張辛，王旱祥，蘭文劍，車家琪，林學(xué)強，葛家旺

（中國石油大學(xué)（華東）機電工程學(xué)院，山東青島，266580）

非常規(guī)能源裝備是我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，是研究非常規(guī)油氣開發(fā)、新能源發(fā)電技術(shù)與裝備等方面的課程，有很強的應(yīng)用性。目前實驗室配備的教學(xué)儀器都比較老舊，且基本都是通用設(shè)備，沒有非常規(guī)能源開采方面的專業(yè)教學(xué)儀器，學(xué)生無法通過實驗，了解煤層氣、天然氣水合物等區(qū)別于常規(guī)油氣的開采方法和特點。為了解決這些問題，教學(xué)團隊設(shè)計、研發(fā)了一系列非常規(guī)能源開發(fā)專用實驗平臺，并在教學(xué)實踐中，實踐結(jié)果證明，自主開發(fā)實驗教學(xué)儀器對于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)思維、工程意識、實踐和創(chuàng)新能力具有重要的意義，是推動學(xué)科建設(shè)、促進專業(yè)人才培養(yǎng)的有力舉措。

1 自主研發(fā)實驗教學(xué)儀器的必要性

工科專業(yè)特別是具有鮮明行業(yè)特色的專業(yè)，培養(yǎng)方案所設(shè)置的課程內(nèi)容大多與現(xiàn)場生產(chǎn)聯(lián)系密切，有著較強的實踐性和工程性，實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)效果對學(xué)生專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著較大影響。實驗室設(shè)備作為高校專業(yè)課程實踐教學(xué)的載體，其專業(yè)性和先進性是實驗條件的綜合體現(xiàn)，專用實驗儀器的設(shè)計與研發(fā)，是實驗教學(xué)改革的必要條件。自主開發(fā)實驗教學(xué)平臺，可以為新的實驗教學(xué)工作做好準備，同時培養(yǎng)學(xué)生工程實踐意識、團隊合作精神及創(chuàng)新能力，達到教學(xué)和科研相結(jié)合的目的。

2 自主研發(fā)實驗儀器方案

■ 2.1 渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺

渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺由模擬管柱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、氣液混合系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、參數(shù)測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)、渦流器模型及加煤粉裝置等組成（見圖1）。

圖1 渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統(tǒng)技術(shù)方案圖

此教學(xué)平臺可以根據(jù)培養(yǎng)要求完成不同的實驗教學(xué)。模擬不同的參數(shù)作用下，相同渦流工具的流態(tài)變化情況，測量關(guān)鍵的實驗數(shù)據(jù)，完成對渦流工具的適應(yīng)性分析；模擬相同的參數(shù)作用下，不同的渦流工具物理參數(shù)對流態(tài)變化的影響，分析各種參數(shù)的影響能力；模擬在相同排采參數(shù)時，不同煤粉的沉降運動，對數(shù)據(jù)進行分析，從而安排排采最優(yōu)方案；模擬煤層氣油管內(nèi)的流動，使現(xiàn)象更直觀，可以為實驗教學(xué)提供優(yōu)質(zhì)資源。

■ 2.2 油氣田井下磨銑工具教學(xué)實驗平臺

在油氣田井下作業(yè)過程中，由于各種因素，會發(fā)生井筒堵塞的現(xiàn)象，需要借助專業(yè)的磨銑工具消除井筒堵塞物，來保證作業(yè)的正常進行[1-3]。磨銑工具的工作機理是將硬質(zhì)合金鋪焊在基體表面，依靠硬質(zhì)合金的物理特性破壞井筒內(nèi)的堵塞物，從而解決井筒堵塞的問題[4-5]。

和正常條件下的機械磨銑加工不同，井下作業(yè)難度更大、危險系數(shù)更高。因此，磨銑工具要能滿足高壓力、高轉(zhuǎn)矩的要求[6]，以適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，解決井筒堵塞的問題，恢復(fù)生產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益[7]。為了使學(xué)生對油氣田作業(yè)過程有更直觀的認識，自主研發(fā)出油氣田井下磨銑工具的實驗教學(xué)設(shè)備，模擬井下磨銑工具破碎井內(nèi)堵塞物的全過程，理論聯(lián)系實踐，增強學(xué)生創(chuàng)造能力[8-9]。

磨銑實驗教學(xué)平臺設(shè)計方案如圖3所示，采用立式總體布局，保證實驗室空間布局合理，滿足實際作業(yè)情況。教學(xué)平臺共包括五個模塊，動力模塊、傳動模塊、磨銑模塊、電缸模塊、測控模塊。動力模塊是實驗平臺運作的前提，傳動模塊是動力傳遞的關(guān)鍵，磨銑模塊是實驗平臺的執(zhí)行模塊，有工作臺和磨銑工具兩部分，電缸模塊有PLC控制器和電動缸兩部分，測控模塊由各種傳感器組成，進行作業(yè)過程中工作參數(shù)的測量[10]。

圖2 磨銑工具實驗教學(xué)平臺整體思路

圖3 鉆磨銑工具性能測試實驗臺設(shè)計方案

■ 2.3 機電控制綜合實驗教學(xué)平臺

機電系統(tǒng)計算機控制是近幾年機自專業(yè)和機械工程專業(yè)等開設(shè)的機械電子方向的專業(yè)課程，本課程的開設(shè)目的，旨在通過課程教學(xué)，將基本的電氣控制、自動控制等知識與油氣田開采工作相結(jié)合，使學(xué)生了解油氣田開發(fā)裝備中所應(yīng)用到的控制原理與方法。由于課程高度專業(yè)性和石油特色化，亟需自主研發(fā)一套實驗教學(xué)設(shè)備，以滿足課程教學(xué)目的和育人需求。

機電控制系統(tǒng)包括傳感器、運算單元、執(zhí)行機構(gòu)三大部分[11-13]。傳感器是控制系統(tǒng)實現(xiàn)功能的前提，通過傳感器實現(xiàn)被測量物理量與電信號之間的轉(zhuǎn)換[14]。運算單元是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，不同類型的元件有不同的控制特點，常用的元件有計算機、繼電器等。執(zhí)行機構(gòu)是控制系統(tǒng)的動力輸出部分，實現(xiàn)其他類型能量到機械能的轉(zhuǎn)變，比如液壓馬達、步進電動機等。

圖4 機電控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

教學(xué)平臺的設(shè)計以工業(yè)控制為標準，具有多個控制模塊[15]。在此教學(xué)平臺可以進行多種控制實驗，借助不同的傳感器實現(xiàn)對典型物理量的控制，比如溫度、壓力等。

在具備PLC編程、安全配線、組態(tài)、電氣調(diào)試、管路搭建、變頻調(diào)速、可控硅調(diào)壓控制的同時，重點突出流體過程控制傳感器的配線、信號轉(zhuǎn)換、變送、采集、PID控制和組態(tài)控制的主要功能。

平臺系統(tǒng)涵蓋了擴散硅式液位變送器、PT100溫度變送器、磁浮球液位開關(guān)等常用傳感器，覆蓋開關(guān)量、模擬量等兩種信號類別。除此之外，系統(tǒng)還可擴展安全配線、多種實訓(xùn)模式切換功能。

機電控制綜合教學(xué)平臺可以進行控制實驗，實現(xiàn)對各種參數(shù)的調(diào)控，但它的作用不僅僅局限與此。它把理論教學(xué)中涉及到的知識直觀的展示出來，理論聯(lián)系實踐，真正的做到知識的學(xué)以致用。比如控制實驗中涉及到的PLC編程以及各種設(shè)備的工作機理。

在教學(xué)過程中，加大對機電控制綜合教學(xué)平臺的開發(fā)和使用力度，可以實現(xiàn)課堂理論、實驗教學(xué)、工程應(yīng)用的三者結(jié)合，加深學(xué)生對控制過程的理解，顯著提高學(xué)生PLC編制程序的能力，使學(xué)生對管路搭建以及電氣調(diào)試有更深刻的認識。在完成教學(xué)的同時，提高學(xué)生的動手能力和科研意識。

3 自主開發(fā)實驗教學(xué)平臺的成效

■ 3.1 重構(gòu)了實驗教學(xué)內(nèi)容，提高了實驗教學(xué)效果

設(shè)計開發(fā)的一系列實驗教學(xué)平臺可以實現(xiàn)不同的功能和效果，既可以開設(shè)課程教學(xué)大綱中的必修實驗環(huán)節(jié)，還可以進行開放性實驗教學(xué)，為大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目、研究生承擔(dān)科研項目等提供實驗條件[16]。目前可以開出的教學(xué)實驗項目有致密砂巖氣/煤層氣井底多相流狀態(tài)實驗、煤粉運移規(guī)律模擬實驗、磨銑工作過程熱場分布實驗等數(shù)十項實驗項目?？梢耘囵B(yǎng)學(xué)生的工程實踐意識、團隊合作精神及創(chuàng)新能力。

■ 3.2 科研融入教學(xué)，鍛煉了教師教學(xué)科研水平

高校實驗教學(xué)過程中，自行設(shè)計研發(fā)實驗教學(xué)平臺，需要實驗老師對課程有非常透徹的理解，了解工程實際問題的解決方法和思路，能夠?qū)⒗碚撝R與工程實際相結(jié)合，這對于參與人員的理論水平有較大的提高[16-17]，既能提高學(xué)生的興趣和積極性，又能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

■ 3.3 實驗室建設(shè)水平提高，發(fā)揮了周邊輻射作用

近幾年，我們課程群多采用自行設(shè)計、自行選型、自主定制加工、安裝調(diào)試的模式，建成了適用于多門本科必修課程的多套實驗教學(xué)系統(tǒng)，其中包括適用于交叉課程、交叉學(xué)科的實驗教學(xué)系統(tǒng)，在一定程度上提高了實驗室的建設(shè)水平[16,18]。

4 結(jié)束語

在新工科背景下，建設(shè)高水平、高質(zhì)量的教學(xué)實驗室，是人才培養(yǎng)和科研興國的重要載體。自主設(shè)計研發(fā)實驗教學(xué)系統(tǒng)，不僅可以解決教學(xué)急需設(shè)備，保證不同實驗的開出率，同時，能夠鍛煉實驗室技術(shù)人員的教學(xué)和科研水平，使理論知識與工程實際問題有機結(jié)合，在實驗過程中，通過實驗方案的設(shè)計與搭建，解決現(xiàn)場實際問題，能夠持續(xù)吸引學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)主動性，提高實驗教學(xué)的效果，促進實驗室的快速建設(shè)，對于實驗教學(xué)改革、學(xué)生能力培養(yǎng)，有著積極的促進作用。