方麗萍,賴家鳳,喻 鵬,梁金祿,周 雄

(北部灣大學(xué) 石油與化工學(xué)院 ,廣西 欽州 535011)

2017年5月，國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局發(fā)布的《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》中指出，2015年底，我國(guó)天然氣主干管道里程已達(dá)到6.4萬(wàn)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(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模達(dá)到16.9萬(wàn)公里，其中天然氣管道里程達(dá)到10.4萬(wàn)公里；到2025年，全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模達(dá)到24萬(wàn)公里，全國(guó)省區(qū)市天然氣主干管網(wǎng)全部接通，50萬(wàn)人口以上的城市天然氣管道基本接入，天然氣管網(wǎng)里程達(dá)到16.3萬(wàn)公里。天然氣管道里程年均增長(zhǎng)9.8%。到2030年，天然氣利用逐步覆蓋到小城市、城郊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，基本形成現(xiàn)代油氣管網(wǎng)體系。在此背景下，輸氣管道設(shè)計(jì)與管理的教學(xué)目標(biāo)和質(zhì)量倍受關(guān)注。

1 全國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)大賽參賽隊(duì)伍能力的要求

全國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)大賽始于2016年，由中國(guó)石油學(xué)會(huì)主辦、中國(guó)石油大學(xué)(華東)承辦，每年舉辦一次。在此之前，與油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)最接近的學(xué)科競(jìng)賽是全國(guó)石油工程設(shè)計(jì)大賽的地面集輸部分。大賽目的在于激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高大學(xué)生運(yùn)用油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，檢驗(yàn)學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，推動(dòng)大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革。大賽賽題取自現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，每年賽題包含兩個(gè)方向。從這兩年的參賽情況來(lái)看，長(zhǎng)輸管道的參賽數(shù)和獲獎(jiǎng)數(shù)均高于油田方向。見(jiàn)表1。

表1 全國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)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(jù)井口布置及發(fā)展規(guī)劃，完成油氣井口集輸?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)油氣性質(zhì)選擇油氣處理方案，實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。長(zhǎng)距離管道的賽題中，需對(duì)原油或天然氣長(zhǎng)輸管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定河流跨越或穿越方案，輸油管道需設(shè)計(jì)火車裝車方案，輸氣管道需考慮沿線工業(yè)園用氣需求。完成一個(gè)參賽作品，必須具備幾方面的能力：

(1)對(duì)賽題進(jìn)行分析，根據(jù)團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)選擇參賽題目。具備與團(tuán)隊(duì)的溝通能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。

(2)根據(jù)油品的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行基本的計(jì)算。建立數(shù)學(xué)模型，能夠運(yùn)用編程語(yǔ)言編制優(yōu)化程序、運(yùn)用專業(yè)軟件如pipephase、pipeflow、OLGA、hysys進(jìn)行計(jì)算及模擬，并根據(jù)所學(xué)知識(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果校核。運(yùn)用技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的知識(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比選。

(3)熟練運(yùn)用AutoCAD、CorelDraw等繪圖軟件，把站場(chǎng)、管道等設(shè)計(jì)作品繪制出來(lái)。

(4)從網(wǎng)絡(luò)資源或書(shū)籍中獲取信息，關(guān)注科技前沿，把新技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)作品中。

2 應(yīng)對(duì)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)大賽輸氣管道的教學(xué)改革思路

《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》是油氣儲(chǔ)運(yùn)工程的主干專業(yè)課之一。特別是以天然氣和城市燃?xì)鉃樘厣爸饕蜆I(yè)方向的高校，《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》的學(xué)時(shí)相對(duì)較高。在進(jìn)行輸氣管道設(shè)計(jì)，需基于物理、化學(xué)知識(shí)進(jìn)行氣體物理化學(xué)性質(zhì)計(jì)算；基于流體力學(xué)進(jìn)行水力計(jì)算；基于熱力學(xué)及傳熱學(xué)進(jìn)行熱力計(jì)算并判斷水合物形成的可能；基于泵和壓縮機(jī)計(jì)算壓氣站和管道聯(lián)合工作的工作點(diǎn)，布置壓氣站；基于機(jī)械設(shè)計(jì)及管罐強(qiáng)度對(duì)管道強(qiáng)度進(jìn)行校核；基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)對(duì)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行校核；基于C語(yǔ)言或matlab進(jìn)行編程，計(jì)算管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓力及流量，掌握初步優(yōu)化及穩(wěn)態(tài)計(jì)算等等。因此，在修《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》前，需先修物理化學(xué)、工程流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、泵和壓縮機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)等課程。在以能力為導(dǎo)向的模塊化人才培養(yǎng)方案里，《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》課程修完之后，學(xué)生需具備天然氣長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)、應(yīng)力校核、熱力計(jì)算、水合物形成區(qū)域判斷、壓氣站布置等能力。目前大部分《輸氣管道設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與管理》及王樹(shù)立教授編寫的《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》。這兩部教材的章節(jié)均以"天然氣物理化學(xué)性質(zhì)-天然氣凈化-氣體管流基本方程-水力計(jì)算-熱力計(jì)算-壓氣站與輸氣管聯(lián)合工作-輸氣站-干線優(yōu)化設(shè)計(jì)-城市配氣系統(tǒng)"為主線進(jìn)行編排。不同的是，王樹(shù)立教授的教材添加了部分氣田集輸及小區(qū)液化氣管道供應(yīng)等內(nèi)容；李玉星教授的教材注重模擬仿真的介紹及理論計(jì)算。在以往的教學(xué)中，課程的教學(xué)內(nèi)容的與教材一一對(duì)應(yīng)，除了例題之外，缺少相應(yīng)的設(shè)計(jì)素材。課堂上難免枯燥乏味，學(xué)生也得不到鍛煉設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。

在近幾年的教學(xué)改革中，為了使課堂教學(xué)貼近實(shí)際，生動(dòng)形象，嘗試過(guò)一些方法。如借鑒CDIO的理念，設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、觀察進(jìn)而分析結(jié)果，得出自己的結(jié)論。考核時(shí)將輸氣管道的各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容作為大作業(yè)，將大作業(yè)和綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)作為考核內(nèi)容之一[1]；搜集學(xué)生較為熟悉的天然氣管道資料，如流程圖、安裝圖，配以實(shí)物圖片和影像資料；將難以實(shí)物演示的環(huán)節(jié)做成3D動(dòng)畫(huà)等便于展示的媒體素材[2-3]；按管道設(shè)計(jì)工作過(guò)程為導(dǎo)向重新組織教學(xué)內(nèi)容，僅把教材作為參考書(shū)，并額外補(bǔ)充工程設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)內(nèi)容[4]?；谄胀ū究茖W(xué)生的現(xiàn)狀及學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)幾乎不可能實(shí)現(xiàn)；而制作3D動(dòng)畫(huà)需耗費(fèi)大量的財(cái)力資源，在目前高校經(jīng)費(fèi)和獎(jiǎng)勵(lì)制度普遍重科研輕教學(xué)的形勢(shì)下，也難以完成。因此，近幾年《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》的教學(xué)改革以布置大作業(yè)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)為主，以管道設(shè)計(jì)工作過(guò)程為導(dǎo)向組織教學(xué)內(nèi)容。

近兩年，全國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)大賽的開(kāi)展大大提高了學(xué)生上課的積極性和主觀能動(dòng)性。從組隊(duì)到選題，到作品的設(shè)計(jì)過(guò)程均以目標(biāo)為導(dǎo)向。鑒于這一點(diǎn)，再次對(duì)《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》進(jìn)行教學(xué)改革，修改大賽設(shè)計(jì)題目作為案例，以實(shí)現(xiàn)題目要求為目標(biāo)組織教學(xué)內(nèi)容，輔以教材相應(yīng)知識(shí)作為指導(dǎo)。

3 以設(shè)計(jì)目標(biāo)為導(dǎo)向的輸氣管道教學(xué)改革的實(shí)施

在心理學(xué)中有一個(gè)有趣的定律：可見(jiàn)目標(biāo)定律?？吹靡?jiàn)、夠得著的目標(biāo)，人們更愿意去完成它。相反，若一個(gè)目標(biāo)渺渺無(wú)期，則將使人失去實(shí)現(xiàn)它的動(dòng)力。在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，圍繞設(shè)計(jì)目標(biāo)尋找設(shè)計(jì)思路，在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思路的過(guò)程中逐個(gè)解決所涉及的問(wèn)題。將最終設(shè)計(jì)目標(biāo)分解成若干個(gè)小目標(biāo)，將每一個(gè)小目標(biāo)的實(shí)施思路組織成每一次課的教學(xué)內(nèi)容。把小目標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)涉及的知識(shí)點(diǎn)以關(guān)鍵詞的形式布置課前作業(yè)，讓學(xué)生從網(wǎng)上或書(shū)籍中搜集相關(guān)內(nèi)容。在課堂講授時(shí)穿插工程設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定及前沿科技知識(shí)。這樣，把一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程切割成每節(jié)課均可完成的小目標(biāo)，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也可讓他們?cè)趯W(xué)到知識(shí)的感覺(jué)中找到自信。

除了《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》這門課程的教學(xué)需要進(jìn)行改革之外，也對(duì)輸氣管道的先修課程《工程制圖》進(jìn)行部分改革，以滿足《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》課堂教學(xué)及課程設(shè)計(jì)的需要。在以往的工程制圖課程教學(xué)中，主要有兩大部分內(nèi)容。一是畫(huà)法幾何，二是工程制圖及CAD繪圖。機(jī)械專業(yè)的學(xué)生偏重機(jī)械制圖，但油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)的學(xué)生，除能夠?qū)C(jī)械圖樣進(jìn)行識(shí)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(shí)。若要參加儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)大賽，還需要能夠進(jìn)行三維圖樣的繪制。為了讓學(xué)生對(duì)各個(gè)站場(chǎng)的設(shè)備及布置有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，引進(jìn)聯(lián)合站、壓氣站、LNG接收站等典型站場(chǎng)的模型。在《工程制圖》課程中，訓(xùn)練學(xué)生通過(guò)觀察模型實(shí)物圖，繪制相應(yīng)的管道布置圖、工藝流程圖和平面布置圖。在CAD教學(xué)的后期，邀請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)公司的工程師講授小區(qū)管道燃?xì)獾牟贾迷瓌t及圖樣繪制。在《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》課程中，進(jìn)行壓氣站布置或天然氣凈化處理設(shè)計(jì)時(shí)，可讓學(xué)生參照各個(gè)站場(chǎng)模型布置站場(chǎng)，并根據(jù)實(shí)際條件對(duì)站場(chǎng)布置或引進(jìn)設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新。

4 結(jié)語(yǔ)

在全國(guó)油氣管網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度加快的趨勢(shì)下，《輸氣管道設(shè)計(jì)與管理》這門課程擔(dān)負(fù)著巨大的使命。全國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)大賽“以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促研”的理念，激起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。來(lái)自工程實(shí)際的賽題數(shù)據(jù)，為輸氣管道課程的教學(xué)提供豐富的素材。在應(yīng)用型大學(xué)以能力為導(dǎo)向的教學(xué)理念中，以設(shè)計(jì)目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)改革，使學(xué)生學(xué)有所成，學(xué)以致用，為我國(guó)油氣管道建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)。