鍋爐水處理作業(yè)仿真培訓(xùn)考核模擬機設(shè)計

賈丙麗* 車 剛

(泰安市特種設(shè)備檢驗研究院)

0 引言

鍋爐水處理操作是一項對過程要求很高的工作，作業(yè)人員應(yīng)了解和掌握鍋爐水處理原理和故障排除等知識，鍋爐水處理作業(yè)一旦出現(xiàn)問題，將會導(dǎo)致鍋爐結(jié)垢、腐蝕及汽水共騰等危害，使電站造成巨大損失。根據(jù)TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，鍋爐水處理作業(yè)人員應(yīng)當(dāng)按照《特種設(shè)備作業(yè)人員監(jiān)督管理辦法》的規(guī)定持證上崗，按章作業(yè)。

本文中的鍋爐水處理作業(yè)仿真培訓(xùn)考核模擬機是專門為特種設(shè)備作業(yè)人員考試機構(gòu)的鍋爐水處理作業(yè)人員培訓(xùn)考試而研制的，同時也可以作為電力學(xué)校學(xué)生的實訓(xùn)模擬機和企業(yè)崗前培訓(xùn)模擬機。結(jié)合教材理論知識培訓(xùn)，重點就設(shè)備動手操作、故障排除、樹脂再生等實操性問題進(jìn)行真實再現(xiàn)及演示，使水處理作業(yè)人員達(dá)到考核要求。

1 需求分析

新修訂的《特種設(shè)備作業(yè)人員考核規(guī)則》TSG Z6001—2019自2019年6月1日起正式實施，與原標(biāo)準(zhǔn)（TSG Z6001—2013）相比，TSG Z6001—2019將原來的一級鍋爐水處理（G4）和二級鍋爐水處理(G5)合并為鍋爐水處理（G3）項目，新標(biāo)準(zhǔn)對作業(yè)人員的考核要求更高了。作業(yè)人員既要掌握工業(yè)鍋爐水處理知識，又要掌握電站鍋爐水處理知識，合格分?jǐn)?shù)線也由原來的60分提高到了70分。相關(guān)實際操作的要求包括：離子交換設(shè)備的反洗、置換、正洗、運行制水操作；膜裝置的運行及其反洗操作；鍋內(nèi)加藥操作；除碳器的運行操作；除氧器的運行操作。要求作業(yè)人員能夠解決的水處理設(shè)備故障包括：鈉離子交換設(shè)備出水率降低，周期制水量減少；運行或反洗過程交換劑流失，軟化或除鹽過程中，出水達(dá)不到要求；軟化水氯離子含量增加等。自新考規(guī)實施以來，不論是對考核機構(gòu)還是對學(xué)員來說，要求都提高了，考試通過率急劇下降。

出于以上實際情況，作者及所在的創(chuàng)新團隊在參考了同類模擬機的設(shè)計思路后[1]，研制了這款模擬機，該模擬機可作為鍋爐水處理操作人員實際操作技能確認(rèn)和考核的設(shè)備，集教學(xué)、訓(xùn)練、考核為一體。模擬機選用國內(nèi)工業(yè)及電站鍋爐常用典型核心水處理設(shè)備鈉離子交換器、反滲透、除碳器、除氧器、陰陽混床為設(shè)計原型，模擬制水過程中設(shè)備的實際運行狀態(tài)，針對考核試題，采用信號采集、傳遞技術(shù)、電路集中控制技術(shù)、計算機軟件應(yīng)用技術(shù)、配備聲光模擬技術(shù)等給水處理作業(yè)人員營造水處理設(shè)備運行現(xiàn)場的真實環(huán)境，可供培訓(xùn)考核單位對水處理作業(yè)人員人員培訓(xùn)考核使用。

2 整體方案及實現(xiàn)

模擬機選用目前行業(yè)內(nèi)在用的具有代表性的典型水處理設(shè)備，鈉離子交換器、反滲透、除碳器、除氧器及陰陽混床本體，其附屬設(shè)備、安全附件、閥門等都采用實物仿真模擬（如圖1所示），該設(shè)備可進(jìn)行相應(yīng)模擬操作，且能夠?qū)\行參數(shù)（如壓力、溫度、水位、流量、電導(dǎo)率、pH等）進(jìn)行顯示和調(diào)節(jié)，整套水處理設(shè)備的外皮采用全透明材質(zhì)，能夠向使用者清晰地展示設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行狀態(tài)。

圖 1 實物物理模型

鍋爐水處理設(shè)備實際操作培訓(xùn)考核模擬機的硬件構(gòu)架如圖2所示，主要由實物物理模型、傳感器檢測控制系統(tǒng)及計算機軟件系統(tǒng)組成（如圖3所示）。其中實物物理模型各組成設(shè)備及內(nèi)部機構(gòu)均參照實際設(shè)備且按一定比例縮小，計算機軟件系統(tǒng)所包含的5個一級模塊和4個二級模塊完全能夠滿足水處理作業(yè)人員的培訓(xùn)、練習(xí)及考核工作。

圖2 模擬機硬件構(gòu)架

圖3 計算機軟件系統(tǒng)

其中鈉離子交換器使用的樹脂再生方式為手動再生，主要目的是考核操作者的再生操作動手能力，交換器鹽罐與樹脂罐各開關(guān)閥門均配備了信號傳輸功能，可以根據(jù)操作者的操作，把操作信號傳輸給上位機。

反滲透及混床2臺設(shè)備通過聲光動態(tài)模擬水流過2臺設(shè)備時發(fā)生的變化，反滲透管及混床的外殼采用有機透明玻璃材質(zhì)，其中反滲透管中心水管采用變色燈管，燈管的不同顏色代表不同水質(zhì)，采用藍(lán)色表示過濾后的淡水，濃水出水管的燈光顏色則為棕黃色。中心水管與外殼之間的反滲透膜采用變色材質(zhì)，當(dāng)膜的顏色變?yōu)樽睾谏珪r，即代表膜受污染較嚴(yán)重，需要及時進(jìn)行低壓反沖洗操作。定期對反滲透設(shè)備采用大流量、低壓力、低pH的介質(zhì)沖洗有利于清除附著在膜表面上的污垢，維持膜的滲透性能，或當(dāng)反滲透設(shè)備進(jìn)水SDI突然升高至5.5以上時，應(yīng)進(jìn)行低壓沖洗，待SDI值調(diào)至合格后再開機。

同時為了便于觀察混床內(nèi)部水的流路，陰陽離子混床（如圖4所示）中進(jìn)酸管、進(jìn)堿管、排水管、中進(jìn)水管、中排水管、上排水管、下排水管采用變色燈帶代替實際鋼制管道，同時用LED點狀變色燈代替混床內(nèi)的陰陽樹脂填料，燈的顏色變化可以模擬樹脂再生前后顏色的變化情況。當(dāng)打開上述各管道的閥門時，相應(yīng)燈管即變?yōu)樗{(lán)色，表示有水流過，操作者通過操作閥門實現(xiàn)樹脂再生操作的模擬工作，實現(xiàn)反洗、置換、正洗、制水操作，模擬機的教學(xué)模塊可實現(xiàn)利用3D動畫技術(shù)生動演示混床內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)、制水流程、故障排除、樹脂再生的教學(xué)目的。

圖4 陰陽離子混床剖面簡圖

除碳器及除氧器選用的是大氣除碳器和熱力除氧器，二者結(jié)構(gòu)均比較簡單且易于操作。其中大氣除碳器設(shè)有進(jìn)水閥、出水閥和鼓風(fēng)機開關(guān)，并具有信號傳輸功能。同樣，熱力除氧器設(shè)有進(jìn)水閥、出水閥和底部加熱開關(guān)，并具有信號傳輸功能。

在該系統(tǒng)及其2臺重點設(shè)備反滲透及混床上按照實際設(shè)備結(jié)構(gòu)安裝多個控制點，控制點為在實際運行中水處理系統(tǒng)工作參數(shù)可供操作的部位，如排氣閥、進(jìn)液閥、排水閥和進(jìn)氣閥等，操作部件處裝有信號采集傳感器，當(dāng)操作部件動作時，觸發(fā)信號采集傳感器，傳感器將控點信號傳輸至控制系統(tǒng)，信號經(jīng)過控制系統(tǒng)處理后傳遞給計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)對接收的信號進(jìn)行處理，并對操作者的操作情況做出評判。

3 考試系統(tǒng)流程及實現(xiàn)

模擬機中的考試模塊（如圖5所示）能夠滿足正常操作、故障設(shè)置、應(yīng)急操作和樹脂再生等科目的要求，所有科目內(nèi)容均與考核大綱一致。模擬機也能夠滿足對鍋爐水處理作業(yè)人員培訓(xùn)考核的要求，軟件系統(tǒng)具有題庫管理、隨機組卷、自動限時計時、自動判卷評分、自動記錄存檔、統(tǒng)計、查詢、匯總報表、建檔和存檔等數(shù)據(jù)庫管理功能。

圖5 考試模塊流程圖

考試模塊的具體流程為：考生通過學(xué)員號及準(zhǔn)考證號登錄考試系統(tǒng)，點擊開始考試模塊，考試倒計時開始；考生依次進(jìn)入設(shè)備部件識別考核模塊、設(shè)備操作模塊、設(shè)備故障排除模塊進(jìn)行考核，每個模塊系統(tǒng)隨機抽2道題目進(jìn)行考核，總時長為30 min；其中，設(shè)備部件識別模塊中，考生需手持專用掃碼器按照考試題的要求掃對應(yīng)部件上的二維碼，掃碼器將信號傳輸給電腦考核系統(tǒng)，系統(tǒng)判定后給出考核結(jié)果；在設(shè)備操作模塊中，考核系統(tǒng)從題庫中隨機抽出2道操作試題，考生需根據(jù)題目要求扳動相應(yīng)閥門完成考核，閥門上的信號采集器采集到考生的操作之后，將信號傳遞到電腦考核系統(tǒng)，系統(tǒng)自動判定給出考核成績；故障排除題的考核與操作題的考核基本類似；考生在規(guī)定時間內(nèi)完成考核后，電腦自動算出考生分?jǐn)?shù)，70分為合格，若低于70分，考生就需要進(jìn)行補考，每位考生僅有1次免費補考機會。

4 結(jié)論

鍋爐水處理作業(yè)人員的操作水平是影響鍋爐安全節(jié)能運行的重要因素。本文提出并設(shè)計了一種鍋爐水處理模擬機，帶有人機交互裝置的操作控制系統(tǒng)以及運行鍋爐數(shù)字仿真程序及操作記錄評分功能，開發(fā)設(shè)計的模擬機已與鍋爐水處理設(shè)備生產(chǎn)廠家、物聯(lián)網(wǎng)公司達(dá)成了樣機研發(fā)生產(chǎn)合作協(xié)議。該產(chǎn)品正式投用后將會促進(jìn)鍋爐水處理作業(yè)人員快速消化理論知識，掌握實際操作技能，大幅提高培訓(xùn)考核的質(zhì)量，同時也會帶來一定社會效益和經(jīng)濟效益，市場化前景良好。