郭韻，張諾楠，周仲偉

摘? 要：減少高碳排放的化石能源使用量，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，是中國實現(xiàn)碳中和目標的路徑和關(guān)鍵技術(shù)選擇。在當前形勢下發(fā)電企業(yè)想要生存并且獲得發(fā)展，其必然要求是達到安全、經(jīng)濟、環(huán)保、高效的目標。為實現(xiàn)這些發(fā)展目標，新途徑便是使用傳統(tǒng)技術(shù)之外的智能化手段。工業(yè)智能化需求是教育行業(yè)新工科建設發(fā)展的機遇，同時也是挑戰(zhàn)。各高校開始與多家發(fā)電集團、發(fā)電企業(yè)開展智能發(fā)電技術(shù)的研究和試點建設，但電廠智能化發(fā)展仍處于初級階段，在此行業(yè)背景下，能源與動力工程專業(yè)的教學與科研可以大有作為。文章從目前電廠智能化發(fā)展過程中存在的問題出發(fā)，結(jié)合實際教學經(jīng)驗，提出熱力發(fā)電廠教學如何升級與電廠智能化發(fā)展有機融合的幾點建議，并指出培養(yǎng)智能電廠建設所需人才過程中需要著重關(guān)注的幾個技術(shù)方向，希望能為相關(guān)的教育工作者以及熱力發(fā)電企業(yè)帶來一些切實可行的參考和價值。

關(guān)鍵詞：智能發(fā)電技術(shù);碳中和;專業(yè)課程建設;工程實踐;人才培養(yǎng)

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0021-04

Abstract： Reducing fossil energy use with high carbon emissions and adjusting energy structure are the path and key technology options for China to achieve carbon neutralization goals. Under the current situation， power generation enterprises want to survive and get development， its inevitable requirement is to achieve the goal of safety， economy， environmental protection and efficiency. The new way to achieve these development goals is to use intelligent means in addition to traditional technologies. The demand of industrial intelligence is an opportunity and challenge for the construction and development of new engineering courses in education industry. Colleges and universities began to carry out research and pilot construction of intelligent power generation technology with many power generation groups and power generation enterprises， but the intelligent development of power plants is still in the primary stage. Under the background of this industry， the teaching and scientific research of energy and power engineering major can make great achievements. Based on the problems existing in the process of intelligent development of power plant and the practical teaching experience， this paper puts forward some suggestions on how to upgrade the teaching of thermal power plant and the organic integration of intelligent development of power plant.

Keywords： intelligent power generation technology; carbon neutral; professional course construction; engineering practice; talent training

我國的能源消耗約占二氧化碳排放總量的88%，因此它是主要的二氧化碳排放源頭。電力行業(yè)占能源行業(yè)排放總量的41%左右，而發(fā)電行業(yè)是電力行業(yè)排放的主體，肩負著碳達峰、碳中和的重要責任和使命。一方面，對于高碳的燃煤發(fā)電，要逐漸減量，提效改造。另一方面要加大清潔能源開發(fā)力度，提高清潔能源裝機占比。

作為能源與動力工程專業(yè)的必修課之一——熱力發(fā)電廠，其教學形式與方法如何升級與行業(yè)最新發(fā)展方向相匹配，如何培養(yǎng)出當前及未來智能電廠所需的人才，是所有能動專業(yè)的教育工作者需要研究和探索的問題。本文從目前電廠智能化發(fā)展過程中存在的問題出發(fā)，結(jié)合實際教學經(jīng)驗，提出能動專業(yè)教學如何與電廠智能化發(fā)展有機融合的幾點建議，并指出培養(yǎng)智能發(fā)電技術(shù)人才過程中需要著重關(guān)注的幾個技術(shù)方向。

一、電廠智能化發(fā)展存在的問題

（一）生產(chǎn)過程智能化不足

目前信息化建設仍是智能電廠建設的主要方向，但智能化方面在生產(chǎn)過程的研究和摸索仍不夠深入透徹。生產(chǎn)過程智能化是電廠信息化應用的高級階段，熱力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程是一個復雜、大型和連續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)過程，是由不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)和設備組成的，由質(zhì)量流、能量流和信息流關(guān)聯(lián)的有機整體，從控制與系統(tǒng)的觀點來看，是典型的分布式系統(tǒng)。實現(xiàn)生產(chǎn)過程智能化，需通過應用重要參數(shù)在線軟測量、應用機爐協(xié)調(diào)預測控制優(yōu)化、全廠機/電/爐/輔控控制系統(tǒng)、DEH系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)一體化等功能，及應用智能設備管理、機組全程自動啟?？刂?，形成具備“自分析、自診斷、自管理、自趨優(yōu)、自恢復、自學習、自適應、自組織、自提升”的運行優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)機組高效環(huán)保運行、靈活調(diào)節(jié)、少人值守、智能監(jiān)視。

（二）缺乏完整的架構(gòu)設計

智能電廠建設缺乏完整的架構(gòu)設計，導致數(shù)據(jù)、信息、業(yè)務、管理沒有有效地融合。智能電廠作為具有代表性的發(fā)電顛覆性技術(shù)，具有一定的前沿性。只有做好頂層設計，建立科學標準的規(guī)范體系，堅持以下原則：政府推動、科技引領(lǐng)、應用驅(qū)動、市場主導，才能釋放由智能電廠技術(shù)所積蓄的巨大能量，成為電力發(fā)展強大的新引擎，推進發(fā)電生產(chǎn)力的整體跳躍。

（三）數(shù)據(jù)缺乏有效運用

數(shù)據(jù)的有效利用還未在智能電廠建設實施過程中實現(xiàn)，重硬件輕軟件、重采集數(shù)據(jù)輕利用數(shù)據(jù)的現(xiàn)象還是存在較多的。電力企業(yè)日常生產(chǎn)、經(jīng)營決策和控制管理過程中往往會對相關(guān)運行參數(shù)進行檢測，如電力運行系統(tǒng)中各種電壓、電流、電功率等。這樣可以保證該系統(tǒng)按照所需要或所設定好的狀態(tài)正常順利運行，實現(xiàn)電力企業(yè)商業(yè)化經(jīng)營、智能化控制和高效管理的基礎(chǔ)和前提是由這些被采集的數(shù)據(jù)所構(gòu)成的。因此，對電網(wǎng)電力系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)進行研究分析以及有效利用有著積極現(xiàn)實的作用和意義。

智能電廠建設仍處于初級階段，各種現(xiàn)實問題亟待解決，熱能與動力工程專業(yè)可以大有作為，熱力發(fā)電廠的教學任重而道遠。

二、熱力發(fā)電廠教學與智能化發(fā)展的幾點建議

（一）多專業(yè)多學科融合

注重多專業(yè)多學科融合創(chuàng)新，教學科研過程中，打牢能動專業(yè)基礎(chǔ)，同時注重多學科多專業(yè)交叉融合的學習?，F(xiàn)如今，學科專業(yè)交叉融合不夠深入，其主要原因之一是現(xiàn)行工程教育體系無法適應面向智能型熱電廠的人才培養(yǎng)要求，不能滿足智能電廠轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的需要。因此，現(xiàn)行熱力發(fā)電廠教育體系面臨全方位變革，亟需升級開展多學科交叉融合的工程人才培養(yǎng)模式探索與實踐。現(xiàn)行智能型熱電廠人才培養(yǎng)體系存在如下亟需解決的問題：

1. 電廠智能化發(fā)展所需的跨學科交融人才培養(yǎng)管理機構(gòu)缺乏。長期以來主要是分專業(yè)、分學科進行電廠類人才培養(yǎng)，缺乏跨學科交融的新型機構(gòu)和管理機制，不能為跨院系、跨學科、跨專業(yè)培養(yǎng)先進智能發(fā)電技術(shù)相關(guān)工程人才提供組織保障。

2. 電廠智能化發(fā)展所需的跨學科課程體系和教學模式不健全。主要為人才培養(yǎng)的現(xiàn)行的熱力發(fā)電教學是在單學科傳統(tǒng)課程體系基礎(chǔ)上進行的，課程跨界交叉融合薄弱，模塊化課程體系缺乏跨學科、動態(tài)可重構(gòu)，教學模式單調(diào)，重在知識講授，學生缺乏全局思維、大工程視野以及解決復雜工程問題的能力。

3. 電廠智能化發(fā)展所需的跨學科教學團隊和創(chuàng)新實踐教學平臺有待加強?，F(xiàn)行熱力發(fā)電教學存在學科交叉融合度低、學科之間壁壘重重、資源分散封閉等問題。需要升級組建“智能發(fā)電技術(shù)”跨學科教學團隊、適應多學科交叉融合的創(chuàng)新實踐教學平臺，以滿足電廠智能化發(fā)展背景下學生跨學科合作學習的需要。

4. 多學科交叉融合能力達成的質(zhì)量監(jiān)控體系缺乏。尚無智能發(fā)電技術(shù)多學科交叉融合能力達成的多元評價標準和質(zhì)量監(jiān)控體系，無法有效判定學生多學科交叉融合學習能力的達成。

對于上述問題，結(jié)合電力發(fā)展和國家重大需求，打破學科與學科之間的固定界線，打造先進智能發(fā)電工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式，其中擁有多學科交叉融合的特點。對智能能源生產(chǎn)的技術(shù)內(nèi)涵、本質(zhì)特征及其對管理服務生產(chǎn)過程和經(jīng)營模式變革影響的研究;對智能發(fā)電相關(guān)知識的交叉特性和技術(shù)的趨同研究。根據(jù)上述研究，從以面對學科為導向轉(zhuǎn)為以面對產(chǎn)業(yè)需要為導向，發(fā)展研究智能電廠工程的人才培養(yǎng)需求，具體包括：智能發(fā)電工程技術(shù)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)需求。智能電廠工業(yè)文化及其對工程人才素養(yǎng)的需求、智能電廠對工程人才專業(yè)結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)和需求。

針對建立“智能發(fā)電技術(shù)”跨學科交融人才培養(yǎng)組織機構(gòu)，組織機構(gòu)實行委員會領(lǐng)導下的主任負責制，委員會包括戰(zhàn)略計劃委員會、學科專業(yè)發(fā)展委員會、跨學科教育委員會。由智能電廠相關(guān)學科學術(shù)帶頭人、科研機構(gòu)學者、產(chǎn)業(yè)界工程師等成員組成了委員會機構(gòu)?？鐚W科交融人才培養(yǎng)組織機構(gòu)的重大事宜由委員會做出決策。

針對跨學科動態(tài)可重構(gòu)的模塊化課程體系研究，通過縱向與橫向兩個維度整合構(gòu)建智能電廠跨學科課程體系?？v向整合同一學科內(nèi)課程（基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課程），橫向整合不同學科主干課程，構(gòu)建跨學科課程體系關(guān)鍵基礎(chǔ)單元，開設若干體現(xiàn)多學科交叉融合的主干課程。據(jù)此，結(jié)合智能發(fā)電技術(shù)關(guān)鍵科學問題，開展面向工程過程的跨學科交叉融合的教學實踐課程，打破帶有傳統(tǒng)認知學科知識體系構(gòu)造的層級式課程結(jié)構(gòu)，通過模塊化程序的構(gòu)建，加強對工程規(guī)律的理解，提高學生解決復雜工程問題的能力，促進學生個性化發(fā)展。

針對跨學科交叉融合的“智能發(fā)電技術(shù)”工程人才培養(yǎng)教學模式的研究，需從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合，開展“師-生、課-課、理論-實踐”協(xié)同教學實踐，探索“多師導學、多課同堂”的教學組織形式，即搭建“多課多師”跨界協(xié)同教學平臺;針對“導向性關(guān)鍵科學問題”，通過科學試驗，結(jié)合相關(guān)課程知識，引導學生思考科學原理，師生共同解決問題，以促進跨學科專業(yè)主干課程有機融合，形成新型跨學科教學模式;基于互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)教學服務平臺，對信息技術(shù)和教育教學推進更深層教學融合，對在線開放課程進行建設和推廣應用，對虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實踐教學形式進行充分利用。

針對建立“智能發(fā)電技術(shù)”跨學科教學團隊，對基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課程進行縱向整合，跨學科主干課程進行橫向整合，圍繞智能發(fā)電技術(shù)相關(guān)課程建設方向組建一批跨學科教學團隊，吸收多學科公共課和專業(yè)基礎(chǔ)課教師加入，完成公共課、專業(yè)基礎(chǔ)課與跨學科專業(yè)主干課程之間的集群式創(chuàng)新融合。智能發(fā)電技術(shù)跨學科教學團隊由學術(shù)造詣高的教授領(lǐng)銜，保證團隊成員的學結(jié)結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)合理。依托跨學科教學團隊，全面實施教學質(zhì)量工程建設。

針對建立多學科交叉融合能力達成的質(zhì)量監(jiān)控體系，研究多學科交叉融合的教育教學環(huán)節(jié)與能力培養(yǎng)的基本準則。在跨學科、動態(tài)可重構(gòu)基礎(chǔ)上的模塊化課程體系，進行在能力培養(yǎng)基礎(chǔ)上的教育教學環(huán)節(jié)設計，對智能發(fā)電技術(shù)跨學科教育教學環(huán)節(jié)評價方法進行研究，對跨學科教育教學環(huán)節(jié)與學生能力培養(yǎng)的映射關(guān)系進行研究，構(gòu)建能力映射關(guān)系矩陣;對跨學科教育教學環(huán)節(jié)與能力培養(yǎng)定量關(guān)系函數(shù)進行研究，關(guān)于各教學環(huán)節(jié)之間對能力培養(yǎng)的貢獻權(quán)重系數(shù)和加權(quán)能力系數(shù)進行探索，對學生多學科交叉融合能力的定量評價方法進行合理制定。對多學科交叉融合能力達成的質(zhì)量監(jiān)控體系進行構(gòu)建。依據(jù)多學科交叉融合能力達成的評價方法，在跨學科課程教材建設、實踐性教學環(huán)節(jié)及實施過程的質(zhì)量管理體系上合理制定;對課程目標達成情況的持續(xù)評價機制進行研究;對先進制造工程人才培養(yǎng)質(zhì)量監(jiān)控與評價機制進行用人單位、人才市場、社會的研究。

（二）理論與實踐的融合

智能發(fā)電技術(shù)是一門專業(yè)課程，其政策性強、綜合性強，同時還與電廠實際生產(chǎn)過程有著密切聯(lián)系。要想做到課程理論與實踐的融合，就要完善實踐教學體系建設。在智能電廠實踐平臺構(gòu)建中，相關(guān)實踐教學項目教學體系構(gòu)建的關(guān)鍵是確保實踐平臺可以實現(xiàn)育人效果的目的，狠抓作為推進智能發(fā)電創(chuàng)新平臺建設的系統(tǒng)工程。通過增加與企業(yè)的關(guān)聯(lián)，建立良好的校企合作育人平臺，發(fā)掘傳統(tǒng)專業(yè)所具有的優(yōu)勢、加強智能發(fā)電相關(guān)課程建設，立足于深化產(chǎn)教融合、推進智能發(fā)電技術(shù)的新思路、新戰(zhàn)略，形成“技、創(chuàng)、工、學、輔”五位一體育人新體系，并通過構(gòu)建政、校、行、企共同參與的智能發(fā)電服務平臺，共建數(shù)字化智能發(fā)電與機器人培訓中心、智能電廠高級咨詢與服務中心等核心機構(gòu)，推動教育鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈共同服務區(qū)域經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級。電力企業(yè)和相關(guān)院校大力合作，主要針對自身智能發(fā)電需求開展相關(guān)技術(shù)研究，探索智能電廠系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)模型、技術(shù)框架、實現(xiàn)途徑、相關(guān)標準以及評價體系等，研究范圍包括平臺化和非平臺化產(chǎn)品、工廠自動化和智能化改造實現(xiàn)途徑、成果評估的標準和方法等。此外，要進一步深化產(chǎn)學研成果轉(zhuǎn)化、工業(yè)大數(shù)據(jù)的業(yè)務研究和市場應用推廣、智能發(fā)電自主核心軟件的研發(fā)等。

在課程實際教學過程中加強學生工程實踐意識的培養(yǎng)，最直接有效的方法便是指導學生進行智能型熱電廠課程項目設計（圖1）。在課程設計過程中，學生可以進行想象力的發(fā)散、積極踴躍進行創(chuàng)新創(chuàng)造，但同時必須保證設計方案是在一定的工程實際基礎(chǔ)上建立的，并且能進行完整的分析論證。要有充分的設計理由，滿足工程現(xiàn)場實際施工和運行的要求，在符合整個系統(tǒng)熱經(jīng)濟性的前提下，將盡可能多的智能化方法運用于發(fā)電廠的各個工序設備當中。例如，可以通過智能化的手段實現(xiàn)熱電廠安全、經(jīng)濟、環(huán)保、高效的發(fā)展目標，其中，要從設備狀態(tài)智能監(jiān)測與故障智能診斷、自動巡檢及智能維護、人員安全保障等方面進行安全發(fā)展考慮，經(jīng)濟效益可以從鍋爐燃燒調(diào)整優(yōu)化、輔機運行優(yōu)化、機組整體運行優(yōu)化等方面考慮，環(huán)?？蓮娜紵^程污染物智能控制、多污染物協(xié)同脫除、排放的經(jīng)濟性管理等方面考慮，高效可從生產(chǎn)過程高效管理、人員智能化管理等方面考慮。通過進行重復研究分析，全面綜合比對，讓學生們的思考方式不只是單純地考慮某個設備，而是上升到去把握整個智能化系統(tǒng)，也就是以整個電廠作為研究對象，站在總負責人的角度去考慮和分析工程實際問題，如作為廠長或總工，這樣大大提高了學生的工程實踐意識。

（三）熱電廠教學與智能發(fā)展的技術(shù)方向

在電廠生產(chǎn)過程中，不可能一蹴而就地實現(xiàn)經(jīng)營管理高度智能、少人甚至無人的最終目標，需從以下技術(shù)方向進行深入的科學研究與人才培養(yǎng)，即以設備可靠性為核心的智能診斷、監(jiān)測、預警等技術(shù)，以機組經(jīng)濟性為核心的能效評價、優(yōu)化運行技術(shù)，以環(huán)保與水務為核心的診斷優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以分散式供能為核心的智慧能源、智慧水務技術(shù)，以多能互補為核心的分布式供能、調(diào)度管理技術(shù)。

以設備可靠性為核心的智能診斷、監(jiān)測、預警等技術(shù)是智能電廠的重要組成部分，其關(guān)鍵技術(shù)的實施能延長設備使用壽命、減少突發(fā)性故障的發(fā)生、提高電力設備的供電可靠性，因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。然而由于電力設備的多樣性、電力設備監(jiān)測信號的多樣性、電力設備故障發(fā)生演變規(guī)律的多樣性等因素影響，電力設備的狀態(tài)監(jiān)測存在著診斷與預警功能不足的缺點，極大制約了電力設備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的全面推廣與應用。正如圖2所示，以設備可靠性為核心的智能診斷、監(jiān)測、預警等技術(shù)的研究與人才培養(yǎng)對提升電網(wǎng)智能化水平具有積極而深遠的意義;以機組經(jīng)濟性為核心的能效評價、優(yōu)化運行技術(shù)可提高機組運行經(jīng)濟性，不僅是國家創(chuàng)建節(jié)能型社會的要求，同時也是發(fā)電企業(yè)生存的要求和環(huán)境保護的要求;以環(huán)保與水務為核心的診斷優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和以分散式供能為核心的智慧能源、智慧水務技術(shù)，需要普遍形成感知物聯(lián)網(wǎng)絡，以云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)幫助實現(xiàn)決策指導、仿真模擬、輔助調(diào)控等能力，這就需要以多學科多專業(yè)交叉融合的教學方式培養(yǎng)智能發(fā)電人才;以多能源互補為核心的分布式供能、調(diào)度管理技術(shù)可有效推動能源清潔生產(chǎn)和就近消納，提高整個區(qū)域能源系統(tǒng)的能源利用率、經(jīng)濟性與穩(wěn)定性，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

三、結(jié)束語

新形勢下，熱力發(fā)電廠課程與工業(yè)智能化發(fā)展融合創(chuàng)新升級，智能發(fā)電技術(shù)成為能動專業(yè)理論性強、綜合性強和工程性強的一門專業(yè)特色課，基礎(chǔ)知識與實際發(fā)展結(jié)合緊密，更應注重與多專業(yè)多學科融合創(chuàng)新，教學科研過程中，打牢能動專業(yè)基礎(chǔ)，同時注重大數(shù)據(jù)、人工智能等方法的學習;注重理論與實踐的融合創(chuàng)新，鍋爐汽輪機等與專業(yè)機理研究、機理與算法融合研究、機組運行工況相似性研究;注重傳統(tǒng)能源與新能源的有機融合創(chuàng)新，在新能源革命和能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮主導和引領(lǐng)作用。在教學工作中需不斷開拓探索和積累總結(jié)，真正使該課程成為培養(yǎng)學生將來從事智能發(fā)電生產(chǎn)或科學研究的基石。

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