基于1000MW仿真平臺的“單元機組運行”教學改革探索

摘要：為了適應火力發(fā)電廠單元機組生產(chǎn)運行，對于“單元機組運行”教育培養(yǎng)模式進行了探討。首先對學生提出了培養(yǎng)要求，其次提出基于1000MW仿真機平臺進行培訓和教學的建構主義教學模式，最后通過對學生進行基礎理論、機組啟動和停運、運行調整和事故處理等一系列的理論和操作培訓，結合科學全面的考核方法，使結合仿真機進行“單元機組運行”的教學模式成為培養(yǎng)合格的有實際動手能力的學生的有效途徑。

關鍵詞：仿真平臺；教改；電廠 ；建構主義

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0075-02

隨著國民經(jīng)濟水平的提高，近幾年來，我國新投產(chǎn)運行的火電機組大部分屬于大容量、高參數(shù)、現(xiàn)場集中控制的大型火電機組設備。大型火力發(fā)電機組的主、輔機設備容量大，系統(tǒng)復雜，控制系統(tǒng)采用大量的計算機監(jiān)視、通訊技術及先進的自動化系統(tǒng)；機組需要監(jiān)控操作，控制的參數(shù)在2000項左右；“單元機組運行”的教學不再是單獨對鍋爐、汽機和電氣設備運行進行講授，而是鍋爐、汽機、發(fā)電機3大主機運行緊密相關，不可分割，即機、爐、電單元機組集控運行，快速穩(wěn)定地滿足負荷要求；每位熱能動力工程專業(yè)的學生都必須掌握機組的大部分甚至全部技術，包括各主輔設備、各主要系統(tǒng)的技術特點、運行特性、控制功能。因此，學生需全面掌握機、爐、電3個專業(yè)的專業(yè)理論知識及機組和控制設備的各種運行特性及控制功能，并且通過實際操作過程，為以后成為電廠全能值班員做好準備。

因此，為適應電力工業(yè)發(fā)展需要，發(fā)展基于仿真平臺的單元機組運行的教學模式十分重要。為此，上海電力學院能源與機械工程學院引進了1000MW超臨界仿真機，通過仿真實習的平臺進行大型單元機組的集控運行教學工作，整個教學過程把上機實踐操作和理論知識相結合，可以分為“單元機組運行”課程教學、1000MW超臨界機組仿真實習和考試三個部分，各個部分對應不同的教學目標，循序漸進，最后使學生達到理解大型單元制機組的運行知識并能熟練掌握超臨界機組運行操作的目的。

一、“單元機組運行”教學模式的總體要求

本課程的授課對象是電廠熱能動力專業(yè)本科生，是選修課程，也是一門綜合性應用的專業(yè)課程。學生通過學習該課程，應掌握大容量單元機組的啟停方式、程序、機組協(xié)調控制原理及機組運行方式、順序控制邏輯實施及工作原理、自動事故處理及聯(lián)鎖保護，具有大容量機組集中控制運行技術和分析運行問題的初步能力。課程的特點在于內容涵蓋了本專業(yè)所有專業(yè)課程的內容，內容多、范圍廣，并應對火電廠的實際系統(tǒng)有一定程度的熟悉。

另外，單元機組的運行需要保證機組及所有輔助設備在各種工況下的穩(wěn)定和安全運行，特別是在出現(xiàn)異常情況時要做出快速、準確的分析判斷，并果斷地做出處理，這就對學生的心理素質和團隊協(xié)作精神提出了較高的要求。因此，基于仿真平臺的單元機組運行教學對學生所提出的要求可以說是兩方面的：一是較高的技術素質；二是良好的心理素質。這兩種素質的培養(yǎng)，特別是后一種素質的培養(yǎng)，難以在課堂教學中完成，更多地要由基于計算機仿真技術和多媒體的“課堂教學與仿真平臺的組合模式”來進行。已有的經(jīng)驗表明，利用仿真機進行各種模擬操作和事故處理是培訓學生技術素質和心理素質的最佳途徑。

二、課堂教學與仿真平臺的結合模式

建構主義學習理論需要建立與建構主義學習環(huán)境相匹配的教學方式。在這種教學模式中要以學生為中心，教師只是在教學過程中起到幫助、指導、組織和促進的作用，通過協(xié)作、情境、會話等學習環(huán)境要素來發(fā)揮學生的主觀能動性、積極性和創(chuàng)新精神，最后的目的是使學生能夠對所學知識的意義進行建構。在此模式中，知識意義的主動建構者是學生；教學過程的促進者、指導者、組織者和意義建構的幫助者是教師；教材中的知識變?yōu)榱藢W生主動建構意義的對象，而不再是教師教授的內容；媒體用來進行設立情境、協(xié)作學習和會話交流，成為學生主動學習、協(xié)作式探索的認知工具，而不再是簡單地幫助教師教授知識的手段和方法。很明顯，在這種場合下，學生、教師、媒體和教材等四要素與傳統(tǒng)教學相比，體現(xiàn)出了各自有完全不同的作用，相互之間產(chǎn)生了完全不同的關系。然而這些作用與關系是非常明確的，因此演變成教學活動過程中的另外一種結構形式，成為建構主義學習環(huán)境下的新型教學模式。

仿真平臺是由多媒體與仿真技術相結合而生成的一種“虛擬現(xiàn)實（VR）”，它可以創(chuàng)造一種身臨其境，完全真實的建構主義學習環(huán)境，利用仿真平臺進行培訓和教學即形成了“課堂教學與仿真平臺的組合模式”。全范圍實時仿真平臺是以實時動態(tài)數(shù)學模型模擬電站機組的設備和系統(tǒng)及其動態(tài)過程、控制規(guī)律和控制功能，再通過仿真平臺的中心控制室模擬機組的操作設備和盤臺，其操作工具和操作畫面和真實機組完全相同。

三、具體的教學過程

1.理論教學

“單元機組運行”課程的理論教學內容主要有：一是對單元機組集控運行進行概念性介紹，二是講解機組的冷態(tài)啟動停運操作和注意事項，三是講授機組正常運行時的操作調整，最后對機組事故處理的基本原則進行講解等。但是在這個教學過程中，為減少學生在上機操作時產(chǎn)生的盲目性，在“單元機組運行”課程講授時還需要對學生進行集散控制系統(tǒng)中的內容進行培訓，對集控系統(tǒng)的操作畫面進行仔細的講解，不但要對畫面上的鍋爐、汽機、發(fā)電機本體及其附屬設備的系統(tǒng)構成、連接方式等的內容進行介紹，還要講授與單元機組運行密切相關的閥門、泵、風機、擋板、電機等，需要了解它們的啟停邏輯、設備規(guī)范、跳閘條件等順序控制和爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的內容以及與運行調整有密切關系的協(xié)調控制系統(tǒng)、數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)等。這一部分的教學量較大，但又非常重要，要將抽象的理論知識應用至具體的對象上。運行理論培訓的成功與否對運行操作培訓的成功影響非常大，應給予充分的重視。

2.仿真實習教學

仿真實習教學的過程共分成三個部分，每個部分都有不同的教學目的。

第一部分，以1000MW機組冷態(tài)啟停操作為主，學習1000MW超臨界機組從全冷態(tài)升至滿負荷過程中的各種操作。講授過程中，先由教師講解當次需要上機操作的主要內容，借助于大屏幕、音像以及其他計算機輔助教學手段，對當次操作的內容進行介紹，說明每一項操作的現(xiàn)象，并從理論上進行解釋。對操作中的需要注意的事項和易產(chǎn)生的錯誤操作及其后果作對比分析，用來加強學生的印象。其次，讓學生對本次操作內容進行上機實踐。老師和其他學生通過大屏幕對該上機學生的操作進行學習分析。為保證學習的效果，這個部分的教學進度比較慢，以確保每位學生有充分的上機實習機會來掌握機組的操作內容。一般在完成當天的操作學習后，第二天上課開始時需要進行一次復習以檢驗學習效果，對學生容易出錯或不熟練的地方還要進行再次講解，直到所有學生均能準確無誤地獨立操作。通常情況下，筆者會把冷態(tài)啟動的全過程分成多個專項任務開展教學，如集控系統(tǒng)操作面板的使用、電力系統(tǒng)送電、冷態(tài)啟動的準備工作、除氧器加熱、鍋爐上水、建立風煙系統(tǒng)、爐膛吹掃、鍋爐點火、鍋爐升溫升壓到?jīng)_轉參數(shù)、汽機沖轉、發(fā)電機并網(wǎng)、啟動制粉系統(tǒng)、啟動第二臺汽泵、投入加熱器、升到滿負荷。

第二部分，在運行中調整和監(jiān)視參數(shù)。要求學生能夠了解鍋爐運行調整的特點，能進行鍋爐的汽溫、汽壓、水位、燃燒等運行調整操作。對汽輪機要能夠對軸向位移、機組振動軸瓦溫度、轉子應力等進行監(jiān)視，并進行相關的調整操作。還要求學生會監(jiān)視發(fā)電機電壓、溫度、變壓器溫度、電機冷卻系統(tǒng)等，并針對不同情況進行調整操作。此外，學生還應該掌握滑壓運行的主要操作方法。

在正常運行操作學生已經(jīng)完全掌握后。仿真實習教學進入第三個部分即事故演練階段，事故演練通常在機組正常運行在高負荷的過程中進行，如在運行至某一階段時，老師會在不告知學生的情況下加入某一故障。學生首先通過聲光電的報警以及運行參數(shù)的變化或設備運行狀態(tài)的改變等信息來判斷是否發(fā)生故障和發(fā)生故障的位置，并根據(jù)故障的程度和特點采取相應的措施來減小故障對機組的影響。通過該階段的操作，學生能表述單元機組事故的特點，學會單元機組事故處理的一般方法，能夠處理機、電、爐方面的典型事故。

3.考試方法

學生的最終成績由平時成績、口試成績、學習報告成績、筆試成績和上機操作成績五個部分組成，每個部分的比重也各不相同。平時成績是根據(jù)學生的學習態(tài)度以及出勤的情況來確定，所占的比重為5%；口試成績主要通過教師向學生提出一些操作或理論上的問題，依據(jù)學生回答的情況來打分，所占的比重為5%；學習報告是由學生對仿真實習的總體過程進行總結和回顧，根據(jù)內容的完整程度和是否能提出好的意見或建議來評定，所占的比重為10%。筆試主要對“單元機組集控運行”課程的理論部分進行考核，所占的比例為30%。上機操作成績是決定學生最終成績的主要方面，所占的比重為50%，上機考核包括機組狀態(tài)分析、個人操作、協(xié)同操作三個部分。在上機操作前，各位老師需要對多個操作內容建立客觀合理的統(tǒng)一的評價標準，來確保上機考核的公正性。狀態(tài)分析要求學生在15分鐘內對教師預先設置的一個工況進行檢查分析，找出其中錯誤的或不合理的地方，不需要對錯誤的地方進行操作。根據(jù)找到的錯誤的個數(shù)進行打分。個人操作的重點是針對機組冷態(tài)的啟動過程。教師把從機組送電開始，到機組滿負荷預先保存有若干個工況，但是每個工況會有一些不正確的地方。學生首先需要對錯誤的地方進行操作修改，然后完成該工況下的操作任務，操作時間為30分鐘。教師根據(jù)學生工況任務完成的情況進行打分。協(xié)同操作要求兩個學生共同配合完成，這個部分會有較大操作量，教師通過抽簽來決定合作小組和操作內容，主要來考查學生之間操作的配合情況。主要有以下幾個典型考試內容：在機組初負荷的情況下，完成鍋爐的干濕態(tài)切換，并將負荷上升至300MW；在滿負荷的情況下，一臺引風機跳閘，在規(guī)定時間內重新升至1000MW；初始狀態(tài)時汽溫汽壓的偏差大，保持負荷不變，在給定時間內調整汽溫汽壓至正常值；沖轉前參數(shù)不合理，汽溫低而汽壓高，在一定時間內調整汽溫汽壓至合理值，并完成沖轉并網(wǎng)操作。

四、仿真平臺的建設和管理

“單元機組集控運行”課程的實踐教學在火力發(fā)電仿真實驗室完成。該仿真平臺現(xiàn)已擁有300MW亞臨界仿真機組、600MW超臨界仿真機組、300MW循環(huán)流化床仿真機組、1000MW超臨界仿真機組和大型火電機組脫硫仿真系統(tǒng)等五大仿真軟件，實現(xiàn)了一機五模。

此外，仿真室的布置不僅借鑒了生產(chǎn)現(xiàn)場的實際，還體現(xiàn)了教學的特點。在仿真室的日常教學管理中引入新的管理模式，即要求學生做到整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)和安全六方面的要求。通過高效的管理，仿真室做到了場地簡潔、整齊、干凈，設備標識清晰，操作有章可循。通過重視學生的安全生產(chǎn)教育，培養(yǎng)了學生良好的工作習慣、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L、科學的工作程序、安全的工作意識，打造出一流的工程師。

五、總結

通過基于1000MW仿真平臺的單元機組運行教學模式的改革使學生熟悉單元機組的設備、系統(tǒng)組成及其生產(chǎn)過程，熟練掌握單元機組在各種工況下的啟停操作步驟與正常運行的調節(jié)、監(jiān)控技術，了解單元機組組常見故障的現(xiàn)象、產(chǎn)生原因及處理原則，培養(yǎng)出了能夠勝任一線生產(chǎn)運行的學生。

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（責任編輯：王意琴）