基于B/S模式的火电厂虚拟仿真研究与开发

马 进，杨 建，郝宁宁，刘倩倩

（华北电力大学，河北 保定 071003）

为推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，提高智能化背景下高等学校实验教学质量和实践育人水平，教育部从2017年起开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作[1-2]。对于火电厂相关知识教学来说，传统实验课程存在设备成本高、消耗大、不可逆、安全隐患较大等缺陷[3]，虚拟仿真实验教学采用局域网在计算机上模拟电厂实际运行过程，操作安全高效，有效弥补了传统实验课程的缺陷。因此开展火电机组的虚拟仿真实验教学来让学员进行运行操作是有必要的，具有非常重要的现实意义[4-5]。

在实际教学过程中，教学科目往往是理论和实践的交互结合。通过构建与真实电厂一致的虚拟电厂环境，可以帮助学员更好地理解火电厂的生产原理及工作流程。传统的虚拟仿真教学实验都依托于相对固有的设施，需要在学校实验室进行练习或者需要学生下载相应的软件、插件，未能开拓畅通的开放共享渠道，在一定程度上限制了资源的共享。文献[6]中采用虚拟现实仿真教学系统替代传统的现场实习，增进了学生对火电厂各环节的学习，但是该系统仅服务于校内，需要在特定的实验室内进行学习，受众较为有限。文献[7]中研发的宇龙机电控制仿真软件，可以解决电气部分的电路搭建，但是需要安装软件，并插入对应的加密狗才能使用。2020年，全球爆发新冠病毒疫情，导致学生不能返校，员工不能复工，体现了传统培训教学的局限性。此次开发的火电厂虚拟仿真教学软件，基于B/S模式，采用HTML5、CSS和JavaScript进行网页设计，软件仿真的火电厂锅炉辅机启动的动态过程，将功能实现的核心部分集中到浏览器上，用户通过1台联网计算机，即可使用浏览器进行访问学习。相对传统模式而言，软件对电脑的系统没有要求，突破了传统仿真机对时间和空间的限制，实现了资源共享。基于B/S模式开发的软件，对后期系统的开发、维护更加简便。分别邀请具有专业经验的教学人员和相关专业的学生进行测试，测试效果均良好。

1 锅炉辅机启动过程系统

1.1 锅炉上水流程系统

水量通过给水泵进行供给，流水通过3个全开全关阀门（fwv1、fwv2、fwv4）和1个调节阀门（fwv3）进入到汽包，水量的大小通过调节阀门和给水泵少管的位置进行控制，汽包中的水由炉水循环泵送到水冷壁中，当水冷壁被汽包中的水注满后，水冷壁中的水再流向汽包，从而形成水循环。锅炉上水流程系统示意图如图1所示。

图1 锅炉上水流程示意图

1.2 风烟系统

风烟系统的设备主要包含送风机A/B，引风机A/B及空预器A/B（AHA，AHB）。其中送风机的功能主要是增加氧量，引风机的功能主要是维持炉膛压力，通过调节引风机静叶实现该功能。风烟系统示意图如图2所示。

图2 风烟系统示意图

1.3 泵/风机系统

根据泵/风机的上游压力、下游压力、转速和导纳来计算流量，泵/风机的流量计算模型如图3所示。

图3 泵/风机的流量计算模型

根据相似定律，泵/风机任意转速N时的全压PT满足如下关系：

泵/风机的流量计算如下：

式（1）（2）中：PT为泵/风机的全压；PT0为泵/风机的最大扬程；N为泵/风机的转速；W为泵/风机的流量；C为泵/风机的导纳；PS为泵/风机的上游压力；PD为泵/风机的下游压力。

2 基于B/S模式的操作软件设计与开发

基于B/S模式的操作软件模拟了某火电机组仿真机DCS界面的操作和显示过程。软件使用HTML5、CSS3和JavaScript进行界面开发。整体画面使用HTML5构建，用CSS3进行画面渲染，采用JavaScript建立数学模型，模型代码嵌入在网页中。网页能够实现点击操作、设备状态反馈、数据输入及数值反馈等功能，达到动态操作的效果。

2.1 界面开发遵循的基本原则

界面开发要遵循一致性、完整性和易操作性3个原则，具体如下。

一致性：虚拟仿真教学项目软件，基于原仿真机组通过B/S模型运用到网页端，其中操作画面、操作步骤、实验数据，都应与原仿真机组保持一致。

完整性：虚拟仿真教学项目软件，包含火电厂中锅炉辅机启动的全部操作内容，用户在学习使用的过程中，可以全面了解到相关设备的特性及参数变化。

易操作性：使用软件的学员，往往没有丰富的相关知识储备，软件中的设备要易于操作，查看资料快捷、简单。

2.2 利用JavaScript实现操作动态效果

阀门开关的动态过程：软件的模型1 s更新一次，JavaScript利用document.getElementById（"阀门开度对应的ID"）.innerHTML语句，获取阀门开度的输入值，阀门开度调节是从0～1的动态过程，设置阀门开度1 s变化0.1，调节阀门开度直至等于输入的阀门开度时停止，将每秒钟阀门开度变化的数值实时传回网页显示界面，用户便可以观察到阀门调节的动态过程。

阀门开度数值的输入处理：网页端输入数字，可能因为误操作输入一些特殊符号，例如空格、逗号等。这样的数据传到后台中，JavaScript编写的数学模型就无法直接计算。程序对数值的误操作处理，采用的是JavaScript中字符串替换函数replace（/s*/g，""），函数可将输入的特殊符号直接剔除，通过字符串替换函数的使用，有效处理掉带有符号的错误数据，同时，程序通过设置数值上限和下限，将数值控制在0～100之间，保证了数据的有效性。

3 操作评分模块

操作评分模块集成小型在线考试系统，根据操作规范进行评分，并且能够对学生的情况进行统计，包括仿真操作成绩、操作时间等信息。评分过程示意图如图4所示。

图4 评分过程示意图

设备操作的评分过程。程序主要设立名称、设备编号、开关状态、分值4部分内容。程序通过读取设备编号，找到后台中对应的设备状态数值，与程序设定的开关状态对应数值进行比较，若两数值相等，程序返回设定的分值数值，否则计零分。

仪表数据的评分过程。程序增加数据上限和数据下限2部分内容，与设备评分不同的是，仪表评分过程，只要仪表数据在正确范围内即可给分。程序通过仪表ID读取仪表数据后，利用if语句进行数值判断，若数值在设定范围内即给对应分值。

4 操作指导模块

结合火电厂运行培训教材，制作火电厂操作指导模块，方便学生进行课前预习、课后复习和自学。在操作指导模块中主要包含2部分内容：运行规程模块和设备与系统模块。

运行规程模块介绍了火电厂运行中的操作步骤，主要有机组启动、停机、辅机设备启停与操作、机组的试验、连锁与保护、机组事故与故障处理等几个方面内容。本软件在运行规程中链接了大量的操作演示，操作演示是在本软件的界面上，用专业的录屏软件，进行相关操作过程的录制讲解，在操作文档对应的步骤后，链接相关视频。操作演示的视频指导，大大降低了学生学习过程中的难度，同时也大大减少了教师资源的配置。

设备与系统模块设计主要目的是让用户熟悉火电厂的设备，包含锅炉设备及系统、汽轮机设备及系统、电气系统、控制系统4个方面内容，分别对锅炉、汽轮机、电气以及控制进行了详细介绍，例如，对锅炉的介绍包含锅炉的整体布局、锅炉的基本特性、锅炉主要部件性能及参数、燃烧特性等。用户在学习仿真操作的同时，对火电厂中的设备进行了详细的了解，这样能更深层次地培训火电厂中的储备人才。

5 结论

软件针对锅炉辅机启动的阶段性操作进行开发，采用HTML5和JavaScript语言建立的B/S模式的网页操作界面，采用机理数学模型仿真锅炉辅机启动的动态过程，设置操作指导模块和操作评分模块。经过测试，满足远程虚拟仿真实践教学的需要。虚拟仿真教学软件摆脱了时间和空间的限制，只要利用一台联网计算机登录网站即可使用。它通过浏览器进行登录，不需要下载任何插件，使用简单方便。软件链接到实验空间对外开放，这种开放式的实验教学模式，推进了现代信息技术与实验教学项目的深度融合，有助于实现网络化教学，拓宽实验教学的范围。