火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)架設(shè)計(jì)方案

白 韡，白健美

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719300）

顧名思義，火電廠指的就是火力發(fā)電廠，是主要利用煤炭、石油以及天然氣等自然資源生產(chǎn)電能的工廠。其生產(chǎn)過程是利用燃料將鍋爐中的水加熱，再通過形成的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而使汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊粋€(gè)過程。火電廠在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障是在所難免的，為此，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以幫助和引導(dǎo)學(xué)生深入了解和掌握火電廠的運(yùn)行過程，體驗(yàn)火電廠故障處理過程，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用能力，向國家和社會(huì)培養(yǎng)一批應(yīng)用型專業(yè)人才。

1.火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)背景介紹

2017年，教育部門高教司在經(jīng)過反復(fù)的論證和實(shí)踐之后，向各大高校正式推出了“新興工科專業(yè)”計(jì)劃，并先后出臺(tái)和頒布了《新工科建設(shè)形成“復(fù)旦共識(shí)”》《新工科建設(shè)形成“天大行動(dòng)”》以及《新工科建設(shè)形成“北京指南”》等的指導(dǎo)性文件，其根本是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與教育教學(xué)實(shí)現(xiàn)深度融合，再通過利用虛擬仿真技術(shù)不斷創(chuàng)新和優(yōu)化工程實(shí)踐方法。

眾所周知，火電廠生產(chǎn)流程復(fù)雜，安全生產(chǎn)要求較高，即使是已經(jīng)進(jìn)入企業(yè)實(shí)習(xí)的學(xué)生，也只能是觀摩性地學(xué)習(xí)，根本沒有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。所以，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用顯得尤為重要。而在通常情況下，火電廠典型故障主要分為多個(gè)連續(xù)性的階段，且每一個(gè)階段都不盡相同，不僅現(xiàn)象復(fù)雜，且涉及的知識(shí)面還特別地廣，因此在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)注重和加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。另外，又由于火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還具有高溫高壓、熱工系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂以及安全性低，因此將理論知識(shí)與故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合于一起，可以幫助和引導(dǎo)學(xué)生更好地理解和掌握火電廠在實(shí)際運(yùn)行過程中的典型故障，以及故障處理的方法和流程，提高學(xué)生們對(duì)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用能力，從而向國家和社會(huì)培養(yǎng)一批應(yīng)用型專業(yè)人才。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀、特點(diǎn)與作用

2.1 火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

高校能源與動(dòng)力工程專業(yè)火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)架設(shè)計(jì)方向主要是以火電廠中的動(dòng)力設(shè)備、熱工系統(tǒng)為主要研究對(duì)象?？v觀當(dāng)前，由于火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)動(dòng)力設(shè)備價(jià)格高昂、占地面積大、能源消耗量大、實(shí)驗(yàn)成本高等以及火電廠在實(shí)際生產(chǎn)過程中不可間斷以及不可逆操作等的現(xiàn)實(shí)問題，使得高校中的學(xué)生很難獲得實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的運(yùn)用是十分不利的。

2.2 火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

一是經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。通過對(duì)火電廠現(xiàn)行故障虛擬仿實(shí)驗(yàn)，不僅引導(dǎo)學(xué)生在虛擬的環(huán)境中完成操作，還可以達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目標(biāo)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。另外，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)空間，且不會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力設(shè)備磨損、折舊、零部件更換等的問題，還可以反復(fù)地進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，真真實(shí)實(shí)地向?qū)W生還原了火電廠實(shí)際的生產(chǎn)過程，既滿足了教學(xué)目標(biāo)的要求，又節(jié)約了對(duì)能源的耗用，具有較大的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。

二是靈活性特點(diǎn)。通過對(duì)火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)學(xué)生實(shí)際的學(xué)習(xí)情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，靈活控制實(shí)驗(yàn)過程，并能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，構(gòu)架全新設(shè)計(jì)方案，或者也可以在原有的構(gòu)架設(shè)計(jì)方案上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，具有很強(qiáng)的靈活性特點(diǎn)。

2.3 火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的作用

火電廠典型故障虛擬仿真是高校能源與動(dòng)力工程專業(yè)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，另外，他還依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)信息以及網(wǎng)絡(luò)通信等的技術(shù)，向?qū)W生構(gòu)建高清的且仿真的試驗(yàn)環(huán)境和對(duì)象，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬的環(huán)境中完成試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)和達(dá)到教學(xué)大綱中所規(guī)定的教學(xué)效果和教學(xué)目標(biāo)。

3.火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要素應(yīng)用

3.1 火電廠仿真熱工系統(tǒng)的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要通過利用火電廠中的仿真熱工系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，通過這一仿真熱工系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1000 mw 超臨界火電機(jī)組1:1的全過程仿真，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)信息，模擬火電廠各個(gè)熱工系統(tǒng)、各個(gè)動(dòng)力設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行情況，將火電廠典型的故障和對(duì)故障處理的過程真實(shí)客觀地反映出來。但需要注意的是，實(shí)驗(yàn)中所使用的仿真熱工系統(tǒng)必須要能達(dá)到火電廠級(jí)別的仿真虛擬要求，并使用與實(shí)際火電機(jī)組相同控制面板的1:1全過程操作平臺(tái)，這樣才能實(shí)現(xiàn)學(xué)生與火電廠工作人員溝通與交流，幫助學(xué)生明確火電熱工系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和典型故障，了解各個(gè)熱工系統(tǒng)與各個(gè)動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，并結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，制定針對(duì)性的故障解決措施。

3.2 火電廠虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合火電廠真實(shí)的場景，通過三維動(dòng)畫方式將火電廠的生產(chǎn)場景真實(shí)地呈現(xiàn)在學(xué)生們面前。通過這種沉浸式的教學(xué)方式，可以幫助學(xué)生們生動(dòng)地了解火電廠的生產(chǎn)現(xiàn)場、工藝流程、故障發(fā)生的動(dòng)力設(shè)備以及生產(chǎn)現(xiàn)場的布局，學(xué)生們也可以在實(shí)驗(yàn)技能考核中準(zhǔn)確地指出故障發(fā)生的位置。

3.3 崗位技能考評(píng)的應(yīng)用

火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以將理論知識(shí)與行業(yè)資格考核要求有機(jī)地結(jié)合于一起，再通過實(shí)驗(yàn)操作過程、學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告這三個(gè)部分體現(xiàn)出來。其中，要將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能作為崗位技能考評(píng)的重點(diǎn)，比如學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作是否完成、仿真模擬實(shí)驗(yàn)是否實(shí)現(xiàn)等等。在這一考核過程中，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)某發(fā)電廠在崗人員考核要求，將每兩個(gè)學(xué)生分為一組進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別得出這兩位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作成績，同時(shí)引入該火電廠運(yùn)行人員崗位技能考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生的火電廠典型故障處理過程是否正確進(jìn)行全面的考核，在具體的評(píng)分過程中，根據(jù)火電廠的故障類型，詳細(xì)列出故障處理步驟，并對(duì)學(xué)生的操作行為予以客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。待實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，不僅需要學(xué)生能詳細(xì)地描述火電廠各個(gè)熱工系統(tǒng)和動(dòng)力設(shè)備的原理和故障現(xiàn)象，而且還需要學(xué)生能夠清晰明了地記錄實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)信息，正確分析火電廠典型故障發(fā)生的原因，判斷故障的處理步驟是否妥當(dāng)，分析典型故障發(fā)生后對(duì)火電廠正常運(yùn)行造成的不良影響。

3.4 火電廠操作票制度的應(yīng)用

在火電廠生產(chǎn)行業(yè)領(lǐng)域中，操作票是工作人員從事火電熱工系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備與熱工系統(tǒng)的書面命令，是防止操作人員操作失誤、保證其人身安全的重要措施之一。將操作票制度應(yīng)用到火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，可以清楚了解火電廠生產(chǎn)流程，保證各項(xiàng)任務(wù)可以達(dá)到和滿足相關(guān)要求，既可以幫助學(xué)生將理論運(yùn)用至實(shí)踐工作中，又可以為學(xué)生良好工作習(xí)慣的培養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.實(shí)驗(yàn)的構(gòu)架設(shè)計(jì)方案

4.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以火電廠內(nèi)職業(yè)崗位知識(shí)結(jié)構(gòu)和工作人員工作能力要求為出發(fā)點(diǎn)，圍繞真實(shí)火電廠實(shí)際的生產(chǎn)情況，選取其中一個(gè)典型的故障案例。同時(shí)，本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所選擇的熱工系統(tǒng)模型主要包括火電廠鍋爐模型、汽輪機(jī)模型、熱工控制模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠機(jī)組運(yùn)行的全過程仿真。通過仿真控制室的動(dòng)力設(shè)備，觀察操作人員實(shí)際的操作情況是否與機(jī)組的運(yùn)行情況相一致，綜合考慮教學(xué)的實(shí)際條件，實(shí)現(xiàn)更多的故障仿真。此外，在試驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)方面主要涉及的理論知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容包括以下兩方面：一是火電廠鍋爐和汽輪機(jī)的概念、類型以及故障處理應(yīng)當(dāng)遵循的原則。二是火電廠典型故障的現(xiàn)象、產(chǎn)生的原因以及故障排除的方法。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)步驟包括虛擬認(rèn)知、運(yùn)行操作、故障運(yùn)行仿真、故障分析、故障處理五個(gè)方面。每一個(gè)步驟又由若干個(gè)任務(wù)組成，所以不同故障仿真實(shí)驗(yàn)的步驟略有不同。

一是虛擬認(rèn)知。在實(shí)驗(yàn)開始之前設(shè)置火電廠機(jī)組虛擬漫游數(shù)據(jù)，合理規(guī)劃機(jī)組漫游路徑，進(jìn)行三維漫游模擬，了解火電廠熱力熱工系統(tǒng)的相關(guān)理論知識(shí)，熟悉火電廠動(dòng)力設(shè)備熱工系統(tǒng)布置情況，找出故障所在的部位，了解上下動(dòng)力設(shè)備熱工系統(tǒng)之間的關(guān)系和運(yùn)行過程。

二是運(yùn)行操作。熟悉和了解仿真模擬軟件操作界面，全面了解火電廠運(yùn)行情況，明確軟件操作方式，設(shè)置火電廠運(yùn)行操作參數(shù)，以此獲得穩(wěn)定值，將其保存為穩(wěn)定運(yùn)行工況。

三是故障運(yùn)行仿真。選擇準(zhǔn)備仿真的故障，設(shè)置故障參數(shù)，進(jìn)行典型故障模擬，確定火電廠動(dòng)力設(shè)備與熱工系統(tǒng)的運(yùn)行功率、壓力、流量以及溫度，認(rèn)真觀察并詳細(xì)記錄以上參數(shù)的變化過程，了解故障發(fā)展情況。另外，通過對(duì)參數(shù)的修改，確定控制熱工系統(tǒng)安全值，了解控制熱工系統(tǒng)在停機(jī)、跳閘等情況下的運(yùn)行狀態(tài)，研究這些運(yùn)行狀態(tài)對(duì)火電廠正常運(yùn)行所帶來的影響，進(jìn)而獲得故障發(fā)生的規(guī)律。

四是故障分析。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)畫面，呈現(xiàn)故障發(fā)生的動(dòng)力設(shè)備和熱工系統(tǒng)，確定故障發(fā)生的準(zhǔn)確位置，制定針對(duì)性的反故障措施，嚴(yán)格按照故障處理程序，設(shè)置熱工系統(tǒng)整定值和安全值，在仿真熱工系統(tǒng)上完成故障的處理。

五是故障處理。修改故障參數(shù)，重新啟動(dòng)程序，分析故障參數(shù)對(duì)火電廠正常運(yùn)行產(chǎn)生的影響，修改控制熱工系統(tǒng)整定值，分析整定值對(duì)火電廠工作人員人身安全造成的影響，修改火電廠控制熱工系統(tǒng)邏輯規(guī)律，再分析控制熱工系統(tǒng)對(duì)火電廠正常運(yùn)行帶來的影響，優(yōu)化和完善典型故障處理步驟，分析處理步驟對(duì)火電廠正常運(yùn)行帶來的影響。

5.結(jié)語

綜上所述，火電廠典型故障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)架設(shè)計(jì)分別借助國家工程實(shí)踐教育中心和上海能源實(shí)驗(yàn)教學(xué)成功經(jīng)驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)以及虛擬相結(jié)合的技術(shù)，根據(jù)火電廠實(shí)際生產(chǎn)情況，合理地解決了學(xué)生在企業(yè)實(shí)習(xí)過程中的種種難題。另外，出于對(duì)火電廠的安全考慮，新進(jìn)學(xué)生不能進(jìn)入現(xiàn)場實(shí)習(xí)、不能在故障現(xiàn)場學(xué)習(xí)、實(shí)習(xí)時(shí)間短等的現(xiàn)實(shí)問題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合火電廠實(shí)際生產(chǎn)情況，高校注重理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的一體性以及對(duì)學(xué)生實(shí)際操作能力的培養(yǎng)，根據(jù)故障類型布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，確保每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)步驟都能滿足火電廠實(shí)際要求。通過教師和學(xué)生的共同努力，不論是學(xué)生的理論知識(shí)掌握程度，還是對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作能力，都得到了充分的鍛煉。