火电厂典型故障虚拟仿真实验构架设计方案

白 韡，白健美

（神木职业技术学院，陕西 神木 719300）

顾名思义，火电厂指的就是火力发电厂，是主要利用煤炭、石油以及天然气等自然资源生产电能的工厂。其生产过程是利用燃料将锅炉中的水加热，再通过形成的蒸汽推动汽轮机旋转，从而使汽轮机带动发电机，从而将机械能转变为电能的一个过程。火电厂在运行过程中出现故障是在所难免的，为此，通过虚拟仿真实验，可以帮助和引导学生深入了解和掌握火电厂的运行过程，体验火电厂故障处理过程，提高学生对专业知识的应用能力，向国家和社会培养一批应用型专业人才。

1.火电厂典型故障虚拟仿真实验背景介绍

2017年，教育部门高教司在经过反复的论证和实践之后，向各大高校正式推出了“新兴工科专业”计划，并先后出台和颁布了《新工科建设形成“复旦共识”》《新工科建设形成“天大行动”》以及《新工科建设形成“北京指南”》等的指导性文件，其根本是将计算机技术与教育教学实现深度融合，再通过利用虚拟仿真技术不断创新和优化工程实践方法。

众所周知，火电厂生产流程复杂，安全生产要求较高，即使是已经进入企业实习的学生，也只能是观摩性地学习，根本没有动手操作的机会。所以，虚拟仿真实验在教学中的应用显得尤为重要。而在通常情况下，火电厂典型故障主要分为多个连续性的阶段，且每一个阶段都不尽相同，不仅现象复杂，且涉及的知识面还特别地广，因此在学习理论知识的同时，还应当注重和加强实践教学。另外，又由于火电厂典型故障虚拟仿真实验还具有高温高压、热工系统复杂、成本高昂以及安全性低，因此将理论知识与故障虚拟仿真实验结合于一起，可以帮助和引导学生更好地理解和掌握火电厂在实际运行过程中的典型故障，以及故障处理的方法和流程，提高学生们对专业知识的应用能力，从而向国家和社会培养一批应用型专业人才。

2.虚拟仿真实验的现状、特点与作用

2.1 火电厂典型故障虚拟仿真实验现状

高校能源与动力工程专业火电厂典型故障虚拟仿真实验构架设计方向主要是以火电厂中的动力设备、热工系统为主要研究对象。纵观当前，由于火电厂典型故障虚拟仿真实验动力设备价格高昂、占地面积大、能源消耗量大、实验成本高等以及火电厂在实际生产过程中不可间断以及不可逆操作等的现实问题，使得高校中的学生很难获得实际操作的机会，这对于培养学生实践能力的运用是十分不利的。

2.2 火电厂典型故障虚拟仿真实验的特点

一是经济性特点。通过对火电厂现行故障虚拟仿实验，不仅引导学生在虚拟的环境中完成操作，还可以达到教学大纲所要求的教学目标，提高教学质量和教学效率。另外，通过虚拟仿真实验还可以节省大量的实验空间，且不会出现动力设备磨损、折旧、零部件更换等的问题，还可以反复地进行多次实验，真真实实地向学生还原了火电厂实际的生产过程，既满足了教学目标的要求，又节约了对能源的耗用，具有较大的经济性特点。

二是灵活性特点。通过对火电厂典型故障虚拟仿真实验，可以根据学生实际的学习情况设计实验内容，灵活控制实验过程，并能根据实验要求，构架全新设计方案，或者也可以在原有的构架设计方案上进行改进和优化，具有很强的灵活性特点。

2.3 火电厂典型故障虚拟仿真实验的作用

火电厂典型故障虚拟仿真是高校能源与动力工程专业与计算机技术深度融合的产物，另外，他还依托虚拟现实技术、人机交互、数据信息以及网络通信等的技术，向学生构建高清的且仿真的试验环境和对象，引导学生在虚拟的环境中完成试验，可以实现和达到教学大纲中所规定的教学效果和教学目标。

3.火电厂典型故障虚拟仿真实验要素应用

3.1 火电厂仿真热工系统的应用

本实验项目主要通过利用火电厂中的仿真热工系统对学生进行实验操作训练，通过这一仿真热工系统可以实现1000 mw 超临界火电机组1:1的全过程仿真，根据实验过程中的数据信息，模拟火电厂各个热工系统、各个动力设备实际的运行情况，将火电厂典型的故障和对故障处理的过程真实客观地反映出来。但需要注意的是，实验中所使用的仿真热工系统必须要能达到火电厂级别的仿真虚拟要求，并使用与实际火电机组相同控制面板的1:1全过程操作平台，这样才能实现学生与火电厂工作人员沟通与交流，帮助学生明确火电热工系统的启动、运行和典型故障，了解各个热工系统与各个动力设备的运行特点，并结合相关的理论知识，制定针对性的故障解决措施。

3.2 火电厂虚拟现实技术应用

通过虚拟现实技术，结合火电厂真实的场景，通过三维动画方式将火电厂的生产场景真实地呈现在学生们面前。通过这种沉浸式的教学方式，可以帮助学生们生动地了解火电厂的生产现场、工艺流程、故障发生的动力设备以及生产现场的布局，学生们也可以在实验技能考核中准确地指出故障发生的位置。

3.3 岗位技能考评的应用

火电厂典型故障虚拟仿真实验可以将理论知识与行业资格考核要求有机地结合于一起，再通过实验操作过程、学生实验技能以及实验报告这三个部分体现出来。其中，要将学生的实验技能作为岗位技能考评的重点，比如学生对实验的实际操作是否完成、仿真模拟实验是否实现等等。在这一考核过程中，本实验项目根据某发电厂在岗人员考核要求，将每两个学生分为一组进行仿真实验，分别得出这两位学生的实验操作成绩，同时引入该火电厂运行人员岗位技能考核标准，对学生的火电厂典型故障处理过程是否正确进行全面的考核，在具体的评分过程中，根据火电厂的故障类型，详细列出故障处理步骤，并对学生的操作行为予以客观准确的评价。待实验结束之后，不仅需要学生能详细地描述火电厂各个热工系统和动力设备的原理和故障现象，而且还需要学生能够清晰明了地记录实验过程中产生的各类数据信息，正确分析火电厂典型故障发生的原因，判断故障的处理步骤是否妥当，分析典型故障发生后对火电厂正常运行造成的不良影响。

3.4 火电厂操作票制度的应用

在火电厂生产行业领域中，操作票是工作人员从事火电热工系统动力设备与热工系统的书面命令，是防止操作人员操作失误、保证其人身安全的重要措施之一。将操作票制度应用到火电厂典型故障虚拟仿真实验中，可以清楚了解火电厂生产流程，保证各项任务可以达到和满足相关要求，既可以帮助学生将理论运用至实践工作中，又可以为学生良好工作习惯的培养奠定坚实的基础。

4.实验的构架设计方案

4.1 实验内容设计

本次实验内容主要以火电厂内职业岗位知识结构和工作人员工作能力要求为出发点，围绕真实火电厂实际的生产情况，选取其中一个典型的故障案例。同时，本次实验内容所选择的热工系统模型主要包括火电厂锅炉模型、汽轮机模型、热工控制模型，可以实现对火电厂机组运行的全过程仿真。通过仿真控制室的动力设备，观察操作人员实际的操作情况是否与机组的运行情况相一致，综合考虑教学的实际条件，实现更多的故障仿真。此外，在试验内容的设计方面主要涉及的理论知识点内容包括以下两方面：一是火电厂锅炉和汽轮机的概念、类型以及故障处理应当遵循的原则。二是火电厂典型故障的现象、产生的原因以及故障排除的方法。

4.2 实验步骤设计

火电厂典型故障虚拟仿真实验步骤包括虚拟认知、运行操作、故障运行仿真、故障分析、故障处理五个方面。每一个步骤又由若干个任务组成，所以不同故障仿真实验的步骤略有不同。

一是虚拟认知。在实验开始之前设置火电厂机组虚拟漫游数据，合理规划机组漫游路径，进行三维漫游模拟，了解火电厂热力热工系统的相关理论知识，熟悉火电厂动力设备热工系统布置情况，找出故障所在的部位，了解上下动力设备热工系统之间的关系和运行过程。

二是运行操作。熟悉和了解仿真模拟软件操作界面，全面了解火电厂运行情况，明确软件操作方式，设置火电厂运行操作参数，以此获得稳定值，将其保存为稳定运行工况。

三是故障运行仿真。选择准备仿真的故障，设置故障参数，进行典型故障模拟，确定火电厂动力设备与热工系统的运行功率、压力、流量以及温度，认真观察并详细记录以上参数的变化过程，了解故障发展情况。另外，通过对参数的修改，确定控制热工系统安全值，了解控制热工系统在停机、跳闸等情况下的运行状态，研究这些运行状态对火电厂正常运行所带来的影响，进而获得故障发生的规律。

四是故障分析。借助虚拟现实技术，通过虚拟现实画面，呈现故障发生的动力设备和热工系统，确定故障发生的准确位置，制定针对性的反故障措施，严格按照故障处理程序，设置热工系统整定值和安全值，在仿真热工系统上完成故障的处理。

五是故障处理。修改故障参数，重新启动程序，分析故障参数对火电厂正常运行产生的影响，修改控制热工系统整定值，分析整定值对火电厂工作人员人身安全造成的影响，修改火电厂控制热工系统逻辑规律，再分析控制热工系统对火电厂正常运行带来的影响，优化和完善典型故障处理步骤，分析处理步骤对火电厂正常运行带来的影响。

5.结语

综上所述，火电厂典型故障虚拟仿真实验构架设计分别借助国家工程实践教育中心和上海能源实验教学成功经验，利用计算机、物联网以及虚拟相结合的技术，根据火电厂实际生产情况，合理地解决了学生在企业实习过程中的种种难题。另外，出于对火电厂的安全考虑，新进学生不能进入现场实习、不能在故障现场学习、实习时间短等的现实问题，虚拟仿真实验结合火电厂实际生产情况，高校注重理论知识与实践经验的一体性以及对学生实际操作能力的培养，根据故障类型布置实验任务，确保每一项实验步骤都能满足火电厂实际要求。通过教师和学生的共同努力，不论是学生的理论知识掌握程度，还是对实验的操作能力，都得到了充分的锻炼。