樓 波，董美蓉，王 輝

（1.華南理工大學電力學院 廣東 廣州 510640；2.京信數(shù)據(jù)科技（中山）有限公司 廣東 中山 528400）

國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現(xiàn)代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[1]。陳清奎等[2]針對現(xiàn)有教學模式的不足，以虛擬現(xiàn)實技術為核心, 開發(fā)了適用于模具專業(yè)的仿真教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)集“學、練、考”于一體，以虛帶實、虛實結合，促進理論與實踐的融合。王金龍等[3]把虛擬現(xiàn)實技術應用于化學化工教學與考核領域。王龍庭等[4]研發(fā)的液壓機械控制虛擬教學實驗，實驗成本低，學生共享性高，豐富了傳統(tǒng)的實驗教學。張桂臣等[5]、李錦偉等[6]分別將虛擬現(xiàn)實技術用于船舶電站和虛擬儀器的實操等領域，將技能測評、智能化與網(wǎng)絡考試相結合。虛擬實驗技術因實驗環(huán)境要求低、交互性強，越來越多地被運用于教學領域，產(chǎn)生了意想不到的效果。

鍋爐原理專業(yè)課虛擬實驗設計近乎現(xiàn)場鍋爐各系統(tǒng)控制操作的過程，把鍋爐原理知識匯入各系統(tǒng)的各個操作過程之中，可以很好地彌補能源與動力工程專業(yè)課程實驗方面的不足，為學生提供身臨其境的實操機會，體會鍋爐原理在設備運行中的具體實現(xiàn)過程。

1 虛擬實驗

為了概括鍋爐原理課程內(nèi)容，虛擬實驗設計包括鍋爐的主要設備與系統(tǒng)，以及正常運行參數(shù)調節(jié)、設備與系統(tǒng)的啟停以及鍋爐系統(tǒng)的事故處理等環(huán)節(jié)，系統(tǒng)流程、鍋爐工作過程中的能量、物質守恒原理得到很好的體現(xiàn)，包含了目前鍋爐原理專業(yè)課程各章節(jié)主要的教學內(nèi)容與知識點。虛擬實驗運用計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、流媒體技術和虛擬仿真技術，針對直流鍋爐與汽包鍋爐原理中的主要熱力系統(tǒng)：制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)等，以及不同運行工況（正常運行、系統(tǒng)啟停、事故處理等）完成虛擬操作實驗操作考核，使零散的鍋爐專業(yè)知識得到系統(tǒng)的融合與貫通，彌補了鍋爐原理專業(yè)課教學單一上課與學生沒法實操鞏固理論知識環(huán)節(jié)的不足，為鍋爐專業(yè)課教學提供了一種嶄新的嘗試。

2 虛擬實驗模塊設計

鍋爐原理課程虛擬實驗按模塊化思想設計，模塊設計覆蓋了鍋爐主要的系統(tǒng)：制粉系統(tǒng)、受熱面的“鍋”系統(tǒng)與燃燒的“爐”系統(tǒng)，內(nèi)容包含了兩種鍋爐類型：自然循環(huán)鍋爐與直流鍋爐，設計了鍋爐實際運行的三種操作情形：正常參數(shù)調整、設備啟停與事故處理。內(nèi)容豐富，覆蓋了鍋爐原理課程的主要知識點。

2.1 自然循環(huán)鍋爐虛擬實驗

虛擬實驗具體包含8 個模塊，分別是：鍋爐中儲式制粉系統(tǒng)操作與事故處理模塊、直吹式制粉系統(tǒng)啟動與停運、鍋爐參數(shù)（汽溫、汽壓）控制范圍及調整、鍋爐正常停爐操作、鍋爐爆管事故處理（過熱器）操作、直流鍋爐啟動中的清洗操作、直流鍋爐從初負荷到滿負荷啟動、直流鍋爐蒸汽參數(shù)調節(jié)。自然循環(huán)鍋爐也就是汽包鍋爐，虛擬實驗包含了三個模塊，汽包鍋爐參數(shù)調整、汽包鍋爐正常停爐操作、鍋爐過熱器爆管事故處理。下面以汽包鍋爐正常停爐操作為例，敘述實驗設計中體現(xiàn)的虛擬實驗的實驗原理與核心要素、知識點。對學生的操作通過繪制操作參數(shù)曲線的方法進行記錄，先設置標準停爐曲線，通過對比學生的實際操作曲線與標準操作曲線，評價學生鍋爐停爐過程的減溫速率、參數(shù)變化偏離程度，并判斷操作步驟的對錯，最后給出評分。

2.1.1 實驗原理

自然循環(huán)鍋爐冷態(tài)啟動實驗主要由燃燒系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)組成，為了實現(xiàn)虛擬實驗的具體操作，設計鍋爐燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)操作圖，進而在操作圖中設置各種設備的操作點。實驗原理基于燃燒的發(fā)熱量與蒸汽吸收的能量平衡，以及汽包水位的給水量與產(chǎn)汽量之間的物質平衡來實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律。

2.1.2 核心要素

鍋爐正常停爐過程的能量減少，引起參數(shù)逐漸降低的規(guī)律；減溫速率與熱應力的關系；低負荷時，燃燒不穩(wěn)定的特性。

2.1.3 知識點

通過降低鍋爐燃料與風來逐漸降低汽溫汽壓參數(shù)，熄火后通過旁路系統(tǒng)逐漸降溫降壓，減溫速率需滿足金屬熱應力安全要求；在燃燒系統(tǒng)操作步驟中，按燃燒要求對燃料與風調節(jié)步驟的先后順序；汽包中在物質與能量的儲存作用下，給水水位和汽壓的變化規(guī)律；在控制參數(shù)低到一定溫度的時候燃燒不穩(wěn)定，投油助燃后燃燒和蒸汽參數(shù)的響應特性。

2.1.4 實驗步驟設計

鍋爐降負荷和停爐實驗步驟設計包括：停運前準備、鍋爐降負荷、熄火后降壓等步驟。停運前的準備步驟包括：填寫操作票、受熱面吹灰、排污等；鍋爐降負荷步驟包括：逐漸按曲線速率減少燃料煤量，維持氧量、爐膛負壓、汽包水位等參數(shù)正常，在煤量較低時投油助燃，在逐漸減少煤量到零時關閉主蒸汽閥等；熄火后的降壓步驟包括：用旁路閥開度控制壓力曲線，同時包括停風煙系統(tǒng)、環(huán)保系統(tǒng)、測量取樣閥門，直到打開空氣閥降壓到環(huán)境壓力。

2.1.5 操作評分標準設計

操作評分標準設計包括：操作錯項扣2 分/次，操作漏項扣3 分/次。按照降壓和降溫曲線進行降壓過程：壓力偏離±0.2MPa 扣2 分/次，偏離±0.5MPa 扣5 分/次，偏離±1.0MPa 扣10 分/次等。

2.2 直流循環(huán)鍋爐虛擬實驗

直流鍋爐虛擬實驗包含三個模塊，直流鍋爐參數(shù)調整、直流鍋爐冷態(tài)清洗操作、直流鍋爐啟動。下面以直流鍋爐參數(shù)調整為例，敘述實驗設計中的實驗原理與知識點、核心要素以及具體的實驗步驟與評分標準。

2.2.1 實驗原理

與自然循環(huán)鍋爐類似，直流鍋爐由燃燒系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)組成，為了實現(xiàn)直流鍋爐的運行操作，設計直流鍋爐燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)操作圖，操作圖中設置了眾多設備的操作點。實驗原理基于燃燒的發(fā)熱量與蒸汽吸收的能量平衡，直流鍋爐給水量、減溫水量與產(chǎn)汽量之間的物質平衡。

2.2.2 核心要素

直流鍋爐中，燃燒改變時對應的汽溫與煙氣側參數(shù)變化；燃料燃燒以及外界給水擾動變化時，鍋爐整體的能量與物質平衡；直流鍋爐中汽溫、汽壓、負荷等參數(shù)的協(xié)調變化。

2.2.3 知識點

①空氣與燃料的混合比例對燃燒的影響以及燃燒對汽壓的影響；②燃燒系統(tǒng)對汽水系統(tǒng)中蒸汽量、汽溫、汽壓參數(shù)的影響；③汽水系統(tǒng)中給水量對鍋爐產(chǎn)汽量的影響；④風與燃料的參數(shù)對燃燒穩(wěn)定的影響。

2.2.4 實驗步驟設計

實驗分為主蒸汽與再熱蒸汽參數(shù)高、主蒸汽與再熱蒸汽參數(shù)低兩部分的步驟設計，包括：增加（減少）引風量，調節(jié)爐膛負壓；增加（減少）送風量，調節(jié)煙氣氧量；增減燃料量（增加給煤量），改變主蒸汽溫度；調整煙氣擋板，調節(jié)再熱汽溫；給水調整，改變蒸汽量與蒸汽壓力；調整減溫水，用于調節(jié)主蒸汽溫度等。

2.2.5 操作評分標準設計

操作評分標準包括：燃料與風的操作必須按先后順序執(zhí)行，否則每次扣5 分；煙氣擋板調整、給水調整和減溫水調整不受步驟限制，可隨時進行調整；主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度超標，報警并扣5 分；爐膛負壓超標（正常范圍-50 到-20）5 分/30 秒；氧量超標（正常范圍3 到5）5 分/30 秒。只要參數(shù)都正常，就可以倒計時提交，操作結束。

2.3 制粉系統(tǒng)虛擬實驗

鍋爐制粉系統(tǒng)對燃煤鍋爐來說是至關重要的輔助系統(tǒng)，同時也是比較復雜的系統(tǒng)，而且對鍋爐燃燒的影響非常密切，為此鍋爐虛擬實驗系統(tǒng)還開發(fā)了兩類制粉系統(tǒng)虛擬實驗的模塊，包括鍋爐中儲式制粉系統(tǒng)操作與事故處理模塊、直吹式制粉系統(tǒng)啟動與停運。

2.3.1 實驗原理

下面以鍋爐中儲式制粉系統(tǒng)操作與事故處理模塊為例，敘述實驗設計中的實驗原理與核心要素、知識點以及具體的實驗步驟與評分標準。制粉系統(tǒng)燃燒與爆炸事故虛擬實驗是基于燃燒三要素原理，在發(fā)生燃燒與爆炸事故時實現(xiàn)隔絕空氣以及滅火，制粉系統(tǒng)煤粉流輸送與干燥要滿足能量與物質平衡的原理。

2.3.2 核心要素

①燃燒三要素；②干燥過程煤粉氣流的能量平衡；③氣流輸送的兩相流動原理。

2.3.3 知識點

通過虛擬仿真技術將制粉系統(tǒng)設備的組成以系統(tǒng)圖的形式表示出來，并提供可操作檢查的功能。制粉系統(tǒng)設備組成及啟動前檢查模塊涉及原煤倉、給煤機、磨煤機、木頭格篩、粗粉分離器、細粉分離器、粉篩、粉倉、鎖氣器、潤滑油系統(tǒng)、閥門開關（標記紅色的為關，黑色為開）操作，能讓學生熟悉復雜的中間儲倉式制粉系統(tǒng)的主要設備、流程，熟悉中間儲倉式制粉系統(tǒng)各設備的功能、運行操作、事故處理，展現(xiàn)煤粉干燥時的能量平衡原理以及輸入能量過量導致的煤粉超溫燃燒及爆炸情形。

2.3.4 實驗步驟設計

整個制粉系統(tǒng)的虛擬實驗分三節(jié)階段的操作，制粉系統(tǒng)煤粉自燃時的處理（第1 階段）步驟為：加大給煤機轉速；壓住回粉管鎖氣器；關小磨煤機總風門；停止給煤機、磨煤機運行，蒸汽滅火；待磨煤機出口溫度正常時，退出蒸汽滅火；啟動磨煤機，再啟動給煤機。制粉系統(tǒng)爆燃后的處理（第2 階段）操作步驟：停止給煤機運行、停止磨煤機運行；蒸汽滅火，待磨煤機出口溫度正常時，退出蒸汽滅火；緩慢開啟排粉機入口聯(lián)絡風門同時緩慢關閉排粉機入口風門；及時投油助燃，防止爐膛滅火，后停止排粉機運行；全面檢查。煤粉倉自燃爆燃的處理（第3 階段）操作步驟為：停給煤機，再停磨煤機，關閉煤粉倉吸潮管吸潮門；待粉位降到1m 時，蒸汽滅火，待煤粉倉溫度正常時，退出蒸汽滅火；重啟磨煤機、給煤機，迅速增大給煤量（90%以上）；增大磨煤機溫風門與熱風門；讓煤粉倉粉位上升到4m，可以提交。

2.3.5 操作評分標準設計

制粉系統(tǒng)采用鋼球磨中間倉儲式乏氣送粉系統(tǒng)，制粉系統(tǒng)燃料為煙煤，正常制粉系統(tǒng)出口煤粉溫度70℃，煤粉倉溫度60℃。操作錯誤扣2 分。制粉系統(tǒng)的給煤機、磨煤機、排風機的啟停存在嚴格邏輯，操作錯誤每次扣5 分。

3 結語

鍋爐課程虛擬實驗系統(tǒng)包含八個模塊，實現(xiàn)了鍋爐正常參數(shù)調整、系統(tǒng)設備啟動以及鍋爐事故等場景的操作，完成鍋爐工作原理與虛擬現(xiàn)實技術結合，把鍋爐原理課程的知識點融入各系統(tǒng)的各虛擬實驗操作過程之中，能更好滿足工科學校對學生專業(yè)能力培養(yǎng)的要求。