2025年公用设备工程师之专业案例（动力专业）考试题库及答案

2025年公用设备工程师之专业案例（动力专业）考试题库及答案一、单项选择题1.某燃气轮机装置，压气机进口空气参数为\(p_1=0.1MPa\)，\(T_1=290K\)，压气机增压比\(\pi=8\)，燃气轮机进口燃气温度\(T_3=1300K\)。若空气和燃气的比热容比\(k=1.4\)，定压比热\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)，求压气机出口空气温度\(T_2\)。-答案：根据压气机等熵压缩过程的温度-压力关系\(T_2=T_1\pi^{\frac{k-1}{k}}\)，将\(T_1=290K\)，\(\pi=8\)，\(k=1.4\)代入可得：\(\frac{k-1}{k}=\frac{1.4-1}{1.4}=\frac{0.4}{1.4}\approx0.286\)\(T_2=290\times8^{0.286}\)\(8^{0.286}=e^{0.286\ln8}\approx2.22\)\(T_2=290\times2.22=643.8K\)2.已知某蒸汽动力循环，锅炉出口蒸汽参数为\(p_1=10MPa\)，\(t_1=500^{\circ}C\)，冷凝器压力\(p_2=0.005MPa\)。若汽轮机为等熵膨胀过程，求汽轮机出口蒸汽的干度\(x_2\)。-答案：首先，根据\(p_1=10MPa\)，\(t_1=500^{\circ}C\)，查水蒸气热力性质表可得\(h_1=3373.7kJ/kg\)，\(s_1=6.5966kJ/(kg\cdotK)\)。因为汽轮机为等熵膨胀过程，所以\(s_2=s_1=6.5966kJ/(kg\cdotK)\)。在\(p_2=0.005MPa\)下，查水蒸气热力性质表得\(s_{f2}=0.4764kJ/(kg\cdotK)\)，\(s_{g2}=8.3952kJ/(kg\cdotK)\)。根据干度计算公式\(s_2=s_{f2}+x_2(s_{g2}-s_{f2})\)，可得：\(x_2=\frac{s_2-s_{f2}}{s_{g2}-s_{f2}}=\frac{6.5966-0.4764}{8.3952-0.4764}=\frac{6.1202}{7.9188}\approx0.773\)二、多项选择题1.以下关于燃气轮机循环的说法正确的有（）A.提高压气机的增压比可以提高循环热效率B.提高燃气轮机进口燃气温度可以提高循环热效率C.采用回热装置可以提高循环热效率D.增大压气机的耗功可以提高循环热效率-答案：ABC-解析：-选项A：根据燃气轮机循环热效率公式\(\eta_t=1-\frac{1}{\pi^{\frac{k-1}{k}}}\)，其中\(\pi\)为压气机增压比，\(k\)为比热容比。当增压比\(\pi\)增大时，\(\frac{1}{\pi^{\frac{k-1}{k}}}\)减小，循环热效率\(\eta_t\)提高，所以选项A正确。-选项B：提高燃气轮机进口燃气温度\(T_3\)，可以增加循环的净功，同时不增加压气机的耗功，从而提高循环热效率，所以选项B正确。-选项C：采用回热装置可以利用燃气轮机排出的高温废气的热量来加热压气机出口的空气，减少了在锅炉中的吸热量，提高了循环热效率，所以选项C正确。-选项D：增大压气机的耗功会使循环的净功减小，循环热效率降低，所以选项D错误。2.蒸汽动力循环中，提高循环热效率的措施有（）A.提高蒸汽初压力B.提高蒸汽初温度C.降低冷凝器压力D.采用再热循环-答案：ABCD-解析：-选项A：提高蒸汽初压力\(p_1\)，在相同的蒸汽初温度\(t_1\)和冷凝器压力\(p_2\)下，平均吸热温度升高，循环热效率提高，所以选项A正确。-选项B：提高蒸汽初温度\(t_1\)，可以提高平均吸热温度，同时使汽轮机排汽干度增加，减少湿汽损失，提高循环热效率，所以选项B正确。-选项C：降低冷凝器压力\(p_2\)，可以降低平均放热温度，增大循环的温差，从而提高循环热效率，所以选项C正确。-选项D：采用再热循环可以提高汽轮机排汽干度，同时增加了循环的净功，提高了循环热效率，所以选项D正确。三、计算题1.某燃气轮机装置，空气流量\(m=50kg/s\)，压气机进口空气参数为\(p_1=0.1MPa\)，\(T_1=300K\)，压气机增压比\(\pi=10\)，燃气轮机进口燃气温度\(T_3=1400K\)。空气和燃气的比热容比\(k=1.4\)，定压比热\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)。求：-（1）压气机的耗功率\(P_c\)；-（2）燃气轮机的输出功率\(P_t\)；-（3）装置的净输出功率\(P_{net}\)；-（4）装置的热效率\(\eta_t\)。-答案：-（1）首先求压气机出口空气温度\(T_2\)，根据等熵压缩过程\(T_2=T_1\pi^{\frac{k-1}{k}}\)，\(\frac{k-1}{k}=\frac{1.4-1}{1.4}\approx0.286\)，\(\pi=10\)，\(T_1=300K\)，则\(T_2=300\times10^{0.286}\approx579.2K\)。压气机的耗功率\(P_c=mc_p(T_2-T_1)\)，将\(m=50kg/s\)，\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)，\(T_1=300K\)，\(T_2=579.2K\)代入可得：\(P_c=50\times1.005\times(579.2-300)=50\times1.005\times279.2=14023.2kW\)-（2）对于燃气轮机等熵膨胀过程，\(T_4=T_3(\frac{1}{\pi})^{\frac{k-1}{k}}\)，\(T_3=1400K\)，\(\pi=10\)，\(\frac{k-1}{k}\approx0.286\)，则\(T_4=1400\times(\frac{1}{10})^{0.286}\approx725.1K\)。燃气轮机的输出功率\(P_t=mc_p(T_3-T_4)\)，将\(m=50kg/s\)，\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)，\(T_3=1400K\)，\(T_4=725.1K\)代入可得：\(P_t=50\times1.005\times(1400-725.1)=50\times1.005\times674.9=33969.75kW\)-（3）装置的净输出功率\(P_{net}=P_t-P_c\)，\(P_t=33969.75kW\)，\(P_c=14023.2kW\)，则\(P_{net}=33969.75-14023.2=19946.55kW\)-（4）装置的吸热量\(q_1=c_p(T_3-T_2)\)，\(T_2=579.2K\)，\(T_3=1400K\)，\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)，则\(q_1=1.005\times(1400-579.2)=1.005\times820.8=824.904kJ/kg\)。装置的热效率\(\eta_t=\frac{w_{net}}{q_1}\)，\(w_{net}=\frac{P_{net}}{m}=\frac{19946.55}{50}=398.931kJ/kg\)，则\(\eta_t=\frac{398.931}{824.904}\approx0.484\)2.某蒸汽动力循环，锅炉出口蒸汽参数为\(p_1=12MPa\)，\(t_1=550^{\circ}C\)，冷凝器压力\(p_2=0.004MPa\)。汽轮机为等熵膨胀过程，水泵为等熵压缩过程。求：-（1）汽轮机出口蒸汽的干度\(x_2\)；-（2）循环的净功\(w_{net}\)；-（3）循环的热效率\(\eta_t\)。-答案：-（1）根据\(p_1=12MPa\)，\(t_1=550^{\circ}C\)，查水蒸气热力性质表可得\(h_1=3500.9kJ/kg\)，\(s_1=6.6326kJ/(kg\cdotK)\)。因为汽轮机为等熵膨胀过程，所以\(s_2=s_1=6.6326kJ/(kg\cdotK)\)。在\(p_2=0.004MPa\)下，查水蒸气热力性质表得\(s_{f2}=0.4226kJ/(kg\cdotK)\)，\(s_{g2}=8.4746kJ/(kg\cdotK)\)。根据干度计算公式\(x_2=\frac{s_2-s_{f2}}{s_{g2}-s_{f2}}=\frac{6.6326-0.4226}{8.4746-0.4226}=\frac{6.21}{8.052}\approx0.771\)-（2）在\(p_2=0.004MPa\)下，查得\(h_{f2}=121.41kJ/kg\)，\(h_{g2}=2554.4kJ/kg\)，则\(h_2=h_{f2}+x_2(h_{g2}-h_{f2})=121.41+0.771\times(2554.4-121.41)=121.41+0.771\times2432.99=121.41+1875.84=1997.25kJ/kg\)。水泵耗功\(w_p=v_2(p_1-p_2)\)，在\(p_2=0.004MPa\)下，\(v_2=0.001004m^3/kg\)，\(p_1=12MPa=12000kPa\)，\(p_2=4kPa\)，则\(w_p=0.001004\times(12000-4)\approx12.04kJ/kg\)。\(h_4=h_3+w_p\)，\(h_3=h_{f2}=121.41kJ/kg\)，所以\(h_4=121.41+12.04=133.45kJ/kg\)。汽轮机做功\(w_t=h_1-h_2=3500.9-1997.25=1503.65kJ/kg\)。循环的净功\(w_{net}=w_t-w_p=1503.65-12.04=1491.61kJ/kg\)-（3）循环的吸热量\(q_1=h_1-h_4=3500.9-133.45=3367.45kJ/kg\)。循环的热效率\(\eta_t=\frac{w_{net}}{q_1}=\frac{1491.61}{3367.45}\approx0.443\)四、案例分析题某工厂有一套燃气-蒸汽联合循环发电装置，其主要参数如下：燃气轮机部分：压气机进口空气参数\(p_1=0.1MPa\)，\(T_1=300K\)，压气机增压比\(\pi=12\)，燃气轮机进口燃气温度\(T_3=1500K\)，空气和燃气的比热容比\(k=1.4\)，定压比热\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)，空气流量\(m_{air}=80kg/s\)。蒸汽轮机部分：余热锅炉产生的蒸汽参数为\(p_4=6MPa\)，\(t_4=450^{\circ}C\)，冷凝器压力\(p_5=0.005MPa\)。1.计算燃气轮机部分的压气机耗功率、燃气轮机输出功率和热效率。2.计算蒸汽轮机部分的汽轮机输出功率和热效率（假设余热锅炉吸收的热量全部来自燃气轮机排气）。3.计算整个联合循环的热效率。答案1.燃气轮机部分-压气机出口温度\(T_2\)：根据等熵压缩过程\(T_2=T_1\pi^{\frac{k-1}{k}}\)，其中\(\frac{k-1}{k}=\frac{1.4-1}{1.4}\approx0.286\)，\(T_1=300K\)，\(\pi=12\)。\(T_2=300\times12^{0.286}\approx610.8K\)-压气机耗功率\(P_c\)：\(P_c=m_{air}c_p(T_2-T_1)\)，将\(m_{air}=80kg/s\)，\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)，\(T_1=300K\)，\(T_2=610.8K\)代入。\(P_c=80\times1.005\times(610.8-300)=80\times1.005\times310.8=24916.8kW\)-燃气轮机出口温度\(T_4\)：根据等熵膨胀过程\(T_4=T_3(\frac{1}{\pi})^{\frac{k-1}{k}}\)，\(T_3=1500K\)，\(\pi=12\)，\(\frac{k-1}{k}\approx0.286\)。\(T_4=1500\times(\frac{1}{12})^{0.286}\approx738.7K\)-燃气轮机输出功率\(P_t\)：\(P_t=m_{air}c_p(T_3-T_4)\)，将\(m_{air}=80kg/s\)，\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)，\(T_3=1500K\)，\(T_4=738.7K\)代入。\(P_t=80\times1.005\times(1500-738.7)=80\times1.005\times761.3=61202.52kW\)-燃气轮机循环热效率\(\eta_{gt}\)：吸热量\(q_1=c_p(T_3-T_2)\)，\(T_2=610.8K\)，\(T_3=1500K\)，\(c_p=1.005kJ/(kg\cdotK)\)。\(q_1=1.005\times(1500-610.8)=1.005\times889.2=893.646kJ/kg\)净功\(w_{net}=w_t-w_c=(T_3-T_4)-(T_2-T_1)\)，\(w_{net}=c_p[(T_3-T_4)-(T_2-T_1)]\)\(w_{net}=1.005\times[(1500-738.7)-(610.8-300)]=1.005\times(761.3-310.8)=1.005\times450.5=452.7525kJ/kg\)\(\eta_{gt}=\frac{w_{net}}{q_1}=\frac{452.7525}{893.646}\approx0.507\)2.蒸汽轮机部分-根据\(p_4=6MPa\)，\(t_4=450^{\circ}C\)查水蒸气热力性质表：得\(h_4=3302.9kJ/kg\)，\(s_4=6.7219kJ/(kg\cdotK)\)。因为汽轮机等熵膨胀，在\(p_5=0.005MPa\)下，\(s_{f5}=0.4764kJ/(kg\cdotK)\)，\(s_{g5}=8.3952kJ/(kg\cdotK)\)。干度\(x_5=\frac{s_4-s_{f5}}{s_{g5}-s_{f5}}=\frac{6.7219-0.4764}{8.3952-0.4764}=\frac{6.2455}{7.9188}\approx0.789\)在\(p_5=0.005MPa\)下，\(h_{f5}=137.77kJ/kg\)，\(h_{g5}=2561.2kJ/kg\)，则\(h_5=h_{f5}+x_5(h_{g5}-h_{f5})=137.77+0.789\times(2561.2-137.77)=137.77+0.789\times2423.43=137.77+1912.09=2049.86kJ/kg\)-蒸汽轮机输出功率\(P_{st}\)：假设蒸汽流量\(m_{steam}\)由余热锅炉热平衡确定，余热锅炉吸收的热量\(Q=m_{air}c_p(T_4-T_5')\)（\(T_5'\)为燃气轮机排气最终温度，这里假设为环境温度\(T_1=300K\)）\(Q=80\times1.005\times(738.7-300)=80\times1.005\times438.7=35235.6kJ/s\)设蒸汽在余热锅炉中吸热量\(q=h_4-h_6\)（\(h_6\)为水进入余热锅炉的焓，在\(p_5=0.005MPa\)下\(h_6=h_{f5}=137.77kJ/kg\)），\(q=3302.9-137.77=3165.13kJ/kg\)蒸汽流量\(m_{steam}=\frac{Q}{q}=\frac{35235.6}{