時(shí)雅濱 田 明 趙麗潔 宋廣鳳 高 丹 殷江平 張華博*

(1. 滄州交通學(xué)院，河北 黃驊 061199； 2. 河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺(tái) 054000；3. 北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司，北京)

教育部在2017年2月18日提出了“工程新課程”，同時(shí)高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)由復(fù)旦大學(xué)舉行，并提出關(guān)于開發(fā)新工程的研究和實(shí)踐活動(dòng)課程，這種策略可以有效地深化工程教育的改革，促進(jìn)新工程學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展[1]。今天，在世界范圍內(nèi)正在迅速進(jìn)行著新一輪的科學(xué)技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。隨著新產(chǎn)業(yè)、新模式、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)為特征的新經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，殷切須要大批量多元化、創(chuàng)新型工程科技人才。 猶如培育新品種，工業(yè)研究所和工程設(shè)計(jì)大學(xué)在地區(qū)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化工業(yè)改革，并在建設(shè)新工程方面進(jìn)行了重要努力，作為培育人才的基礎(chǔ)，在支持區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化中發(fā)揮著重要作用，并持續(xù)促進(jìn)工程新學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展[2]。這就對我國大學(xué)培養(yǎng)人才提出了新號召。高等學(xué)校在教學(xué)上必須轉(zhuǎn)變思想和方法，以順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的變化，從而達(dá)到知行合一的目的[3]。虛擬仿真技術(shù)在化工教學(xué)中的應(yīng)用不但對學(xué)生的實(shí)踐能力有益，而且能夠滿足理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方針。在化學(xué)和工程學(xué)的教育教學(xué)中常規(guī)的實(shí)驗(yàn)是必不可少的，在培養(yǎng)優(yōu)秀人才的過程中，實(shí)驗(yàn)所扮演的角色顯得尤為重要[4，5]。 在化工實(shí)驗(yàn)中，操作者頻繁暴露于各種有毒有害化學(xué)物質(zhì)下，高溫高壓設(shè)備也使得實(shí)驗(yàn)操作本身存在一定危險(xiǎn)性，而且試驗(yàn)場地、安全、設(shè)備、資金等限制因素影響測試教學(xué)的影響[6-7]。在教育信息化背景條件下，化工仿真實(shí)驗(yàn)不僅是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效輔助措施，還是化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向，為了使學(xué)生更加詳細(xì)地了解過程參數(shù)的正常操作條件、設(shè)備的工藝流程、開停車規(guī)程及事故處理手段等，掌握在典型化學(xué)生產(chǎn)過程中開停車、運(yùn)行和消除事故的能力，故可采用計(jì)算機(jī)模擬化工實(shí)驗(yàn)仿真課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8]。

我校在化工仿真實(shí)驗(yàn)課程中使用的教學(xué)軟件是由北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司所開發(fā)提供，包括加熱爐、常規(guī)離心泵、催化劑萃取塔、電動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)、多效蒸發(fā)、固定床、罐區(qū)、鍋爐、過濾、換熱器、加熱爐、間歇釜、精餾塔、流化床、雙塔精餾、透平離心壓縮機(jī)、吸收解吸、液位控制、真空系統(tǒng)等化工單元操作虛擬仿真，本文以鍋爐仿真操作系統(tǒng)為例，討論化工仿真實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)探究。

1 備課階段

凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢。在教學(xué)中，充分備課是提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效果的基礎(chǔ)，尤其是化工仿真實(shí)驗(yàn)課程，教師和學(xué)生在課前都需要做好相應(yīng)準(zhǔn)備，其中主要是鍋爐知識儲(chǔ)備和教學(xué)進(jìn)程中學(xué)生可能會(huì)遇到的問題以及錯(cuò)誤操作。

鍋爐知識儲(chǔ)備主要是兩個(gè)方面：

① 過熱蒸汽鍋爐工作原理 本課程為65 t/h電站過熱蒸汽鍋爐仿真，蒸汽鍋爐主要是通過燃燒后輻射段的火焰和高溫?zé)煔鈱λ浔诘腻仩t給水進(jìn)行加熱，使鍋爐給水變成飽和水而進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離，再通過對流室對來自于汽包的飽和蒸汽進(jìn)行加熱即產(chǎn)生過熱蒸汽。

② 鍋爐除氧器的工作原理 鍋爐除氧器的原理是凝結(jié)水及補(bǔ)充水首先進(jìn)入除氧頭內(nèi)旋膜器組水室，在一定的水位差壓下從膜管的小孔斜旋噴向內(nèi)孔，形成射流，呈均勻淋雨?duì)盥涞窖b到其下的液汽網(wǎng)上，再進(jìn)行深度除氧后流入水箱。

教學(xué)進(jìn)程中學(xué)生可能會(huì)遇到的問題很多，例如本裝置的開車狀態(tài)壓力為常壓，溫度為環(huán)境溫度，所有可操作閥均需處于關(guān)閉狀態(tài)；牢記正常開車順序，泵啟動(dòng)前應(yīng)該先開前閥再開后閥；如需進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)應(yīng)先將前后閥打開，之后在打開調(diào)節(jié)閥……除去以上所需注意問題之外還要求學(xué)生自行復(fù)習(xí)儀表自動(dòng)化和化工原理等專業(yè)課程知識，加深對于各個(gè)化工單元及其設(shè)備操作原理的認(rèn)識，如P101A/B高壓水泵、P102A/B空氣鼓風(fēng)機(jī)、V101高壓瓦斯罐等。綜上所述，在課程進(jìn)行之前教師和學(xué)生都要對鍋爐仿真操作系統(tǒng)完成相應(yīng)知識預(yù)習(xí)，了解鍋爐工作流程，理解系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的當(dāng)前值、給定值、控制閥開度、自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，以確保在課堂中學(xué)生操作流程正常完成。

2 課程講解

首先進(jìn)行工藝流程講解分析。本次課程主要設(shè)備為WGZ65/39-6型鍋爐，采用雙汽包結(jié)構(gòu)，自然循環(huán)。外界來水經(jīng)過除氧器熱力除氧和水位調(diào)節(jié)器后，經(jīng)高壓水泵供鍋爐用水。鍋爐給水一部分經(jīng)過減溫器回流至省煤器，而一部分直接進(jìn)入省煤器。兩路給水調(diào)節(jié)閥通過過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)器分程控制，被煙氣加熱至256 ℃飽和水進(jìn)入上汽包，然后經(jīng)過對流管束流至下汽包，再通過下降管進(jìn)入鍋爐水冷壁，吸收爐膛輻射熱，在水冷壁里變成汽水混合物，最后進(jìn)入上汽包汽水分離。從上汽包出來的256 ℃的飽和蒸汽經(jīng)過低溫段過熱器、減溫器和高溫段過熱器，將蒸汽變?yōu)?77 ℃、3.9 MPa的過熱蒸汽回收。

然后指導(dǎo)學(xué)生完成正常開車運(yùn)行。在開車前按要求完成準(zhǔn)備工作，之后依次進(jìn)行除氧器投運(yùn)、鍋爐上水、燃料系統(tǒng)投運(yùn)、鍋爐點(diǎn)火、鍋爐升壓、鍋爐并汽和鍋爐負(fù)荷提升操作。開車前準(zhǔn)備工作完成后按照要求完成正常運(yùn)行和調(diào)整，并提前將操作要點(diǎn)告知學(xué)生，如在正常運(yùn)行中不允許中斷鍋爐給水；在運(yùn)行中應(yīng)經(jīng)常監(jiān)視給水壓力和給水溫度的變化；控制鍋爐蒸發(fā)量必須高于40 000 kg/h；手動(dòng)調(diào)整減溫水量時(shí)，不應(yīng)猛增猛減；鍋爐低負(fù)荷時(shí)，酌情減少溫水量或停止使用減溫器；鍋爐在保證燃燒良好的條件下，盡量降低過?？諝庀禂?shù)，降低鍋爐電耗；在鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整風(fēng)量，保持鍋爐的汽壓和汽溫穩(wěn)定。

最后完成停車。停車前首先要降低鍋爐負(fù)荷。具體操作為停開加藥泵，緩慢開大減溫器開度，緩慢關(guān)小主汽閥，打開疏水閥。之后關(guān)閉燃料系統(tǒng)。具體操作為打開F10對火嘴進(jìn)行吹掃，緩慢關(guān)閉高壓瓦斯壓力調(diào)節(jié)閥，緩慢關(guān)閉過熱蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥，關(guān)鼓風(fēng)機(jī)出口閥F2，停鼓風(fēng)機(jī)，關(guān)閉煙道擋板。然后停上汽包上水。具體操作為關(guān)閉上汽包液位調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉除氧器加熱蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥，打開V01B101和V03B101，待爐膛溫度降為100 ℃后,關(guān)閉高壓水泵P101A/B。最后完成泄液。具體操作為待除氧器溫度降至80 ℃后，打開V03DW101泄液，開啟鼓風(fēng)機(jī)出口閥、鼓風(fēng)機(jī)和煙道擋板對爐膛進(jìn)行吹掃，然后關(guān)閉。

3 課后輔導(dǎo)及事故講解

本次課堂學(xué)習(xí)鍋爐仿真操作任務(wù)操作內(nèi)容繁瑣、講授內(nèi)容細(xì)節(jié)多，因此在課堂實(shí)際操作中學(xué)生提出各種問題，例如在除氧罐和鍋爐上汽包液位顯示時(shí)，由于液位指示計(jì)0點(diǎn)之下留有一段空間，因此開始進(jìn)料后液位要等一段時(shí)間才會(huì)有所指示。再如鍋爐給水一部分經(jīng)減溫器回水至省煤器，另一部分直接進(jìn)入省煤器，通過控制兩路水的流量來控制上汽包的進(jìn)水溫度，兩股流量由一分程調(diào)節(jié)器TIC101控制，而鍋爐上水的總量只受上汽包液位調(diào)節(jié)器LIC102單回路控制。以上問題最好是在操作過程中由學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)，教師進(jìn)行課后輔導(dǎo)，以增強(qiáng)學(xué)生對于鍋爐操作系統(tǒng)的認(rèn)知和探索。

另外在操作過程中由于涉及了許多成套設(shè)備、儀表、儀器、自動(dòng)和手動(dòng)控制系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)很多參數(shù)可能會(huì)因?yàn)槌^警戒值報(bào)警，因此需要學(xué)生及時(shí)調(diào)整閥門使各個(gè)參數(shù)回復(fù)正常數(shù)值。但是還是有很多同學(xué)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)一些特定事故，課后教師應(yīng)該對其匯總，并在教學(xué)qq群或微信群給學(xué)生進(jìn)行講解。例如水位計(jì)液位指示突然超過可見水位上限，此時(shí)鍋爐滿水，處理時(shí)應(yīng)該緊急停爐，先停燃料系統(tǒng)，再降低鍋爐負(fù)荷，最后停止上汽包上水。再如過熱蒸汽溫度降低，減溫水量不正常地減少，蒸汽溫度調(diào)節(jié)器不正常的忽大忽小、振蕩，此事故原因是減溫器內(nèi)漏，減溫水進(jìn)入過熱蒸汽，處理時(shí)應(yīng)將TIC101改為手動(dòng)，關(guān)減溫水調(diào)節(jié)閥，改用過熱器疏水閥暫時(shí)維持運(yùn)行，從而降低負(fù)荷。學(xué)生遇到的事故很多，如鍋爐缺水、對流管壞、減溫器壞、蒸汽管壞、給水管壞、電源中斷、二次燃燒等，如若學(xué)生遇到此上事故，教師應(yīng)及時(shí)給予講解，并督促學(xué)生重新開車訓(xùn)練，讓學(xué)生達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。

4 結(jié)束語

新工科建設(shè)對于化工專業(yè)人才培養(yǎng)效果提出了新要求，我?；谛鹿た平ㄔO(shè)和人才培養(yǎng)方案的要求，將化工仿真實(shí)驗(yàn)課程定位為專業(yè)核心實(shí)驗(yàn)課程，使用虛擬仿真開放性教學(xué)替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，結(jié)合理論教學(xué)，將專業(yè)基礎(chǔ)知識與課程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，將課本中抽象難懂和枯燥乏味的知識點(diǎn)轉(zhuǎn)化為生動(dòng)形象的動(dòng)畫演示，將走馬觀花式的瀏覽改變?yōu)樯砼R其境的操作，大幅提高學(xué)生動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從學(xué)習(xí)者向工程實(shí)踐人員的身份轉(zhuǎn)變，著重培養(yǎng)化工領(lǐng)域新興技術(shù)人才，為新工科建設(shè)貢獻(xiàn)力量。