全國油氣儲運工程設(shè)計大賽對輸氣管道教學方式的啟發(fā)

方麗萍,賴家鳳,喻 鵬,梁金祿,周 雄

(北部灣大學 石油與化工學院 ,廣西 欽州 535011)

2017年5月，國家發(fā)展改革委國家能源局發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》中指出，2015年底，我國天然氣主干管道里程已達到6.4萬公里，用氣人口從2010年的1.9億人上升到2015年的2.9億人。到2020年，全國油氣管網(wǎng)規(guī)模達到16.9萬公里，其中天然氣管道里程達到10.4萬公里；到2025年，全國油氣管網(wǎng)規(guī)模達到24萬公里，全國省區(qū)市天然氣主干管網(wǎng)全部接通，50萬人口以上的城市天然氣管道基本接入，天然氣管網(wǎng)里程達到16.3萬公里。天然氣管道里程年均增長9.8%。到2030年，天然氣利用逐步覆蓋到小城市、城郊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，基本形成現(xiàn)代油氣管網(wǎng)體系。在此背景下，輸氣管道設(shè)計與管理的教學目標和質(zhì)量倍受關(guān)注。

1 全國油氣儲運工程設(shè)計大賽參賽隊伍能力的要求

全國油氣儲運工程設(shè)計大賽始于2016年，由中國石油學會主辦、中國石油大學(華東)承辦，每年舉辦一次。在此之前，與油氣儲運工程專業(yè)最接近的學科競賽是全國石油工程設(shè)計大賽的地面集輸部分。大賽目的在于激勵學生學習積極性，提高大學生運用油氣儲運工程專業(yè)知識解決實際問題的綜合能力，檢驗學生的知識基礎(chǔ)，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維，推動大學油氣儲運教學體系、教學內(nèi)容和教學方法的改革。大賽賽題取自現(xiàn)場工程實際，每年賽題包含兩個方向。從這兩年的參賽情況來看，長輸管道的參賽數(shù)和獲獎數(shù)均高于油田方向。見表1。

表1 全國油氣儲運工程設(shè)計大賽賽題及近三年參賽情況

油田方向的賽題中，參賽作品需根據(jù)井口布置及發(fā)展規(guī)劃，完成油氣井口集輸?shù)膬?yōu)化設(shè)計，根據(jù)油氣性質(zhì)選擇油氣處理方案，實現(xiàn)安全經(jīng)濟的目標。長距離管道的賽題中，需對原油或天然氣長輸管道進行設(shè)計，確定河流跨越或穿越方案，輸油管道需設(shè)計火車裝車方案，輸氣管道需考慮沿線工業(yè)園用氣需求。完成一個參賽作品，必須具備幾方面的能力：

(1)對賽題進行分析，根據(jù)團隊的優(yōu)勢選擇參賽題目。具備與團隊的溝通能力和團結(jié)協(xié)作的能力。

(2)根據(jù)油品的物理化學性質(zhì)進行基本的計算。建立數(shù)學模型，能夠運用編程語言編制優(yōu)化程序、運用專業(yè)軟件如pipephase、pipeflow、OLGA、hysys進行計算及模擬，并根據(jù)所學知識對計算結(jié)果校核。運用技術(shù)經(jīng)濟學的知識對設(shè)計方案的經(jīng)濟性進行比選。

(3)熟練運用AutoCAD、CorelDraw等繪圖軟件，把站場、管道等設(shè)計作品繪制出來。

(4)從網(wǎng)絡(luò)資源或書籍中獲取信息，關(guān)注科技前沿，把新技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計作品中。

2 應(yīng)對儲運設(shè)計大賽輸氣管道的教學改革思路

《輸氣管道設(shè)計與管理》是油氣儲運工程的主干專業(yè)課之一。特別是以天然氣和城市燃氣為特色及主要就業(yè)方向的高校，《輸氣管道設(shè)計與管理》的學時相對較高。在進行輸氣管道設(shè)計，需基于物理、化學知識進行氣體物理化學性質(zhì)計算；基于流體力學進行水力計算；基于熱力學及傳熱學進行熱力計算并判斷水合物形成的可能；基于泵和壓縮機計算壓氣站和管道聯(lián)合工作的工作點，布置壓氣站；基于機械設(shè)計及管罐強度對管道強度進行校核；基于技術(shù)經(jīng)濟學對設(shè)計方案的經(jīng)濟性進行校核；基于C語言或matlab進行編程，計算管網(wǎng)各節(jié)點的壓力及流量，掌握初步優(yōu)化及穩(wěn)態(tài)計算等等。因此，在修《輸氣管道設(shè)計與管理》前，需先修物理化學、工程流體力學、熱力學、傳熱學、泵和壓縮機、機械設(shè)計基礎(chǔ)、管道及儲罐強度設(shè)計等課程。在以能力為導向的模塊化人才培養(yǎng)方案里，《輸氣管道設(shè)計與管理》課程修完之后，學生需具備天然氣長輸管道設(shè)計、應(yīng)力校核、熱力計算、水合物形成區(qū)域判斷、壓氣站布置等能力。目前大部分《輸氣管道設(shè)計與管理》課程所使用的教材為李玉星教授編寫的《輸氣管道設(shè)計與管理》及王樹立教授編寫的《輸氣管道設(shè)計與管理》。這兩部教材的章節(jié)均以"天然氣物理化學性質(zhì)-天然氣凈化-氣體管流基本方程-水力計算-熱力計算-壓氣站與輸氣管聯(lián)合工作-輸氣站-干線優(yōu)化設(shè)計-城市配氣系統(tǒng)"為主線進行編排。不同的是，王樹立教授的教材添加了部分氣田集輸及小區(qū)液化氣管道供應(yīng)等內(nèi)容；李玉星教授的教材注重模擬仿真的介紹及理論計算。在以往的教學中，課程的教學內(nèi)容的與教材一一對應(yīng)，除了例題之外，缺少相應(yīng)的設(shè)計素材。課堂上難免枯燥乏味，學生也得不到鍛煉設(shè)計的機會。

在近幾年的教學改革中，為了使課堂教學貼近實際，生動形象，嘗試過一些方法。如借鑒CDIO的理念，設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計性實驗，要求學生通過設(shè)計、實現(xiàn)、觀察進而分析結(jié)果，得出自己的結(jié)論。考核時將輸氣管道的各部分設(shè)計內(nèi)容作為大作業(yè)，將大作業(yè)和綜合性創(chuàng)新實驗作為考核內(nèi)容之一[1]；搜集學生較為熟悉的天然氣管道資料，如流程圖、安裝圖，配以實物圖片和影像資料；將難以實物演示的環(huán)節(jié)做成3D動畫等便于展示的媒體素材[2-3]；按管道設(shè)計工作過程為導向重新組織教學內(nèi)容，僅把教材作為參考書，并額外補充工程設(shè)計規(guī)范等相關(guān)內(nèi)容[4]。基于普通本科學生的現(xiàn)狀及學校的實驗條件，設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計性實驗幾乎不可能實現(xiàn)；而制作3D動畫需耗費大量的財力資源，在目前高校經(jīng)費和獎勵制度普遍重科研輕教學的形勢下，也難以完成。因此，近幾年《輸氣管道設(shè)計與管理》的教學改革以布置大作業(yè)和上機實驗為主，以管道設(shè)計工作過程為導向組織教學內(nèi)容。

近兩年，全國油氣儲運工程設(shè)計大賽的開展大大提高了學生上課的積極性和主觀能動性。從組隊到選題，到作品的設(shè)計過程均以目標為導向。鑒于這一點，再次對《輸氣管道設(shè)計與管理》進行教學改革，修改大賽設(shè)計題目作為案例，以實現(xiàn)題目要求為目標組織教學內(nèi)容，輔以教材相應(yīng)知識作為指導。

3 以設(shè)計目標為導向的輸氣管道教學改革的實施

在心理學中有一個有趣的定律：可見目標定律?？吹靡姟虻弥哪繕?，人們更愿意去完成它。相反，若一個目標渺渺無期，則將使人失去實現(xiàn)它的動力。在進行教學設(shè)計時，圍繞設(shè)計目標尋找設(shè)計思路，在實現(xiàn)設(shè)計思路的過程中逐個解決所涉及的問題。將最終設(shè)計目標分解成若干個小目標，將每一個小目標的實施思路組織成每一次課的教學內(nèi)容。把小目標設(shè)計時涉及的知識點以關(guān)鍵詞的形式布置課前作業(yè)，讓學生從網(wǎng)上或書籍中搜集相關(guān)內(nèi)容。在課堂講授時穿插工程設(shè)計規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定及前沿科技知識。這樣，把一個設(shè)計過程切割成每節(jié)課均可完成的小目標，不僅能夠提高學生的學習熱情，也可讓他們在學到知識的感覺中找到自信。

除了《輸氣管道設(shè)計與管理》這門課程的教學需要進行改革之外，也對輸氣管道的先修課程《工程制圖》進行部分改革，以滿足《輸氣管道設(shè)計與管理》課堂教學及課程設(shè)計的需要。在以往的工程制圖課程教學中，主要有兩大部分內(nèi)容。一是畫法幾何，二是工程制圖及CAD繪圖。機械專業(yè)的學生偏重機械制圖，但油氣儲運工程專業(yè)的學生，除能夠?qū)C械圖樣進行識讀之外，還需能夠掌握管道布置圖、工藝流程圖、平面布置圖的知識。若要參加儲運設(shè)計大賽，還需要能夠進行三維圖樣的繪制。為了讓學生對各個站場的設(shè)備及布置有個感性的認識，引進聯(lián)合站、壓氣站、LNG接收站等典型站場的模型。在《工程制圖》課程中，訓練學生通過觀察模型實物圖，繪制相應(yīng)的管道布置圖、工藝流程圖和平面布置圖。在CAD教學的后期，邀請設(shè)計公司的工程師講授小區(qū)管道燃氣的布置原則及圖樣繪制。在《輸氣管道設(shè)計與管理》課程中，進行壓氣站布置或天然氣凈化處理設(shè)計時，可讓學生參照各個站場模型布置站場，并根據(jù)實際條件對站場布置或引進設(shè)備進行創(chuàng)新。

4 結(jié)語

在全國油氣管網(wǎng)建設(shè)進度加快的趨勢下，《輸氣管道設(shè)計與管理》這門課程擔負著巨大的使命。全國油氣儲運工程設(shè)計大賽“以賽促學、以賽促教、以賽促研”的理念，激起學生學習的興趣和熱情。來自工程實際的賽題數(shù)據(jù)，為輸氣管道課程的教學提供豐富的素材。在應(yīng)用型大學以能力為導向的教學理念中，以設(shè)計目標為導向的教學改革，使學生學有所成，學以致用，為我國油氣管道建設(shè)做出更大的貢獻。