火電廠典型故障虛擬仿真實驗構架設計方案

白 韡，白健美

（神木職業技術學院，陜西 神木 719300）

顧名思義，火電廠指的就是火力發電廠，是主要利用煤炭、石油以及天然氣等自然資源生產電能的工廠。其生產過程是利用燃料將鍋爐中的水加熱，再通過形成的蒸汽推動汽輪機旋轉，從而使汽輪機帶動發電機，從而將機械能轉變為電能的一個過程。火電廠在運行過程中出現故障是在所難免的，為此，通過虛擬仿真實驗，可以幫助和引導學生深入了解和掌握火電廠的運行過程，體驗火電廠故障處理過程，提高學生對專業知識的應用能力，向國家和社會培養一批應用型專業人才。

1.火電廠典型故障虛擬仿真實驗背景介紹

2017年，教育部門高教司在經過反復的論證和實踐之后，向各大高校正式推出了“新興工科專業”計劃，并先后出臺和頒布了《新工科建設形成“復旦共識”》《新工科建設形成“天大行動”》以及《新工科建設形成“北京指南”》等的指導性文件，其根本是將計算機技術與教育教學實現深度融合，再通過利用虛擬仿真技術不斷創新和優化工程實踐方法。

眾所周知，火電廠生產流程復雜，安全生產要求較高，即使是已經進入企業實習的學生，也只能是觀摩性地學習，根本沒有動手操作的機會。所以，虛擬仿真實驗在教學中的應用顯得尤為重要。而在通常情況下，火電廠典型故障主要分為多個連續性的階段，且每一個階段都不盡相同，不僅現象復雜，且涉及的知識面還特別地廣，因此在學習理論知識的同時，還應當注重和加強實踐教學。另外，又由于火電廠典型故障虛擬仿真實驗還具有高溫高壓、熱工系統復雜、成本高昂以及安全性低，因此將理論知識與故障虛擬仿真實驗結合于一起，可以幫助和引導學生更好地理解和掌握火電廠在實際運行過程中的典型故障，以及故障處理的方法和流程，提高學生們對專業知識的應用能力，從而向國家和社會培養一批應用型專業人才。

2.虛擬仿真實驗的現狀、特點與作用

2.1 火電廠典型故障虛擬仿真實驗現狀

高校能源與動力工程專業火電廠典型故障虛擬仿真實驗構架設計方向主要是以火電廠中的動力設備、熱工系統為主要研究對象。縱觀當前，由于火電廠典型故障虛擬仿真實驗動力設備價格高昂、占地面積大、能源消耗量大、實驗成本高等以及火電廠在實際生產過程中不可間斷以及不可逆操作等的現實問題，使得高校中的學生很難獲得實際操作的機會，這對于培養學生實踐能力的運用是十分不利的。

2.2 火電廠典型故障虛擬仿真實驗的特點

一是經濟性特點。通過對火電廠現行故障虛擬仿實驗，不僅引導學生在虛擬的環境中完成操作，還可以達到教學大綱所要求的教學目標，提高教學質量和教學效率。另外，通過虛擬仿真實驗還可以節省大量的實驗空間，且不會出現動力設備磨損、折舊、零部件更換等的問題，還可以反復地進行多次實驗，真真實實地向學生還原了火電廠實際的生產過程，既滿足了教學目標的要求，又節約了對能源的耗用，具有較大的經濟性特點。

二是靈活性特點。通過對火電廠典型故障虛擬仿真實驗，可以根據學生實際的學習情況設計實驗內容，靈活控制實驗過程，并能根據實驗要求，構架全新設計方案，或者也可以在原有的構架設計方案上進行改進和優化，具有很強的靈活性特點。

2.3 火電廠典型故障虛擬仿真實驗的作用

火電廠典型故障虛擬仿真是高校能源與動力工程專業與計算機技術深度融合的產物，另外，他還依托虛擬現實技術、人機交互、數據信息以及網絡通信等的技術，向學生構建高清的且仿真的試驗環境和對象，引導學生在虛擬的環境中完成試驗，可以實現和達到教學大綱中所規定的教學效果和教學目標。

3.火電廠典型故障虛擬仿真實驗要素應用

3.1 火電廠仿真熱工系統的應用

本實驗項目主要通過利用火電廠中的仿真熱工系統對學生進行實驗操作訓練，通過這一仿真熱工系統可以實現1000 mw 超臨界火電機組1:1的全過程仿真，根據實驗過程中的數據信息，模擬火電廠各個熱工系統、各個動力設備實際的運行情況，將火電廠典型的故障和對故障處理的過程真實客觀地反映出來。但需要注意的是，實驗中所使用的仿真熱工系統必須要能達到火電廠級別的仿真虛擬要求，并使用與實際火電機組相同控制面板的1:1全過程操作平臺，這樣才能實現學生與火電廠工作人員溝通與交流，幫助學生明確火電熱工系統的啟動、運行和典型故障，了解各個熱工系統與各個動力設備的運行特點，并結合相關的理論知識，制定針對性的故障解決措施。

3.2 火電廠虛擬現實技術應用

通過虛擬現實技術，結合火電廠真實的場景，通過三維動畫方式將火電廠的生產場景真實地呈現在學生們面前。通過這種沉浸式的教學方式，可以幫助學生們生動地了解火電廠的生產現場、工藝流程、故障發生的動力設備以及生產現場的布局，學生們也可以在實驗技能考核中準確地指出故障發生的位置。

3.3 崗位技能考評的應用

火電廠典型故障虛擬仿真實驗可以將理論知識與行業資格考核要求有機地結合于一起，再通過實驗操作過程、學生實驗技能以及實驗報告這三個部分體現出來。其中，要將學生的實驗技能作為崗位技能考評的重點，比如學生對實驗的實際操作是否完成、仿真模擬實驗是否實現等等。在這一考核過程中，本實驗項目根據某發電廠在崗人員考核要求，將每兩個學生分為一組進行仿真實驗，分別得出這兩位學生的實驗操作成績，同時引入該火電廠運行人員崗位技能考核標準，對學生的火電廠典型故障處理過程是否正確進行全面的考核，在具體的評分過程中，根據火電廠的故障類型，詳細列出故障處理步驟，并對學生的操作行為予以客觀準確的評價。待實驗結束之后，不僅需要學生能詳細地描述火電廠各個熱工系統和動力設備的原理和故障現象，而且還需要學生能夠清晰明了地記錄實驗過程中產生的各類數據信息，正確分析火電廠典型故障發生的原因，判斷故障的處理步驟是否妥當，分析典型故障發生后對火電廠正常運行造成的不良影響。

3.4 火電廠操作票制度的應用

在火電廠生產行業領域中，操作票是工作人員從事火電熱工系統動力設備與熱工系統的書面命令，是防止操作人員操作失誤、保證其人身安全的重要措施之一。將操作票制度應用到火電廠典型故障虛擬仿真實驗中，可以清楚了解火電廠生產流程，保證各項任務可以達到和滿足相關要求，既可以幫助學生將理論運用至實踐工作中，又可以為學生良好工作習慣的培養奠定堅實的基礎。

4.實驗的構架設計方案

4.1 實驗內容設計

本次實驗內容主要以火電廠內職業崗位知識結構和工作人員工作能力要求為出發點，圍繞真實火電廠實際的生產情況，選取其中一個典型的故障案例。同時，本次實驗內容所選擇的熱工系統模型主要包括火電廠鍋爐模型、汽輪機模型、熱工控制模型，可以實現對火電廠機組運行的全過程仿真。通過仿真控制室的動力設備，觀察操作人員實際的操作情況是否與機組的運行情況相一致，綜合考慮教學的實際條件，實現更多的故障仿真。此外，在試驗內容的設計方面主要涉及的理論知識點內容包括以下兩方面：一是火電廠鍋爐和汽輪機的概念、類型以及故障處理應當遵循的原則。二是火電廠典型故障的現象、產生的原因以及故障排除的方法。

4.2 實驗步驟設計

火電廠典型故障虛擬仿真實驗步驟包括虛擬認知、運行操作、故障運行仿真、故障分析、故障處理五個方面。每一個步驟又由若干個任務組成，所以不同故障仿真實驗的步驟略有不同。

一是虛擬認知。在實驗開始之前設置火電廠機組虛擬漫游數據，合理規劃機組漫游路徑，進行三維漫游模擬，了解火電廠熱力熱工系統的相關理論知識，熟悉火電廠動力設備熱工系統布置情況，找出故障所在的部位，了解上下動力設備熱工系統之間的關系和運行過程。

二是運行操作。熟悉和了解仿真模擬軟件操作界面，全面了解火電廠運行情況，明確軟件操作方式，設置火電廠運行操作參數，以此獲得穩定值，將其保存為穩定運行工況。

三是故障運行仿真。選擇準備仿真的故障，設置故障參數，進行典型故障模擬，確定火電廠動力設備與熱工系統的運行功率、壓力、流量以及溫度，認真觀察并詳細記錄以上參數的變化過程，了解故障發展情況。另外，通過對參數的修改，確定控制熱工系統安全值，了解控制熱工系統在停機、跳閘等情況下的運行狀態，研究這些運行狀態對火電廠正常運行所帶來的影響，進而獲得故障發生的規律。

四是故障分析。借助虛擬現實技術，通過虛擬現實畫面，呈現故障發生的動力設備和熱工系統，確定故障發生的準確位置，制定針對性的反故障措施，嚴格按照故障處理程序，設置熱工系統整定值和安全值，在仿真熱工系統上完成故障的處理。

五是故障處理。修改故障參數，重新啟動程序，分析故障參數對火電廠正常運行產生的影響，修改控制熱工系統整定值，分析整定值對火電廠工作人員人身安全造成的影響，修改火電廠控制熱工系統邏輯規律，再分析控制熱工系統對火電廠正常運行帶來的影響，優化和完善典型故障處理步驟，分析處理步驟對火電廠正常運行帶來的影響。

5.結語

綜上所述，火電廠典型故障虛擬仿真實驗構架設計分別借助國家工程實踐教育中心和上海能源實驗教學成功經驗，利用計算機、物聯網以及虛擬相結合的技術，根據火電廠實際生產情況，合理地解決了學生在企業實習過程中的種種難題。另外，出于對火電廠的安全考慮，新進學生不能進入現場實習、不能在故障現場學習、實習時間短等的現實問題，虛擬仿真實驗結合火電廠實際生產情況，高校注重理論知識與實踐經驗的一體性以及對學生實際操作能力的培養，根據故障類型布置實驗任務，確保每一項實驗步驟都能滿足火電廠實際要求。通過教師和學生的共同努力，不論是學生的理論知識掌握程度，還是對實驗的操作能力，都得到了充分的鍛煉。