仿真教學在熱能動力專業培養中的應用

喬宏斌 王順

摘 要 結合熱能動力專業學生培養過程，從認識專業階段、專業課程學習階段到綜合運用知識階段，分層次有針對性地引入CAI及電廠仿真系統到理論教學中，讓學生在掌握理論知識之外提高動手實踐能力。

關鍵詞 熱能動力；仿真教學；CAI

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）04-0037-03

Abstract During training of thermal power major， from the stage of understanding major， professional course stage and the stage of inte-grated use of knowledge， the power plant simulation system and CAI are introduced in theory teaching， through the implementation of the training program， make students to master theoretical knowledge and improve the practical ability.

Key words thermal power； simulation teaching； CAI

1 前言

熱能與動力工程專業是培養在國民經濟各部門從事動力機械（熱力發動機、流體機械、水利機械）的動力工程（熱電廠工程、供熱工程、風力發電與太陽能利用、水電動力工程）設計、制造、運行、開發的專業人才。該專業體現了能量轉換與利用過程中的機與電相結合，運用信息化技術改造傳統行業。學生在大三、大四進入專業課程學習，如“汽輪機原理”“鍋爐原理”“熱工過程控制”及后續的“集控運行”等課程，如果僅僅只是停留在基本原理和課本的講述上，學生很難接受，教學效果也不好[1]。

自20世紀七八十年代開始，隨著計算機的發展，計算機輔助教學（Computer Aided Instruction，簡稱CAI）和仿真機得到迅猛發展。隨著開發仿真機支撐平臺的增加及界面的交互性增強，開發成本大大降低，使得CAI及仿真機組訓練成為電廠運行操作人員培訓、考核、資質認證的重要手段和首選方式[2]。高校為適應人才培養的要求，在實際教學中將CAI和仿真引入教學是非常必要的。在大學四年的培養過程中，可以分階段、分層次地引入CAI和仿真教學，分為以下三個階段。

2 認識專業階段

認識專業階段可采用電廠生產過程CAI軟件及參觀認識實習，這些CAI軟件的特點是集圖文、動畫、音視頻等多種媒體手段于一體，把火電廠的設備及各系統全方位立體化地展現在學生面前。充分利用CAI軟件操作簡單、方便快捷的特點，接受知識的過程將變得更具有吸引力，增強了趣味性。此類教學軟件的特點是交互性功能強大，導航策略清晰明了，學習過程充滿互動，改變了傳統教學單向傳遞知識的弊端，給予學生最大的自由度。良好的導航策略，方便其在不同信息之間的轉換，快捷地搜尋到所需要的信息，使接受知識的過程變得更靈活，也更加具有主動性。

借助于CAI課件的多媒體技術，能夠掌握電廠中各主要設備的結構、工作原理及整個火力發電廠的能源轉換過程，提高學生的學習興趣，節省學習成本，提高教學質量，有利于對相關專業課程的理解和掌握。

利用CAI教學軟件能完成以下主要教學內容。

1）掌握火電廠的生產過程。借助視頻，輔以三維動畫為主要表現形式，詳細地介紹火力發電廠各個部件的名稱、內部結構，電力生產的系統組成及電力生產的過程。

2）兩大熱力設備——鍋爐和汽輪機學習。以圖片和三維動畫的形式，詳盡地對鍋爐設備和汽輪機設備的概念、結構、功能、方位等方面進行說明，詳盡的文字注釋對圖片以及插放視頻畫面進行解釋，更易于理解相關內容。

3）熱力設備的解剖化呈現。對電廠中重要的設備，為便于了解其內部構造，充分利用計算機三維動畫效果，形象逼真地展現熱力設備的內部構造，并配有相關的熱力系統圖。

4）學習效果檢測環節。由百余道測試題組成的題庫中，隨機抽取指定數目的題目作為測試題進行學習效果的測試。該題庫具有自動評分功能，既可檢測學習效果，也可用來進行實習考試。

通過這個階段電廠CAI軟件的學習，能給學生一個較為直觀的認識，知道專業主要從事的行業和流程、設備的基本概況等，結合參觀認識實習，能收到更好的教學效果。

3 專業課程階段

進入“汽輪機原理”“鍋爐原理”“熱工過程控制”等專業課階段，課本上比較注重原理性的講述，在實際設備的講述上由于條件限制，不太好展開。能源動力的動力設備涉及運行、維護、檢修等多崗位，包括大型火電機組運行、核電機組運行等，往往涉及環境極端、危險性大、成本高等問題。這些動力設備（汽機和鍋爐）的理論講述非常重要。同時，作為從事動力行業的技術人員，深入了解設備的具體組成和工作工程，在某種程度上說更加有必要，這樣能讓學的知識真正活起來，而不僅僅是一些課本的理論。

在實際教學中，可結合具體內容，輔以仿真軟件，逐步引導學生接觸此類仿真軟件。比如汽輪機，較于鍋爐設備，更加抽象，邏輯控制功能也更加復雜。此時可將電廠仿真軟件的就地部分逐步介紹給學生，如汽輪機中的循環冷卻水系統、軸封系統[3]，尤其是潤滑油系統，結合仿真系統的就地和DCS畫面，讓學生能初步了解其工作過程及控制規律。這些就地和DCS畫面是嚴格按現場實際的方式繪制的，包括所有的旁路、閥門、保護裝置等，讓學生具有真實的現場感，了解系統的復雜性和必要性，為后續整個仿真系統的掌握奠定基礎。

在汽輪機和鍋爐之后，熱工控制是學生普遍感覺比較枯燥的一門課程，他們的感覺是把自控原理又講了一遍，無非是結合了對象而已。此時，可結合熱工過程控制仿真平臺，把枯燥的理論知識變得生動有趣起來。這個仿真系統可以支撐以下工作：

1）模擬電廠發電機組的生產過程；

2）通過分散控制系統研究平臺，修改具體過程控制邏輯，測試新型控制策略，組建機組的DCS邏輯，重現DCS在現場的應用效果；

3）通過生產過程信息化研究平臺，實現SIS系統的功能測試。

通過這個平臺，學生可以完成下面的學習。

1）復雜工業過程的建模。熱工過程控制仿真平臺包括仿真對象建模支撐平臺和完善的熱工對象模塊庫，如閥門、管道、風機、受熱面等，可以實現各種熱工對象的建模研究，直至建立整個機組模型。

2）控制策略的分析與研究。熱工過程控制仿真平臺提供了完善的常規控制算法庫和通信接口，包括實現常規電站機組控制所需的各種控制運算模塊，如PID控制、Smith預估控制等。通過現有控制算法的搭建，實現常規控制策略，包含DAS、MCS、SCS、FSSS、DEH、ETS等內容。熱工過程控制仿真平臺還可用于實現控制系統優化模塊的編制。對于高級控制算法，如模糊控制、神經網絡等，用戶能通過編程（C語言）建立自己的算法模塊，并添加到控制平臺中，方便調用。

3）SIS及優化運行的研究。熱工過程控制仿真平臺包括RD6DB實時數據庫，數據庫中的數據開放，能夠提供ODBC、API、OPC等多種數據接口方式，根據實際需求，為二次開發提供基礎，可以利用此平臺實現SIS系統的全部功能。

通過借助仿真機軟件對這些專業核心課程的學習，能讓學生較為深刻地認識實際的設備，但這些對主要動力設備和電廠控制策略的模擬操作的認識還只是孤立的，并未形成系統知識，需要進入第三個階段，將這些分散的知識系統化。

4 綜合運用階段

專業知識的強化及運行技能的提高需要通過反復訓練來實現，而在真實機組上進行訓練，由于其危險性、高成本等原因，往往難以做到。據統計，一次機組停機后，僅重新啟動，造成的直接經濟損失可達數百萬元，還不包括電量損失。換句話說，如果在真實設備上讓學生開展一次機組啟動實訓，則需耗資百萬，而且只能是完成一次啟動過程。此外，誤操作還可能導致設備損壞、設備壽命損失和人身傷害，這些損失則難以估計。

現場跟班培訓的方法，其特點是成效很慢，效果也不好。同時，這種培訓方式或多或少給電廠的正常運行帶來影響，存在一定的安全隱患，成本太高。所以，傳統的在真實設備上進行實驗的方法，在現實中常常是不可行的，需要通過仿真實驗（實訓）系統來完成。仿真實驗（實訓）不但能累積經驗、增長技能，而且能減少真實環境存在的危險，節省大量訓練成本。

燃煤火電機組仿真系統是模擬電站燃煤發電機組的鍋爐設備及系統、汽輪機設備及系統、電氣設備與系統流程及特性的一種全范圍數字仿真系統。操作員站（實）與相關機組數學模型（虛）相結合，虛擬仿真與實物之間相結合，從而提供與現場相像的運行實習環境。

針對具體培養方案，可開展火電機組仿真系統、燃氣蒸汽聯合循環機組及火電機組集控運行仿真實訓，包括以下具體內容。

火電機組仿真系統可實現的正常操作功能：可完成冷態到溫態、熱態、極熱態的啟動及滿負荷的各項操作；鍋爐設備、汽輪機及發電機跳閘后恢復到額定負荷；火電機組從滿負荷正常停機到滑參數停機狀態；鍋爐吹掃與點火、汽機啟動和發電機同期并網等其他指定工況的啟、停或升、降負荷操作；熱力設備和控制系統可靠性試驗及各系統間的聯鎖保護試驗。

作為一種清潔、高效發電技術，燃氣蒸汽聯合循環發電近年來在我國發展較快，為使學生有機會接受此類發電機組運行實訓，可開展以下燃氣蒸汽聯合循環機組仿真實驗（實訓）項目。

1）聯合循環機組輔助系統啟動過程訓練：電氣送電過程、機組公用系統投運、燃氣輪機輔助系統投運、汽機輔助系統投運、余熱鍋爐輔助系統投運。

2）燃氣輪啟動、停止過程訓練：燃氣輪機啟動過程、燃氣輪機發電機并網、余熱鍋爐升溫升壓過程、汽輪機沖轉、發電機并列、燃氣輪機升負荷過程、燃氣輪機燃燒方式切換過程、IGV調節過程、機組協調控制過程、燃氣輪機停機過程、燃氣輪機離線水洗過程、機組停機過程、機組熱態啟動等。

3）聯合循環機組故障處理訓練：燃氣輪機主要事故處理過程，余熱鍋爐、汽輪機、電氣系統主要事故處理過程等。

火電機組集控運行仿真可開展以下發電機組運行內容。

1）熟悉系統：熟悉DCS系統及發電廠生產工藝流程。

2）機組冷態啟動：模擬機組大小修后的啟動操作，即從送電開始，輔機分步試運轉，按規程及機組冷態啟動曲線進行鍋爐點火、升溫升壓、汽機沖轉、發電機并網，直到帶滿負荷。

3）運行調整：模擬機組在不同負荷段范圍內進行負荷變化，在手動方式下調整各個主要參數，要求學生能夠熟練掌握燃燒調整、風量調節、氣溫調節、給水調節等方法與技巧。

4）滑參數停機：模擬機組正常停機的操作，按規程及滑參數停機曲線進行降溫、降壓、降負荷操作，直至完全停機。

5）熱態啟動：模擬機組臨檢、調停等狀態的啟動操作。

上述為正常操作訓練功能。除此之外，仿真機能模擬現場故障，這一功能對于電廠培訓尤為重要，因為這些故障很多都是破壞性的，在現場中不可能人為實現。但這種訓練對于操作人員是必須要掌握的技能，通過仿真機能模擬和重演這些故障。

仿真機中的故障與事故來源于兩個方面：一種是誤操作引起的；另一種是由教練員根據運行培訓需要，人為設置的。無論是誤操作還是人為設置，其表現出來的參數偏差及不同故障現象應與真實機組盡可能一致。多種故障可以疊加。對于各種故障或事故，學生（學員）可在工作站上進行處理，這時仿真系統應能正確表現學生（學員）的處理情況，如果處理正確，故障或事故應不斷減小，直至消除；如處理措施不當，應模擬出事故擴大后的現象與真實機組反應一樣。

通過這個階段兩周或四周的集中實踐學習，能讓學生系統地掌握一個合格的電廠操作人員所具備的基本操作技能，在激烈的人才市場上捷足先登，更容易獲得更好的就業機會。

5 結論

通過在熱能動力專業學生培養過程中，在不同階段將CAI和仿真系統有針對和分層次地加入，最終在火電機組仿真系統上開展實訓，能夠讓學生對熱工基礎課程和鍋爐、汽輪機、電氣設備等專業課程中所學的理論知識達到融會貫通，并完整了解電力生產過程，了解不同機組的特點，掌握機組設備啟動停止方法和參數調整等運行技能，熟悉部分典型事故的現象，鍛煉其分析、處理事故的能力，使得培養的學生成為既具有較為扎實的理論基礎，又具有較強動手能力的應用型人才，最大限度地滿足企業對人才的需求。

參考文獻

[1]林文孚，朱平，黃忠祥.互動教學法在仿真培訓中的應用[J].中國電力教育，2014（24）：109-110，112.

[2]劉芳，王永杰.火電仿真培訓模式探討[J].中國電力教育，2010（4）：248-249.

[3]楊成民.600MW超臨界壓力火電機組系統與仿真運行[M].北京：中國電力出版社，2010：61-63.