走近國家技術發明獎一等獎項目

看清地下8公里深處的礦藏

——走近國家技術發明獎一等獎項目“大深度高精度廣域電磁勘探技術與裝備”

20190110_000湖南中科電氣股份有限公司車間,工人在組裝冶金特種大功率電源柜。(資料圖片) 湖南日報記者 徐典波 攝
20190110_001中南大學何繼善院士團隊成果“廣域電磁法”在大慶油田開展勘探試驗。(資料圖片) 通訊員 攝

編者按

在1月8日舉行的2018年度國家科技獎勵大會上,湖南省取得了近年來的最好成績。中南大學何繼善院士主持的“大深度高精度廣域電磁勘探技術與裝備”項目獲得國家技術發明獎一等獎,湖南大學電能變換與控制創新團隊、中南大學軌道交通空氣動力與碰撞安全技術創新團隊雙雙獲得國家科技進步獎一等獎(創新團隊)。這些項目和團隊為國家解決了哪些重大戰略問題?為我們的生活帶來哪些改變?湖南日報記者為讀者送上詳盡報道。

湖南日報記者 胡宇芬 左丹

通訊員 李帝銓

地底下蘊藏著豐富的礦產資源。隨著淺部的礦產資源日漸枯竭,誰能看得越深越清,找到寶藏的機會就越大。國家“深地”戰略提出,向地球深部進軍。

人工源頻率域電磁法地下8公里的探測世界紀錄,就在中國創造的勘探技術與裝備指引下誕生。這是一次從跟跑到超越的逆襲!

風行世界的“可控源音頻大地電磁法”,由于理論先天不足、儀器設計思想和野外施工方法粗放,探測深度難以超過1.5公里,且分辨率不高,無法擔當“深地”探測重任。

對此,中南大學何繼善院士發起了挑戰。在他的帶領下,經過10多年艱苦努力,一種叫“廣域電磁法”的理論橫空出世,并研發了具有完全自主知識產權的大深度高精度探測技術與裝備,探測深度和信號強度分別是“可控源音頻大地電磁法”的5倍和125倍,最大探測深度超過8公里。在中國大地應用后,至今已提交頁巖氣、常規油氣、生物氣、煤炭等礦產資源,潛在經濟價值超過15000億元。

1. 面對顛覆傳統的高難研究,

團隊內部曾經“軍心動搖”

發射電磁波看清地球內部,有如給地球做CT, 既要有理論支撐,還要在理論指導下設計出儀器。

100年前,美國工程師Harry·W· Conklin(哈里·康克琳)提出了電磁感應法并獲得專利。但因電磁波向地下傳播方程的求解極其復雜,100年來,國際上都不得不采用定性、半定量解釋,或者是用近似公式作定量解釋。這種處理方法,使得勘測深度小、精度低,且抗干擾能力不強。

能不能將這個極其復雜的地下電磁波方程精確求解?1996年,何繼善大膽設想。這是別的科學家不愿碰的難題。

何繼善團隊成員告訴記者,在這一過程中,部分團隊成員因受不了枯燥的、大量的試驗工作,也因無經費支持,感覺看不到希望,中途將何繼善“炒”了……

這一變故,并沒有動搖何繼善的決心。

板凳一坐十年冷。2005年,何繼善正式提出精確求解地下電磁波方程的“廣域電磁法”。

這是一個領先世界的“中國創造”。理論從來都需要實踐的檢驗。接著,何繼善院士帶領團隊又開始了科研跋涉:用這一理論研制儀器。

“開始沒有經費,何繼善院士就自掏了20萬元啟動。”中南大學溫佩琳教授說。

2007年寒冬,內蒙古室外溫度低至零下20攝氏度。在這里的一塊大慶油田區塊上,課題組開展了“廣域電磁法”勘探油氣初步試驗。因為團隊部分成員對“廣域電磁法”理解不深入,對其前景不看好,有些“軍心動搖”。

73歲的何繼善院士,不顧嚴寒從長沙趕到試驗現場指導。最終,團隊做了30多公里的試驗測線,大獲成功!

“廣域電磁法”將人工源頻率域電磁法探測的深度延伸到了地下8公里,且具有較強的抗干擾能力,實現了真正的三維電磁法勘探。

以此為支撐的大深度高精度探測技術與裝備,在中石油、中石化、中國地調局、華電、神華等50多家單位成功應用,經濟和社會效益顯著,共提交頁巖氣資源量3401.22億立方米、地質儲量1240億立方米、常規油氣地質儲量1.86億噸、生物氣可采資源量80億立方米,釋放了2000多萬噸煤炭。

2.?三大發明點,成就人工源頻率域電磁法的“領跑者”

“可控源音頻大地電磁法”和此次的獲獎成果都屬于人工源頻率域電磁法的范疇。后者是如何趕超前者成為“領跑者”的呢?

項目組介紹,此次獲獎項目最核心的發明點有3個,即可在不限于“遠區”的“廣大區域”測量的“廣域電磁法”、大深度高精度廣域電磁探測系統、采用“反演”方法解出噪聲實現信號-噪聲高度分離。

視電阻率是用來反映巖石和礦石導電性變化的參數,也是決定勘探效果的重要指標。“可控源音頻大地電磁法”40多年沿襲“大地電磁法”視電阻率計算公式,這個公式恰恰只考慮部分參數,求得的是近似值,也就大大影響勘探效果。

項目組則不然。他們在國際上首次嚴格從電磁波方程出發,率先將所有參數考慮在內,定義了在任意位置都是正確的廣域視電阻率參數,發明了可在不限于“遠區”的“廣大區域”測量的“廣域電磁法”,顛覆了頻率域電磁法只能在“遠區”測量的思路。

當人們向地下發射電磁波,不僅會收到巖石和礦石富有個性的回復,也會收到討厭的噪聲干擾,信噪比高低影響著分辨率。傳統的做法是盡可能去掉噪聲,但效果很難如意。

項目組另辟蹊徑,像數學反算一樣,采用“反演”方法解出噪聲。于是,信號和噪聲各走各道,并極大提高了頻率數據密度,數據量可達到“可控源音頻大地電磁法”的8倍以上。

“這是因為在人工源頻率域電磁法中,既然超過99%的噪聲參數是已知的,那只需將未知的小于1%的噪聲未知數解出就行。”項目組講解創新思路。

目前,“廣域電磁法”已經成為“深地”戰略的關鍵支撐技術。那么,是否可應用于“海洋強國”戰略?是否還可以在城市物探中發揮信號強度大、抗干擾能力強的技術優勢,實現城市地質調查高效高分辨率的勘探?項目組透露,正在進行高效頻譜拖曳式海洋廣域電磁法探測技術與裝備的攻關,也正在開展測量磁場的低空無人機廣域電磁法探測技術與裝備的攻關。

電能變換為我用

——走近湖南大學電能變換與控制創新團隊

湖南日報記者 胡宇芬 通訊員 蔣晶麗

海底石油輸送所需的無縫鋼管、特高壓變壓器所需的超薄硅鋼片、高速列車所需的耐磨輪軌,都需要高品質特殊鋼。由于生產高品質特殊鋼的關鍵裝備——電磁攪拌裝備長期被國外壟斷,這類國家亟需的高附加值鋼材曾經大量依賴進口。

在湖南大學電能變換與控制創新團隊的攻關下,板坯電磁攪拌系統在國內市場中的占有率已經高達90%。2018年,團隊研制出了3.6米寬厚板坯電磁攪拌裝備,繼續保持著世界最寬板坯電磁攪拌裝備的紀錄。

電能變換與控制,簡言之就是為了滿足不同的生產與生活需求,將電能高效、高質地變換為不同形式的其他能量,并對變換過程進行精確、穩定、可靠控制的先進技術。20多年來,這支團隊做了哪些了不得的事情?團隊領頭人羅安院士概括為四件大事,除了研發出用于高品質特種鋼的電磁冶金裝備,還有用于超薄銅箔的電解電源裝備、海島大功率特種電源裝備和電能質量補償裝備等。“都是通過電能變換的創新,實現電能的高效、高質利用,提高產品品質并節能,滿足國家重大戰略與國防建設需求。”

聯合攻關滿足行業重大技術需求

大功率電能變換與控制是工業及國防領域中電能高效、高質、高精度轉換的核心技術。在很長一段時間里,我國相關核心裝備缺失,嚴重制約著我國高端制造與國防建設。

為了滿足我國電能變換與控制領域的重大需求,在羅安院士的牽頭下,組建了湖南大學電能變換與控制創新團隊,開始聯合攻關。

2003年團隊創建了教育部輸變電新技術工程研究中心,2008年入選教育部長江學者創新團隊。以此為基礎,團隊不斷凝聚人才開展科技攻關,先后培養出中國工程院院士、國家杰青、國家優青等多名優秀人才。依托團隊建立的國家電能變換與控制技術研究中心,擁有10個產業化基地,核心技術輻射全國。

目前,團隊獲授權發明專利187項,發表SCI/EI收錄論文500余篇。“可以說,團隊在電能變換與控制領域已處于世界先進水平,并引領了國際電磁冶金技術的發展。下一步將在電聲變換、電熱變換及能源物聯網等電能變換領域進一步攻關,并把核心技術與裝備運用到水下通信傳輸、海底地形地貌探測、新型材料制備等方面。”羅安院士高興地提到,年輕一代已成為團隊的主力軍。

研發電磁冶金利器,助力高品質特殊鋼走出國門

在興澄鋼鐵,直徑0。15mm簾線鋼,拉絲1000公里不斷絲。如此高品質的特殊鋼,是團隊聯合湖南中科電氣研制的國產電磁攪拌和電磁加熱系統生產的。

這是讓特殊鋼中國制造驕傲的一天!

長期以來,我國鋼產量雖居世界第一,但高品質特殊鋼大量依賴進口。面對高密度磁場電磁攪拌的國際難題,羅安帶領團隊打響了新一輪的“攻堅戰”。他們發明了一種高密度電磁能量快速變換技術與方法,2007年在武漢鋼鐵集團公司首創了我國1.7米寬厚板坯高密度磁場電磁攪拌裝備,該裝備與先前國外領先的電磁冶金裝備相比,電磁攪拌力增加到2.2倍,能效比也提高到2.4倍。此后,團隊在2013年研制出世界首套2.8米寬厚板坯高密度磁場電磁攪拌系統,2018年又將最寬板坯電磁攪拌裝備的紀錄提高到3.6米。

此外,團隊研制出世界首套30噸雙通道電磁加熱裝備,1500攝氏度鋼水控溫精度由±5攝氏度提高到±3攝氏度。實現了連鑄工程師“低過熱度恒溫澆鑄”的夢想。

據統計,團隊電磁冶金成果已應用于國家重大工程及武鋼、寶鋼等國內外160多家鋼鐵企業。其中,中間包電磁加熱系統獨占國內市場。華菱鋼管、天津鋼管等企業生產的高品質無縫鋼管,還出口到美國、歐盟等發達國家和地區。

高精度大電流電解技術,實現超薄銅箔生產的中國夢

薄薄的電解銅箔,被稱為電子產品信號與電力傳輸、溝通的“神經網絡”。生產高效高質的超薄銅箔,需要高精度的大電流電解電源,這也是一個國際難題。

團隊在反復思考、探索實驗后,發現了癥結所在,并反推發明了一種高精度電解新技術巧解難題。由此誕生的我國首臺高精度50kA大電流銅箔電解電源,將銅箔成品率大幅提高了15%,與國際領先產品相比,電流紋波由2%下降到0.5%,電源效率提高12%。僅節能一項,每噸銅箔電解可節電1320千瓦時。

目前,銅箔電解電源在國內外100多條銅箔生產線成功應用。在安徽銅冠公司,電解電源裝備生產出的18μm超薄銅箔,其晶體顆粒不僅分布均勻,還極其抗拉,強度是國家標準的1。96倍,已應用于4G基站、智能手機、汽車電子等線路板中。在合肥銅軒公司,電源裝備生產的9μm超薄銅箔也取得新突破,其粗糙度降低到0。25μm,達到國家標準的1。52倍,電耗降低了12%,并已應用于超模電路、探月工程等線路板中。

為高速列車造安防

——走近中南大學軌道交通空氣動力與碰撞安全技術創新團隊

湖南日報記者 胡宇芬 通訊員 王建湘

快速舒適又安全的中國高鐵,到2018年底營業里程超過2.9萬公里,遙遙領先世界。

為了一列列高速列車安全馳騁在祖國大地,在田紅旗院士的帶領下,中南大學軌道交通空氣動力與碰撞安全技術創新團隊立下了汗馬功勞。

這是一支歷經20多年發展的團隊,目標始終如一。為對接國家發展高速鐵路重大需求,解決空氣動力制約高鐵發展、大風危及行車安全、列車碰撞安全等難題,1994年成立高速列車研究中心團隊在國內率先開展研究,成為我國該領域的技術發源地和研究基地。

至今,團隊研究成果已全部應用于全國各鐵路設計院所、所有高速列車制造廠、全部鐵路運營公司,為我國既有鐵路6次大提速、高速、青藏、城軌等重大鐵路工程建設和發展作出了重要貢獻。

慧眼識別空氣動力變化,提前應對降耗保平安

發展高速軌道交通,空氣動力學是繞不開的基礎學科。高速列車在行駛時,空氣阻力占總阻力的85%以上。減少阻力才能降低能耗,而且軌道交通特有的高速交會、高速穿越隧道、列車風等誘發的空氣動力效應嚴重危及行車安全。可以說,高速列車行駛的每時每刻,列車及周圍看不見的空氣動力都在變化中,需要設計者慧眼識變,提前應對。

團隊創建了高速列車氣動外形結構設計理論與方法,從我國第一列已運營高速列車外形結構設計開始,至今完成了已投入運營的39種流線型列車外形設計、試驗及體系化評估。建成的國際領先的500km/h列車氣動性能動模試驗系統,接納了我國所有高速列車動模型試驗。

除了氣動阻力,隧道也是高速列車的一道坎。當高速列車進入隧道時,前方的空氣會受到擠壓,這種擠壓狀態能夠以聲速傳播到隧道出口,然后驟然膨脹釋放出強烈的氣壓爆波,產生瞬間的沖擊壓力,影響乘客舒適性。同時,這種氣壓爆波對隧道周圍的設施和建筑物等都會有影響,會產生一個很大的爆破聲。

通過研究實驗,團隊創立了高速鐵路隧道空氣動力學安全理論及技術,解決了不同外形列車、各型隧道瞬態沖擊壓力抑制技術難題,完成包括京滬、京廣在內的各種典型高鐵隧道氣動優化,使氣壓爆波減小50%、瞬變壓力降低10%~35%,實現高速列車350km/h不減速穿越長大隧道。

不期而至的大風,還可能掀翻列車特別是高速列車。團隊創建大風環境下行車安全保障系統,解決了大風環境下列車是否停輪、限速或正常運行科學決策難題。

建成世界唯一的軌道車輛實車撞擊測力全研究鏈試驗系統

列車碰撞常常帶來嚴重后果。由于碰撞是一個巨復雜強非線性過程,試驗是開展耐撞性研究的必備手段。

團隊發明了耐沖擊吸能安全列車設計、試驗及評估技術,研建國際唯一的實際運營軌道車輛撞擊測力全研究鏈試驗系統,獲得CNAS認可資質和國際權威機構認可。

據介紹,在這個試驗系統的支撐下,團隊制訂了填補我國空白的列車耐撞性設計與試驗標準。到目前,完成了我國和出口城軌列車、“復興號”等高速列車吸能設計研究,支撐我國地鐵列車制造企業在有德、法、日等發達國家參與的國際競爭中成功中標。

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