ЗАСТОСУВАННЯ ІННОВАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В НАВЧАННІ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКІВ

УДК 621 311. 25

ЗАСТОСУВАННЯ ІННОВАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В НАВЧАННІ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКІВ

О. М. Головченко, І. О. Головченко,

Вінницький національний технічний університет (м. Вінниця)

Інновація – це процес впровадження новітніх перетворень у різні сфери діяльності. Застосування інноваційних технологій у навчанні сприяє підготовці спеціалістів до вирішення багатьох професійних задач в подальшій інженерній діяльності [1].

Метою розробленої інноваційної технології є підготовка професіонала-теплоенергетика, здатного кваліфіковано розв’язувати задачі проектування та експлуатації теплоенергетичних установок (ТЕУ). Для навчального проектування розроблено методику ігрового проекту «Джерело». Задача проекта полягає у виборі джерела енергопостачання промислового регіону на основі розгляду варіантів з енергоустановками різних типів. Гра виконується студентами з двох-чотирьох груп, які імітують відповідні відділи проектного підприємства. Викладач і студенти виступають в ролях головного конструктора, керівників відділів, керівників груп, інженерів груп. Кількість груп у відділі визначається методичними вказівками і програмами до розрахунків агрегатів ТЕУ. В методичних вказівках наведено опис агрегата, розглянуто питання його проектування та виготовлення, подано формуляр ручного розрахунку агрегату з числовим прикладом й інструкція до програми розрахунку. Проектування виконується в п’ять етаів. Задачею першого етапа є системний аналіз можливих типів енергоустановок. Задача вибору типу ТЕУ сформульована як задача визначення потужностей ТЕУ різних типів при заданій загальній потужності системи енергопостачання. Критерієм якості варіанта системи енергопостачання є чисельне значення комплексного критерію, складовими якого є частинні критерії оцінок екологічних, медичних, економічних, політичних та соціологічних показників. Математична модель системи енергопостачання будується за відомою методикою системного аналізу. Вибір типу ТЕУ визначається за максимальним значенням комплексного критерію варіантними розрахунками системи на математичній моделі.

Система енергопостачання може складатися з теплових електростанцій (ТЕС), з атомних електростанцій (АЕС), з гідроелектростанцій (ГЕС), з парогазових установок (ПГУ), з сонячних електростанцій типу Кримської (СЕС), геотермальних електростанцій (ГЕОТЕС), вітрових електростанцій (ВЕС). Як показує досвід розрахунків, найкращими є варіанти з ТЕС і АЕС. Розробка АЕС починається з системного аналізу замкненого і незамкненого варіантів паливного циклів. Результати показують невелику перевагу незамкненого паливного циклу. Завданнями другого етапу є складання головним конструктором і керівником відділу схеми джерела енергопостачання і визначення її основних характеристик, видача завдань керівникам груп. Завдання третього етапу: складання керівником групи схеми агрегату ТЕУ і розрахунок її початкового варіанта, видача завдань інженерам групи на оптимізацію параметрів агрегату. Завдання четвертого етапу: оптимізація параметрів агрегату інженером; вибір керівником групи остаточного варіанта агрегата. Завданням п’ятого етапу є виконання керівником відділу техніко-економічного обгрунтування джерела енергопостачання. Четвертий етап виконується у формі методично подібних ділових ігор, розроблених у відповідності до таких вимог:

¾ гра повинна підготувати студента до виконання розділу курсового і дипломного проектів;

¾ інформаційне забезпечення гри повинно відповідати інформаційному забезпеченню, яке використовується в реальному проектуванні на енергомашинобудівних підприємствах;

¾ правила ігри повинні бути простими;

¾ гра повинна давати можливість порівняти результати гравців і визначати переможця;

¾ кількість можливих ігрових комбінацій повинна бути великою.

Значна частина випускників-теплоенергетиків працює експлуатаційниками теплоенергетичного устаткування. Теплоенергетичне устаткування працює при великих тисках, температурах, навантаженнях, є вибухо- та пожежонебезпечним. Навчати та виховувати студентів на сучасних натурних теплоенергетичних установках в умовах навчального закладу є практично нездійсненим. Тому з цієї метою створено комп’ютерні тренажери, які імітують блок 300 МВт ТЕС з промислово-опалювальною котельнею в його складі та систему хімводоочищення ТЕС.

Тренажер блока складається з апаратної та програмної частин. Сутність апаратної частини полягає в наступному.

Управлiння блоком теплової електростанцiї (ТЕС) виконується бригадою операторiв з блочного щита управлiння (БЩУ) та з мiсцевих щитiв управлiння. БЩУ складається з панелей, на якi виводяться мнемосхеми блока та агрегатiв iз зазначенням положень органiв регулювання. На БЩУ також розташованi прилади, технологiчна та аварiйна сигналiзацiя. Завданням операторiв є забезпечення зазначених в технологiчних картах параметрiв технологiчних процесiв. Змiна положень регулюючих електрофiкованих засувок та клапанiв виконується ключами з фiксуючими кнопками. За допомогою блокiв вибiркового управлiння (БВУ) одним ключем можна вiдкривати та закривати декiлька десяткiв засувок та клапанiв. Вибiр необхiдного органу управлiння виконується натискуванням на вiдповiдну комбiнацiю клавіш БВУ. Аналогiчно БВУ побудовано блоки вибiркового контролю (БВК), якi виводять на невелику кiлькiсть показуючих приладiв показники сотень датчикiв. Фрагмент зображення БЩУ на екрані комп’ютерного тренажера для операторів енергоблока наведено на рис. 1.

Рис. 1 Блок вибіркового управління ПВТ.

Фрагмент відображує блок вибіркового управління групою підігрівників високого тиску (ПВТ) живильної води.

У комп’ютерних тренажерах БВУ та БВК зазвичай не iмiтуються, а регулюючi органи управляються курсором за допомогою клавiш пульту ПЕОМ або «мишi». Невiдповiднiсть тренажерного управління реальному знижує ефективнiсть тренажерiв, особливо при вивченнi дiй в аварiйних ситуацiях. З метою наближення управління комп’ютерним тренажером до реального управління агрегатами ТЕС розроблено панель сенсорного вводу інформації. Панель сенсорного вводу інформації дозволяє імітувати натискання на кнопки і повернення ключів управління агрегатами оператором ТЕС торканням до відповідних зображень на екрані комп’ютерного тренажера.

Застосування сенсорної панелі розглянемо на прикладі тренування з підключення ПВТ до пари. На рис. 1 у лівій половині екрана розташовано віконця аварійної сигналізації, мнемосхема ПВТ з позначенням червоними, білими та зеленими лампочками стану засувок та клапанів автоматичних регуляторів, покажчики рівнів конденсату гріючої пари. У правій частині наведено покажчик положення вибраного регулюючого органа, тиск живильної води, клавіші та віконця БВУ з підсвічуємими номерами засувок та регуляторів, ключ управління засувками та регуляторами з кнопками КС (стоп) і КА (автомат), ключ знімання захисту та відключення ПВТ, ключі засувок, які вимикаються окремо.

Для підключення ПВТ-9 до пари виконуємо наступні операції:

¾ у декілька прийомів відкриваємо парову засувку 813. Для цього торкаємось скла сенсорної панелі в місцях зображень клавіш «1» по горизонталі та «3» по вертикалі. При цьому підсвічується номер 813. Торкаємось скла панелі ліворуч верхнього ключа, від чого ключ повернеться праворуч і засувка почне відчинятись. При появі у віконці покажчика положення засувки 25 відсотків, торканням скла панелі імітуємо натиснення кнопки «КС», в результаті чого засувка зупиниться. Через деякий час повторюємо кроки закриття засувки до значення покажчика положення 100 відсотків і загоряння червоної лампочки біля номера 813 на мнемосхемі;

¾ ставимо регулятор рівня на автоматичний режим роботи. Вибираємо клапан регулятора рівня 821 імітацією натиснення на клавіши «1» та «2». Після підсвічування віконця з номером 821 имітацією натискання на клавішу «КА» переходимо з дистанційного на автоматичний режим роботи регулятора, який контролюємо за величиною рівня «Н» в ПВТ-9;

Програмна частина реалізує математичну модель ТЕС, створену за методом ВНТУ логічно–чисельного моделювання в комп’ютерних тренажерах динаміки процесів в енергетичних установках.

Тренажер енергоблоку містить математичні описи 1200 органів регулювання та 600 первинних приладів, які виводяться на 40 мнемосхем агрегатів. Тренажер хімводоочищення містить 20 мнемосхем з 700 органами регулювання.

Використання комп’ютерних тренажерів пропонуємо за наступною методикою.

Розроблено комп’ютерну технологію навчання (КТН), яка дозволяє вивчати устаткування на теоретичних, практичних та лабораторних заняттях та здійснювати контроль знань. Контроль набутих знань щодо процесів, конструкцій, правил техніки безпеки та експлуатації відбувається тестуванням. Для теоретичних занять розроблено посібники в електронному вигляді. На практичних заняттях студенти або слухачі виконують розрахунки режимів роботи ТЕУ. Лабораторні заняття виконуються на комп’ютерних тренажерах у ігровій формі. Оцінкою дій студента є його місце (рейтинг), яке проставляється за терміном досягнення необхідних параметрів агрегату або автоматично за кількістю допущених помилок на тренажерах.

Засобом адаптації процесу навчання для конкретного студента або слухача може бути автоматизована система управління КТН (АСУ КТН), яка б складала програми навчання для кожного студента та забезпечувала автоматичний режим роботи комп’ютерної технології навчання, враховувала індивідуальний підхід до кожного виду занять і способу засвоєння необхідного матеріалу [2].

Організацію навчання пропонуємо базувати на методах системного аналізу, використанні методів множинного регресійного аналізу, накопиченні статистичних даних для подальшого уточнення використовуваних математичних моделей та залученні експертів (у ролі яких виступають викладачі вузу, психологи та інструктори ТЕС).

Формалізувати вищезгаданий підхід можна таким чином. В результаті навчання викладач повинен дати остаточну оцінку студенту, тобто оцінити його кінцеву «вартість» як спеціаліста.

«Вартість» спеціаліста В складається із сукупності показників психологічної «вартості» , фізичної «вартості» Ф та рейтингу Р, який присвоєно студенту під час навчання:

(1)

де FB - математична модель прогнозу "вартості" студента.

Показники психологічної та фізичної «вартості» студента можуть бути отримані за результатами тестів. За допомогою методу системного аналізу можливо побудувати математичні моделі прогнозів для оцінювання особистих якостей студентів:

; (2)

(3)

де — фізичні якості;

— психологічні якості, необхідні для оволодіння цією спеціальністю, підбір яких також є справою експертів.

Рейтинг Р, у свою чергу, залежить від оцінки знань, отриманих з теоретичного матеріалу, практичних та лабораторних занять:

(4)

де Т, П, — показники засвоєння знань з теоретичного, практичного матеріалу та лабораторних занять відповідно, і які визначаються таким чином:

(5)

(6)

(7)

де,, — показники початкових обсягів знань з теоретичного, практичного та лабораторного курсів відповідно. Оцінені ці показники можуть бути за допомогою рівняння множинної лінійної регресії в результаті проведення тестового контролю по залишкових знаннях:

де — оцінка за відповідь на і-е питання тесту,

— ваговий коефіцієнт і-ro питання.

Для побудови цієї регресійної моделі можна використати статистичні дані, які отримані в результаті контрольного опитування за певними тестами операторів, які навчалися у навчальних закладах та котельнях. У наведених формулах — обсяги знань, які необхідно засвоїти під час навчання. Оцінкою обсягу знань може бути кількість тем з кожного виду занять, якщо всі заняття мають приблизно однакову «вагу» або ж комплексний показник, який враховує цінність — кожного заняття (ця величина залежить від експертів) для майбутньої «вартості» спеціаліста і максимальний, за думкою експертів, час — для нормального засвоєння теми даного заняття.

(9)

де — загальний термін засвоєння теоретичної, практичної та лабораторної частин курсу відповідно.

Керуючи саме цими значеннями, знаючи початковий рівень знань So і загальний обсяг знань, та зважаючи на показник фізичний Ф та психологічних якостей, викладач і повинен спланувати процес навчання самим оптимальним шляхом.

Функції — математичні моделі прогнозів кількісної оцінки результатів рейтингу та оцінок засвоєння навчальних матеріалів всієї програми курсу. Вони мають вигляд функцій відклику і створюються в результаті обробки статистичних даних при безпосередній участі експертів-викладачів та спеціалістів з цього предмету.

Саме такий метод використовується при побудові моделей прогнозів .

Тепер, маючи одномірні функції корисності з кожного з показників і вагові коефіцієнти для кожного параметра та знайшовши суму добутків вагових коефіцієнтів на значення одномірних функцій корисності для конкретної людини, отримаємо загальну оцінку психологічної «вартості» майбутнього експлуатаційника котельні.

Аналогічним чином проводиться оцінка і з інших комплексних показників (рівень фізичної, теоретичної, практичної, лабораторної підготовки), а потім і загальний рейтинг майбутнього оператора.

Запропонований підхід дозволяє визначити оптимальний час, який студент, в залежності від своїх особистих фізичних, психологічних властивостей та обсягу попередніх знань повинен витратити на оволодіння новими знаннями зі спеціальності.

Розроблено тренажери енергоблока, системи хімводоочищення, промислово-опалювальної котельні, які дозволяють імітувати пускові та нормальні режими експлуатації теплоенергетичного устаткування.

Крім нормальних режимів роботи агрегатів ТЕС, на тренажерах, вивчають і деякі їх аварійні режими. Зокрема, імітується аварійна зупинка енергоблока через переповнення підігрівача високого тиску живильної води.

Імітація аварійної ситуації з котлом промислово-опалювальної котельні відбувається таким чином. Попередньо відключаються всі захисти котла, включаються всі пальники і закривається головна парова засувка. На занятті звертається увага студента на стрімке зростання тиску в барабані котла. Навчаємого попереджуються, що при помилкових діях або бездіяльності котел вибухне через дві хвилини і починається зворотній відлік часу. При подальшому підвищенні тиску зверх граничного, на екран виводиться зображення котла, що вибухнув, і подається звуковий сигнал (рис. 2).

Взрыв

Рис. 2. Вибух парогенератора

Крім лабораторних занять, тренажери використовуються в змаганнях з операторської підготовки студентів-енергетиків та в державному іспиті зi спецiальностi «Теплоенергетика».

До складу ТЕС входять котлотурбінний та хімводоочисний цехи або відділення. Оператори котлотурбінного цеху (КТЦ) працюють в умовах високого нервового напруження через високу ціну наслідків можливих помилок, шуму та вібрації фундаменту турбін, підвищених концентраціях пари мастил та продуктів згоряння палив, електромагнітного випромінювання електрогенераторів. Від операторів потрібні значні фізичні зусилля при відмовах електроприводів арматури та при ліквідація поломок та аварій. Через ускладнені умови роботи серед операторів КТЦ практично немає жінок. Навантаження на операторів цеху хімводоочищення є відносно невисокими, тому в більшості персонал жіночий. Гендерний аспект експлуатації ТЕС робить доцільним його врахування в навчанні теплоенергетиків [3]. Тому при проведенні державного іспиту зі спеціальності студентам надається можливість вибору виконання завдання: на тренажерах котлотурбінного цеху чи на тренажерах цеху хімводоочищення.

У змаганнях з операторської підготовки енергетиків беруть участь студенти ІнЕЕЕМ та ІнБТЕГП ВНТУ та студенти Вінницького політехнічного технікуму. Змагання проводяться за такою програмою: тестування знань з надання медичної допомоги, протипожежної безпеки, техніки безпеки; пуск та експлуатаційні режими механічного фільтру хімводоочищення; пуск котла на газоподібному паливі; переведення котла на резервне паливо з включенням мазутонасосної станції; пуск теплофікаційної установки.

Досвід проведення змагань показав їх доцільність як з навчальної сторони, так із боку профорієнтації студентів технікуму.

ВИСНОВКИ

Розроблено методичне забезпечення комп’ютерної технології навчання теплоенергетиків з адаптацією її до індивідуальних особливостей навчаємих.

Розроблено апаратне і програмне забезпечення комп’ютерної технології навчання теплоенергетиків.

ЛІТЕРАТУРА

1. Г. В. Лаврентьев, Н. Б. Лаврентьева. Инновационные обучающие технологии в профессиональной подготовке специалистов. – Алтайский государственный университет. – Барнаул, 2002.

2. О. М. Головченко, В. А. Каплун. Автоматизоване управління комп’ютерною технологією навчання операторів хімводоочистки ТЕС // Вісник ВПІ. – 2004. – №4. – С.105 – 112.

3. Основи теорії гендеру. – К.: «К.І.С.», 2004. – 536 с.