深部巖層原位保真取心主動(dòng)保溫系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

余 波，趙 武，陳 領(lǐng)，高明忠，何志強(qiáng)，萬(wàn) 浩

（1.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都610065）

鉆探取樣技術(shù)在各大工程領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，如地質(zhì)勘查、環(huán)境檢測(cè)等都離不開(kāi)取樣技術(shù)［1］。隨著鉆探取樣技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)樣品質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。樣品在原始位置處的真實(shí)物化狀態(tài)對(duì)于形成相應(yīng)深部開(kāi)采理論的意義重大，因此如何實(shí)現(xiàn)深部巖層原位高保真取心成為了亟須攻克的難題［2-3］。針對(duì)深部巖層原位賦存環(huán)境的高溫、高壓和高地應(yīng)力特征，很多學(xué)者起初僅對(duì)溫度、壓力的保真進(jìn)行單獨(dú)研究，而后開(kāi)始考慮溫度和壓力（或孔隙壓力）的耦合關(guān)系，但仍屬于獨(dú)立的溫壓耦合控制模塊，即將主動(dòng)保溫系統(tǒng)放入壓力模擬艙中，對(duì)不同壓力下主動(dòng)保溫系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。但是，地應(yīng)力在鉆探過(guò)程中會(huì)引發(fā)強(qiáng)擾動(dòng)和應(yīng)力釋放，屬于很難考量的因素，目前仍無(wú)法突破。

地底深部極端的高溫高壓環(huán)境以及在取心過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)械擾動(dòng)、空間局促和供能不足等難題，使得在鉆井孔底難以實(shí)現(xiàn)保溫系統(tǒng)的穩(wěn)定控制以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，從而導(dǎo)致關(guān)于深部巖層原位保真取心主動(dòng)保溫技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展緩慢。目前，國(guó)內(nèi)外僅有少數(shù)取心器含保溫結(jié)構(gòu)，且均用于可燃冰開(kāi)采。例如：日本石油公司設(shè)計(jì)的兼具保壓和冷卻功能的保溫保壓取心器（pressure temperature core sampler，PTCS）［4］；國(guó)際深海鉆探計(jì)劃（Deep Sea Drilling Program，DSDP）中使用的有保壓功能但無(wú)保溫功能的保壓取心器（pressure core sampler，PCS）［5］；大洋鉆探計(jì)劃（Ocean Drilling Program，ODP）中使用的不具備保壓、保溫功能的改進(jìn)式活塞取心（advanced piston core，APC）系統(tǒng)［6］；歐盟研發(fā)的海洋天然氣水合物高壓釜取心設(shè)備（hydrate autoclave coring equipment，HYACE）中采用的沖擊式取心器（fugro pressure corer，F(xiàn)PC）和旋轉(zhuǎn)式取心器（hydrate rotary corer，HRC），其具備保壓功能，但均無(wú)保溫功能［7］；廣州海洋地質(zhì)研究所研制的保壓保溫取心系統(tǒng)（pressure and temperature preservation system，PTPS）［8］，其兼具保壓和冷卻功能；國(guó)土資源部國(guó)際合作與科學(xué)技術(shù)司研制的天然氣水合物保壓取心鉆具［9］；浙江大學(xué)自主研制的具備保壓和被動(dòng)保溫功能的天然氣水合物重力活塞式保真取樣器［10］；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所研制的TKP-1型保溫保壓取樣器［11］。

上述取心器中僅少數(shù)采用了被動(dòng)保溫方式，即通過(guò)在巖心襯管和內(nèi)管之間增加隔熱涂層或保溫材料來(lái)實(shí)現(xiàn)有限的保溫效果［12］，絕大多數(shù)取心器未采取任何保溫措施。在高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓等深部巖體所賦存的復(fù)雜地質(zhì)條件下，如何實(shí)現(xiàn)小空間、低能耗工況下的深部巖層原位保真取心主動(dòng)保溫是一個(gè)亟待解決的難題。

針對(duì)目前保溫取心技術(shù)的難點(diǎn)和局限，為實(shí)現(xiàn)高精度的溫度保真，提出了深部巖層原位保真取心主動(dòng)保溫系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案：先利用功能-行為-結(jié)構(gòu)（function-behavior-structure，F(xiàn)BS）模型分析確定主動(dòng)保溫系統(tǒng)的功能需求，再利用TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，發(fā)明問(wèn)題解決理論）中的物-場(chǎng)分析方法和沖突矩陣解決主動(dòng)保溫系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案中存在的技術(shù)沖突。

1 取心器保溫功能問(wèn)題描述

目前已有少數(shù)幾種深海沉積物取心器采用了保溫措施，如：PTCS采用了基于帕爾貼效應(yīng)的熱電冷卻方式來(lái)進(jìn)行主動(dòng)保溫，以維持井下的低溫環(huán)境［12］；PTPS采用了被動(dòng)保溫措施。PTCS和PTPS的主、被動(dòng)保溫結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

但是，PTCS和PTPS都只適用于深海沉積物取樣，而且取心深度較淺，通常只需要考慮低溫環(huán)境的保真，其應(yīng)用局限性很大。而對(duì)于深部陸上硬巖層取心，要兼顧低溫環(huán)境和高溫環(huán)境下的溫度保真。

基于此，綜合考慮深部環(huán)境下高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓等巖體所賦存的復(fù)雜地質(zhì)條件帶來(lái)的空間小、能耗低等嚴(yán)苛條件，基于FBS模型和TRIZ，提出了一套深部巖層原位保真取心主動(dòng)保溫系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)從低溫到高溫的溫度保真。

2 基于TRIZ的主動(dòng)保溫系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

TRIZ由里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller）于1964年提出［13-14］。該理論由39個(gè)工程參數(shù)及沖突矩陣、40個(gè)發(fā)明原理、四大分離原理和物理矛盾等構(gòu)成，認(rèn)為創(chuàng)新發(fā)明的本質(zhì)是解決矛盾的過(guò)程［15-16］。

圖1 PTCS和PTPS的主被動(dòng)保溫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of active and passive insulation structure of PTCS and PTPS

本文的深部巖層原位保真取心主動(dòng)保溫系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖2所示，具體步驟為：先分析主動(dòng)保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，利用FBS模型確定設(shè)計(jì)需求，得到系統(tǒng)的初步功能需求分解圖和總體結(jié)構(gòu)，并對(duì)得到的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估；若初步設(shè)計(jì)方案無(wú)效，再利用TRIZ中的物-場(chǎng)分析方法和沖突矩陣對(duì)主動(dòng)保溫系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案中的技術(shù)沖突進(jìn)行求解和優(yōu)化，得到新的功能需求分解圖和總體結(jié)構(gòu)，并再次進(jìn)行評(píng)估［17］。

3 主動(dòng)保溫系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 功能需求描述

在深部極端環(huán)境下的采樣作業(yè)往往面臨在常規(guī)條件下無(wú)法想象的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)正常取心且達(dá)到取心的深度要求，需給取心器添加主動(dòng)保溫系統(tǒng)。此時(shí)所面臨的主要難題有：

1）深部環(huán)境作業(yè)空間狹小，所能利用的空間通常由鉆機(jī)尺寸決定。

2）鉆機(jī)和保溫系統(tǒng)均遠(yuǎn)離地表，難以使用傳統(tǒng)的地表電纜供電，從而導(dǎo)致能量供給不足。

為保證主動(dòng)保溫系統(tǒng)可以正常工作，需要解決以下問(wèn)題：

1）在小空間、低供能條件下如何實(shí)現(xiàn)在主動(dòng)保溫的同時(shí)保證溫度的穩(wěn)定性，即能及時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和冷卻。

2）在高壓力環(huán)境下如何對(duì)保溫能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3）如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)。

3.2 功能分解

用于深部環(huán)境的主動(dòng)保溫系統(tǒng)不同于常規(guī)主動(dòng)保溫系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮深部環(huán)境下的極端工況。本文主要考慮在小空間、低供能的條件下如何實(shí)現(xiàn)主動(dòng)保溫系統(tǒng)的主動(dòng)恒溫控制和快速響應(yīng)。針對(duì)為實(shí)現(xiàn)上述主動(dòng)保溫系統(tǒng)功能所需解決的問(wèn)題，利用功能定義描述方法將主動(dòng)保溫系統(tǒng)的技術(shù)需求轉(zhuǎn)換為功能需求，并按照一般工業(yè)產(chǎn)品的功能劃分標(biāo)準(zhǔn)，將主動(dòng)保溫系統(tǒng)的總功能劃分為恒溫控制、系統(tǒng)控制、能源提供、小空間下控溫和工況顯示五個(gè)部分。根據(jù)主動(dòng)保溫系統(tǒng)的功能需求，得到其FBS模型，即功能需求分解圖，如圖3所示。

3.3 技術(shù)沖突分析

系統(tǒng)功能分析是指用矩形和箭頭分別代表組件和功能關(guān)系，從系統(tǒng)的全局出發(fā)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能建模，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少資源損耗［18］。

對(duì)主動(dòng)保溫系統(tǒng)FBS模型進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)所產(chǎn)生的技術(shù)沖突有：

1）深部環(huán)境空間狹小，無(wú)法使用加熱或制冷設(shè)備直接地對(duì)取心器進(jìn)行保溫；

2）深部環(huán)境下傳統(tǒng)電纜供能方式無(wú)法滿(mǎn)足空間使用要求，且過(guò)長(zhǎng)的距離將導(dǎo)致電纜質(zhì)量過(guò)大和能量損耗大等一系列問(wèn)題。

3.4 技術(shù)沖突解決

TRIZ中用于解決技術(shù)沖突的方法有2種：發(fā)明原理和分離原理。在解決主動(dòng)保溫系統(tǒng)中的技術(shù)沖突時(shí)，通過(guò)功能分析和因果分析找出技術(shù)沖突產(chǎn)生的原因，并使用TRIZ解決主動(dòng)保溫系統(tǒng)中的技術(shù)沖突，從而實(shí)現(xiàn)在深部環(huán)境各種極端條件下對(duì)取心器的主動(dòng)保溫。針對(duì)在深部環(huán)境作業(yè)時(shí)工作空間有限，無(wú)法直接對(duì)取心器進(jìn)行主動(dòng)保溫這一技術(shù)沖突，通過(guò)物-場(chǎng)分析方法尋找解決方案。

主動(dòng)保溫系統(tǒng)的物-場(chǎng)模型如圖4所示，表示為主動(dòng)保溫系統(tǒng)對(duì)取心器的保溫作用，該作用為有效作用，但使用傳統(tǒng)加熱和制冷設(shè)備會(huì)極大地增大作業(yè)空間，使得其在深部小空間作業(yè)條件下成為有害的相互作用。主動(dòng)保溫系統(tǒng)物-場(chǎng)模型中三元件都存在，為有害完整模型。

圖2 主動(dòng)保溫系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程Fig.2 Innovative design process for active insulation system

TRIZ將通過(guò)物-場(chǎng)分析方法描述的問(wèn)題定義為標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，采用76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解來(lái)進(jìn)行求解，其中消除有害作用的方法屬于5種標(biāo)準(zhǔn)解類(lèi)型中第一類(lèi)級(jí)別的第二子級(jí)，即破壞物-場(chǎng)模型，其標(biāo)準(zhǔn)解法有以下5種：

1）在當(dāng)前設(shè)計(jì)中既存在有利作用又存在有害作用，且不存在使2種物質(zhì)直接接觸的限制條件時(shí)，可以在2種物質(zhì)間引入第3種物質(zhì)來(lái)轉(zhuǎn)移技術(shù)沖突，以消除有害作用。

2）在當(dāng)前設(shè)計(jì)中既存有利作用又存在有害作用，且不允許引入新物質(zhì)時(shí)，可以通過(guò)改進(jìn)2種物質(zhì)來(lái)消除有害作用。

3）排除有害作用。

4）通過(guò)引入其他功能來(lái)抵消有害作用。

5）切斷磁影響。

圖4 主動(dòng)保溫系統(tǒng)的物-場(chǎng)模型Fig.4 Substance-field model of active insulation system

根據(jù)前文分析，采用第1種標(biāo)準(zhǔn)解法，即引入第3種物質(zhì)來(lái)消除有害作用：在主動(dòng)保溫系統(tǒng)和取心器之間引入液態(tài)水作為熱量傳遞的循環(huán)介質(zhì)，通過(guò)加熱或冷卻液態(tài)水來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)保溫系統(tǒng)的熱量傳遞和溫度控制，從而避免直接將主動(dòng)保溫系統(tǒng)安裝在取心器外面，這樣即保證了主動(dòng)保溫系統(tǒng)的控溫作用，又克服了深部作業(yè)工作空間狹小的限制。改進(jìn)后主動(dòng)保溫系統(tǒng)的物-場(chǎng)模型如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后主動(dòng)保溫系統(tǒng)的物-場(chǎng)模型Fig.5 Substance-field model of improved active insulation system

TRIZ中通用的工程技術(shù)參數(shù)可由沖突矩陣轉(zhuǎn)換而來(lái)，沖突矩陣作為解決技術(shù)沖突的有效工具，可提供有用的發(fā)明原理［18］。

為保證主動(dòng)保溫系統(tǒng)在深部環(huán)境狹小空間中正常工作，應(yīng)盡量減少加熱和制冷設(shè)備、電源以及控制單元的空間占用量。但由于鉆取深度太深，主動(dòng)保溫系統(tǒng)的供能需求相較于淺層取心作業(yè)大大增加，在這種情況下，如果繼續(xù)使用電纜，則將引起電能損耗嚴(yán)重、電纜線質(zhì)量過(guò)大、產(chǎn)生擾動(dòng)等一系列嚴(yán)重問(wèn)題，從而導(dǎo)致無(wú)法正常鉆探和取心。

對(duì)應(yīng)于39個(gè)工程參數(shù)，主動(dòng)保溫系統(tǒng)因采用傳統(tǒng)地面電纜供能方式而導(dǎo)致長(zhǎng)距離供能不足和能量損耗大所對(duì)應(yīng)的參數(shù)是No.3運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度；而受主動(dòng)保溫系統(tǒng)需在深部小空間中作業(yè)影響的參數(shù)分別是No.21功率和No.32可制造性。當(dāng)限制主動(dòng)保溫系統(tǒng)的供能方式和工作空間時(shí)，其功率和可制造性必定惡化。針對(duì)上述技術(shù)沖突，可使用沖突矩陣找到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理。主動(dòng)保溫系統(tǒng)的技術(shù)沖突參數(shù)和對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理如表1所示。

表1 主動(dòng)保溫系統(tǒng)的技術(shù)沖突參數(shù)和對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理Table 1 Technical conflict parameters of active insulation system and corresponding invention principle

對(duì)于由作業(yè)空間狹小引起的主動(dòng)保溫系統(tǒng)功率惡化這一技術(shù)沖突，可通過(guò)發(fā)明原理1（分割原理）或發(fā)明原理35（物理或化學(xué)參數(shù)改變）來(lái)解決。

發(fā)明原理1：分割原理。

1）將物體分割成相互獨(dú)立的幾個(gè)部分；

2）將物體分割成容易組裝和拆卸的幾個(gè)部分；

3）提高物體的可分性。

基于發(fā)明原理1，將主動(dòng)保溫系統(tǒng)的加熱、制冷模塊以及電源模塊分割成獨(dú)立的幾個(gè)部分，并且采用分開(kāi)布置或者軸向布置的方式，以最大程度地利用井底有限的空間，保證其正常運(yùn)行。本文不考慮使用化學(xué)方法來(lái)控制溫度，比如相變制熱等，因此不涉及物體物化狀態(tài)的改變，不考慮發(fā)明原理35。

對(duì)于主動(dòng)保溫系統(tǒng)長(zhǎng)距離布置電纜引起的可制造性惡化這一技術(shù)沖突，可通過(guò)發(fā)明原理17（空間維數(shù)變化）和發(fā)明原理29（氣壓與液壓結(jié)構(gòu)）來(lái)解決。

發(fā)明原理17：空間維數(shù)變化。

1）將一維線性運(yùn)動(dòng)變?yōu)槎S平面運(yùn)動(dòng)或三維空間運(yùn)動(dòng)；

2）單層排列變?yōu)槎鄬优帕校?/p>

3）將物體傾斜或側(cè)向放置；

4）利用給定表面的反面。

基于發(fā)明原理17，將電纜從地表布置至鉆井孔底的長(zhǎng)距離作業(yè)方式看成近似的一維空間作業(yè)方式，同時(shí)結(jié)合發(fā)明原理1，使用獨(dú)立的大功率移動(dòng)電源，使電源可以隨主動(dòng)保溫系統(tǒng)一起在鉆井孔底作業(yè)，縮小軸向作業(yè)空間，以解決傳統(tǒng)電纜供能方式帶來(lái)的能量損失和擾動(dòng)等一系列問(wèn)題。由于氣動(dòng)和液壓結(jié)構(gòu)對(duì)操作空間的要求較高，不考慮發(fā)明原理29。

綜上，為改善井下長(zhǎng)距離供能對(duì)主動(dòng)保溫系統(tǒng)功率和可制造性的影響，基于發(fā)明原理1和發(fā)明原理17，將原來(lái)從地面延伸至鉆井孔底的電纜解脫、分離出來(lái)，采用獨(dú)立的大功率移動(dòng)電源進(jìn)行供電。移動(dòng)電源隨主動(dòng)保溫系統(tǒng)一起在井下工作，與主動(dòng)保溫系統(tǒng)一直處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，避免電纜供電帶來(lái)的擾動(dòng)、纏繞等問(wèn)題。

3.5 結(jié)構(gòu)布局

針對(duì)主動(dòng)保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，使用TRIZ解決了設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)沖突：運(yùn)用物-場(chǎng)分析方法，通過(guò)引入中間傳熱介質(zhì)和采用軸向布置方式，對(duì)主動(dòng)保溫系統(tǒng)作業(yè)空間不足這一技術(shù)沖突進(jìn)行了初步解決；運(yùn)用沖突矩陣和相關(guān)發(fā)明原理，采用獨(dú)立大功率移動(dòng)電源供電方式，對(duì)井下長(zhǎng)距離供能這一技術(shù)沖突進(jìn)行了初步解決。

基于上述初步解決方案，對(duì)保真取心器的主動(dòng)保溫系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。主動(dòng)保溫系統(tǒng)主要由電源、控制芯片、循環(huán)微泵、帕爾貼制冷器、循環(huán)介質(zhì)（水）及石墨烯加熱涂層等構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 保真取心器主動(dòng)保溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of active insulation system of fidelity core sampler

4 主動(dòng)保溫系統(tǒng)可行性驗(yàn)證

利用TRIZ改進(jìn)后的主動(dòng)保溫系統(tǒng)的功能需求分解圖如圖7所示。該主動(dòng)保溫系統(tǒng)在12 V電源電壓下工作，采用PID（proportion integral differential，比例積分微分）控制芯片和溫度傳感器，利用石墨烯加熱涂層的加熱作用和帕爾貼制冷器的制冷作用，在循環(huán)微泵的熱對(duì)流條件下實(shí)現(xiàn)取心器的恒溫控制。

圖7 改進(jìn)后主動(dòng)保溫系統(tǒng)的功能需求分解圖Fig.7 Functional requirement decomposition diagram of improved active insulation system

主動(dòng)保溫系統(tǒng)通過(guò)外部熱交換器進(jìn)行冷熱水的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫試驗(yàn)容器（模擬取心器）的恒溫控制；同時(shí)通過(guò)帕爾貼制冷器和石墨烯加熱涂層對(duì)恒溫試驗(yàn)容器進(jìn)行主動(dòng)熱補(bǔ)償，保證其所需的溫度要求；PID控制芯片和溫度傳感器配合使用，以實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)溫度。改進(jìn)后主動(dòng)保溫系統(tǒng)的工作原理如圖8所示。

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)主動(dòng)保溫系統(tǒng)進(jìn)行可行性預(yù)研試驗(yàn)。在深部開(kāi)采作業(yè)中，隨深度的延伸，地溫梯度一般為30～50℃/km，千米深部巖溫超過(guò)40℃［2］。考慮到中國(guó)未來(lái)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)將全面進(jìn)入1 000～2 000 m深部巖層，該深度下巖體溫度應(yīng)取100℃，但考慮到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)操作的安全規(guī)范，保證試驗(yàn)用循環(huán)介質(zhì)（水）不發(fā)生沸騰，取試驗(yàn)溫度小于100℃。

圖8 改進(jìn)后主動(dòng)保溫系統(tǒng)的工作原理Fig.8 Working principle of improved active insulation system

在恒溫試驗(yàn)容器內(nèi)安裝PT100溫度傳感器并連接無(wú)紙記錄儀，記錄恒溫試驗(yàn)容器內(nèi)部循環(huán)介質(zhì)（水）的實(shí)時(shí)溫度，利用安裝在恒溫試驗(yàn)容器內(nèi)壁的石墨烯加熱涂層加熱循環(huán)介質(zhì)（水），當(dāng)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，無(wú)紙記錄儀發(fā)出信號(hào)以控制石墨烯加熱涂層和帕爾貼制冷器實(shí)時(shí)啟停：當(dāng)恒溫試驗(yàn)容器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，石墨烯涂加熱層開(kāi)始對(duì)循環(huán)介質(zhì)（水）進(jìn)行加熱；當(dāng)恒溫試驗(yàn)容器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，帕爾貼制冷器對(duì)循環(huán)介質(zhì)（水）進(jìn)行冷卻，被冷卻的循環(huán)介質(zhì)（水）在循環(huán)微泵的作用下在管路內(nèi)部循環(huán)，使恒溫試驗(yàn)容器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度降低。通過(guò)石墨烯加熱涂層和帕爾貼制冷器的交替工作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫試驗(yàn)容器內(nèi)循壞介質(zhì)（水）的恒溫控制。同時(shí)，在試驗(yàn)平臺(tái)上安裝增壓系統(tǒng)，以給恒溫試驗(yàn)容器提供一定的壓力，模擬主動(dòng)保溫系統(tǒng)在高壓工況下的工作情況和恒溫效果，從而探索溫度和壓力的耦合關(guān)系。基于PID溫度控制算法，無(wú)紙記錄儀可實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和儲(chǔ)存。主動(dòng)保溫系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 主動(dòng)保溫系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖Fig.9 Physical map of active insulation system test platform

4.2 可行性試驗(yàn)開(kāi)展

分別在制冷和加熱工況下測(cè)試主動(dòng)保溫系統(tǒng)的工作情況和保溫效果。

1）制冷工況。試驗(yàn)時(shí)室溫為28.2℃，循環(huán)介質(zhì)（水）的初始溫度為29.3℃，體積為580 mL；循環(huán)微泵的流量為6 L/min；設(shè)定制冷至21℃。由圖10所示的循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度—時(shí)間曲線可知，帕爾貼制冷器在0～15 min的制冷效果較為明顯，降溫速率達(dá)到0.4℃/min；經(jīng)過(guò)40 min的制冷后，在最后的15 min內(nèi)管路中循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度基本不變，維持在21℃左右。

圖10 制冷工況下循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度—時(shí)間曲線Fig.10 Temperature-time curve of circulating medium（water）under refrigeration condition

2）加熱工況。使用石墨烯加熱涂層加熱恒溫試驗(yàn)容器中的循環(huán)介質(zhì)（水），得到循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度—時(shí)間曲線，如圖11所示。調(diào)節(jié)無(wú)紙記錄儀設(shè)定需要的恒定溫度，并使石墨烯加熱涂層開(kāi)始加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后繼續(xù)測(cè)定20 min內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度變化情況，然后繼續(xù)下一設(shè)定溫度的測(cè)試。

圖11 加熱工況下循環(huán)介質(zhì)（水）的溫度—時(shí)間曲線Fig.11 Temperature-time curve of circulating medium（water）under heating condition

由圖11可知，石墨烯加熱涂層加熱升溫后，通過(guò)主動(dòng)保溫系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的恒溫控制。由于實(shí)際取心器提心時(shí)間為20 min左右，測(cè)試時(shí)在設(shè)定溫度為80，85，90℃時(shí)均恒溫20 min，結(jié)果表明恒溫精度可達(dá)2.44%。后期可通過(guò)改進(jìn)PID算法來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)定溫度周?chē)男〔▌?dòng)。

綜上可知，在制冷和加熱兩種工況下，主動(dòng)保溫系統(tǒng)均可使恒溫試驗(yàn)容器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)（水）保持恒溫，說(shuō)明該主動(dòng)保溫系統(tǒng)具有可行性，這可為后續(xù)的進(jìn)一步研究?jī)?nèi)容提供理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)深部硬巖取心的溫度保真，提出了一套可在更寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行加熱和制冷的主動(dòng)保溫系統(tǒng)。結(jié)合TRIZ和FBS模型，對(duì)深部原位環(huán)境下的主動(dòng)保溫系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)：首先，基于FBS模型，對(duì)主動(dòng)保溫系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行初步映射，形成初始的功能需求分解圖；然后，對(duì)主動(dòng)保溫系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方案中存在的技術(shù)沖突進(jìn)行因果分析和功能分析，并運(yùn)用物-場(chǎng)分析方法和技術(shù)沖突矩陣提出了2種解決方法，分別是通過(guò)引入第3種物質(zhì)和采用分割方法，初步實(shí)現(xiàn)了在深部小空間作業(yè)條件下主動(dòng)保溫系統(tǒng)的恒溫控制功能，并得到了主動(dòng)保溫系統(tǒng)的能量供給方案，形成了一套由熱管、帕爾貼制冷器以及石墨烯加熱涂層等組成的高效主動(dòng)保溫系統(tǒng)。最后，基于主動(dòng)保溫系統(tǒng)的工作原理，搭建了主動(dòng)保溫系統(tǒng)可行性預(yù)研試驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，所設(shè)計(jì)的主動(dòng)保溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同設(shè)定溫度的恒溫控制，即可實(shí)現(xiàn)不同深度下的溫度保真。但是，該主動(dòng)保溫系統(tǒng)還存在一些不足，為實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的高精度深部溫度保真模擬，還需進(jìn)一步研究其控溫精度和溫壓耦合等相關(guān)內(nèi)容，以不斷完善其功能。