全国油气储运工程设计大赛对输气管道教学方式的启发

方丽萍,赖家凤,喻 鹏,梁金禄,周 雄

(北部湾大学 石油与化工学院 ,广西 钦州 535011)

2017年5月，国家发展改革委国家能源局发布的《中长期油气管网规划》中指出，2015年底，我国天然气主干管道里程已达到6.4万公里，用气人口从2010年的1.9亿人上升到2015年的2.9亿人。到2020年，全国油气管网规模达到16.9万公里，其中天然气管道里程达到10.4万公里；到2025年，全国油气管网规模达到24万公里，全国省区市天然气主干管网全部接通，50万人口以上的城市天然气管道基本接入，天然气管网里程达到16.3万公里。天然气管道里程年均增长9.8%。到2030年，天然气利用逐步覆盖到小城市、城郊、乡镇和农村地区，基本形成现代油气管网体系。在此背景下，输气管道设计与管理的教学目标和质量倍受关注。

1 全国油气储运工程设计大赛参赛队伍能力的要求

全国油气储运工程设计大赛始于2016年，由中国石油学会主办、中国石油大学(华东)承办，每年举办一次。在此之前，与油气储运工程专业最接近的学科竞赛是全国石油工程设计大赛的地面集输部分。大赛目的在于激励学生学习积极性，提高大学生运用油气储运工程专业知识解决实际问题的综合能力，检验学生的知识基础，培养学生创新思维，推动大学油气储运教学体系、教学内容和教学方法的改革。大赛赛题取自现场工程实际，每年赛题包含两个方向。从这两年的参赛情况来看，长输管道的参赛数和获奖数均高于油田方向。见表1。

表1 全国油气储运工程设计大赛赛题及近三年参赛情况

油田方向的赛题中，参赛作品需根据井口布置及发展规划，完成油气井口集输的优化设计，根据油气性质选择油气处理方案，实现安全经济的目标。长距离管道的赛题中，需对原油或天然气长输管道进行设计，确定河流跨越或穿越方案，输油管道需设计火车装车方案，输气管道需考虑沿线工业园用气需求。完成一个参赛作品，必须具备几方面的能力：

(1)对赛题进行分析，根据团队的优势选择参赛题目。具备与团队的沟通能力和团结协作的能力。

(2)根据油品的物理化学性质进行基本的计算。建立数学模型，能够运用编程语言编制优化程序、运用专业软件如pipephase、pipeflow、OLGA、hysys进行计算及模拟，并根据所学知识对计算结果校核。运用技术经济学的知识对设计方案的经济性进行比选。

(3)熟练运用AutoCAD、CorelDraw等绘图软件，把站场、管道等设计作品绘制出来。

(4)从网络资源或书籍中获取信息，关注科技前沿，把新技术应用到设计作品中。

2 应对储运设计大赛输气管道的教学改革思路

《输气管道设计与管理》是油气储运工程的主干专业课之一。特别是以天然气和城市燃气为特色及主要就业方向的高校，《输气管道设计与管理》的学时相对较高。在进行输气管道设计，需基于物理、化学知识进行气体物理化学性质计算；基于流体力学进行水力计算；基于热力学及传热学进行热力计算并判断水合物形成的可能；基于泵和压缩机计算压气站和管道联合工作的工作点，布置压气站；基于机械设计及管罐强度对管道强度进行校核；基于技术经济学对设计方案的经济性进行校核；基于C语言或matlab进行编程，计算管网各节点的压力及流量，掌握初步优化及稳态计算等等。因此，在修《输气管道设计与管理》前，需先修物理化学、工程流体力学、热力学、传热学、泵和压缩机、机械设计基础、管道及储罐强度设计等课程。在以能力为导向的模块化人才培养方案里，《输气管道设计与管理》课程修完之后，学生需具备天然气长输管道设计、应力校核、热力计算、水合物形成区域判断、压气站布置等能力。目前大部分《输气管道设计与管理》课程所使用的教材为李玉星教授编写的《输气管道设计与管理》及王树立教授编写的《输气管道设计与管理》。这两部教材的章节均以"天然气物理化学性质-天然气净化-气体管流基本方程-水力计算-热力计算-压气站与输气管联合工作-输气站-干线优化设计-城市配气系统"为主线进行编排。不同的是，王树立教授的教材添加了部分气田集输及小区液化气管道供应等内容；李玉星教授的教材注重模拟仿真的介绍及理论计算。在以往的教学中，课程的教学内容的与教材一一对应，除了例题之外，缺少相应的设计素材。课堂上难免枯燥乏味，学生也得不到锻炼设计的机会。

在近几年的教学改革中，为了使课堂教学贴近实际，生动形象，尝试过一些方法。如借鉴CDIO的理念，设计创新设计性实验，要求学生通过设计、实现、观察进而分析结果，得出自己的结论。考核时将输气管道的各部分设计内容作为大作业，将大作业和综合性创新实验作为考核内容之一[1]；搜集学生较为熟悉的天然气管道资料，如流程图、安装图，配以实物图片和影像资料；将难以实物演示的环节做成3D动画等便于展示的媒体素材[2-3]；按管道设计工作过程为导向重新组织教学内容，仅把教材作为参考书，并额外补充工程设计规范等相关内容[4]。基于普通本科学生的现状及学校的实验条件，设计创新设计性实验几乎不可能实现；而制作3D动画需耗费大量的财力资源，在目前高校经费和奖励制度普遍重科研轻教学的形势下，也难以完成。因此，近几年《输气管道设计与管理》的教学改革以布置大作业和上机实验为主，以管道设计工作过程为导向组织教学内容。

近两年，全国油气储运工程设计大赛的开展大大提高了学生上课的积极性和主观能动性。从组队到选题，到作品的设计过程均以目标为导向。鉴于这一点，再次对《输气管道设计与管理》进行教学改革，修改大赛设计题目作为案例，以实现题目要求为目标组织教学内容，辅以教材相应知识作为指导。

3 以设计目标为导向的输气管道教学改革的实施

在心理学中有一个有趣的定律：可见目标定律。看得见、够得着的目标，人们更愿意去完成它。相反，若一个目标渺渺无期，则将使人失去实现它的动力。在进行教学设计时，围绕设计目标寻找设计思路，在实现设计思路的过程中逐个解决所涉及的问题。将最终设计目标分解成若干个小目标，将每一个小目标的实施思路组织成每一次课的教学内容。把小目标设计时涉及的知识点以关键词的形式布置课前作业，让学生从网上或书籍中搜集相关内容。在课堂讲授时穿插工程设计规范中的相关规定及前沿科技知识。这样，把一个设计过程切割成每节课均可完成的小目标，不仅能够提高学生的学习热情，也可让他们在学到知识的感觉中找到自信。

除了《输气管道设计与管理》这门课程的教学需要进行改革之外，也对输气管道的先修课程《工程制图》进行部分改革，以满足《输气管道设计与管理》课堂教学及课程设计的需要。在以往的工程制图课程教学中，主要有两大部分内容。一是画法几何，二是工程制图及CAD绘图。机械专业的学生偏重机械制图，但油气储运工程专业的学生，除能够对机械图样进行识读之外，还需能够掌握管道布置图、工艺流程图、平面布置图的知识。若要参加储运设计大赛，还需要能够进行三维图样的绘制。为了让学生对各个站场的设备及布置有个感性的认识，引进联合站、压气站、LNG接收站等典型站场的模型。在《工程制图》课程中，训练学生通过观察模型实物图，绘制相应的管道布置图、工艺流程图和平面布置图。在CAD教学的后期，邀请设计公司的工程师讲授小区管道燃气的布置原则及图样绘制。在《输气管道设计与管理》课程中，进行压气站布置或天然气净化处理设计时，可让学生参照各个站场模型布置站场，并根据实际条件对站场布置或引进设备进行创新。

4 结语

在全国油气管网建设进度加快的趋势下，《输气管道设计与管理》这门课程担负着巨大的使命。全国油气储运工程设计大赛“以赛促学、以赛促教、以赛促研”的理念，激起学生学习的兴趣和热情。来自工程实际的赛题数据，为输气管道课程的教学提供丰富的素材。在应用型大学以能力为导向的教学理念中，以设计目标为导向的教学改革，使学生学有所成，学以致用，为我国油气管道建设做出更大的贡献。