燃气工程设计毕业论文

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燃气输配课程教学改革与实践论文

摘要：

燃气输配是建筑环境与能源应用工程专业的核心课程，结合西南石油大学土建学院情况，针对燃气输配课程教学的局限性，对教学内容、教学方法及手段改革与实践进行了探讨。

关键词：

燃气输配；教学改革；虚拟仿真

我校建筑环境与能源应用工程专业2001年开设，下设“城市燃气工程”和“供热通风与空调工程”两个方向。其中，“城市燃气工程”方向是本专业的特色与优势。燃气输配是建筑环境与能源应用工程专业的主干专业课程，设置的目的是培养学生的工程设计和管理能力。通过课堂教学等环节，使学生系统掌握燃气输配系统的构成和基本理论、城市燃气管网水力计算与工况分析，了解各种常用设备的工作原理及设备选择依据，培养学生能够进行城市燃气管网规划设计、燃气输配系统的设计，以及燃气输配工程施工、管理的能力。研究和探讨燃气输配课程教学改革，进一步提高教学质量、提升毕业生的专业技术素养已成为必然选择。

一、目前教学中存在的问题

（一）教材建设不足

目前燃气输配教材存在一定问题，如内容落后，新技术、新理论偏少，与工程实践联系不紧密，某些章节部分内容不够全面和深入，某些设计规范中的重要条文未做介绍；计算例题不够多；某些章节计算方法不详细，计算公式偏少等。管网优化、模拟理论及技术是现在管网规划设计、运行管理的重要手段，教材基本未做介绍。用气量预测、储气量模拟计算、管网流量分配计算、管网水力计算、水力工况分析计算等内容侧重基本原理，与实际工程差别较大；计算例题与工程实际脱节，难以达到工程训练的要求。行业法律法规、设计规范等介绍甚少，部分章节未引用最新版本的相关规范。教材是学生学习重要的工具，系统性强、结构严谨、体系完整、内容全面、理论联系实际的教材对教学的促进作用是不言而喻的，而内容不全，知识陈旧，不能反映新理论新技术的教材会影响教学效果。

（二）教学方法单一

现在燃气输配一般采用讲授法作为主要的教学手段，教师满堂灌，往往讲得热火朝天，学生侧耳听，通常听得昏昏欲睡。教师抱怨学生听课不认真，学生反映教师讲课不生动。教与学都达不到应有的效果。

（三）教学手段落后

多媒体具有图、文、声并茂甚至有活动影像的特点，是课堂上常用的教学手段，但是通常情况教师仅使用其中的幻灯片功能，把教材搬到屏幕上，最多加一些动画来体现教师的讲课思路，或者补充一些图片，把多媒体设备当作图片播放器。落后的教学手段很难提起学生的兴趣，使得学生在课堂上始终保持思维的活跃性，自然影响教学效果。

二、教学内容改革

（一）明确学习目的与要求

以强化学生工程设计能力和培养管理能力为目的，确定燃气输配课程的.学习目的与要求为：了解燃气管网运行的基本规律；了解管材及附属设备；能够进行用气量、储气量、管道流量等计算；理解水力计算原理、方法；能够进行枝状管网、环状管网的计算；理解“事故工况”的概念，了解管网运行的水力工况变化规律；掌握调压、计量、储存的基础知识；能够进行相关的设计，包括管网及站场。

（二）优化课程体系

根据学习目的与要求，优化教学内容和课程体系，舍弃与学习要求联系疏松的章节，按照学习目的与要求对授课内容重新编排和整理，打破章节限制，将内容分类讲授。去掉了长距离输送系统、管网的技术经济计算、CNG供应、LNG供应、LPG供应等章节。燃气用户与燃气需用量、管段小时计算流量、储气量、枝状管网流量分配、环状管网、室内管网流量计算等关于流量的内容集中讲解，以便于对比分析，加深理解。将枝状管网、环状管网水力计算原理一起讲解，将这两种管网的水力计算方法及步骤一起讲解，有利于学生对比理解这两种管网的水力特征，并掌握其水力计算过程与步骤。将高压储罐、高压管道、长输管道末端等高压储气设施的储气原理及储气容积计算方法集中讲解，并引申出来教材未提及的高压钢瓶、高压储气井，指明其工作原理一样，计算思路相同，起到触类旁通的作用，也避免重复讲解，节约了课时。通过对课程体系和教学内容的优化，教材内容变得调理清楚，简洁明了，既易于掌握，又易于复习。

（三）适当补充教材内容

补充了燃气输配工程建设项目概况，用气量预测计算方法，周调峰储气容积计算，环网流量分配计算方法，变工况管网水力工况分析实例，场站设计实例、管网规划实例、管网完整性管理概况等内容，并按照行业现行法律法规、设计规范补充修改了教材相关内容。

三、教学方法和手段改革

（一）综合应用多种教学方法

改变“讲听式”的教学模式，运用启发式教学法、研讨问题教学法、直观演示教学法、自主学习法、案例教学法等多种教学方法，与讲授法紧密结合，融为一体，充分发挥学生的主体作用，培养学生研究和创新能力。

（二）积极应用对比式教学

燃气输配课程很多内容可以采用对比式的教学方法。如室外和室内管道小时计算流量方法对比、枝状管网和环状管网水力特征对比、枝状管网和环状管网水力计算原理对比、枝状管网和环状管网水力计算方法及步骤对比、枝状管网和环状管网变工况分析对比、高压储罐与低压储罐工作原理对比等。对比式教学可以让学生清楚地看到各对比内容之间的差别，加深对内容的理解。

（三）充分利用虚拟仿真技术

了解管网运行规律,变工况下能够判断水力参数的变化趋势是燃气输配课程的教学目标之一，传统教学方式难以简洁直观地全面展示城市管网的运行规律和工况变化过程及相关设备、站场工作原理、工艺流程等，借助虚拟仿真手段可有效解决这一问题。燃气管道仿真是对管道系统的特性进行描述的一种手段，它是通过计算机程序来完成的。它可自动地将系统的压力、流量与管线各截面的流动特性联系起来，在设计阶段用做方案比较和优化设计。进行燃气管道稳定流动的模拟时一般在几秒或几十分钟内就可知道整个管网及各分气点的压力、流量、温度等参数，非常适合在设计中用来确定方案、进行水力计算、分析变工况参数等。目前常采用的管网仿真模拟软件有英国ESI公司的PIPELINESTUDIOTGNET、美国STONER公司的SPS、由中国市政工程华北设计研究总院与北京赛远科技发展有限公司共同开发的燃气管网分析软件G-NET等。TGNET和SPS动态模拟功能强，G-NET静态模拟功能强，课堂教学中选择G-NET做主要模拟软件。利用机房安装的G-NET网络版，教师完成管网的流量分配、水力计算、工况变化等计算过程，学生可直观看到计算结果，并进行分析讨论。可完成的变工况包括气源点数量位置改变、气源点供气压力改变、一个或多个点管径变化、一个或多个调压站故障等。教师备课时，要选择一个合适的工程项目，预先完成水力计算前的准备工作，如管网方案、用气量预测、储气量计算、确定储配站位置、确定环流量等，并提前绘制计算草图。上机时输入环流量、管径等参数，即可得到相应的水力计算参数。为了保证上机时能很快计算出结果，该工程项目不能太大，管网也不能太特殊。相比传统教学方法，引入虚拟仿真手段后，学生对管网流量、管径、压力等各水力参数的变化有了更深的认识，更容易理解管网的基本运行规律。通过上机及工程实例分析，将传统教学方法只能完成的定性分析变为了定量分析，提高了课堂教学效果。

（四）布置课外小组专题学习

任务驱动法是教师给学生布置探究性的学习任务，学生查阅资料，对知识体系进行整理，再选出代表进行讲解，最后由教师进行总结。教师布置任务要具体，其他学生要极积提问，以达到共同学习的目的。基于任务驱动法基本理论，布置了布置课外小组专题学习。将全班学生每7~8人分成一个学习小组，在课堂学习的不同阶段，根据课堂内容布置多个课外学习专题任务。学习任务以小组为单位，小组全体学生协同合作，共同完成任务。成果有大作业、调研报告、方案比选报告、上机计算等多种方式，其中方案比选、水力计算分析等难度较大、工作量较大的任务还需要经过汇报才能获得成绩。成绩按小组评定，小组每个学生的成绩都一样，课外学习专题任务成绩作为平时成绩的一部分，计入总成绩。任务驱动教学法可以让学生在完成“任务”的过程中，培养分析问题、解决问题的能力，培养学生独立探索及合作精神。

四、结束语

燃气输配课程经过上述教学内容、教学方法及手段等方面的改革后，提高了教学质量，增强了学生的工程设计及管理能力，更加符合高等学校建筑工程与设备工程学科专业指导委员会的培养本专业需要的复合型工程技术应用人才的要求。

参考文献

[1]刘新文，黄辉，等《.燃气输配》课程教学改革与反思[J].宁波工程学院学报，2014（12）.

[2]王许涛.建筑环境与设备专业“燃气输配”课程教学研究[J].中国电力教育，2014（3）.

[3]吴晓南，王怡佳，等.虚拟仿真在城市燃气教学中的应用与实践[J].石油教育，2013（5）.

[4]谭洪艳，王婷婷，等《.燃气输配》课程的教学改革[J].黑龙江科技信息.

一、液化天然气(LiquifiedNaturalGas，简称LNG) 主要成分是甲烷,被公认是地球上最干净的能源。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，液化天然气的重量仅为同体积水的45%左右。其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理，经一连串超低温液化后，利用液化天然气船运送。燃烧后对空气污染非常小，而且放出热量大，所以液化天然气好。 它是天然气经压缩、冷却，在-160度下液化而成。其主要成分为甲烷，用专用船或油罐车运输，使用时重新气化。20世纪70年代以来，世界液化天然气产量和贸易量迅速增加，2005年LNG国际贸易量达亿立方米，最大出口国是印度尼西亚，出口亿立方米；最大进口国是日本亿立方米。 二、国内外概况及发展趋势 1941 年在美国克利夫兰建成了世界第一套工业规模的 LNG 装置，液化能力为 8500 m3 /d 。从 60 年代开始， LNG 工业得到了迅猛发展，规模越来越大，基本负荷型液化能力在 2. 5 × 104 m3 /d 。据资料[3]介绍，目前各国投产的 LNG 装置已达 160 多套， LNG 出口总量已超过 8 × 106 t/a 。 天然气的主要成分是甲烷，甲烷的常压沸点是 -16 1 ℃ ，临界温度为 -84 ℃ ，临界压力为 。 LNG 是液化天然气的简称，它是天然气经过净化（脱水、脱烃、脱酸性气体）后[4]，采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的[5]。 国外研究现状 国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高，基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺，目前两种类型的装置都在运行，新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺，研究的主要目的在于降低液化能耗。制冷工艺从阶式制冷改进到混合冷剂制冷循环，目前有报道又有 C Ⅱ -2 新工艺[6]，该工艺既具有纯组分循环的优点，如简单、无相分离和易于控制，又有混合冷剂制冷循环的优点，如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点。 法国 Axens 公司与法国石油研究所 (IFP) 合作，共同开发的一种先进的天然气液化新工艺—— Liquefin 首次工业化，该工艺为 LNG 市场奠定了基础。其生产能力较通用的方法高 15%-20% ，生产成本低 25% 。使用 Liquefin 法之后，每单元液化装置产量可达 600 × 104 t/y 以上。采用 Liquefin 工艺生产 LNG 的费用每吨可降低 25% [7] 。该工艺的主要优点是使用了翅片式换热器和热力学优化后的工艺，可建设超大容量的液化装置。 Axens 已经给美国、欧洲、亚洲等几个主要地区提出使用该工艺的建议，并正在进行前期设计和可行性研究。 IFP 和 Axens 开发的 Liquefin 工艺的安全、环保、实用及创新特点最近已被世界认可，该工艺获得了化学工程师学会授予的“工程优秀奖” [8] 。 美国德克萨斯大学工程实验站，开发了一种新型天然气液化的技术—— GTL 技术已申请专利。该技术比目前开发的 GTL 技术更适用于小规模装置，可加工 × 104 m3 /d 的天然气。该实验站的 GTL 已许可给合成燃料 (Synfuels) 公司。该公司在 A ＆ M 大学校园附近建立了一套 GTL 中试装置，目前正在进行经济性模拟分析。新工艺比现有技术简单的多，不需要合成气，除了发电之外，也不需要使用氧气。其经济性、规模和生产方面都不同于普通的费托 GTL 工艺。第一套工业装置可能在 2004 年上半年建成[9]。 国内研究现状 早在 60 年代，国家科委就制订了 LNG 发展规划， 60 年代中期完成了工业性试验，四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置，除生产 He 外，还生产 LNG 。 1991 年该厂为航天部提供 30tLNG 作为火箭试验燃料。与国外情况不同的是，国内天然气液化的研究都是以小型液化工艺为目标，有关这方面的文献发表较多[10]，以下就国内现有的天然气液化装置工艺作简单介绍。 四川液化天然气装置 由中国科学院北京科阳气体液化技术联合公司与四川简阳市科阳低温设备公司合作研制的 300l/h 天然气液化装置，是用 LNG 作为工业和民用气调峰和以气代油的示范工程。该装置于 1992 年建成，为 LNG 汽车研究提供 LNG 。 该装置充分利用天然气自身的压力，采用气体透平膨胀机制冷使天然气液化，用于民用天然气调峰或生产 LNG ，工艺流程合理，采用气体透平膨胀机，技术较先进。该装置基本不消耗水、电，属节能工程，但液化率很低，约 10% 左右，这是与它的设计原则一致的。 吉林油田液化天然气装置 由吉林油田、中国石油天然气总公司和中科院低温中心联合开发研制的 500l/h 撬装式工业试验装置于 1996 年 12 月整体试车成功，该装置采用以氮气为冷剂的膨胀机循环工艺，整个装置由 10 个撬块组成，全部设备国产化 [11]。 该装置采用气体轴承透平膨胀机；国产分子筛深度脱除天然气中的水和 CO2 ，工艺流程简单，采用撬装结构，符合小型装置的特点。采用纯氮作为制冷工质，功耗比采用冷剂的膨胀机循环要高。没有充分利用天然气自身压力，将天然气在中压下（ 左右）液化（较高压力下液化既可提高氮气的制冷温度，又可减少制冷负荷），因此该装置功耗大。 陕北气田液化天然气 1999 年 1 月建成投运的 2 × 104 m3 /d “陕北气田 LNG 示范工程”是发展我国 LNG 工业的先导工程，也是我国第一座小型 LNG 工业化装置。该装置采用天然气膨胀制冷循环，低温甲醇洗和分子筛干燥联合进行原料气净化，气波制冷机和透平膨胀机联合进行低温制冷，燃气机作为循环压缩机的动力源，利用燃气发动机的尾气作为加热分子筛再生气的热源。该装置设备全部国产化。装置的成功投运为我国在边远油气田上利用天然气生产 LNG 提供了经验[12]。 中原油田液化天然气装置 中原油田曾经建设了我国最大的 LNG 装置，原料气规模为 5 × 104 m3 /d 、液化能力为 1 0 × 104 m3 /d 、储存能力为 1200 m3 、液化率为 [13]。目前，在充分吸取国外先进工艺技术的基础上，结合国内、国外有关设备的情况，主要针对自身气源特点，又研究出 LNG 工艺技术方案 [14] 。该工艺流程采用常用的分子筛吸附法脱水，液化工艺选用丙烷预冷 + 乙烯预冷 + 节流。 装置在原料气量 30× 104 m3 /d 时，收率高达 ，能耗为 Kwh/Nm3 。其优点在于各制冷系统相对独立，可靠性、灵活性好。但是工艺相对较复杂，须两种制冷介质和循环，设备投资高。由于该厂充分利用了油田气井天然气的压力能，所以液化成本低。 天津大学的小型液化天然气（ LNG ）装置 小型 LNG 装置与大型装置相比，不仅具有原料优势、市场优势而且投资低、可搬迁、灵活性大[15]。 LNG 装置主要是用胺基溶剂系统对天然气进行预处理，脱除 CO2 等杂质；分子筛脱水；液化几个步骤。装置采用单级混合制冷系统；闭合环路制冷循环用压缩机压缩制冷剂。单级混合制冷剂工艺操作简便、效率高，适用于小型 LNG 装置。 压缩机的驱动机可用燃气轮机或电动马达。电价低的地区可优先考虑电动马达（成本低、维修简单）。在燃料气价格低的地区，燃气透平将是更好的选择方案。经济评估结果表明，采用燃气轮机驱动机的液化装置，投资费要比选用电动马达高出 200 万~ 400 万美元。据对一套 15 × 106ft 3 /d 液化装置进行的成本估算，调峰用的 LNG 项目储罐容积为 10 万 m3 ，而用于车用燃料的 LNG 项目仅需 700m3 储罐，导致最终调峰用的 LNG 成本为 ~ 美元 /1000ft3 ，而车用 LNG 成本仅 ~ 美元 /1000 ft3 。 西南石油学院液化新工艺 该工艺日处理 × 104 m3 天然气，主要由原料气 （ CH4 : ， CO2 : ） 脱 CO2 、脱水、丙烷预冷、气波制冷机制冷和循环压缩等系统组成。 以 SRK 状态方程作为基础模型，开发了天然气液化工艺软件。 天然气压缩机的动力采用天然气发动机，小负荷电设备用天然气发电机组供电，解决了边远地区无电或电力紧张的难题。由于边远地区无集输管线可利用，将未能液化的天然气循环压缩，以提高整套装置的天然气液化率。 装置采用一乙醇胺法（ MK-4 ）脱除 CO2 。由于处理量小，脱二氧化碳的吸收塔和再生塔应采用高效填料塔 [16] 。由于混合制冷剂，国内没有成熟的技术和设计、运行管理经验，仪表控制系统较复杂。同时考虑到原料气中甲烷含量高，有压力能可以利用。故采用天然气直接膨胀制冷作为天然气液化循环工艺[17]。气波制冷属于等熵膨胀过程，气波制冷机是在热分离机的基础上，运用气体波运动的理论研制的。在结构上吸收了热分离机的一些优点，同时增加了微波吸收腔这一关键装置，在原理上与热分离机存在明显不同，更加有效地利用气体的压力，提高了制冷效率。 哈尔滨燃气工程设计研究院与哈尔滨工业大学 LNG 系统主要包括天然气预处理、天然气的低温液化、天然气的低温储存及天然气的气化和输出等[18]。经过处理的天然气通过一个多级单混冷凝过程被液化，制冷压缩机是由天然气发动机驱动。 LNG 储罐为一个双金属壁的绝热罐，内罐和外罐分别是由镍钢和碳钢制成 [19] 。 循环气体压缩机一般采用天然气驱动，可节省运行费用而使投资快速收回。压缩机一般采用非润滑式特殊设计，以避免天然气被润滑油污染[20]。采用装有电子速度控制系统的透平，而且新型透平的最后几级叶片用钻合金制造，改善了机械运转。安装于透平压缩机上的新型离合器是挠性的，它们的可靠性比较高，还可以调整间隙。