[发明专利]海底混合式阀促动器系统和方法

说明书

发明的技术领域

本发明大体涉及可用于烃的海底生产的促动器控制系统。本发明具体而言涉及用于以低成本和低限制工作来实现简单且稳定的(robust)控制系统的海底阀促动器系统和方法。促动器系统与海底发电控制构架的概念是兼容的。

背景和现有技术

在以下背景论述以及本发明的公开中，将频繁地用到以下缩略语：

BL无刷

DC直流

DCV方向控制阀

EH MUX电动液压多路复用器

ESD紧急停机

I/O输入/输出

LVDT线性可变差动变压器

PM永磁体

PSD生产停机

SIL安全完整水平

SHPU海底液压动力单元

SMA形状记忆合金

XMT，Xmas tree采油树(Christmas tree)

用于烃生产的控制系统的现有技术分别包括液压控制和电控制两者。

关于大型闸阀的电促动的大部分概念都包括使用电动马达和滚轴螺杆(roller screw)或其它形式的旋转式至直线式的机械转换装置，诸如在例如在文件US 7,172,169和文件US 6,572,076中所公开的那样。诸如在文件NO 322680中公开的其它概念基于使用小型SHPU来结合电动马达的动作和液压活塞/缸布置。两种方法都具有优点，并且也具有某些限制。前一种方法往往涉及不可收回的(retrievable)构件(即例如与XMT模块结合的)的机械复杂性和大量设备以及大的尺寸。后一种方法往往涉及多年来在海底背景下展现更不期望的可靠性的多个液压构件，例如需要高的流体洁净性来用于可靠的操作的DCV导阀、释压阀及液压蓄能器。如果成充有氮气(N₂)的囊状物设计的形式，液压蓄能器倾向于随着时间的过去而泄漏，这就是它们通常承载在可容易收回的模块上的原因。在深水中，充有N₂的蓄能器也是效率低的。在装有机械弹簧的设计的形式下，蓄能器体积大并且不适于为位于例如XMT上的促动器的一部分。

本发明是基于按照以上所述的两个阵营(滚轴螺杆和液压)所追求的原理的组合，并且尤其基于仅将各个阵营的最佳构件结合起来使用，从而展现无比的稳定性和可靠性以及成本有效性。

应用于例如XMT的海底阀促动器的关键特征在于失效保护闭锁布置。这是设计成与回位弹簧共同协作的机构，回位弹簧存储使阀从生产位置转换到较安全位置(通常是从打开位置到关闭位置)所需的能量。

对于机电式操作的情况，闭锁通常也是机电式的。已经设计出了许多版本，但是很少在海底工业中执行和使用。

对于方法的局部(对于促动器来说)SHPU线路而言，失效保护特征是借助于DCV几乎不变地提供的。这种阀具有多个不合宜但必要的设计特征。传统上，DCV对ESD功能来说不是关键的，除了特征是海底生产设施偏离主平台非常远的一些装置之外。用于传统的EHMUX生产控制系统的ESD的普遍认可的形式是从主平台液压向下排放的形式，因此，安全关键的DCV位于主平台上，并且因此可接近以用于修理或更换。

在海底使用释压阀在生产控制系统中有非常短的(如果有的话)历史。工业避免在海底使用调压阀和释压阀。常用于专门控制单个促动器的小型SHPU中的所有阀基本上认为对颗粒污染敏感，并且因此是不期望的。

电促动应当限定在系统背景下，即针对生产控制系统的上游部件仅带有电(并且可能是光学)接口且不带有液压接口的促动器。图1示出了多个设计者所追求的用于使用液压构件来实现促动器的典型的现有技术的SHPU回路。该概念包括由电动马达驱动的泵、用于存储液压动力的蓄能器、通常用于净化流体的过滤器，以及用于进行方向控制的螺线管操作的DCV和缸/活塞单元。缸/活塞单元对接到阀杆上，从而提供力，以将阀带到生产位置。通常提供大型回位弹簧来存储当DCV在螺线管被消能时排出液压压力时使阀回到安全位置所需的能量。