走近国家技术发明奖一等奖项目

看清地下8公里深处的矿藏

——走近国家技术发明奖一等奖项目“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”

20190110_000湖南中科电气股份有限公司车间,工人在组装冶金特种大功率电源柜。(资料图片) 湖南日报记者 徐典波 摄
20190110_001中南大学何继善院士团队成果“广域电磁法”在大庆油田开展勘探试验。(资料图片) 通讯员 摄

编者按

在1月8日举行的2018年度国家科技奖励大会上,湖南省取得了近年来的最好成绩。中南大学何继善院士主持的“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目获得国家技术发明奖一等奖,湖南大学电能变换与控制创新团队、中南大学轨道交通空气动力与碰撞安全技术创新团队双双获得国家科技进步奖一等奖(创新团队)。这些项目和团队为国家解决了哪些重大战略问题?为我们的生活带来哪些改变?湖南日报记者为读者送上详尽报道。

湖南日报记者 胡宇芬 左丹

通讯员 李帝铨

地底下蕴藏着丰富的矿产资源。随着浅部的矿产资源日渐枯竭,谁能看得越深越清,找到宝藏的机会就越大。国家“深地”战略提出,向地球深部进军。

人工源频率域电磁法地下8公里的探测世界纪录,就在中国创造的勘探技术与装备指引下诞生。这是一次从跟跑到超越的逆袭!

风行世界的“可控源音频大地电磁法”,由于理论先天不足、仪器设计思想和野外施工方法粗放,探测深度难以超过1.5公里,且分辨率不高,无法担当“深地”探测重任。

对此,中南大学何继善院士发起了挑战。在他的带领下,经过10多年艰苦努力,一种叫“广域电磁法”的理论横空出世,并研发了具有完全自主知识产权的大深度高精度探测技术与装备,探测深度和信号强度分别是“可控源音频大地电磁法”的5倍和125倍,最大探测深度超过8公里。在中国大地应用后,至今已提交页岩气、常规油气、生物气、煤炭等矿产资源,潜在经济价值超过15000亿元。

1. 面对颠覆传统的高难研究,

团队内部曾经“军心动摇”

发射电磁波看清地球内部,有如给地球做CT, 既要有理论支撑,还要在理论指导下设计出仪器。

100年前,美国工程师Harry·W· Conklin(哈里·康克琳)提出了电磁感应法并获得专利。但因电磁波向地下传播方程的求解极其复杂,100年来,国际上都不得不采用定性、半定量解释,或者是用近似公式作定量解释。这种处理方法,使得勘测深度小、精度低,且抗干扰能力不强。

能不能将这个极其复杂的地下电磁波方程精确求解?1996年,何继善大胆设想。这是别的科学家不愿碰的难题。

何继善团队成员告诉记者,在这一过程中,部分团队成员因受不了枯燥的、大量的试验工作,也因无经费支持,感觉看不到希望,中途将何继善“炒”了……

这一变故,并没有动摇何继善的决心。

板凳一坐十年冷。2005年,何继善正式提出精确求解地下电磁波方程的“广域电磁法”。

这是一个领先世界的“中国创造”。理论从来都需要实践的检验。接着,何继善院士带领团队又开始了科研跋涉:用这一理论研制仪器。

“开始没有经费,何继善院士就自掏了20万元启动。”中南大学温佩琳教授说。

2007年寒冬,内蒙古室外温度低至零下20摄氏度。在这里的一块大庆油田区块上,课题组开展了“广域电磁法”勘探油气初步试验。因为团队部分成员对“广域电磁法”理解不深入,对其前景不看好,有些“军心动摇”。

73岁的何继善院士,不顾严寒从长沙赶到试验现场指导。最终,团队做了30多公里的试验测线,大获成功!

“广域电磁法”将人工源频率域电磁法探测的深度延伸到了地下8公里,且具有较强的抗干扰能力,实现了真正的三维电磁法勘探。

以此为支撑的大深度高精度探测技术与装备,在中石油、中石化、中国地调局、华电、神华等50多家单位成功应用,经济和社会效益显著,共提交页岩气资源量3401.22亿立方米、地质储量1240亿立方米、常规油气地质储量1.86亿吨、生物气可采资源量80亿立方米,释放了2000多万吨煤炭。

2. 三大发明点,成就人工源频率域电磁法的“领跑者”

“可控源音频大地电磁法”和此次的获奖成果都属于人工源频率域电磁法的范畴。后者是如何赶超前者成为“领跑者”的呢?

项目组介绍,此次获奖项目最核心的发明点有3个,即可在不限于“远区”的“广大区域”测量的“广域电磁法”、大深度高精度广域电磁探测系统、采用“反演”方法解出噪声实现信号-噪声高度分离。

视电阻率是用来反映岩石和矿石导电性变化的参数,也是决定勘探效果的重要指标。“可控源音频大地电磁法”40多年沿袭“大地电磁法”视电阻率计算公式,这个公式恰恰只考虑部分参数,求得的是近似值,也就大大影响勘探效果。

项目组则不然。他们在国际上首次严格从电磁波方程出发,率先将所有参数考虑在内,定义了在任意位置都是正确的广域视电阻率参数,发明了可在不限于“远区”的“广大区域”测量的“广域电磁法”,颠覆了频率域电磁法只能在“远区”测量的思路。

当人们向地下发射电磁波,不仅会收到岩石和矿石富有个性的回复,也会收到讨厌的噪声干扰,信噪比高低影响着分辨率。传统的做法是尽可能去掉噪声,但效果很难如意。

项目组另辟蹊径,像数学反算一样,采用“反演”方法解出噪声。于是,信号和噪声各走各道,并极大提高了频率数据密度,数据量可达到“可控源音频大地电磁法”的8倍以上。

“这是因为在人工源频率域电磁法中,既然超过99%的噪声参数是已知的,那只需将未知的小于1%的噪声未知数解出就行。”项目组讲解创新思路。

目前,“广域电磁法”已经成为“深地”战略的关键支撑技术。那么,是否可应用于“海洋强国”战略?是否还可以在城市物探中发挥信号强度大、抗干扰能力强的技术优势,实现城市地质调查高效高分辨率的勘探?项目组透露,正在进行高效频谱拖曳式海洋广域电磁法探测技术与装备的攻关,也正在开展测量磁场的低空无人机广域电磁法探测技术与装备的攻关。

电能变换为我用

——走近湖南大学电能变换与控制创新团队

湖南日报记者 胡宇芬 通讯员 蒋晶丽

海底石油输送所需的无缝钢管、特高压变压器所需的超薄硅钢片、高速列车所需的耐磨轮轨,都需要高品质特殊钢。由于生产高品质特殊钢的关键装备——电磁搅拌装备长期被国外垄断,这类国家亟需的高附加值钢材曾经大量依赖进口。

在湖南大学电能变换与控制创新团队的攻关下,板坯电磁搅拌系统在国内市场中的占有率已经高达90%。2018年,团队研制出了3.6米宽厚板坯电磁搅拌装备,继续保持着世界最宽板坯电磁搅拌装备的纪录。

电能变换与控制,简言之就是为了满足不同的生产与生活需求,将电能高效、高质地变换为不同形式的其他能量,并对变换过程进行精确、稳定、可靠控制的先进技术。20多年来,这支团队做了哪些了不得的事情?团队领头人罗安院士概括为四件大事,除了研发出用于高品质特种钢的电磁冶金装备,还有用于超薄铜箔的电解电源装备、海岛大功率特种电源装备和电能质量补偿装备等。“都是通过电能变换的创新,实现电能的高效、高质利用,提高产品品质并节能,满足国家重大战略与国防建设需求。”

联合攻关满足行业重大技术需求

大功率电能变换与控制是工业及国防领域中电能高效、高质、高精度转换的核心技术。在很长一段时间里,我国相关核心装备缺失,严重制约着我国高端制造与国防建设。

为了满足我国电能变换与控制领域的重大需求,在罗安院士的牵头下,组建了湖南大学电能变换与控制创新团队,开始联合攻关。

2003年团队创建了教育部输变电新技术工程研究中心,2008年入选教育部长江学者创新团队。以此为基础,团队不断凝聚人才开展科技攻关,先后培养出中国工程院院士、国家杰青、国家优青等多名优秀人才。依托团队建立的国家电能变换与控制技术研究中心,拥有10个产业化基地,核心技术辐射全国。

目前,团队获授权发明专利187项,发表SCI/EI收录论文500余篇。“可以说,团队在电能变换与控制领域已处于世界先进水平,并引领了国际电磁冶金技术的发展。下一步将在电声变换、电热变换及能源物联网等电能变换领域进一步攻关,并把核心技术与装备运用到水下通信传输、海底地形地貌探测、新型材料制备等方面。”罗安院士高兴地提到,年轻一代已成为团队的主力军。

研发电磁冶金利器,助力高品质特殊钢走出国门

在兴澄钢铁,直径0.15mm帘线钢,拉丝1000公里不断丝。如此高品质的特殊钢,是团队联合湖南中科电气研制的国产电磁搅拌和电磁加热系统生产的。

这是让特殊钢中国制造骄傲的一天!

长期以来,我国钢产量虽居世界第一,但高品质特殊钢大量依赖进口。面对高密度磁场电磁搅拌的国际难题,罗安带领团队打响了新一轮的“攻坚战”。他们发明了一种高密度电磁能量快速变换技术与方法,2007年在武汉钢铁集团公司首创了我国1.7米宽厚板坯高密度磁场电磁搅拌装备,该装备与先前国外领先的电磁冶金装备相比,电磁搅拌力增加到2.2倍,能效比也提高到2.4倍。此后,团队在2013年研制出世界首套2.8米宽厚板坯高密度磁场电磁搅拌系统,2018年又将最宽板坯电磁搅拌装备的纪录提高到3.6米。

此外,团队研制出世界首套30吨双通道电磁加热装备,1500摄氏度钢水控温精度由±5摄氏度提高到±3摄氏度。实现了连铸工程师“低过热度恒温浇铸”的梦想。

据统计,团队电磁冶金成果已应用于国家重大工程及武钢、宝钢等国内外160多家钢铁企业。其中,中间包电磁加热系统独占国内市场。华菱钢管、天津钢管等企业生产的高品质无缝钢管,还出口到美国、欧盟等发达国家和地区。

高精度大电流电解技术,实现超薄铜箔生产的中国梦

薄薄的电解铜箔,被称为电子产品信号与电力传输、沟通的“神经网络”。生产高效高质的超薄铜箔,需要高精度的大电流电解电源,这也是一个国际难题。

团队在反复思考、探索实验后,发现了症结所在,并反推发明了一种高精度电解新技术巧解难题。由此诞生的我国首台高精度50kA大电流铜箔电解电源,将铜箔成品率大幅提高了15%,与国际领先产品相比,电流纹波由2%下降到0.5%,电源效率提高12%。仅节能一项,每吨铜箔电解可节电1320千瓦时。

目前,铜箔电解电源在国内外100多条铜箔生产线成功应用。在安徽铜冠公司,电解电源装备生产出的18μm超薄铜箔,其晶体颗粒不仅分布均匀,还极其抗拉,强度是国家标准的1.96倍,已应用于4G基站、智能手机、汽车电子等线路板中。在合肥铜轩公司,电源装备生产的9μm超薄铜箔也取得新突破,其粗糙度降低到0.25μm,达到国家标准的1.52倍,电耗降低了12%,并已应用于超模电路、探月工程等线路板中。

为高速列车造安防

——走近中南大学轨道交通空气动力与碰撞安全技术创新团队

湖南日报记者 胡宇芬 通讯员 王建湘

快速舒适又安全的中国高铁,到2018年底营业里程超过2.9万公里,遥遥领先世界。

为了一列列高速列车安全驰骋在祖国大地,在田红旗院士的带领下,中南大学轨道交通空气动力与碰撞安全技术创新团队立下了汗马功劳。

这是一支历经20多年发展的团队,目标始终如一。为对接国家发展高速铁路重大需求,解决空气动力制约高铁发展、大风危及行车安全、列车碰撞安全等难题,1994年成立高速列车研究中心团队在国内率先开展研究,成为我国该领域的技术发源地和研究基地。

至今,团队研究成果已全部应用于全国各铁路设计院所、所有高速列车制造厂、全部铁路运营公司,为我国既有铁路6次大提速、高速、青藏、城轨等重大铁路工程建设和发展作出了重要贡献。

慧眼识别空气动力变化,提前应对降耗保平安

发展高速轨道交通,空气动力学是绕不开的基础学科。高速列车在行驶时,空气阻力占总阻力的85%以上。减少阻力才能降低能耗,而且轨道交通特有的高速交会、高速穿越隧道、列车风等诱发的空气动力效应严重危及行车安全。可以说,高速列车行驶的每时每刻,列车及周围看不见的空气动力都在变化中,需要设计者慧眼识变,提前应对。

团队创建了高速列车气动外形结构设计理论与方法,从我国第一列已运营高速列车外形结构设计开始,至今完成了已投入运营的39种流线型列车外形设计、试验及体系化评估。建成的国际领先的500km/h列车气动性能动模试验系统,接纳了我国所有高速列车动模型试验。

除了气动阻力,隧道也是高速列车的一道坎。当高速列车进入隧道时,前方的空气会受到挤压,这种挤压状态能够以声速传播到隧道出口,然后骤然膨胀释放出强烈的气压爆波,产生瞬间的冲击压力,影响乘客舒适性。同时,这种气压爆波对隧道周围的设施和建筑物等都会有影响,会产生一个很大的爆破声。

通过研究实验,团队创立了高速铁路隧道空气动力学安全理论及技术,解决了不同外形列车、各型隧道瞬态冲击压力抑制技术难题,完成包括京沪、京广在内的各种典型高铁隧道气动优化,使气压爆波减小50%、瞬变压力降低10%~35%,实现高速列车350km/h不减速穿越长大隧道。

不期而至的大风,还可能掀翻列车特别是高速列车。团队创建大风环境下行车安全保障系统,解决了大风环境下列车是否停轮、限速或正常运行科学决策难题。

建成世界唯一的轨道车辆实车撞击测力全研究链试验系统

列车碰撞常常带来严重后果。由于碰撞是一个巨复杂强非线性过程,试验是开展耐撞性研究的必备手段。

团队发明了耐冲击吸能安全列车设计、试验及评估技术,研建国际唯一的实际运营轨道车辆撞击测力全研究链试验系统,获得CNAS认可资质和国际权威机构认可。

据介绍,在这个试验系统的支撑下,团队制订了填补我国空白的列车耐撞性设计与试验标准。到目前,完成了我国和出口城轨列车、“复兴号”等高速列车吸能设计研究,支撑我国地铁列车制造企业在有德、法、日等发达国家参与的国际竞争中成功中标。

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