[摘要]近年来，受安全因素等影响，学生在石化企业中不能进行近距离的现场学习或者操作，这使得生产实习效果远远达不到预期。仿真实习是在学生完成了基本理论、基本课程实验、具有一定的理论和实践技能的基础上，以场境模拟、计算机仿真的形式讲授的课程。本文以过程装备与控制工程专业为例，对于仿真实习课程建设的必要性以及教学内容设置等方面进行了积极的摸索和实践。在该专业理论知识体系基础上设置离心泵、压缩机、换热器、分馏塔、双塔精馏、反应系统等仿真实习内容，使学生在巩固和加强原有理论知识的基础上，更全面、具体和深入地了解实际生产中过程设备、过程机械以及过程控制技术，理解各个操作步骤之间的相互关系及影响，培养学生独立思考的能力，提高学生实践操作能力和动手能力，进一步完善教育教学体系，进一步完善教育教学体系，提高过程装备与控制工程专业人才培养质量。
[关键词]过程装备与控制工程专业；仿真实习；教学；探索；实践
1前言
实习是工科院校重要的实践教学环节，是对于理论专业课程学习的补充及巩固，也是学生了解企业、了解专业就业的重要途经。但近年来，随着安全生产形势的日益严峻，学生在企业中的实多采取远距离参观学习的方式。基于安全等各方面因素的考虑，学生不能进行近距离的现场学习或者操作，这使得原本用于补充学校理论知识短板的生产实习效果远远达不到预期。虚拟仿真技术以虚拟现实呈现动态教学模型，构建出可编辑的场景、仪器设备和操作流程，以场景可视化、项目集成化、管理便捷化和资源节约化的特性而成为各高校重点建设的项目之一。因此高校都在寻找适合的仿真实习[1-7]，通过仿真实习提高学生的就业竞争力和行业发展力，达到复合型人才培养的目标，支持工程教育专业认证对学生的能力要求。因此，以过程装备与控制工程专业为例，对于仿真实习课程建设的必要性以及教学内容设置等方面进行了积极的探索和实践。
2仿真实习课程建设的必要性
过程装备与控制工程专业是由原“化工设备与机械”专业改造形成的。过程装备与控制工程专业学生实习的企业一般都是石油炼制及化工企业等，其中的石油化工生产装置是由多个生产单元构成，这些单元的工艺、装备、控制各个部分均相互关联、相互作用和相互制约，任何一个部分发生故障都会影响整个生产系统。此外，石油化工生产系统基本为长周期稳定运行，加工的流体性物料有些是易燃易爆、有毒，或工艺要求在高温、高压下进行，系统的安全可靠性要求高。因此从安全等多方面考虑，无法实现学生近距离动手操作，学生对于生产设备的了解只是停留在外观上，而且现场的参观实习模式中，学生对于师傅讲解内容的消化吸收受现场环境影响较大，实习流于形式，很难达到预期的生产实习教学效果。要实现应用型高素质人才培养的目标，就必须要将理论学习与实践学习充分结合，让学生亲自参与、动手操作。仿真实习是在学生完成了基本理论、基本课程实验、具有一定的理论和实践技能的基础上，以场境模拟、计算机仿真的形式开展的课程。通过仿真实习，培养学生的综合能力。教学过程全部使用仿真软件，重点着眼于单元操作过程的训练。通过多媒体演示，形象地显示化工生产过程中的工艺流程，实现生产过程的控制。其主要目的如下：(1)仿真实习贴近真实生产操作系统，对学生的操作过程可进行实时跟踪测评，并指出其操作过程的对、错，提高学生自主学习的能力。(3)通过学生亲自动手进行反复操作，掌握实际生产中的多项应用技能，提高学生动手能力。(4)针对过程装备与控制工程专业的教学需求，使学生更全面、具体和深入地了解生产装置的过程设备及过程机械以及过程控制技术，加深对本专业的认识。(5)通过仿真实习，使学生受到比较全面系统的工程基础训练，初步培养学生的工程意识和工程能力，为今后就业打下坚实的基础；(6)培养学生严谨认真求实的学习态度及工作作风。仿真实习通过各种模拟生产实际流程，使学生单独完成工艺操作和控制，对提高学生的动手能力和工程意识具有积极的作用。尤其对于过程装备与控制工程专业的学生来说，工艺流程一直是薄弱点，通过工艺流程仿真实习让学生建立工艺流程的概念，深刻理解设备设计除了满足单体设备工艺参数要求，还要符合整体工艺操作的要求。同时对于过程控制不再局限于书面上，通过仿真实习，深刻了解各种控制技术及各控制参数之间的关联，提高学生的实际动手能力，加深学生对原有专业课程内容的理解和掌握。
3仿真实习教学内容探索及实践
基于过程装备与控制工程专业学生的课程体系设置，该专业学生在仿真实习前学习过《化工原理》、《过程设备设计》、《过程流体机械》、《过程装备控制技术及应用》等课程内容。因此，在此理论体系基础上设置仿真实习内容，使学生在巩固和加强原有理论知识的基础上，更全面、具体和深入地了解实际生产中过程设备、过程机械以及过程控制技术，理解各个操作步骤之间的相互关系及影响，培养学生独立思考的能力，提高学生实践操作能力和动手能力，进一步完善教育教学体系。
3.1泵和压缩机单元
过程流体机械是过程装备的重要组成部分，在石油化工、石油及天然气储运等流程工业中使用的各种流体机械，其目的在于增加流体能量，克服流动阻力，从而达到输送流体的目的。过程装备与控制工程专业的学生通过《过程流体机械》课程的学习对典型的过程流体机械如泵、压缩机有较一定程度的理论认识和掌握，学习了泵和压缩机的结构原理、泵和压缩机的操作维护理论知识、泵和压缩机的选型设计方法等。生产现场如何进行离心泵和压缩机的操作，在启动时要注意哪些事项；离心泵和压缩机运行过程中会出现哪些故障，如何处理；这些都可以通过仿真实习完成。以离心泵的冷态开车操作为例：仿真实习中，先向学生分别讲解离心泵单元的工艺原理、工艺流程简介、设备、仪表、现场阀门，然后引导学生进行离心泵操作。离心泵单元开工前，首先确保各手动阀门处于关闭状态、所有调节器输出为零，然后打开调节阀完成贮罐的充压、充液，当储罐达到一定液位后进行灌泵排气，同时向学生讲述这样操作的目的及原因。灌泵和排气时为了避免离心泵的操作中的气缚和气蚀现象。“气缚”是指在泵启动前没有灌满液体或在运转过程渗入了空气，导致叶轮中心真空度不足，使离心泵失去了自吸能力而无法完成液体输送的现象。而“气蚀”指的是当贮槽液面上的压力一定时，如叶轮中心的压力降低到等于被输送液体当前温度下的饱和蒸汽压时，叶轮进口处的液体会出现大量的气泡，这些气泡随液体进入高压区后又迅速被压碎而凝结，致使气泡所在空间形成真空，周围液体质点以极大速度冲向气泡中心，造成冲击点上有瞬间局部冲击压力，从而使叶轮等部分很快损坏。同时还要注意离心泵启动前，需要对离心泵进行盘车操作。这样做是为了检查泵轴转动是否灵活,有无不正常声音，防止电机烧毁。通过泵和压缩机单元的仿真操作，使学生会进一步加深并巩固《过程流体机械》课程的理论内容。
3.2换热器单元
换热设备是指用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量(或焓)传递的设备。在化工、能源、动力、机械等行业中，常常涉及到换热问题，特别是在化工生产过程中的许多过程和单元操作，都需要进行加热或冷却。例如化工厂中，换热器约占总投资的10%~20%；炼油厂中，换热器约占总投资的35%~40%。换热器是石油炼制及化工装置中重要的设备之一，换热器的类型繁多，换热器的操作学习是很重要的基本单元操作训练之一。对于学生而言，从原理上讲换热器的操作很简单，就是分别打开两种温度不同的物料，通过这两种物料的接触完成热量传递的过程。但是实际操作过程中，还需要引导学生利用之前学习过的《化工过程换热计算与设计》等课程知识去思考冷态开车是先送冷物料，后送热物料，还是先送热物料再送冷物料，原因是什么？而换热器单元停车操作时又要先关热物料，后关冷物料，还是要先关冷物料后关热物料，原因又是什么？再换热器开车时，是否要排出不凝气，如果不排又会有什么后果？如何操作才能排净不凝气？为什么停车后管程和壳程都要高点排气、低点泄液？教学过程中，可以引导学生自己先动手操作，然后整理操作过程中存在的问题，根据问题结合之前学过的理论知识，启发学生主动思考原因，并找到正确的答案，充分激发学生学习过程中的学习兴趣。
3.3分馏塔单元和双塔精馏单元
分馏是石化行业中常用的分离互溶液体混合物的典型单元操作，是其实质是利用物系中各组分的挥发度不同的特性以实现分离的目的多级蒸馏。而精馏是将挥发度不同的组分所组成的混合液，在精馏塔中同时多次地进行部分汽化和部分冷凝，使其分离成几乎纯态组分的过程。精馏塔塔顶必需有冷凝器，塔底必须有再沸器。学生在《化工原理》、《过程装备控制技术及应用》中曾学过相应的理论知识。设置这部分学习内容的主要目的是为了要学生通过具体的实际操作，掌握实际的分馏塔单元以及双塔精馏单元冷态操作中的具体步骤及注意事项，也将之前学到的换热器、离心泵、加热炉等的操作进行进一步巩固和加强。以双塔精馏操作为例，精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理复杂，传质、传热过程缓慢，变量之间互相关联。影响物料平衡的因素包括进料流量和进料成分的变化，以及顶部馏出物及底部出料的变化。影响能量平衡的因素主要是进料温度(或热焓)的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化，此外还有塔的环境温度变化等。同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。在一定纯度要求下，增加塔内的上升蒸汽是有利于提高产品回收率的，但同时也意味着再沸器的能量消耗要增大。在单位进料量的能耗增加到一定数值后，再继续增加塔内的上升蒸汽，则产品回收率就增长不多了。因此，需要具体操作时需要考虑塔内各个参数之间的平衡。学生在仿真操作的过程中会加深对这些参数之间平衡理解和认识。
3.4反应系统单元
“过程装备与控制工程”中的“过程装备”是实现过程工业的生产过程的物质载体，“控制工程”主要是对过程工业生产中的压力、温度、流量、液位、浓度等参数进行控制，也就是对工艺操作进行控制。“过程装备”和“控制工程”通过“化工过程”将3个相关学科有机地结合在一起。因此，“过程装备与控制过程”是一个涉及多学科的交叉型专业。这就对“过程装备与控制工程”专业人才培养提出了更高的要求，既具备有过程装备的知识，又有一定化学工程和自动控制方面的知识。过程装备与控制工程专业的学生通过《过程装备控制技术与应用》的学习，掌握了过程控制系统的基本概念、过程控制系统的组成、原理、常见参数的测量方法及所用仪器、仪表的结构、原理以及先进的过程控制系统。通过仿真实习，可以使学生进一步理解并掌握简单控制系统和复杂控制系统的原理及应用。以混合液态烃加氢反应生产丙烯的反应系统为例进行复杂控制系统的仿真学习。复杂控制系统是由两个及两个以上简单控制系统组合起来的控制一个或同时控制多个参数的控制系统。在该反应系统中包括串级、比值、比例、分程、选择性控制等控制方案。例如，由于化学反应要求各进料按一定配比进入，以保证化学反应中主反应尽量彻底，而副反应尽量小，因此将液态烃新鲜进料与氢气¬的进料成单闭环比值控制系统。
4结束语
结合过程装备与控制工程专业学生的知识体系，通过设计合理的仿真实习教学内容，使学生建立工艺流程的概念，更好地理解过程控制技术及各种控制参数之间的相互关联，切实提高学生对工艺流程、过程设备及控制仪表的理解，使学生获得全面系统有效的工程基础训练，培养学生的工程意识和工程能力，达到工程教育专业认证要求；同时也提高学生动手实践能力，加深对本专业的认识，将所学基础知识和专业知识综合应用于工程实际的能力、分析和解决问题能力以及创新能力，提高人才培养质量。
作者：赵敏 郭兴建 王江云 单位：中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院
