《城镇燃气输配系统工艺设计与运行调控》项目化教学教案

  《城镇燃气输配系统工艺设计与运行调控》项目化教学教案

课程基本信息

1.所属学科：能源动力与材料大类-城市燃气工程技术

2.教学对象：高等职业技术院校（高职）城市燃气工程技术专业二年级学生

3.课程类型：专业核心课程

4.学时安排：总学时64学时，本次教学设计涵盖核心模块，计16学时（4学时×4周）。

5.前导课程：《燃气工程制图与CAD》、《工程流体力学》、《热工基础》、《燃气气源》

6.后续课程：《燃气燃烧与应用》、《燃气工程施工》、《顶岗实习》

7.教材与主要资源：

1.8.主教材：《城镇燃气输配》（第五版），段常贵主编，中国建筑工业出版社。

2.9.行业标准：《城镇燃气设计规范》（GB50028-2020）、《城镇燃气输配工程施工及验收规范》（CJJ33-2023）。

3.10.虚拟仿真软件：燃气输配管网水力计算与模拟平台（专业版）、SCADA系统仿真训练平台。

4.11.工程案例库：包含高、中、低压不同压力级制，不同城市规模的燃气输配系统完整设计图纸、运行报表、事故分析报告等。

5.12.实物与模型：门站工艺区沙盘模型、调压器（柜）拆解实物、PE管电熔对接教具、各类阀门实物。

整体教学设计思路

本教学设计摒弃传统的知识灌输模式，采用“基于真实工作过程的项目化教学”（PBL）理念。以一项真实的“某新区城镇燃气输配系统初步设计与运行方案编制”为总项目驱动，将课程核心知识、技能与职业素养分解融入项目完成的各个环节。通过“情境导入-任务分解-协同探究-实践模拟-迭代优化-综合评价”的闭环流程，实现“做中学、学中做”。教学设计强调跨学科知识整合（流体力学、热工学、自动化控制、工程经济）、数字化工具应用（CAD、仿真软件、数据分析）以及职业素养养成（规范意识、安全意识、团队协作、工匠精神），旨在培养学生解决复杂工程问题的综合能力，无缝对接燃气行业设计院、燃气运营公司对高端技术技能人才的需求。

教学目标

1.知识目标：

1.2.系统阐述城镇燃气输配系统的构成、各级管网的功能与压力级制划分依据。

2.3.深入理解门站、储配站、调压站（箱、柜）等关键设施的工作原理、工艺流程及设备选型原则。

3.4.掌握管网水力计算的基本理论与方法（如压降公式、环路平差），能阐述其计算前提与适用范围。

4.5.理解负荷预测、调峰储气的基本方法及运行调度（SCADA系统）的基本原理。

5.6.熟悉与燃气输配相关的核心国家规范、标准及安全操作规程。

7.能力目标：

1.8.专业实践能力：能够独立使用专业软件完成中小型枝状管网的水力计算与工况分析；能读懂并绘制工艺流程图（PFD）和管道仪表图（PID）；能根据给定条件完成调压装置的初步选型。

2.9.数字化应用能力：熟练运用CAD软件绘制管网平面布置图与系统图；利用仿真软件进行系统运行模拟与方案验证；能利用数据分析工具处理简单的运行数据。

3.10.问题解决能力：在项目情境中，能识别技术矛盾（如经济性与安全性），提出多种解决方案并进行初步评估；能分析典型运行故障（如压力异常、调压器失效）并提出排查思路。

4.11.协同与沟通能力：在项目小组内有效分工协作，能进行技术方案的内部讨论，并能清晰、规范地撰写技术文档和进行项目汇报。

12.素养与思政目标：

1.13.培育严谨求实、精益求精的“工匠精神”，树立严格的工程规范与质量标准意识。

2.14.筑牢“安全第一、生命至上”的行业安全核心价值观，深刻理解安全是燃气行业的生命线。

3.15.培养绿色低碳与可持续发展理念，理解燃气在能源转型中的角色，思考输配系统的能效优化。

4.16.增强团队协作精神、责任担当意识及工程伦理观念。

教学重点与难点

1.教学重点：

1.2.城镇燃气输配系统多级压力级制的工艺原理与配置逻辑。

2.3.管网水力计算的核心方程应用与软件实操。

3.4.调压装置的原理、选型与工艺流程设计。

4.5.基于规范的系统安全设计与运行调控要点。

6.教学难点：

1.7.环状管网水力平差的计算原理与工程简化处理思维。

2.8.动态负荷下的系统供需平衡分析与调峰策略制定。

3.9.SCADA系统架构与运行调控策略的抽象理解。

4.10.在复杂约束（地理、经济、安全）下进行多方案比较与决策的综合能力。

教学策略与方法

1.主导策略：项目驱动教学法（PBL）。

2.核心方法：

1.3.案例教学法：贯穿始终，使用正反两方面工程案例，特别是事故案例，强化规范与安全意识。

2.4.情境模拟法：利用虚拟仿真软件，创设“设计-验证-故障排查”等多种工作情境。

3.5.协同学习法：学生以3-4人项目小组为单位，协作完成项目任务，教师作为引导者和顾问。

4.6.支架式教学法：针对难点知识（如水力平差），提供计算模板、软件向导、思维导图等“学习支架”，帮助学生逐步攀升。

5.7.四阶段教学法：在关键设备（如调压器）教学中，采用“准备-示范-模仿-练习”的熟练技能培养路径。

8.技术赋能：充分利用虚拟仿真、三维模型、数字孪生（简化版）等信息化手段，将不可见的过程可视化，将昂贵的实验虚拟化，将漫长的工程过程加速化。

教学评价设计

建立“过程性评价与终结性评价相结合、量化指标与质性评价相结合、机器评价与人工评价相结合”的多元综合评价体系。

1.过程性评价（占总评60%）：

1.2.项目成果（40%）：包括水力计算书、工艺流程图、平面布置图、运行方案报告等，评价其规范性、准确性、完整性与创新性。

2.3.学习过程（20%）：包括课堂研讨参与度、小组协作贡献度（组内互评+教师观察）、线上学习数据（资源访问、作业提交）、实操练习表现。

4.终结性评价（占总评40%）：

1.5.综合知识考核（25%）：闭卷考试，侧重对核心原理、规范条款、系统概念的理解与应用分析。

2.6.技能实操考核（15%）：随机抽取一项典型任务（如软件水力计算、调压器拆装与原理说明、PID图纠错），现场操作并口述原理。

详细教学实施过程（共分四个阶段，16学时）

第一阶段：项目启动与系统认知（4学时）

阶段目标：理解项目背景，建立城镇燃气输配系统的整体概念框架，掌握系统组成与压力级制划分，完成项目总任务的初步分解。

课时1-2：情境导入与项目发布

1.教学活动1：案例视频导入（20分钟）

1.2.教师播放一段精心剪辑的视频，展示一座现代化城市从天然气门站进气，经过各级管网输配，最终到达居民家中灶具和工厂锅炉的完整过程。穿插展示设计院的图纸、调度中心的SCADA界面、巡检员的日常。视频结尾，引入“某新区”建设规划图，发布总项目任务：“为这座规划人口30万的新城区，完成一套城镇燃气输配系统的初步工艺设计与首年运行调控方案”。

2.3.设计意图：宏观切入，激发兴趣，建立感性认识，明确学习终极目标。

4.教学活动2：核心概念建构（40分钟）

1.5.教师不直接罗列定义，而是引导学生基于视频和前期知识，以小组为单位在白板（或共享文档）上绘制“我认为的燃气输配系统组成图”。各组展示后，教师结合门站沙盘模型和三维动画，系统讲解“气源-门站-高压/次高压环网-高/中压调压站-中压管网-中/低压调压箱（柜）-低压庭院管网-用户”这一完整链条。重点辨析“压力级制”（如高压A/B，次高压A/B，中压A/B，低压）划分的工程意义与安全考量。

2.6.设计意图：变被动接受为主动建构，通过对比纠错深化理解。实物与动画结合，化解抽象。

7.教学活动3：项目任务书解读与分解（30分钟）

1.8.教师下发详细项目任务书，包含新区基础资料（地图、人口分布、规划用地性质、已有能源设施等）、设计边界条件、交付物清单、评价标准。引导学生小组讨论，将大项目分解为子任务：1)负荷预测与用气量计算；2)管网系统拓扑结构规划（压力级制选择、管网布局形式）；3)关键场站（门站/调压站）工艺流程设计；4)管网水力计算与管径初选；5)调峰方案与运行调控要点。各小组认领任务重点，制定初步计划。

2.9.设计意图：明确项目具体要求和路径，初步培养项目管理和任务分解能力。

课时3-4：压力级制与管网形制深度学习

10.教学活动1：管网拓扑结构探究（40分钟）

1.11.教师提供多个不同规模城市的简化管网地图案例（枝状、环状、环枝结合）。学生小组分析其优缺点。教师引入“可靠性”和“经济性”这一对核心矛盾，引导学生推导出：高压环网提高供气可靠性，中压枝状网节省投资。通过仿真软件快速演示，在环网某点发生故障时，气流如何绕行，直观展示环网的可靠性优势。

2.12.设计意图：培养工程辩证思维，理解技术选择背后的经济与安全逻辑。仿真验证理论，增强说服力。

13.教学活动2：规范深度研学（50分钟）

1.14.这不是简单的念规范。教师设计一系列“情境-问题”，驱动学生主动查阅《城镇燃气设计规范》GB50028。

1.2.15.问题1：“新区有一条规划高速公路穿过，我们的高压管道能沿高速公路敷设吗？安全间距是多少？”（引导学生学习管道与建构筑物安全间距表）

2.3.16.问题2：“我们计划在新区中心商业区设置一个中低压调压柜，它距离旁边的三星级酒店门窗至少需要多远？”（引导学生学习调压装置设置要求）

3.4.17.问题3：“新区有一段管道需要穿越一条非通航河流，应采用何种保护措施？”（引导学生学习管道穿越工程要求）

5.18.小组竞赛形式，最快最准找到规范依据并给出初步解答的小组加分。教师最后总结规范学习的“索引法”和“关联法”。

6.19.设计意图：将枯燥的规范条文置于真实问题情境中，变“要学”为“需学”，培养终身受用的规范查询与应用能力。

第二阶段：核心工艺与水力计算（6学时）

阶段目标：掌握关键场站工艺流程设计，精通管网水力计算原理与方法，能运用专业软件完成项目中的计算任务。

课时5-7：场站工艺设计

1.教学活动1：门站工艺“拆解”与“重组”（60分钟）

1.2.利用门站工艺区沙盘模型和高清三维可交互动画，教师引导学生扮演“工艺设计师”，思考天然气从长输管道来，到进入城市管网前，需要经过哪些处理环节？各小组提出流程建议。教师归纳总结：必须环节（过滤、计量、调压、加臭）和可选环节（加热、预除尘、气质分析）。随后，展示多种不同的工艺设备组合方案（如不同调压路数、不同计量方式），分析其适用场景和投资运行差异。学生为项目中的新区门站选择初步工艺方案，并绘制草图。

2.3.设计意图：培养工艺流程设计思维，理解功能决定形式，方案基于需求。

4.教学活动2：调压装置深度研学（80分钟）

1.5.（四阶段教学法示范）

1.2.6.准备：教师展示因调压器失效导致的高压冲击或低压熄火事故案例，强调其“咽喉”关键作用。介绍调压器的核心部件：感应元件（膜片）、执行机构（阀口）、加载机构（弹簧）。

2.3.7.示范：教师利用拆解实物和剖面动画，逐步演示直接作用式和间接作用式调压器的工作过程，重点阐释“指挥器”在间接作用式调压器中的核心控制逻辑。演示如何通过调节弹簧预紧力来设定出口压力。

3.4.8.模仿：学生分组，在仿真软件或实物教具上，重复调压器的压力设定流程，并口述其工作原理。

4.5.9.练习：给定项目新区中不同用户类型（居民小区、商业综合体、工业用户）的压力和流量需求，要求学生小组从样本中选择合适的调压器型号，并说明理由。引入“计算流量”、“阀口能力”、“关闭压力”等选型关键参数。

6.10.设计意图：将抽象原理具象化，通过实操深化理解，掌握关键设备的工程选型能力。

课时8-10：管网水力计算核心突破

11.教学活动1：从伯努利到工程公式（40分钟）

1.12.复习《工程流体力学》中的伯努利方程。教师引导学生分析燃气管道流动的特点（可压缩、等温、长距离），通过一系列合理的工程假设（如平均温度、平均摩擦系数），推导出适用于工程计算的燃气管道压降基本公式（如高、中压常用公式，低压公式）。重点讲解公式中每个参数的物理意义、单位及获取途径（如摩擦系数λ与流态、管壁粗糙度的关系）。

2.13.设计意图：建立理论知识到工程应用的桥梁，理解公式的“来龙去脉”而非死记硬背。

14.教学活动2：枝状管网计算实战（50分钟）

1.15.学生小组利用计算器或Excel模板，完成一个简化枝状管网（5-6个节点）的手算练习。任务包括：确定最不利管路，从最末端用户反推至气源点所需压力。教师巡回指导，纠正单位换算、公式套用等错误。手算完成后，引入专业水力计算软件，将相同数据输入，对比结果，验证手算准确性，并体验软件的高效与强大。

2.16.设计意图：手算奠定基础，理解计算逻辑；软件应用提升效率，符合行业实际。

17.教学活动3：环状管网与水力平差概念建构（60分钟）

1.18.（难点突破，采用支架式教学）

1.2.19.搭建脚手架：教师用城市道路网类比燃气管网，用“车流量”类比“燃气流量”，说明环状网络中流量分配的不确定性。

2.3.20.呈现问题：展示一个简单环状管网（一个环，4个节点），给出节点流量和管段初始假设流量，利用压降公式计算环路闭合差，发现其不为零，说明假设不成立。

3.4.21.探索引导：引入“校正流量Δq”的概念，通过动画演示，向学生展示如何通过迭代调整各管段流量，使环路压力闭合差趋于零的过程。不深入复杂数学推导，而是强调其“试算迭代，逐步逼近”的工程思想。

4.5.22.软件化解：明确告知学生，实际工程中均使用软件进行平差计算。引导学生将之前手算的环状网案例输入软件，一键完成平差，并解读软件输出的各管段最终流量、压力分布图。重点分析环网中气流的自然分配规律。

6.23.设计意图：降低理论难度，聚焦工程思维，明确现代工具的价值，将难点从“如何计算”转化为“如何理解与利用计算结果”。

第三阶段：系统集成与运行调控（4学时）

阶段目标：理解输配系统动态运行特性，掌握调峰与储气方法，了解SCADA系统，整合完成项目初步设计方案。

课时11-12：供需平衡与调峰策略

1.教学活动1：负荷曲线分析（40分钟）

1.2.教师提供典型城市全年逐月、典型日逐时的用气负荷曲线数据图。学生小组分析曲线特征，识别出“季节调峰”（冬季采暖导致用气高峰）、“日调峰”（三餐和夜晚用气高峰）和“小时调峰”的规律。讨论不同用户类型（居民、商业、工业、采暖、制冷）对负荷曲线的贡献度差异。

2.3.设计意图：建立“动态负荷”概念，理解输配系统设计必须考虑波动性。

4.教学活动2：调峰储气“工具箱”研讨（50分钟）

1.5.将调峰方法比喻为应对“波峰”的“工具箱”。引导学生头脑风暴可能的调峰手段。教师系统归纳：1)气源侧调节（如管道气量调节、LNG/CNG补充）；2)输配侧调节（利用管网自身储气能力——管道储气、加大末端压力波动范围）；3)储气设施调节（高压管束、地下储气库、LNG储罐）；4)需求侧管理（可中断用户、分时气价）。结合成本、响应速度、规模等因素，分析各类工具的适用场景。学生小组为项目新区选择合适的组合调峰方案。

2.6.设计意图：培养系统思维和解决方案的决策能力，理解技术经济综合评价。

课时13-14：运行调度与SCADA系统认知

7.教学活动1：SCADA系统虚拟巡检（60分钟）

1.8.学生在SCADA系统仿真训练平台上，扮演调度员角色。界面模拟真实调度中心，显示管网图、各节点压力、流量、设备状态。教师设置一系列运行情景任务：1)监控全管网压力，识别是否在正常范围；2)某区域报警压力过低，分析可能原因（用户激增？调压器故障？管道泄漏？）；3)远程调节某个调压站的出口压力设定值；4)接收巡线员报告，在地图上标记疑似泄漏点。通过实操，理解SCADA“数据采集、监视控制”的核心功能。

2.9.设计意图：将抽象的自动化控制系统具象为可操作的任务，深刻理解信息化、智能化在现代化燃气运营中的核心地位。

10.教学活动2：项目方案中期整合与研讨（30分钟）

1.11.各项目小组整合前期的负荷预测、管网规划、场站工艺、水力计算、调峰策略等成果，形成初步设计方案草案。进行组间交叉评审，互相就技术合理性、规范符合性、经济性提出质疑和建议。教师参与讨论，提供关键点拨。

2.12.设计意图：培养技术方案整合能力与批判性思维，通过同伴互评提升质量。

第四阶段：项目答辩、评价与迁移升华（2学时）

阶段目标：完成项目成果的总结、呈现与答辩，进行综合反思与评价，实现知识技能的迁移与内化。

课时15-16：成果展示与课程总结

1.教学活动1：项目终期答辩会（70分钟）

1.2.模拟工程评审会场景。各项目小组依次进行15分钟汇报，展示其最终设计方案（包括主要图纸、计算书摘要、方案比选说明、运行调控要点）。由教师和抽选的学生代表组成“评审委员会”，进行10分钟质询，问题聚焦于技术细节、规范依据、方案优劣比较。评审委员会根据汇报内容、答辩表现、文档质量进行现场评分（计