龔德鴻　錢進(jìn)　許雯

[摘 要]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為大學(xué)本科教育的重要實(shí)踐手段之一。我們根據(jù)能源與動(dòng)力工程專業(yè)教學(xué)體系特點(diǎn)，在理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入不同模式虛擬仿真教學(xué)手段，充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)平臺的功能，構(gòu)建了四個(gè)層次虛擬仿真教學(xué)手段，對提高學(xué)生專業(yè)理解深度、激發(fā)專業(yè)熱情、增強(qiáng)自主創(chuàng)新實(shí)踐意識和能力、具備團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神起到較好的效果。

[關(guān)鍵詞]能源與動(dòng)力工程；虛擬仿真；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）02-0027-03

貴州大學(xué)能源與動(dòng)力工程專業(yè)（以下簡稱能動(dòng)專業(yè)）方向?yàn)殡姀S熱能與動(dòng)力工程，畢業(yè)生主要進(jìn)入省內(nèi)外火電企業(yè)從事運(yùn)行、檢修、技術(shù)管理等工作?；痣姍C(jī)組的鍋爐、壓力管道、壓力容器等均為國家規(guī)定的特種設(shè)備，運(yùn)行過程中對安全性要求極高，為有效增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和提高理論知識學(xué)習(xí)效果，能動(dòng)專業(yè)先后引進(jìn)和自主開發(fā)[1]了7套火電機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)用于實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，取得明顯的教學(xué)效果?；痣姍C(jī)組仿真系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)高校能動(dòng)專業(yè)的教學(xué)活動(dòng)[2][3][4]，有效增強(qiáng)了學(xué)生自主性、創(chuàng)新性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作性等方面能力。但由于大多數(shù)仿真公司提供的火電機(jī)組仿真系統(tǒng)采用服務(wù)器/客戶端模式，服務(wù)器被運(yùn)行鎖綁定，由若干臺客戶機(jī)同時(shí)訪問服務(wù)器的一個(gè)進(jìn)程，各客戶端間操作相互干擾，不利于數(shù)量較多的學(xué)生同時(shí)學(xué)習(xí)；同時(shí)受到實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間和設(shè)備狀態(tài)限制，火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的教學(xué)輔助效果受到一定程度影響。

隨著貴州火電行業(yè)的快速發(fā)展，超臨界機(jī)組投運(yùn)數(shù)量不斷增加，單元機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)成和主機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，同時(shí)為滿足越來越嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，鍋爐燃燒技術(shù)和煙氣污染物處理技術(shù)已進(jìn)行技術(shù)升級。針對上述情況原專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃和課程教學(xué)模式已難以滿足實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的現(xiàn)代火電企業(yè)運(yùn)行操作需求，要求大學(xué)本科畢業(yè)應(yīng)具備更為扎實(shí)的理論知識基礎(chǔ)、出色的實(shí)踐動(dòng)手能力和主動(dòng)的創(chuàng)新意識。為提高畢業(yè)生培養(yǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)就業(yè)競爭力和職業(yè)發(fā)展?jié)摿?，能?dòng)專業(yè)在原火電機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)在線虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在理論課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)與局域網(wǎng)虛擬仿真手段相結(jié)合的學(xué)習(xí)平臺，通過在新生專業(yè)研探、課程課堂學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等全培養(yǎng)過程中引入不同模式虛擬仿真教學(xué)手段，充分發(fā)揮局域網(wǎng)火電機(jī)組仿真系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)在線虛擬仿真平臺的特點(diǎn)，通過課程體系及教學(xué)內(nèi)容改革，實(shí)現(xiàn)兩種虛擬仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣互補(bǔ)，為在能動(dòng)專業(yè)教學(xué)全過程中切實(shí)提高課堂理論教學(xué)效果、增強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)力能力等進(jìn)行探索。

一、建設(shè)情況

如圖1所示，能動(dòng)專業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系由兩個(gè)教學(xué)平臺構(gòu)成，互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺主要以3D虛擬火電站軟件和網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)為基礎(chǔ)。如圖2所示，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)真實(shí)火電站的廠區(qū)環(huán)境、系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)、設(shè)備外觀、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行原理、設(shè)備的運(yùn)行原理，對能動(dòng)專業(yè)課程中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真，對單元機(jī)組簡單工藝流程進(jìn)行啟停和事故處理仿真；局域網(wǎng)環(huán)境的火電機(jī)組仿真培訓(xùn)及開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺以覆蓋貴州電廠全容量、壓力等級的火電機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（如圖3所示）、大型科學(xué)計(jì)算與仿真支撐平臺SimuWorks、流體數(shù)值模擬軟件Xflow和美國國家虛擬儀器NI LabView為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組物理模型拆裝、火電廠主要系統(tǒng)及設(shè)備交互學(xué)習(xí)、熱和流體經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的數(shù)值求解、真實(shí)電廠全系統(tǒng)運(yùn)行仿真和典型工藝流程仿真系統(tǒng)構(gòu)建。目前此平臺已在能動(dòng)專業(yè)四個(gè)年級的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上進(jìn)行應(yīng)用。[5][6]

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圖1 能動(dòng)專業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系

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圖2 3D虛擬火電站軟件示意圖

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圖3 火電機(jī)組仿真系統(tǒng)典型DCS畫面

二、建設(shè)成果

如圖1所示，根據(jù)兩種虛擬仿真教學(xué)平臺在培養(yǎng)環(huán)節(jié)的應(yīng)用情況，已形成四個(gè)虛擬仿真教學(xué)手段。

（一）入門認(rèn)識級虛擬仿真教學(xué)

本層次培養(yǎng)對象為一年級學(xué)生，主要在專業(yè)介紹、專業(yè)研探、認(rèn)識實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用，通過火電站三維虛擬漫游軟件、超臨界火電機(jī)組物理模型及火電廠CAI交互學(xué)習(xí)軟件，讓學(xué)生建立火力發(fā)電全流程概念，并對火力發(fā)電的主要設(shè)備、重要輔助設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)建立感性認(rèn)識，初步激發(fā)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同和興趣。主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：火電廠全廠遠(yuǎn)景漫游、火電廠各主要設(shè)備及系統(tǒng)漫游、主要火電生產(chǎn)過程系統(tǒng)與設(shè)備認(rèn)知、火電生產(chǎn)過程虛擬運(yùn)行演示、火電生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)演示等。典型入門認(rèn)識級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)如表1所示。

表1 典型入門認(rèn)識級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

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（二）設(shè)備實(shí)踐級虛擬仿真教學(xué)

本層次培養(yǎng)對象為二、三年級學(xué)生，在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課理論教學(xué)中，利用虛擬仿真手段，對典型裝置結(jié)構(gòu)原理、工藝流程和實(shí)驗(yàn)裝置等進(jìn)行仿真模擬，并以課程實(shí)驗(yàn)和獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn)方式加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容理解和實(shí)踐能力培養(yǎng)，通過這一層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生對火力發(fā)電生產(chǎn)過程中的主要?jiǎng)恿υO(shè)備和控制系統(tǒng)建立起全面、有效和系統(tǒng)的認(rèn)知，增強(qiáng)學(xué)生對于真實(shí)過程的理解，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高綜合素質(zhì)。其中在基礎(chǔ)課程教學(xué)主要針對二年級本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用目前開設(shè)的仿真實(shí)驗(yàn)課程主要有工程流體力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、泵與風(fēng)機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、傳熱學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和熱和流體數(shù)值實(shí)驗(yàn)；專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)針對三年級本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用，對部分專業(yè)課程進(jìn)行仿真，在虛擬仿真環(huán)境下，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)儀器的操作大致與真實(shí)環(huán)境下的操作相同，學(xué)生能增強(qiáng)火力發(fā)電生產(chǎn)過程中的主要?jiǎng)恿υO(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)及子系統(tǒng)運(yùn)行原理理解，并對部分設(shè)備進(jìn)行拆裝仿真操作。主要仿真實(shí)驗(yàn)課程包括鍋爐原理仿真實(shí)驗(yàn)、熱工過程自動(dòng)控制仿真實(shí)驗(yàn)、電能質(zhì)量控制仿真實(shí)驗(yàn)和主要?jiǎng)恿υO(shè)備拆裝仿真實(shí)驗(yàn)等。表2為工程流體力學(xué)的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

表2 典型設(shè)備實(shí)踐級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

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（三）系統(tǒng)實(shí)踐級虛擬仿真教學(xué)

本層次培養(yǎng)對象為三、四年級學(xué)生，以火電生產(chǎn)全過程為仿真對象，對涵蓋主要?jiǎng)恿υO(shè)備、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的熱力系統(tǒng)進(jìn)行啟停操作、運(yùn)行特性分析及事故處理等仿真實(shí)踐，全面提高學(xué)生的理論知識掌握能力和專業(yè)實(shí)踐能力。通過這一層次的教學(xué)，使學(xué)生能熟練掌握機(jī)組在各種條件下的啟、停過程和正常運(yùn)行中的監(jiān)視操作技術(shù)；通過對火力發(fā)電生產(chǎn)過程常見故障的模擬，使學(xué)員的應(yīng)急能力和對火力發(fā)電生產(chǎn)過程運(yùn)行的綜合分析能力得以提高，滿足工程技術(shù)和研究人員對該類型設(shè)備及其系統(tǒng)的研究分析的要求和進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行方式的優(yōu)化和研究的需求。利用生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)和專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)等集中實(shí)踐環(huán)節(jié)，以在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺中的全廠啟停機(jī)操作及安全演練與處理模塊，局域網(wǎng)火電機(jī)組仿真培訓(xùn)及開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺中的3套汽包鍋爐火電機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、2套超臨界直流鍋爐火電機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、1套循環(huán)流化床鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)及1套工業(yè)鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)象，對單元機(jī)組、工業(yè)鍋爐的冷態(tài)啟停、溫態(tài)啟停、熱態(tài)啟停、極熱態(tài)啟停、正常運(yùn)行調(diào)整、反事故演練等典型操作進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。表3為直流鍋爐火電機(jī)組仿真運(yùn)行綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

表3 典型系統(tǒng)實(shí)踐級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目表

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（三）創(chuàng)新實(shí)踐級虛擬仿真教學(xué)

本層次培養(yǎng)對象為大學(xué)三、四年級學(xué)生，利用大學(xué)生科技項(xiàng)目及畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)化大學(xué)生自主創(chuàng)新意識，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力，提高綜合歸納能力，最終使大學(xué)生能將所學(xué)專業(yè)知識自主開展實(shí)驗(yàn)及科研活動(dòng)。主要以大型科學(xué)計(jì)算與仿真支撐平臺SimuWorks和美國國家虛擬儀器NI LabView為虛擬仿真工具，開展大學(xué)生SRT項(xiàng)目、大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、大學(xué)生學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)等工作。

三、結(jié)束語

在已有火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入互聯(lián)網(wǎng)在線虛擬仿真學(xué)習(xí)平臺，構(gòu)建了互聯(lián)網(wǎng)與局域網(wǎng)虛擬仿真實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合的能動(dòng)專業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系，并根據(jù)各年級教學(xué)特點(diǎn)形成了四個(gè)層次的虛擬仿真教學(xué)手段，并在每個(gè)層次均細(xì)化了多門虛擬仿真課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過發(fā)揮平臺功能，對提高學(xué)生專業(yè)理解深度、激發(fā)專業(yè)熱情、增強(qiáng)自主創(chuàng)新實(shí)踐意識和能力、具備團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神起到了較好的效果。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 熊穗平，鄒建華，姜浩，莫煒先，焦健，龔德鴻.工業(yè)鍋爐仿真系統(tǒng)節(jié)能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].中國特種設(shè)備安全，2014（10）： 19-21.

[2] 王偉，牛衛(wèi)東，尹靜.仿真技術(shù)在《單元機(jī)組集控運(yùn)行》職業(yè)教育中的應(yīng)用[J]. 山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2013（4）：54-57.

[3] 張中林. 應(yīng)用型高校熱動(dòng)專業(yè)仿真實(shí)習(xí)課程教學(xué)改革和實(shí)踐[J].中國電力教育，2012（10）：107-109.

[4] 翟永杰 ，紀(jì)蓬勃 ，王秀梅 ，馬進(jìn) ，馬良玉.電力工程全過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（8）： 5-8.

[5] 錢進(jìn).熱能與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].中國電力教育，2008（18）：152-154.

[6] 龔德鴻，錢進(jìn).基于火電機(jī)組仿真系統(tǒng)的熱動(dòng)專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].中國電力教育，2006（5）：35-37.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]