锅炉水处理作业仿真培训考核模拟机设计

贾丙丽* 车 刚

(泰安市特种设备检验研究院)

0 引言

锅炉水处理操作是一项对过程要求很高的工作，作业人员应了解和掌握锅炉水处理原理和故障排除等知识，锅炉水处理作业一旦出现问题，将会导致锅炉结垢、腐蚀及汽水共腾等危害，使电站造成巨大损失。根据TSG G0001—2012《锅炉安全技术监察规程》的要求，锅炉水处理作业人员应当按照《特种设备作业人员监督管理办法》的规定持证上岗，按章作业。

本文中的锅炉水处理作业仿真培训考核模拟机是专门为特种设备作业人员考试机构的锅炉水处理作业人员培训考试而研制的，同时也可以作为电力学校学生的实训模拟机和企业岗前培训模拟机。结合教材理论知识培训，重点就设备动手操作、故障排除、树脂再生等实操性问题进行真实再现及演示，使水处理作业人员达到考核要求。

1 需求分析

新修订的《特种设备作业人员考核规则》TSG Z6001—2019自2019年6月1日起正式实施，与原标准（TSG Z6001—2013）相比，TSG Z6001—2019将原来的一级锅炉水处理（G4）和二级锅炉水处理(G5)合并为锅炉水处理（G3）项目，新标准对作业人员的考核要求更高了。作业人员既要掌握工业锅炉水处理知识，又要掌握电站锅炉水处理知识，合格分数线也由原来的60分提高到了70分。相关实际操作的要求包括：离子交换设备的反洗、置换、正洗、运行制水操作；膜装置的运行及其反洗操作；锅内加药操作；除碳器的运行操作；除氧器的运行操作。要求作业人员能够解决的水处理设备故障包括：钠离子交换设备出水率降低，周期制水量减少；运行或反洗过程交换剂流失，软化或除盐过程中，出水达不到要求；软化水氯离子含量增加等。自新考规实施以来，不论是对考核机构还是对学员来说，要求都提高了，考试通过率急剧下降。

出于以上实际情况，作者及所在的创新团队在参考了同类模拟机的设计思路后[1]，研制了这款模拟机，该模拟机可作为锅炉水处理操作人员实际操作技能确认和考核的设备，集教学、训练、考核为一体。模拟机选用国内工业及电站锅炉常用典型核心水处理设备钠离子交换器、反渗透、除碳器、除氧器、阴阳混床为设计原型，模拟制水过程中设备的实际运行状态，针对考核试题，采用信号采集、传递技术、电路集中控制技术、计算机软件应用技术、配备声光模拟技术等给水处理作业人员营造水处理设备运行现场的真实环境，可供培训考核单位对水处理作业人员人员培训考核使用。

2 整体方案及实现

模拟机选用目前行业内在用的具有代表性的典型水处理设备，钠离子交换器、反渗透、除碳器、除氧器及阴阳混床本体，其附属设备、安全附件、阀门等都采用实物仿真模拟（如图1所示），该设备可进行相应模拟操作，且能够对运行参数（如压力、温度、水位、流量、电导率、pH等）进行显示和调节，整套水处理设备的外皮采用全透明材质，能够向使用者清晰地展示设备内部结构及运行状态。

图 1 实物物理模型

锅炉水处理设备实际操作培训考核模拟机的硬件构架如图2所示，主要由实物物理模型、传感器检测控制系统及计算机软件系统组成（如图3所示）。其中实物物理模型各组成设备及内部机构均参照实际设备且按一定比例缩小，计算机软件系统所包含的5个一级模块和4个二级模块完全能够满足水处理作业人员的培训、练习及考核工作。

图2 模拟机硬件构架

图3 计算机软件系统

其中钠离子交换器使用的树脂再生方式为手动再生，主要目的是考核操作者的再生操作动手能力，交换器盐罐与树脂罐各开关阀门均配备了信号传输功能，可以根据操作者的操作，把操作信号传输给上位机。

反渗透及混床2台设备通过声光动态模拟水流过2台设备时发生的变化，反渗透管及混床的外壳采用有机透明玻璃材质，其中反渗透管中心水管采用变色灯管，灯管的不同颜色代表不同水质，采用蓝色表示过滤后的淡水，浓水出水管的灯光颜色则为棕黄色。中心水管与外壳之间的反渗透膜采用变色材质，当膜的颜色变为棕黑色时，即代表膜受污染较严重，需要及时进行低压反冲洗操作。定期对反渗透设备采用大流量、低压力、低pH的介质冲洗有利于清除附着在膜表面上的污垢，维持膜的渗透性能，或当反渗透设备进水SDI突然升高至5.5以上时，应进行低压冲洗，待SDI值调至合格后再开机。

同时为了便于观察混床内部水的流路，阴阳离子混床（如图4所示）中进酸管、进碱管、排水管、中进水管、中排水管、上排水管、下排水管采用变色灯带代替实际钢制管道，同时用LED点状变色灯代替混床内的阴阳树脂填料，灯的颜色变化可以模拟树脂再生前后颜色的变化情况。当打开上述各管道的阀门时，相应灯管即变为蓝色，表示有水流过，操作者通过操作阀门实现树脂再生操作的模拟工作，实现反洗、置换、正洗、制水操作，模拟机的教学模块可实现利用3D动画技术生动演示混床内部组成结构、制水流程、故障排除、树脂再生的教学目的。

图4 阴阳离子混床剖面简图

除碳器及除氧器选用的是大气除碳器和热力除氧器，二者结构均比较简单且易于操作。其中大气除碳器设有进水阀、出水阀和鼓风机开关，并具有信号传输功能。同样，热力除氧器设有进水阀、出水阀和底部加热开关，并具有信号传输功能。

在该系统及其2台重点设备反渗透及混床上按照实际设备结构安装多个控制点，控制点为在实际运行中水处理系统工作参数可供操作的部位，如排气阀、进液阀、排水阀和进气阀等，操作部件处装有信号采集传感器，当操作部件动作时，触发信号采集传感器，传感器将控点信号传输至控制系统，信号经过控制系统处理后传递给计算机系统，计算机系统对接收的信号进行处理，并对操作者的操作情况做出评判。

3 考试系统流程及实现

模拟机中的考试模块（如图5所示）能够满足正常操作、故障设置、应急操作和树脂再生等科目的要求，所有科目内容均与考核大纲一致。模拟机也能够满足对锅炉水处理作业人员培训考核的要求，软件系统具有题库管理、随机组卷、自动限时计时、自动判卷评分、自动记录存档、统计、查询、汇总报表、建档和存档等数据库管理功能。

图5 考试模块流程图

考试模块的具体流程为：考生通过学员号及准考证号登录考试系统，点击开始考试模块，考试倒计时开始；考生依次进入设备部件识别考核模块、设备操作模块、设备故障排除模块进行考核，每个模块系统随机抽2道题目进行考核，总时长为30 min；其中，设备部件识别模块中，考生需手持专用扫码器按照考试题的要求扫对应部件上的二维码，扫码器将信号传输给电脑考核系统，系统判定后给出考核结果；在设备操作模块中，考核系统从题库中随机抽出2道操作试题，考生需根据题目要求扳动相应阀门完成考核，阀门上的信号采集器采集到考生的操作之后，将信号传递到电脑考核系统，系统自动判定给出考核成绩；故障排除题的考核与操作题的考核基本类似；考生在规定时间内完成考核后，电脑自动算出考生分数，70分为合格，若低于70分，考生就需要进行补考，每位考生仅有1次免费补考机会。

4 结论

锅炉水处理作业人员的操作水平是影响锅炉安全节能运行的重要因素。本文提出并设计了一种锅炉水处理模拟机，带有人机交互装置的操作控制系统以及运行锅炉数字仿真程序及操作记录评分功能，开发设计的模拟机已与锅炉水处理设备生产厂家、物联网公司达成了样机研发生产合作协议。该产品正式投用后将会促进锅炉水处理作业人员快速消化理论知识，掌握实际操作技能，大幅提高培训考核的质量，同时也会带来一定社会效益和经济效益，市场化前景良好。