能動專業教學與智能發電技術融合創新思考

郭韻，張諾楠，周仲偉

摘? 要：減少高碳排放的化石能源使用量，調整能源結構，是中國實現碳中和目標的路徑和關鍵技術選擇。在當前形勢下發電企業想要生存并且獲得發展，其必然要求是達到安全、經濟、環保、高效的目標。為實現這些發展目標，新途徑便是使用傳統技術之外的智能化手段。工業智能化需求是教育行業新工科建設發展的機遇，同時也是挑戰。各高校開始與多家發電集團、發電企業開展智能發電技術的研究和試點建設，但電廠智能化發展仍處于初級階段，在此行業背景下，能源與動力工程專業的教學與科研可以大有作為。文章從目前電廠智能化發展過程中存在的問題出發，結合實際教學經驗，提出熱力發電廠教學如何升級與電廠智能化發展有機融合的幾點建議，并指出培養智能電廠建設所需人才過程中需要著重關注的幾個技術方向，希望能為相關的教育工作者以及熱力發電企業帶來一些切實可行的參考和價值。

關鍵詞：智能發電技術;碳中和;專業課程建設;工程實踐;人才培養

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0021-04

Abstract： Reducing fossil energy use with high carbon emissions and adjusting energy structure are the path and key technology options for China to achieve carbon neutralization goals. Under the current situation， power generation enterprises want to survive and get development， its inevitable requirement is to achieve the goal of safety， economy， environmental protection and efficiency. The new way to achieve these development goals is to use intelligent means in addition to traditional technologies. The demand of industrial intelligence is an opportunity and challenge for the construction and development of new engineering courses in education industry. Colleges and universities began to carry out research and pilot construction of intelligent power generation technology with many power generation groups and power generation enterprises， but the intelligent development of power plants is still in the primary stage. Under the background of this industry， the teaching and scientific research of energy and power engineering major can make great achievements. Based on the problems existing in the process of intelligent development of power plant and the practical teaching experience， this paper puts forward some suggestions on how to upgrade the teaching of thermal power plant and the organic integration of intelligent development of power plant.

Keywords： intelligent power generation technology; carbon neutral; professional course construction; engineering practice; talent training

我國的能源消耗約占二氧化碳排放總量的88%，因此它是主要的二氧化碳排放源頭。電力行業占能源行業排放總量的41%左右，而發電行業是電力行業排放的主體，肩負著碳達峰、碳中和的重要責任和使命。一方面，對于高碳的燃煤發電，要逐漸減量，提效改造。另一方面要加大清潔能源開發力度，提高清潔能源裝機占比。

作為能源與動力工程專業的必修課之一——熱力發電廠，其教學形式與方法如何升級與行業最新發展方向相匹配，如何培養出當前及未來智能電廠所需的人才，是所有能動專業的教育工作者需要研究和探索的問題。本文從目前電廠智能化發展過程中存在的問題出發，結合實際教學經驗，提出能動專業教學如何與電廠智能化發展有機融合的幾點建議，并指出培養智能發電技術人才過程中需要著重關注的幾個技術方向。

一、電廠智能化發展存在的問題

（一）生產過程智能化不足

目前信息化建設仍是智能電廠建設的主要方向，但智能化方面在生產過程的研究和摸索仍不夠深入透徹。生產過程智能化是電廠信息化應用的高級階段，熱力發電廠的生產過程是一個復雜、大型和連續的工業生產過程，是由不同的生產環節和設備組成的，由質量流、能量流和信息流關聯的有機整體，從控制與系統的觀點來看，是典型的分布式系統。實現生產過程智能化，需通過應用重要參數在線軟測量、應用機爐協調預測控制優化、全廠機/電/爐/輔控控制系統、DEH系統與DCS系統一體化等功能，及應用智能設備管理、機組全程自動啟停控制，形成具備“自分析、自診斷、自管理、自趨優、自恢復、自學習、自適應、自組織、自提升”的運行優化系統，實現機組高效環保運行、靈活調節、少人值守、智能監視。

（二）缺乏完整的架構設計

智能電廠建設缺乏完整的架構設計，導致數據、信息、業務、管理沒有有效地融合。智能電廠作為具有代表性的發電顛覆性技術，具有一定的前沿性。只有做好頂層設計，建立科學標準的規范體系，堅持以下原則：政府推動、科技引領、應用驅動、市場主導，才能釋放由智能電廠技術所積蓄的巨大能量，成為電力發展強大的新引擎，推進發電生產力的整體跳躍。

（三）數據缺乏有效運用

數據的有效利用還未在智能電廠建設實施過程中實現，重硬件輕軟件、重采集數據輕利用數據的現象還是存在較多的。電力企業日常生產、經營決策和控制管理過程中往往會對相關運行參數進行檢測，如電力運行系統中各種電壓、電流、電功率等。這樣可以保證該系統按照所需要或所設定好的狀態正常順利運行，實現電力企業商業化經營、智能化控制和高效管理的基礎和前提是由這些被采集的數據所構成的。因此，對電網電力系統中采集的數據進行研究分析以及有效利用有著積極現實的作用和意義。

智能電廠建設仍處于初級階段，各種現實問題亟待解決，熱能與動力工程專業可以大有作為，熱力發電廠的教學任重而道遠。

二、熱力發電廠教學與智能化發展的幾點建議

（一）多專業多學科融合

注重多專業多學科融合創新，教學科研過程中，打牢能動專業基礎，同時注重多學科多專業交叉融合的學習。現如今，學科專業交叉融合不夠深入，其主要原因之一是現行工程教育體系無法適應面向智能型熱電廠的人才培養要求，不能滿足智能電廠轉型升級發展的需要。因此，現行熱力發電廠教育體系面臨全方位變革，亟需升級開展多學科交叉融合的工程人才培養模式探索與實踐。現行智能型熱電廠人才培養體系存在如下亟需解決的問題：

1. 電廠智能化發展所需的跨學科交融人才培養管理機構缺乏。長期以來主要是分專業、分學科進行電廠類人才培養，缺乏跨學科交融的新型機構和管理機制，不能為跨院系、跨學科、跨專業培養先進智能發電技術相關工程人才提供組織保障。

2. 電廠智能化發展所需的跨學科課程體系和教學模式不健全。主要為人才培養的現行的熱力發電教學是在單學科傳統課程體系基礎上進行的，課程跨界交叉融合薄弱，模塊化課程體系缺乏跨學科、動態可重構，教學模式單調，重在知識講授，學生缺乏全局思維、大工程視野以及解決復雜工程問題的能力。

3. 電廠智能化發展所需的跨學科教學團隊和創新實踐教學平臺有待加強。現行熱力發電教學存在學科交叉融合度低、學科之間壁壘重重、資源分散封閉等問題。需要升級組建“智能發電技術”跨學科教學團隊、適應多學科交叉融合的創新實踐教學平臺，以滿足電廠智能化發展背景下學生跨學科合作學習的需要。

4. 多學科交叉融合能力達成的質量監控體系缺乏。尚無智能發電技術多學科交叉融合能力達成的多元評價標準和質量監控體系，無法有效判定學生多學科交叉融合學習能力的達成。

對于上述問題，結合電力發展和國家重大需求，打破學科與學科之間的固定界線，打造先進智能發電工程技術人才培養模式，其中擁有多學科交叉融合的特點。對智能能源生產的技術內涵、本質特征及其對管理服務生產過程和經營模式變革影響的研究;對智能發電相關知識的交叉特性和技術的趨同研究。根據上述研究，從以面對學科為導向轉為以面對產業需要為導向，發展研究智能電廠工程的人才培養需求，具體包括：智能發電工程技術人才創新能力培養需求。智能電廠工業文化及其對工程人才素養的需求、智能電廠對工程人才專業結構的挑戰和需求。

針對建立“智能發電技術”跨學科交融人才培養組織機構，組織機構實行委員會領導下的主任負責制，委員會包括戰略計劃委員會、學科專業發展委員會、跨學科教育委員會。由智能電廠相關學科學術帶頭人、科研機構學者、產業界工程師等成員組成了委員會機構。跨學科交融人才培養組織機構的重大事宜由委員會做出決策。

針對跨學科動態可重構的模塊化課程體系研究，通過縱向與橫向兩個維度整合構建智能電廠跨學科課程體系。縱向整合同一學科內課程（基礎課和專業基礎課程），橫向整合不同學科主干課程，構建跨學科課程體系關鍵基礎單元，開設若干體現多學科交叉融合的主干課程。據此，結合智能發電技術關鍵科學問題，開展面向工程過程的跨學科交叉融合的教學實踐課程，打破帶有傳統認知學科知識體系構造的層級式課程結構，通過模塊化程序的構建，加強對工程規律的理解，提高學生解決復雜工程問題的能力，促進學生個性化發展。

針對跨學科交叉融合的“智能發電技術”工程人才培養教學模式的研究，需從專業分割轉向跨界交叉融合，開展“師-生、課-課、理論-實踐”協同教學實踐，探索“多師導學、多課同堂”的教學組織形式，即搭建“多課多師”跨界協同教學平臺;針對“導向性關鍵科學問題”，通過科學試驗，結合相關課程知識，引導學生思考科學原理，師生共同解決問題，以促進跨學科專業主干課程有機融合，形成新型跨學科教學模式;基于互聯網大數據教學服務平臺，對信息技術和教育教學推進更深層教學融合，對在線開放課程進行建設和推廣應用，對虛擬仿真等技術創新工程實踐教學形式進行充分利用。

針對建立“智能發電技術”跨學科教學團隊，對基礎課和專業基礎課程進行縱向整合，跨學科主干課程進行橫向整合，圍繞智能發電技術相關課程建設方向組建一批跨學科教學團隊，吸收多學科公共課和專業基礎課教師加入，完成公共課、專業基礎課與跨學科專業主干課程之間的集群式創新融合。智能發電技術跨學科教學團隊由學術造詣高的教授領銜，保證團隊成員的學結結構、年齡結構、職稱結構合理。依托跨學科教學團隊，全面實施教學質量工程建設。

針對建立多學科交叉融合能力達成的質量監控體系，研究多學科交叉融合的教育教學環節與能力培養的基本準則。在跨學科、動態可重構基礎上的模塊化課程體系，進行在能力培養基礎上的教育教學環節設計，對智能發電技術跨學科教育教學環節評價方法進行研究，對跨學科教育教學環節與學生能力培養的映射關系進行研究，構建能力映射關系矩陣;對跨學科教育教學環節與能力培養定量關系函數進行研究，關于各教學環節之間對能力培養的貢獻權重系數和加權能力系數進行探索，對學生多學科交叉融合能力的定量評價方法進行合理制定。對多學科交叉融合能力達成的質量監控體系進行構建。依據多學科交叉融合能力達成的評價方法，在跨學科課程教材建設、實踐性教學環節及實施過程的質量管理體系上合理制定;對課程目標達成情況的持續評價機制進行研究;對先進制造工程人才培養質量監控與評價機制進行用人單位、人才市場、社會的研究。

（二）理論與實踐的融合

智能發電技術是一門專業課程，其政策性強、綜合性強，同時還與電廠實際生產過程有著密切聯系。要想做到課程理論與實踐的融合，就要完善實踐教學體系建設。在智能電廠實踐平臺構建中，相關實踐教學項目教學體系構建的關鍵是確保實踐平臺可以實現育人效果的目的，狠抓作為推進智能發電創新平臺建設的系統工程。通過增加與企業的關聯，建立良好的校企合作育人平臺，發掘傳統專業所具有的優勢、加強智能發電相關課程建設，立足于深化產教融合、推進智能發電技術的新思路、新戰略，形成“技、創、工、學、輔”五位一體育人新體系，并通過構建政、校、行、企共同參與的智能發電服務平臺，共建數字化智能發電與機器人培訓中心、智能電廠高級咨詢與服務中心等核心機構，推動教育鏈、產業鏈、創新鏈共同服務區域經濟轉型升級。電力企業和相關院校大力合作，主要針對自身智能發電需求開展相關技術研究，探索智能電廠系統的總體結構、系統模型、技術框架、實現途徑、相關標準以及評價體系等，研究范圍包括平臺化和非平臺化產品、工廠自動化和智能化改造實現途徑、成果評估的標準和方法等。此外，要進一步深化產學研成果轉化、工業大數據的業務研究和市場應用推廣、智能發電自主核心軟件的研發等。

在課程實際教學過程中加強學生工程實踐意識的培養，最直接有效的方法便是指導學生進行智能型熱電廠課程項目設計（圖1）。在課程設計過程中，學生可以進行想象力的發散、積極踴躍進行創新創造，但同時必須保證設計方案是在一定的工程實際基礎上建立的，并且能進行完整的分析論證。要有充分的設計理由，滿足工程現場實際施工和運行的要求，在符合整個系統熱經濟性的前提下，將盡可能多的智能化方法運用于發電廠的各個工序設備當中。例如，可以通過智能化的手段實現熱電廠安全、經濟、環保、高效的發展目標，其中，要從設備狀態智能監測與故障智能診斷、自動巡檢及智能維護、人員安全保障等方面進行安全發展考慮，經濟效益可以從鍋爐燃燒調整優化、輔機運行優化、機組整體運行優化等方面考慮，環保可從燃燒過程污染物智能控制、多污染物協同脫除、排放的經濟性管理等方面考慮，高效可從生產過程高效管理、人員智能化管理等方面考慮。通過進行重復研究分析，全面綜合比對，讓學生們的思考方式不只是單純地考慮某個設備，而是上升到去把握整個智能化系統，也就是以整個電廠作為研究對象，站在總負責人的角度去考慮和分析工程實際問題，如作為廠長或總工，這樣大大提高了學生的工程實踐意識。

（三）熱電廠教學與智能發展的技術方向

在電廠生產過程中，不可能一蹴而就地實現經營管理高度智能、少人甚至無人的最終目標，需從以下技術方向進行深入的科學研究與人才培養，即以設備可靠性為核心的智能診斷、監測、預警等技術，以機組經濟性為核心的能效評價、優化運行技術，以環保與水務為核心的診斷優化、數據分析技術，以分散式供能為核心的智慧能源、智慧水務技術，以多能互補為核心的分布式供能、調度管理技術。

以設備可靠性為核心的智能診斷、監測、預警等技術是智能電廠的重要組成部分，其關鍵技術的實施能延長設備使用壽命、減少突發性故障的發生、提高電力設備的供電可靠性，因此在電力系統中得到了廣泛的應用。然而由于電力設備的多樣性、電力設備監測信號的多樣性、電力設備故障發生演變規律的多樣性等因素影響，電力設備的狀態監測存在著診斷與預警功能不足的缺點，極大制約了電力設備狀態監測技術的全面推廣與應用。正如圖2所示，以設備可靠性為核心的智能診斷、監測、預警等技術的研究與人才培養對提升電網智能化水平具有積極而深遠的意義;以機組經濟性為核心的能效評價、優化運行技術可提高機組運行經濟性，不僅是國家創建節能型社會的要求，同時也是發電企業生存的要求和環境保護的要求;以環保與水務為核心的診斷優化、數據分析技術和以分散式供能為核心的智慧能源、智慧水務技術，需要普遍形成感知物聯網絡，以云計算、大數據和人工智能等技術幫助實現決策指導、仿真模擬、輔助調控等能力，這就需要以多學科多專業交叉融合的教學方式培養智能發電人才;以多能源互補為核心的分布式供能、調度管理技術可有效推動能源清潔生產和就近消納，提高整個區域能源系統的能源利用率、經濟性與穩定性，達到節能環保的目的。

三、結束語

新形勢下，熱力發電廠課程與工業智能化發展融合創新升級，智能發電技術成為能動專業理論性強、綜合性強和工程性強的一門專業特色課，基礎知識與實際發展結合緊密，更應注重與多專業多學科融合創新，教學科研過程中，打牢能動專業基礎，同時注重大數據、人工智能等方法的學習;注重理論與實踐的融合創新，鍋爐汽輪機等與專業機理研究、機理與算法融合研究、機組運行工況相似性研究;注重傳統能源與新能源的有機融合創新，在新能源革命和能源轉型中發揮主導和引領作用。在教學工作中需不斷開拓探索和積累總結，真正使該課程成為培養學生將來從事智能發電生產或科學研究的基石。

參考文獻：

[1]葉濤.熱力發電廠（第五版）[M].北京：中國電力出版社，2016.

[2]李強，高勇，朱建國，等.電廠智能化管控技術研究與應用[J].熱力發電，2019，48（10）：15-21.

[3]秦世強.發電廠智能化缺陷管理系統研究[J].商情，2019（51）：171.

[4]王濤，單正濤，杜金剛，等.智能電廠生產管理開發平臺研發[J].熱力發電，2019，48（9）：115-119.

[5]趙晉松，張朝陽，顧巍峰，等.基于工業互聯網的智能電廠平臺架構[J].熱力發電，2019，48（9）：101-107.

[6]張晉賓，周四維.智能電廠概念、體系架構及核心技術[J].熱力發電，2019，48（9）：9-13.