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突破极限向下1000米!

世界首例千米深井接地极科研团队攻关记

信息来源:大发彩票报  发布时间2019-04-05

  深井接地极性能验证实验前,团队进行现场勘察。 南网传媒全媒体通讯员 许建军 摄

 

  当今,层出不穷的太空科幻片,早已把人类的想象拓展到星际尽头。但我们对地底的探知,却停滞不前——如果把地球比作鸡蛋,我们实际上连蛋壳都未曾钻透,更遑论对地下广阔空间的深层利用了。

  3月28日14:20,世界首例千米深井接地极,顺利接入新东直流,开始为期一年的试运行。这三口千米深井接地极,看起来只有三个小小的凸起,但却标志着电力行业对地下空间进行深度利用的一次开创性尝试。通俗点解释,就是凿出一个洞,把两座“小蛮腰”一般长的电气设备埋入地底,整个地球作为一个导体,形成电流大回路,保证直流电力系统的正常运行。

  “传统的水平接地极占地1平方千米,而千米深井接地极仅仅需要三口直径不足半米的深井,占地仅为1平方米。从1平方千米到1平方米,在大规模节约土地资源的同时,还能提供更为安全可靠、环境友好的运行方式,更是直流输电技术的重要发展。”大发彩票公司首席技术专家、南网科研院董事长饶宏表示,这也是一场考验,科研院这些年轻的技术骨干们,交上了一份圆满的答卷。

  像少年啦飞驰

  “接地极电流已经达到预定水平,请现场同志开始性能评估测试!”2018年11月24日,蒙蒙细雨,河源市连平县田源镇,一片青黄相间的田埂上,身在深圳东方换流站主控室的胡上茂博士,在对讲机里一声令下,一道道人影便纵身而出。

  从1号点到2号点,从7号点到8号点,从15号点到16号点……点与点之间,连成了一条条线段。现场的14个小组,60多名测试员,急匆匆,穿行于数百个土坑,野花野草东倒西歪,雨点泥点四处飞溅,若配上一支巴赫的《加伏特舞曲》,华丽且狼藉。

  “我们只有20分钟,必须测完2公里内的所有数据。”一向精于计算的理工科博士们,往往不会轻易让自己犯难,项目骨干刘刚博士却感慨道:“那大概是我人生中最狼狈的时刻。”

  那一天,作为现场协调的刘刚,脖子夹着伞,手里拿着笔和本,肩上挂着对讲机,衣衫浸水,双脚是泥,满是狼狈,至今他的本子上还有着雨点的痕迹。谁曾想到,这些平常在实验室里惯着白衫的博士们,此刻竟成为田间摸爬滚打的“野孩子”。

  “电压保持稳定,接地极温度保持稳定,无异常气体排出,测试成功!”经过连日的测试,最终各项数据与预期完全一致。“一块悬在心中多年的石头终于落地了。”忧心忡忡的蔡汉生专家,这一刻终于将目光在中心塔电脑屏前移开,身子一松,露出了孩子般的笑容。

  不是打一个洞而已

  4年前,项目骨干胡上茂和刘刚,一同来到山东东营胜利油田钻井工艺研究院。当时项目还处于初始阶段,两人对钻探技术几乎一无所知,在交谈中,他们明显感到对方专家从热点到冰点的情绪转变。

  “我们一般都是挖七八千米的石油生产井,你们才挖1000米的井吗?那你们预计口径多大?倾向于采用金刚石钻头、牙轮钻头,还是刮刀钻头?”一连串的专业问题,让两个博士哑口无言。

  “明显的知识不对等,感到被羞辱了,不甘心。”两人走在东营街头,北方的萧瑟秋风扑面而来,吹疼了他们。

  也难怪,两个人从小到大,都是同龄人中的佼佼者,博士毕业。这份常年养成的学霸光环和科研经历,激发了他们的战斗欲。

  “不懂就去学,学到精通,这和做研究是一个道理。”随着研究的深入,他们更加了解自己要做的事情并不简单:“这比七八千米的石油生产井更加困难,因为我们需要更大口径,然后安装40吨重的复杂电气设备,绝不是打一个洞而已。”瑞典ABB公司,这家全球电力技术领域的引领者,只打到了500米,最终项目也没有成功投运。

  提到这40吨重的电气设备,研究所里的博士们,显得有些兴奋,话也多了起来。深井接地极就像把一根“热得快”插到地下,几千安培的电力一通,就会发热,进而产生气膜。这40吨重的电气设备,就是既要保证排气,又不影响导电性能,还要考虑到高温、耐腐蚀等等。

  “我们的科研攻关重点便是围绕这40吨重的电气设备,选择怎样的设备,如何把它们埋入地下1000米,再确保它们具备足够的腐蚀寿命,实时监控密封性和温度等指标。”蔡汉生一一道来。

  为什么是地下1000米?

  地球虽然是一个导体,但地表却有很多不良导体。大地土壤(无岩石时)的电阻率是纯铜的几十亿倍,甚至有些岩石、沙砾层几乎是不导电的绝缘体。1000米深井接地极,是为了能埋设在大地电阻率比地表更低的土层中,并将电流从大地中有效扩散出去。

  其好处在于能降低90%的接地极占地面积,并且可以建在换流站附近,而之前的传统水平接地极,都要建在换流站几十到百公里之外,同时还能减小损耗,降低受雷击的风险,提高直流单极运行的可行性。

  好处虽多,但是问题也随之而来,地下每10米一个大气压,每100米温度升高3℃,大地的电气特性有许多不确定的因素。为了把这些“不可捉摸”的东西,变得可视化、透明化,蔡汉生组织科研团队,建立数字模型,进行计算机数值分析,测算土壤分层情况,还原物理现象。但更重要的,还是走出实验室,在现场进行实践和测试。

  要说最动人心弦的,还是实际安装过程。深夜时分,探明灯下,尘埃飘散,胡上茂和冯宾的安全帽里,变得黏着起来。

  每隔10米,需要使用丝扣和焊接的“双保险”,将排气管、测温光纤、扶正器等设备固定在馈电棒上,在12米、14米、500米和700米深处,还有4根馈电电缆分别与馈电棒连接。

  “起!”“放!”

  “设备由大型起重机吊着,每10米下放一次,整个过程持续了几天几夜,安装工人都换了一轮又一轮。特别是到了最后一百米,我们把心都悬到了嗓子眼儿,就怕功亏一篑。”胡上茂讲得惊心动魄,因为一旦失败,就要把40吨重的设备重新拉出来,想想就犯难。

  五天五夜,换来一次性安装成功,在场的胡上茂和冯宾,如释重负。

  秀才也当兵

  提到博士,大家最先想到的都是“最强大脑”,但对接地极团队来说,他们被逼得练就了一身“嘴上”功夫。

  起初,项目遇到过很多困难,其中第一道难关,就是让大家认同这项新技术。为此,饶宏带着几位技术骨干,跑遍了南网总部基地的科技部、生技部、调度中心等相关部门和超高压公司,说尽了千言万语,耐心讲解千米深井接地极的优势,最终才成功立项。

  “无数次汇报,我们几乎磨破了嘴皮。但是不得不说,大发彩票真的很有魄力,能有决心拿滇西北特高压直流系统做试验平台,测试千米深井接地极的运行数据。这也更加坚定了我们继续其他研究的信心。”刘刚博士想到他们能够在数百亿的平台上做运行测试,心头一热。

  都说“秀才遇上兵,有理说不清。”但是说不清,工作就无法继续开展,这就逼得他们不得不走出实验室,走进田间地头,胡上茂对此深有感触。

  为了安装过程的密封性,施工方在地表附近注入了水泥。在安装结束后,出于安全考虑,距离地表5米的水泥块必须全部敲掉。但是水泥块极其坚硬,施工方在开始的时候百般推脱。胡上茂据理力争,最后还撂下一句狠话:“就是用钻头一个个地去磨,也必须磨掉!”

  让记者有些出乎意料的是,这些年轻的博士们几乎个个都很能说会道。但是他们并非一直如此,胡上茂感慨“都是被项目逼出来的”。他们从学校毕业,就来到科研院,始终是在实验室里默默面对数据,这次驻扎到施工现场,就不得不处理好各方面的人际关系。

  “在村民们的地上挖几个1000米深的洞,对他们来说是个新的事物,他们担心对生活造成影响,当时有些抵触。这就需要我们联合当地政府,耐心地解释沟通。”高电压技术研究所副所长贾磊说得很平常,但是驻扎在施工现场的胡上茂和冯宾,却有些心有余悸。

  “那天我们从广州汇报完回到施工现场,发现钻井平台上的很多仪器都被砸坏,甚至工人还被人泼粪便。那段时间,我们晚上根本不敢出门。”胡上茂回忆起那段历史,并不轻松。如今,他们已经按照国家标准,撤走了起重机、泥浆池,推平了土地,并且对土壤进行了现场化验,完全满足了土地复耕的条件,将临时租地完好地交还给村民。

  住不进去的新家

  无论是历时3年多的前期仿真模拟计算,是在嘈杂的施工现场跑前跑后,还是为了一个实验数据,度过很多个难眠之夜……刘刚博士回忆起参与整个项目的经历,只是淡淡地说了一句:“其实还好。”

  很少有人知道,刘刚的家里有一张“送不出去的婴儿床”。这是他和胡博士说好的,等胡博士生了小孩,他就把婴儿床送到胡博士的家里去。可是别说孩子了,胡上茂的新房空空放了一年,都还没有搬进去呢。一张“送不出去的婴儿床”和一个“住不进去的新房”,已经成为二人心照不宣的秘密约定。

  现在,胡上茂最怕听到的,就是独居在老家的父亲在电话里问他:“儿子,你们的新房子装修的咋样啦?啥时候能住进去?”事实上,胡上茂在去年就拿到了新房的钥匙,但一直都没有时间搞装修,如今漏水的管道都还没有修好,因为一直都约不上时间。

  前几天,接地极终于开始了试运行,他们肩上的担子稍稍轻了一些。但是这群年轻人并没有停下来的打算,“这段时间,我们把全部的时间和精力都用在这这个项目上,其间我们也有很多其他的科研想法,现在终于可以开始新的征程了。”正如刘刚所言,他们也已经把目光投向了他处。

  正如日本千叶大学教授川濑太郎所说:“乍一看接地似乎很简单,但实际上它涉及领域很广,在实践及理论方面也非常深奥。因此,有理由说,精通了接地技术的人就是一流的电气技术人员。”

  一句“其实还好”,云淡风轻。这些年轻的博士们,又怎会将眼光局限于接地技术,属于他们的科研之路,来日方长。

  >>专访

  饶宏:不达目的不罢休

  记者:请问千米深井接地极是在什么样的背景下提出的?在世界上处于什么样的技术水平?

  饶宏:提出深井接地极,是在2013年两渡直流工程建设和调试期间,糯扎渡直流工程普洱接地极因占地面积大,几次改选极址,后来被迫采用垂直接地极,但是只是在地表浅层30米左右的垂直接地极,不过在当时也是国内首个垂直接地极,但是仍然存在占地面积较大的问题,目前的深井接地极比当时垂直接地极节约了占地面积90%。

  科研院此次承担的深井接地极项目是世界首个千米深井接地极,大发彩票也是在全球首次自主掌握深井接地极工程应用全套技术。ABB公司在波罗的海曾经开展过500米深接地极试验,但据目前所掌握的公开信息,项目并没有真正投入使用,没有工程实践经验。从技术理论层面论证深井接地极技术是具有可行性的,但如何将这种技术转化成工程应用,存在很多技术难点需要攻克,这也是我们的核心技术。打一口千米深的井不难,难的是如何将所有的电气设备成功安装到直径只有400多毫米的空间里,还要在承受井底水压大、温度高的情况下保持各种设备的性能处于正常的运行状态,这需要极强的技术突破。

  记者:您认为深井接地极项目的关键技术难题主要是哪些方面?你们是如何进行技术攻关的?

  饶宏:关键技术难题就是我刚刚提到的技术转化为工程应用,一方面是明确工程结构设计及关键参数,另一方面就是创新施工工艺。

  通过反复论证调研,我们确定了工程的结构设计和关键参数,比如说,到底打多大的井,井的口径、深度是多少才能既满足直流工程的系统要求,又能在现有施工能力范围内完成建设和安装。通过各种试验论证,我们开创了千米深接地极施工工艺,比如说创新研制了深井接地极专用居中保护器,这款神器可以将特殊焊接处理过的套管、馈电棒等电气设备固定在井部中间,并采用分段组装和整体吊装的施工工艺,保证40多吨的电气设备一次性施工成功。吊装过程中不仅要保持稳定,垂直度更要达到毫米级,除了馈电棒和电缆,井下还缠绕着光缆、排气管等极易断裂的设备。同时在电缆和馈电棒的连接处采用了铅封和环氧等多层包封工艺,解决水下上百米电缆连接处的防水问题。

  还有千米深地底下如何排气和温升也是影响工程建设的一个关键,气体一旦排不出去就会在馈电棒表面形成气膜,阻碍电流扩散,馈电棒就会发热,温度就会升高,存在安全隐患。我们从源头出发,提出了独特的焦炭灌注工艺。焦炭是电棒和土壤中间的导电层,主要起到电流扩散的目的。现有垂直接地极是从井口将焦炭颗粒往下倒,容易在井内形成多余气孔,造成焦炭填充不密实,但是我们将焦炭搅拌成液态通过馈电棒中孔由底部从下往上灌入,保障了深井内焦炭的灌注密实度,极大地降低了深井接地极的产气量,优化其导电性能和排气设计。我们还研发温度计算软件和满足水下千米深光纤温度测量系统,为深井接地极温度计算和监测提供了技术手段,实时监测井下电气设备周边的温度变化,及时发现安全隐患,保障设备运行安全。

  记者:深井接地极工程除了技术难题外,在管理上是否存在需要协调的困难?您是如何带领团队解决项目建设、管理等方面困难的?

  饶宏:在建设过程中确实也遇到了建设难度大、周期长等困难和问题,这也是很多基建项目的通病,所以在这方面我们也做了大量沟通协调的工作。工程的顺利建设也得到了公司各部门和超高压等兄弟单位的大力支持,积极推进深井接地极技术的工程实践。

  记者:深井接地极作为一项新型的接地极技术,您认为这个项目取得成功的最大意义是什么?该项技术后续会对直流工程的建设和运行有什么影响?

  饶宏:从目前现有直流工程建设来看,深井接地极解决传统接地极占地面积大的难题,与传统接地极相比,深井接地极无须占用良田或耕地,对地表的平整度要求低,既可以大规模节约土地资源,又能提供更为安全可靠、环境友好的运行方式。不仅如此,深井接地极还可以与换流站一体化建设,使直流工程省去建设几十公里甚至上百公里的接地极线路,将极大节约工程建设资金,降低工程运维成本。

  目前工程完成试验验证,各项性能指标达到设计要求,与垂直接地极相比深井接地极与常规接地极相比接地极电阻减少2/3,有效提升系统运行经济效益;接触电势降低80%,提供安全可靠、环境友好的运行方式。

  3月28日,深井接地极已经接入新东直流,开始一年期试运行,接受实践检验,我们也将持续密切关注接地极运行状态,为技术的后续推广应用总结经验。

  记者:作为项目总负责人,您如何评价这个年轻的团队?

  饶宏:这是一个充满创新活力和创造性的团队,平均年龄不到40岁,尽管面临各种世界级的技术难题和挑战,在项目推进中也有各种实际困难,甚至一度出现现场停工的局面,但是大家始终没有放弃,也没有动摇大家的意志和决心,一鼓作气,遇到技术问题就埋头在实验室、工地现场各种对比分析找方法,去到相关行业领域找经验、做测试,驻扎在田间地头15个月,积极与施工方、设备供应方、当地政府村民沟通协调,勇于责任担当,有着一股不达目的不罢休的韧劲。

  南网传媒全媒体记者 何石 刘杰 通讯员 周慧

  >>短评 

  纯粹的力量 

  南网传媒全媒体记者 何石

  无论是几位年轻的博士,还是经验丰富的专家,他们看起来与寻常人无异,但是当他们讲起技术来,滔滔不绝,眼睛里闪着光,仿佛时间都为他们停住了脚步,令人忍不住羡叹。

  为什么会羡叹?作为一个门外汉,我几乎听不懂他们讲的所有技术名词,但是却“不明觉厉”,深深地被他们身上散发的光环所吸引。他们并没有什么惊天动地的伟大创造,但是他们专注的精神和纯粹的态度,轻易便让旁人感动与共情。

  其实,我们每个人的心里,都会有那么一方“净土”。守住了,就是不忘初心;守不住,便一泻千里。对这些博士们来说,做科研是一件快乐的事情,他们丝毫不觉得痛苦,哪怕过程无比焦灼,要熬过一个又一个的失眠之夜,但是做成了,一句“其实还好”,深藏功与名,再去往新的战场。

  也唯有真正热爱,才能守住内心的纯粹。我们常常抱怨自己的工作枯燥、无聊,日复一日的重复,就是缺少了这份热爱。一位匠人可以为了一个螺丝如切如磋,一名教师可以为了一份教案不断修改,一个记者可以为了一个字词反复斟酌……

  这就是纯粹的力量。让自己的内心回归平静,让自己的工作精益求精,是一条个人与世界的平衡之道。纯粹也是一门减法,德国哲学家费希特在《极乐生活》中写道:“极乐是在唯一永恒之中的安详与宁静,而痛苦则是芜杂与多变上面的心力涣散。因此,极乐的状态就是将我们的爱从杂多回归到唯一。”

  这个科研团队之所以让人感动,正是因为他们展示了纯粹的美好。我们可以见得到,他们在田间泥水里奔跑的身影,在深夜探照灯下紧张的目光,在实验室里埋头无穷数据的专注神态……他们没有太多杂念,只是一心做好一件事情,这看起来简单,却恐怕是世间至难之事。

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