器，还包括致动器外壳、弹簧套和弹簧，所述致动器外壳容纳并可旋转地支撑齿轮，所述弹簧套容纳所述弹簧，并且被安装至所述致动器外壳，所述阀杆由旋转输出端通过转换装置线性地转换，所述致动器杆穿过所述弹簧套，所述弹簧布置成直接作用在所述致动器杆上。

41、如权利要求31所述的电动致动器，其中所述制动器至少部分通过所述减速链作用在所述旋转输出端上。

42、如权利要求21所述的电动致动阀，其中所述制动器至少部分地通过所述减速链作用在所述旋转输出端上。

43、如权利要求21所述的电动致动阀，其中所述阀是井口阀，适合于安装到收集管来调节井中过程流体的流量，其中所述电动机适合于由靠近井的本地电源通过控制器进行供电，所述本地电动机只利用所述本地电源通过所述齿轮减速链进行的力放大来提供足够的致动力，以便驱动所述阀而不管作用在所述井口阀上的弹簧力和/或流体力。

44、一种使用本地电源控制井口阀位置以控制井中过程气体流量的方法，包括：

用电致动力来电动致动所述井口阀以调节过程气体的流量而无需释放过程气体；

使用所述本地电源给所述电动致动提供动力；以及

放大所述电致动力，从而降低电动致动的速度，所述放大是足够的以便只使用所述本地电源就能实现所述电动致动。

45、如权利要求44所述的方法，还包括用偏置力将所述井口阀偏置到打开位置和关闭位置之一，被放大的所述电致动力大于所述偏置力。

46、如权利要求45所述的方法，还包括将制动力施加到所述井口阀和放大所述制动力，被放大的所述制动力大于所述偏置力以保持所述井口阀的当前位置，但小于被放大的电致动力。

47、如权利要求45所述的方法，还包括在电动致动丧失时将所述阀手动定位在选择位置内，并且用足够的力将所述阀有选择地保持在选择位置内以消除所述偏置力。

48、如权利要求44所述的方法，还包括：

检测穿过所述收集管的流速；

接收用于流经所述收集管的流体的要求流速；以及

控制所述井口阀的位置来使要求流速与检测流速匹配。

49、如权利要求48所述的方法，还包括检测所述井口阀的位置，所述控制响应于所述位置检测以把所述阀移到设定点。

50、如权利要求44所述的方法，还包括用靠近井口阀的太阳能电池板和电池来生成和存储本地电源。

51、一种改进井口阀以减少井中过程气体散发的方法，包括：

拆除利用和排放过程气体以定位井口阀的气动致动装置，所述气动致动装置使用本地电源进行电控制；

用具有电动机和齿轮减速链的电动致动器机构来代替所述气动致动装置，所述电动致动器机构通过所述齿轮减速链来驱动所述井口阀，而无需释放用于致动力的过程气体；以及

用所述本地电源给所述电动机供电，所述齿轮减速链具有足够大的减速比，以便所述本地电源足够所述电动机通过所述齿轮减速链来驱动所述井口阀，而不管施加在所述井口阀上的过程流体压力和/或弹簧力。

52、如权利要求51所述的方法，还包括用新的井口阀替换所述井口阀。

53、如权利要求51所述的方法，还包括使用制动器和弹簧按照三种故障偏置模式之一有选择地配置所述电动致动器，包括故障偏置打开模式、故障偏置关闭模式和故障固定位置，在故障偏置打开模式中，所述弹簧布置成在掉电时将所述阀推向打开位置，而所述制动器位于切断位置；在故障偏置关闭模式中，所述弹簧布置成在掉电时将所述阀推向关闭位置，而所述制动器位于切断位置；在故障固定位置中，所述制动器在掉电时位于接通位置并且保持所述阀的当前位置来抵消弹簧和/或流体力。

54、如权利要求51所述的方法，还包括配置与所述齿轮减速链连接的手动超驰输入端。

55、如权利要求51所述的方法，还包括利用所述本地电源而无需补充所述本地电源。

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