“鍋爐原理”課程虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

樓 波，董美蓉，王 輝

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院 廣東 廣州 510640；2.京信數(shù)據(jù)科技（中山）有限公司 廣東 中山 528400）

國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措[1]。陳清奎等[2]針對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式的不足，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心, 開(kāi)發(fā)了適用于模具專業(yè)的仿真教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集“學(xué)、練、考”于一體，以虛帶實(shí)、虛實(shí)結(jié)合，促進(jìn)理論與實(shí)踐的融合。王金龍等[3]把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)化工教學(xué)與考核領(lǐng)域。王龍庭等[4]研發(fā)的液壓機(jī)械控制虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成本低，學(xué)生共享性高，豐富了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。張桂臣等[5]、李錦偉等[6]分別將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于船舶電站和虛擬儀器的實(shí)操等領(lǐng)域，將技能測(cè)評(píng)、智能化與網(wǎng)絡(luò)考試相結(jié)合。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)因?qū)嶒?yàn)環(huán)境要求低、交互性強(qiáng)，越來(lái)越多地被運(yùn)用于教學(xué)領(lǐng)域，產(chǎn)生了意想不到的效果。

鍋爐原理專業(yè)課虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)近乎現(xiàn)場(chǎng)鍋爐各系統(tǒng)控制操作的過(guò)程，把鍋爐原理知識(shí)匯入各系統(tǒng)的各個(gè)操作過(guò)程之中，可以很好地彌補(bǔ)能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)方面的不足，為學(xué)生提供身臨其境的實(shí)操機(jī)會(huì)，體會(huì)鍋爐原理在設(shè)備運(yùn)行中的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)

為了概括鍋爐原理課程內(nèi)容，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括鍋爐的主要設(shè)備與系統(tǒng)，以及正常運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)、設(shè)備與系統(tǒng)的啟停以及鍋爐系統(tǒng)的事故處理等環(huán)節(jié)，系統(tǒng)流程、鍋爐工作過(guò)程中的能量、物質(zhì)守恒原理得到很好的體現(xiàn)，包含了目前鍋爐原理專業(yè)課程各章節(jié)主要的教學(xué)內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、流媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，針對(duì)直流鍋爐與汽包鍋爐原理中的主要熱力系統(tǒng)：制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)等，以及不同運(yùn)行工況（正常運(yùn)行、系統(tǒng)啟停、事故處理等）完成虛擬操作實(shí)驗(yàn)操作考核，使零散的鍋爐專業(yè)知識(shí)得到系統(tǒng)的融合與貫通，彌補(bǔ)了鍋爐原理專業(yè)課教學(xué)單一上課與學(xué)生沒(méi)法實(shí)操鞏固理論知識(shí)環(huán)節(jié)的不足，為鍋爐專業(yè)課教學(xué)提供了一種嶄新的嘗試。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

鍋爐原理課程虛擬實(shí)驗(yàn)按模塊化思想設(shè)計(jì)，模塊設(shè)計(jì)覆蓋了鍋爐主要的系統(tǒng)：制粉系統(tǒng)、受熱面的“鍋”系統(tǒng)與燃燒的“爐”系統(tǒng)，內(nèi)容包含了兩種鍋爐類型：自然循環(huán)鍋爐與直流鍋爐，設(shè)計(jì)了鍋爐實(shí)際運(yùn)行的三種操作情形：正常參數(shù)調(diào)整、設(shè)備啟停與事故處理。內(nèi)容豐富，覆蓋了鍋爐原理課程的主要知識(shí)點(diǎn)。

2.1 自然循環(huán)鍋爐虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)具體包含8 個(gè)模塊，分別是：鍋爐中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)操作與事故處理模塊、直吹式制粉系統(tǒng)啟動(dòng)與停運(yùn)、鍋爐參數(shù)（汽溫、汽壓）控制范圍及調(diào)整、鍋爐正常停爐操作、鍋爐爆管事故處理（過(guò)熱器）操作、直流鍋爐啟動(dòng)中的清洗操作、直流鍋爐從初負(fù)荷到滿負(fù)荷啟動(dòng)、直流鍋爐蒸汽參數(shù)調(diào)節(jié)。自然循環(huán)鍋爐也就是汽包鍋爐，虛擬實(shí)驗(yàn)包含了三個(gè)模塊，汽包鍋爐參數(shù)調(diào)整、汽包鍋爐正常停爐操作、鍋爐過(guò)熱器爆管事故處理。下面以汽包鍋爐正常停爐操作為例，敘述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理與核心要素、知識(shí)點(diǎn)。對(duì)學(xué)生的操作通過(guò)繪制操作參數(shù)曲線的方法進(jìn)行記錄，先設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)停爐曲線，通過(guò)對(duì)比學(xué)生的實(shí)際操作曲線與標(biāo)準(zhǔn)操作曲線，評(píng)價(jià)學(xué)生鍋爐停爐過(guò)程的減溫速率、參數(shù)變化偏離程度，并判斷操作步驟的對(duì)錯(cuò)，最后給出評(píng)分。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

自然循環(huán)鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)主要由燃燒系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)組成，為了實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的具體操作，設(shè)計(jì)鍋爐燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)操作圖，進(jìn)而在操作圖中設(shè)置各種設(shè)備的操作點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理基于燃燒的發(fā)熱量與蒸汽吸收的能量平衡，以及汽包水位的給水量與產(chǎn)汽量之間的物質(zhì)平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律。

2.1.2 核心要素

鍋爐正常停爐過(guò)程的能量減少，引起參數(shù)逐漸降低的規(guī)律；減溫速率與熱應(yīng)力的關(guān)系；低負(fù)荷時(shí)，燃燒不穩(wěn)定的特性。

2.1.3 知識(shí)點(diǎn)

通過(guò)降低鍋爐燃料與風(fēng)來(lái)逐漸降低汽溫汽壓參數(shù)，熄火后通過(guò)旁路系統(tǒng)逐漸降溫降壓，減溫速率需滿足金屬熱應(yīng)力安全要求；在燃燒系統(tǒng)操作步驟中，按燃燒要求對(duì)燃料與風(fēng)調(diào)節(jié)步驟的先后順序；汽包中在物質(zhì)與能量的儲(chǔ)存作用下，給水水位和汽壓的變化規(guī)律；在控制參數(shù)低到一定溫度的時(shí)候燃燒不穩(wěn)定，投油助燃后燃燒和蒸汽參數(shù)的響應(yīng)特性。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

鍋爐降負(fù)荷和停爐實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)包括：停運(yùn)前準(zhǔn)備、鍋爐降負(fù)荷、熄火后降壓等步驟。停運(yùn)前的準(zhǔn)備步驟包括：填寫(xiě)操作票、受熱面吹灰、排污等；鍋爐降負(fù)荷步驟包括：逐漸按曲線速率減少燃料煤量，維持氧量、爐膛負(fù)壓、汽包水位等參數(shù)正常，在煤量較低時(shí)投油助燃，在逐漸減少煤量到零時(shí)關(guān)閉主蒸汽閥等；熄火后的降壓步驟包括：用旁路閥開(kāi)度控制壓力曲線，同時(shí)包括停風(fēng)煙系統(tǒng)、環(huán)保系統(tǒng)、測(cè)量取樣閥門(mén)，直到打開(kāi)空氣閥降壓到環(huán)境壓力。

2.1.5 操作評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

操作評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)包括：操作錯(cuò)項(xiàng)扣2 分/次，操作漏項(xiàng)扣3 分/次。按照降壓和降溫曲線進(jìn)行降壓過(guò)程：壓力偏離±0.2MPa 扣2 分/次，偏離±0.5MPa 扣5 分/次，偏離±1.0MPa 扣10 分/次等。

2.2 直流循環(huán)鍋爐虛擬實(shí)驗(yàn)

直流鍋爐虛擬實(shí)驗(yàn)包含三個(gè)模塊，直流鍋爐參數(shù)調(diào)整、直流鍋爐冷態(tài)清洗操作、直流鍋爐啟動(dòng)。下面以直流鍋爐參數(shù)調(diào)整為例，敘述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)原理與知識(shí)點(diǎn)、核心要素以及具體的實(shí)驗(yàn)步驟與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

與自然循環(huán)鍋爐類似，直流鍋爐由燃燒系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)組成，為了實(shí)現(xiàn)直流鍋爐的運(yùn)行操作，設(shè)計(jì)直流鍋爐燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)操作圖，操作圖中設(shè)置了眾多設(shè)備的操作點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理基于燃燒的發(fā)熱量與蒸汽吸收的能量平衡，直流鍋爐給水量、減溫水量與產(chǎn)汽量之間的物質(zhì)平衡。

2.2.2 核心要素

直流鍋爐中，燃燒改變時(shí)對(duì)應(yīng)的汽溫與煙氣側(cè)參數(shù)變化；燃料燃燒以及外界給水?dāng)_動(dòng)變化時(shí)，鍋爐整體的能量與物質(zhì)平衡；直流鍋爐中汽溫、汽壓、負(fù)荷等參數(shù)的協(xié)調(diào)變化。

2.2.3 知識(shí)點(diǎn)

①空氣與燃料的混合比例對(duì)燃燒的影響以及燃燒對(duì)汽壓的影響；②燃燒系統(tǒng)對(duì)汽水系統(tǒng)中蒸汽量、汽溫、汽壓參數(shù)的影響；③汽水系統(tǒng)中給水量對(duì)鍋爐產(chǎn)汽量的影響；④風(fēng)與燃料的參數(shù)對(duì)燃燒穩(wěn)定的影響。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)分為主蒸汽與再熱蒸汽參數(shù)高、主蒸汽與再熱蒸汽參數(shù)低兩部分的步驟設(shè)計(jì)，包括：增加（減少）引風(fēng)量，調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓；增加（減少）送風(fēng)量，調(diào)節(jié)煙氣氧量；增減燃料量（增加給煤量），改變主蒸汽溫度；調(diào)整煙氣擋板，調(diào)節(jié)再熱汽溫；給水調(diào)整，改變蒸汽量與蒸汽壓力；調(diào)整減溫水，用于調(diào)節(jié)主蒸汽溫度等。

2.2.5 操作評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

操作評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)包括：燃料與風(fēng)的操作必須按先后順序執(zhí)行，否則每次扣5 分；煙氣擋板調(diào)整、給水調(diào)整和減溫水調(diào)整不受步驟限制，可隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整；主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度超標(biāo)，報(bào)警并扣5 分；爐膛負(fù)壓超標(biāo)（正常范圍-50 到-20）5 分/30 秒；氧量超標(biāo)（正常范圍3 到5）5 分/30 秒。只要參數(shù)都正常，就可以倒計(jì)時(shí)提交，操作結(jié)束。

2.3 制粉系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)

鍋爐制粉系統(tǒng)對(duì)燃煤鍋爐來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的輔助系統(tǒng)，同時(shí)也是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，而且對(duì)鍋爐燃燒的影響非常密切，為此鍋爐虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還開(kāi)發(fā)了兩類制粉系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)的模塊，包括鍋爐中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)操作與事故處理模塊、直吹式制粉系統(tǒng)啟動(dòng)與停運(yùn)。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)原理

下面以鍋爐中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)操作與事故處理模塊為例，敘述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)原理與核心要素、知識(shí)點(diǎn)以及具體的實(shí)驗(yàn)步驟與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。制粉系統(tǒng)燃燒與爆炸事故虛擬實(shí)驗(yàn)是基于燃燒三要素原理，在發(fā)生燃燒與爆炸事故時(shí)實(shí)現(xiàn)隔絕空氣以及滅火，制粉系統(tǒng)煤粉流輸送與干燥要滿足能量與物質(zhì)平衡的原理。

2.3.2 核心要素

①燃燒三要素；②干燥過(guò)程煤粉氣流的能量平衡；③氣流輸送的兩相流動(dòng)原理。

2.3.3 知識(shí)點(diǎn)

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)將制粉系統(tǒng)設(shè)備的組成以系統(tǒng)圖的形式表示出來(lái)，并提供可操作檢查的功能。制粉系統(tǒng)設(shè)備組成及啟動(dòng)前檢查模塊涉及原煤倉(cāng)、給煤機(jī)、磨煤機(jī)、木頭格篩、粗粉分離器、細(xì)粉分離器、粉篩、粉倉(cāng)、鎖氣器、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、閥門(mén)開(kāi)關(guān)（標(biāo)記紅色的為關(guān)，黑色為開(kāi)）操作，能讓學(xué)生熟悉復(fù)雜的中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)的主要設(shè)備、流程，熟悉中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)各設(shè)備的功能、運(yùn)行操作、事故處理，展現(xiàn)煤粉干燥時(shí)的能量平衡原理以及輸入能量過(guò)量導(dǎo)致的煤粉超溫燃燒及爆炸情形。

2.3.4 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

整個(gè)制粉系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)分三節(jié)階段的操作，制粉系統(tǒng)煤粉自燃時(shí)的處理（第1 階段）步驟為：加大給煤機(jī)轉(zhuǎn)速；壓住回粉管鎖氣器；關(guān)小磨煤機(jī)總風(fēng)門(mén)；停止給煤機(jī)、磨煤機(jī)運(yùn)行，蒸汽滅火；待磨煤機(jī)出口溫度正常時(shí)，退出蒸汽滅火；啟動(dòng)磨煤機(jī)，再啟動(dòng)給煤機(jī)。制粉系統(tǒng)爆燃后的處理（第2 階段）操作步驟：停止給煤機(jī)運(yùn)行、停止磨煤機(jī)運(yùn)行；蒸汽滅火，待磨煤機(jī)出口溫度正常時(shí)，退出蒸汽滅火；緩慢開(kāi)啟排粉機(jī)入口聯(lián)絡(luò)風(fēng)門(mén)同時(shí)緩慢關(guān)閉排粉機(jī)入口風(fēng)門(mén)；及時(shí)投油助燃，防止?fàn)t膛滅火，后停止排粉機(jī)運(yùn)行；全面檢查。煤粉倉(cāng)自燃爆燃的處理（第3 階段）操作步驟為：停給煤機(jī)，再停磨煤機(jī)，關(guān)閉煤粉倉(cāng)吸潮管吸潮門(mén)；待粉位降到1m 時(shí)，蒸汽滅火，待煤粉倉(cāng)溫度正常時(shí)，退出蒸汽滅火；重啟磨煤機(jī)、給煤機(jī)，迅速增大給煤量（90%以上）；增大磨煤機(jī)溫風(fēng)門(mén)與熱風(fēng)門(mén)；讓煤粉倉(cāng)粉位上升到4m，可以提交。

2.3.5 操作評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

制粉系統(tǒng)采用鋼球磨中間倉(cāng)儲(chǔ)式乏氣送粉系統(tǒng)，制粉系統(tǒng)燃料為煙煤，正常制粉系統(tǒng)出口煤粉溫度70℃，煤粉倉(cāng)溫度60℃。操作錯(cuò)誤扣2 分。制粉系統(tǒng)的給煤機(jī)、磨煤機(jī)、排風(fēng)機(jī)的啟停存在嚴(yán)格邏輯，操作錯(cuò)誤每次扣5 分。

3 結(jié)語(yǔ)

鍋爐課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含八個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了鍋爐正常參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)設(shè)備啟動(dòng)以及鍋爐事故等場(chǎng)景的操作，完成鍋爐工作原理與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，把鍋爐原理課程的知識(shí)點(diǎn)融入各系統(tǒng)的各虛擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程之中，能更好滿足工科學(xué)校對(duì)學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)的要求。