鍋爐水處理作業仿真培訓考核模擬機設計

賈丙麗* 車 剛

(泰安市特種設備檢驗研究院)

0 引言

鍋爐水處理操作是一項對過程要求很高的工作，作業人員應了解和掌握鍋爐水處理原理和故障排除等知識，鍋爐水處理作業一旦出現問題，將會導致鍋爐結垢、腐蝕及汽水共騰等危害，使電站造成巨大損失。根據TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》的要求，鍋爐水處理作業人員應當按照《特種設備作業人員監督管理辦法》的規定持證上崗，按章作業。

本文中的鍋爐水處理作業仿真培訓考核模擬機是專門為特種設備作業人員考試機構的鍋爐水處理作業人員培訓考試而研制的，同時也可以作為電力學校學生的實訓模擬機和企業崗前培訓模擬機。結合教材理論知識培訓，重點就設備動手操作、故障排除、樹脂再生等實操性問題進行真實再現及演示，使水處理作業人員達到考核要求。

1 需求分析

新修訂的《特種設備作業人員考核規則》TSG Z6001—2019自2019年6月1日起正式實施，與原標準（TSG Z6001—2013）相比，TSG Z6001—2019將原來的一級鍋爐水處理（G4）和二級鍋爐水處理(G5)合并為鍋爐水處理（G3）項目，新標準對作業人員的考核要求更高了。作業人員既要掌握工業鍋爐水處理知識，又要掌握電站鍋爐水處理知識，合格分數線也由原來的60分提高到了70分。相關實際操作的要求包括：離子交換設備的反洗、置換、正洗、運行制水操作；膜裝置的運行及其反洗操作；鍋內加藥操作；除碳器的運行操作；除氧器的運行操作。要求作業人員能夠解決的水處理設備故障包括：鈉離子交換設備出水率降低，周期制水量減少；運行或反洗過程交換劑流失，軟化或除鹽過程中，出水達不到要求；軟化水氯離子含量增加等。自新考規實施以來，不論是對考核機構還是對學員來說，要求都提高了，考試通過率急劇下降。

出于以上實際情況，作者及所在的創新團隊在參考了同類模擬機的設計思路后[1]，研制了這款模擬機，該模擬機可作為鍋爐水處理操作人員實際操作技能確認和考核的設備，集教學、訓練、考核為一體。模擬機選用國內工業及電站鍋爐常用典型核心水處理設備鈉離子交換器、反滲透、除碳器、除氧器、陰陽混床為設計原型，模擬制水過程中設備的實際運行狀態，針對考核試題，采用信號采集、傳遞技術、電路集中控制技術、計算機軟件應用技術、配備聲光模擬技術等給水處理作業人員營造水處理設備運行現場的真實環境，可供培訓考核單位對水處理作業人員人員培訓考核使用。

2 整體方案及實現

模擬機選用目前行業內在用的具有代表性的典型水處理設備，鈉離子交換器、反滲透、除碳器、除氧器及陰陽混床本體，其附屬設備、安全附件、閥門等都采用實物仿真模擬（如圖1所示），該設備可進行相應模擬操作，且能夠對運行參數（如壓力、溫度、水位、流量、電導率、pH等）進行顯示和調節，整套水處理設備的外皮采用全透明材質，能夠向使用者清晰地展示設備內部結構及運行狀態。

圖 1 實物物理模型

鍋爐水處理設備實際操作培訓考核模擬機的硬件構架如圖2所示，主要由實物物理模型、傳感器檢測控制系統及計算機軟件系統組成（如圖3所示）。其中實物物理模型各組成設備及內部機構均參照實際設備且按一定比例縮小，計算機軟件系統所包含的5個一級模塊和4個二級模塊完全能夠滿足水處理作業人員的培訓、練習及考核工作。

圖2 模擬機硬件構架

圖3 計算機軟件系統

其中鈉離子交換器使用的樹脂再生方式為手動再生，主要目的是考核操作者的再生操作動手能力，交換器鹽罐與樹脂罐各開關閥門均配備了信號傳輸功能，可以根據操作者的操作，把操作信號傳輸給上位機。

反滲透及混床2臺設備通過聲光動態模擬水流過2臺設備時發生的變化，反滲透管及混床的外殼采用有機透明玻璃材質，其中反滲透管中心水管采用變色燈管，燈管的不同顏色代表不同水質，采用藍色表示過濾后的淡水，濃水出水管的燈光顏色則為棕黃色。中心水管與外殼之間的反滲透膜采用變色材質，當膜的顏色變為棕黑色時，即代表膜受污染較嚴重，需要及時進行低壓反沖洗操作。定期對反滲透設備采用大流量、低壓力、低pH的介質沖洗有利于清除附著在膜表面上的污垢，維持膜的滲透性能，或當反滲透設備進水SDI突然升高至5.5以上時，應進行低壓沖洗，待SDI值調至合格后再開機。

同時為了便于觀察混床內部水的流路，陰陽離子混床（如圖4所示）中進酸管、進堿管、排水管、中進水管、中排水管、上排水管、下排水管采用變色燈帶代替實際鋼制管道，同時用LED點狀變色燈代替混床內的陰陽樹脂填料，燈的顏色變化可以模擬樹脂再生前后顏色的變化情況。當打開上述各管道的閥門時，相應燈管即變為藍色，表示有水流過，操作者通過操作閥門實現樹脂再生操作的模擬工作，實現反洗、置換、正洗、制水操作，模擬機的教學模塊可實現利用3D動畫技術生動演示混床內部組成結構、制水流程、故障排除、樹脂再生的教學目的。

圖4 陰陽離子混床剖面簡圖

除碳器及除氧器選用的是大氣除碳器和熱力除氧器，二者結構均比較簡單且易于操作。其中大氣除碳器設有進水閥、出水閥和鼓風機開關，并具有信號傳輸功能。同樣，熱力除氧器設有進水閥、出水閥和底部加熱開關，并具有信號傳輸功能。

在該系統及其2臺重點設備反滲透及混床上按照實際設備結構安裝多個控制點，控制點為在實際運行中水處理系統工作參數可供操作的部位，如排氣閥、進液閥、排水閥和進氣閥等，操作部件處裝有信號采集傳感器，當操作部件動作時，觸發信號采集傳感器，傳感器將控點信號傳輸至控制系統，信號經過控制系統處理后傳遞給計算機系統，計算機系統對接收的信號進行處理，并對操作者的操作情況做出評判。

3 考試系統流程及實現

模擬機中的考試模塊（如圖5所示）能夠滿足正常操作、故障設置、應急操作和樹脂再生等科目的要求，所有科目內容均與考核大綱一致。模擬機也能夠滿足對鍋爐水處理作業人員培訓考核的要求，軟件系統具有題庫管理、隨機組卷、自動限時計時、自動判卷評分、自動記錄存檔、統計、查詢、匯總報表、建檔和存檔等數據庫管理功能。

圖5 考試模塊流程圖

考試模塊的具體流程為：考生通過學員號及準考證號登錄考試系統，點擊開始考試模塊，考試倒計時開始；考生依次進入設備部件識別考核模塊、設備操作模塊、設備故障排除模塊進行考核，每個模塊系統隨機抽2道題目進行考核，總時長為30 min；其中，設備部件識別模塊中，考生需手持專用掃碼器按照考試題的要求掃對應部件上的二維碼，掃碼器將信號傳輸給電腦考核系統，系統判定后給出考核結果；在設備操作模塊中，考核系統從題庫中隨機抽出2道操作試題，考生需根據題目要求扳動相應閥門完成考核，閥門上的信號采集器采集到考生的操作之后，將信號傳遞到電腦考核系統，系統自動判定給出考核成績；故障排除題的考核與操作題的考核基本類似；考生在規定時間內完成考核后，電腦自動算出考生分數，70分為合格，若低于70分，考生就需要進行補考，每位考生僅有1次免費補考機會。

4 結論

鍋爐水處理作業人員的操作水平是影響鍋爐安全節能運行的重要因素。本文提出并設計了一種鍋爐水處理模擬機，帶有人機交互裝置的操作控制系統以及運行鍋爐數字仿真程序及操作記錄評分功能，開發設計的模擬機已與鍋爐水處理設備生產廠家、物聯網公司達成了樣機研發生產合作協議。該產品正式投用后將會促進鍋爐水處理作業人員快速消化理論知識，掌握實際操作技能，大幅提高培訓考核的質量，同時也會帶來一定社會效益和經濟效益，市場化前景良好。