仿真教學(xué)在熱能動(dòng)力專業(yè)培養(yǎng)中的應(yīng)用

喬宏斌 王順

摘 要 結(jié)合熱能動(dòng)力專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程，從認(rèn)識(shí)專業(yè)階段、專業(yè)課程學(xué)習(xí)階段到綜合運(yùn)用知識(shí)階段，分層次有針對(duì)性地引入CAI及電廠仿真系統(tǒng)到理論教學(xué)中，讓學(xué)生在掌握理論知識(shí)之外提高動(dòng)手實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 熱能動(dòng)力；仿真教學(xué)；CAI

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）04-0037-03

Abstract During training of thermal power major， from the stage of understanding major， professional course stage and the stage of inte-grated use of knowledge， the power plant simulation system and CAI are introduced in theory teaching， through the implementation of the training program， make students to master theoretical knowledge and improve the practical ability.

Key words thermal power； simulation teaching； CAI

1 前言

熱能與動(dòng)力工程專業(yè)是培養(yǎng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門從事動(dòng)力機(jī)械（熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、流體機(jī)械、水利機(jī)械）的動(dòng)力工程（熱電廠工程、供熱工程、風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能利用、水電動(dòng)力工程）設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、開發(fā)的專業(yè)人才。該專業(yè)體現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換與利用過(guò)程中的機(jī)與電相結(jié)合，運(yùn)用信息化技術(shù)改造傳統(tǒng)行業(yè)。學(xué)生在大三、大四進(jìn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)，如“汽輪機(jī)原理”“鍋爐原理”“熱工過(guò)程控制”及后續(xù)的“集控運(yùn)行”等課程，如果僅僅只是停留在基本原理和課本的講述上，學(xué)生很難接受，教學(xué)效果也不好[1]。

自20世紀(jì)七八十年代開始，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，簡(jiǎn)稱CAI）和仿真機(jī)得到迅猛發(fā)展。隨著開發(fā)仿真機(jī)支撐平臺(tái)的增加及界面的交互性增強(qiáng)，開發(fā)成本大大降低，使得CAI及仿真機(jī)組訓(xùn)練成為電廠運(yùn)行操作人員培訓(xùn)、考核、資質(zhì)認(rèn)證的重要手段和首選方式[2]。高校為適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求，在實(shí)際教學(xué)中將CAI和仿真引入教學(xué)是非常必要的。在大學(xué)四年的培養(yǎng)過(guò)程中，可以分階段、分層次地引入CAI和仿真教學(xué)，分為以下三個(gè)階段。

2 認(rèn)識(shí)專業(yè)階段

認(rèn)識(shí)專業(yè)階段可采用電廠生產(chǎn)過(guò)程CAI軟件及參觀認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，這些CAI軟件的特點(diǎn)是集圖文、動(dòng)畫、音視頻等多種媒體手段于一體，把火電廠的設(shè)備及各系統(tǒng)全方位立體化地展現(xiàn)在學(xué)生面前。充分利用CAI軟件操作簡(jiǎn)單、方便快捷的特點(diǎn)，接受知識(shí)的過(guò)程將變得更具有吸引力，增強(qiáng)了趣味性。此類教學(xué)軟件的特點(diǎn)是交互性功能強(qiáng)大，導(dǎo)航策略清晰明了，學(xué)習(xí)過(guò)程充滿互動(dòng)，改變了傳統(tǒng)教學(xué)單向傳遞知識(shí)的弊端，給予學(xué)生最大的自由度。良好的導(dǎo)航策略，方便其在不同信息之間的轉(zhuǎn)換，快捷地搜尋到所需要的信息，使接受知識(shí)的過(guò)程變得更靈活，也更加具有主動(dòng)性。

借助于CAI課件的多媒體技術(shù)，能夠掌握電廠中各主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理及整個(gè)火力發(fā)電廠的能源轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，節(jié)省學(xué)習(xí)成本，提高教學(xué)質(zhì)量，有利于對(duì)相關(guān)專業(yè)課程的理解和掌握。

利用CAI教學(xué)軟件能完成以下主要教學(xué)內(nèi)容。

1）掌握火電廠的生產(chǎn)過(guò)程。借助視頻，輔以三維動(dòng)畫為主要表現(xiàn)形式，詳細(xì)地介紹火力發(fā)電廠各個(gè)部件的名稱、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電力生產(chǎn)的系統(tǒng)組成及電力生產(chǎn)的過(guò)程。

2）兩大熱力設(shè)備——鍋爐和汽輪機(jī)學(xué)習(xí)。以圖片和三維動(dòng)畫的形式，詳盡地對(duì)鍋爐設(shè)備和汽輪機(jī)設(shè)備的概念、結(jié)構(gòu)、功能、方位等方面進(jìn)行說(shuō)明，詳盡的文字注釋對(duì)圖片以及插放視頻畫面進(jìn)行解釋，更易于理解相關(guān)內(nèi)容。

3）熱力設(shè)備的解剖化呈現(xiàn)。對(duì)電廠中重要的設(shè)備，為便于了解其內(nèi)部構(gòu)造，充分利用計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫效果，形象逼真地展現(xiàn)熱力設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造，并配有相關(guān)的熱力系統(tǒng)圖。

4）學(xué)習(xí)效果檢測(cè)環(huán)節(jié)。由百余道測(cè)試題組成的題庫(kù)中，隨機(jī)抽取指定數(shù)目的題目作為測(cè)試題進(jìn)行學(xué)習(xí)效果的測(cè)試。該題庫(kù)具有自動(dòng)評(píng)分功能，既可檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，也可用來(lái)進(jìn)行實(shí)習(xí)考試。

通過(guò)這個(gè)階段電廠CAI軟件的學(xué)習(xí)，能給學(xué)生一個(gè)較為直觀的認(rèn)識(shí)，知道專業(yè)主要從事的行業(yè)和流程、設(shè)備的基本概況等，結(jié)合參觀認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，能收到更好的教學(xué)效果。

3 專業(yè)課程階段

進(jìn)入“汽輪機(jī)原理”“鍋爐原理”“熱工過(guò)程控制”等專業(yè)課階段，課本上比較注重原理性的講述，在實(shí)際設(shè)備的講述上由于條件限制，不太好展開。能源動(dòng)力的動(dòng)力設(shè)備涉及運(yùn)行、維護(hù)、檢修等多崗位，包括大型火電機(jī)組運(yùn)行、核電機(jī)組運(yùn)行等，往往涉及環(huán)境極端、危險(xiǎn)性大、成本高等問(wèn)題。這些動(dòng)力設(shè)備（汽機(jī)和鍋爐）的理論講述非常重要。同時(shí)，作為從事動(dòng)力行業(yè)的技術(shù)人員，深入了解設(shè)備的具體組成和工作工程，在某種程度上說(shuō)更加有必要，這樣能讓學(xué)的知識(shí)真正活起來(lái)，而不僅僅是一些課本的理論。

在實(shí)際教學(xué)中，可結(jié)合具體內(nèi)容，輔以仿真軟件，逐步引導(dǎo)學(xué)生接觸此類仿真軟件。比如汽輪機(jī)，較于鍋爐設(shè)備，更加抽象，邏輯控制功能也更加復(fù)雜。此時(shí)可將電廠仿真軟件的就地部分逐步介紹給學(xué)生，如汽輪機(jī)中的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)[3]，尤其是潤(rùn)滑油系統(tǒng)，結(jié)合仿真系統(tǒng)的就地和DCS畫面，讓學(xué)生能初步了解其工作過(guò)程及控制規(guī)律。這些就地和DCS畫面是嚴(yán)格按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的方式繪制的，包括所有的旁路、閥門、保護(hù)裝置等，讓學(xué)生具有真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)感，了解系統(tǒng)的復(fù)雜性和必要性，為后續(xù)整個(gè)仿真系統(tǒng)的掌握奠定基礎(chǔ)。

在汽輪機(jī)和鍋爐之后，熱工控制是學(xué)生普遍感覺(jué)比較枯燥的一門課程，他們的感覺(jué)是把自控原理又講了一遍，無(wú)非是結(jié)合了對(duì)象而已。此時(shí)，可結(jié)合熱工過(guò)程控制仿真平臺(tái)，把枯燥的理論知識(shí)變得生動(dòng)有趣起來(lái)。這個(gè)仿真系統(tǒng)可以支撐以下工作：

1）模擬電廠發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程；

2）通過(guò)分散控制系統(tǒng)研究平臺(tái)，修改具體過(guò)程控制邏輯，測(cè)試新型控制策略，組建機(jī)組的DCS邏輯，重現(xiàn)DCS在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果；

3）通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程信息化研究平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)SIS系統(tǒng)的功能測(cè)試。

通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，學(xué)生可以完成下面的學(xué)習(xí)。

1）復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的建模。熱工過(guò)程控制仿真平臺(tái)包括仿真對(duì)象建模支撐平臺(tái)和完善的熱工對(duì)象模塊庫(kù)，如閥門、管道、風(fēng)機(jī)、受熱面等，可以實(shí)現(xiàn)各種熱工對(duì)象的建模研究，直至建立整個(gè)機(jī)組模型。

2）控制策略的分析與研究。熱工過(guò)程控制仿真平臺(tái)提供了完善的常規(guī)控制算法庫(kù)和通信接口，包括實(shí)現(xiàn)常規(guī)電站機(jī)組控制所需的各種控制運(yùn)算模塊，如PID控制、Smith預(yù)估控制等。通過(guò)現(xiàn)有控制算法的搭建，實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制策略，包含DAS、MCS、SCS、FSSS、DEH、ETS等內(nèi)容。熱工過(guò)程控制仿真平臺(tái)還可用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)優(yōu)化模塊的編制。對(duì)于高級(jí)控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，用戶能通過(guò)編程（C語(yǔ)言）建立自己的算法模塊，并添加到控制平臺(tái)中，方便調(diào)用。

3）SIS及優(yōu)化運(yùn)行的研究。熱工過(guò)程控制仿真平臺(tái)包括RD6DB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)開放，能夠提供ODBC、API、OPC等多種數(shù)據(jù)接口方式，根據(jù)實(shí)際需求，為二次開發(fā)提供基礎(chǔ)，可以利用此平臺(tái)實(shí)現(xiàn)SIS系統(tǒng)的全部功能。

通過(guò)借助仿真機(jī)軟件對(duì)這些專業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)，能讓學(xué)生較為深刻地認(rèn)識(shí)實(shí)際的設(shè)備，但這些對(duì)主要?jiǎng)恿υO(shè)備和電廠控制策略的模擬操作的認(rèn)識(shí)還只是孤立的，并未形成系統(tǒng)知識(shí)，需要進(jìn)入第三個(gè)階段，將這些分散的知識(shí)系統(tǒng)化。

4 綜合運(yùn)用階段

專業(yè)知識(shí)的強(qiáng)化及運(yùn)行技能的提高需要通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練來(lái)實(shí)現(xiàn)，而在真實(shí)機(jī)組上進(jìn)行訓(xùn)練，由于其危險(xiǎn)性、高成本等原因，往往難以做到。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一次機(jī)組停機(jī)后，僅重新啟動(dòng)，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)百萬(wàn)元，還不包括電量損失。換句話說(shuō)，如果在真實(shí)設(shè)備上讓學(xué)生開展一次機(jī)組啟動(dòng)實(shí)訓(xùn)，則需耗資百萬(wàn)，而且只能是完成一次啟動(dòng)過(guò)程。此外，誤操作還可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、設(shè)備壽命損失和人身傷害，這些損失則難以估計(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)跟班培訓(xùn)的方法，其特點(diǎn)是成效很慢，效果也不好。同時(shí)，這種培訓(xùn)方式或多或少給電廠的正常運(yùn)行帶來(lái)影響，存在一定的安全隱患，成本太高。所以，傳統(tǒng)的在真實(shí)設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法，在現(xiàn)實(shí)中常常是不可行的，需要通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）系統(tǒng)來(lái)完成。仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）不但能累積經(jīng)驗(yàn)、增長(zhǎng)技能，而且能減少真實(shí)環(huán)境存在的危險(xiǎn)，節(jié)省大量訓(xùn)練成本。

燃煤火電機(jī)組仿真系統(tǒng)是模擬電站燃煤發(fā)電機(jī)組的鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)、汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)、電氣設(shè)備與系統(tǒng)流程及特性的一種全范圍數(shù)字仿真系統(tǒng)。操作員站（實(shí)）與相關(guān)機(jī)組數(shù)學(xué)模型（虛）相結(jié)合，虛擬仿真與實(shí)物之間相結(jié)合，從而提供與現(xiàn)場(chǎng)相像的運(yùn)行實(shí)習(xí)環(huán)境。

針對(duì)具體培養(yǎng)方案，可開展火電機(jī)組仿真系統(tǒng)、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組及火電機(jī)組集控運(yùn)行仿真實(shí)訓(xùn)，包括以下具體內(nèi)容。

火電機(jī)組仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的正常操作功能：可完成冷態(tài)到溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)的啟動(dòng)及滿負(fù)荷的各項(xiàng)操作；鍋爐設(shè)備、汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)跳閘后恢復(fù)到額定負(fù)荷；火電機(jī)組從滿負(fù)荷正常停機(jī)到滑參數(shù)停機(jī)狀態(tài)；鍋爐吹掃與點(diǎn)火、汽機(jī)啟動(dòng)和發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)等其他指定工況的啟、?；蛏?、降負(fù)荷操作；熱力設(shè)備和控制系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)及各系統(tǒng)間的聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn)。

作為一種清潔、高效發(fā)電技術(shù)，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電近年來(lái)在我國(guó)發(fā)展較快，為使學(xué)生有機(jī)會(huì)接受此類發(fā)電機(jī)組運(yùn)行實(shí)訓(xùn)，可開展以下燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組仿真實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）項(xiàng)目。

1）聯(lián)合循環(huán)機(jī)組輔助系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程訓(xùn)練：電氣送電過(guò)程、機(jī)組公用系統(tǒng)投運(yùn)、燃?xì)廨啓C(jī)輔助系統(tǒng)投運(yùn)、汽機(jī)輔助系統(tǒng)投運(yùn)、余熱鍋爐輔助系統(tǒng)投運(yùn)。

2）燃?xì)廨唵?dòng)、停止過(guò)程訓(xùn)練：燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、余熱鍋爐升溫升壓過(guò)程、汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、發(fā)電機(jī)并列、燃?xì)廨啓C(jī)升負(fù)荷過(guò)程、燃?xì)廨啓C(jī)燃燒方式切換過(guò)程、IGV調(diào)節(jié)過(guò)程、機(jī)組協(xié)調(diào)控制過(guò)程、燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)過(guò)程、燃?xì)廨啓C(jī)離線水洗過(guò)程、機(jī)組停機(jī)過(guò)程、機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)等。

3）聯(lián)合循環(huán)機(jī)組故障處理訓(xùn)練：燃?xì)廨啓C(jī)主要事故處理過(guò)程，余熱鍋爐、汽輪機(jī)、電氣系統(tǒng)主要事故處理過(guò)程等。

火電機(jī)組集控運(yùn)行仿真可開展以下發(fā)電機(jī)組運(yùn)行內(nèi)容。

1）熟悉系統(tǒng)：熟悉DCS系統(tǒng)及發(fā)電廠生產(chǎn)工藝流程。

2）機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)：模擬機(jī)組大小修后的啟動(dòng)操作，即從送電開始，輔機(jī)分步試運(yùn)轉(zhuǎn)，按規(guī)程及機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線進(jìn)行鍋爐點(diǎn)火、升溫升壓、汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，直到帶滿負(fù)荷。

3）運(yùn)行調(diào)整：模擬機(jī)組在不同負(fù)荷段范圍內(nèi)進(jìn)行負(fù)荷變化，在手動(dòng)方式下調(diào)整各個(gè)主要參數(shù)，要求學(xué)生能夠熟練掌握燃燒調(diào)整、風(fēng)量調(diào)節(jié)、氣溫調(diào)節(jié)、給水調(diào)節(jié)等方法與技巧。

4）滑參數(shù)停機(jī)：模擬機(jī)組正常停機(jī)的操作，按規(guī)程及滑參數(shù)停機(jī)曲線進(jìn)行降溫、降壓、降負(fù)荷操作，直至完全停機(jī)。

5）熱態(tài)啟動(dòng)：模擬機(jī)組臨檢、調(diào)停等狀態(tài)的啟動(dòng)操作。

上述為正常操作訓(xùn)練功能。除此之外，仿真機(jī)能模擬現(xiàn)場(chǎng)故障，這一功能對(duì)于電廠培訓(xùn)尤為重要，因?yàn)檫@些故障很多都是破壞性的，在現(xiàn)場(chǎng)中不可能人為實(shí)現(xiàn)。但這種訓(xùn)練對(duì)于操作人員是必須要掌握的技能，通過(guò)仿真機(jī)能模擬和重演這些故障。

仿真機(jī)中的故障與事故來(lái)源于兩個(gè)方面：一種是誤操作引起的；另一種是由教練員根據(jù)運(yùn)行培訓(xùn)需要，人為設(shè)置的。無(wú)論是誤操作還是人為設(shè)置，其表現(xiàn)出來(lái)的參數(shù)偏差及不同故障現(xiàn)象應(yīng)與真實(shí)機(jī)組盡可能一致。多種故障可以疊加。對(duì)于各種故障或事故，學(xué)生（學(xué)員）可在工作站上進(jìn)行處理，這時(shí)仿真系統(tǒng)應(yīng)能正確表現(xiàn)學(xué)生（學(xué)員）的處理情況，如果處理正確，故障或事故應(yīng)不斷減小，直至消除；如處理措施不當(dāng)，應(yīng)模擬出事故擴(kuò)大后的現(xiàn)象與真實(shí)機(jī)組反應(yīng)一樣。

通過(guò)這個(gè)階段兩周或四周的集中實(shí)踐學(xué)習(xí)，能讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握一個(gè)合格的電廠操作人員所具備的基本操作技能，在激烈的人才市場(chǎng)上捷足先登，更容易獲得更好的就業(yè)機(jī)會(huì)。

5 結(jié)論

通過(guò)在熱能動(dòng)力專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中，在不同階段將CAI和仿真系統(tǒng)有針對(duì)和分層次地加入，最終在火電機(jī)組仿真系統(tǒng)上開展實(shí)訓(xùn)，能夠讓學(xué)生對(duì)熱工基礎(chǔ)課程和鍋爐、汽輪機(jī)、電氣設(shè)備等專業(yè)課程中所學(xué)的理論知識(shí)達(dá)到融會(huì)貫通，并完整了解電力生產(chǎn)過(guò)程，了解不同機(jī)組的特點(diǎn)，掌握機(jī)組設(shè)備啟動(dòng)停止方法和參數(shù)調(diào)整等運(yùn)行技能，熟悉部分典型事故的現(xiàn)象，鍛煉其分析、處理事故的能力，使得培養(yǎng)的學(xué)生成為既具有較為扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又具有較強(qiáng)動(dòng)手能力的應(yīng)用型人才，最大限度地滿足企業(yè)對(duì)人才的需求。

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