基于虛擬仿真的“壓縮天然氣汽車加氣站優(yōu)化設計及運行”實踐課程的構建

摘

要：壓縮天然氣（CNG）汽車加氣站具有高壓、氣體泄漏、易燃易爆等特性，一旦出現(xiàn)事故，會造成大量人員傷亡及財物損失。壓縮天然氣（CNG）汽車加氣站優(yōu)化設計及運行操作虛擬仿真實驗能有效解決學生對易燃易爆，高度危險性的城鎮(zhèn)燃氣工程的實驗和實踐教學難題。能很好地提升培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、獨立分析和解決工程實際問題能力的人才培養(yǎng)水平。關鍵詞：虛擬仿真；加氣站；實踐課程；燃氣工程一、引言壓縮天然氣（CNG）汽車加氣站的高壓、氣體泄漏、易燃易爆等特性，一旦出現(xiàn)事故，會造成人員的大量傷亡。CNG加氣站內各類相關設備復雜精細，天然氣處理的工藝流程相對煩瑣[1-2]，因設備問題和違規(guī)操作導致存在的安全隱患較多，一旦發(fā)生意外將造成很大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[3-4]。傳統(tǒng)教學中，很難將CNG加氣站的設計與加氣站的運行操作有機結合，對學生進行全過程的培養(yǎng)。受燃氣企業(yè)的生產(chǎn)制度和安全方面的限制，壓縮天然氣汽車加氣站的運行操作與事故處理、設備的啟停維護與檢修等訓練，學生無法得到實際操作的培訓。虛擬仿真實驗能夠利用有限的硬件資源，在有限實物空間與無限資源之間，理論與多樣化、復雜化實踐之間搭建橋梁[5]。而虛擬仿真實驗教學依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互等技術，可以構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，能夠以生動、逼真、立體的形式來演示實驗室中無法完成的復雜性、危險性的實驗項目[6]。建筑環(huán)境與能源應用專業(yè)課程教學改革的關鍵在于：明確專業(yè)核心，精簡專業(yè)課程體系，打通課程間的壁壘，用大作業(yè)、大設計訓練學生，培養(yǎng)專業(yè)精、知識熟、終身學習的專業(yè)人才[7]。利用我校建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)具有的豐富教學和科研實踐經(jīng)驗的師資力量，借助虛擬仿真實驗教學資源，完成壓縮天然氣汽車加氣站虛擬仿真實驗的建設，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、獨立分析和解決工程實際問題能力的人才。二、實驗室開發(fā)的必要性及應用性（一）解決高危燃氣工程教學難題城鎮(zhèn)燃氣具有易燃易爆等特點，一旦出現(xiàn)事故，會造成人員的大量傷亡。大量與生產(chǎn)相關的實驗難以在常規(guī)的教學實驗室中進行，如燃氣泄漏的應急處理、燃氣場站的運行操作與事故處理、設備的啟停維護與檢修等。而且受燃氣企業(yè)的生產(chǎn)制度和安全方面的限制，學生在企業(yè)現(xiàn)場實習無法得到實際操作的培訓，使學生的工程技能未得到鍛煉，不能盡快的適應未來工作崗位的要求。壓縮天然氣（CNG）汽車加氣站優(yōu)化設計及運行操作虛擬仿真實驗能有效解決學生對易燃易爆，高度危險性的城鎮(zhèn)燃氣工程的實驗和實踐教學難題，能很好地提升培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、獨立分析和解決工程實際問題能力的人才培養(yǎng)水平。（二）設計與運行操作全過程培訓在課程設計及實踐環(huán)節(jié)的培訓中，系統(tǒng)設計屬于課程設計及畢業(yè)設計環(huán)節(jié)，學生對設計完的項目很難去跟蹤實測運行效果或對設計項目進行評價。而系統(tǒng)操作運行的培訓屬于實驗及實習環(huán)節(jié)。該實驗建立一個完整的系統(tǒng)工程，將壓縮天然氣汽車加氣站分散的知識點串聯(lián)起來，通過三維構建與數(shù)值模擬將理論計算、系統(tǒng)設計、運行操作有機結合。從壓縮天然氣汽車加氣站設計計算到設備方案選擇，從流程設計及三維布置到站場運行調節(jié)，每個步驟都是緊密相連的。教學環(huán)節(jié)與實驗匹配對應關系見圖1。三、實驗目標及實現(xiàn)過程（一）實驗目標1.掌握壓縮天然氣汽車加氣站的規(guī)劃，規(guī)模的確定，具備確定站場工藝的能力；2.掌握壓縮天然氣汽車加氣站中主要設備的內部結構及其工作原理，訓練設備計算比選，培養(yǎng)學生燃氣站場工藝計算的能力。3.掌握壓縮天然氣汽車加氣站的工藝流程布局及三維站場搭建，培養(yǎng)學生燃氣站場安裝設計的能力。4.掌握壓縮天然氣汽車加氣站的工藝操作規(guī)程、關鍵工藝，保證站場安全穩(wěn)定運行，培養(yǎng)學生燃氣站場管理操作的能力。5.掌握壓縮天然氣汽車加氣站的各工況下運行操作的能力，培養(yǎng)學生解決燃氣工程復雜問題的能力。6.培養(yǎng)學生具有燃氣行業(yè)的自豪感和使命感，認真負責的專業(yè)素質。（二）目標實現(xiàn)過程本實驗將傳統(tǒng)的平面靜態(tài)設計升級為三維可構建、可模擬、可運行的系統(tǒng)設計。學生在實驗過程中，通過獨立思考、自主設計等手段可設計出壓縮天然氣汽車加氣站，不僅可以培養(yǎng)學生解決工程問題的能力，訓練其系統(tǒng)工程的思維模式，還可以激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，并培養(yǎng)學生的科學研究素養(yǎng)。通過本虛擬實驗的教學，結合課堂教學與實習環(huán)節(jié)，可以將學生培養(yǎng)成具有扎實的專業(yè)知識和較強的實踐能力、創(chuàng)新能力與獨立思考能力，具有行業(yè)的自豪感和使命感，認真負責的專業(yè)素質，能夠綜合運用專業(yè)知識系統(tǒng)解決建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)復雜工程問題的工程師。虛擬仿真實驗的目標實現(xiàn)過程見圖2。（三）實驗實現(xiàn)手段仿真系統(tǒng)以標準壓縮天然氣汽車加氣站為原型，對調壓計量、增壓系統(tǒng)、脫水、儲氣、售氣等子系統(tǒng)等模塊的設備進行仿真，根據(jù)設備資料、建設圖紙、系統(tǒng)圖、運行數(shù)據(jù)等進行三維模型搭建。模型搭建采用仿真人機交互技術進行開發(fā)，貼圖分辨率不低于2048×2048，軟件采用GPU實時渲染技術，全屏模式，軟件運行時的平均FPS不低于50。將整個實驗過程抽象為統(tǒng)一的虛擬實驗構件、底層數(shù)學模型、邏輯機制等共性關鍵性技術，形成可擴展的虛擬實驗構建庫，為虛擬實驗平臺提供后臺邏輯支撐運算，在前臺利用虛擬現(xiàn)實技術搭建可視化的實驗場景、實驗物品、實驗邏輯，達到支持演示、交互、計算、設計的一體化實驗環(huán)境。構建設備間的關聯(lián)模型。對象主要的狀態(tài)，簡單設備可以只有開關與啟停兩種狀態(tài)，控制閥和控制擋板應有開度數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)以實時系統(tǒng)數(shù)學模型作為底層支撐，包括仿真時鐘管理功能、實時數(shù)據(jù)庫功能、仿真模型調度功能、工況管理功能、多機協(xié)同仿真功能，并且提供和二維、三維圖形軟件以及其它第三方軟件進行數(shù)據(jù)交互的接口，為上層應用軟件提供協(xié)同運行支持。四、實驗環(huán)節(jié)設計本虛擬仿真實驗采用任務驅動式、潛移默化式以及設計式與互動式等多種實驗教學方法相結合的方式引導學生完成壓縮天然氣汽車加氣站優(yōu)化設計及運行調節(jié)實驗全過程。實驗內容包括實驗認知、優(yōu)化設計和運行操作三大環(huán)節(jié)，學生首先掌握各個知識，再進行二維平面的流程圖的以及三維空間的構建，系統(tǒng)構建完成后，進而操作運行調節(jié)三維模型進行操作培訓，各環(huán)節(jié)都設置了有一定難度的問題幫助學生理解實驗內容和掌握軟件操作。先進的教學方法，多樣化的互動，以及有難度的問題設置，都極大地激發(fā)了學生學習興趣，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識。（一）實驗認知環(huán)節(jié)1.單體設備模塊認知閥門和生產(chǎn)設備的簡介、內部結構詳解以及工作原理的模擬。主要設備有儲氣井、售氣機、壓縮機、干燥塔等生產(chǎn)設備。2.工藝流程認知在前面選定設備的基礎上搭建場站工藝流程，了解各設備在工藝流程中的具體作用以及開啟順序，通過點擊相關聯(lián)的兩個設備，生成兩個設備間的管線布局圖，理解加氣、放空及排污管線布局，熟悉閥門布置原理。3.三維模型認知在二維工藝流程基礎上自主搭建三維全景，打開設備庫，可根據(jù)系統(tǒng)提示，將設備擺放于合適位置，也可以自行拖動設備庫內的設備到合適的位置，根據(jù)設備庫中冷卻塔、冷卻水泵、儲氣井及空放、壓縮機、脫水裝置、回收罐、緩沖罐、進站調壓計量、加氣站的模塊順序搭建完整的天然氣加氣站，了解加氣站關鍵設備及建筑布局，完成后可通過自主漫游查看加氣站建筑、設備及管線走向，對加氣站有一個直觀的了解。（二）優(yōu)化設計環(huán)節(jié)1.加氣站規(guī)模及站址優(yōu)選選擇一個城市，根據(jù)該城市的發(fā)展規(guī)劃，確定人口數(shù)量、公交車/出租車的服務人數(shù)以及車輛用氣指標和城市汽車氣化率、其他車輛占比調整，計算CNG汽車的用氣量，確定站場規(guī)模和數(shù)量，在地圖上選擇加氣站地址。2.壓縮機組優(yōu)選根據(jù)氣站日加氣規(guī)模、日開機總時間，計算壓縮機小時生產(chǎn)氣量，根據(jù)壓縮機進出口壓力計算各級壓縮比，了解市面典型的壓縮機型號，目前軟件提供有L-0.3/32-250型壓縮機、L-0.3/160-250型壓縮機、M-0.3/315-250型壓縮機，自行根據(jù)實際項目，為加氣站選擇正確的壓縮機組合。圖6為壓縮機選型界面。3.儲氣井比選計算儲氣井的流量和負荷，通過調節(jié)高、中、低壓儲氣井個數(shù)，合理配置高、中、低壓儲氣井組合，生成儲氣井壓力、容積效率、加氣車數(shù)量組合加氣曲線。4.脫水設備設計了解脫水設備的原理，根據(jù)軟件提示公式計算一個周期內分子篩用量、轉效時間、再生氣量等設備關鍵參數(shù)。5.調壓閥選型了解調壓閥的流通能力及其計算公式，根據(jù)加氣站的壓力曲線計算調壓閥所需的最大流通能力，根據(jù)提供的設備型號參數(shù)選擇調壓閥閥芯直徑與彈簧號。（三）運行操作環(huán)節(jié)1.站場啟動操作完成三維搭建后，進入模擬運行模塊，根據(jù)提示模擬站場啟動操作。主要步驟有開啟節(jié)流閥、開啟調壓閥上、下游閥門，再關閉節(jié)流閥，將壓力表調節(jié)至0.3MPa，開啟緩沖罐出口閥，確認壓力表讀數(shù)、確認排污閥正常開啟，開啟循環(huán)水進水、回水閥。按下壓縮機開啟按鈕，檢查壓縮機運行狀態(tài)。開啟進口、出口閥，開啟A高進、高出閥門。檢查回收罐閥門，確認關閉。檢查站場運行狀態(tài)。2.站場停運操作按下壓縮機停止按鈕。關閉壓縮機進口閥，開啟壓縮機回收管閥門，關閉A高出、高進閥門，關閉進口、出口閥門，開啟回收罐閥門。3.脫水設備切換操作模擬脫水操作，觀察脫水設備脫水床層水飽和曲線的變化，在脫水床層已飽和時，進行脫水裝置的切換操作。開啟A高出、高進閥門，選擇脫水切換時間。開啟B高出、高進閥門。關閉A高出、高進閥門，開啟A熱出、熱進閥門。圖3為脫水設備切換操作界面。4.調節(jié)操作模擬調壓操作，依據(jù)加氣站接口處城市燃氣中壓管網(wǎng)的壓力波動規(guī)律，調節(jié)調壓閥的開度，理解自力式調壓閥工作原理。圖4為調節(jié)操作界面。5.模擬加氣操作打開汽車前蓋，取下防塵塞；取出加氣槍，插入加氣接口；打開汽車加氣閥門；將加氣槍閥門旋至“加氣”位置開始加氣；達到加氣量，加氣機停止；關閉汽車加氣閥門；將加氣槍閥門旋至“放散”，再旋至“關閉”，放回加氣機；將防塵塞蓋回加氣接口。6.環(huán)境評價給出一年加氣量的數(shù)據(jù)，點選任意一天，了解這一天CNG加氣站為環(huán)境保護（CNG汽車相對于汽油汽車尾氣排放量的減少）和碳減排做出的貢獻。五、實驗教學過程（一）任務驅動式在一些界面可點擊學習與該界面操作有關的知識點，因為有界面任務的驅動，這些知識點將被快速學習或鞏固。例如：CNG汽車加氣站選站原則以及安全距離要求；氣化率，汽車用氣指標對預測城市汽車用氣量結果的影響；在壓縮機或儲氣井方案優(yōu)化分析環(huán)節(jié)，需要學習并理解影響方案的各種因素；在設備選型環(huán)節(jié)，需要學習設備參數(shù)確定方法。（二）潛移默化式方法一些操作界面場景非常接近實際在直觀場景和界面層次的影響下，能夠潛移默化地進行知識清晰化及系統(tǒng)化整理。例如：在地圖上布置壓縮天然氣汽車加氣站站址，把規(guī)范里的理論知識實際運用起來；在平面流程設計環(huán)節(jié)，不同方案也對應不同管路系統(tǒng)；壓縮天然氣汽車加氣站三維搭建環(huán)節(jié)，不同設備只能拖向指定位置，這讓學生對設備布置原則有了一定認識，并直觀展示了設備之間的距離要求。（三）設計式方法某些實驗步驟都設置了可設計、可調整的參數(shù)，學生需要通過掌握各個知識點后進行合理地設計才能進行下一步操作。例如：由學生選定城市、建設地點、人口數(shù)量、公交車數(shù)量、出租車數(shù)量、氣化率、用氣指標等參數(shù)，從而計算得到CNG汽車加氣站規(guī)模和數(shù)量，并輸入軟件作為后續(xù)設計基礎數(shù)據(jù)；由學生設計計算并輸入壓縮機、脫水裝置、儲氣井等設備的參數(shù)；對壓縮天然氣汽車加氣站的各設備進行流程設計，然后根據(jù)二維流程進行三維構建。（四）互動式方法一些參數(shù)設置后在界面上會給出直觀的反饋。比如：人口數(shù)量、用氣指標、氣化率參數(shù)設置完成后，會給出城市汽車用氣量的反饋；選擇不同的壓縮機組合方案，會立即反饋經(jīng)濟指標；選擇不同的儲氣井高、中、低組合方案，反饋儲氣井容積效率。六、實驗特色（一）知識系統(tǒng)化，提高學生自主學習能力學生通過虛擬環(huán)境下的漫游認知、實操練習，理論計算等環(huán)節(jié)加深對基礎理論與專業(yè)知識的理解，熟悉和掌握壓縮天然氣汽車加氣站設計流程的基本專業(yè)知識點，掌握了壓縮天然氣加氣站的規(guī)劃，規(guī)模的確定，具備基于經(jīng)濟和工藝確定站場工藝的能力；掌握壓縮天然氣汽車加氣站中主要設備的內部結構及其工作原理，將原來的碎片化知識整理成系統(tǒng)化、形象化的知識體系；通過自主搭建的虛擬實驗方法，提高學生自主學習與獨立思考的能力。（二）培養(yǎng)學生的系統(tǒng)工程思維能力及動手能力本實驗將壓縮天然氣汽車加氣站設備選型與系統(tǒng)運行操作等各實踐環(huán)節(jié)構建成一個有機整體的系統(tǒng)工程。與傳統(tǒng)的靜態(tài)、孤立的設計不同，本實驗注重培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維，著眼于壓縮天然氣汽車加氣站設備構件、各設備之間的連接，以及加氣站與加氣規(guī)律之間的相互聯(lián)系；要求學生多角度、多層次、多變量地設計壓縮天然氣汽車加氣站，要求學生掌握壓縮天然氣汽車加氣站的工藝操作規(guī)程、關鍵工藝，保證站場安全穩(wěn)定運行，培養(yǎng)學生燃氣站場管理操作的能力。高仿真度的自主搭建，二維與三維的交互設計，以及系統(tǒng)的運行調節(jié)，均為學生提供了很好的動手機會。七、結束語文章旨在深入探討如何通過引入虛擬仿真實驗，將傳統(tǒng)的平面靜態(tài)設計邁向更為立體、實用的三維可構建、可模擬、可運行的系統(tǒng)設計領域。虛擬仿真實驗中，學生們將以跳出傳統(tǒng)課堂限制的方式參與，運用獨立思考、自主設計等多種方法，參與壓縮天然氣汽車加氣站的虛擬仿真設計與建設。這種實踐性學習模式的引入，將為學生提供更貼近真實工程挑戰(zhàn)的學習環(huán)境。他們將面對來自實際世界的多樣挑戰(zhàn)，需要不斷調整和優(yōu)化設計方案，以探索解決問題的新途徑。這種全面