能源动力类专业虚拟仿真实验设计与实践_能源与动力

能源动力类专业虚拟仿真实验设计与实践

虚拟仿真实验教学［1］是高等教育信息化建设和实验 教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度 融合的产物。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人 机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实 验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学 大纲所要求的教学效果。根据教育部“关于开展国家级虚拟 仿真实验教学中心建设工作的通知”教高司函［2013］94号文件的精神，虚拟仿真教学将成为全面提高高校学生创新精 神和实践能力的主要抓手，以培养学生综合设计和创新能力 为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、 仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，可以提 高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容。

一、虚拟仿真实验体系设计 贵州大学能动专业按照学生的成长轨迹和专业培养计 划实施进程，以促进学生综合实践能力和创新技能为目标， 经过多年教学改革研究［2-3］，形成了“一个核心、两个 重点、三个支撑”的虚拟仿真实验教学建设思路，构建了由 互联网环境的在线虚拟仿真实验教学平台和局域网环境的 火电机组仿真培训及开发实验教学平台组成的能源与动力 工程专业虚拟仿真教学体系，并形成了四个层次的虚拟仿真 实验教学手段，如图1所示。

如图1所示，入门认知级虚拟仿真实验主要侧重在给低 年级学生建立专业知识结构体系，如火电站三维漫游实验、 火电厂CAI交互实验和参观火电机组物理模型认识实验等， 设备实践级虚拟仿真实验是在专业基础课和专业课理论教 学中，利用多媒体教学工具，对典型装置结构原理、工艺流 程和实验装置等进行仿真模拟，并以课程实验和独立设课实 验方式加强学生的学习内容理解和实践能力培养；
系统实践 级虚拟仿真实验以火电生产、电网运行全过程为仿真对象， 对涵盖主要动力设备、辅助生产系统、控制系统等的热力系统进行启停操作、运行特性分析及事故处理等仿真实践，全 面提高学生的理论知识掌握能力和专业实践能力；
创新实践 级虚拟仿真实验以中心现有的设备资源在大学生项目、学科 竞赛和毕业设计中自主设计综合性虚拟仿真实验系统，以培 养拔尖创新人才为目标。

四层次虚拟仿真实验教学内容及培养对象如图2所示。

二、虚拟仿真实验建设特点 （一）形成了“一个核心、两个重点、三个支撑”的火 力发电全过程虚拟仿真实验教学中心建设思路 一个核心是指以强化本科学生的自主创新实践能力为 实验教学核心；
两个重点是指重点打造互联网环境的火力发 电全过程在线虚拟仿真实验教学平台和局域网环境的火电 机组仿真培训及开发实验教学平台；
三个支撑是指构建多层 次虚拟仿真实验教学体系、区域性虚拟仿真实验共享体系和 良性循环的虚拟仿真实验教学管理与保障体系。

（二）涵盖了电力行业 “发－输－配－用”全过程仿 真 以火力发电全过程中的能量转换及电气系统为主线，基 于支撑专业的四层次实验教学资源体系，整合火电厂过程仿 真实验室、电网输送配置仿真实验室半实物仿真控制实验室、 美国NI虚拟仪器LabView实验室等仿真教学资源，建成了资 源共享的火力发电全过程虚拟仿真实验教学资源体系，满足 了能源动力、电气和控制类本科生人才培养的需要。（三）构建了四层次耦合的虚拟仿真实验教学体系 充分发展多学科人才、设备、方向间的相叉性，构建了 以火力发电过程为主线、辅以电网运行、先进测量技术及控 制系统的四层次虚拟仿真实验教学体系，即以专业系统了解 为目标的入门认知级虚拟仿真实验，以理解装置原理、经典 理论和控制策略为目标的设备实践级虚拟仿真实验，以掌握 电力生产、运行全过程操作为目标的虚拟仿真实验和以培养 学生创新实践能力的系统实践级虚拟仿真实验和以增强学 生自主实验意识的创新实践级虚拟仿真实验。

（四）明确了引进与自主开发并重，科研与教学相结合 的可持续发展理念 在成熟的平面仿真平台基础上，引进了当前最先进的3D 虚拟工厂仿真教学软件，实现了现场环境下的电力生产全能 值班操作和设备检修的多岗位模拟操作训练；
同时依托仿真 开发平台，开发一批与专业课程联系紧密的虚拟仿真教学软 件［4-5］，强化了科研和教学的紧密联系，使学生具备学 习、应用知识的能力和创新能力；
与行业单位及专家合作开 发了节能型工业锅炉仿真培训系统，不仅能很好满足本科生 培养的需要，也对相关领域进行科研的教师提供了一个优秀 的科研开发平台。

（五）实现了校内、行业、兄弟院校的远程网络仿真培 训 中心通过在管理体制机制上的创新实现了重点实验向校内及兄弟院校的本科生全面开放；
同时还与省内五大发电 集团仿真中心合作，通过仿真机组资源互补、培训教师互补、 合办仿真机竞赛等方式，切实有效提高虚拟仿真教学手段在 能动专业人才培养和课程教学质量。

三、典型虚拟仿真实验应用 （一）火电机组全工况仿真 实验工程背景：作为高危、不可及、无法进行真实实验 的火电机组运行操作，运行人员须进行专项仿真机培训合格 才具备上岗资格。

本实验以300MW燃煤机组为对象，进行单元机组冷态滑 参数启动仿真实验，火电机组仿真系统以成熟的数学模型为 基础，以设备的设计数据为依据，实现对机组的机、炉、电、 控各系统实现全范围、全过程的仿真，对CCS、SCS、DEH、 FSSS、DAS等系统CRT中显示的所有内容、主控室监视控制的 所有设备均进行仿真，并包括集控室外的启停和故障处理中 必要的就地操作。

实验原理：火电机组仿真系统已经基于某一实际机组的 系统组成、设备特点、运行特性建成，主要用于能源与动力 工程专业、电气工程专业和控制工程专业本科学生的仿真学 习，学生在多种工况下启动、停机和正常运行的监视操作， 提供正确的故障和事故现象，以培养学生正确初步建立判断， 处理各种故障的应急能力。

主要实验流程包括：A启动润滑油系统、密封油系统运行。

B发电机充氢。

C投入循环水系统、开式水系统，闭式系统运行。

D投入发电机内冷水系统。

F向凝汽器、除氧器上水。

G开启除氧器再循环泵，投入除氧器加热。

H锅炉上水。

I启动顶轴油泵，投入汽机盘车运行。

J启动空预器，引风机、送风机运行，锅炉进行吹扫。

K点火条件满足后，投入油枪。

L启动一套制粉系统运行。

M启动高压启动油泵，机组挂闸 N汽机冲转 O 14机组并网 P升负荷 Q自动运行，并可投入机炉协调控制方式运行。

R投入“AGC”方式运行。

S至满负荷 通过以上实验，学生可以得到如下锻炼：
A使学生进一步加深对机组主辅设备、系统的组成原理 和运行特性的认识和理解，掌握机组自动控制系统的功能， 组成原理，与操作使用方法。

B通过实际操作，对现代大型火力发电机组的运行方式有深刻的认识。同时对火电机组仿真技术有一定的了解。

C通过该环节的实施，对毕业实习中学生不能动手实际 操作的缺陷加以弥补，使学生的实际动手能力得以加强。全 面提升学生的专业综合素质，缩短学生毕业后进入工作岗位 的适应期。

D了解了教材内容较少涉及的一些知识点，如油系统、 压缩空气系统、吹灰系统、除渣系统等。

（二）锅炉送风系统仿真实验 实验工程背景：送风系统是火电机组关键系统之一，在 电力生产过程中，燃料燃烧的空气由送风系统提供，由于机 组负荷、煤质等因素变化，为保证锅炉燃烧效率，应通过送 风系统及时改变送风量，本实验项目以某125MW火电机组送 风系统为对象，采用SimuWorks开发平台为仿真工具自行设 计及开发了锅炉送风系统仿真实验，其开发流程如图3所示。

SimuEngine仿真引擎提供了一个高速的网络实时数据 库，可以实现多个模型的分布式计算、动态数据显示与在线 数据修改，可以满足大型实时仿真系统的开发和运行的需要 SimuBuilder提供了一个通用性强、开放性好、能够用 于实时仿真领域的图形化自动建模环境，如空气预热器、送 风机、管道、阀门、控制组件等模块，在实际运行数据基础 上建立各模块的输入输出特性。

主要实验流程包括：
A启动SimuEngine仿真引擎B启动SimuBuilder组态工具 C根据实际运行数据进行模块预处理 D在线调试 通过以上实验，学生可以得到如下锻炼：
A了解火电厂DCS控制系统的组态原理；

B了解空气预热器、送风机、管道、阀门、控制组件等 模块的动态响应特性 C在调试过程中观察不同负荷运行数据对送风系统输出 特性的影响 D不同PID整定参数对送风系统自动调节特性的影响。

四、结论 能源与动力专业对实践能力要求极高，在有限的教学实 践环节有效提高实践能力培养质量，采用虚拟仿真实验方式 是较好的辅助手段，根据本校能动专业培养目标、人才培养 定位和实验平台，以“一个核心、两个重点、三个支撑”为 虚拟仿真实验教学建设思路，构建了包括入门认知级、设备 实践级、系统实践级和创新实践级的四层次虚拟仿真实验教 学内容，并在实践教学和理论教学环节中实施，取得了较好 的学习效果。

参考文献：
［1］翟永杰 ，纪蓬勃 ，王秀梅 ，马进 ，马良玉.电 力工程全过程虚拟仿真实验教学中心建设［J］.实验技术与 管理，2014（ 08）：
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