煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗建設(shè)

曹衛(wèi) 陽程 周海

摘要：針對我校過程裝備與控制工程專業(yè)煙氣凈化脫硝、除塵、脫硫?qū)嶒炘O(shè)備的大型化、高成本、高消耗、高維護、操作危險等特殊性建設(shè)虛擬仿真實驗，確定實驗方案、實驗?zāi)康?、實驗教學(xué)方法、實驗實施過程、實驗內(nèi)容和實驗步驟，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗室難以完成的教學(xué)功能，使教學(xué)更直觀，提高實驗教學(xué)效果，培養(yǎng)出更能適應(yīng)社會、經(jīng)濟、科技需求的具有實踐能力的節(jié)能環(huán)保應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：煙氣凈化；裝備；虛擬仿真；實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）34-0277-02

一、實驗方案設(shè)計

以煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗教學(xué)資源為中心，開設(shè)虛擬煙氣凈化工藝布置、虛擬脫硝、靜電除塵、脫硫裝備結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)優(yōu)化等一系列虛擬仿真實驗，營造開放共享的虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境，最終建設(shè)成集虛擬資源、創(chuàng)新設(shè)計和教學(xué)管理于一體，具有良好自主性、交互性、可擴展性和安全性的虛擬仿真實驗項目。借助江蘇某環(huán)保股份有限公司的先進技術(shù)力量、實體資源、運行數(shù)據(jù)及研發(fā)實力，同時依托我校機械設(shè)計制造及其自動化品牌專業(yè)，江蘇高校生態(tài)建材與環(huán)保裝備協(xié)同創(chuàng)新中心和江蘇省新型環(huán)保重點實驗室教學(xué)資源共同研發(fā)、共同使用。針對煙氣凈化等過程設(shè)備設(shè)計課程的需求以及人才培養(yǎng)的具體要求，確定教學(xué)資源的研發(fā)重點，提出了按照煙氣凈化實際全生產(chǎn)流程（煙氣發(fā)生→脫硝→靜電除塵→脫硫→潔凈煙氣排放）高仿真的教學(xué)構(gòu)建模式，形成教學(xué)資源相互聯(lián)系、交叉、支撐的實驗教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗活動，提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

二、實驗?zāi)康?/p>

基于工藝裝備模型進行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以達到提高脫硝、除塵、脫硫效果，滿足環(huán)保達標要求的目的。開展系統(tǒng)的煙氣凈化裝置控制與優(yōu)化虛擬仿真實驗，讓學(xué)生了解并掌握脫硫、脫硝、除塵工藝技術(shù)，掌握脫硫、脫硝、除塵裝備工作原理及結(jié)構(gòu)，熟悉脫硫、脫硝、除塵裝備的操作規(guī)程并進行優(yōu)化調(diào)整，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中，不受時間、空間的制約，隨時隨地進入虛擬實驗室進行虛擬實驗操作，最大化利用教學(xué)資源，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)研究興趣，提高獨立分析解決問題和創(chuàng)新設(shè)計的能力。

三、實驗教學(xué)方法

在實驗教學(xué)中，以熟悉煙氣凈化裝置的結(jié)構(gòu)和操作使用方式為目的，強調(diào)煙氣凈化裝置結(jié)構(gòu)組成、工作原理及性能特點與凈化工藝和效率的關(guān)系，將課本抽象的知識形象化，使學(xué)生能夠較為真實地體會煙氣凈化過程，并將知識點融會貫通，切實掌握煙氣凈化裝置的理論知識。實驗中遵循以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，讓學(xué)生親自動手操作和演示實驗裝置，教師負責(zé)實驗方法的講解和實驗過程監(jiān)控，并對學(xué)生在操控、演示中出現(xiàn)的問題加以引導(dǎo)，通過啟發(fā)的形式使學(xué)生認識出現(xiàn)問題的關(guān)鍵所在，增強學(xué)生對知識的獲取興趣和獲取能力，培養(yǎng)學(xué)生知識學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。教師通過提問、質(zhì)疑等方式激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象，對煙氣凈化裝備結(jié)構(gòu)等提出新的想法，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，并引導(dǎo)學(xué)生提高解決實際問題的綜合能力。

四、實施過程

實驗教學(xué)采用線下與線上結(jié)合的方式進行。線下主要由學(xué)生根據(jù)教師要求進行仿真練習(xí)，熟悉整套仿真系統(tǒng)的使用方法及步驟，而線上主要由專業(yè)教師進行集中教學(xué)管理、資源管理、考核管理等，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺進行相應(yīng)的煙氣凈化仿真操作練習(xí)、系統(tǒng)嵌入的PDF素材及Flash動畫等資源的查看學(xué)習(xí)，隨時留下學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問題，由線上教師負責(zé)答疑。實驗教學(xué)當(dāng)中，教師通過提問、質(zhì)疑等方式激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象，對煙氣凈化裝備結(jié)構(gòu)等提出新的想法，充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，并引導(dǎo)學(xué)生提高解決實際問題的綜合能力。教師可以根據(jù)具體的課程需要進行線上的仿真考試，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)和學(xué)習(xí)效果，督促學(xué)生學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

結(jié)合目前虛擬仿真實驗所具有的功能和課程教學(xué)要求，煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗完整實施過程有如下6個步驟：（1）右鍵以管理員身份運行“煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗.exe”。（2）在彈出的對話框中選擇分辨率1280*720，勾選“window”，點擊“play”。（3）在窗口中，將鼠標放置在左上角，彈出菜單。（4）點擊“任務(wù)”，出現(xiàn)播放的案例。（5）點擊案例“煙氣凈化工藝系統(tǒng)原理展示”，出現(xiàn)畫面，左鍵關(guān)閉黑板右上角的乘號圖標，點擊左側(cè)“menu”。（6）點擊示范操作即可案例播放。

五、實驗內(nèi)容及步驟

煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗主要包括煙氣凈化工藝流程優(yōu)化設(shè)計、煙氣凈化裝置結(jié)構(gòu)組成認識、煙氣凈化裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、煙氣凈化裝置操作優(yōu)化、煙氣凈化裝置故障診斷5個模塊。在煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗中，主要是讓學(xué)生熟悉煙氣凈化的脫硝、靜電除塵、脫硫工藝流程，掌握煙氣凈化的脫硝、靜電除塵、脫硫核心裝備的工作原理和結(jié)構(gòu)以及性能參數(shù)對脫硝、除塵、脫硫效率的影響，掌握脫硝、靜電除塵、脫硫裝備和操作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法。在實驗中記錄實驗的過程，熟悉如何操作煙氣凈化裝備和故障診斷分析。在實驗中，針對不同煙氣成分和顆粒性質(zhì)，調(diào)整局部結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)進行仿真實驗，通過觀察物質(zhì)反應(yīng)、多相流流場特性來調(diào)整模型結(jié)構(gòu)，分析煙氣凈化的效率和效果，進而對比分析煙氣性質(zhì)、操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對煙氣凈化效率和效果之間的關(guān)系，從而掌握節(jié)能降耗的基本規(guī)律。在實驗結(jié)果中需要觀察現(xiàn)象和結(jié)合數(shù)據(jù)分析得到實驗結(jié)論。在實驗過程中根據(jù)實驗指導(dǎo)書中提出的問題，對實驗現(xiàn)象和過程進行判斷。

實驗步驟具體如下：（1）針對典型的燃煤鍋爐、鋼鐵冶煉燒成焦化、水泥窯等尾氣，分析不同的煙氣組成和不同煙氣凈化工藝的優(yōu)缺點及使用場合，進行煙氣凈化系統(tǒng)工藝優(yōu)化設(shè)計。（2）對煙氣凈化裝置中核心設(shè)備脫硝反應(yīng)器、靜電除塵器本體、脫硫噴淋塔煙氣凈化動畫仿真、零部件展示和模擬組裝，掌握核心設(shè)備結(jié)構(gòu)的主要功能和裝配方法。（3）針對煙氣凈化裝置中脫硝反應(yīng)器、靜電除塵器本體、脫硫噴淋塔不同結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)進行結(jié)構(gòu)分析實驗和對比實驗來優(yōu)化提高脫硝、除塵和脫硫效率。（4）對煙氣凈化裝置中脫硝反應(yīng)器、靜電除塵器本體、脫硫噴淋塔中與脫硝效率、除塵效率和脫硫效率影響的核心結(jié)構(gòu)進行探索性創(chuàng)新設(shè)計實驗，掌握提高脫硝效率、除塵效率和脫硫效率的有效方法。（5）結(jié)合工藝流程演示采用析因?qū)嶒灧ǚ治龉收袭a(chǎn)生的原因，掌握故障排除的方法。

六、結(jié)論

通過完成虛擬實驗任務(wù)，能有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，既讓學(xué)生較為真實地感受了煙氣凈化場景，生動直觀地再現(xiàn)了脫硝、脫硫、靜電除塵等機電裝備的結(jié)構(gòu)和工作過程，又幫助學(xué)生掌握了相關(guān)理論知識。實驗采用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為學(xué)生逼真展現(xiàn)脫硝反應(yīng)器、靜電除塵器和脫硫噴淋吸收塔等機電設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理與性能特點，為學(xué)生熟悉煙氣凈化生產(chǎn)環(huán)境，掌握煙氣凈化裝置機械設(shè)計、工作原理，研究設(shè)備與環(huán)保脫硝、除塵、脫硫效率的匹配關(guān)系具有重要意義。煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗教學(xué)，能夠加深學(xué)生對煙氣凈化系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過程的認知程度，提高學(xué)生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

參考文獻：

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