仿真系統在電廠化學教學中的應用

摘要：介紹了計算機仿真系統在電廠化學教學中的應用，并通過具體教學實例說明仿真教學手段能夠提高教學質量，促進學生主動參與學習，培養學生解決實際問題和實際動手的能力。實踐結果證明，在電廠化學教學中引入仿真教學在培養學生創新精神和實踐能力方面，是一種高效的教育模式。

關鍵詞：電廠化學；仿真系統；水處理

作者簡介：劉從容（1980-），女，安徽淮北人，南京工程學院環境工程學院，講師。（江蘇 南京 211167）

基金項目：本文系江蘇省“十二五”高等學校重點建設專業項目與國家自然科學基金“烯丙基胺和親核試劑的偶聯反應”（項目編號：21202154）的研究成果。

中圖分類號：G642.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）33-0107-01

電力類的高校負擔著為各種類型的發電廠培養專業理論扎實、實際操作能力強并能夠解決現實難題的技術人才的重任。高參數、大容量的現代化火電廠對水汽質量的要求越來越高。傳統的電廠化學水處理一般按功能作用設有凈水預處理、鍋爐補給水處理、凝結水精處理、汽水取樣監測分析、加藥系統、綜合水泵房、循環水加氯、廢水及污水處理等系統。高校老師在教授這部分內容時一般是在講授理論的同時描述火電廠水處理現場的情景，某些單元過程在講設備時是通過手工繪圖及書本上的圖片來讓學生認識火電廠水處理的流程。但是復雜的裝置以及控制過程讓學生感覺學習難度大而且枯燥無味，容易產生厭學心理。雖然高校會安排學生下廠實習，但是實習時間短，只能走馬觀花，很少有動手操作的機會，造成理論與實際操作相脫離，實習效果難以達到預期的要求。在電廠的實際運行過程中不僅要求操作人員能夠在正常運行情況下進行操作控制和參數調整，而且要求操作人員在遇到故障時能隨機應變，具備相應的事故處理能力，這就要求他們必須經過嚴格的培訓才能上崗操作。但是在本科生的培養過程中，不可能讓他們在電廠的實際發電裝置上進行這些培訓。火電廠仿真系統在教學中的應用提供了解決上述教學難點的有效手段，使學生的操作技能和解決事故的能力得到快速提高。

火電廠仿真教學是通過發電設備數學模型計算機提供實時數據，配合部分或全部真實控制臺屏或表示監控臺屏的屏幕顯示（CRT）畫面，演示與真實情況相同的電力設備各種運行方式的狀態，包括起動、正常運行、停機和事故情況下的狀態，可以滿足各種目的的培訓要求。[1，2]仿真教學已廣泛用于電力類本科生的操作培訓，提高他們的監控能力和運行技術水平。簡而言之，仿真系統是以計算技術和仿真技術為基礎并應用電網、自動控制、儀表和電廠的鍋爐、汽輪機、透平發電機以及運行專業的理論和實踐知識而研制的一種計算機系統。[3]南京工程學院（以下簡稱“我校”）組建的電力仿真與控制工程中心主要承擔熱能動力專業、電廠化學專業等有關專業方向本科學生的實踐教學、電力行業火電機組運行值班員的技能培訓及技能鑒定、科學研究和技術開發等工作；建有125MW、200MW、300MW、600MW、1000MW火電機組仿真實訓室5個，擁有不同容量、不同參數以及MAX1000、INFI90、TELEPERM、FOXBORO、EURO、XDPS、OVATION等不同類型DCS控制系統的火電機組仿真系統軟件20多套；此外還建有電氣試驗仿真、脫硫系統仿真等多個實驗室。筆者在電廠化學的教學過程中，通過對09屆畢業生的仿真培訓，切身體會到仿真教學的便利之處，它能夠彌補傳統教育的不足，使整個教學過程生動有趣，內容形象，為學生的認知活動提供豐富的感性經驗和思維素材， 有利于學生對知識的學習和掌握。[4，5]本文根據電廠化學的教學特性，在實際教學中的實踐以及學生的效果反饋提出在電廠化學的教學中引入仿真教學手段，在培養學生創新精神和實踐能力方面，是一種行之有效的現代教育模式。[6，7]

一、在教學中應用仿真系統的必要性

“電廠化學”是電力環保和電廠化學專業學生的一門基礎課，主要內容為水的混凝處理、離子交換軟化、化學除鹽及各步水處理過程的設備操作，不僅理論性強而且設備復雜、類型多。教師講授這些內容時一般是在講授理論的同時描述火電廠水處理現場的情景，某些單元過程在講設備時是通過手工繪圖及書本上的圖片來讓學生認識火電廠水處理的流程。復雜的裝置以及控制過程讓學生感覺學習難度大而且枯燥無味，致使對所學知識理解不深。研究結果表明學生運用知識分析和解決問題的能力取決于對所學知識和相似問題的理解。[5]不同學生對同一問題的認知情況不完全相同， 對一個問題的準確掌握需要從現象、理論模型、量化數據等不同角度認識。

仿真系統恰好具備了上述的多種表現形式的功能， 它利用虛擬現實技術，將現實世界的廠房及設備在計算機中虛擬化，利用數據庫技術、數據采集與監視控制技術，將生產設備的運行狀態參數實時傳回虛擬電站系統中，在三維虛擬場景中即可實現對設備的查詢管理。此外仿真系統教學還可以對電廠發電的工藝過程進行可視化仿真，展示煤循環、水循環、廢水處理、變電與輸電等過程。通過仿真教學使學生對“電廠化學”的理論知識得到理解并能應用，可鍛煉學生分析問題和解決問題的能力，一方面加深對問題及解決問題所需知識的理解，另一方面提高分析和解決問題的實際能力。對于學校，可以減少硬件方面的投入。

二、仿真系統教學的主要內容

增強學生對電力用水處理的系統性認識， 進一步加深對有關處理方法的理解；熟悉整個電力用水處理系統的設備和工藝操作。仿真系統在教學中的應用，主要是模擬實際生產中常見的工藝流程，由學生按照操作規程的要求進行調節控制，使處理后的水汽符合設計要求。

通過對發電廠水處理工藝的可視化仿真，學生可以沿著物料流動的方向了解水處理的基本流程，將各單元操作有機地結合起來，加深學生對水處理過程整體性的認識。比如，在學習火電廠用水的預處理中，可以通過仿真教學在系統上使學生認識實際應用方法，了解到天然水緩慢通過一個池子；同時加入配好的混凝劑，在重力作用下較大粒徑的懸浮物顆粒沉降下來，膠狀雜質和粒徑較小的懸浮物在混凝劑的作用下相互吸附粘結成較大的絮狀物，也從水中沉降分離；然后上層清水用水泵打入澄清池，同時加入沉淀劑將天然水中的鈣、鎂離子；最后澄清池中的水，流入過濾器完成水的預處理。再如，循環冷卻水的處理也可以通過仿真系統使學生形象直觀了解冷卻水處理的流程和相關操作。這些操作可以使學生對所學過的有關電廠用水理技術有更深的理解。

三、教學效果

把仿真模擬技術引入電廠化學的教學，使學生置身于仿真環境之中，可以充分調動感覺通道和思維通道的學習機能，接受知識的效率明顯提高。借助高技術手段深化教學改革，實現教學訓練模擬仿真化，是一場創新教學手段和方法的變革，而這場變革的核心就是模擬和仿真。

曾對我校09級電廠化學專業的學生做過一個抽樣問卷調查，目標是將使用仿真教學手段的課程與使用傳統教學手段的課程做個比較。學生反饋的結果如下：仿真教學可以提高學生學習的積極性和主動性；提高了學生的動手能力和綜合能力；改進了學生的思維模式。

仿真操作可以使學生將所學的理論知識與實踐結合起來， 為他們的思維提供一個寬廣的空間，使學生在短時間內對火電廠水處理方法有深刻透徹的理解，并且可以較好地聯系實際，了解實際過程。作為一種新的教學模式，仿真教學與傳統的教學相比有許多優點，但必須注意的是，仿真操作畢竟不是真正的對實際對象的操作，本身有一定的局限性，在采用仿真系統教學后，可縮短但絕不能完全拋開真實的實習過程。

四、結論

在“電廠化學”教學中開展仿真教學有利于提高教學效率和效果，激發學生的學習興趣，培養學生的創新能力，有力地促進教學改革，使得教學活動更能突出素質教育的主體性、全面性、發展性、開放性等特點， 有效地促進學生整體素質的全面發展。總之，仿真教學使學生在學習時發揮了主動性，提高了學生分析問題、解決問題的能力。

參考文獻：

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