新工科背景下的化工仿真實驗課程教學探究

時雅濱 田 明 趙麗潔 宋廣鳳 高 丹 殷江平 張華博*

(1. 滄州交通學院，河北 黃驊 061199； 2. 河北科技工程職業(yè)技術大學，河北 邢臺 054000；3. 北京歐倍爾軟件技術開發(fā)有限公司，北京)

教育部在2017年2月18日提出了“工程新課程”，同時高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會由復旦大學舉行，并提出關于開發(fā)新工程的研究和實踐活動課程，這種策略可以有效地深化工程教育的改革，促進新工程學科的建設和發(fā)展[1]。今天，在世界范圍內正在迅速進行著新一輪的科學技術革命和產業(yè)轉型。隨著新產業(yè)、新模式、新技術、新業(yè)態(tài)為特征的新經濟的蓬勃發(fā)展，殷切須要大批量多元化、創(chuàng)新型工程科技人才。 猶如培育新品種，工業(yè)研究所和工程設計大學在地區(qū)經濟和現代化工業(yè)改革，并在建設新工程方面進行了重要努力，作為培育人才的基礎，在支持區(qū)域經濟發(fā)展、產業(yè)轉型和現代化中發(fā)揮著重要作用，并持續(xù)促進工程新學科的建設和發(fā)展[2]。這就對我國大學培養(yǎng)人才提出了新號召。高等學校在教學上必須轉變思想和方法，以順應社會發(fā)展的變化，從而達到知行合一的目的[3]。虛擬仿真技術在化工教學中的應用不但對學生的實踐能力有益，而且能夠滿足理論聯系實際的教學方針。在化學和工程學的教育教學中常規(guī)的實驗是必不可少的，在培養(yǎng)優(yōu)秀人才的過程中，實驗所扮演的角色顯得尤為重要[4，5]。 在化工實驗中，操作者頻繁暴露于各種有毒有害化學物質下，高溫高壓設備也使得實驗操作本身存在一定危險性，而且試驗場地、安全、設備、資金等限制因素影響測試教學的影響[6-7]。在教育信息化背景條件下，化工仿真實驗不僅是實驗教學的有效輔助措施，還是化學化工實驗教學的發(fā)展方向，為了使學生更加詳細地了解過程參數的正常操作條件、設備的工藝流程、開停車規(guī)程及事故處理手段等，掌握在典型化學生產過程中開停車、運行和消除事故的能力，故可采用計算機模擬化工實驗仿真課程進行實驗教學[8]。

我校在化工仿真實驗課程中使用的教學軟件是由北京歐倍爾軟件技術開發(fā)有限公司所開發(fā)提供，包括加熱爐、常規(guī)離心泵、催化劑萃取塔、電動往復式壓縮機、多效蒸發(fā)、固定床、罐區(qū)、鍋爐、過濾、換熱器、加熱爐、間歇釜、精餾塔、流化床、雙塔精餾、透平離心壓縮機、吸收解吸、液位控制、真空系統(tǒng)等化工單元操作虛擬仿真，本文以鍋爐仿真操作系統(tǒng)為例，討論化工仿真實驗課程的教學探究。

1 備課階段

凡事預則立，不預則廢。在教學中，充分備課是提高課堂教學質量和效果的基礎，尤其是化工仿真實驗課程，教師和學生在課前都需要做好相應準備，其中主要是鍋爐知識儲備和教學進程中學生可能會遇到的問題以及錯誤操作。

鍋爐知識儲備主要是兩個方面：

① 過熱蒸汽鍋爐工作原理 本課程為65 t/h電站過熱蒸汽鍋爐仿真，蒸汽鍋爐主要是通過燃燒后輻射段的火焰和高溫煙氣對水冷壁的鍋爐給水進行加熱，使鍋爐給水變成飽和水而進入汽包進行汽水分離，再通過對流室對來自于汽包的飽和蒸汽進行加熱即產生過熱蒸汽。

② 鍋爐除氧器的工作原理 鍋爐除氧器的原理是凝結水及補充水首先進入除氧頭內旋膜器組水室，在一定的水位差壓下從膜管的小孔斜旋噴向內孔，形成射流，呈均勻淋雨狀落到裝到其下的液汽網上，再進行深度除氧后流入水箱。

教學進程中學生可能會遇到的問題很多，例如本裝置的開車狀態(tài)壓力為常壓，溫度為環(huán)境溫度，所有可操作閥均需處于關閉狀態(tài)；牢記正常開車順序，泵啟動前應該先開前閥再開后閥；如需進行閥門調節(jié)應先將前后閥打開，之后在打開調節(jié)閥……除去以上所需注意問題之外還要求學生自行復習儀表自動化和化工原理等專業(yè)課程知識，加深對于各個化工單元及其設備操作原理的認識，如P101A/B高壓水泵、P102A/B空氣鼓風機、V101高壓瓦斯罐等。綜上所述，在課程進行之前教師和學生都要對鍋爐仿真操作系統(tǒng)完成相應知識預習，了解鍋爐工作流程，理解系統(tǒng)中調節(jié)器的當前值、給定值、控制閥開度、自動控制和手動控制，以確保在課堂中學生操作流程正常完成。

2 課程講解

首先進行工藝流程講解分析。本次課程主要設備為WGZ65/39-6型鍋爐，采用雙汽包結構，自然循環(huán)。外界來水經過除氧器熱力除氧和水位調節(jié)器后，經高壓水泵供鍋爐用水。鍋爐給水一部分經過減溫器回流至省煤器，而一部分直接進入省煤器。兩路給水調節(jié)閥通過過熱蒸汽溫度調節(jié)器分程控制，被煙氣加熱至256 ℃飽和水進入上汽包，然后經過對流管束流至下汽包，再通過下降管進入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱，在水冷壁里變成汽水混合物，最后進入上汽包汽水分離。從上汽包出來的256 ℃的飽和蒸汽經過低溫段過熱器、減溫器和高溫段過熱器，將蒸汽變?yōu)?77 ℃、3.9 MPa的過熱蒸汽回收。

然后指導學生完成正常開車運行。在開車前按要求完成準備工作，之后依次進行除氧器投運、鍋爐上水、燃料系統(tǒng)投運、鍋爐點火、鍋爐升壓、鍋爐并汽和鍋爐負荷提升操作。開車前準備工作完成后按照要求完成正常運行和調整，并提前將操作要點告知學生，如在正常運行中不允許中斷鍋爐給水；在運行中應經常監(jiān)視給水壓力和給水溫度的變化；控制鍋爐蒸發(fā)量必須高于40 000 kg/h；手動調整減溫水量時，不應猛增猛減；鍋爐低負荷時，酌情減少溫水量或停止使用減溫器；鍋爐在保證燃燒良好的條件下，盡量降低過?？諝庀禂?，降低鍋爐電耗；在鍋爐負荷變化時，應及時調整風量，保持鍋爐的汽壓和汽溫穩(wěn)定。

最后完成停車。停車前首先要降低鍋爐負荷。具體操作為停開加藥泵，緩慢開大減溫器開度，緩慢關小主汽閥，打開疏水閥。之后關閉燃料系統(tǒng)。具體操作為打開F10對火嘴進行吹掃，緩慢關閉高壓瓦斯壓力調節(jié)閥，緩慢關閉過熱蒸汽壓力調節(jié)閥，關鼓風機出口閥F2，停鼓風機，關閉煙道擋板。然后停上汽包上水。具體操作為關閉上汽包液位調節(jié)閥，關閉除氧器加熱蒸汽壓力調節(jié)閥，打開V01B101和V03B101，待爐膛溫度降為100 ℃后,關閉高壓水泵P101A/B。最后完成泄液。具體操作為待除氧器溫度降至80 ℃后，打開V03DW101泄液，開啟鼓風機出口閥、鼓風機和煙道擋板對爐膛進行吹掃，然后關閉。

3 課后輔導及事故講解

本次課堂學習鍋爐仿真操作任務操作內容繁瑣、講授內容細節(jié)多，因此在課堂實際操作中學生提出各種問題，例如在除氧罐和鍋爐上汽包液位顯示時，由于液位指示計0點之下留有一段空間，因此開始進料后液位要等一段時間才會有所指示。再如鍋爐給水一部分經減溫器回水至省煤器，另一部分直接進入省煤器，通過控制兩路水的流量來控制上汽包的進水溫度，兩股流量由一分程調節(jié)器TIC101控制，而鍋爐上水的總量只受上汽包液位調節(jié)器LIC102單回路控制。以上問題最好是在操作過程中由學生自己發(fā)現，教師進行課后輔導，以增強學生對于鍋爐操作系統(tǒng)的認知和探索。

另外在操作過程中由于涉及了許多成套設備、儀表、儀器、自動和手動控制系統(tǒng)，在運行時很多參數可能會因為超過警戒值報警，因此需要學生及時調整閥門使各個參數回復正常數值。但是還是有很多同學在運行時出現一些特定事故，課后教師應該對其匯總，并在教學qq群或微信群給學生進行講解。例如水位計液位指示突然超過可見水位上限，此時鍋爐滿水，處理時應該緊急停爐，先停燃料系統(tǒng)，再降低鍋爐負荷，最后停止上汽包上水。再如過熱蒸汽溫度降低，減溫水量不正常地減少，蒸汽溫度調節(jié)器不正常的忽大忽小、振蕩，此事故原因是減溫器內漏，減溫水進入過熱蒸汽，處理時應將TIC101改為手動，關減溫水調節(jié)閥，改用過熱器疏水閥暫時維持運行，從而降低負荷。學生遇到的事故很多，如鍋爐缺水、對流管壞、減溫器壞、蒸汽管壞、給水管壞、電源中斷、二次燃燒等，如若學生遇到此上事故，教師應及時給予講解，并督促學生重新開車訓練，讓學生達到學習的目的。

4 結束語

新工科建設對于化工專業(yè)人才培養(yǎng)效果提出了新要求，我?；谛鹿た平ㄔO和人才培養(yǎng)方案的要求，將化工仿真實驗課程定位為專業(yè)核心實驗課程，使用虛擬仿真開放性教學替代傳統(tǒng)實驗教學模式，結合理論教學，將專業(yè)基礎知識與課程實踐有機結合，將課本中抽象難懂和枯燥乏味的知識點轉化為生動形象的動畫演示，將走馬觀花式的瀏覽改變?yōu)樯砼R其境的操作，大幅提高學生動手能力，實現學生從學習者向工程實踐人員的身份轉變，著重培養(yǎng)化工領域新興技術人才，為新工科建設貢獻力量。