热能与动力工程专业的虚拟仿真实验教学实践

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY　SCIENCE第24卷　第2期　2021年4月Vol.24　No.2　Apr.2021

热能与动力工程专业的虚拟仿真实验教学实践

赵媛媛,王进仕,王桂芳(西安交通大学能源与动力工程学院;核电厂与火电厂系统虚拟仿真实验教学中心,陕西西安　710049)

摘　要:热能与动力工程专业主要为火力发电机组的设计、运行、管理、维护等培养专业技术人才。考虑到火力发电系统的高温高压特性,而实体实验平台建设成本高、安全保障难度大,中心采用虚实结合的方式进行实验教学,针对当前火力发电行业对高端技术人员培养的现实需求,建立了火电厂三维虚拟现实仿真、开放式GSE仿真分析和STAR-90仿真等实验教学平台,设计了基础理论学习、专业技能训练和前沿技术研究三个层次的虚拟仿真实验教学项目,内容由浅入深、由点及面,为更好地实现新工科形势下该专业人才培养奠定了坚实基础。关键词:热能与动力工程;虚拟仿真;实验平台;虚实结合中图分类号:G642.0 文献标识码:B doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2021.02.033Virtualsimulationexperimentalteachingpracticeinthermalenergyandpowerengineering

ZHAOYuanyuan,WANGJinshi,WANGGuifang(NationalVirtualSimulationExperimentalTeachingCenterofNuclearandFossil-firedPowerPlantSystems,SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi􀆳anJiaotongUniversity,Xi􀆳an710049,China)

Abstract:ThermalEnergyandPowerEngineering(TEPE)aimsateducatingprofessionalsindesign,operation,managementandmaintenanceofthermalunits.Consideringthehigh-temperatureandhigh-pressurepropertiesofthethermalunit,theexpensivepriceinbuildingphysicalexperimentplatformandtherisksinphysicalexperiments,avirtuality-realitycombinedexperimentaleducationschemehasbeenestablishedintheNationalVirtualSimulationExperimentalTeachingCenteratXi􀆳anJiaotongU-niversity.Threeplatformshavebeenbuiltincludingthethree-dimensionalinteractiveteachingsystemforthermalpowerplant,theopenGSEsimulationanalysissystemandtheSTAR-90simulationsys-tem.Thevirtualsimulationexperimentsaredividedintothreelevelsincludingbasictheoreticalstudy,professionalskillstrainingandfrontiertechnologiesresearch.Thisprogressiveprocesscanleadthestudentstobuildtheirinsightsgraduallyfrombeginnertoprofessionallevelsandfromseparatedknowl-edgepointstoself-constructedknowledgesystem.Itisaqualifiedwaytofulfilltherequirementsofe-mergingengineeringeducation.Keywords:thermalenergyandpowerengineering;virtualsimulation;experimentplatforms;virtuali-tyandrealitycombination

收稿日期:2019-04-26　修改日期:2020-06-20作者简介:赵媛媛,硕士,工程师,主要研究方向为虚拟仿真实验技术。E-mail:zhaoyy7@xjtu.edu.cn 近年来,随着能源发展与环境保护之间的矛盾逐渐显现,火力发电厂的机组正在向高参数、大容量、空冷、联合循环、清洁燃烧等方向迅速进步,机组的自动化水平越来越高[1-2]。热能与动力工程专业目前培养的主要是火力发电机组的设计、运行、管理、维护等专业技术人才,要求学生不仅要掌握系统的专业理论知识,还要具备较强的实践动手能力。但是,一方面,

由于火电机组实际的高风险及火电生产的不可逆特赵媛媛,等:热能与动力工程专业的虚拟仿真实验教学实践

性,企业一般不愿意接受学生去现场进行实际操作式的训练,只停留在参观学习的层面[3]。另一方面,现场设备体积庞大,系统结构复杂,建设成本非常高,学校很难具备建立真实火电厂运行实际操作平台[4]的条件。因此,传统的基于参观式学习、简化模型演示、分离式原理验证等形式的实体实验已经无法满足人才实践能力培养的需求,进行火电厂运行实践教学环节的改革研究迫在眉睫。相比之下,虚拟仿真实验教学,既节省实验空间,具有较高的经济性;又可根据学生情况设计具体实验项目,灵活控制实验进程,具有较高的安全性[5-6]。因此,西安交通大学核电厂与火电厂系统国家级虚拟仿真中心(以下简称:中心)面向教学实验与课程实践,调研高校热能与动力工程专业的教学活动[7-9],引入虚拟仿真技术让学生在仿真平台上开展实验,帮助学生充分理解火电厂的系统功能、牢固掌握火电厂控制运行和事故对策分析的能力,通过系统地设置虚拟仿真实验解决了电厂系统实体难以接触、实验难于实现和成本过高等问题,为科学、有效、全面地培养热能与动力工程领域新型高素质人才提供了新型体系框架,达到甚至超出教学大纲所要求的教学目的,真正有效地保证热能动力与控制工程专业的本科教学质量。1　虚拟仿真实验教学平台

中心基于虚拟仿真实验教学管理平台,在计算机集群及其他计算机节点上装有多套通用以及专用面向热能与动力工程专业的软件。用户通过网络连接到仿真软件共享平台,根据实验的具体需求选取相应的仿真软件进行虚拟仿真实验[10]。利用所共享的虚拟仿真软件,学生既可以通过配置平台提供的完整热力系统进行实验,也可以利用丰富的模块组建系统,进行开放式实验。下面将重点介绍中心的三个虚拟仿真实验教学平台。1.1　燃煤电厂三维虚拟现实仿真平台燃煤电厂三维虚拟现实仿真平台是以660MW真实电厂为蓝本,依据完整的设计图纸和现实实景,利用三维数字化建模技术建立的电厂全景数字模型,通过构建与真实火电厂一致的虚拟环境(如图1所示)再现电厂厂区三维立体环境及各设备的运行状况,使学生更好理解火电厂的生产流程及工作原理,强化教学效果。平台具备如下功能:

图1　火电厂全厂虚拟环境 (1)火电厂巡游。具备600MW超临界燃煤锅炉机组虚拟仿真,让学生熟悉火电厂的生产流程,支持第一人称飞行漫游及第三人称全厂漫游。(2)设备巡游。支持包括锅炉本体、锅炉机组等设备内部结构展示;支持发电设备的快速定位,能进行立体查看、交互演示,增加学习的自主性和主观能动性如图2所示,。(3)3D模型设备资源。具备丰富的平台资源库,动态演示火电厂的生产全过程,将复杂的锅炉系统、汽轮机系统、除尘系统、脱硫脱硝系统等通过直观的三维方式进行展示(如图2所示),以及对模型对应的图片、视频和flash动画等资源进行展播,强化教学效果。(4)虚拟现实(VR)。学生通过头戴虚拟现实设备进入沉浸式虚拟现实教学系统,可切身体验并近距离地观察发电设备各部分的具体细节。既可受主服务器控制随老师的教学巡游,也可利用各自独立服务器分别巡游,从事独立工作。141

图2　锅炉设备三维模型1.2　开放式GSE仿真分析平台该平台可实现对各种热力关键技术和系统的仿真,主要针对热力系统所面临的特殊复杂环境,支持热力系统网络级仿真,具有丰富的模块库,并支持用户的自定义开发,对现有及未来各种热力关键技术和系统进行仿真测试。GSE仿真平台软件由JISIn-structorStation?和SimExec?软件包组成。其中,JISInstructorStation?是基于Java的教练员站和工程站的可视化应用;SimExec?是仿真机执行应用。学生可以通过鼠标拖曳,以所见即所得的方式,在用户界面(如图3所示)构建各种热力系统的网络级仿真系统,在中心提供的高性能云计算资源中完成仿真,并利用平台丰富的虚拟仪器和结果分析工具对仿真过程及结果进行监控、分析、处理及绘图(绘制的锅炉系统图如图4所示)。

图3　开放式GSE仿真分析平台工作界面1.3　STAR-90仿真平台该平台(主界面如图5所示)由多个仿真软件构成,软件间通过分布式实时数据库、消息或网络通讯等方式进行数据与信息交换,协同工作,实现对被仿真对象的模拟。基于平台的开放性、二次开发性可用于对运行操作人员进行培训,也可用于控制系统研究和设计以及最优化运行方式实验研究。同时基于模型算法库,可在仿真机上进行控制系统的各种研究和设计工作。例如,控制系统的仿真研究、组态分析、控制系统的参数寻优等。仿真机作为一个241 赵媛媛,等:热能与动力工程专业的虚拟仿真实验教学实践

实验平台,可用来进行不同方式的机组启停、故障设置(如图6所示)等操作实验,在仿真机上可以监视各种过程运行参数和运行指标,通过对各种运行方式的仿真实验,寻求优化的运行方式。

图4　锅炉系统图

图5　STAR-90仿真支撑系统教练员主操作界面

图6　故障加入操作界面2　虚拟仿真实验教学资源中心依据实验项目的特点及实验目的,对虚拟仿真实验教学项目按层次划分为基础理论学习、专业技能训练和前沿技术研究,内容由浅入深、由点及面,满足本科生在不同培养阶段的需求。2.1　基础理论学习类实验项目2.1.1　热力发电厂课程实验本实验项目是与热力发电厂课程[11]配套的一门实验课程,是能源与动力工程专业的一门重要的主干实验项目。实验利用中心自主研发的虚拟仿真实验平台所提供的功能模块和分析工具,进行汽轮发电机组原则性热力系统计算;完成大型火电机组全面性热力系统图、大型火电机组原则性热力系统图的绘制。通过以上设计计算工作,学生可以掌握大型火电汽轮发电机组全厂热力系统计算方法,确定全厂的热经济性,掌握大型火电机组全面性热力系统图的绘制方法。使学生在理论课程学习的基础上,进一步加深对热力系统基本概念的理解,提高学生灵活运用所学理论知识进行创新及综合实践的能力。2.1.2　自动控制原理(能源与动力)课程实验自动控制原理[12]课程实验是电厂类专业重要的实践性教学环节。为加强课程基本理论与方法的理解与掌握,提高学生的学习兴趣,在MATLAB和GSE环境下分别设计了软、硬件相结合的热力系统341