2025年公用设备工程师之专业案例(动力专业)综合提升试卷和答案

2025年公用设备工程师之专业案例(动力专业)综合提升试卷和答案某工业园区现有1台40t/h链条炉排生物质锅炉，因热效率低（实测72%）、污染物排放不达标，拟改造为循环流化床生物质锅炉。已知改造后锅炉设计参数：额定蒸发量D=40t/h，蒸汽压力P=1.6MPa（饱和蒸汽），给水温度tgs=105℃，生物质燃料低位发热量Qnet,ar=16500kJ/kg，各项热损失：排烟热损失q2=8.5%，化学不完全燃烧热损失q3=1.2%，机械不完全燃烧热损失q4=3.0%，散热损失q5=1.0%，灰渣物理热损失q6=0.8%。当地环保要求锅炉烟气SO2排放浓度≤35mg/Nm³，NOx≤50mg/Nm³。生物质燃料元素分析：C=48%，H=5.5%，O=35%，N=0.8%，S=0.2%，水分Mar=12%，灰分Aar=8%。问题1：计算改造后循环流化床锅炉的热效率η。问题2：计算锅炉在额定负荷下的生物质燃料消耗量B（kg/h）。问题3：计算每小时烟气中SO2和NOx的产生量（kg/h），并判断是否满足排放要求（假设烟气量V=5.8Nm³/kg，过量空气系数α=1.2，基准含氧量6%）。问题4：说明循环流化床锅炉相较于链条炉排锅炉在本项目中的技术优势。答案与解析问题1：锅炉热效率η=100%-(q2+q3+q4+q5+q6)=100%-(8.5%+1.2%+3.0%+1.0%+0.8%)=85.5%。解析：锅炉热效率为输入热量中被有效利用的比例，计算公式为η=100%-Σqi，其中qi为各项热损失百分比。本题中各项热损失之和为14.5%，故热效率为85.5%。问题2：燃料消耗量B=D×(hq-hgs)/(η×Qnet,ar)。饱和蒸汽焓hq（1.6MPa）查《水和水蒸气性质表》得2792kJ/kg，给水焓hgs=105℃对应440kJ/kg（近似值）。有效吸热量Q=D×(hq-hgs)=40×10³kg/h×(2792-440)kJ/kg=40×10³×2352=94,080,000kJ/h。B=94,080,000/(0.855×16500)=94,080,000/(14,002.5)≈6719kg/h。解析：燃料消耗量计算需先确定锅炉有效吸热量，即蒸汽焓与给水焓之差乘以蒸发量，再除以热效率与燃料低位发热量的乘积。问题3：SO2产生量=燃料中S含量×2×(1-脱硫效率)×B。本题未设脱硫装置，故脱硫效率=0。S元素质量=B×Sar=6719kg/h×0.2%=13.438kg/h。SO2产生量=13.438×(64/32)=26.876kg/h（S→SO2分子量比为64/32）。烟气量V总=B×V=6719×5.8≈39,070Nm³/h（实际烟气量，需折算至基准含氧量）。基准含氧量折算公式：C基=C实×(21-O2实)/(21-6)。循环流化床锅炉实际O2实≈6%~8%，取O2实=7%，则折算系数=(21-7)/(21-6)=14/15≈0.933。SO2排放浓度=26.876×10⁶mg/h/39,070Nm³/h×0.933≈(26,876,000/39,070)×0.933≈687.8×0.933≈642mg/Nm³（远超35mg/Nm³，不达标）。NOx产生量主要来自燃料N转化，转化率取20%（循环流化床低温燃烧可抑制热力型NOx），则燃料N质量=B×Nar=6719×0.8%=53.75kg/h，转化为NOx（以NO2计，分子量46）的量=53.75×20%×(46/14)=53.75×0.2×3.286≈35.2kg/h。NOx排放浓度=35.2×10⁶/39,070×0.933≈(35,200,000/39,070)×0.933≈899×0.933≈840mg/Nm³（远超50mg/Nm³，不达标）。解析：需计算污染物产生量并折算至基准含氧量（6%），本题因未设脱硫脱硝装置，排放浓度远超限值，需后续增加环保设备。问题4：技术优势：①燃烧效率高：循环流化床床层温度均匀（850~950℃），生物质颗粒与空气混合剧烈，机械不完全燃烧损失q4显著低于链条炉（链条炉q4常达5%~8%）；②污染物控制更优：低温燃烧抑制NOx提供，可炉内添加石灰石脱硫（Ca/S=2时脱硫效率≥90%），而链条炉脱硫需尾部设施，成本更高；③燃料适应性广：可燃烧多种生物质（如秸秆、木屑），链条炉对燃料粒径、水分敏感；④负荷调节灵活：循环流化床调节比可达1:4~1:5，适应园区负荷波动。某热电厂现有N30-8.83/535型凝汽式汽轮机，主蒸汽参数：P1=8.83MPa，t1=535℃，排汽压力P2=0.004MPa。设计条件下，汽轮机内效率ηi=0.88，机械效率ηm=0.985，发电机效率ηg=0.98。已知主蒸汽焓h1=3476kJ/kg，排汽焓h2=2120kJ/kg（实际值），凝结水焓h2’=121kJ/kg。问题1：计算汽轮机的理想焓降Δhi和实际焓降Δh。问题2：计算汽轮机的汽耗率d（kg/(kW·h)）和热耗率q（kJ/(kW·h)）。问题3：若增设一级表面式回热加热器，抽取0.5MPa的蒸汽加热给水，给水温度由121℃升至160℃，分析热耗率的变化趋势并说明原因。问题4：确定回热抽汽压力时需考虑哪些主要因素？答案与解析问题1：理想焓降Δhi=h1-h2s，其中h2s为排汽压力下的理想焓（等熵膨胀终点）。但题目已给出实际排汽焓h2=2120kJ/kg，内效率ηi=(h1-h2)/(h1-h2s)=0.88，故Δh=h1-h2=3476-2120=1356kJ/kg；Δhi=Δh/ηi=1356/0.88≈1540.9kJ/kg。解析：内效率为实际焓降与理想焓降之比，通过已知ηi和Δh可反推Δhi。问题2：汽耗率d=3600/(Δh×ηm×ηg)=3600/(1356×0.985×0.98)≈3600/(1356×0.9653)≈3600/1309≈2.75kg/(kW·h)。热耗率q=d×(h1-h2’)=2.75×(3476-121)=2.75×3355≈9226kJ/(kW·h)。解析：汽耗率为每发1kW·h电消耗的蒸汽量，公式为3600/(有效焓降×机械效率×发电机效率)；热耗率为每发1kW·h电消耗的热量，等于汽耗率乘以蒸汽与凝结水的焓差。问题3：增设回热后，热耗率降低。原因：回热加热提高了给水温度，减少了低温给水在锅炉中的吸热量，降低了锅炉燃料消耗；同时，抽汽做功减少了凝汽量，降低了冷源损失（排汽在凝汽器中的放热），整体循环效率提高，故热耗率下降。解析：回热循环通过减少冷源损失提高经济性，是汽轮机优化的重要手段。问题4：主要因素：①加热器出口水温：抽汽压力需满足加热后给水温度要求（如本题需升至160℃，对应0.5MPa饱和温度约151.8℃，略低于160℃，需考虑传热端差）；②级数匹配：抽汽压力应沿汽轮机膨胀线合理分布（通常按等焓降或等温升分配），避免相邻级压差过大；③汽轮机结构：抽汽口位置需与汽缸强度、叶片设计匹配，避免影响通流效率；④经济性：综合考虑抽汽对发电量的影响与锅炉节煤量，选择使循环效率最高的压力点。某城市新建住宅小区需配套燃气输配管网，设计小时流量Q=450Nm³/h（天然气，密度ρ=0.72kg/Nm³，运动粘度ν=14.5×10⁻⁶m²/s），入口压力P1=0.3MPa（表压），允许压力降ΔP=5kPa（绝对压力），管道长度L=800m，局部阻力系数Σξ=15（当量长度法已折算为沿程长度的10%）。拟选用无缝钢管（粗糙度k=0.2mm）或PE管（k=0.01mm）。问题1：计算燃气管道的设计管径（取标准规格，钢管可选DN100、DN125、DN150；PE管可选De110、De125、De160）。问题2：从材料特性、施工、经济性角度比较钢管与PE管的选择依据。问题3：若管道需穿越道路，设计中应采取哪些补偿措施？问题4：制定燃气管道泄漏的应急处置流程。答案与解析问题1：采用威莫斯公式计算沿程压力降（适用于ν≤20×10⁻⁶m²/s的燃气）：ΔP=1.14×10⁻⁶×(Q²×ρ×L×(1+0.0015t))/(d⁵×Pav)，其中Pav=(P1+P2)/2≈P1-ΔP/2=0.3×10³kPa-2.5kPa=297.5kPa（绝对压力），t=10℃（环境温度），(1+0.0015t)=1.015。将公式变形求d⁵=1.14×10⁻⁶×Q²×ρ×L×1.015/(ΔP×Pav)。代入数据：Q=450Nm³/h=0.125m³/s，ρ=0.72kg/Nm³，L=800×1.1=880m（含局部阻力当量长度），ΔP=5kPa=5000Pa，Pav=297500Pa。d⁵=1.14×10⁻⁶×(0.125)²×0.72×880×1.015/(5000×297500)计算分子：1.14×10⁻⁶×0.015625×0.72×880×1.015≈1.14×10⁻⁶×0.015625×642.72≈1.14×10⁻⁶×10.0425≈1.145×10⁻⁵分母：5000×297500=1.4875×10⁹d⁵=1.145×10⁻⁵/1.4875×10⁹≈7.7×10⁻¹⁵d≈(7.7×10⁻¹⁵)^(1/5)≈0.113m=113mm。标准钢管DN125（内径131mm）或PE管De125（内径约110mm，因PE管标注为公称外径，De125壁厚约4.5mm，内径=125-2×4.5=116mm）均满足。但PE管内径更接近计算值，且局部阻力小，可选De125。解析：需考虑局部阻力折算为沿程长度的10%，计算得管径约113mm，选择接近的标准规格。问题2：选择依据：①材料特性：钢管强度高、耐高压（0.3MPa适用），但易腐蚀需防腐；PE管耐腐蚀性好、密度小，但耐温性差（长期≤40℃）、抗冲击性弱。②施工：钢管需焊接或法兰连接，周期长；PE管可电熔/热熔连接，施工便捷，适合非开挖。③经济性：钢管初期成本高但寿命长（20~30年），PE管初期成本低但需定期更换（15~20年）。本项目为小区低压管网（0.3MPa属中压B级，PE管适用压力≤0.4MPa），综合防腐和施工便利性，优先选PE管。问题3：穿越道路时的补偿措施：①设置自然补偿（L型或Z型弯），利用管道自身弹性变形吸收热胀冷缩；②若自然补偿不足，安装波纹补偿器（需设置固定支架），补偿器应选择抗振型（道路车辆振动）；③管道外包混凝土套管，减少外部荷载对管道的影响；④穿越段管道采用无缝钢管（比PE管更耐外力），并做加强级防腐。问题4：应急处置流程：①发现泄漏后立即关闭上游阀门，停止燃气输送；②设置警戒区（半径≥50m），禁止明火、电器开关和车辆通行；③使用便携式检漏仪确定泄漏点，若为接口泄漏，用管卡临时封堵；若为管道破裂，用木楔或快固密封胶临时止漏；④启动轴流风机或自然通风降低燃气浓度（需防爆设备）；⑤通知燃气公司专业维修队，更换损坏管段并进行压力试验（0.45MPa，30min无压降）；⑥恢复供气前用氮气置换管内空气，检测合格后缓慢开启阀门。某钢铁厂轧钢加热炉排烟温度300℃，烟气量V=120000Nm³/h（标准状态），烟气成分：CO2=12%，H2O=8%，N2=75%，O2=5%，平均定压比热容cp=1.35kJ/(Nm³·℃)，排烟温度降至150℃回收余热。拟采用余热锅炉生产0.8MPa饱和蒸汽（汽化潜热r=2046kJ/kg，给水温度tgs=100℃，焓hgs=419kJ/kg），锅炉热效率η=85%。设备投资600万元，蒸汽价格260元/t，年运行时间8000h。问题1：计算每小时烟气可回收的热量Q。问题2：计算每小时可产生的饱和蒸汽量D（kg/h）。问题3：计算投资回收期（年）。问题4：提出3项提高余热回收效率的措施。答案与解析问题1：Q=V×cp×(T1-T2)=120000Nm³/h×1.35kJ/(Nm³·℃)×(300-150)℃=120000×1.35×150=24,300,000kJ/h。解析：烟气放热量为烟气量、比热容与温降的乘积。问题2：有效利用热量Q有效=Q×η=24,300,000×0.85=20,655,000kJ/h。蒸汽所需热量=D×(hq-hgs)，0.8MPa饱和蒸汽焓hq=2769kJ/kg（查图表），故D=Q有效/(hq-hgs)=20,655,000/(2769-419)=20,655,000/2350≈8789kg/h≈8.79t/h。解析：考虑锅炉热效率后，有效热量用于加热给水至蒸汽，蒸汽量为有效热量除以蒸汽与给水的焓差。问题3：年蒸汽收益=8.79t/h×8000h