实验教学

实验课教学是实践教学的基础阶段,与理论课程密切相关,起到验证理论和加深学生对理论知识理解的作用,在大学本科教学中占有重要地位,在培养学生求实的科学态度、严谨的科学作风及创新思维能力、理论联系实际以及分析和解决问题的能力,良好的道德修养等各方面,起着十分重要的作用。实验课也要根据课程的变化,从基础课、专业基础课和专业课等方面渐进展开。与专业课密切相关的实验课可设为是验证性实验或综合性实验,提高实验课的效果。

(一)实验体系的构架

专业实践体教学系如图所示,包括实验课、实习、课程设计和毕业设计四个部分。实践教学课程应按照层次和时序进行排布,使学生由基础知识验证到工程素质培养,再到创新精神的树立。实验教学穿插于四年的授课过程中,因此更需要进行认真研究,循序渐进。



(二)实验内容

近5年内,化工过程装备实验教学平台需完善3个专业基础模块,即过程流体机械实验室、压力容器实验室、过程装备监测及控制实验室,建设3个创新模块,即模型及拆装实训实验室、过程装备专业综合实验室、能源工业环保设备综合实验室。具体规划为:

(1)过程流体机械实验室

①离心泵性能测试分室

离心泵性能测试实验装置 4套。实验设备主要有离心泵、电机、水箱、管路、真空表、压力表、涡轮流量计、数字仪表、功率表、手动和电动阀门、控制柜等。

用于学生熟悉离心泵的结构、性能及特点,练习并掌握其操作方法,掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定方法、表示方法,加深对离心泵性能的了解。

②离心泵综合操控分室

泵送装置综合操控实验台 4套。泵送装置综合操控实验台主要部件包括离心泵、电动调节阀、各种传感器、变频调速器、计算机、控制柜、阀门及管汇等。主要测试功能有:泵的串并联特性测定、泵装置自动测控实验、离心泵变速节能实验、管路的分支与交汇实验、泵的运行监测实验。

泵送装置综合操控实验台还可作为认识实习、专业实习、结构课的实物模型。实验面向本科生和研究生开放,由学生自主设计,可有效地培养学生的工程意识,锻炼学生的创新实验能力和动手能力。

③离心泵汽蚀特性测试分室

离心泵汽蚀测定实验装置 4套。离心泵汽蚀测定实验装置主要部件包括可视不锈钢离心泵、不锈钢水环真空泵、电机、电动调节阀、电磁流量计、温度变送器、压力变送器、储液罐(负压)、真空泵供液罐、计算机、控制柜等。主要测试内容有:汽蚀现象的可视化观测、必须汽蚀余量的测定、离心泵汽蚀特性的自动监测与测量。

离心泵汽蚀测定实验装置,可用于化学工程与工艺、过程装备与控制工程、油气储运工程、热能与动力工程、建筑环境与设备工程、环保设备工程等专业的基本教学实验和创新实验。离心泵汽蚀测定实验装置面向本科生和研究生开放,由学生自主设计,并可在此基础上开发其他的功能,如其他形式泵汽蚀性能测试、叶轮流道设计、以及离心泵抗汽蚀措施研究等。

④往复压缩机性能测试分室

往复压缩机性能测试实验装置4套。分本室主要开展往复压缩机性能实验、往复压缩机气阀特性实验。需要配备的设备和仪器有往复压缩机、高压储罐、扭矩仪、涡街流量计(带变送)、转速计、压力变送器、温度变送器、自动调节阀、控制中心(包括数据采集、计算及控制系统)、积分仪、振动及噪声测量仪等设备仪表。

⑤离心风机性能测试分室

离心风机性能实验装置 4套。本室主要开展离心风机实验,了解风机的构造,掌握风机操作和调节方法。测定风机在恒定转速情况下的特性曲线并确定该风机最佳工作范围,改变风机转速,测量风机在不同转速下的性能。实验装置主要设备有离心风机、扭矩仪、流量计、控制系统、自动调节阀、压力变送器、温度变送器、变频调速器和缓冲罐等,也可以做成风洞式测量结构。

测量参数包括:风洞静压、喷嘴压差、被测风机电压、被测风机电流、被测风机转速、风洞温度、风洞湿度、大气压力。采集及显示测量项目:静压、压差、转速、功率、电压、电流、效率、温度、湿度、大气压等;绘制特性曲线图:纵坐标、横坐标为分别可选静压、转速、电压、电流、功率、效率,得出风机不同性能参数之间的关系曲线图。

⑥特种流体机械性能测试分室

特种流体机械性能实验装置 6套。只配备显示仪表,不进行计算机采集。

罗茨风机装置、螺杆压缩机装置、引流隔膜泵装置、涡旋压缩机装置、滑片压缩机一台、往复计量一台。需要配备的设备及仪表有罗茨风机、螺杆压缩机、引流隔膜泵、涡旋压缩机、滑片压缩机、往复计量、扭矩仪、流量计、调节阀、压力表、温度显示器、缓冲罐以及控制系统等。

实验内容包括测试机器的性能曲线、功率特性和效率特性等,主要是观察和操作设备,了解设备的基本原理和特性。

(2)压力容器实验室

①内压容器应力测定分室

主要测定薄壁容器承受内压作用时,圆筒体及封头上的应力分布;比较在不同压力情况下实测应力的分布情况,分析理论推导与实测差异原因;了解“应变电测法”测定容器应力的基本原因和测试技术。

需要配备的设备及仪表有锥形封头容器、平板封头容器、球形封头容器、椭圆封头容器、碟形封头容器、压力表、温度计、应变电测系统(包括电阻应变仪和预调平衡箱)、高压泵、数据采集系统、溢流阀等。

用于过程装备与控制工程、环保设备工程、化工工程与工艺专业的基本教学实验和创新试验。通过对容器回转薄壳应力的实验测定,并与理论结果对比,加深认识。

②外压容器的失稳实验分室

主要实验内容为观察薄璧容器在外压作用下丧失稳定的现象、测定圆柱形薄璧容器在外压作用下丧失稳定的临界压力、观察试件失稳后的波形和波束,并于理论值进行比较,并分析误差原因。

需要配备的设备及仪器有:真空泵、稳压罐、控制阀、游标卡尺、壁厚千分尺和直尺、压力传感器,动态应变仪和函数记录仪等。

用于过程装备与控制工程、环保设备工程、化工工程与工艺专业的基本教学实验和创新试验。加深同学对外压容器失稳的了解,增加感性认识。

③压力容器爆破实验分室

主要目的包括了解压力容器在内压下爆破的全过程、掌握压力容器爆破实验测试的基本技能。需要配备的设备仪表有:高压泵、动态电阻应变仪、函数记录仪、压力传感器、密度传感器、交流稳压电源、显微镜、高速CCD等。

用于过程装备与控制工程、环保设备工程、化工工程与工艺专业的基本教学实验和创新试验。使同学了解内压容器水压试验的操作步骤,承载过大后容器的强度破坏形貌,进一步认识不同部位应力的性质和作用。

④压力容器缺陷无损检测实验分室

主要包括压力容器的残余应力检测、腐蚀速率测试、超声波无损检测、渗透无损检测、温度测量、壁厚检测、水压实验等。

需要配备的设备有压力容器、焊接试板、超声波探伤仪、渗透检测剂、电动试压泵、压力表、高温成像仪、腐蚀速率测试仪、残余应力测试仪等。

用于过程装备与控制工程、环保设备工程专业的制造工艺学的基本教学实验和创新试验。能够完成对压力容器缺陷的检测和评价,加深对压力容器质量控制体系的理解。

⑤压力容器材质检验分室

主要包括运行条件(时间、温度、介质)对压力容器材质的影响,通过取样分析,得到材料的破坏机理和防护方法。需要配备的主要设备有金相显微镜、拉伸试验机、疲劳试验机、蠕变试验机、光谱分析仪、硬度计、摆锤冲击试验机、慢速率拉伸试验机。

用于过程装备与控制工程、环保设备工程专业的制造工艺学的基本教学实验和创新试验。能够完成对压力容器用材的力学性能,成分和组织性能的的检测和评价,加深同学对压力容器用材在运行条件下的劣化机理的理解。

(3)过程装备监测与控制实验室

①过程装备运行状态参数监测实验分室

以立式容器为实验对象,进行温度、压力、流量、液位参数等复杂参数测试,并进行仪表校验实验。需要配备的设备仪器有:化工容器综合实验装置,压力表校验实验设备10套,热电偶温度校验设备10套,以及常见的压力、流量、液位测量仪表、PLC控制器、变频器、调节阀、dSPACE实时仿真系统。

用于本科生《过程装备测控技术》课程实验以及研究生相关课程实验。目的是使学生掌握过程参数测试的基本手段,熟练仪表校验和维修。

②过程装备控制技术实验分室(DCS)

以典型化工单元为控制对象,进行被控对象的特性参数测定、单回路控制系统参数整定、串级控制、前馈控制等复杂控制系统实验与仿真,掌握DCS分布式过程控制系统和MACS系统,学会进行DCS控制实验。

需要配备的仪器有:过程装备综合控制实验台4套,DCS控制系统,计算机,上位机MCGS组态软件,RS232-485转换线,串口通信,万用表等。

用于本科生《过程装备测控技术》课程实验和研究生相关课程实验。目的是使学生掌握过程装备简单控制方法、复杂控制方法,掌握PID控制器参数整定方法,能够独立搭建控制系统,并整定运行。

③过程装备建模与仿真实验分室

主要石油化工装置工艺生产过程控制仿真,掌握工艺流程和主要设备,分析工艺机理和历史监测数据进行过程建模与控制分析,熟悉系统特性,代替部分实验。需要配备的仪器有:计算机集群系统,计算机服务器、相关仿真软件。

用于本科生《过程装备控制工程基础》课程实验,目的是掌握所学的时域分析、频域分析等方法,能够独立完成控制系统分析。还可以用于本科生选修课程《化工单元控制及现代测试仪表》课程的控制系统分析以及研究生相关课程。

④过程装备先进控制技术实验分室

实验目的是将用于特种过程装备的智能检测与先进控制。引入工程教育,提供一个综合实验平台,通过微控制器与程序设计,自主完成既定任务。实验包括智能化模块与可重构及自重构机器人,自主移动机器人的导航、定位与跟踪,高精密运动机械设计及其控制,嵌入式系统应用及开发,特种设备智能检测机器人等。实验室还包括压力、流量、温度、液位的特种测试仪表,以及软测量实验装置。

需购置的仪器包括:基础教育机器人,移动式机械臂,管道检测机器人,四大过程参数的特种测试仪表,先进控制技术仿真软件,一套常减压先进控制实验平台等。用于本科生《过程装备控制工程基础》、《过程装备测控技术》、《化工单元控制及现代测试仪表》等课程以及研究生相关课程。目的是使学术了熟悉与了解过程装备先进控制技术。

⑤多相流动参数测控实验分室

实验目的是在油气水混输条件下对三相流的流量、速度、压力降和截面相份额等参数进行实时测量,对多相流的流型进行智能识别。分别采用高速摄影法、超声波层析成像以及电容层析成像等测量手段,对泡状流、塞状流、弹状流、层状流、波状流、环状流和雾状流等流型进行识别。利用神经网络或支持向量机等智能分类模型实现多相流流动参数的实时测量与控制。

需要配备的实验仪器有: 高速摄像机、超声波层析成像仪、电容层析成像仪、计量油泵、离心水泵、空气压缩机、电磁流量计、涡街流量计、孔板流量计、三相混合器、气液分离器、油水分离器、自动调节阀以及LabView数据采集及控制系统等。

用于本科生《过程装备控制工程基础》、《过程装备测控技术》等课程,目的是使学术了解现代检查技术。

⑥高速转子故障模拟及诊断实验分室

实验的主要目的是通过对旋转机械高速转子故障的模拟,分析和认识高速转子常见故障的特征,研究故障的机理。

需要配备的实验仪器设备有:高速转子实验台、电涡流式传感器、信号采集分析仪、测速仪、变频调速器、计算机、相关控制软件等。

信号发生器、激振设备(力锤、激振器)、功率放大器、振动传感器(接触式、非接触式两种)、示波器、信号采集器、信号分析软件、计算机、打印机。

高速转子试验台(一套),要求具备旋转机械常见故障(不平衡、不对中、零部件松动、滑动轴承油膜涡动、轴承座刚度变化)的模拟能力和故障信号采集和信号处理分析能力。

用于本科生《过程装备测控技术》《现代测控仪表》《化工单元控制技术》《机械设备故障诊断》等课程,目的是使学术了解现代测控技术。

(4)模型及拆装实训实验室

①教学模型分室

模型的具体内容应包括石油化工的主要设备和机器,特别是教学内容中涉及的设备和机器,如塔设备、换热器、加热炉、储罐等静设备,以及汽轮机、泵、压缩机、分离机等动设备。

可以是实际结构经过剖分制成,也可以是制造的可动的模型。模型配备适当的挂图说明。

②拆装训练分室

实训车间应将设备分类排布,主要内容包括两部,即操作室和拆装室。操作室可以与教学实验合并,同时具有实验教学的功能;而拆装室不需要精心维护,学生可以进行拆装和维修,起到动手时间的功能。设备包括泵、压缩机、搅拌器、塔、罐及换热器等。

(5)过程装备专业综合实验室

①多相流分离综合实验分室

主要内容包括重力沉降、过滤分离、旋风分离、旋液分离等。需要配备的设备及仪器有:过滤器、旋风分离器、引风机、离心泵、五孔球探针、电子天平、过滤离心机、压力变送器、流量变送器、温度变送器、自动调节阀、控制系统等。

②流体动密封综合实验分室

通过流体密封的装配、安装和运行,介绍机械密封、填料密封、螺旋密封和新型非接触式机械密封等流体密封的工作原理以及如何测量密封介质泄漏、扭矩、转速、摩擦功耗、端面温度等关键参数。需要配备的设备仪表有:密封实验台、扭矩仪、转速计、流量变送器、压力变送器、量筒、秒表、变频调速器、计算机及其数据采集系统、研磨机等。

③雾化燃烧综合实验分室

演示风油比、雾化压力、喷嘴形式、油品特性等对火焰特性以及污染物形成的影响、测试燃烧效率等,包括燃烧机、油泵、风机、燃烧室、压力表、玻璃转子流量计、腰轮流量计、热电偶、红外摄像仪、枪式温度计、高温窥视镜、便携式烟气分析仪等。

④高效传热实验分室

包括螺旋槽纹管、旋流管、波纹管、热管及其他新型强化新技术及传热实验装置。研究和解决我国能源利用领域、过程工业和新兴产业与传热和节能有关的重大基础理论问题,揭示热质传递机理和能量转换规律,开发适合我国国情的能源高效利用和节能新技术。

⑤高温蠕变实验分室

材料随加载时间的延长缓慢地产生塑性变形的现象。由于施加应力方式的不同,可分为高温压缩蠕变、高温拉伸蠕变、高温弯曲蠕变和高温扭转蠕变。高温蠕变比高温强度能更有效地预示材料在高温下长期使用时的应变趋势和断裂寿命,是材料的重要力学性能之一,它与材料的材质及结构特征有关。

可测量金属材料试样在规定温度及恒定拉伸负荷下,试验时间不超过10000小时,总伸长率不超过1%范围内的标准蠕变试验。但也适用作特殊的试验时间和总伸长率超规定的试验。

⑥机械设备故障诊断实验分室

机械设备故障诊断实验室综合应用机械动力学、传感技术、信号分析、人工智能、控制理论及计算机软、硬件的理论和技术,对机械的运行状况进行实时监测,同时对机械所可能发生的故障进行早期预报或在事故发生后进行故障分析。机械设备故障诊断实验室包括:高速轴承劳寿命试验台、滚珠轴承试验、机械故障仿真器梁、包MRC-1型FZG齿轮磨损试验机。

(6)能源工业环保设备综合实验室

①含油废水处理设备分室

含油废水传统处理工艺装置2套。该分室主要开展含油废水处理设备组装、含油废水处理设备结构参数优化和传统含油废水处理工艺对含油废水处理效果实验。需要配备的设备和仪器有:空压机、高压溶气罐、布气系统、配药系统、加药系统、进水泵、回流水泵、溶解氧仪等。

②膜分离设备分室

超滤-反渗透膜分离装置两套。该分室主要开展超滤-反渗透膜净水装置组装、净水性能实验、膜材料测试等试验。需要配备的设备及仪表有不同材质的膜组件、隔膜泵、蠕动泵、清水泵、水箱、流量计等。

③多相流蒸发结晶设备分室

多相流蒸发结晶设备两套。该分室主要开展多相流蒸发结晶处理高盐水实验、多相流蒸发结晶设备阻垢性能实验。需要配备的设备及仪表有多相流蒸发结晶装置、循环泵等。

④工业烟气脱硫设备分室

湿法脱硫设备两套。该分室主要开展直接喷淋法、旋流板法、文丘里管法等湿法脱硫设备对工业烟气中二氧化硫脱除效率实验,石灰、氢氧化钠等脱硫药剂脱硫效率实验。需要配备的设备及仪表有烟气系统、二氧化硫吸收系统、压缩机、二氧化硫测定仪等。

⑤工业烟气脱硝设备分室

工业烟气脱硝催化设备两套。该分室主要开展不同催化系统对工业烟气中氮氧化物催化去除效果实验,测试不同脱硝催化剂脱硝性能实验。需要配备的设备及仪表包括氮氧化物测定仪、固定床系统、烟气系统、脱硝催化剂等。

⑥高温热解和洁净燃烧分室

该分室主要展开含油污泥高温热解,以及循环流化床试烧试验。需要配备的设备和仪器有循环流化床小型实验台、热重-差热联用分析仪、高频超细振动研磨机、箱式电阻炉、真空管式高温炉、电热鼓风干燥箱、数显恒温双头磁力搅拌器、低速台式大容量离心机、梅特勒托利多万分之一天平、精密pH计、ICP离子光谱分析仪、碳/氢/氮测定仪、储气罐、流量计。