仿真系統(tǒng)在電廠化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：介紹了計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)在電廠化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，并通過(guò)具體教學(xué)實(shí)例說(shuō)明仿真教學(xué)手段能夠提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題和實(shí)際動(dòng)手的能力。實(shí)踐結(jié)果證明，在電廠化學(xué)教學(xué)中引入仿真教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面，是一種高效的教育模式。

關(guān)鍵詞：電廠化學(xué)；仿真系統(tǒng)；水處理

作者簡(jiǎn)介：劉從容（1980-），女，安徽淮北人，南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，講師。（江蘇 南京 211167）

基金項(xiàng)目：本文系江蘇省“十二五”高等學(xué)校重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)項(xiàng)目與國(guó)家自然科學(xué)基金“烯丙基胺和親核試劑的偶聯(lián)反應(yīng)”（項(xiàng)目編號(hào)：21202154）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）33-0107-01

電力類的高校負(fù)擔(dān)著為各種類型的發(fā)電廠培養(yǎng)專業(yè)理論扎實(shí)、實(shí)際操作能力強(qiáng)并能夠解決現(xiàn)實(shí)難題的技術(shù)人才的重任。高參數(shù)、大容量的現(xiàn)代化火電廠對(duì)水汽質(zhì)量的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的電廠化學(xué)水處理一般按功能作用設(shè)有凈水預(yù)處理、鍋爐補(bǔ)給水處理、凝結(jié)水精處理、汽水取樣監(jiān)測(cè)分析、加藥系統(tǒng)、綜合水泵房、循環(huán)水加氯、廢水及污水處理等系統(tǒng)。高校老師在教授這部分內(nèi)容時(shí)一般是在講授理論的同時(shí)描述火電廠水處理現(xiàn)場(chǎng)的情景，某些單元過(guò)程在講設(shè)備時(shí)是通過(guò)手工繪圖及書(shū)本上的圖片來(lái)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)火電廠水處理的流程。但是復(fù)雜的裝置以及控制過(guò)程讓學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)難度大而且枯燥無(wú)味，容易產(chǎn)生厭學(xué)心理。雖然高校會(huì)安排學(xué)生下廠實(shí)習(xí)，但是實(shí)習(xí)時(shí)間短，只能走馬觀花，很少有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，造成理論與實(shí)際操作相脫離，實(shí)習(xí)效果難以達(dá)到預(yù)期的要求。在電廠的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不僅要求操作人員能夠在正常運(yùn)行情況下進(jìn)行操作控制和參數(shù)調(diào)整，而且要求操作人員在遇到故障時(shí)能隨機(jī)應(yīng)變，具備相應(yīng)的事故處理能力，這就要求他們必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的培訓(xùn)才能上崗操作。但是在本科生的培養(yǎng)過(guò)程中，不可能讓他們?cè)陔姀S的實(shí)際發(fā)電裝置上進(jìn)行這些培訓(xùn)。火電廠仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用提供了解決上述教學(xué)難點(diǎn)的有效手段，使學(xué)生的操作技能和解決事故的能力得到快速提高。

火電廠仿真教學(xué)是通過(guò)發(fā)電設(shè)備數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，配合部分或全部真實(shí)控制臺(tái)屏或表示監(jiān)控臺(tái)屏的屏幕顯示（CRT）畫(huà)面，演示與真實(shí)情況相同的電力設(shè)備各種運(yùn)行方式的狀態(tài)，包括起動(dòng)、正常運(yùn)行、停機(jī)和事故情況下的狀態(tài)，可以滿足各種目的的培訓(xùn)要求。[1，2]仿真教學(xué)已廣泛用于電力類本科生的操作培訓(xùn)，提高他們的監(jiān)控能力和運(yùn)行技術(shù)水平。簡(jiǎn)而言之，仿真系統(tǒng)是以計(jì)算技術(shù)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)并應(yīng)用電網(wǎng)、自動(dòng)控制、儀表和電廠的鍋爐、汽輪機(jī)、透平發(fā)電機(jī)以及運(yùn)行專業(yè)的理論和實(shí)踐知識(shí)而研制的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。[3]南京工程學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我校”）組建的電力仿真與控制工程中心主要承擔(dān)熱能動(dòng)力專業(yè)、電廠化學(xué)專業(yè)等有關(guān)專業(yè)方向本科學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)、電力行業(yè)火電機(jī)組運(yùn)行值班員的技能培訓(xùn)及技能鑒定、科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)等工作；建有125MW、200MW、300MW、600MW、1000MW火電機(jī)組仿真實(shí)訓(xùn)室5個(gè)，擁有不同容量、不同參數(shù)以及MAX1000、INFI90、TELEPERM、FOXBORO、EURO、XDPS、OVATION等不同類型DCS控制系統(tǒng)的火電機(jī)組仿真系統(tǒng)軟件20多套；此外還建有電氣試驗(yàn)仿真、脫硫系統(tǒng)仿真等多個(gè)實(shí)驗(yàn)室。筆者在電廠化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)09屆畢業(yè)生的仿真培訓(xùn)，切身體會(huì)到仿真教學(xué)的便利之處，它能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育的不足，使整個(gè)教學(xué)過(guò)程生動(dòng)有趣，內(nèi)容形象，為學(xué)生的認(rèn)知活動(dòng)提供豐富的感性經(jīng)驗(yàn)和思維素材， 有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握。[4，5]本文根據(jù)電廠化學(xué)的教學(xué)特性，在實(shí)際教學(xué)中的實(shí)踐以及學(xué)生的效果反饋提出在電廠化學(xué)的教學(xué)中引入仿真教學(xué)手段，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面，是一種行之有效的現(xiàn)代教育模式。[6，7]

一、在教學(xué)中應(yīng)用仿真系統(tǒng)的必要性

“電廠化學(xué)”是電力環(huán)保和電廠化學(xué)專業(yè)學(xué)生的一門(mén)基礎(chǔ)課，主要內(nèi)容為水的混凝處理、離子交換軟化、化學(xué)除鹽及各步水處理過(guò)程的設(shè)備操作，不僅理論性強(qiáng)而且設(shè)備復(fù)雜、類型多。教師講授這些內(nèi)容時(shí)一般是在講授理論的同時(shí)描述火電廠水處理現(xiàn)場(chǎng)的情景，某些單元過(guò)程在講設(shè)備時(shí)是通過(guò)手工繪圖及書(shū)本上的圖片來(lái)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)火電廠水處理的流程。復(fù)雜的裝置以及控制過(guò)程讓學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)難度大而且枯燥無(wú)味，致使對(duì)所學(xué)知識(shí)理解不深。研究結(jié)果表明學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力取決于對(duì)所學(xué)知識(shí)和相似問(wèn)題的理解。[5]不同學(xué)生對(duì)同一問(wèn)題的認(rèn)知情況不完全相同， 對(duì)一個(gè)問(wèn)題的準(zhǔn)確掌握需要從現(xiàn)象、理論模型、量化數(shù)據(jù)等不同角度認(rèn)識(shí)。

仿真系統(tǒng)恰好具備了上述的多種表現(xiàn)形式的功能， 它利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界的廠房及設(shè)備在計(jì)算機(jī)中虛擬化，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制技術(shù)，將生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳回虛擬電站系統(tǒng)中，在三維虛擬場(chǎng)景中即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的查詢管理。此外仿真系統(tǒng)教學(xué)還可以對(duì)電廠發(fā)電的工藝過(guò)程進(jìn)行可視化仿真，展示煤循環(huán)、水循環(huán)、廢水處理、變電與輸電等過(guò)程。通過(guò)仿真教學(xué)使學(xué)生對(duì)“電廠化學(xué)”的理論知識(shí)得到理解并能應(yīng)用，可鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，一方面加深對(duì)問(wèn)題及解決問(wèn)題所需知識(shí)的理解，另一方面提高分析和解決問(wèn)題的實(shí)際能力。對(duì)于學(xué)校，可以減少硬件方面的投入。

二、仿真系統(tǒng)教學(xué)的主要內(nèi)容

增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電力用水處理的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)， 進(jìn)一步加深對(duì)有關(guān)處理方法的理解；熟悉整個(gè)電力用水處理系統(tǒng)的設(shè)備和工藝操作。仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用，主要是模擬實(shí)際生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝流程，由學(xué)生按照操作規(guī)程的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使處理后的水汽符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)發(fā)電廠水處理工藝的可視化仿真，學(xué)生可以沿著物料流動(dòng)的方向了解水處理的基本流程，將各單元操作有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)水處理過(guò)程整體性的認(rèn)識(shí)。比如，在學(xué)習(xí)火電廠用水的預(yù)處理中，可以通過(guò)仿真教學(xué)在系統(tǒng)上使學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)際應(yīng)用方法，了解到天然水緩慢通過(guò)一個(gè)池子；同時(shí)加入配好的混凝劑，在重力作用下較大粒徑的懸浮物顆粒沉降下來(lái)，膠狀雜質(zhì)和粒徑較小的懸浮物在混凝劑的作用下相互吸附粘結(jié)成較大的絮狀物，也從水中沉降分離；然后上層清水用水泵打入澄清池，同時(shí)加入沉淀劑將天然水中的鈣、鎂離子；最后澄清池中的水，流入過(guò)濾器完成水的預(yù)處理。再如，循環(huán)冷卻水的處理也可以通過(guò)仿真系統(tǒng)使學(xué)生形象直觀了解冷卻水處理的流程和相關(guān)操作。這些操作可以使學(xué)生對(duì)所學(xué)過(guò)的有關(guān)電廠用水理技術(shù)有更深的理解。

三、教學(xué)效果

把仿真模擬技術(shù)引入電廠化學(xué)的教學(xué)，使學(xué)生置身于仿真環(huán)境之中，可以充分調(diào)動(dòng)感覺(jué)通道和思維通道的學(xué)習(xí)機(jī)能，接受知識(shí)的效率明顯提高。借助高技術(shù)手段深化教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)教學(xué)訓(xùn)練模擬仿真化，是一場(chǎng)創(chuàng)新教學(xué)手段和方法的變革，而這場(chǎng)變革的核心就是模擬和仿真。

曾對(duì)我校09級(jí)電廠化學(xué)專業(yè)的學(xué)生做過(guò)一個(gè)抽樣問(wèn)卷調(diào)查，目標(biāo)是將使用仿真教學(xué)手段的課程與使用傳統(tǒng)教學(xué)手段的課程做個(gè)比較。學(xué)生反饋的結(jié)果如下：仿真教學(xué)可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性；提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合能力；改進(jìn)了學(xué)生的思維模式。

仿真操作可以使學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)， 為他們的思維提供一個(gè)寬廣的空間，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)對(duì)火電廠水處理方法有深刻透徹的理解，并且可以較好地聯(lián)系實(shí)際，了解實(shí)際過(guò)程。作為一種新的教學(xué)模式，仿真教學(xué)與傳統(tǒng)的教學(xué)相比有許多優(yōu)點(diǎn)，但必須注意的是，仿真操作畢竟不是真正的對(duì)實(shí)際對(duì)象的操作，本身有一定的局限性，在采用仿真系統(tǒng)教學(xué)后，可縮短但絕不能完全拋開(kāi)真實(shí)的實(shí)習(xí)過(guò)程。

四、結(jié)論

在“電廠化學(xué)”教學(xué)中開(kāi)展仿真教學(xué)有利于提高教學(xué)效率和效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，有力地促進(jìn)教學(xué)改革，使得教學(xué)活動(dòng)更能突出素質(zhì)教育的主體性、全面性、發(fā)展性、開(kāi)放性等特點(diǎn)， 有效地促進(jìn)學(xué)生整體素質(zhì)的全面發(fā)展。總之，仿真教學(xué)使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)發(fā)揮了主動(dòng)性，提高了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

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