2025年公用设备工程师之专业案例(动力专业)考试题库附参考答案

2025年公用设备工程师之专业案例(动力专业)考试题库附参考答案一、热力系统与能量平衡案例【案例1】某热电厂2×300MW机组采用一次中间再热、单轴、三缸双排汽凝汽式汽轮机，额定主汽参数16.7MPa/538℃，再热温度538℃，背压4.9kPa。夏季工况循环冷却水温度28℃，凝汽器端差4℃。设计厂用电率7.5%，锅炉效率92%，管道效率99%，汽轮机内效率87%，机械效率99%，发电机效率98.5%。（1）计算机组毛发电标煤耗率（gce/kWh）。（2）若循环水泵耗功占厂用电18%，且循环水温升8℃，求循环水质量流量（t/h）。（3）若再热系统压损8%，再热冷段压力3.2MPa，热段压力2.95MPa，再热蒸汽流量为额定主汽流量的82%，求再热器单位面积热负荷上限（kW/m²）。（已知再热器总换热面积1.25×10⁴m²，再热蒸汽比热2.08kJ/(kg·K)）【答案与解析】（1）毛发电标煤耗率汽轮机热耗率HR=3600/(ηi·ηm·ηg)=3600/(0.87×0.99×0.985)=4271kJ/kWh锅炉侧热耗率HRb=HR/(ηb·ηp)=4271/(0.92×0.99)=4693kJ/kWh标煤耗率b=HRb/29.307=4693/29.307=160.2gce/kWh（2）循环水流量凝汽器排汽量D0≈额定主汽量=300MW机组主汽流量≈935t/h（查热平衡图）凝汽器排汽焓h2=2340kJ/kg，凝结水焓h3=137.8kJ/kg放热量Q=D0(h2−h3)=935×(2340−137.8)=2.06×10⁶kJ/h=572MW循环水温升Δt=8℃，水比热4.186kJ/(kg·K)流量G=Q/(4.186×Δt)=2.06×10⁶/(4.186×8)=6.15×10⁴t/h（3）再热器热负荷再热蒸汽流量Dr=0.82×935=767t/h再热焓升Δhr=2.08×(538−318)=457kJ/kg（318℃为冷段温度，查hs图）再热吸热量Qr=767×457=3.51×10⁵kJ/h=97.4MW单位面积热负荷q=Qr/A=97.4×10³/1.25×10⁴=7.79kW/m²二、燃气蒸汽联合循环性能计算【案例2】某F级1+1+1联合循环机组，燃气轮机ISO工况出力185MW，排气温度587℃，流量445kg/s；余热锅炉双压，高压汽包12MPa/545℃，低压汽包0.6MPa/230℃；汽轮机高、低压缸总功率110MW；厂用电率2.8%，燃料为天然气，LHV=48MJ/kg。（1）求联合循环毛效率（%）。（2）若高压蒸发器窄点温差10℃，求高压省煤器最小接近温度（℃）。（3）若燃气轮机降负荷至75%时排气温度降至552℃，流量比例降至78%，假定窄点不变，估算汽轮机功率下降幅度（%）。【答案与解析】（1）燃料量燃气轮机效率ηgt=185/(445×0.001×48)=0.403燃料热功率Pf=185/0.403=459MW联合循环毛功率Pcc=185+110=295MW毛效率ηcc=295/459=64.3%（2）高压省煤器最小接近温度高压饱和温度ts=324℃（12MPa）窄点10℃→省煤器出口水温度=324−10=314℃排气离开高压蒸发器温度=324+10=334℃最小接近温度=334−314=20℃（3）汽轮机功率下降排气能量降比例=(552−180)/(587−180)=0.912（180℃为低压蒸发温度）流量比例0.78，综合能量比例0.912×0.78=0.711汽轮机功率近似与能量成正比，下降1−0.711=28.9%三、集中供热管网水力工况【案例3】某城市一级网供回水设计温度130/70℃，设计热负荷520MW，管网长度单程16km，DN1200钢管，内壁粗糙度0.05mm，局部阻力当量长度15%。（1）求设计质量流量（t/h）。（2）若采用质量调节，室外温度−5℃时供回水温度调至110/60℃，求相对流量比。（3）在（2）工况下，若循环水泵效率86%，电机效率95%，求泵轴功率（kW）。【答案与解析】（1）设计流量Q=520MW，Δt=60KG=Q/(4.186×Δt)=520×10³/(4.186×60)=2072kg/s=7458t/h（2）相对流量比相对热负荷比q=(18−(−5))/(18−(−9))=0.852（室内18℃，基准−9℃）质量调节维持Δt=50K，流量比μ=q=0.852（3）泵轴功率水力计算：比摩阻R=6.05×10⁻³MPa/km（查手册DN1200，v=1.55m/s）总摩阻Δp=1.15×2×16×6.05×10⁻³=0.222MPa体积流量V=2072×0.852/1000=1.766m³/s泵有效功率Pe=V·Δp=1.766×0.222×10⁶=392kW轴功率P=Pe/(ηp·ηm)=392/(0.86×0.95)=480kW四、锅炉热力计算与受热面布置【案例4】某660MW超超临界锅炉，主汽参数29.4MPa/605℃，BMCR燃料量205t/h（烟煤，Qnet.ar=22MJ/kg），排烟温度125℃，过量空气系数1.15，空气预热器出口热风温度320℃，环境温度25℃。（1）求锅炉热效率（%）。（2）若炉膛出口烟温985℃，求炉膛辐射受热面面积（m²）。（假定辐射传热量占燃料放热48%，斯忒藩玻尔兹曼系数5.67×10⁻¹¹MW/(m²·K⁴)，炉膛黑度0.65，绝对温度四次方差简化计算）（3）若高温过热器对数平均温差180℃，总传热系数85W/(m²·K)，求所需面积（m²）。（过热器吸热占燃料放热10%）【答案与解析】（1）锅炉效率排烟热损失q2=(125−25)×1.15×0.0013×22=3.3%气体不完全燃烧q3=0.1%，固体不完全燃烧q4=1.5%，散热q5=0.3%效率η=100−(3.3+0.1+1.5+0.3)=94.8%（2）炉膛辐射面积燃料放热Qf=205×22/3.6=1253MW辐射吸热Qr=0.48×1253=601MW炉膛出口绝对温度T2=985+273=1258K理论燃烧温度T1≈2200K（查焓温表）ΔT⁴=T1⁴−T2⁴=2.2⁴−1.258⁴=23.4×10¹¹K⁴Qr=5.67×10⁻¹¹×0.65×A×23.4×10¹¹A=601/(5.67×0.65×23.4)=6960m²（3）高温过热器面积吸热Qsh=0.10×1253=125.3MWA=Qsh/(K·ΔT)=125.3×10³/(85×180)=8190m²五、汽轮机通流部分改造经济性分析【案例5】某200MW汽轮机通流改造，高压缸效率由82%提至88%，中压缸由87%提至91%，低压缸由84%提至89%，改造投资1.8亿元，工期90天，机组年利用小时4500h，上网电价0.45元/kWh，标煤价900元/t。（1）估算改造后机组热耗率下降值（kJ/kWh）。（2）计算年节约标煤量（t/a）。（3）求静态投资回收期（年）。【答案与解析】（1）热耗率下降原热耗率HR0=3600/(0.82×0.87×0.84)=5990kJ/kWh新热耗率HR1=3600/(0.88×0.91×0.89)=5040kJ/kWhΔHR=950kJ/kWh（2）年节标煤年发电量E=200×4500=9×10⁵MWh节煤ΔB=E×ΔHR/29.307/10³=9×10⁵×950/29.307/10³=2.92×10⁴t/a（3）回收期年节约燃料费=2.92×10⁴×900=2628万元年增发电收益=9×10⁵×(0.45−0.42)=270万元（热耗下降约3.3%，可增发约2%）总收益=2628+270=2898万元回收期=18000/2898=6.2年六、吸收式热泵余热回收方案【案例6】某燃气锅炉房有120℃/70℃循环冷却水，流量800t/h，拟采用第一类吸收式热泵制取90℃热水用于区域采暖，热泵COP=1.75，驱动热源为0.4MPa饱和蒸汽。（1）求热泵制热量（MW）。（2）若蒸汽潜热r=2138kJ/kg，求蒸汽耗量（t/h）。（3）若替代原燃气锅炉直接供热，天然气价格3.2元/m³（LHV35.6MJ/m³），求年运行节省费用（万元/年）。（采暖期120天，24h连续）【答案与解析】（1）热泵制热量余热端Δt=50K，Q余热=800×4.186×50/3.6=46.5MWCOP=1.75=制热量/驱动热量→制热量Qh=Q余热×COP/(COP−1)=46.5×1.75/0.75=108.5MW（2）蒸汽耗量驱动热量Qd=Qh−Q余热=62MWD=62×3.6/2.138=104t/h（3）年节省费用原锅炉效率92%，需天然气V=108.5×3.6/(0.92×35.6)=11.9×10³m³/h年耗气=11.9×10³×120×24=34.3×10⁶m³年费用=34.3×10⁶×3.2=10976万元热泵驱动蒸汽成本104t/h×180元/t=1.87×10⁴元/h年蒸汽费=1.87×10⁴×120×24=5386万元年节省=10976−5386=5590万元七、压缩空气系统节能诊断【案例7】某工厂空压站有4台250kW螺杆机，额定排气40m³/min，全年运行8000h，负载率75%，系统泄漏率18%，末端压力需求0.65MPa，管网平均压降0.08MPa，空压机卸载功率45kW，比功率7.2kW/(m³·min)。（1）计算年泄漏损失电量（万kWh）。（2）若采用变频改造使系统压力降低0.05MPa，泄漏减少系数0.65，求年节电量（万kWh）。（3）若变频改造投资45万元，电价0.85元/kWh，求简单回收期（月）。【答案与解析】（1）年泄漏电量总产气=4×40×8000×0.75=768×10³m³泄漏量=0.18×768×10³=138.2×10³m³泄漏功率=138.2×7.2=995kW年耗电=995×8000/10⁴=796万kWh（2）压力降低节电泄漏减少=0.35×796=278.6万kWh压力降低0.05MPa，空压机比功率下降约5%→节电0.05×768×10³×7.2×0.05=138万kWh总节电=278.6+138=416.6万kWh（3）回收期年节省电费=416.6×0.85=354万元回收期=45/354×12=1.5月八、热电联产机组背压改造【案例8】某50MW抽汽机组，原纯凝工况汽耗3.8kg/kWh，抽汽压力0.8MPa，抽汽量80t/h，若改为背压运行，背压0.15MPa，排汽全部供热，供热焓差2180kJ/kg，机组内效率不变，年运行5000h。（1）求改造后发电功率（MW）。（2）年供热量（GJ/a）。（3）若热价45元/GJ，电价0.50元/kWh，求年增收（万元/年）。【答案与解析】（1）背压后功率原进汽量D=50×3.8=190t/h背压