仿真模擬案例在“電廠化學”課程改革中的應用

王淑勤, 李 丹, 張敬紅

(華北電力大學 環境科學與工程學院, 河北 保定 071003)

實驗課程改革

仿真模擬案例在“電廠化學”課程改革中的應用

王淑勤, 李 丹, 張敬紅

(華北電力大學 環境科學與工程學院, 河北 保定 071003)

針對“電廠化學”課程綜合性強、內容涉及面廣、知識點零碎、工藝流程變化大的特點,采用案例教學、對比講解、仿真模擬的教學改革,使教學內容更具有吸引力,從而提高學生的學習積極性；結合電力行業特色收集典型水處理案例,理順各種工藝流程的相互關系,并針對各個設備特點利用計算機仿真技術開發模擬軟件,將復雜抽象的事物轉化為可以直接觀察到的動畫,產生極好的效果,有助于學生提高對電廠設備、工藝原理的認識,增強工程意識。

電廠化學； 仿真模擬； 教學改革； 水處理案例

“電廠化學”課程是華北電力大學環境學院環境工程、環境科學、能源化工專業的一門重要專業課程。其目的是使學生了解燃煤電廠生產過程中的有關化學問題的原理、技術特點、應用現狀和發展趨勢,熟悉電廠煤質分析、電力用油的作用,掌握各種水處理的基本方法、工藝流程、原理特點、設備組成等,學會電廠防腐、防垢技術,為畢業后進入電力系統從事有關電廠化學工作奠定必要的基礎。為了體現我校的辦學特色,自編了著作并用作教材——《電廠化學技術》[1],突出了電力學科體系特色,使電廠化學的教學內容緊密結合我國的電力行業發展趨勢。“電廠化學”課程綜合性強、文字講解和敘述的內容多、內容涉及面廣、知識零碎,不同工藝間既有聯系又有區別,不同電廠在應用過程中不斷進行優化和選擇,學生不易掌握其選擇原則,不知道如何將理論知識轉化成應用技術。我們從以下幾方面進行改革以提高教學效果。

1 通過案例式教學法提高教學效果

案例教學法是教學研究與改革的重點之一,是一種具有啟發性和實踐性的教學方法[2]。通過課堂教學案例全面貫通知識點,實現從重視知識的傳授、智力的培養向重視能力培養的轉變, 從以學習知識為主的知識目標向以學習方法為主的能力目標的轉變[3]。

結合電力工程實際與科研成果充實和優化了“電廠化學”課程教學內容,關注最新水處理技術,增加工程實例和新技術工藝流程,配合實驗教具分析工程中的案例,介紹水處理的常用方法,將水質指標、水處理理論和工藝技術緊密結合,使學生對不同水質的水處理工藝有全面、系統的認識。例如結合一級復床除鹽系統增加實際電廠水處理工藝案例[4],列舉出常用補給水處理工藝的常規流程,如圖1—圖4所示,使學生對水處理工藝有個總體印象。

圖1 某電廠1以自來水為水源的化學水處理系統工藝流程

圖2 某電廠1以淡化水為水源的化學水處理系統工藝流程

圖3 某電廠2的化學水處理系統工藝流程

圖4 某電廠3的化學水處理系統工藝流程

通過對比不同案例的工藝流程,學生深刻地認識到電廠在應用過程中要根據水源水質、處理要求、設備性能進行優化和選擇適合的系統流程。

2 通過對比講解提高教學效果

根據“電廠化學”課程綜合性強、文字講解和敘述的內容多的特點,教學內容的組織上更加強調相關理論的形成過程,引導學生體會知識的形成與發展過程,引發學生的興趣和激情,以培養學生的創新思維和創新能力。在教學過程中,鼓勵學生樹立懷疑精神、勇于質疑問難,主動闡述自己的見解、互相辯論,通過增加課堂提問使學生經歷提出問題、思考問題、解決問題等過程,既鍛煉了膽識又培養了學生發現問題、解決問題的能力。

同時注意將結構、功能、性質等相似的設備或流程進行比較,使學生發現其中的特點和差異,找出其相同點和不同點,以此來提升學生分析問題、表達問題的能力。例如將逆流再生、浮床式離子交換水處理裝置的結構組成、性能特點、運行步驟進行對比(見圖5),啟發和引導學生認識樹脂壓實層、氣頂壓、水墊層的作用和優缺點,理解浮床式離子交換器是逆流再生技術的一種特殊形式,對其管路簡單、運行步驟少、單位制水量大、適合新機組大容量鍋爐選用的特點，認識得更加深刻。

圖5 氣頂壓逆流再生離子交換器管道系統(左)和浮床式離子交換器管路系統(右)

3 通過仿真模擬提高教學效果

另外還利用VB配合Flash開發了電廠鍋爐水處理工藝流程、二級反滲透制純水工藝流程、海水淡化工藝流程界面圖[5]。通過這些模擬圖,學生可以加深對知識點的認識,增加學習趣味性,提高學習效果。克服了在電廠實習時學生通常只能看到設備的表面運行、不能動手、對內部結構和設備管路相互關系弄不懂的缺陷。采用計算機仿真系統的直觀性[6],使學生對電廠使用的新技術形成完整、清晰的認識,搞清楚新型水處理設備與傳統設備的關系。

為此對超濾、反滲透、電除鹽運用的工藝流程進行了仿真模擬,通過仿真動畫讓學生對膜工藝流程一目了然。通過仿真軟件實現了將膜分離技術和工藝等復雜抽象的理論,轉化為可以直接觀察到的動畫,便于初學者很容易地了解膜分離技術的原理、膜結垢的原理以及膜分離工藝的流程。所開發的軟件以Visual Basic 6.0為開發工具,以Adobe Flash professional CS6為軟件動畫制作工具,以Setup Factory 7.0.1為軟件打包工具,使最終制作出的軟件可以脫離開發環境,能夠在Windows操作系統中安裝、運行和卸載,成為一款功能齊全、操作方便、安裝和卸載簡單的膜分離工藝仿真軟件[7]。

針對常用的超濾[8]、反滲透[9]和最新的電除鹽[10]技術,制作了動畫原理、工藝流程等,制作了1個登錄界面、1個主界面、3個子系統界面和其他一些子界面,共計32個界面,并對軟件進行了打包,使之安裝方便、功能完善。

學生在仿真系統上可以沿著水流方向了解水處理的基本過程,與現實中各單元操作有機地結合起來,強化對水處理過程整體性的認識。學生還可以通過熟悉各工序的動態流程,加深對所學的有關原理在實際中應用的認識和理解[11]。

簡單介紹幾個主要的操作界面:

(1) 超濾凈水工藝流程界面。此工藝流程(見圖6)是一個超濾凈化家庭自來水的工藝流程,此動畫詳細的描述的自來水經過超濾裝置凈化的詳細流程以及原理,并描述了超濾裝置的內部結構。右邊有2個按鈕,點擊【返回】按鈕可返回超濾子界面,點擊【返回主界面】按鈕可直接返回主界面。點擊【超濾】菜單中的【超濾設備的清洗】子菜單,彈出超濾凈水設備反洗的工藝流程,如圖7所示。

圖6 超濾凈水工藝流程界面

圖7 超濾設備的清洗

(2)【反滲透】菜單。點擊【反滲透】菜單(見圖8)中的4個按鈕即可進入對應的界面,可以清楚地理解各個反滲透的相關問題。例如,點擊【反滲透設備的清洗】即可進入反滲透設備的清洗界面(見圖9)來了解反滲透設備的清洗方法與過程[12]。

(3) 電除鹽原理的界面。此界面(見圖10)是電除鹽原理動畫界面。右邊有5個按鈕,點擊【原理1】與【原理2】按鈕可清楚形象地了解電除鹽原理,點擊【返回主界面】按鈕可直接返回主界面。通過這一界面學生可以清楚地了解到EDI除鹽的原理及過程[13]。

圖8 【反滲透】菜單

4 結語

開展教學改革后,學生對電廠中的化學知識遷移和應用能力、創新思維能力、解決水處理實際問題的能力得到了培養和訓練。環境學院2011、2012和2013級中絕大部分學生都就業于電廠或電力系統研究單位,畢業生以“適應快”“肯吃苦”“真實干”的評價受到了用人單位歡迎。

圖9 反滲透設備的清洗界面

圖10 電除鹽的原理的界面

References)

[1] 王淑勤,趙毅.電廠化學技術[M].北京:中國電力出版社,2007.

[2] 王雪瑩,張才. 我國案例式教學法文獻計量分析[J]. 時代教育, 2012(5): 43-44.

[3] 郝桂珍,楊國麗.淺談水污染控制工程課程教學模式的改革[J].蘭州石化職業技術學院學報,2014, 37(4):41-43.

[4] 寧夏電力公司教育培訓中心,國電電力武威發電有限公司.350MW超臨界壓力空冷供熱機組技術叢書[M].北京:中國電力出版社, 2013.

[5] 張正華.淺談仿真機在電力行業中的應用[J].小作家選刊,2011(12):249.

[6] 郝瓊.對仿真教學的幾點思考[J].新課程(下), 2015(3):120-121.

[7] 劉建高.基于自主學習的仿真教學研究與實踐[D].南昌:南昌大學, 2011.

[8] 韓鳳麗.超濾在赤峰熱電廠水處理中的應用[J].科學技術學報,2014(3):201-202.

[9] 郭紅利.反滲透膜污堵原因的分析及處理措施[J].科學與財富,2012(8):37-38.

[10] 降曉艷,許臻,翟紹晶,等.電除鹽裝置膜組件清洗技術的研究及應用[J].中國電力,2016(2):18-20.

[11] 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.

[12] 郭欣,趙寧,侯建輝.某型反滲透—連續電除鹽設備故障及維護[J].水科學與工程技術,2013(4):45-48.

[13] 黃維菊.膜分離技術概論[M].北京:國防工業出版社,2008.

Application of analogue simulation case in reform of Power Plant Chemistry course

Wang Shuqin, Li Dan,Zhang Jinghong

(School of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

According to the characteristics of Power Plant Chemistry course which are strong comprehensive performance, rich contents, fragmentary knowledge, large changes of process flow, the teaching methods such as case type teaching, comparative explanation, analogue simulation are adopted. This makes the teaching content more attractive, thus the students’ learning effects can be improved. Through collecting typical water treatment cases combined with the characteristics of the power industry, straightening out the relationship between various processes and rationalizing the various equipment characteristics, the simulation software is produced by computer simulation technology. Thus the complex and abstract things transformed into animation can be directly observed to create a great realistic effect. Meanwhile, the students can improve the understanding of power plant equipment and process principles, and enhance the engineering consciousness.

power plant chemistry; analogue simulation; teaching reform; water treatment case

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.047

2016-11-23

河北省教改項目(2016GJJG367)；華北電力大學教改項目(13001404)

王淑勤(1965—),女,河北定州,博士,教授,主要從事大氣和水污染治理技術方面的研究.

E-mail：wsqhg@163.com

G642.423

B

1002-4956(2017)5-0189-05