基于CDIO理念的锅炉课程设计研究性学习探索

杨 美，李昱庆，贺 楠，牛晓娟

(东北电力大学 a.能源与动力工程学院； b.人事处，吉林 吉林132012)

锅炉课程设计是锅炉原理课程理论知识与实际应用相结合的重要实践教学环节[1]，学生可以熟悉锅炉的整体结构、系统组成和热力系统计算方法[2]，有效训练学生的发现能力、分工能力、合作能力和应用工具的能力，培养学生的工程素养，从而使学生更好地掌握与锅炉原理相关的知识，深入进行研究性学习。

1 课程现状

1.1 小容量低参数的锅炉被淘汰

燃煤发电污染物排放量较大，且单位能耗较高，发电效率有待进一步提高，而大容量高参数的机组效率得到了一定程度的提升，小容量低参数的锅炉被淘汰[3]，原有的锅炉设计内容已不能满足当前环境对学生提出的需求，需要做出相应的改变，以适应外界环境的变化。如：在容量选取方面，选择超临界锅炉或高超临界锅炉；在锅炉改造过程中，重新计算因锅炉局部受热面改造而引起的流动阻力变化[4]。

1.2 课程课时被压缩

以往，高校会安排两个学期的锅炉原理课程，即一个学期学习理论知识，下一个学期进行锅炉课程设计，总时间达到96学时以上。目前，课时缩短到了48学时，很难全面讲解锅炉的系统知识，如锅炉热力计算和受热面校核计算等内容[5]。锅炉原理课程以内容体系复杂、理论性强和抽象概念多为主要特征，原本的课程设计就是以教师讲解相关知识为主，指定煤种和锅炉结构，让学生按部就班地进行计算，最终提交计算成果即可，不需要进行过多的选择和判断。但这种传统的教学方法不利于将理论知识与实践应用充分结合起来，很难达到理想的指导效果。此外，课程设计内容过于单调，不能充分激发学生对学习和创新的热情，学生虽然具有丰富的理论知识，但还缺乏实践能力和创新能力。教师应做出合理的课程设计，培养学生的探索精神和创新实践精神。

2 课程目标设计

2.1 以培养应用型人才为目标

结合CDIO工程教育架构来进行工科类专业的项目式教学设计，以项目选题的方式进行团队化教学，建立新的课程学习综合考评体系，形成科学、合理、有效的教学方法，以锻炼学生的工程应用能力和科学创新能力，为学生以后的就业及科研打下坚实基础。同时，将计算机编程工具和Ebsilon professional软件融入其中，形成独具特色的能源与动力工程专业课程设计教学内容。

2.2 调整课程教学方式

3 教学方式设计

3.1 注重理论联系实践

学生只学习锅炉原理的理论知识是不够的，还要将理论和实践相结合，将理论知识应用于实践，用实践来加深学生对理论知识的理解。教师要根据社会需求来调整教学内容，并通过产学研合作、走访单位等方式来深入了解锅炉电力产业的现有教育情况。

3.2 引入现代化教学手段

锅炉课程设计中涉及了大量计算，整体系统的计算流程比较复杂，单纯一个个地计算难以达到让学生充分理解知识点的目的，学生综合素质得不到有效提升且浪费了大量时间。教师可以让学生从系统搭建角度出发来掌握锅炉的系统流程，让课程设计更加直观。教师在讲解建模流程的过程中，学生可以学习每个设备的理论知识和对应的模块搭建方法。模块中嵌入了实际运行电厂的经验公式和流体物性参数，省去了手动查图查表的机械化过程，在可视图形用户界面中即可完成。软件中每个模块初始配置的标准值可以根据实际情况进行更改，模块特性由一系列非线性方程进行定义(这与支配因子建模法的核心思想完全一致)，重复迭代计算求解，当达到有限收敛条件时，计算完成。

3.3 根据市场需求优化锅炉结构布置方式，培养学生的创新意识

利用计算机编程工具优化锅炉结构布置方式，提高锅炉侧能量利用效率，培养学生创新意识和解决实际问题的能力。例如，指导学生对锅炉烟气的余热进行高效利用，降低锅炉排烟的热损失；在锅炉尾部设置旁通烟道，进行省煤器双级布置、低温省煤器改造和空预器优化，并对改造后的节能效果及工程可实施性进行分析，培养学生的专业技术创新能力。

4 创新设计所取得的成效

创新设计可以较好地提高学生的学习积极性。图1为600 MW超临界压力单通道煤粉锅炉的总体布局，图2为制粉系统模型，图3为空气预热器模型，图4为燃烧器模型。在计算出各设备的进出口参数后，能够直观地表达出不同设备之间的连接关系。

图1 600 MW超临界压力单通道煤粉锅炉的整体布置Fig.1 Arrangement of 600MW supercritical pressure single channel pulberized coal boiler

图2 制粉系统模型Fig.2 Model of pulverizing system

图3 空气预热器模型Fig.3 Air preheater model

图4 燃烧器模型Fig.4 Combustion system model

得到了100%THA工况下各受热面的主要参数，如表1所示。

表1 100%TAH工况下各受热面的主要参数Tab.1 Heating surface parameters under 100%TAH working condition

搭建的模型有两种计算方式，一种是设计模式，另一种是非设计模式。以管道设计模式下的管道进出口参数计算为例，软件可利用管道输入参数和管道压降特性(内部修正或其他修正)来计算出管道出口参数。

5 结语

基于CDIO理念，坚持以学生为中心，对锅炉课程设计的研究性教学模式进行探讨。要注重理论联系实际，引入现代化教学手段，根据市场需求优化锅炉结构布置方式，培养学生的创新意识。锅炉课程设计的研究性学习模式对学生专业素质的提高具有积极意义，能够使学生更好地了解专业知识，培养学生的创新设计能力、自主学习能力、思考能力和探索精神。