全國油氣儲運工程設計大賽對輸氣管道教學方式的啟發

方麗萍,賴家鳳,喻 鵬,梁金祿,周 雄

(北部灣大學 石油與化工學院 ,廣西 欽州 535011)

2017年5月，國家發展改革委國家能源局發布的《中長期油氣管網規劃》中指出，2015年底，我國天然氣主干管道里程已達到6.4萬公里，用氣人口從2010年的1.9億人上升到2015年的2.9億人。到2020年，全國油氣管網規模達到16.9萬公里，其中天然氣管道里程達到10.4萬公里；到2025年，全國油氣管網規模達到24萬公里，全國省區市天然氣主干管網全部接通，50萬人口以上的城市天然氣管道基本接入，天然氣管網里程達到16.3萬公里。天然氣管道里程年均增長9.8%。到2030年，天然氣利用逐步覆蓋到小城市、城郊、鄉鎮和農村地區，基本形成現代油氣管網體系。在此背景下，輸氣管道設計與管理的教學目標和質量倍受關注。

1 全國油氣儲運工程設計大賽參賽隊伍能力的要求

全國油氣儲運工程設計大賽始于2016年，由中國石油學會主辦、中國石油大學(華東)承辦，每年舉辦一次。在此之前，與油氣儲運工程專業最接近的學科競賽是全國石油工程設計大賽的地面集輸部分。大賽目的在于激勵學生學習積極性，提高大學生運用油氣儲運工程專業知識解決實際問題的綜合能力，檢驗學生的知識基礎，培養學生創新思維，推動大學油氣儲運教學體系、教學內容和教學方法的改革。大賽賽題取自現場工程實際，每年賽題包含兩個方向。從這兩年的參賽情況來看，長輸管道的參賽數和獲獎數均高于油田方向。見表1。

表1 全國油氣儲運工程設計大賽賽題及近三年參賽情況

油田方向的賽題中，參賽作品需根據井口布置及發展規劃，完成油氣井口集輸的優化設計，根據油氣性質選擇油氣處理方案，實現安全經濟的目標。長距離管道的賽題中，需對原油或天然氣長輸管道進行設計，確定河流跨越或穿越方案，輸油管道需設計火車裝車方案，輸氣管道需考慮沿線工業園用氣需求。完成一個參賽作品，必須具備幾方面的能力：

(1)對賽題進行分析，根據團隊的優勢選擇參賽題目。具備與團隊的溝通能力和團結協作的能力。

(2)根據油品的物理化學性質進行基本的計算。建立數學模型，能夠運用編程語言編制優化程序、運用專業軟件如pipephase、pipeflow、OLGA、hysys進行計算及模擬，并根據所學知識對計算結果校核。運用技術經濟學的知識對設計方案的經濟性進行比選。

(3)熟練運用AutoCAD、CorelDraw等繪圖軟件，把站場、管道等設計作品繪制出來。

(4)從網絡資源或書籍中獲取信息，關注科技前沿，把新技術應用到設計作品中。

2 應對儲運設計大賽輸氣管道的教學改革思路

《輸氣管道設計與管理》是油氣儲運工程的主干專業課之一。特別是以天然氣和城市燃氣為特色及主要就業方向的高校，《輸氣管道設計與管理》的學時相對較高。在進行輸氣管道設計，需基于物理、化學知識進行氣體物理化學性質計算；基于流體力學進行水力計算；基于熱力學及傳熱學進行熱力計算并判斷水合物形成的可能；基于泵和壓縮機計算壓氣站和管道聯合工作的工作點，布置壓氣站；基于機械設計及管罐強度對管道強度進行校核；基于技術經濟學對設計方案的經濟性進行校核；基于C語言或matlab進行編程，計算管網各節點的壓力及流量，掌握初步優化及穩態計算等等。因此，在修《輸氣管道設計與管理》前，需先修物理化學、工程流體力學、熱力學、傳熱學、泵和壓縮機、機械設計基礎、管道及儲罐強度設計等課程。在以能力為導向的模塊化人才培養方案里，《輸氣管道設計與管理》課程修完之后，學生需具備天然氣長輸管道設計、應力校核、熱力計算、水合物形成區域判斷、壓氣站布置等能力。目前大部分《輸氣管道設計與管理》課程所使用的教材為李玉星教授編寫的《輸氣管道設計與管理》及王樹立教授編寫的《輸氣管道設計與管理》。這兩部教材的章節均以"天然氣物理化學性質-天然氣凈化-氣體管流基本方程-水力計算-熱力計算-壓氣站與輸氣管聯合工作-輸氣站-干線優化設計-城市配氣系統"為主線進行編排。不同的是，王樹立教授的教材添加了部分氣田集輸及小區液化氣管道供應等內容；李玉星教授的教材注重模擬仿真的介紹及理論計算。在以往的教學中，課程的教學內容的與教材一一對應，除了例題之外，缺少相應的設計素材。課堂上難免枯燥乏味，學生也得不到鍛煉設計的機會。

在近幾年的教學改革中，為了使課堂教學貼近實際，生動形象，嘗試過一些方法。如借鑒CDIO的理念，設計創新設計性實驗，要求學生通過設計、實現、觀察進而分析結果，得出自己的結論?？己藭r將輸氣管道的各部分設計內容作為大作業，將大作業和綜合性創新實驗作為考核內容之一[1]；搜集學生較為熟悉的天然氣管道資料，如流程圖、安裝圖，配以實物圖片和影像資料；將難以實物演示的環節做成3D動畫等便于展示的媒體素材[2-3]；按管道設計工作過程為導向重新組織教學內容，僅把教材作為參考書，并額外補充工程設計規范等相關內容[4]?；谄胀ū究茖W生的現狀及學校的實驗條件，設計創新設計性實驗幾乎不可能實現；而制作3D動畫需耗費大量的財力資源，在目前高校經費和獎勵制度普遍重科研輕教學的形勢下，也難以完成。因此，近幾年《輸氣管道設計與管理》的教學改革以布置大作業和上機實驗為主，以管道設計工作過程為導向組織教學內容。

近兩年，全國油氣儲運工程設計大賽的開展大大提高了學生上課的積極性和主觀能動性。從組隊到選題，到作品的設計過程均以目標為導向。鑒于這一點，再次對《輸氣管道設計與管理》進行教學改革，修改大賽設計題目作為案例，以實現題目要求為目標組織教學內容，輔以教材相應知識作為指導。

3 以設計目標為導向的輸氣管道教學改革的實施

在心理學中有一個有趣的定律：可見目標定律?？吹靡姟虻弥哪繕?，人們更愿意去完成它。相反，若一個目標渺渺無期，則將使人失去實現它的動力。在進行教學設計時，圍繞設計目標尋找設計思路，在實現設計思路的過程中逐個解決所涉及的問題。將最終設計目標分解成若干個小目標，將每一個小目標的實施思路組織成每一次課的教學內容。把小目標設計時涉及的知識點以關鍵詞的形式布置課前作業，讓學生從網上或書籍中搜集相關內容。在課堂講授時穿插工程設計規范中的相關規定及前沿科技知識。這樣，把一個設計過程切割成每節課均可完成的小目標，不僅能夠提高學生的學習熱情，也可讓他們在學到知識的感覺中找到自信。

除了《輸氣管道設計與管理》這門課程的教學需要進行改革之外，也對輸氣管道的先修課程《工程制圖》進行部分改革，以滿足《輸氣管道設計與管理》課堂教學及課程設計的需要。在以往的工程制圖課程教學中，主要有兩大部分內容。一是畫法幾何，二是工程制圖及CAD繪圖。機械專業的學生偏重機械制圖，但油氣儲運工程專業的學生，除能夠對機械圖樣進行識讀之外，還需能夠掌握管道布置圖、工藝流程圖、平面布置圖的知識。若要參加儲運設計大賽，還需要能夠進行三維圖樣的繪制。為了讓學生對各個站場的設備及布置有個感性的認識，引進聯合站、壓氣站、LNG接收站等典型站場的模型。在《工程制圖》課程中，訓練學生通過觀察模型實物圖，繪制相應的管道布置圖、工藝流程圖和平面布置圖。在CAD教學的后期，邀請設計公司的工程師講授小區管道燃氣的布置原則及圖樣繪制。在《輸氣管道設計與管理》課程中，進行壓氣站布置或天然氣凈化處理設計時，可讓學生參照各個站場模型布置站場，并根據實際條件對站場布置或引進設備進行創新。

4 結語

在全國油氣管網建設進度加快的趨勢下，《輸氣管道設計與管理》這門課程擔負著巨大的使命。全國油氣儲運工程設計大賽“以賽促學、以賽促教、以賽促研”的理念，激起學生學習的興趣和熱情。來自工程實際的賽題數據，為輸氣管道課程的教學提供豐富的素材。在應用型大學以能力為導向的教學理念中，以設計目標為導向的教學改革，使學生學有所成，學以致用，為我國油氣管道建設做出更大的貢獻。