耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀設(shè)計(jì)*

朱永康,韓連福,付長鳳,劉興斌

(1.東北石油大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 黑龍江 大慶 163318; 2.常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院 江蘇 蘇州 215500)

0 引 言

我國老油田進(jìn)入三次采油階段,采用化學(xué)驅(qū)油方式提高產(chǎn)量[1],井內(nèi)流體黏度增大并挾帶砂礫,導(dǎo)致含有可動部件的流速測量儀出現(xiàn)卡砂堵塞現(xiàn)象[2]。針對這一難題,國內(nèi)學(xué)者將基于不可動部件設(shè)計(jì)的熱示蹤流速測量儀應(yīng)用到高含水、含砂油井流速測量[3-4]。韓連福采用ANSYS對熱示蹤流速測量儀的熱源物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱敏探頭陣列位置進(jìn)行優(yōu)化,得到30 mm管徑油井中熱示蹤流速測量儀最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]。李靜茹使用COMSOL開展熱示蹤流速測量儀在不同流速、含水率工況下的數(shù)值研究,優(yōu)化水平井與垂直井內(nèi)熱示蹤流速測量儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)[6]。

上述研究提高了熱示蹤流速測量儀的測量精度,但忽略了其電路在高溫環(huán)境中的熱失效問題,當(dāng)器件結(jié)溫超過工作溫度區(qū)間,電路會因器件的損壞而失效[7]。隨著勘探技術(shù)的不斷發(fā)展,高溫油井?dāng)?shù)量和井內(nèi)溫度也在不斷遞增,對測井儀器提出更高要求。為保證儀器在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性,藍(lán)威提出了一種分布式被動熱管理系統(tǒng),其最高溫度相較于傳統(tǒng)的被動熱管理系統(tǒng)降低了68 ℃[8-9]。楊成使用翅片散熱器對電路中的金氧半場效晶體管進(jìn)行散熱,最高結(jié)溫由213 ℃降至189 ℃[10]。孟祥隆基于系統(tǒng)級封裝技術(shù),研制了耐高溫200 ℃的微弱磁共振信號檢測電路[11]。

但被動熱管理系統(tǒng)配套設(shè)備體積過大并不適用于小管徑,系統(tǒng)級封裝成本過高且未封裝的晶圓難以購得。因此,從熱示蹤流速測量儀電路熱布局出發(fā),使用遺傳算法優(yōu)化電子元器件布局來降低電路最高溫度,并對優(yōu)化后溫度仍超出工作區(qū)間的元器件,利用翅片散熱器與井下流體進(jìn)行散熱。對熱設(shè)計(jì)的電路溫度使用COMSOL軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,并搭建高溫測試平臺進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明,經(jīng)過布局優(yōu)化及散熱設(shè)計(jì)的熱示蹤流速測量儀滿足在125 ℃環(huán)境中的工作需求。

1 熱示蹤流速測量儀原理

井下熱示蹤流速測量系統(tǒng)與電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控電路對熱源發(fā)生器進(jìn)行脈沖加熱,流體流經(jīng)被加熱的熱源,產(chǎn)生熱脈沖流體。熱脈沖流體流過下游間距為L的溫度傳感器陣列,產(chǎn)生溫度突變信號,由AD620與OP07組成的差分放大電路進(jìn)行信號放大并送入主控電路,利用互相關(guān)算法求出熱脈沖流體經(jīng)過2個(gè)相鄰傳感器的渡越時(shí)間τ,進(jìn)而求出井內(nèi)流體流速:V=L/τ[12]。

圖1 熱示蹤流速測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)均采用耐高溫芯片,額定工作溫度125 ℃,最高工作溫度可達(dá)150 ℃,電容選用高溫鉭電容,電阻采用薄膜SMT電阻。設(shè)計(jì)中使用了遺傳算法進(jìn)行器件熱布局優(yōu)化,并使用翅片散熱器與井下流體進(jìn)一步降低電路溫度。

2 電路傳熱分析與器件布局優(yōu)化

2.1 電路傳熱分析

在井下測量時(shí),熱示蹤流速測量儀的PCB板位于鋁質(zhì)方管中,電路的溫升主要取決于周圍流體的傳熱以及電路板上元器件的熱耗散,傳熱過程如圖2所示。

圖2 熱示蹤流速測量儀電路與環(huán)境傳熱模型

為建立電路溫度函數(shù),將熱示蹤流速測量儀電路板按照最小器件等面積劃分為4行6列的網(wǎng)格板,每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表1個(gè)電子元器件,如圖3所示。

表1 優(yōu)化前后電路溫度數(shù)據(jù)

圖3 PCB板網(wǎng)格劃分示意圖

利用微元體熱平衡法求得電子元器件的溫度[13],圖3中位于中間節(jié)點(diǎn)(i,j)的電子元件產(chǎn)生的熱量、PCB板傳遞的熱量和空間內(nèi)的對流交換熱量之和為零:

Qi-1,j+Qi,j+1+Qi,j-1+Qi+1,j+Q(e-c)la·lb+Qe-p+Qi,j=0

(1)

式中:Qi,j是節(jié)點(diǎn)(i,j)產(chǎn)生的熱量;Qi-1,j、Qi+1,j、Qi,j-1、Qi,j+1分別是相鄰節(jié)點(diǎn)(i-1,j)、(i+1,j)、(i,j-1)、(i,j+1)導(dǎo)入到節(jié)點(diǎn)(i,j)的熱量;Qe-c是周圍流體與節(jié)點(diǎn)的對流換熱量(其右下角坐標(biāo),如Q(e-c)la·lb表示以la、lb為邊的面與空氣的對流換熱量,如圖3(b)所示);Qe-p為電路板與節(jié)點(diǎn)的傳遞熱量[14],上述熱量單位均為J。

邊界看作元器件與環(huán)境之間的對流換熱[15],如圖4所示,則位于4條邊界以及拐角處的節(jié)點(diǎn)熱量平衡方程分別為:

圖4 PCB板臨界節(jié)點(diǎn)傳熱示意圖

Qi-1,j+Qi,j-1+Qi+1,j+Q(e-c)la·lc+Q(e-c)la·lb+Qe-p+Qi,j=0

(2)

Qi-1,j+Qi,j-1+Q(e-c)la·lc+Q(e-c)lb·lc+Q(e-c)la·lb+Qe-p+Qi,j=0

(3)

2.2 遺傳算法優(yōu)化空間熱布局

在實(shí)際應(yīng)用中,遺傳算法優(yōu)化電路布局多數(shù)以降低最高溫度為單一優(yōu)化目標(biāo),最高溫度的降低并不能保證電路整體溫度的改善[16-17]。本文以降低電路板最高溫度、平均溫度和提高電路溫度均勻性為目標(biāo),建立適應(yīng)度函數(shù),使用內(nèi)部遺傳算法優(yōu)化3個(gè)適應(yīng)度函數(shù)的權(quán)重系數(shù),具體步驟如下。

1)初始化種群:使用PN∈{p1,p2,…,pn}表示外部遺傳算法的染色體,即電子元器件的不同排列布局。Wn∈{w1,w2,w3}表示內(nèi)部遺傳算法的染色體,即3個(gè)適應(yīng)度函數(shù)權(quán)重組合。隨機(jī)生成初始種群,對于每個(gè)PN染色體,內(nèi)部遺傳算法隨機(jī)生成權(quán)重為W的總體。

(4)

(5)

式中:Tk是節(jié)點(diǎn)元器件溫度,Tk∈{t(1,1),…,t(3,5)};Tmax是元器件最大工作溫度, ℃。

3)遺傳操作:內(nèi)部遺傳算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重組合,外部遺傳算法優(yōu)化電路板布局的適應(yīng)度函數(shù)。算法流程如圖5所示。

圖5 遺傳算法優(yōu)化布局流程圖

2.3 遺傳算法優(yōu)化空間熱布局

使用Matlab求解,得到最優(yōu)布局。優(yōu)化前后電路溫度數(shù)據(jù)見表1。優(yōu)化前后布局和溫度對比如圖6所示。

圖6 電路布局與溫度對比圖

由圖6可知,原始布局熱量堆積在電路中部,導(dǎo)致元器件溫升過高,布局優(yōu)化后,熱耗散較大的器件分布在電路板四周,利用周圍環(huán)境降低傳熱途中的熱阻,從而改善電路溫度分布,因此優(yōu)化后的布局更為合理。

3 耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀熱設(shè)計(jì)

3.1 翅片散熱器最優(yōu)物性研究

選用翅片散熱器對熱示蹤流速測量儀電路進(jìn)行散熱,建立單個(gè)芯片與翅片散熱器在鋁質(zhì)方管的結(jié)構(gòu)與熱阻模型,如圖7所示。

圖7 單個(gè)芯片與翅片散熱器在鋁質(zhì)方管內(nèi)模型

芯片有2種主要傳熱途徑:1)導(dǎo)熱硅脂-散熱器-空氣;2)PCB-導(dǎo)熱硅脂-鋁質(zhì)方管-空氣,這2條路徑的等效熱阻可以表示為:

(6)

式中:Rpcb、Rgel、Rwall、Rair、Rs1～Rs6分別為印刷電路板、導(dǎo)熱硅脂、管壁、空氣、翅片的傳輸熱阻,K/W。

由式(6)可知,翅片熱阻越小,散熱器散熱性能越高。為找到熱阻最小的材質(zhì),選擇銀、鋼、銅、鋁4種材料進(jìn)行數(shù)值模擬。在相同形狀參數(shù)和環(huán)境背景條件下利用COMSOL進(jìn)行仿真,建立相應(yīng)仿真模型,4種材料散熱器的單個(gè)芯片與翅片散熱器溫度仿真如圖8所示。

圖8 單個(gè)芯片與翅片散熱器溫度仿真

結(jié)果表明:4種材質(zhì)散熱器達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫度相同,但銅質(zhì)和鐵質(zhì)散熱器升溫效果要弱于銀、鋁2種材質(zhì)散熱器,瞬態(tài)散熱效果鋁、銀質(zhì)要高于銅、鐵質(zhì)。而鋁制散熱器的成本要小于銀質(zhì)散熱器,同時(shí)鋁質(zhì)翅片散熱器表面會與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)形成一層致密的氧化膜,故鋁質(zhì)散熱器在密閉環(huán)境中性質(zhì)不會發(fā)生改變,因此選擇鋁為翅片散熱器材質(zhì)。

3.2 電路熱仿真

使用COMSOL建立耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀電路熱布局優(yōu)化后的簡易仿真模型進(jìn)行熱仿真。周圍環(huán)境溫度設(shè)為125 ℃,圖9為電路溫度仿真云圖,電路穩(wěn)態(tài)最高溫度達(dá)到208.45 ℃。由于在Matlab中建立的數(shù)學(xué)模型忽略了重力以及器件尺寸等因素,所以與仿真結(jié)果不完全一致,但各器件相對偏差不超過6.15%,因此上述優(yōu)化結(jié)果仍有效。對電路加裝鋁質(zhì)翅片散熱器,保持同樣仿真條件,加裝翅片散熱器的電路最高穩(wěn)態(tài)溫度降至151.85 ℃。

圖9 空氣域中熱示蹤流速測量儀電路溫度仿真云圖

使用導(dǎo)熱硅脂將加裝翅片散熱器的PCB板粘附于鋁制管道上,利用井下流體進(jìn)行強(qiáng)迫水冷散熱,模型如圖10所示。建立電路短節(jié)(PCB板、芯片、散熱器、空氣、鋁制方管)與周圍環(huán)境(井內(nèi)流體、管道)的熱仿真模型,流體速度設(shè)為0.3 m/s,流體溫度設(shè)為125 ℃,電路最高溫度進(jìn)一步降至133.53 ℃,降幅總計(jì)高達(dá)39.91%。

圖10 流體域中熱示蹤流速測量儀電路溫度仿真云圖

3.3 仿真結(jié)果分析

整理各次仿真結(jié)果見表2,在125 ℃工況下,原始電路最高穩(wěn)態(tài)溫度為222.19 ℃。使用遺傳算法對電子元器件空間熱布局優(yōu)化后,電路最高溫度相較于原始電路降至196.09 ℃,平均溫度降至167.85 ℃,溫度均方差降至15.16。利用翅片散熱器和井下流體進(jìn)行散熱后,電路板整體最高溫度相較于布局優(yōu)化前電路降低了39.91%,表明本文針對熱示蹤流速測量儀的熱設(shè)計(jì)是有效的。

表2 電路溫度數(shù)據(jù)

4 試驗(yàn)與分析

4.1 耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀高溫試驗(yàn)

為驗(yàn)證耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀電路在高溫中的可靠性,選用蘇州斯開爾測試設(shè)備公司型號為SKY7002-40-015的高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱進(jìn)行耐高溫試驗(yàn)。其溫度控制范圍為-40～+150 ℃,溫度偏差與波動度均小于±1 ℃,能夠滿足測試要求。將熱示蹤流速測量儀固定于溫箱中,溫箱溫度調(diào)至125 ℃并恒溫保持600 min,左端口使用供電器保證熱示蹤流速測量儀正常工作,右端口連接PC端實(shí)時(shí)監(jiān)測熱示蹤流速測量儀工作狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀能夠在125 ℃工況中持續(xù)工作。

4.2 油水兩相流流速測量試驗(yàn)

利用油水兩相流流速測量系統(tǒng)進(jìn)行流速測量試驗(yàn),流速測量系統(tǒng)通過控制閥調(diào)控油水兩相流相含率和流速,流體經(jīng)過穩(wěn)流區(qū)得到穩(wěn)定流型,進(jìn)入熱示蹤測量段進(jìn)行流速測量,最后流回分離罐,形成閉環(huán)回路。試驗(yàn)用管徑為50 mm,加熱功率為350 W、流速測量范圍為0.032～0.492 m/s。

在室內(nèi)25 ℃環(huán)境中,將油水兩相流含水率固定為95%,流速每步增加0.023 m/s,從0.032 m/s提高到0.492 m/s,保持相同條件重復(fù)測量10次,測量數(shù)據(jù)取平均值。隨后將在125 ℃高溫烘箱中恒溫保持600 min的熱示蹤流速測量儀放入油水兩相流流速測量系統(tǒng)中,其余條件與步驟保持一致,測量10次取平均值。記錄數(shù)據(jù)如圖11所示,高溫試驗(yàn)前后測量的2組數(shù)據(jù)在流速為0.492 m/s時(shí)偏差最大為0.034 m/s,相對偏差僅為1.7%且最大。當(dāng)流速小于0.308 m/s時(shí),2組數(shù)據(jù)的相對偏差均小于1.1%,較大相對偏差處于流速較大情況下,這是由于熱示蹤流速測量方案在流速較大情況下誤差增大。因此,125 ℃高溫對于耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀電路測量精度基本無影響。

圖11 高溫試驗(yàn)前后儀器測量結(jié)果

5 結(jié) 論

本文對提出的耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀熱設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,并經(jīng)過耐高溫試驗(yàn)平臺和油水兩相流流速測量系統(tǒng)測試,得出以下結(jié)論。

1)對電路熱布局進(jìn)行優(yōu)化后,最高溫度改善11.75%,平均溫度改善6.60%,溫度均方差改善40.29%。

2)利用翅片散熱器和井內(nèi)流體散熱后,電路最高溫度相較于布局優(yōu)化前降低了39.91%。

3)高溫試驗(yàn)前后的兩組測量數(shù)據(jù)在流體流速為0.492 m/s時(shí)偏差最大為0.034 m/s,相對偏差僅為1.7%且最大,測量精度基本無變化。經(jīng)過布局優(yōu)化以及散熱設(shè)計(jì)的耐高溫?zé)崾聚櫫魉贉y量儀,滿足在125 ℃環(huán)境中的工作需求。