基于CDIO理念的鍋爐課程設計研究性學習探索

楊 美，李昱慶，賀 楠，牛曉娟

(東北電力大學 a.能源與動力工程學院； b.人事處，吉林 吉林132012)

鍋爐課程設計是鍋爐原理課程理論知識與實際應用相結合的重要實踐教學環節[1]，學生可以熟悉鍋爐的整體結構、系統組成和熱力系統計算方法[2]，有效訓練學生的發現能力、分工能力、合作能力和應用工具的能力，培養學生的工程素養，從而使學生更好地掌握與鍋爐原理相關的知識，深入進行研究性學習。

1 課程現狀

1.1 小容量低參數的鍋爐被淘汰

燃煤發電污染物排放量較大，且單位能耗較高，發電效率有待進一步提高，而大容量高參數的機組效率得到了一定程度的提升，小容量低參數的鍋爐被淘汰[3]，原有的鍋爐設計內容已不能滿足當前環境對學生提出的需求，需要做出相應的改變，以適應外界環境的變化。如：在容量選取方面，選擇超臨界鍋爐或高超臨界鍋爐；在鍋爐改造過程中，重新計算因鍋爐局部受熱面改造而引起的流動阻力變化[4]。

1.2 課程課時被壓縮

以往，高校會安排兩個學期的鍋爐原理課程，即一個學期學習理論知識，下一個學期進行鍋爐課程設計，總時間達到96學時以上。目前，課時縮短到了48學時，很難全面講解鍋爐的系統知識，如鍋爐熱力計算和受熱面校核計算等內容[5]。鍋爐原理課程以內容體系復雜、理論性強和抽象概念多為主要特征，原本的課程設計就是以教師講解相關知識為主，指定煤種和鍋爐結構，讓學生按部就班地進行計算，最終提交計算成果即可，不需要進行過多的選擇和判斷。但這種傳統的教學方法不利于將理論知識與實踐應用充分結合起來，很難達到理想的指導效果。此外，課程設計內容過于單調，不能充分激發學生對學習和創新的熱情，學生雖然具有豐富的理論知識，但還缺乏實踐能力和創新能力。教師應做出合理的課程設計，培養學生的探索精神和創新實踐精神。

2 課程目標設計

2.1 以培養應用型人才為目標

結合CDIO工程教育架構來進行工科類專業的項目式教學設計，以項目選題的方式進行團隊化教學，建立新的課程學習綜合考評體系，形成科學、合理、有效的教學方法，以鍛煉學生的工程應用能力和科學創新能力，為學生以后的就業及科研打下堅實基礎。同時，將計算機編程工具和Ebsilon professional軟件融入其中，形成獨具特色的能源與動力工程專業課程設計教學內容。

2.2 調整課程教學方式

3 教學方式設計

3.1 注重理論聯系實踐

學生只學習鍋爐原理的理論知識是不夠的，還要將理論和實踐相結合，將理論知識應用于實踐，用實踐來加深學生對理論知識的理解。教師要根據社會需求來調整教學內容，并通過產學研合作、走訪單位等方式來深入了解鍋爐電力產業的現有教育情況。

3.2 引入現代化教學手段

鍋爐課程設計中涉及了大量計算，整體系統的計算流程比較復雜，單純一個個地計算難以達到讓學生充分理解知識點的目的，學生綜合素質得不到有效提升且浪費了大量時間。教師可以讓學生從系統搭建角度出發來掌握鍋爐的系統流程，讓課程設計更加直觀。教師在講解建模流程的過程中，學生可以學習每個設備的理論知識和對應的模塊搭建方法。模塊中嵌入了實際運行電廠的經驗公式和流體物性參數，省去了手動查圖查表的機械化過程，在可視圖形用戶界面中即可完成。軟件中每個模塊初始配置的標準值可以根據實際情況進行更改，模塊特性由一系列非線性方程進行定義(這與支配因子建模法的核心思想完全一致)，重復迭代計算求解，當達到有限收斂條件時，計算完成。

3.3 根據市場需求優化鍋爐結構布置方式，培養學生的創新意識

利用計算機編程工具優化鍋爐結構布置方式，提高鍋爐側能量利用效率，培養學生創新意識和解決實際問題的能力。例如，指導學生對鍋爐煙氣的余熱進行高效利用，降低鍋爐排煙的熱損失；在鍋爐尾部設置旁通煙道，進行省煤器雙級布置、低溫省煤器改造和空預器優化，并對改造后的節能效果及工程可實施性進行分析，培養學生的專業技術創新能力。

4 創新設計所取得的成效

創新設計可以較好地提高學生的學習積極性。圖1為600 MW超臨界壓力單通道煤粉鍋爐的總體布局，圖2為制粉系統模型，圖3為空氣預熱器模型，圖4為燃燒器模型。在計算出各設備的進出口參數后，能夠直觀地表達出不同設備之間的連接關系。

圖1 600 MW超臨界壓力單通道煤粉鍋爐的整體布置Fig.1 Arrangement of 600MW supercritical pressure single channel pulberized coal boiler

圖2 制粉系統模型Fig.2 Model of pulverizing system

圖3 空氣預熱器模型Fig.3 Air preheater model

圖4 燃燒器模型Fig.4 Combustion system model

得到了100%THA工況下各受熱面的主要參數，如表1所示。

表1 100%TAH工況下各受熱面的主要參數Tab.1 Heating surface parameters under 100%TAH working condition

搭建的模型有兩種計算方式，一種是設計模式，另一種是非設計模式。以管道設計模式下的管道進出口參數計算為例，軟件可利用管道輸入參數和管道壓降特性(內部修正或其他修正)來計算出管道出口參數。

5 結語

基于CDIO理念，堅持以學生為中心，對鍋爐課程設計的研究性教學模式進行探討。要注重理論聯系實際，引入現代化教學手段，根據市場需求優化鍋爐結構布置方式，培養學生的創新意識。鍋爐課程設計的研究性學習模式對學生專業素質的提高具有積極意義，能夠使學生更好地了解專業知識，培養學生的創新設計能力、自主學習能力、思考能力和探索精神。