虚实结合的实验教学平台建设与教学实践

2019-06-02 版权声明 举报文章

摘 要 针对输油管线课程实验教学,构建虚实结合的实验教学平台。在实践中,运用平台发挥实物、虚拟实验各自特点和优长,对课程设计进行优化、开展创新实验,对培养和提高学生的综合能力发挥了重要作用,成效明显。

关键词 实验教学平台;输油管线课;实践教学

中图分类号:TP391.9 文献标识码:B

文章编号:1671-489X(2014)18-0045-03

1 引言

输油管线课是油气储运工程专业的主干课。管线设计和输送工艺是该课程的核心内容,要求学生掌握输油管线的设计方法,具备基本的设计能力;掌握管线运行的基本知识,具备判断并处置各种工况的能力。

输油管线课的内容包括固定管线和机动管线两部分,二者既有相同之处,也有所区别。对于机动输油管线来说,输油时临时地面铺设,输油任务完成后撤收。因此,它具有线路状况的不确定性、工艺设计的快速性、输送设备的通用性以及意外工况处置的特殊性等特点[1]。课程的理论课教学,精讲管线输油的基本原理、工艺设计计算、各种工况的分析判断方法等内容,通过课程设计、实验、实习巩固所学的理论知识、分析方法,并探讨研究尚无定论的问题。几年的实践表明,课程理论教学与课程设计、实验、实习相结合,是提高教学质量的有效途径。

2 实践教学分析

输油管线课实践教学的内容比较丰富,包括针对管线工艺的课程设计、管线输送的各种实验(沿程摩阻实验、水击实验、输送工况实验、排空实验、不满流实验等)、输油设备的操作实习、管线输送的综合实验等。

课程设计是由教师给学生提供基础数据,学生运用所学过的知识,独立完成一条机动管线的设计计算,提交设计图纸和计算说明书。各种实验的组织方式依实验本身的性质不同而异,有所不同,有些安排在课程教学中进行,有些则安排专门的实验课。设备操作实习、管线输送综合实验安排集中周实施。

本课程实践环节内容多,学时较少。2008年之前,实验条件主要是实际设备和属于物理模拟的管线系统,实践教学的效果不够理想。属于验证性、演示性的实验(比如管线沿程摩阻、不满流实验),能够达到教学的要求;对于设计性、研究性实验,由于实验准备工作多、时间长,实验的效果难以完全达到要求;用实际管线设备进行的综合性实验,学生分布在不同的岗位,许多实验过程没有实际体会,能力的锻炼有局限性;创新性实验只是极少数学生有可能在课外进行。

分析实践教学状况,可以看出:验证性、演示性实验在实践教学中扮演主要角色;设计性、研究性实验没有得到足够的重视,停留在传统的方法上;创新实验还不利于培养学生的创新意识和创新能力;综合性实验更多的是形式,研究得不够。

3 实验教学平台建设[2-5]

按照“虚实结合、互为补充、综合运用、注重创新”的实验教学理念,经过多年的建设,构建了虚实结合的实验教学平台(图1)。

一是采用物理模拟的手段,建设了一条长度为3.2 km的小口径管线系统,设置多个调速泵站,工艺流程与实际管线相同。既可用水代油进行实验,以节约实验经费、便于管理、确保安全,又能用实际油品实验,进行输油工况特别是不同油品的顺序输送研究。建设了一个供油装备性能检测实验室,能够进行各种输油设备、器材、仪表的性能实验。

二是运用模拟仿真技术,构建机动管线模拟训练系统。将管输动态分析运用于输油模拟实验,真实反映管线系统流动状态变化的全过程,开发了工艺设计、输油仿真、调度指挥、泵站监控等软件。可以根据需要设置不同长度、不同起伏状况的虚拟管线,进行各种工况的模拟实验。建设了油料器材、设备仿真实验室,构建了仿真实验平台,开发了软件,为学生提供了学习、研究和创新的环境。

三是研制了以机动管线制式输油设备为原型的输油泵机组、供油泵机组半实物模拟器。模拟器仪表、指示灯、操作手柄的布局与实物相同,所有操作与实物一致,既能够进行输油泵机组、供油泵机组的使用操作训练,又能与模拟软件构成完整的模拟实验管线系统,进行输油调度、情况处置的实验。

四是配齐了能够铺设10 km管线,开设四个泵站、两个计量站的机动管线管子、器材和设备,为学生进行综合输油实践提供了物资基础。

4 教学实践

2009年以来,在教学实践中运用已建成的实验教学平台,对输油管线系列课程的实践教学进行改革与探索,取得较好的效果。

用虚拟管线对课程设计进行优化 课程设计阶段,学生分成若干个小组,3~5人为一组,教师给学生提供课程设计的基础数据。先由学生独立完成一条机动管线的有关计算、流程设计、泵站布置、排空设计等,形成初步设计方案和设计说明书;再分组将每人所设计的机动管线系统按照设计参数构建虚拟管线,进行计算结果的验证和设计方案优化,讨论并找出设计中存在的不足和问题;第三步是每位学生修改完善自己的课程设计。此做法既加深了学生对管线设计内容的理解,熟练掌握设计方法,又学会了利用计算机软件进行输油管线设计的方法。

用物理模拟系统进行输油设备性能实验

一是结合理论课的教学进度,分别进行管线输油的有关单项实验。比如利用小口径管线系统进行管线沿程摩阻、开式和闭式输送方式等验证性实验,长陡下坡线路不满流、气顶液排空等演示性实验等。利用供油装备性能检测实验系统,进行阀门流通能力、流量计检测精度等实验。在进行验证性、演示性实验的过程中,使学生学会实验设备、仪器的使用,熟练掌握实验方法,能够进行实验数据的处理。

二是进行管线输送的综合实验。综合实验分组进行,8~10人为一组,学生担任不同的角色、岗位轮换进行实验。按照管线输送的程序,主要进行管线充油、输送、典型工况变化、停输、排空的实验,人为造成输送过程中管线水击、位置固定的线路泄漏等实验。每组学生实验前提出实验方案,在教师指导下进行实验。

用模拟器进行输油设备的操作训练 机动管线泵机组由发动机驱动,输油中采用改变泵转速的方法进行输油压力调节,泵机组的操作水平直接影响管线输送的稳定性和安全性,因此,学生应当熟练掌握泵机组的操作。实物操作练习的效果好,但准备时间长、油耗高、易损坏设备和仪表,且受天气、场地等条件限制,训练效益较低。泵机组模拟器(图2)研制成功后,在教学实施时,先让每个学生在模拟器上进行操作练习,操作熟练后再动用实物练习。这种虚实结合的操作训练,有效地增强了训练效果,节省了经费。

用管线模拟系统进行输送工况实验 利用小口径管线系统进行管线输送实验,虽然可以使学生掌握管线输送的基本情况,巩固理论课学过的知识,提高学生的动手能力,但是该管线系统站距较短,远小于实际管线,所输送的液体不可压缩,压力波沿管线传播的时间与实际管线相差较大,因此,管线输送中的特殊工况(比如最常见的线路任意位置泄漏)在物理模拟系统中难以进行实验。

构建包括泵站监控、输油调度、系统仿真、训练考核等软件和泵机组模拟器的机动管线模拟训练系统(见图3),采用真实的数据构建虚拟管线,设置虚拟情况进行与实际相同的输送作业,进行各种输送工况的实验。学生8~10人为一组,其中两人担任输油调度,负责设置实验工况,其他人在不同岗位进行操作,学生岗位轮换。学生也可以利用软件,独立进行管线输送的计算机模拟训练。学生可以应用管线模拟系统,探讨所感兴趣的问题,验证学过的输油工况变化规律、运行自己编写的有关计算机程序。

实物实验、模拟实验互为补充,克服了以短管线代替长管线实验所造成的数据失真问题,泵站操作和输油调度紧密结合,训练与实操无缝衔接,提高了实验的针对性、有效性。

用机动管线输油装备进行综合实验 实物综合实验单独安排,集中一周的时间进行,重点练习管线各种地形的铺设、穿跨越障碍、泵站开设和输送中的配合作业;检验课程理论教学、实践教学的学习情况,运用所学知识解决实际问题的能力;研究、探讨管线输送中出现的新情况、新问题;学习新研装备、新开发软件的使用。

用虚实结合的实验平台开展创新实验 在教学的各个环节,始终注意培养学生的创新意识、创新精神和创新能力。在理论教学中,把不同的学术观点介绍给学生,鼓励学生发现问题、提出问题、解决问题;实践教学中,鼓励学生在完成必须完成的实验任务的基础上,利用各种实验条件,进行探索实验、创新研究,并取得明显的成效。比如,利用供油装备性能检测实验系统,填补了多项国外引进油料器材的性能参数;进行了新研输油器材的探索实验,为确定其技术指标提供了数据支撑。利用油料器材、设备仿真实验系统,针对阀门的现场维修,提出了改进方案;对水底裸管铺设穿越河流进行模拟仿真,提出了新的稳管方法,获国家发明专利;利用管线模拟仿真系统,提出了不同口径机动管线配合使用的技术方案。

创新实验除了在课内安排一些学时外,更多的是学生利用课外时间进行实验。在教师的指导下,单个学生独立实验或兴趣小组专题实验,课外实验要提前预约。几年的教学实践表明,这种实践教学方法对激发学生学习的热情、探索的欲望,提升创新的信心和勇气,培养严肃的工作态度、严谨的工作作风,提高创新能力有显著的作用。

5 结语

虚实结合的实验教学平台,将流体机械、检测技术、计算机模拟仿真等融为一体,充分发挥实物实验、虚拟实验各自的特点和优长,互为补充,为实践教学提供了丰富的手段,克服了传统实验存在的问题,对培养和提高学生的动手能力、实验能力、创新能力发挥了重要作用,几年的教学实践充分证明这一点。随着教学改革的不断深入,应进一步深入开展实践教学的研究,探索规律,总结经验,不断提高人才培养的质量。

参考文献

[1]张伟明,雍歧卫,蒋明,等.输油管线课程实践教学改革[J].实验室研究与探索,2008(1):119-121.

[2]李兵,邢立民,等.运用模拟教学平台培养学生的实践能力[J].实验科学与技术,2007(6):114-116.

[3]张伟明,蒋明,等.输油管线模拟实验系统的构建[J].实验技术与管理,2009(4):60-61.

[4]蒋明,张伟明,周绪杨.装配式输油管道模拟训练系统的开发[C]//2009中国国际石油与天然气管道会议论文集.

2009:542-545.

[5]蒋明,张伟明,周绪杨.机动输油管线泵机组仿真模型构建[J].后勤工程学院学报,2009(4):25-28.

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