“鍋爐原理”課程虛擬實驗設計

樓 波，董美蓉，王 輝

（1.華南理工大學電力學院 廣東 廣州 510640；2.京信數據科技（中山）有限公司 廣東 中山 528400）

國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措[1]。陳清奎等[2]針對現有教學模式的不足，以虛擬現實技術為核心, 開發了適用于模具專業的仿真教學系統，該系統集“學、練、考”于一體，以虛帶實、虛實結合，促進理論與實踐的融合。王金龍等[3]把虛擬現實技術應用于化學化工教學與考核領域。王龍庭等[4]研發的液壓機械控制虛擬教學實驗，實驗成本低，學生共享性高，豐富了傳統的實驗教學。張桂臣等[5]、李錦偉等[6]分別將虛擬現實技術用于船舶電站和虛擬儀器的實操等領域，將技能測評、智能化與網絡考試相結合。虛擬實驗技術因實驗環境要求低、交互性強，越來越多地被運用于教學領域，產生了意想不到的效果。

鍋爐原理專業課虛擬實驗設計近乎現場鍋爐各系統控制操作的過程，把鍋爐原理知識匯入各系統的各個操作過程之中，可以很好地彌補能源與動力工程專業課程實驗方面的不足，為學生提供身臨其境的實操機會，體會鍋爐原理在設備運行中的具體實現過程。

1 虛擬實驗

為了概括鍋爐原理課程內容，虛擬實驗設計包括鍋爐的主要設備與系統，以及正常運行參數調節、設備與系統的啟停以及鍋爐系統的事故處理等環節，系統流程、鍋爐工作過程中的能量、物質守恒原理得到很好的體現，包含了目前鍋爐原理專業課程各章節主要的教學內容與知識點。虛擬實驗運用計算機技術、互聯網技術、流媒體技術和虛擬仿真技術，針對直流鍋爐與汽包鍋爐原理中的主要熱力系統：制粉系統、燃燒系統、汽水系統等，以及不同運行工況（正常運行、系統啟停、事故處理等）完成虛擬操作實驗操作考核，使零散的鍋爐專業知識得到系統的融合與貫通，彌補了鍋爐原理專業課教學單一上課與學生沒法實操鞏固理論知識環節的不足，為鍋爐專業課教學提供了一種嶄新的嘗試。

2 虛擬實驗模塊設計

鍋爐原理課程虛擬實驗按模塊化思想設計，模塊設計覆蓋了鍋爐主要的系統：制粉系統、受熱面的“鍋”系統與燃燒的“爐”系統，內容包含了兩種鍋爐類型：自然循環鍋爐與直流鍋爐，設計了鍋爐實際運行的三種操作情形：正常參數調整、設備啟停與事故處理。內容豐富，覆蓋了鍋爐原理課程的主要知識點。

2.1 自然循環鍋爐虛擬實驗

虛擬實驗具體包含8 個模塊，分別是：鍋爐中儲式制粉系統操作與事故處理模塊、直吹式制粉系統啟動與停運、鍋爐參數（汽溫、汽壓）控制范圍及調整、鍋爐正常停爐操作、鍋爐爆管事故處理（過熱器）操作、直流鍋爐啟動中的清洗操作、直流鍋爐從初負荷到滿負荷啟動、直流鍋爐蒸汽參數調節。自然循環鍋爐也就是汽包鍋爐，虛擬實驗包含了三個模塊，汽包鍋爐參數調整、汽包鍋爐正常停爐操作、鍋爐過熱器爆管事故處理。下面以汽包鍋爐正常停爐操作為例，敘述實驗設計中體現的虛擬實驗的實驗原理與核心要素、知識點。對學生的操作通過繪制操作參數曲線的方法進行記錄，先設置標準停爐曲線，通過對比學生的實際操作曲線與標準操作曲線，評價學生鍋爐停爐過程的減溫速率、參數變化偏離程度，并判斷操作步驟的對錯，最后給出評分。

2.1.1 實驗原理

自然循環鍋爐冷態啟動實驗主要由燃燒系統與汽水系統組成，為了實現虛擬實驗的具體操作，設計鍋爐燃燒系統和汽水系統操作圖，進而在操作圖中設置各種設備的操作點。實驗原理基于燃燒的發熱量與蒸汽吸收的能量平衡，以及汽包水位的給水量與產汽量之間的物質平衡來實現燃燒系統與汽水系統的參數變化規律。

2.1.2 核心要素

鍋爐正常停爐過程的能量減少，引起參數逐漸降低的規律；減溫速率與熱應力的關系；低負荷時，燃燒不穩定的特性。

2.1.3 知識點

通過降低鍋爐燃料與風來逐漸降低汽溫汽壓參數，熄火后通過旁路系統逐漸降溫降壓，減溫速率需滿足金屬熱應力安全要求；在燃燒系統操作步驟中，按燃燒要求對燃料與風調節步驟的先后順序；汽包中在物質與能量的儲存作用下，給水水位和汽壓的變化規律；在控制參數低到一定溫度的時候燃燒不穩定，投油助燃后燃燒和蒸汽參數的響應特性。

2.1.4 實驗步驟設計

鍋爐降負荷和停爐實驗步驟設計包括：停運前準備、鍋爐降負荷、熄火后降壓等步驟。停運前的準備步驟包括：填寫操作票、受熱面吹灰、排污等；鍋爐降負荷步驟包括：逐漸按曲線速率減少燃料煤量，維持氧量、爐膛負壓、汽包水位等參數正常，在煤量較低時投油助燃，在逐漸減少煤量到零時關閉主蒸汽閥等；熄火后的降壓步驟包括：用旁路閥開度控制壓力曲線，同時包括停風煙系統、環保系統、測量取樣閥門，直到打開空氣閥降壓到環境壓力。

2.1.5 操作評分標準設計

操作評分標準設計包括：操作錯項扣2 分/次，操作漏項扣3 分/次。按照降壓和降溫曲線進行降壓過程：壓力偏離±0.2MPa 扣2 分/次，偏離±0.5MPa 扣5 分/次，偏離±1.0MPa 扣10 分/次等。

2.2 直流循環鍋爐虛擬實驗

直流鍋爐虛擬實驗包含三個模塊，直流鍋爐參數調整、直流鍋爐冷態清洗操作、直流鍋爐啟動。下面以直流鍋爐參數調整為例，敘述實驗設計中的實驗原理與知識點、核心要素以及具體的實驗步驟與評分標準。

2.2.1 實驗原理

與自然循環鍋爐類似，直流鍋爐由燃燒系統與汽水系統組成，為了實現直流鍋爐的運行操作，設計直流鍋爐燃燒系統和汽水系統操作圖，操作圖中設置了眾多設備的操作點。實驗原理基于燃燒的發熱量與蒸汽吸收的能量平衡，直流鍋爐給水量、減溫水量與產汽量之間的物質平衡。

2.2.2 核心要素

直流鍋爐中，燃燒改變時對應的汽溫與煙氣側參數變化；燃料燃燒以及外界給水擾動變化時，鍋爐整體的能量與物質平衡；直流鍋爐中汽溫、汽壓、負荷等參數的協調變化。

2.2.3 知識點

①空氣與燃料的混合比例對燃燒的影響以及燃燒對汽壓的影響；②燃燒系統對汽水系統中蒸汽量、汽溫、汽壓參數的影響；③汽水系統中給水量對鍋爐產汽量的影響；④風與燃料的參數對燃燒穩定的影響。

2.2.4 實驗步驟設計

實驗分為主蒸汽與再熱蒸汽參數高、主蒸汽與再熱蒸汽參數低兩部分的步驟設計，包括：增加（減少）引風量，調節爐膛負壓；增加（減少）送風量，調節煙氣氧量；增減燃料量（增加給煤量），改變主蒸汽溫度；調整煙氣擋板，調節再熱汽溫；給水調整，改變蒸汽量與蒸汽壓力；調整減溫水，用于調節主蒸汽溫度等。

2.2.5 操作評分標準設計

操作評分標準包括：燃料與風的操作必須按先后順序執行，否則每次扣5 分；煙氣擋板調整、給水調整和減溫水調整不受步驟限制，可隨時進行調整；主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度超標，報警并扣5 分；爐膛負壓超標（正常范圍-50 到-20）5 分/30 秒；氧量超標（正常范圍3 到5）5 分/30 秒。只要參數都正常，就可以倒計時提交，操作結束。

2.3 制粉系統虛擬實驗

鍋爐制粉系統對燃煤鍋爐來說是至關重要的輔助系統，同時也是比較復雜的系統，而且對鍋爐燃燒的影響非常密切，為此鍋爐虛擬實驗系統還開發了兩類制粉系統虛擬實驗的模塊，包括鍋爐中儲式制粉系統操作與事故處理模塊、直吹式制粉系統啟動與停運。

2.3.1 實驗原理

下面以鍋爐中儲式制粉系統操作與事故處理模塊為例，敘述實驗設計中的實驗原理與核心要素、知識點以及具體的實驗步驟與評分標準。制粉系統燃燒與爆炸事故虛擬實驗是基于燃燒三要素原理，在發生燃燒與爆炸事故時實現隔絕空氣以及滅火，制粉系統煤粉流輸送與干燥要滿足能量與物質平衡的原理。

2.3.2 核心要素

①燃燒三要素；②干燥過程煤粉氣流的能量平衡；③氣流輸送的兩相流動原理。

2.3.3 知識點

通過虛擬仿真技術將制粉系統設備的組成以系統圖的形式表示出來，并提供可操作檢查的功能。制粉系統設備組成及啟動前檢查模塊涉及原煤倉、給煤機、磨煤機、木頭格篩、粗粉分離器、細粉分離器、粉篩、粉倉、鎖氣器、潤滑油系統、閥門開關（標記紅色的為關，黑色為開）操作，能讓學生熟悉復雜的中間儲倉式制粉系統的主要設備、流程，熟悉中間儲倉式制粉系統各設備的功能、運行操作、事故處理，展現煤粉干燥時的能量平衡原理以及輸入能量過量導致的煤粉超溫燃燒及爆炸情形。

2.3.4 實驗步驟設計

整個制粉系統的虛擬實驗分三節階段的操作，制粉系統煤粉自燃時的處理（第1 階段）步驟為：加大給煤機轉速；壓住回粉管鎖氣器；關小磨煤機總風門；停止給煤機、磨煤機運行，蒸汽滅火；待磨煤機出口溫度正常時，退出蒸汽滅火；啟動磨煤機，再啟動給煤機。制粉系統爆燃后的處理（第2 階段）操作步驟：停止給煤機運行、停止磨煤機運行；蒸汽滅火，待磨煤機出口溫度正常時，退出蒸汽滅火；緩慢開啟排粉機入口聯絡風門同時緩慢關閉排粉機入口風門；及時投油助燃，防止爐膛滅火，后停止排粉機運行；全面檢查。煤粉倉自燃爆燃的處理（第3 階段）操作步驟為：停給煤機，再停磨煤機，關閉煤粉倉吸潮管吸潮門；待粉位降到1m 時，蒸汽滅火，待煤粉倉溫度正常時，退出蒸汽滅火；重啟磨煤機、給煤機，迅速增大給煤量（90%以上）；增大磨煤機溫風門與熱風門；讓煤粉倉粉位上升到4m，可以提交。

2.3.5 操作評分標準設計

制粉系統采用鋼球磨中間倉儲式乏氣送粉系統，制粉系統燃料為煙煤，正常制粉系統出口煤粉溫度70℃，煤粉倉溫度60℃。操作錯誤扣2 分。制粉系統的給煤機、磨煤機、排風機的啟停存在嚴格邏輯，操作錯誤每次扣5 分。

3 結語

鍋爐課程虛擬實驗系統包含八個模塊，實現了鍋爐正常參數調整、系統設備啟動以及鍋爐事故等場景的操作，完成鍋爐工作原理與虛擬現實技術結合，把鍋爐原理課程的知識點融入各系統的各虛擬實驗操作過程之中，能更好滿足工科學校對學生專業能力培養的要求。