石油化工与装备国家级虚拟仿真实验教学中心的构建与实践

李 传， 王振波， 刘欣梅， 王丽飞， 严文娟， 李 军(中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

中国石油大学(华东)化学工程学院依据“一实二验三平台”的建设方针(见图1)，将全院实验、实训教学资源进行整合共享，于2012年成立化学工程实验教学中心，针对本科实验教学和大学生创新实验，搭建开放式实验预约平台、虚拟仿真实验教学平台和网络实验教学演示平台，向全校开设实验教学，并承担面向社会的开放性实验任务。自2013年教育部在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来[1]，化学工程实验教学中心结合自身特点，响应国家“虚实结合，能实不虚”的建设原则[2-3]，开始筹建石油化工与装备虚拟仿真实验教学中心(以下简称中心)，并于2014年获批国家级虚拟仿真实验教学中心。借助该平台，化学工程实验教学中心可以更好地开展本科生和研究生的实验、实践教学工作[4-5]。

图1 化学工程实验教学中心建设方针

1 中心构建

1.1 建设的必要性

石油化工与装备的实验、实训传统教学存在3点主要问题：①石油化工的各项生产环境极端恶劣，大部分工作流程都是高温、高压下进行，具有不可视、不可及或不可逆、高风险、高消耗、高成本、高污染的特点，采用传统“多看、多问、多想、不动手”的方法进行石油化工及装备的实验、实训教学严重制约学生学习积极性，影响教学效果；②传统的实验、实训教学是以固定实验仪器为对象，以标准实验方法为脚本，让学生进行单一的重复性操作，不具备可视性、可变性，制约学生积极性和创新性的培养，教学空间的相对固定也不利于对企业员工进行技能培训，限制辐射范围；③石油化工工艺技术及装备的更新换代非常迅速，传统的实验、实训设备和方法往往不能紧跟石油化工发展的脚步，造成实验、实训教学内容与石油化工的实际发展需求严重脱节，不利于学生掌握石油化工前沿技术，影响学生的发展[6-8]。而中心的建设可以弥补传统实验、实训教学的不足，并满足国家高等教育的内涵式发展对学生实践创新能力培养的进一步要求[9-10]。

1.2 总体思路

主动适应石油化工发展趋势及技术特点对人才培养的新要求，坚持“科学规划、资源共享、重点突出、效果为先、持续发展”的指导思想，以重点学科建设为支撑，以共享优质实验教学资源为策略，以建设信息化实验教学资源为重点，搭建系统、完善的石油化工与装备虚拟仿真教学平台，力争培养能与国际石油化工接轨的、具有理论、实践和创新完美融合的石油化工人才，确保中国石油大学(华东)人才培养始终走在我国石油化工高等教育前端。

1.3 建设方法

中心的虚拟仿真实验、实训教学依托虚拟现实、仿真装备与多媒体技术，融合多种互动硬件与数据库，对石油化工工艺流程及装备的各个真实环节进行模拟仿真，形成了中心独具特色的“三模式、四梯度、五结合”虚拟仿真实验教学体系，如图2所示。

图2 “三模式、四梯度、五结合”虚拟仿真实验、实训教学体系

(1) 实验教学3种模式。①虚拟实验。采用虚拟现实技术对相关工艺过程及装备进行计算机模拟，用虚拟工艺流程、设备等取代物理实物，将不可视的场景形成安全操作的二维或三维虚拟场景，实现对作业岗位职能及工艺的可视化模拟，通过中心机房及远程联网对校内学生及校外企业员工进行实验、实训技能培养。②仿真优化。采用实物仿真装备和实训软件的混合体系架构，将石油化工装备按一定比例制作，具备真实装备所具有的相关结构、功能，通过学生亲自操作和虚拟软件过程功能的系统控制，实现操作者与仿真装备、实验系统的有效真实互动，进行多次、重复训练，提高实践动手能力。③实践创新。以学生团队为教学对象，以校内虚拟仿真实训平台及现场工程实训基地为依托，采用虚拟工艺优化、仿真装备调整、实体设备操作的手段，通过优化工艺条件、换热网络、改造设备等一切可能的方法达到优质产品生产。该模式可以升华学生技能培训，提高学生学习积极性，极大地促进了学生创新思维的培养。

(2) 实验、实训教学4个梯度。①理论强化。进行石油化工工艺流程、操作条件等石油基本知识及相关设备、原理等的讲解，完成基本理论实验操作和实验结果分析，强化学生专业基本理论知识的掌握与理解，为后续学习和工作打牢基础。②现场认知。在完成理论学习的基础上，利用真实炼厂工艺及装备，在现场工程师指导下，熟悉实际工艺及设备，完成理论知识与实际过程的融合与升华。③模拟仿真。在完成理论与实际融合的基础上，借助大量仿真教学装备和软件，在室内进行石油化工工艺流程模拟、工艺优化、生产控制与装备调整等各种仿真操作训练，掌握与石油化工与装备相关的实际操作技能，弥补在生产现场实践过程中不能动手操作的不足。④工程实训。依托中心真实的石油化工中试装置及配套的相关仿真软件对学生进行实训，指导学生利用已掌握的理论和模拟操作知识，对各个石油化工工艺及装备进行实际操作，通过调整条件、优化流程等手段，使学生利用原始物料，通过自身努力生产出优质产品；进而在生产现场轮岗实训，强化技能，最终完成学生向技术人才转变的培养目标。

(3) 实验、实训教学5个结合。①理论与实践相结合。将石油化工工艺流程及装备的理论知识学习与实验操作和现场实际工艺实践相结合，以理论知识指导实践，实践强化理论知识的掌握，实现理论与实践的统一。②虚拟与现实相结合。虚拟仿真教学中特别注重“虚实结合、相互补充、以虚助实”，学生的虚拟仿真操作与实际生产工艺紧密结合，实现高度工业化仿真。③模拟与仿真相结合。中心的模拟软件操作与中心的实体仿真设备相结合，能使学生将模拟结果进行实际验证，为学生动手能力和创新能力的培养提供了良好条件，实现了模拟与仿真的零距离对接。④教学与科研相结合。中心的大部分科研项目都是从教学实际出发，开发的相关仿真教学装备与软件都很好地适应了教学需要，真正实现了产学研的紧密结合。⑤校内与校外相结合。通过实验室共建、人才联合培养、技术合作开发等与校内外相关单位密切交流与合作，实现了中心、企业、社会的三方共赢。

1.4 中心建制及管理模式

中心队伍由专职教师、实验技术人员和技术开发人员三部分构成，共有专兼职人员68人，其中专职人员58人、兼职人员10人。队伍中正高职称13人、副高职称37人，博士44人、硕士18人。中心教学面向全校，是学校直属教学单位，按照学院级建制。中心教学任务由教务处下达，教学设备及教学实验仪器设施由学校国有资产与实验室管理处统一管理。中心日常管理实行中心主任负责制，中心主任主管中心的全面工作，副主任分工负责训练教学、实验室建设、教学研究、科研开发、职业技能培训等各项工作。

中心下设实训教学部、教学研究部、科技创新部、装备部和中心办公室5个职能部门，全面负责中心的虚拟仿真实验教学、教研、科研、创新等工作[11-12]，中心管理体制如图3所示。

1.5 中心的运行、维护及经费保障

仪器设备是学校从事教学、科研等活动的重要前提和基础。学校和中心制定了相关管理规章制度，采取有效措施，加以保障和维护。①根据“统一领导，分级管理，用管结合”的原则，建立严格的管理程序，实行“学校、中心、职能部门、实训室(车间)”四级管理体系，提高仪器设备的完好率、使用率，更好地为教学、科研服务。②建立全方位开放运行机制。在中心协调安排下，大部分实验项目从实验内容、设备、时间、地点、人员等方面对学生全面开放，取得了良好的效果。③中心专门成立装备部，具体负责设备的日常管理和使用。责任落实到人，分类型、分层次设立设备管理员，标挂设备管理负责人标牌，实行定人定机的管理形式，建立设备档案和运行记录，严格按照要求进行维护保养，每周都要对设备进行定期、不定期检查，保持设备完好率。④在学校相关管理制度的基础上，中心结合自身实际，制定详尽的设备管理规定，从仪器设备的购置、论证、审批、采购、使用、维护直至报废全过程进行监控和管理，实现了设备管理的制度化、规范化、标准化和信息化。⑤学校重视设备维护维修经费的保障，每年由教师申请教学基本建设项目专门用于教学正常运行和仪器设备维护维修。同时，中心也将教研、科研项目和技术服务收入，部分用于中心的教学仪器设备的维护维修，有效地保障了仪器设备99%以上的完好率，保证了教学、科研的正常进行。

图3 中心管理体制

2 中心实践

2.1 构建实验、实训教学模块

中心结合教学需求和专业特点，以丰富的教学资源为基础，建立了6个虚拟仿真实验、实训教学模块，开设了52个教学项目，并结合完善的网络及教学信息化平台，不仅满足了我校在校大学生的实验、实训教学及炼厂、设计院的职业技能技术培训要求，而且实现了教学模块的开放共享，为石油化工企业及相关高校的人员技能培训提供了宝贵的资源。

(1) 石油化工虚拟仿真实验、实训教学模块。石油化工过程工艺复杂，设备众多，控制指标严格，操作困难，尤其是在开停工阶段，稍有不慎就会造成重大损失。因此，仿真培训已经成为石油化工企业新员工培训的重要内容。让学生参加石油化工操作过程的仿真培训，可以使其更好地熟悉和了解石油化工工艺流程和操作特点，培养学生的工程实践能力。

中心先后引进了Honeywell和东方仿真两大运行平台的炼油化工工艺仿真实训软件，并在此基础上开发了部分石油化工模拟仿真教学软件和培训软件，建立了石油化工工艺仿真实训教学模块。在本模块中，Honeywell平台包括常减压、催化裂化、延迟焦化和催化重整4套炼油工艺；东方仿真平台包括常减压、重油催化裂化、聚丙烯、乙烯热区分离、工业尾气催化燃烧等炼油化工工艺。通过仿真实训软件，可以实现工艺过程的开停工、主要故障处理等与生产实际结合紧密的DCS界面操作训练等。

(2) 煤化工虚拟仿真实验、实训教学模块。从培养煤化工工程师的实践能力及职业培训需求出发，本着实用性与前瞻性相结合、理论知识学习与职业技能培训相结合、实训装备的硬件与技能训练仿真软件相结合的思想，对现代煤化工工艺过程、动态操作、煤化工正在使用的自动化检测传感执行装置及国内先进的DCS控制系统进行仿真模拟，以培养能够适应当前及未来煤化工企业所需要的各类技术人员，满足煤化工工业建设与生产的需要。

该模块在真实完整体现实际工业流程的基础上，强化重要工序、重要设备，并利用东方仿真培训软件进行合成氨、甲醇合成与精制、甲醇制二甲醚、水煤浆加压气化制水煤气、废弃物热力氧化焚烧工艺的流程模拟培训，真实再现实际工业流程状态和数据实现，实时准确模拟工艺现场故障模拟真实化。学生可对设备进行实际操作满足实践实习要求，既能使学生了解和掌握正常工况下各类设备的操作和维护，能进行装置开车准备、开车、正常操作、停车、设备维护等方面的技能操作训练、工艺指标控制操作技能训练，又能通过安全手段设置各类故障使学员能够处理各类紧急状况动手进行生产过程操作、分析、排除工业生产过程故障。

(3) 装备设计与优化虚拟仿真实验、实训教学模块。石油化工过程是通过一定的工艺装备实现的，而工艺装备又是由一定的装备按照工艺需要组合而成的，常用的工艺装备包括化工机器(指主要作用部件为运动的机械，如各种流体输送机械，过滤机，离心分离机、搅拌机、旋转干燥机等。)和化工设备(指主要作用部件是静止的或者只有很少运动的机械，如各种容器、塔器、反应器、换热器、管道、蒸发器，反应炉、吸附设备以及流态化设备等。)。

为便于学生学习各种工艺装备的工作原理，结构及操作技术，中心设立了装备设计与优化虚拟仿真实验、实训教学模块。该模块硬件条件主要由化工机器模拟装置、计算机数据仿真控制系统、模拟系统、管道配管系统、分离设备模拟装置、换热器组装模拟系统、压力容器相关装置等系统组成，可让学生全面掌握石油化工过程中各种装备的工作原理及结构特点。

(4) 单元操作虚拟仿真实验、实训教学模块。化工原理(单元操作)实验是化工原理课程教学中的重要补充，所涉及内容多为化工生产中的单元操作，采用工程实验方法和自然科学的原理来解决化工及相关领域的工程实际问题，由于理论研究的复杂性，许多重要数据必须通过实验手段进行测定，如流体流动的摩擦阻力系数、热量传递中的传热系数等。在化工及其相关专业的学习中，化工原理实验是相当重要且必须的实践性教学环节。

在传统的化工实验教学中，学生只能通过对实验教材内容进行预习，进入实验室后经老师讲解后进行实验。这样的模式下，学生对实验步骤以及实验原理掌握不深，实验效率低下，而且还存在一定的风险。为了提高化工原理实验教学质量，训练学生正确掌握实验操作步骤，减少错误操作及风险，真正理解相关知识，中心以实验室单元操作装置为设计基础，对单元操作虚拟实验、实训教学模块进行了开发。本模块主要是由流体流动阻力的测定模拟装置、流量计校核实验模拟装置、套管换热器传热系数的测定模拟装置、吸收传质系数的测定模拟装置、筛板精馏塔全塔效率的测定模拟装置等10部分组成，主要完成流体流动、传热、传质等单元操作的实验模拟。

(5) 工程设计虚拟仿真实验、实训教学模块。工程设计以在实际化工生产过程中建立的工程设计和实践能力为基础，通过基础、课程、化工设计及毕业设计不断融入实际化工生产过程中的流程设计、设备选型、过程控制、系统优化、节能降耗等内容，根据工程设计类课程的要求，中心建成了工程设计仿真软件群，构建了工程设计虚拟仿真实验、实训教学模块，切实培养学生工程设计和创新能力，提高工程意识。

(6) 现场实践虚拟仿真实验、实训教学模块。石油化工成套工艺是石油化工行业的主要组成部分，具有将原料转化为最终产品的功能，涉及到原料性质、工艺流程、工艺条件、催化剂、设备等多方面知识，熟悉并了解石油化工工艺的特点及操作是培养学生工程实践能力和工作技能的重要组成部分。

为了让学生在安全环保的前提下与石油化工工艺过程无缝对接，将理论知识转化为实际操作，中心以现场工业化装置为设计基础，利用虚拟仿真与实体设备相结合的方式建立了现场实践模块。本模块主要是由工艺模拟仿真软件、重质油催化裂化中型模拟装置、重质油固定床加氢中型模拟装置、轻质油固定床加氢模拟装置、重质油悬浮床加氢中型模拟装置、乙酸乙酯中型模拟装置等6部分组成、主要完成石油化工工艺动态模拟实验，大学生创新实验等功能。

2.2 虚拟仿真实验与实训项目功能

通过虚拟仿真实验、实训项目，可使学生掌握石油化工与装备整个工业流程的相关知识内容和操作工艺，使不可及、不可视、高风险、高污染等的操作过程借助于虚拟仿真手段变得直观、形象，更具可操作性，巩固了学生所学理论知识，提高了实践动手能力。

(1) 使不可视、不可及的作业场景可视化。虚拟仿真实验、实训项目通过虚拟仿真手段，可以模拟反应器内流场模式，还可以模拟最终产品结构，使石油化工生产中的不可视、不可及的作业场景不再受时间、空间限制，形象生动地呈现在大家眼前，激发了学生学习的积极主动性，提高了学生的学习效率。

(2) 使高风险、高污染作业安全环保化。在石油化工过程中，大部分操作单元具有很高的风险，如加氢过程中有可能发生氢气泄露爆炸、脱硫过程中可能发生的H2S外泄等，会造成严重的安全和环境事故。相关实验、实训项目通过虚拟仿真实验技术教学，就可以氢气、H2S等泄露产生的安全和污染问题，所有出现的问题都是在虚拟环境内，对真实的环境和人身安全不会有任何影响，达到安全环保的效果。

(3) 使高成本、高消耗作业经济化。石油化工工业生产和设备制造成本非常高，往往一个操作单元的日花费和设备的一个零部件的改造就需要数万元，属于典型的高成本、高消耗工程。采用虚拟仿真实验技术，建立虚拟环境如进料、加热、反应、分离、装备等，学生通过相关虚拟软件，实体仿真试验装备等，获得与实际化工工业操作基本一致的体验，降低成本的同时提高了学习效果。

(4) 使工业大场面、复杂作业情景可缩放化。在石油化工生产过程中，不乏工业化大场面情景，如炼厂布局要占用几百亩地，操作单元也需几十亩，包括数万套设备。学生到施工现场学习，往往只能看到局部，形不成宏观的认识。通过虚拟仿真实验项目，可以直接将作业场景建立在虚拟环境中，学生既可以从宏观上把握整个施工场面，了解各单元之间的位置关系和相互作用，也可以深入到每个单元进行详细学习。

2.3 中心的特色与创新

中心立足行业特点，发挥技术优势，理论、仿真、实践、创新相结合，形成了自身的鲜明特色：

(1) 立足石油化工行业，组建虚拟仿真实验教学体系。中心的日常实践教学，立足于国家工程实践教育要求和石油化工行业特色，采用“虚拟实验”“仿真优化”“实践创新”3种教学模式，通过“理论强化”“现场认知”“模拟仿真”“工程实训”4个训练梯度，遵循理论与实践、虚拟与现实、模拟与仿真、教学与科研、校内与校外的“五结合”原则，形成了独具特色的石油化工与装备虚拟仿真训练教学体系。在该教学体系下，中心以培养学生实践能力和创新精神为重点，石油化工技能训练为主线，虚拟仿真实训为手段，真正提高中心的实践教学质量和水平，为服务于国家石油石化行业奠定基础。

(2) 产学研深度融合，自主研发。中心将“实验实践教学为主体，科研开发为依托，教学科研一体化建设”作为发展方针，鼓励教师在做好石油化工与装备训练教学的同时，积极进行教研、科研活动，开发生产了一大批具有自主知识产权的高科技教学产品。中心结合教学需要及行业特点，开发了40余种石油化工与装备仿真教学设备及分析实验装置，涉及石油化工、化工装备、仪表自动化等专业领域；根据各领域的专业特点，按照“虚实结合、相互补充、能实不虚、以虚助实”的原则，采用不同的模式组合，建成虚拟化炼油工艺、虚拟仿真实训室等20多个软件模块，开发出了时长100多个小时的虚拟仿真教学软件。这些仿真训练教学装备及软件贴合石油化工生产流程，高度工业化、系统化，在日常石油化工技能训练中教学效果明显，并在国内众多高校及培训机构得到应用，实现广泛共享。

(3) 注重虚实结合，工程实践能力及创新精神。中心在虚拟仿真教学中，探索出了虚拟实验、仿真优化和实践创新3种虚拟仿真教学模式并有效实施。3种教学模式虚实结合，相互补充，保证了学习效果，有效提高了大学生的实践动手能力及创新精神。

3 成果与示范效应

近5年，中心在圆满完成学校每年20多万人时教学任务基础上，出版教材22部，获得国家专利61项，公开发表教学、科研论文400多篇；指导的大学生科技创新项目230余项，学生参加各种科技竞赛活动获国家及省部级奖励55项，获国家专利48项，发表论文23篇；拥有石油仿真教学装备40余种；开发虚拟教学软件20多个模块，时长达100 h。

中心立足本校学生教学的基础上，面向全国各油田、周边高校及地方开放教学[13-15]，承接了中国石油大学(北京)、东营职业技术学院、胜利学院、黄海学院等多所高校的大学生工程训练教学任务，以及齐鲁石化、京博石化、华东设计院、青岛市、东营市部分学生和职工的实习训练和技术培训，每年接受外校及地方实习及培训的人数达1 000多人。同时，中心的虚拟仿真教学资源，面向成人教育开放，每年有近万人通过远程教育受益，以良好的资源共享和教学辐射效果推动了我国石油化工与装备教育的发展，在国内外的高等院校、培训机构、石油化工企业中产生很大的影响，起到了很好的示范和辐射作用。

4 结 语

中心立足于国家高等工程教育要求和石油化工行业特色，建成了完善的网络和教学信息化平台和一支素质优良、结构合理、充满创新活力的实验、实训教学及科研队伍，采用“虚拟实验”“仿真优化”“实践创新”3种教学模式，通过“理论强化”“现场认知”“模拟仿真”“工程实训”4个训练梯度，遵循理论与实践、虚拟与现实、模拟与仿真、教学与科研、校内与校外的“五结合”原则，虚实结合，实现了学生工程能力与创新能力的提高；教学科研深度结合，自主研发大量系统化的仿真训练教学装备及软件，并实现广泛共享，扩大辐射范围。

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