2025年热工知识面试题库及答案

2025年热工知识面试题库及答案一、热力学基础类1.请阐述热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文表述的本质联系，并说明其在火力发电厂中的工程意义。答：热力学第二定律的克劳修斯表述为“不可能将热量从低温物体传至高温物体而不引起其他变化”，开尔文表述为“不可能从单一热源取热使之完全变为功而不产生其他影响”。两者本质上等价，均揭示了能量传递与转换的方向性。在火电厂中，该定律指导了热力循环的设计：一方面，汽轮机做功需通过凝汽器向低温环境放热（遵循开尔文表述，无法将锅炉吸收的全部热量转化为功）；另一方面，回热加热系统通过抽取汽轮机部分蒸汽加热凝结水（利用克劳修斯表述，通过消耗功实现热量从高温蒸汽向低温凝结水的定向传递），从而提高循环效率。2.朗肯循环的基本组成及提高其效率的主要途径有哪些？实际工程中为何不采用卡诺循环而选择朗肯循环？答：朗肯循环由四部分组成：锅炉（等压吸热）、汽轮机（绝热膨胀做功）、凝汽器（等压放热）、给水泵（绝热压缩）。提高效率的途径包括：提高主蒸汽初参数（压力、温度）、降低排汽压力（提高凝汽器真空度）、采用回热抽汽（减少冷源损失）、再热循环（改善汽轮机末级蒸汽湿度）。卡诺循环要求热源和冷源温度恒定，且等温吸热/放热过程在实际设备中难以实现（如锅炉内烟气与工质的换热存在温差，无法维持等温）。朗肯循环采用水作为工质，其相变特性（汽化潜热大、比热容高）更适合大规模能量转换，且通过回热、再热等改进已接近卡诺循环效率（如超超临界机组效率可达48%以上），因此成为火电主流循环。3.简述水蒸气的临界参数及其对超超临界锅炉设计的影响。答：水蒸气的临界参数为临界点压力22.064MPa、温度373.946℃、比体积0.003106m³/kg。当压力超过临界压力时，水的汽化潜热为零，相变过程消失，工质由液态到气态呈连续单相变化。超超临界锅炉（压力≥27MPa，温度≥580℃）设计需重点考虑：（1）水冷壁需采用变质量流速设计（避免超临界区工质密度剧烈变化导致的传热恶化）；（2）材料需选用高铬钢（如T91、HR3C）或镍基合金（如Inconel617）以耐受高温高压；（3）汽水系统取消汽包，采用直流锅炉结构（因无明显汽水分界面）；（4）启动系统需设置启动分离器（用于低负荷时分离汽水，维持水冷壁最小流量）。二、热工设备与系统类4.超超临界汽轮机与亚临界汽轮机在结构设计上的主要差异有哪些？答：（1）通流部分：超超临界汽轮机主蒸汽参数更高（如31MPa/600℃），需采用更高效的三维弯扭叶片（减少二次流损失），末级叶片长度增加（如1.2米以上）以提高排汽面积；（2）材料选择：高压缸采用Cr-Mo-V转子（如30Cr1Mo1V），中压缸使用高镍合金（如X12CrMoWVNbN10-1-1），低压缸采用超纯钢（降低脆性转变温度）；（3）冷却技术：高压缸采用内缸双层结构（减少温差应力），中压缸可能设置蒸汽冷却通道（防止高温区材料超限）；（4）启动方式：需配置更复杂的旁路系统（如高、低压两级旁路），以适应快速变负荷时的热应力控制；（5）轴系设计：因单机容量大（如1000MW级），采用多缸多排汽结构（通常为1个高压缸+2个中压缸+2个低压缸），轴系临界转速需通过有限元分析优化。5.简述循环流化床锅炉（CFB）的燃烧特性及与煤粉炉的主要区别。答：CFB燃烧特性：燃料在流化风速（3-10m/s）下呈湍流流化状态，床层温度均匀（850-950℃），通过石灰石直接脱硫（Ca/S比1.5-2.5），氮氧化物生成量低（≤150mg/Nm³），可燃烧劣质煤（如褐煤、煤矸石）。与煤粉炉的区别：（1）燃烧方式：CFB为低温流态化燃烧（无火焰），煤粉炉为悬浮燃烧（火焰温度1500-1800℃）；（2）脱硫方式：CFB炉内脱硫（效率90%以上），煤粉炉需尾部FGD（如湿法脱硫）；（3）负荷调节：CFB变负荷速率3-5%/min（优于煤粉炉的2-3%/min），最低稳燃负荷15-20%（煤粉炉30-40%）；（4）受热面磨损：CFB因床料颗粒（0.1-1mm）冲刷，需采用防磨梁、喷涂（如碳化钨）等措施；（5）灰渣特性：CFB底渣含碳量≤2%（煤粉炉飞灰含碳量5-10%），且灰渣活性高（可作水泥掺合料）。6.请分析表面式换热器与混合式换热器的优缺点及典型应用场景。答：表面式换热器：冷热流体通过固体壁面换热，无直接接触。优点：结构紧凑（如板式换热器）、易密封、适用高压（如高压加热器）；缺点：存在传热温差损失，需定期清洗防垢。典型应用：电厂高压加热器（水-汽换热）、空调蒸发器（制冷剂-空气换热）。混合式换热器：冷热流体直接混合换热。优点：传热效率高（无壁面热阻）、结构简单（如除氧器）；缺点：需流体相容（如汽水混合后需处理凝结水）、压力匹配要求高。典型应用：电厂除氧器（加热蒸汽与凝结水混合除氧）、冷却塔（热水与空气直接接触冷却）。三、热工测量与控制类7.简述热电偶与热电阻的测温原理及选用时的主要区别。答：热电偶基于塞贝克效应（两种不同材料导体组成闭合回路，两端温度不同时产生热电势）；热电阻基于金属电阻随温度变化的特性（如Pt100的电阻与温度呈近似线性关系）。选用区别：（1）测温范围：热电偶适用于高温（-200℃~1800℃，如S型热电偶测1600℃），热电阻适用于中低温（-200℃~850℃，Pt100上限600℃）；（2）信号类型：热电偶输出mV级热电势（需冷端补偿），热电阻输出Ω级电阻值（需恒流源激励）；（3）结构：热电偶为双金属丝（如K型为镍铬-镍硅），热电阻为单金属丝绕制（如Pt100为铂丝）；（4）精度：热电阻精度更高（0.1级），热电偶一般为0.5级（需定期校验）；（5）应用场景：热电偶用于锅炉炉膛（1000℃以上）、汽轮机排汽温度（300℃以下可选热电阻）。8.火电厂DCS系统中，如何实现主汽温的全程自动控制？常见扰动因素及应对策略有哪些？答：主汽温控制采用串级PID系统：主调节器（测量值为末级过热器出口温度，设定值为负荷对应定值）输出作为副调节器（测量值为一级减温器后温度）的设定值，副调节器输出控制减温水调节阀开度。全程控制需考虑：（1）低负荷阶段（≤30%BMCR）：因烟气流量小，减温水喷入可能导致蒸汽带水，采用烟气挡板调节（改变过热器烟气量）为主，减温水为辅；（2）高负荷阶段（≥50%BMCR）：以减温水调节为主，配合燃烧调整（如摆动燃烧器角度）；（3）变负荷扰动：负荷突变时，前馈信号（如主蒸汽流量、燃料量）提前动作，抑制温度偏差。常见扰动因素及应对：-燃料量波动：通过给煤机转速与风量的交叉限制（风煤比），维持燃烧稳定；-受热面积灰：设置吹灰程序（如每日炉膛吹灰1次），定期清洗空预器；-减温水压力波动：设置减温水调门前后压力补偿（如引入差压变送器），修正阀门流量特性。9.简述超声波流量计与电磁流量计的工作原理及在电厂中的适用场景。答：超声波流量计基于时差法：超声波在流体中顺流与逆流传播的时间差与流速成正比（Δt=2L(v/c²)，L为声道长度，v为流速，c为声速）。电磁流量计基于法拉第电磁感应定律：导电液体切割磁感线产生感应电动势（E=KBdv，K为系数，B为磁感应强度，d为管径，v为流速）。电厂适用场景：-超声波流量计：适用于大管径（≥300mm）、非导电介质（如循环水、除盐水），无压损（外夹式安装，不接触流体），但易受气泡（>5%体积分数）、颗粒（>100μm）干扰，多用于循环水流量测量；-电磁流量计：仅适用于导电液体（电导率≥5μS/cm），如凝结水（电导率<10μS/cm需加电导率补偿）、工业水（含杂质导电），精度高（±0.5%），但需满管测量，多用于化学水处理系统（如再生液流量）。四、节能与环保技术类10.火电厂深度调峰（30%以下负荷）时，可采取哪些节能优化措施？需注意哪些安全风险？答：优化措施：（1）燃烧调整：采用浓淡分离燃烧器（集中煤粉浓度稳燃），投运微油/等离子点火系统（减少助燃油消耗）；（2）辅机节能：引风机、一次风机切至变频运行（降低电耗30-50%），凝结水泵采用小机驱动（替代电泵）；（3）热力系统：投入低压省煤器（回收排烟余热加热凝结水），关闭非必要疏水阀（减少工质损失）；（4）智能控制：利用大数据预测负荷变化，提前调整风煤比（如负荷30%时，过量空气系数控制在1.2-1.3）。安全风险：-锅炉灭火：低负荷时燃烧不稳定，需控制床温（CFB炉≥760℃）或炉膛温度（煤粉炉≥850℃），设置火焰检测器冗余；-汽轮机水冲击：主汽温/再热汽温波动大（需保证过热度≥50℃），加强疏水系统排放；-空预器低温腐蚀：排烟温度过低（<90℃）时，硫酸蒸汽凝结，需投入暖风器（将进风温度提高至35℃以上）；-脱硝系统失效：SCR催化剂活性温度窗口为300-420℃，低负荷时烟温可能低于280℃，需设置烟气旁路或电加热。11.简述CO₂跨临界循环在热泵系统中的应用优势及关键技术挑战。答：优势：（1）效率高：CO₂的临界温度31.1℃，跨临界循环（高压侧>7.38MPa，低压侧<3.11℃）的放热过程（气体冷却器）温度滑移大（30-100℃），与热水加热需求（50-80℃）匹配，制热COP可达4.5-5.0（传统R410A热泵COP约3.5）；（2）环保性：ODP（臭氧破坏潜值）=0，GWP（全球变暖潜值）=1（远低于R410A的GWP=2088）；（3）紧凑性：CO₂密度大（高压侧约600kg/m³），相同换热量下管径小（比R134a小30%），系统体积减小。关键挑战：（1）高压部件设计：系统压力达10-12MPa（传统热泵2-3MPa），需采用不锈钢或钛合金管路，压缩机需耐高压（如涡旋式压缩机需加强密封）；（2）膨胀阀控制：跨临界循环无冷凝过程，高压侧压力需精确控制（最佳压力与环境温度相关，需通过电子膨胀阀动态调节）；（3）润滑油匹配：CO₂与传统矿物油互溶性差，需采用PAG（聚亚烷基二醇）或POE（多元醇酯）油，且需防止油迁移导致的压缩机缺油；（4）低温性能：环境温度<-20℃时，低压侧压力过低（<2MPa），压缩机吸气比容增大，需采用双级压缩或喷射增焓技术。12.火电厂实现“双碳”目标的技术路径包括哪些？请结合具体案例说明。答：技术路径：（1）燃料替代：掺烧生物质（如某电厂掺烧20%生物质颗粒，年减少CO₂排放15万吨）、耦合绿氢（如华能天津IGCC项目，利用风电制氢与煤气化耦合，碳减排率提升至30%）；（2）效率提升：超超临界机组改造（如某660MW机组通过汽轮机通流改造，热耗降低80kJ/(kW·h)，年减排CO₂约10万吨）、余热梯级利用（如增设低低温省煤器，排烟温度从120℃降至90℃，年节约标煤2万吨）；（3）碳捕集与封存（CCUS）：采用MEA（乙醇胺）化学吸收法（如国家能源集团锦界电厂15万吨/年CCUS项目，捕集率≥90%，捕集成本降至300元/吨以下）；（4）灵活性改造：配置储热系统（如某电厂建设2×50MW熔盐储热罐，调峰深度从50%降至20%，促进风电消纳，间接减少煤电发电量）。案例：国电泰州电厂二期1000MW超超临界二次再热机组，主蒸汽参数31MPa/605℃/623℃，发电效率48.5%（比常规超超临界机组高2%），年发电量70亿kW·h，较同容量亚临界机组年减排CO₂约200万吨。五、故障分析与处理类13.汽轮机启动过程中，轴瓦温度异常升高（超过90℃）的可能原因及处理措施有哪些？答：可能原因：（1）润滑油系统：润滑油压力低（<0.15MPa）、油温过高（>50℃）、油质劣化（颗粒度>NAS8级）、滤网堵塞（压差>0.1MPa）；（2）轴瓦本身：乌金脱胎（因振动导致）、瓦隙过小（顶隙<1.5倍轴颈直径的‰，侧隙<顶隙的1/2）、进油孔堵塞；（3）转子因素：转子热弯曲（上下缸温差>50℃）、动不平衡（临界转速区振动>0.1mm）；（4）其他：轴承座冷却水不足（出水温度>45℃）、轴电流过大（>100mA，导致电蚀磨损）。处理措施：-立即检查润滑油压、油温（调整冷油器冷却水门，维持油温40-45℃），切换滤网（压差高时）；-若油质劣化，启动滤油机（控制颗粒度≤NAS7级），必要时换油；-监测振动（轴振>0.076mm报警，>0.127mm停机），若振动超限，打闸停机；-检查轴瓦温度趋势（10分钟内上升>5℃），若无法控制，紧急停机，防止烧瓦（乌金熔点约250℃，超过110℃即软化）。14.锅炉水冷壁爆管的常见原因及预防措施有哪些？答：常见原因：（1）超温磨损：长期超温（如壁温>580℃，T23钢许用温度560℃）导致蠕变失效，或飞灰磨损（烟速>10m/s时，磨损速率与烟速三次方成正比）；（2）腐蚀：酸性腐蚀（还原性气氛下H2S腐蚀，壁温400-500℃时最严重）、应力腐蚀（焊接残余应力+Cl⁻离子）；（3）水动力偏差：水冷壁管流量分配不均（如中间管屏流量比设计值低20%），导致局部工质汽化（超临界区出现类膜态沸腾）；（4）异物堵塞：安装时遗留焊渣、铁屑（堵塞管径>30%时，流速降低50%以上，引发超温）。预防措施：-加强壁温监测（每面墙布置8-10支热电偶，报警值设为许用温度-20℃），定期进行红外热成像检测；-优化燃烧调整（过量空气系数1.15-1.25，避免还原性气氛），控制烟速（炉膛出口<12m/s）；-定期化学清洗（每3-5年酸洗一次，清除管内氧化皮），安装时严格执行通球试验（球径为管径的85%）；-采用防磨技术（如超音速电弧喷涂，涂层厚度0.3-0.5mm，寿命5-8年），更换材质（如将20G改为T91钢，提高高温强度）。15.简述凝结水过冷度增大的危害及调整方法。答：危害：（1）经济性下降：过冷度每增加1℃，煤耗上升0.15-0.2g/(kW·h)（因凝结水温度降低，需多消耗抽汽加热）；（2）设备腐蚀：过冷水中溶解氧增加（温度越低，氧溶解度越高，如20℃时溶解度9mg/L，30℃时7mg/L），导致低压加热器、凝结水泵腐蚀；（3）真空恶化：过冷度大可能伴随凝汽器水位过高（淹没铜管），减少换热面积，真空下降。调整方法：-控制凝汽器水位（正常水位为热井高度的1/3-1/2），水位过高时开启补水调节阀旁路；-检查凝汽器铜管泄漏（通过凝结水硬度检测，硬度>5μmol/L时查漏），堵管处理；-优化循环水流量（保持循环水温升8-12℃，避免流量过大导致水温过低）；-投入凝汽器空气抽出系统（维持真空度95%以上），减少不凝结气体积聚（空气含量每增加1%，传热系数下降10%）；-改造凝汽器结构（如采用不锈钢管，减少内壁结垢；增加热井导流板，避免凝结水直接冲击管束）。六、前沿技术与发展趋势类16.氢能与热工系统耦合的典型应用场景有哪些？需解决哪些关键技术问题？答：应用场景：（1）氢电联产：利用谷电电解水制氢（P2G），氢气与煤/天然气混烧发电（如某电厂掺氢20%的燃气轮机，NOx排放降低30%）；（2）氢储能：将多余电能转化为氢（储能密度120MJ/kg，是锂电池的100倍），通过氢燃料电池或燃气轮机调峰；（3）工业供汽：氢气锅炉替代燃煤锅炉（1kg氢燃烧产汽量14kg，相当于2.6kg标煤），用于化工、钢铁行业；（4）碳捕集辅助：利用氢还原CO₂制甲醇（CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O），实现碳资源化利用。关键技术问题：（1）储运安全：液氢储存需-253℃（能耗占比30%），高压氢（70MPa）储运需新型材料（如碳纤维缠绕瓶）；（2）混烧适配：氢气火焰速度快（3.5m/s，天然气0.3m/s），需改造燃烧器（防止回火）、调整空燃比（氢的理论空燃比34.3，天然气10.5）；（3）成本控制：碱性电解槽制氢成本约30元/kg（电价0.3元/kW·h），需提升电堆效率（电流密度>4000A/m²）、降低催化剂（Pt/C）用量；（4）系统集成：氢与热工系统的压力匹配（如电解槽出口3MPa，燃气轮机入口0.5MPa）、动态响应（负荷突变时氢供应延迟<1s）。17.数字孪生技术在热工设备运维中的应用价值体现在哪些方面？请举例说明。答：应用价值：（1）状态预测：通过实时数据（温度、压力、振动）与机理模型（如汽轮机转子热应力模型）融合，预测设备剩余寿命（如某电厂通过数字孪生预测高压缸螺栓蠕变寿命，提前6个月制定检修计划）；（2）故障诊断：建立设备故障特征库（如轴承磨损的振动频谱特征），实现早期预警（某锅炉数字孪生系统在水冷壁超温前2小时发出报警，避免爆管）；（3）优化运行：模拟不同工况（如变负荷、煤种切换）下的最优参数（如某机组通过孪生模型调整风煤比，使飞灰含碳量从5%降至3%）；（4）培训仿真：构建1:1虚拟电厂（包括DCS操作界面、设备三维模型），用于运行人员事故演