電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)實(shí)踐與教學(xué)

摘 要： 文章根據(jù)熱能動(dòng)力專業(yè)的特點(diǎn)，針對(duì)電力生產(chǎn)企業(yè)的人才需求，分析了開(kāi)展電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)的必要性，并對(duì)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置進(jìn)行了探討。通過(guò)該課程的設(shè)計(jì)，依托仿真平臺(tái)，模擬電廠真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，采用典型事故案例教學(xué)與學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作相結(jié)合、專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐演練，使學(xué)生具有電廠運(yùn)行故障現(xiàn)象分析及處理的初步能力，滿足電力企業(yè)對(duì)學(xué)生實(shí)際運(yùn)行能力的需求。

關(guān)鍵詞： 電廠熱能動(dòng)力 課程設(shè)計(jì) 實(shí)施過(guò)程 實(shí)施效果

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求日益增加，作為國(guó)家的支柱工業(yè)的電力行業(yè)正在加快建設(shè)和發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)的電力供應(yīng)市場(chǎng)，與此同時(shí)，電力企業(yè)之間的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，對(duì)人才的選擇提出了更高的要求[1]。我校為適應(yīng)電力行業(yè)人才的市場(chǎng)需求，提出以“堅(jiān)持面向電力生產(chǎn)和現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)第一線，培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實(shí)，實(shí)踐能力強(qiáng)的高等工程技術(shù)人才”為人才培養(yǎng)目標(biāo)，不斷完善人才培養(yǎng)方案，逐步形成結(jié)構(gòu)合理、優(yōu)勢(shì)明顯的學(xué)科專業(yè)體系和注重實(shí)踐、注重創(chuàng)新的人才培養(yǎng)特色。

基于人才培養(yǎng)目標(biāo)及電力企業(yè)的用人需求，我院面向大四學(xué)生，新開(kāi)設(shè)了《電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)》，主要基于我校1000MW仿真平臺(tái)，針對(duì)電廠運(yùn)行過(guò)程中的典型事故進(jìn)行分析和處理，使學(xué)生了解單元機(jī)組常見(jiàn)事故、惡性事故發(fā)生的現(xiàn)象、產(chǎn)生原因、處理方法、預(yù)防措施，具有大型火電單元機(jī)組集中控制運(yùn)行技術(shù)和分析運(yùn)行問(wèn)題的初步能力，適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)火電企業(yè)生產(chǎn)一線對(duì)大學(xué)生的理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力的需求。

一、采用仿真技術(shù)開(kāi)展電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)的必要性

電力的安全生產(chǎn)影響到了各行各業(yè)，大范圍的供電事故會(huì)造成極大的社會(huì)影響和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于發(fā)電技術(shù)而言，尤其是單元機(jī)組的發(fā)電廠，其設(shè)備縱向聯(lián)系緊密，機(jī)、爐、電任意一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生事故，都將影響整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行，同時(shí)輔機(jī)及輔助設(shè)備的損壞，也可能造成機(jī)組停運(yùn)或出力限制。電廠的電氣設(shè)備多，高溫、高壓及高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械多，工作人員時(shí)時(shí)處處都要注意安全?；谏鲜鲆蛩兀姀S擔(dān)心實(shí)習(xí)學(xué)生多，一怕出故障損壞設(shè)備，二怕出人身事故難擔(dān)責(zé)任，因此高校學(xué)生到電廠實(shí)地實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)不多，實(shí)習(xí)的時(shí)間很短，即使進(jìn)入電廠也僅僅是對(duì)設(shè)備的一些感性認(rèn)識(shí)，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際操作[2]。

綜上所述，如果采用仿真技術(shù)，構(gòu)建與實(shí)際運(yùn)行機(jī)組完全類似的仿真系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)際操作，就完全可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。學(xué)生可以在仿真平臺(tái)上進(jìn)行故障演練，了解各類事故，可以對(duì)故障的現(xiàn)象、成因和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行細(xì)致的分析，掌握對(duì)策，為今后在電廠工作中預(yù)防故障發(fā)生，且在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)有效地處理，提高設(shè)備可靠性等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程

1.電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)依托的仿真平臺(tái)介紹

電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)依托我校1000MW仿真平臺(tái)，該仿真平臺(tái)由北京清華同方針對(duì)國(guó)華寧海電廠開(kāi)發(fā)，于2011年安裝運(yùn)行。該仿真系統(tǒng)在我校已使用兩年多，完成了兩屆熱能與動(dòng)力工程專業(yè)畢業(yè)生的仿真實(shí)訓(xùn)及電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)。

本仿真系統(tǒng)模擬的鍋爐是上海鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，鍋爐型號(hào)為SG3091/27.56-M54X，一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式鍋爐。模擬的汽輪機(jī)是由上海汽輪機(jī)有限公司和德國(guó)SIEMENS公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、八級(jí)回?zé)岢槠?、反?dòng)凝汽式汽輪機(jī)。

仿真實(shí)驗(yàn)室完全模擬真實(shí)電廠集控環(huán)境，有教練員站和操作員站。仿真系統(tǒng)包括就地、DCS系統(tǒng)和DEH系統(tǒng)，可滿足15位培訓(xùn)者同時(shí)操作，既可以單機(jī)獨(dú)立操作運(yùn)行，又可以多個(gè)人分組操作。仿真機(jī)采用與實(shí)際機(jī)組1∶1仿真模擬，具有裝存初始工況、工況加載與保存、模型凍結(jié)與解凍、模擬故障、報(bào)警和錯(cuò)誤指示、模型加速與減速、就地操作及畫(huà)面顯示等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)1000MW機(jī)組的啟、停、正常運(yùn)行。該仿真機(jī)能模擬電站實(shí)時(shí)運(yùn)行中的異常和故障，并有正確的反應(yīng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)作。故障按照規(guī)定的因果關(guān)系模擬，可實(shí)現(xiàn)教練員在教練員臺(tái)上插入的故障、設(shè)備故障或?qū)W員誤操作引起的故障等現(xiàn)象，以及因果關(guān)系和實(shí)際電站發(fā)生同樣事故。操作員應(yīng)能設(shè)定故障的嚴(yán)重程度，設(shè)定從故障發(fā)生開(kāi)始擴(kuò)大到嚴(yán)重狀態(tài)時(shí)的變化速率。插入故障后在仿真機(jī)上的響應(yīng)應(yīng)該與實(shí)際電站發(fā)生同樣故障時(shí)的響應(yīng)相同。

2.電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)置

該課程設(shè)計(jì)為一周時(shí)間，對(duì)象是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的大四學(xué)生，大四學(xué)生已經(jīng)完成了所有專業(yè)課的學(xué)習(xí)，并在大一和大三分別進(jìn)行了為期一周及兩周的電廠認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)，在課程設(shè)計(jì)之前還進(jìn)行了電廠仿真實(shí)習(xí)?；谇捌诘睦碚撆c實(shí)踐，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的專業(yè)理論知識(shí)，對(duì)電廠的生產(chǎn)流程、系統(tǒng)、設(shè)備的原理和構(gòu)造等都有了比較清晰的認(rèn)識(shí)。

本課程在教學(xué)內(nèi)容組織上，以案例教學(xué)為導(dǎo)向，將理論知識(shí)、技能訓(xùn)練和應(yīng)用價(jià)值相結(jié)合。在內(nèi)容的設(shè)置上，時(shí)刻遵循能力培養(yǎng)規(guī)律，并結(jié)合課程實(shí)際，設(shè)計(jì)與該課程能力目標(biāo)要求密切結(jié)合的任務(wù)模塊。將案例教學(xué)與實(shí)訓(xùn)操作密切結(jié)合，在完成任務(wù)的過(guò)程中，使學(xué)生掌握分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的策略，體驗(yàn)到知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值。

在教學(xué)方法手段上，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）案例教學(xué)。典型事故案例的分析和對(duì)策、大型火電機(jī)組運(yùn)行中存在的問(wèn)題和解決思路。老師介紹一些故障案例，并在仿真系統(tǒng)上，教會(huì)學(xué)生如何插入故障并觸發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生觀察故障現(xiàn)象，特別是關(guān)注一些典型參數(shù)，如機(jī)組負(fù)荷、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)組振動(dòng)，軸向位移、真空、給水流量等參數(shù)。結(jié)合前期的專業(yè)理論知識(shí)，分析故障原因，找到相應(yīng)的故障處理方法。

（2）任務(wù)設(shè)計(jì)既相互獨(dú)立又彼此聯(lián)系，既需要學(xué)生的獨(dú)立思考，又需要團(tuán)隊(duì)合作共同完成。采用任務(wù)提出、任務(wù)分解、任務(wù)實(shí)施的任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，完成對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目訓(xùn)練要求。

每名學(xué)生需要做一個(gè)RB工況（在送風(fēng)機(jī)、空預(yù)器、引風(fēng)機(jī)、給水泵、一次風(fēng)機(jī)跳閘的RB工況中選出其中一個(gè)工況，具體分組情況見(jiàn)表1）、一個(gè)鍋爐故障和一個(gè)汽輪機(jī)故障，記錄相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，共計(jì)5分鐘，間隔時(shí)間及記錄次數(shù)見(jiàn)表2。然后繪制相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖，并根據(jù)趨勢(shì)圖進(jìn)行故障分析及診斷。對(duì)同一故障，學(xué)生可以幾個(gè)人一組，一人負(fù)責(zé)插入故障，其他人負(fù)責(zé)觀察不同的系統(tǒng)畫(huà)面，記錄不同參數(shù)的變化。

表1 RB工況分組情況

表2 RB工況及鍋爐故障、汽輪機(jī)故障數(shù)據(jù)記錄

（3）整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體，以能力訓(xùn)練為主線，將專業(yè)能力、分析能力、思考能力和知識(shí)應(yīng)用能力集于學(xué)生的能力實(shí)訓(xùn)過(guò)程中。整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程都需要學(xué)生動(dòng)手操作，需要學(xué)生結(jié)合前期的汽輪機(jī)原理、鍋爐原理、熱力發(fā)電廠、單元機(jī)組集控運(yùn)行等課程，用這些課程學(xué)過(guò)的理論知識(shí)解釋故障演練時(shí)發(fā)生的故障現(xiàn)象，分析故障原因，并提出處理方法，符合理論到實(shí)踐，實(shí)踐再回到理論的學(xué)習(xí)規(guī)律。除了提高了實(shí)踐能力外，學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力和畫(huà)圖能力等都得到了提高。

3.電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)考核方式

在考核方面，由于是實(shí)訓(xùn)類課程設(shè)計(jì)，將考核成績(jī)分三個(gè)方面考察：平時(shí)成績(jī)（20%），上機(jī)考核（40%），課程設(shè)計(jì)報(bào)告（40%）。

平時(shí)成績(jī)主要是根據(jù)平時(shí)出勤情況、仿真系統(tǒng)操作情況及故障處理情況適當(dāng)給分。上機(jī)考核采取抽簽的方式，針對(duì)某個(gè)設(shè)置故障進(jìn)行分析處理。時(shí)間規(guī)定為15分鐘完成，并將工況保存，由老師評(píng)定成績(jī)。課程設(shè)計(jì)報(bào)告包括三方面內(nèi)容：一是對(duì)仿真平臺(tái)介紹，二是對(duì)設(shè)備對(duì)象（鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等）介紹，三是報(bào)告的重點(diǎn)，根據(jù)要求，每位同學(xué)都要做一個(gè)RB工況及選取一個(gè)鍋爐故障和一個(gè)汽輪機(jī)故障，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并繪制曲線，要求有故障現(xiàn)象描述，包括哪些典型參數(shù)的變化，分析故障原因，以及擬采取的故障處理措施。

三、電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)實(shí)施效果

實(shí)踐證明，學(xué)生在仿真平臺(tái)上進(jìn)行故障過(guò)程的全模擬，既可以單機(jī)操作，又可以協(xié)同控制。學(xué)生通過(guò)該課程設(shè)計(jì)，能夠直觀了解爐、機(jī)和電的主要故障過(guò)程，運(yùn)行參數(shù)的變化，相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)變化等。鞏固并加深在前期專業(yè)理論課程中學(xué)到的典型故障，掌握典型故障的現(xiàn)象、產(chǎn)生原因、處理方法、預(yù)防措施。比較原來(lái)枯燥的事故理論講解，仿真平臺(tái)上可以全方位的體現(xiàn)。學(xué)生根據(jù)故障現(xiàn)象，掌握規(guī)律，得到了數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、繪圖等能力的訓(xùn)練。通過(guò)電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)，學(xué)生熟悉了電廠運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境，提高了應(yīng)用實(shí)踐能力，增強(qiáng)了電力企業(yè)就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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基金項(xiàng)目：本文系上海電力學(xué)院教改項(xiàng)目《電廠熱能動(dòng)力課程設(shè)計(jì)》實(shí)踐與教學(xué)（項(xiàng)目編號(hào)：20121404）的研究成果。