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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:南方电网报  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?#21335;?#35937;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?#20572;?#23601;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?#20445;?#36824;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。”南方电网公司首席技术专家、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?#21862;?#35797;!”2018年11月24日,蒙?#19978;?#38632;,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?#19981;?#37324;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?#20445;?#24613;匆匆,穿行于数百个土坑,野花?#23433;?#19996;倒西歪,雨点泥点四处飞溅,若配上一支巴赫的?#37117;?#20239;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?#31859;约悍改眩?#39033;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?#31859;?#31508;和本,肩上挂着对?#19981;?#34915;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?#22303;?#21018;,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?#38469;?#25366;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?#22771;?#21521;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?#21335;?#29791;秋风扑面而来,吹疼了他们。

      也?#21387;鄭?#20004;个人?#26377;?#21040;大,?#38469;?#21516;龄人中的佼佼者,博?#21208;?#19994;。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?#32422;?#35201;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。?#27604;?#20856;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?#23545;恕?/p>

      提到这40吨重的电气设备,研究所里的博士们,显得?#34892;?#20852;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,?#31361;?#21457;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、?#36879;?#34432;等等。

      “我们的科研攻关重点便是围?#26222;?0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?#34892;?#23721;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?#26102;?#22320;表更低的土层中,并将电流从大地中?#34892;?#25193;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?#27169;?#38477;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?#34892;?#22810;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?#20572;?#36827;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?#22836;?#23486;的安全帽里,变得黏着起来。

      每隔10米,需要使用?#38752;?#21644;焊接的“双保险?#20445;?#23558;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?#36335;直?#19982;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?#20013;?#20102;几天几夜,安装工人都换了一?#38047;?#19968;轮。特别是到了最后一百米,我们把心都悬到了嗓?#21451;?#20799;,?#22242;?#21151;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?#22836;改选?/p>

      五天五夜,换来一次性安装成功,在场的胡上茂?#22836;?#23486;,如释重负。

      秀才也当兵

      提到博士,大家最先想到的?#38469;恰?#26368;?#30475;?#33041;?#20445;?#20294;对接地极团队来说,他们被逼得练就了一身?#30333;?#19978;”功夫。

      起初,项?#22353;?#21040;过很多困难,其中第一道?#21387;兀?#23601;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,南方电网真的很有魄力,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?#28304;?#28145;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?#22771;?#25481;。但是水泥块极其坚硬,施工方在开始的时候百般推?#36873;?#32993;上茂据理力争,最后还撂下一句狠话:“就是?#31859;?#22836;一个个地去磨,也必须磨掉!”

      让记者?#34892;?#20986;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“?#38469;?#34987;项?#21208;?#20986;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?#34892;?#25269;触。这就需要我们联合当地政府,耐心地解?#20984;?#36890;。”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?#22836;?#23486;,却?#34892;?#24515;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?#19968;担?#29978;至工人还被人泼粪便。那段时间,我们晚上根本不?#39029;?#38376;。”胡上茂回忆起那段历史,并不轻?#20254;?#22914;今,他们已经按照国家标?#36857;?#25764;走了起重机、泥浆池,?#30772;?#20102;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?#24615;?#30340;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?#22466;?#21016;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?#20843;?#19981;出去的婴儿床”。这是他和胡博士说好的,等胡博?#21487;?#20102;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?#38752;?#31354;放了一年,都还没有搬进去呢。一张?#20843;?#19981;出去的婴儿床”和一个?#30333;?#19981;进去的新房?#20445;?#24050;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?#21487;?#26102;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?#34892;?#22909;,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?#21487;希?#20854;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?#27934;?#23398;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?#21496;?#26159;一流的电气技术人员。”

      一句“其实还好?#20445;?#20113;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?#23576;?#19979;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?#40644;?#37319;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,南方电网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?#32791;?#35748;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?#25506;?#26500;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?#21335;?#32479;要求,又能在现有施工能力?#27573;?#20869;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?#31361;?#27687;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?#38395;?#27668;和温升也是影响工程建设的一个关键,气体一旦排不出去?#31361;?#22312;馈电棒表面形成气膜,阻碍电流扩散,馈电棒?#31361;?#21457;热,温度?#31361;?#21319;高,存在安全隐患。我们从源头出发,提出了独特的?#22266;?#28748;注工艺。?#22266;?#26159;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?#22266;靠?#31890;往下倒,容易在井内形成多余气孔,造成?#22266;刻?#20805;不密实,但是我们将?#22266;?#25605;拌成液态通过馈电棒中?#23376;?#24213;?#30475;?#19979;往上灌入,保障了深井内?#22266;?#30340;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?#22242;?#27668;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?#22270;?#27979;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?#32844;?#20840;隐?#36857;?#20445;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?#26410;?#39046;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?#35759;却蟆?#21608;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?#20540;?#21333;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?#20174;?#21709;?

      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?#20572;?#26082;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?#20984;?#31243;运维成?#23613;?/p>

      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,?#34892;?#25552;升系统运行经济效益;接触电?#24179;?#20302;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?#20013;?#23494;切关注接地极运行状态,为技术的后续推广应?#31859;?#32467;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?#19990;?#38590;,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?#21592;?#20998;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?#20445;?#26377;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 

      ?#30475;?#30340;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,?#36335;?#26102;间都为他们停住了脚步,令人忍不住羡?#23613;?/p>

      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?#20445;?#28145;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?#30475;?#30340;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?#24515;?#20040;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?#32431;啵?#21738;怕过程无比焦灼,要?#31455;?#19968;个又一个的失眠之夜,但是做成了,一句“其实还好?#20445;?#28145;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?#30475;狻?#25105;们常常抱怨?#32422;?#30340;工作枯燥、无?#27169;?#26085;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?#21490;?#22797;斟酌……

      这就是?#30475;?#30340;力量。?#31859;约?#30340;内心回归平静,?#31859;约?#30340;工作精益求精,是一条个人与世界的平衡之道。?#30475;?#20063;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?#32431;?#21017;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?#30475;?#30340;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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