楊 美，李昱慶，賀 楠，牛曉娟

(東北電力大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院； b.人事處，吉林 吉林132012)

鍋爐課程設(shè)計(jì)是鍋爐原理課程理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1]，學(xué)生可以熟悉鍋爐的整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成和熱力系統(tǒng)計(jì)算方法[2]，有效訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)現(xiàn)能力、分工能力、合作能力和應(yīng)用工具的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，從而使學(xué)生更好地掌握與鍋爐原理相關(guān)的知識(shí)，深入進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)。

1 課程現(xiàn)狀

1.1 小容量低參數(shù)的鍋爐被淘汰

燃煤發(fā)電污染物排放量較大，且單位能耗較高，發(fā)電效率有待進(jìn)一步提高，而大容量高參數(shù)的機(jī)組效率得到了一定程度的提升，小容量低參數(shù)的鍋爐被淘汰[3]，原有的鍋爐設(shè)計(jì)內(nèi)容已不能滿足當(dāng)前環(huán)境對(duì)學(xué)生提出的需求，需要做出相應(yīng)的改變，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。如：在容量選取方面，選擇超臨界鍋爐或高超臨界鍋爐；在鍋爐改造過(guò)程中，重新計(jì)算因鍋爐局部受熱面改造而引起的流動(dòng)阻力變化[4]。

1.2 課程課時(shí)被壓縮

以往，高校會(huì)安排兩個(gè)學(xué)期的鍋爐原理課程，即一個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)理論知識(shí)，下一個(gè)學(xué)期進(jìn)行鍋爐課程設(shè)計(jì)，總時(shí)間達(dá)到96學(xué)時(shí)以上。目前，課時(shí)縮短到了48學(xué)時(shí)，很難全面講解鍋爐的系統(tǒng)知識(shí)，如鍋爐熱力計(jì)算和受熱面校核計(jì)算等內(nèi)容[5]。鍋爐原理課程以內(nèi)容體系復(fù)雜、理論性強(qiáng)和抽象概念多為主要特征，原本的課程設(shè)計(jì)就是以教師講解相關(guān)知識(shí)為主，指定煤種和鍋爐結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生按部就班地進(jìn)行計(jì)算，最終提交計(jì)算成果即可，不需要進(jìn)行過(guò)多的選擇和判斷。但這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法不利于將理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用充分結(jié)合起來(lái)，很難達(dá)到理想的指導(dǎo)效果。此外，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容過(guò)于單調(diào)，不能充分激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的熱情，學(xué)生雖然具有豐富的理論知識(shí)，但還缺乏實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。教師應(yīng)做出合理的課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新實(shí)踐精神。

2 課程目標(biāo)設(shè)計(jì)

2.1 以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)

結(jié)合CDIO工程教育架構(gòu)來(lái)進(jìn)行工科類專業(yè)的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)，以項(xiàng)目選題的方式進(jìn)行團(tuán)隊(duì)化教學(xué)，建立新的課程學(xué)習(xí)綜合考評(píng)體系，形成科學(xué)、合理、有效的教學(xué)方法，以鍛煉學(xué)生的工程應(yīng)用能力和科學(xué)創(chuàng)新能力，為學(xué)生以后的就業(yè)及科研打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，將計(jì)算機(jī)編程工具和Ebsilon professional軟件融入其中，形成獨(dú)具特色的能源與動(dòng)力工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。

2.2 調(diào)整課程教學(xué)方式

3 教學(xué)方式設(shè)計(jì)

3.1 注重理論聯(lián)系實(shí)踐

學(xué)生只學(xué)習(xí)鍋爐原理的理論知識(shí)是不夠的，還要將理論和實(shí)踐相結(jié)合，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，用實(shí)踐來(lái)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。教師要根據(jù)社會(huì)需求來(lái)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，并通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作、走訪單位等方式來(lái)深入了解鍋爐電力產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)有教育情況。

3.2 引入現(xiàn)代化教學(xué)手段

鍋爐課程設(shè)計(jì)中涉及了大量計(jì)算，整體系統(tǒng)的計(jì)算流程比較復(fù)雜，單純一個(gè)個(gè)地計(jì)算難以達(dá)到讓學(xué)生充分理解知識(shí)點(diǎn)的目的，學(xué)生綜合素質(zhì)得不到有效提升且浪費(fèi)了大量時(shí)間。教師可以讓學(xué)生從系統(tǒng)搭建角度出發(fā)來(lái)掌握鍋爐的系統(tǒng)流程，讓課程設(shè)計(jì)更加直觀。教師在講解建模流程的過(guò)程中，學(xué)生可以學(xué)習(xí)每個(gè)設(shè)備的理論知識(shí)和對(duì)應(yīng)的模塊搭建方法。模塊中嵌入了實(shí)際運(yùn)行電廠的經(jīng)驗(yàn)公式和流體物性參數(shù)，省去了手動(dòng)查圖查表的機(jī)械化過(guò)程，在可視圖形用戶界面中即可完成。軟件中每個(gè)模塊初始配置的標(biāo)準(zhǔn)值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更改，模塊特性由一系列非線性方程進(jìn)行定義(這與支配因子建模法的核心思想完全一致)，重復(fù)迭代計(jì)算求解，當(dāng)達(dá)到有限收斂條件時(shí)，計(jì)算完成。

3.3 根據(jù)市場(chǎng)需求優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)布置方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

利用計(jì)算機(jī)編程工具優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)布置方式，提高鍋爐側(cè)能量利用效率，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。例如，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)鍋爐煙氣的余熱進(jìn)行高效利用，降低鍋爐排煙的熱損失；在鍋爐尾部設(shè)置旁通煙道，進(jìn)行省煤器雙級(jí)布置、低溫省煤器改造和空預(yù)器優(yōu)化，并對(duì)改造后的節(jié)能效果及工程可實(shí)施性進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力。

4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)所取得的成效

創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以較好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。圖1為600 MW超臨界壓力單通道煤粉鍋爐的總體布局，圖2為制粉系統(tǒng)模型，圖3為空氣預(yù)熱器模型，圖4為燃燒器模型。在計(jì)算出各設(shè)備的進(jìn)出口參數(shù)后，能夠直觀地表達(dá)出不同設(shè)備之間的連接關(guān)系。

圖1 600 MW超臨界壓力單通道煤粉鍋爐的整體布置Fig.1 Arrangement of 600MW supercritical pressure single channel pulberized coal boiler

圖2 制粉系統(tǒng)模型Fig.2 Model of pulverizing system

圖3 空氣預(yù)熱器模型Fig.3 Air preheater model

圖4 燃燒器模型Fig.4 Combustion system model

得到了100%THA工況下各受熱面的主要參數(shù)，如表1所示。

表1 100%TAH工況下各受熱面的主要參數(shù)Tab.1 Heating surface parameters under 100%TAH working condition

搭建的模型有兩種計(jì)算方式，一種是設(shè)計(jì)模式，另一種是非設(shè)計(jì)模式。以管道設(shè)計(jì)模式下的管道進(jìn)出口參數(shù)計(jì)算為例，軟件可利用管道輸入?yún)?shù)和管道壓降特性(內(nèi)部修正或其他修正)來(lái)計(jì)算出管道出口參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于CDIO理念，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，對(duì)鍋爐課程設(shè)計(jì)的研究性教學(xué)模式進(jìn)行探討。要注重理論聯(lián)系實(shí)際，引入現(xiàn)代化教學(xué)手段，根據(jù)市場(chǎng)需求優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)布置方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。鍋爐課程設(shè)計(jì)的研究性學(xué)習(xí)模式對(duì)學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的提高具有積極意義，能夠使學(xué)生更好地了解專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、自主學(xué)習(xí)能力、思考能力和探索精神。