基于電廠運行虛擬實踐教學系統的教學改革與實踐

周振起　趙星海　肖斌　劉洪憲

摘要：分析了能源與動力工程專業“卓越工程師”和“火電廠集控運行”方向學生在電廠運行實踐環節存在的問題及虛擬仿真技術在實踐教學中的作用，利用我校電力運行虛擬仿真實驗教學系統進行的能源與動力工程專業“卓越工程師”和“火電廠集控運行”方向電廠運行實踐教學改革與實踐。

關鍵詞：能源與動力工程；火電廠集控運行；虛擬實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）49-0151-02

我校能源與動力工程專業“卓越工程師”和“火電廠集控運行”方向主要培養熱力發電方向從事發電廠設計、施工、運行、檢修和管理方面的高級工程技術人才，主要服務對象是熱力發電公司和電力建設公司。隨著電網規模的擴大和單機容量的提高，機組的自動化水平越來越高，對本專業學生提出了更高的職業能力要求。近年來用人單位對這個專業畢業生的綜合素質和實踐能力等方面的要求不斷提高，不僅要求學生掌握系統的專業理論知識，而且還要具備較強的實踐能力，市場經濟條件下的電力企業要求受聘員工上崗快，具有“頂崗”工作能力。目前，我校能源與動力工程專業這兩個方向的實踐教學環節與電力行業發展需要還存在一定差距，如：理論和實踐教學環節存在脫節、學生欠缺實踐能力和動手能力、不善于利用所學知識來解決實際生產問題等。為適應地方經濟建設和電力企業發展的要求，使學生能夠將所學理論知識與實際生產聯系起來，培養學生綜合運用所學知識解決工程實際問題的能力，是目前工科專業人才培養的工作重點和中心。

一、能動類專業實踐教學存在的問題

目前能源與動力工程專業“卓越工程師”和“火電廠集控運行”方向培養模式、培養方案往往脫離我國現實情況，尤其是卓越工程師培養方案、培養模式與設想的還有很大偏差。主要問題是實踐環節難以按培養方案落實，執行困難。如：受實習經費和電力企業接受學生實踐條件、意愿的限制，實踐教學環節不能按“卓越工程師”培養方案得到貫徹執行，學生去電力企業進行實踐的時間和效果大打折扣，理論與實踐教學環節脫節，學生創新意識、實踐能力和動手能力不強、不善于利用所學知識解決實際生產問題，達不到工科專業尤其是“卓越工程師”培養目標的要求。現代化發電企業的特點：一方面是現場設備參數高，異常故障無法復制，運行和操作過程存在很高的危險性，學生去電廠運行實習會嚴重影響電廠安全生產，發電企業不愿接受學生去現場進行實際操作訓練；另一方面是現場設備體積龐大，系統結構復雜，投資巨大，不可能在學校建立真實的電廠運行實際操作平臺，無法讓學生在校通過實際設備和系統進行運行操作實訓。因此有必要進行電廠運行實踐教學環節的改革研究，以滿足現代發電企業對能源與動力工程專業“卓越工程師”和“火電廠集控運行”方向培養目標的要求。

二、虛擬仿真技術在實踐教學中的作用

虛擬現實技術是可視化仿真的最新發展方向，最早于20世紀80年代由Jaron Lanier提出，目的在于建立一種新的用戶界面，使用戶從感官和知覺層面置身于計算機所表示的三維空間環境中，并可以通過眼、手、耳或特殊的空間三維裝置在這個環境中“漫游”，創造出一種“親臨其境”的感覺。三維仿真是指利用計算機技術生成的一個逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境，用戶可以通過其自然技能使用各種傳感設備，并同虛擬環境中的實體相互作用的一種技術。近幾年，隨著三維虛擬現實技術的發展，在各行各業中應用非常廣泛，三維虛擬仿真技術在高等學校和職業教育培訓教學中也開始得到廣泛應用，三維虛擬教學系統在未來的教育行業將越來越多的被建立和應用。

虛擬仿真實驗教學系統是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真電力生產與傳輸的虛擬實驗環境和實驗對象，讓學生在虛擬環境中開展實驗，是學生了解現場設備結構、系統構成，掌握電力生產過程實際運行操作的重要教學途徑和手段。虛擬仿真實踐教學具有真實性、沉浸性、交互性和易實現等特點，能夠達到教學大綱所要求的教學效果。

三、我校電力運行仿真實驗教學系統建設使用情況

我校電力運行仿真實驗教學中心成立于2005年，經過10多年的發展建設，中心已經成為我校涉“電”專業學生重要的校內實訓基地，是培養學生由基本認知到掌握現場實際運行的主要校內實踐基地，是我校“一實兩創”特色人才培養發展戰略的重要實踐場所。目前我校電力運行仿真實驗教學中心總面積4000多平方米，實驗儀器資產1400余萬元。現有微型火力發電廠1個，電力生產動態演示模型室2個和電力運行虛擬仿真室6個。中心擁有大型虛擬仿真軟件13套，其中火電機組仿真軟件9套，涵蓋了從亞臨界300MW、600MW，超臨界600MW到超超臨界1000MW的國內所有典型機組，1000MW核電機組仿真軟件1套，可同時仿真300個單元機組運行，能全面仿真火電廠和核電廠電能生產的全過程。仿真實驗教學中心于2011年通過了中國電力企業聯合會組織的“電力行業仿真培訓基地（火電類）”評估，具有頒發電力行業認可的“電力行業仿真培訓證書”資質。電力運行虛擬仿真實驗教學系統能實現以下主要功能。

1.具有各階段實驗項目自由選擇功能。學生利用虛擬實驗系統工況選擇功能，選擇自己需要的各階段實驗項目，不受其他任何人的影響。

2.具有實驗項目自由組合功能。任何一個實驗項目都可和其他實驗項目合理搭接。例如，在火電機組冷態啟動實驗階段，可以搭接任何一個競賽階段的實驗項目，構成綜合實驗。

3.具有實驗成績自動評定功能。平臺具有實驗操作成績評定功能，學生實驗環節的所有操作都將根據重要程度被記入評分系統，實驗完成后給出最終成績。

4.具有運行數據分析功能。在實驗的各個階段，當設備或機組運行參數發生異常時，系統將自動進行運行數據分析并發出參數異常報警。

5.故障設置。可以模擬現場運行過程設備或系統各階段發生的異常故障，當將模擬故障施加到仿真實驗系統后，實驗過程與現場變化規律完全一致，能真實反映現場故障情況。

四、火電廠運行虛擬實踐教學系統應用效果

為了解決能源與動力工程專業“卓越工程師”和“火電廠集控運行”方向學生火電廠運行實踐環節難以按培養方案落實，執行困難的現實情況。結合我校電力運行虛擬仿真實驗教學中心情況，我們及時調整了能源與動力工程專業“卓越工程師”和“火電廠集控運行”方向火電廠運行實踐教學模式，由去電廠進行的火電廠運行實踐教學過程改為由我校電力運行虛擬仿真實驗教學中心承擔。火電廠運行虛擬實踐教學系統實現了融理論教學與技能培訓，職業能力與素質養成為一體的教學模式。實現了火電廠主輔熱力設備和熱力系統運行等全過程仿真模擬；具有動態演示，形象逼真，仿真性強，使人有身臨其境的感覺，使學生不出校門就能感受到火電廠主輔熱力設備和熱力系統的作業環境、工作過程，掌握了生產實習所需掌握的教學內容，達到了與現場實習相同的目的。經過二屆學生的實踐證明，采用火電廠運行虛擬實踐教學系統能夠很好地完成火電廠運行實踐教學任務，取得了令人滿意的效果。endprint