《工業(yè)廢氣凈化技術(shù)與設(shè)備》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

曹衛(wèi) 陽(yáng)程 周海

摘要：文章分析了《工業(yè)廢氣凈化技術(shù)與設(shè)備》課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建逼真的脫硝、靜電除塵、脫硫?qū)嶒?yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象。根據(jù)課程內(nèi)容和特點(diǎn)設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以虛擬仿真技術(shù)為核心，把工藝、裝備和多相流融合為一體，制作教學(xué)案例，滿足課程教學(xué)目標(biāo)，并制定完善的評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)，提高評(píng)價(jià)的公正和公平性，從而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）29-0279-02

《工業(yè)廢氣凈化技術(shù)與設(shè)備》課程的內(nèi)容主要是各種煙氣脫硝、除塵、脫硫技術(shù)和相應(yīng)設(shè)備的使用。傳統(tǒng)的《工業(yè)廢氣凈化技術(shù)與設(shè)備》實(shí)驗(yàn)通常是利用硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行的，在實(shí)際教學(xué)中，存在以下不足：

①煙氣凈化效果因素分析在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中觀察不到，無(wú)法找到最佳參數(shù)；②設(shè)備固定在系統(tǒng)中，針對(duì)不同煙氣無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，難以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力；③學(xué)生無(wú)法進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)，難以達(dá)到提高凈化效果的目的；④設(shè)備維護(hù)成本高；⑤實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定且難以更新；⑥實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)固定，學(xué)生不能根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間。這些問(wèn)題極大地限制了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。開(kāi)展系統(tǒng)的煙氣凈化裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，真實(shí)再現(xiàn)煙氣處理過(guò)程，讓學(xué)生在實(shí)際的虛擬仿真操作過(guò)程中，熟悉煙氣凈化技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

一、建立“虛實(shí)結(jié)合”的綜合實(shí)驗(yàn)室

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建立

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建立是《工業(yè)廢氣凈化技術(shù)與設(shè)備》實(shí)驗(yàn)課程改革的硬件基礎(chǔ)。原來(lái)的實(shí)驗(yàn)室是單純的硬件實(shí)驗(yàn)室，主要為一臺(tái)脫硝反應(yīng)器、一臺(tái)布袋除塵器、一臺(tái)脫硫噴淋塔，只能供一組18名學(xué)生完成裝備的認(rèn)識(shí)和測(cè)繪實(shí)驗(yàn)。改建后的實(shí)驗(yàn)室增加了30臺(tái)計(jì)算機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)均安裝定制開(kāi)發(fā)的煙氣凈化裝備虛擬仿真軟件，可供學(xué)生構(gòu)建煙氣凈化裝備虛擬仿真工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝備的結(jié)構(gòu)認(rèn)知和組裝、裝備的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化以及故障診斷等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

（二）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.煙氣凈化工藝系統(tǒng)的布置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。煙氣凈化系統(tǒng)涉及脫硝、脫硫、除塵等多個(gè)操作單元，主要的核心設(shè)備脫硝反應(yīng)器、除塵器本體、脫硫塔對(duì)燃煤鍋爐的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。煙氣凈化系統(tǒng)必須能夠滿足環(huán)保凈化超低排放要求，并提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和系統(tǒng)的工藝安全性，降低成本和煙氣凈化負(fù)荷。針對(duì)不同的煙氣組分特點(diǎn)、滿足性能等要求，比較不同的工藝布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而優(yōu)化組合最佳的工藝系統(tǒng)方案，達(dá)到提高凈化效果和節(jié)能降耗的目的。

2.脫硝裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)三維仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)動(dòng)態(tài)模擬演示脫硝工藝氨的存儲(chǔ)系統(tǒng)、噴氨系統(tǒng)、氨與空氣混合系統(tǒng)以及檢測(cè)控制系統(tǒng)布置，學(xué)生通過(guò)交互操作，熟識(shí)、掌握脫硝裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，并進(jìn)行SCR安裝位置、催化劑、噴氨格柵的優(yōu)化和導(dǎo)流板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過(guò)交互方式改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、實(shí)際的n（NH3/NOX）、NH3與NOX的湍流混合程度等參數(shù)，體驗(yàn)并練習(xí)達(dá)到環(huán)保脫硝指標(biāo)要求，調(diào)整反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、實(shí)際的n（NH3/NOX）、NH3與NOX的湍流混合程度等操作，掌握脫硝裝置的性能特點(diǎn)，分析嚴(yán)重的流場(chǎng)不均、催化劑活性不足和噴氨格柵結(jié)構(gòu)缺陷等問(wèn)題造成NOX排放不達(dá)標(biāo)或空氣預(yù)熱器堵塞加劇、壓差增大等故障原因，并進(jìn)行排除。

3.靜電除塵虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)三維仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)動(dòng)態(tài)模擬演示靜電除塵器本體系統(tǒng)和提供高壓直流電的供電裝置以及低壓自動(dòng)控制系統(tǒng)布置，學(xué)生通過(guò)交互操作，熟識(shí)、掌握靜電除塵器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并進(jìn)行極配形式、極間距、外殼的氣密性、振打錘的大小和搖臂的長(zhǎng)短的優(yōu)化和氣流旁路、氣流均布板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過(guò)交互方式改變工作電壓、氣流速度、進(jìn)口含塵濃度和濕度、煙氣溫度和壓力、粉塵比電阻、供電裝置的控制方式等，體驗(yàn)并練習(xí)達(dá)到環(huán)保除塵指標(biāo)要求，調(diào)整工作電壓、粉塵比電阻、供電裝置的控制方式等操作，掌握靜電除塵器的性能特點(diǎn)，分析保溫圈的連接線燒壞、堵灰、電暈線斷裂、收塵板燒變形等故障原因，并進(jìn)行排除。

4.脫硫裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)三維仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)動(dòng)態(tài)模擬演示石灰石—石膏煙氣脫硫系統(tǒng)的石灰石漿制備系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、煙氣再熱系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)布置，學(xué)生通過(guò)交互操作，熟識(shí)、掌握脫硫系統(tǒng)噴淋吸收塔的結(jié)構(gòu)和工作原理，并進(jìn)行噴淋層設(shè)計(jì)和噴嘴角度的優(yōu)化。

5.脫白虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)三維仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)動(dòng)態(tài)模擬演示脫白加熱器布置，學(xué)生通過(guò)交互操作，熟識(shí)、掌握脫白工作原理，并進(jìn)行溫度和濕度的優(yōu)化。通過(guò)交互方式改變溫度和濕度參數(shù)，體驗(yàn)并練習(xí)達(dá)到環(huán)保脫白指標(biāo)要求，調(diào)整溫度和濕度操作，掌握脫白裝置的性能特點(diǎn)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)示例

在煙氣凈化工藝系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)中，基于軟件操作界面，學(xué)生可以根據(jù)三種不同的煙氣凈化處理步驟，拖動(dòng)以上裝備分別到正確的位置，正確排列凈化裝備順序，完成本次練習(xí)，進(jìn)入下一實(shí)驗(yàn)步驟。虛擬仿真軟件中對(duì)不同裝備進(jìn)行高亮提示，可通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)選交互式操作，以完成煙氣凈化裝備的相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)認(rèn)知和零件組裝過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)不同煙氣成分和顆粒性質(zhì)，調(diào)整局部結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察物質(zhì)反應(yīng)、多相流流場(chǎng)特性來(lái)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)，分析煙氣凈化效率和效果，進(jìn)而對(duì)比分析煙氣性質(zhì)、操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)煙氣凈化效率和效果之間的關(guān)系，從而掌握節(jié)能降耗的基本規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中需要觀察現(xiàn)象和結(jié)合數(shù)據(jù)分析，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核

煙氣凈化裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)步驟和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)記錄，并在實(shí)驗(yàn)操作完成后自動(dòng)給出學(xué)生實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)。考核要求如下表考核評(píng)分表所示。

四、結(jié)語(yǔ)

煙氣凈化裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建逼真的脫硝、靜電除塵、脫硫?qū)嶒?yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。脫硝、靜電除塵、脫硫?qū)嶒?yàn)涉及高溫和腐蝕性介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)成本和消耗高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為大型非標(biāo)，且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合性強(qiáng)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)則體現(xiàn)了信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

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