電廠熱能動力課程設計實踐與教學

摘 要： 文章根據熱能動力專業的特點，針對電力生產企業的人才需求，分析了開展電廠熱能動力課程設計的必要性，并對教學內容的設置進行了探討。通過該課程的設計，依托仿真平臺，模擬電廠真實運行環境，采用典型事故案例教學與學生實訓操作相結合、專業理論知識與實踐相結合的教學方法，指導學生進行實踐演練，使學生具有電廠運行故障現象分析及處理的初步能力，滿足電力企業對學生實際運行能力的需求。

關鍵詞： 電廠熱能動力 課程設計 實施過程 實施效果

隨著我國國民經濟的發展，電力需求日益增加，作為國家的支柱工業的電力行業正在加快建設和發展與國民經濟發展相適應的電力供應市場，與此同時，電力企業之間的市場競爭日趨激烈，對人才的選擇提出了更高的要求[1]。我校為適應電力行業人才的市場需求，提出以“堅持面向電力生產和現代化經濟建設第一線，培養基礎理論扎實，實踐能力強的高等工程技術人才”為人才培養目標，不斷完善人才培養方案，逐步形成結構合理、優勢明顯的學科專業體系和注重實踐、注重創新的人才培養特色。

基于人才培養目標及電力企業的用人需求，我院面向大四學生，新開設了《電廠熱能動力課程設計》，主要基于我校1000MW仿真平臺，針對電廠運行過程中的典型事故進行分析和處理，使學生了解單元機組常見事故、惡性事故發生的現象、產生原因、處理方法、預防措施，具有大型火電單元機組集中控制運行技術和分析運行問題的初步能力，適應目前國內火電企業生產一線對大學生的理論知識和實際應用能力的需求。

一、采用仿真技術開展電廠熱能動力課程設計的必要性

電力的安全生產影響到了各行各業，大范圍的供電事故會造成極大的社會影響和嚴重的經濟損失。對于發電技術而言，尤其是單元機組的發電廠，其設備縱向聯系緊密，機、爐、電任意一個環節發生事故，都將影響整個機組的運行，同時輔機及輔助設備的損壞，也可能造成機組停運或出力限制。電廠的電氣設備多，高溫、高壓及高速旋轉機械多，工作人員時時處處都要注意安全。基于上述因素，電廠擔心實習學生多，一怕出故障損壞設備，二怕出人身事故難擔責任，因此高校學生到電廠實地實習的機會不多，實習的時間很短，即使進入電廠也僅僅是對設備的一些感性認識，無法進行實際操作[2]。

綜上所述，如果采用仿真技術，構建與實際運行機組完全類似的仿真系統平臺，通過實際操作，就完全可以培養學生的實踐能力。學生可以在仿真平臺上進行故障演練，了解各類事故，可以對故障的現象、成因和發展過程進行細致的分析，掌握對策，為今后在電廠工作中預防故障發生，且在故障發生時及時有效地處理，提高設備可靠性等打下堅實的基礎。

二、電廠熱能動力課程設計的實施過程

1.電廠熱能動力課程設計依托的仿真平臺介紹

電廠熱能動力課程設計依托我校1000MW仿真平臺，該仿真平臺由北京清華同方針對國華寧海電廠開發，于2011年安裝運行。該仿真系統在我校已使用兩年多，完成了兩屆熱能與動力工程專業畢業生的仿真實訓及電廠熱能動力課程設計。

本仿真系統模擬的鍋爐是上海鍋爐廠生產的超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，鍋爐型號為SG3091/27.56-M54X，一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構塔式鍋爐。模擬的汽輪機是由上海汽輪機有限公司和德國SIEMENS公司聯合設計制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、八級回熱抽汽、反動凝汽式汽輪機。

仿真實驗室完全模擬真實電廠集控環境，有教練員站和操作員站。仿真系統包括就地、DCS系統和DEH系統，可滿足15位培訓者同時操作，既可以單機獨立操作運行，又可以多個人分組操作。仿真機采用與實際機組1∶1仿真模擬，具有裝存初始工況、工況加載與保存、模型凍結與解凍、模擬故障、報警和錯誤指示、模型加速與減速、就地操作及畫面顯示等功能，能夠實現1000MW機組的啟、停、正常運行。該仿真機能模擬電站實時運行中的異常和故障，并有正確的反應和自動控制系統動作。故障按照規定的因果關系模擬，可實現教練員在教練員臺上插入的故障、設備故障或學員誤操作引起的故障等現象，以及因果關系和實際電站發生同樣事故。操作員應能設定故障的嚴重程度，設定從故障發生開始擴大到嚴重狀態時的變化速率。插入故障后在仿真機上的響應應該與實際電站發生同樣故障時的響應相同。

2.電廠熱能動力課程設計內容設置

該課程設計為一周時間，對象是熱能與動力工程專業的大四學生，大四學生已經完成了所有專業課的學習，并在大一和大三分別進行了為期一周及兩周的電廠認識實習和生產實習，在課程設計之前還進行了電廠仿真實習。基于前期的理論與實踐，學生已經具備了一定的專業理論知識，對電廠的生產流程、系統、設備的原理和構造等都有了比較清晰的認識。

本課程在教學內容組織上，以案例教學為導向，將理論知識、技能訓練和應用價值相結合。在內容的設置上，時刻遵循能力培養規律，并結合課程實際，設計與該課程能力目標要求密切結合的任務模塊。將案例教學與實訓操作密切結合，在完成任務的過程中，使學生掌握分析問題和解決問題的策略，體驗到知識的應用價值。

在教學方法手段上，主要體現在三個方面：

（1）案例教學。典型事故案例的分析和對策、大型火電機組運行中存在的問題和解決思路。老師介紹一些故障案例，并在仿真系統上，教會學生如何插入故障并觸發，引導學生觀察故障現象，特別是關注一些典型參數，如機組負荷、汽輪機轉速、機組振動，軸向位移、真空、給水流量等參數。結合前期的專業理論知識，分析故障原因，找到相應的故障處理方法。

（2）任務設計既相互獨立又彼此聯系，既需要學生的獨立思考，又需要團隊合作共同完成。采用任務提出、任務分解、任務實施的任務驅動教學模式，完成對學生的項目訓練要求。

每名學生需要做一個RB工況（在送風機、空預器、引風機、給水泵、一次風機跳閘的RB工況中選出其中一個工況，具體分組情況見表1）、一個鍋爐故障和一個汽輪機故障，記錄相關參數數據，共計5分鐘，間隔時間及記錄次數見表2。然后繪制相關參數隨時間變化的趨勢圖，并根據趨勢圖進行故障分析及診斷。對同一故障，學生可以幾個人一組，一人負責插入故障，其他人負責觀察不同的系統畫面，記錄不同參數的變化。

表1 RB工況分組情況

表2 RB工況及鍋爐故障、汽輪機故障數據記錄

（3）整個實踐環節以學生為主體，以能力訓練為主線，將專業能力、分析能力、思考能力和知識應用能力集于學生的能力實訓過程中。整個實訓過程都需要學生動手操作，需要學生結合前期的汽輪機原理、鍋爐原理、熱力發電廠、單元機組集控運行等課程，用這些課程學過的理論知識解釋故障演練時發生的故障現象，分析故障原因，并提出處理方法，符合理論到實踐，實踐再回到理論的學習規律。除了提高了實踐能力外，學生的數據分析能力和畫圖能力等都得到了提高。

3.電廠熱能動力課程設計考核方式

在考核方面，由于是實訓類課程設計，將考核成績分三個方面考察：平時成績（20%），上機考核（40%），課程設計報告（40%）。

平時成績主要是根據平時出勤情況、仿真系統操作情況及故障處理情況適當給分。上機考核采取抽簽的方式，針對某個設置故障進行分析處理。時間規定為15分鐘完成，并將工況保存，由老師評定成績。課程設計報告包括三方面內容：一是對仿真平臺介紹，二是對設備對象（鍋爐、汽輪機、發電機等）介紹，三是報告的重點，根據要求，每位同學都要做一個RB工況及選取一個鍋爐故障和一個汽輪機故障，進行數據采集，并繪制曲線，要求有故障現象描述，包括哪些典型參數的變化，分析故障原因，以及擬采取的故障處理措施。

三、電廠熱能動力課程設計實施效果

實踐證明，學生在仿真平臺上進行故障過程的全模擬，既可以單機操作，又可以協同控制。學生通過該課程設計，能夠直觀了解爐、機和電的主要故障過程，運行參數的變化，相應設備的狀態變化等。鞏固并加深在前期專業理論課程中學到的典型故障，掌握典型故障的現象、產生原因、處理方法、預防措施。比較原來枯燥的事故理論講解，仿真平臺上可以全方位的體現。學生根據故障現象，掌握規律，得到了數據處理、計算、繪圖等能力的訓練。通過電廠熱能動力課程設計，學生熟悉了電廠運行的實際環境，提高了應用實踐能力，增強了電力企業就業的競爭力。

參考文獻：

[1]丁艷，袁隆基.電廠仿真系統用于獨立學院實踐教學的探討[J].中國電力教育，2011，（9）：135-136.

[2]張立茹，郭茂豐.火電廠仿真系統用于實踐教學改革的探索[J].中國電力教育，2009，11：134-135.

[3]衣秋杰，李志敏.熱能與動力工程專業課程設計的探索與實踐[J].中國電力教育，2009，12：150-151.

[4]晉風華，周臻，等.能源動力類專業實踐教學內容體系的改革與探索[J].中國電力教育，2012，19：86-87.

基金項目：本文系上海電力學院教改項目《電廠熱能動力課程設計》實踐與教學（項目編號：20121404）的研究成果。