“雙碳”背景下“燃氣輪機燃燒室”教學(xué)模式改革探索

摘" 要：“雙碳”背景下，能源與動力工程專業(yè)需結(jié)合國家需求進行教學(xué)模式改革，“燃氣輪機燃燒室”作為能源動力相關(guān)專業(yè)重要課程，目前的教育方式已難以滿足國家低碳發(fā)展戰(zhàn)略需求。通過研究“雙碳”及“低排放”背景下的國內(nèi)外行業(yè)現(xiàn)狀、現(xiàn)有基礎(chǔ)配置、國家政策方向及課程改革效益，發(fā)現(xiàn)“燃氣輪機燃燒室”課程教學(xué)模式改革可行性強，對低碳社會的發(fā)展有著重要意義。但從以往教學(xué)過程來看，先修課程掌握不足、教學(xué)內(nèi)容缺少動態(tài)調(diào)整機制及實踐教學(xué)薄弱是阻礙本門課程對接“雙碳”戰(zhàn)略的主要因素。文章結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域前沿研究調(diào)研、以往教學(xué)經(jīng)驗及現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，提出了“燃氣輪機燃燒室”教學(xué)模式改革的重要方法，“燃氣輪機燃燒室”課程的改革將助力我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：“雙碳”；燃氣輪機燃燒室；先修課程；動態(tài)調(diào)整機制

中圖分類號：G521" "文獻標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）05-0081-04

基金項目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項目“國家‘雙碳’目標(biāo)需求的《燃氣輪機燃燒室》教學(xué)改革探索”（項目編號：JG2021B0303）。

作者簡介：劉瀟（1988—），男，博士，哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院副教授，研究方向為燃氣輪機燃燒室設(shè)計；楊洪磊（1984—），男 ，博士，哈爾濱工程大學(xué)動力能源工程學(xué)院講師，研究方向為船舶動力系統(tǒng)、能源高效利用；楊仁（1985—），博士，男，哈爾濱工程大學(xué)動力能源工程學(xué)院講師，研究方向為燃氣輪機先進循環(huán)總體性能分析；鄧福泉（1988—）， 男， 博士，哈爾濱工程大學(xué)動力能源工程學(xué)院講師，研究方向為燃氣輪機燃燒組織；顏世林（1987—）， 男，博士，哈爾濱工程大學(xué)動力能源工程學(xué)院講師，研究方向為等離子體強化輔助燃燒。

作為全球最大的能源生產(chǎn)國和消費國，中國提出力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和的國家重大戰(zhàn)略目標(biāo)。當(dāng)前，化石能源在中國能源結(jié)構(gòu)中仍占主要地位，要實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，需要從思想觀念、技術(shù)方法等方面進行同步改革。高校關(guān)于人才的培養(yǎng)、學(xué)科的設(shè)置、科學(xué)的研究，都離不開關(guān)于如何服務(wù)國家重大戰(zhàn)略和地方經(jīng)濟社會發(fā)展的思考，在“雙碳”背景下，能源與動力工程專業(yè)承擔(dān)著相關(guān)人才培養(yǎng)的重要責(zé)任，專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)不斷根據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展需求，主動與區(qū)域經(jīng)濟社會緊密相連，與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)深度融合，增強服務(wù)國家、服務(wù)社會、服務(wù)人民的能力。燃氣輪機作為能源及國防領(lǐng)域戰(zhàn)略性裝備，被譽為“裝備制造業(yè)皇冠上的明珠”，燃燒室作為燃氣輪機組織燃燒的場所，碳排放與燃燒室性能息息相關(guān)。而目前該課程缺少“雙碳”目標(biāo)和“低排放”政策下的新型燃燒技術(shù)、氫氣/氨氣燃料燃燒基本特性、先進燃燒室設(shè)計等內(nèi)容，缺少動態(tài)調(diào)整機制。如從無碳能源本身來看就包括多門新學(xué)科，如氫能從制備到應(yīng)用的全過程，原有的教學(xué)內(nèi)容幾乎不涉及氫的制、儲、運及CCUS等相關(guān)技術(shù)。在此背景下，能源與動力工程專業(yè)應(yīng)順應(yīng)國家發(fā)展趨勢，把握好“新工科”政策的內(nèi)涵，加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程技術(shù)人才培養(yǎng)，改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域人才培養(yǎng)［1］。

一、燃氣輪機燃燒室知識培養(yǎng)

（一）課程概況

“燃氣輪機燃燒室”作為一門年輕的、多學(xué)科交叉的課程，涉及進氣、組織燃燒、冷卻、污染物控制等內(nèi)容，本課程對基礎(chǔ)知識的儲備有著極高的要求，先修課除了燃料與燃燒、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)等多門專業(yè)基礎(chǔ)課，還包括大學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)課程。“雙碳”背景下，本門課程所涉及的學(xué)科領(lǐng)域還在不斷拓寬，因此“燃氣輪機燃燒室”是該領(lǐng)域本科階段所有專業(yè)理論課程中的高端課程。由于本門課需要大量的理論知識積累，所以大多開設(shè)在本科第7學(xué)期。

（二）雙碳背景下的行業(yè)背景

為達成《巴黎協(xié)定》制定的氣候目標(biāo)，各國需在2025年前達到全球溫室氣體排放峰值，并在2030年之前比2019年碳排放減少43%。零碳能源是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要選擇，國際能源機構(gòu)（IEA）在“氫的未來”白皮書中指出氫將在清潔能源轉(zhuǎn)型中起到重要作用［2］。國家發(fā)改委和能源局發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》和《能源技術(shù)革命重點創(chuàng)新行動路線圖》已將氫能納入未來重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)。近年，我國對清潔燃料的重視程度日益提高，僅2023年1月，國內(nèi)31個省市提出關(guān)于氫能源的政策就多達30余條。但常規(guī)燃氣輪機燃燒室可摻氫比例極低，不能有效降低碳排放，因此研究新型燃燒室是解決這一問題的重要手段。目前，國外燃機廠商如通用電氣、三菱日立、川崎重工及安薩爾多公司等都研發(fā)出了自己的純氫燃燒室，如圖1為四家廠商的純氫燃燒室。而我國作為世界第一制造大國，尚未研發(fā)出能投入運營的純氫燃燒室。

2022年國家能源局和發(fā)改委聯(lián)合印發(fā)《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》強調(diào)加大關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)力度，拓寬氫燃料應(yīng)用領(lǐng)域。要實現(xiàn)低碳排放，離不開相關(guān)技術(shù)的支持，教育與實際應(yīng)用貼合較差是阻礙我國新“雙碳”背景下低排放燃氣輪機燃燒室發(fā)展的重要因素，從高校教育抓起是解決這一問題的關(guān)鍵。

（三）教學(xué)模式改革的必然性

本課程作為基礎(chǔ)理論與工程實際相結(jié)合的發(fā)動機專業(yè)課程。教學(xué)效果不僅關(guān)乎學(xué)生后續(xù)的深造，更是對國家相關(guān)技術(shù)的發(fā)展起著戰(zhàn)略支撐的作用。但大多數(shù)已開設(shè)該課程的院校，現(xiàn)有的教學(xué)布置難以讓學(xué)生積累足夠的知識學(xué)習(xí)本門課程，該課程與實際工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，燃燒室更新迭代速度較快，需要不斷更新知識以便滿足“低排放”及“雙碳”背景下的人才需求。

二、教學(xué)模式改革的可行性

（一）基礎(chǔ)設(shè)施

高等教育需要實際基礎(chǔ)與教學(xué)模式改革相結(jié)合，而這一點往往需要依靠當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對教學(xué)模式改革所在地——黑龍江省，目前已具備“燃氣輪機燃燒室”課程教學(xué)模式改革相關(guān)條件，如本省擁有研發(fā)、生產(chǎn)、銷售“三位一體”經(jīng)營模式的中小型燃氣輪機基地。為滿足我國國防及能源領(lǐng)域的需求，黑龍江省計劃在未來5—15年內(nèi)形成覆蓋5MW～50MW功率范圍的九大類燃氣輪機系列。我國高校通過“新工科”建設(shè)，樹立了培養(yǎng)造就一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、動態(tài)適應(yīng)能力、高素質(zhì)的各類交叉復(fù)合型卓越工程科技人才的新目標(biāo)，在相關(guān)領(lǐng)域也已經(jīng)積累了部分前沿基礎(chǔ)知識。

（二）重要推動力

高等教育受國家戰(zhàn)略、經(jīng)濟社會需求、行業(yè)需求及院校辦學(xué)特色等多方面影響。中國發(fā)改委、能源局印發(fā)的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》中強調(diào)開展氫燃氣輪機穩(wěn)燃技術(shù)以及低NOx燃燒室設(shè)計，致力研究可靠的氫燃氣輪機。在“雙碳”政策、眾多燃機領(lǐng)域相關(guān)政策的推動下，“燃氣輪機燃燒室”課程教學(xué)模式改革有足夠的政策支持。除此之外，高校相關(guān)計劃的提出也是教學(xué)模式改革的重要驅(qū)動力，如哈爾濱工程大學(xué)“龍江工程師學(xué)院”密切聚焦制造企業(yè)技術(shù)與人才需求，響應(yīng)國家政策致力于高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)、高端智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在這一背景下，“燃氣輪機燃燒室”課程教學(xué)模式改革將持續(xù)獲得強大前進動力。

（三）目標(biāo)效益

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速、產(chǎn)品換代時間極快，社會對掌握新興技術(shù)人才的需求愈加強烈，而傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式與社會發(fā)展存在脫節(jié)，這導(dǎo)致企業(yè)需求與高校人才供給的關(guān)系常常處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，高校畢業(yè)生又難以就業(yè)，針對社會需求進行教學(xué)模式改革可改善高校與社會之間的供需關(guān)系。在“雙碳”背景下，針對無碳燃料（如氫）對“燃氣輪機燃燒室”課程進行教學(xué)模式改革，能較快地帶來社會效益，如我國國家電投荊門綠動能源有限公司采用西門子的SGT-800燃氣輪機，在30%摻氫比下每年可減少1.8萬噸二氧化碳排放量。

三、“雙碳”背景下教學(xué)模式改革的方向及策略

（一）當(dāng)今教育模式中的瑕疵

“燃氣輪機燃燒室”課程由于應(yīng)用性較強、涉及學(xué)科領(lǐng)域廣泛，并且該領(lǐng)域技術(shù)更新速度較快，在授課中教師還面臨著若干問題，主要包括以下幾點：

第一，先修課程掌握不足?！叭細廨啓C燃燒室”課程的前導(dǎo)課程較多，尤其是對“燃料與燃燒”“傳熱學(xué)”“工程熱力學(xué)”“流體力學(xué)”等課程的掌握程度，直接影響本門課程的教學(xué)效果。

第二，教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)老化，缺少動態(tài)調(diào)整機制。在“雙碳”“低排放”背景下，該課程對氫、氨等無碳燃料的論述仍幾乎為零，課程內(nèi)容調(diào)整速度較慢，對如何將“雙碳”有機融入相關(guān)人才培養(yǎng)活動沒有形成固定體系。

第三，實踐教學(xué)薄弱，缺乏創(chuàng)新力培養(yǎng)。在實際教學(xué)過程中，受實驗條件等因素限制，這一點常常被忽略。

（二）教學(xué)模式改革之道

“燃氣輪機燃燒室”教學(xué)模式的改革探索的開展主要包括以下幾點：課程互動貫穿化；教學(xué)內(nèi)容調(diào)整動態(tài)化；實驗實踐及創(chuàng)新化。本研究通過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)研究并結(jié)合以往教學(xué)經(jīng)驗，對“燃氣輪機燃燒室”課程授課過程所遇到的問題提出解決方案。

1. 針對先修課程掌握不足的問題

天津大學(xué)劉雪玲等人認(rèn)為我國能源與動力工程專業(yè)培養(yǎng)計劃中課程教學(xué)的順序應(yīng)為流體力學(xué)—熱力學(xué)—傳熱學(xué)—燃燒學(xué)［3］，但很多學(xué)校將流體力學(xué)與熱力學(xué)以及傳熱學(xué)與燃燒學(xué)安排在同一學(xué)期，由此會出現(xiàn)一些問題，比如將傳熱學(xué)與燃燒學(xué)安排在同一學(xué)期，由于燃燒學(xué)中需要大量的傳熱學(xué)理論與知識，加之這兩門課程在講授內(nèi)容進度上的差異，學(xué)生在學(xué)習(xí)燃燒學(xué)課程時，對其中所涉及的傳熱學(xué)內(nèi)容不了解或認(rèn)識不深入，會造成學(xué)習(xí)的困難。同樣，雖然流體力學(xué)與熱力學(xué)在課程內(nèi)容上的關(guān)聯(lián)度較小，但這兩門課程均具有抽象性、概念性強的特點，加之流體力學(xué)對數(shù)學(xué)的要求又很高，將其安排在同一學(xué)期，會使部分學(xué)生感覺學(xué)習(xí)壓力很大，影響教學(xué)效果。由于“燃氣輪機燃燒室”課程具有復(fù)雜性及多學(xué)科交叉性的特點，在安排課程學(xué)習(xí)時，應(yīng)當(dāng)兼顧課程特點、課程難度、課程內(nèi)容銜接等具體情況，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域研究及以往教學(xué)經(jīng)驗，根據(jù)圖2對教學(xué)順序進行調(diào)整。

除此之外，應(yīng)用新興技術(shù)也是提高教學(xué)效率的重要手段，運用MOOC、SPOC、微課等新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建適合可持續(xù)學(xué)習(xí)的線上學(xué)習(xí)平臺，讓學(xué)生有足夠條件提前自主復(fù)習(xí)相關(guān)知識。

2. 針對教學(xué)內(nèi)容缺乏動態(tài)調(diào)整的問題

哈爾濱工程大學(xué)周松等人認(rèn)為“燃料與燃燒”課程除基礎(chǔ)理論部分外，工程應(yīng)用部分教學(xué)內(nèi)容更新快［4］。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，燃燒技術(shù)不斷進步，燃料及燃燒裝置不斷推陳出新，相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容也需不斷更新，這要求授課教師有堅實和廣闊的理論基礎(chǔ)，掌握國內(nèi)外燃燒理論和技術(shù)的最新發(fā)展。在教學(xué)過程中應(yīng)適時對一些最新的燃燒技術(shù)和燃燒理論的發(fā)展動態(tài)進行介紹，并增添與“雙碳”相關(guān)的通識內(nèi)容，積極引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)負碳、零碳、低碳及脫碳知識，樹立綠色低碳觀念，真正讓“雙碳”融入課堂中。還需將當(dāng)代燃燒學(xué)發(fā)展過程中的新成就、新思想和新發(fā)展及時傳授給學(xué)生，不斷開拓學(xué)生的視野。“燃氣輪機燃燒室”課程應(yīng)系統(tǒng)性闡述燃氣輪機在使用天然氣、氫或氨燃料時的不同燃燒特點（絕熱火焰溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最小點火能力、點火延遲時間、貧燃熄火極限等基礎(chǔ)燃燒特性）、核心技術(shù)瓶頸（分級分區(qū)燃燒組織方法、天然氣燃燒穩(wěn)定性、氫氣防回火技術(shù)、氨氣低NOx排放機理等）、國外技術(shù)現(xiàn)狀及規(guī)劃（現(xiàn)有技術(shù)手段和相關(guān)政策法規(guī)）、示范應(yīng)用（成熟可靠的技術(shù)應(yīng)用）內(nèi)容，除此之外，學(xué)生還需提升對清潔燃料的了解程度。

3. 針對實踐教學(xué)薄弱的問題

中國礦業(yè)大學(xué)李慶釗［5］等人進行了專業(yè)課理論與實驗教學(xué)創(chuàng)新方面的探索與實踐，通過對“燃燒學(xué)”理論知識點進行有效分類，有針對性地設(shè)計綜合性實驗內(nèi)容，將理論知識與實踐融會貫通，實踐證明，理論與實驗融合式教學(xué)通過合理設(shè)計創(chuàng)新實驗課題，將理論知識講授、測試方法學(xué)習(xí)、儀器裝置操作融入整個教學(xué)的全過程，有效激發(fā)了學(xué)生在專業(yè)課程教學(xué)活動中的自主能動性，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)與科研能力。此外，高等教育需要從教育理念上進行變革，但是當(dāng)前我國教育模式大多還處于過去的工業(yè)革命時代，主要理念仍以提高生產(chǎn)效率為主，采用以STEM（科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)）教育為核心的人才培養(yǎng)模式，但在生態(tài)文明方面的重視程度還有待提高?！半p碳”背景下，中國教育部提出“實施面向全員的新發(fā)展理念和生態(tài)文明責(zé)任教育”，燃氣輪機燃燒室課程的教學(xué)需加強學(xué)生對低碳生態(tài)文明理念的理解，摒棄傳統(tǒng)工科學(xué)習(xí)模式中的糟粕，改變對“雙碳”背景下工科專業(yè)的認(rèn)識［6-8］。

四、結(jié)語

結(jié)合“雙碳”及“低排放”背景對“燃氣輪機燃燒室”教學(xué)模式的改革進行探索，結(jié)果表明在現(xiàn)有條件下，相關(guān)課程改革的可行性強，有較高的社會效益。針對現(xiàn)有問題，“燃氣輪機燃燒室”教學(xué)模式改革主要從課程互動貫穿化、教學(xué)內(nèi)容調(diào)整動態(tài)化、實驗實踐及創(chuàng)新化方向出發(fā)。

針對先修課程內(nèi)容較多問題，從各學(xué)科課程特點、難度及內(nèi)容銜接關(guān)系出發(fā)，合理安排課程順序，加強學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對知識的融會貫通，并結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為學(xué)生搭建可持續(xù)學(xué)習(xí)平臺。

針對教學(xué)內(nèi)容動態(tài)化調(diào)整問題，“雙碳”背景下課程內(nèi)容更新較快，應(yīng)向?qū)W生講述當(dāng)前背景下需要關(guān)注的重要燃料燃燒特性及最新燃燒技術(shù)，除此之外，清潔燃料的生產(chǎn)、儲運基本過程及燃料性質(zhì)也是不能忽視的內(nèi)容。

針對實踐環(huán)節(jié)薄弱問題，在保證安全的條件下，學(xué)生應(yīng)當(dāng)具有獨立操作實驗的機會，在實驗中加深對理論知識的理解、記憶。

參考文獻：

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（責(zé)任編輯：汪旦旦）