应用型高校热动专业仿真实习课程教学改革和实践

摘要：火电仿真能够将火电厂生产过程在实验室里重现，火电仿真教学是电厂热能动力专业人才培养的重要环节。要充分认识到火电仿真技术在热动专业人才培养中的重要性，并依托仿真技术优势，加强仿真实习教学改革和课程建设，培养出适合现代火电技术发展的高端应用型人才。

关键词：仿真教学；热动专业；应用型

作者简介：张中林（1977-），男，江苏扬州人，南京工程学院电力仿真与控制工程中心，讲师，中国电力企业联合会热动专业高级指导教师。（江苏南京210014）

基金项目：本文系2011年南京工程学院基金项目（项目编号：QKJ2011027）的研究成果。

中图分类号：G642.44     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）10-0107-03

热能动力工程专业是南京工程学院传统优势专业之一，创建于1958年，在长达50年的办学历史中为火电行业输送了大批优秀人才。热能动力工程专业被评为江苏省普通高校特色专业和品牌专业。1993年，为了加强专业实践教学成立了电力仿真与控制工程中心，主要承担热能动力专业及相关专业学生实践教学、电力行业火电机组运行值班员技能培训及技能鉴定、科学研究等任务。经过近20年的发展，中心已经开发了近50套仿真装置，包括不同容量、不同参数、不同类型DCS控制系统的火电机组仿真软件。南京工程学院热能动力专业在仿真实践课程建设上有着其他同类型高校不可比拟的优势，虽然其他院校也建有仿真实验室，但软硬件往往跟不上电力技术发展，系统过于陈旧。目前，600MW及1000MW超临界机组已经成为国内主力发电机组，然而有些院校还在使用亚临界汽包炉作为仿真培训装置，这就造成教学与实践环节的脱节，不能够培养出适应市场需要的合格人才。本文就如何发挥南京工程学院在火电仿真上的技术优势，加强仿真实习课程建设，进一步促进热能动力工程专业发展，培养具有丰富实践能力的应用型人才进行探讨。

一、火电仿真教学介绍

热能动力工程专业主要是面向火力发电厂培养集控值班员、巡检员和检修人员。理论课程主要包括工程热力学、流体力学、传热学等专业基础课及锅炉原理、汽机原理、热力发电厂、发电厂电气、自动控制原理、发电厂动力设备等专业课。理论教学是专业人才培养中非常重要的环节，专业技术人才掌握扎实的理论知识，对于提高专业素质和专业技能起着决定性作用。随着国内火电装机容量迅速增长，迫切需要一大批有着熟练技能的值班员和检修人员，但是高校毕业生往往注重掌握理论知识，实践知识不足，这就造成毕业生与就业市场脱节。为此，火电厂需要花费大量的时间和精力用于毕业生的培训，由于在生产现场一般不具备培训条件，需要委托其他单位进行，消耗大量的人力和物力。鉴于这种情况，要求高校加强学生实践环节的教学，缩短用人单位人才培养周期，适应用人单位对人才的需求。

随着火电机组自动化程度的逐步提高，火电机组可靠性和安全性都得到大幅提高，运行值班员现场操作和事故处理的机会也越来越少。对于新就业的大学生来说，为了安全起见，往往没有机会接触到机组的各种操作和事故处理，造成了人才培养上的瓶颈，开发出高精度全范围火电机组仿真系统是解决这一瓶颈的有效途径。仿真机可以实现对火力发电厂全过程仿真，能精确模拟出机组各种工况条件下的动静态特性及趋势，可进行各种条件下的机组启动、停机、运行操作、各种试验、故障处理、反事故演习、控制系统组态分析及参数优化整定。利用仿真装置对热能动力专业学生进行毕业前岗前培训，提高快、培养周期短，能够使学生提前掌握实际生产过程中机组运行和事故处理技能。火力发电仿真实习课程是一门专业性很强的教学课程，担负着培养学生操作技能、综合分析能力和事故处理能力的重要任务，仿真实习课程在热动专业实践环节教学中具有不可替代的作用。

二、火电仿真在热动专业教学中的优势

热动专业是一门实践性很强的专业，专业知识非常抽象和具体，专业对象是火力发电厂的热力设备和控制系统。火电仿真技术通过建立火力发电厂热力系统和控制系统数学模型，所建立的数学模型包含了热动专业的所有知识。通过仿真学习，学生不仅能够学到丰富的现场操作知识，还能巩固专业基础知识，并将专业知识与实践技能应用结合在一起，提高了学生的学习兴趣和学习效果。火电仿真教学在热动专业人才培养上主要有几方面的优势。

1.仿真精度高、范围广，能实现与现场1:1全范围仿真

随着仿真技术的不断进步和发展，仿真系统越来越多地采用虚拟DPU技术。虚拟DPU技术就是提供一个软件环境能够直接运行现场的组态文件，操作画面、报警画面、操作手法均与集控室一致。DCS组态采用与现场一样的组态文件，控制逻辑和控制特性与现场完全一致，能够实现现场机组所有的保护、联锁及参数调节特性。

在仿真机房的布置上，操作员站、工程师站、光子牌、硬手操及声光报警系统均与实际集控室一致。对于仿真机无法实现的就地操作，采用计算机模拟的方法实现，一般是通过现场取景，然后再经过图像处理，使得就地操作能够还原现场的实景，让学员能够身临其境，达到更好的学习效果。

2.仿真机型多，能够满足各种学生的需求

南京工程学院仿真中心装有15MW、125MW、300MW、600MW、1000MW等各种容量等级及各种型号的仿真装置，包括小容量母管制机组和大容量单元制机组、亚临界自然循环锅炉机组和控制循环锅炉机组、超临界和超超临界机组、仓储式和直吹式制粉系统机组、煤粉炉、循环流化床锅炉、垃圾焚烧炉和生物质锅炉机组等。DCS控制系统软件包括了国内使用的所有DCS系统，包括Ovation、西门子T3000、ABB、Foxbro I/A、EDPF、XDPS、和利时、MaxDNA、TCS3000等系统。学生可以根据所学专业方向、就业去向和用人单位的需求选择合适的仿真系统进行学习。中心的仿真装置包含了任何机组类型和任何DCS操作系统，为热动专业学生专业技能的培养提供了强有力的技术支持，取得了非常好的效果，这同时也是南京工程学院热动专业学生广受用人单位好评的原因之一。

3.功能分组，确保每个学生的实习时间和质量

传统的仿真机只能运行一个工况点，同一套仿真系统内操作相互影响，由于学生数量较多和实习时间有限，若想达到较好的实习效果往往是不可能的。学生缺乏现场值班员的操作经验，并不能像值班员那样做到统一指挥和协同操作，甚至因为无法配合，造成实习效果不佳。实践表明，如果学生同时上机人数多于4人的话，实习效果就相当不理想。所以面向火电厂值班员开发的仿真系统并不适合高等院校热动专业的学生培养，完成不了实习课程的课程目标，达不到课程实习效果。针对这一现象，为了适应仿真实习课程的需要，中心对仿真系统进行了改造，推出了单机版和组合版系统。对于一些火电厂常规基本操作，例如电气冷态送电、辅助系统操作、锅炉点火、汽机冲转、磨煤机启动等要求每个学生必须掌握，这时就采用单机版教学形式。单机版就是每台微机装有一套独立的仿真系统，每个学生都有一台微机，学生和学生之间的操作相互不影响，所有学生都必须独立完成操作任务，任课教师可以监视每个学生的操作过程和操作结果，经单独考核合格后获得实习成绩。采用单机版的模式有效解决了仿真系统资源与学生人数众多的矛盾，同时也确保了课程质量，培养了学生独立自主的操作能力。对于事故处理部分，需要多人配合操作，此时将仿真系统切换至组合模式，组合模式一般由3至4台微机组成，可以同时分成好几组，学生按照电厂的岗位职能分成几个值，设值长、主值、副值等岗位，岗位之间相互轮换，事故处理的操作以值为单位进行训练和考核，这样不仅能够培养学生配合操作的能力，也能使学生提前进入到工作角色中去。通过技术革新，确保了学生既有足够的单独操作时间也训练了团队协作精神，使学生能够尽快融入实际的生产过程中去，这与学校应用型人才的培养模式和培养目标高度一致。

4.仿真精度高，能实现火电厂所有过程

火电仿真装置是面向火力发电厂生产过程的全范围仿真，锅炉、汽机、电气和热控系统具有一个完整、严格、精确的数学模型，能实现机组启动、正常运行及停机的全过程，学生能在仿真机上按照生产实际中的操作步骤及操作票进行机组启停和事故处理。仿真机事故类型可分为两类，一类是任课教师人为加入的事故，另外一类是由于学生操作不当而引起的事故，这就要求学生在仿真机操作过程中严格遵守操作方法和操作步骤，否则就会造成事故的发生。仿真系统的精度是仿真系统的关键指标，中心开发的仿真系统精度无论是静态精度还是动态精度都完全达到火电仿真系统国家标准。学生在仿真机操作过程中，对系统参数的感知能做到与现场一致，学生能够获得和现场一样的系统认知和操作手感。

火电仿真机的另外一个优势就是允许学生有一些试验性操作，甚至是误操作。在生产现场，如果发生误操作往往会造成人身伤害或者设备损害，为了机组的安全运行，初学者难有动手操作机会，这就给初学者培养带来很多困难。在仿真系统上，学生可以获得更多的操作空间，可以进行很多试验性操作，若一旦发生误操作或不规范操作，不存在实际的安全隐患，但系统会给出错误提示或灾难性结果，这样会给学生留下深刻的印象，对于培养学生严谨、认真的操作态度非常有益。火电仿真系统在初学者的培养上有着非常明显的优势。

三、火电仿真在热动专业教学中的改革

中心经过20年的建设，建有一批先进的仿真硬件和软件设施。通过仿真技术研究成功搭建起热动专业教学和现场生产实际相结合的平台，进行了仿真实习课程建设、核心课程与职业一体建设，致力于以培养学生技术应用能力、增强学生协作能力为目的的教学模式创新和实践，在理论教学与实践教学相融合的一体化教学中取得了一定的成果。笔者从事火电仿真机技术研发和仿真教学近10年，为了充分利用仿真技术优势，培养优秀的应用型人才，在教学中学习新的教学理论，改变教学思路，探索新的教学方法，不断尝试热动专业仿真实习课程教学改革。

1.依托技术优势，不断优化仿真硬件和软件

近年来我国火电行业发展迅速，单元机组最大装机容量不断被刷新，1300MW的超超临界机组已经在建设中。随着单元机组装机容量的不断攀升，新的控制理论、控制系统和生产工艺不断被应用，这就要求高等院校的学科建设紧跟专业技术的发展，才能培养出适应电力行业发展要求的应用型人才，同时也要求火电仿真技术紧跟最新技术发展路线，为仿真实习课程提供良好的教学平台。中心具有多年的仿真机开发经验和较强的仿真研发能力，能够将最新的技术应用到仿真系统开发中去。近年来，中心仿真实验室建设也取得了巨大的成绩，软硬件设施在同类型院校中处于领先地位，为专业人才培养提供了良好的条件。在以后的仿真实习课程建设中，需要继续保持跟现场生产实际紧密结合，将先进的生产工艺和控制策略融合到仿真系统中去，为不断培养出适应时代发展的高素质应用型人才创造条件。

2.加强理论培训，理论培训和操作实习相结合

火电仿真实习课程是以理论为基础，以操作为载体，以现场运行为平台，以提升综合分析能力和事故处理能力为教学目标。目前，高校开展热动专业仿真实习课程时往往过于注重上机操作，片面地认为仿真实习就是练习实际生产过程中值班员的操作过程和步骤，机械地教导学生按照一定的固定程序和操作步骤进行操作，这样学生经常是“知其然而不知其所以然”，达不到课程教学目标。在长期的仿真实习教学过程中，笔者认识到不能简单地将仿真实习看作是一种认识实习，仿真实习是一次理论专业知识与现场生产实践知识紧密联系的一门课程。在仿真实习课程中，要按照一定的操作规范进行，而这种操作规范的背后是深刻和丰富的理论知识，作为热动专业人才不仅要知道怎么做，而且要知道为什么这样做，所以在日常仿真实习教学过程中，在讲授仿真机操作方法的同时要将相关的专业知识贯穿进来，这样既可以帮助学生复习所学的专业知识，加深印象，又可以使学生的专业知识与生产实践结合起来，提高专业学习效果。例如在讲授锅炉汽温调节时，从传热学方程上讲授过热器和再热器不同的受热原理。过热器主要吸收辐射热量，再热器主要吸收对流热量，这就决定了不同的汽温调节方式；在讲授汽轮机负荷调节时，从工程热力学角度讲授水蒸汽热力特性、汽轮机变工况运行特性及郎肯循环等相关知识，这些理论知识决定了汽轮机调节方式。在仿真实习教学过程中，必须将理论知识与仿真操作结合起来教学，这样才能起到良好的教学效果。由于仿真实习课程用到了所有热动专业的基础课和专业课知识，所以同时也对仿真实习教师的知识面提出了要求。

3.加强课程建设，圆满完成教学目标

仿真实习是热动专业学生面向生产实际的一次实习，是学生走出校门跨进企业的重要一步，不能认为是一种简单的认知实习，必须在思想上将仿真实习放到一个较高的位置上，依托强大的仿真研发力量，加强仿真实习课程建设，切实提高仿真实习的教学效果。

教学计划是仿真实习教学的灵魂，应该紧密结合教学目的，根据不同的专业方向有针对性地制订教学计划。不同专业方向的教学内容、教学侧重点、教学方法互不相同，应该根据不同专业方向的特点，科学合理、由浅入深地安排理论培训和实践操作，完成教学目标。

教学模式要采用个性与共性相结合，在操作内容上分为必选和可选部分，学生可以根据自己兴趣进行选择。加强学生实习态度的培养，树立正确的职业观，提高学习兴趣。不仅要培养学生的操作技能，还要培养学生严谨的操作态度及协同合作的能力，通过仿真实习课程使学生在知识和职业素质上都得到较大提高。

教学考核是仿真实习的重点和难点，由于仿真实习操作性强，涉及知识面广，知识点分散，造成考核困难，需要建立一套有效的考核体系。考核内容包括理论知识、操作能力和综合能力。考核办法采用理论考试、操作考试和答辩的形式进行。理论考试范围包括操作规范、运行规程及相关基本理论知识，采用笔试闭卷形式。操作考试范围包括典型操作过程考核，如锅炉点火、汽机冲转、发电机并列等操作及一些常见事故处理，采用分组上机考试形式，两个人一组，设主操和副操，角色相互轮换，对于每一道考题分别给出主操分和副操分，不仅考核独立操作能力，也考核配合操作能力。答辩主要是对上机操作考试进行归纳和总结，对操作过程中的不足之处进行补充，纠正操作过程中的失误和错误，对事故进行事故分析。考试成绩是采用加权平均法将平时成绩、理论考试成绩、操作考试成绩和答辩成绩加权平均后得到最后的成绩，采用这样的考核机制取得了良好的效果。

四、总结

火电仿真实习课程是热动专业教学中的一个重要环节，依托仿真技术优势，充分认识到仿真实习教学在应用型人才培养中的重要性，强化仿真实习课程建设，切实从如下几个方面做好仿真实习教学工作：加强软硬件建设，为仿真实习课程提供坚实基础；加强课程改革，发挥仿真技术优势，在实习过程中强化理论教学，将理论和操作实习紧密联系起来；进行课程改革，重视教学计划和教学方法，完善考核机制。

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（责任编辑：王祝萍）

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