2025年强基计划能源与动力工程专业能源实践试题及答案

2025年强基计划能源与动力工程专业能源实践试题及答案一、单项选择题（共5题，每题3分，共15分）1.某孤立系统经历不可逆过程后，其熵变（）。A.增大B.减小C.不变D.无法确定2.某理想气体在定容加热过程中，吸收热量Q，内能变化ΔU，焓变ΔH，则三者关系为（）。A.Q=ΔU，ΔH=ΔUB.Q=ΔU，ΔH=ΔU+RΔTC.Q=ΔH，ΔU=ΔHRΔTD.Q=ΔH，ΔU=ΔH3.以下能源中，属于二次能源的是（）。A.天然气B.焦炭C.太阳能D.地热能4.电站锅炉的主要受热面中，直接将燃料燃烧释放的辐射热传递给工质的是（）。A.省煤器B.过热器C.水冷壁D.再热器5.某卡诺热机工作于高温热源T₁=1000K和低温热源T₂=300K之间，其热效率为（）。A.30%B.70%C.40%D.60%二、多项选择题（共5题，每题4分，共20分，少选得2分，错选不得分）1.以下因素中，会影响内燃机实际循环热效率的有（）。A.压缩比B.过量空气系数C.点火提前角D.工质比热容变化2.下列属于可再生能源的有（）。A.生物质能B.页岩气C.潮汐能D.地热能3.朗肯循环的基本组成设备包括（）。A.汽轮机B.锅炉C.冷凝器D.压缩机4.燃气轮机的典型工作过程包括（）。A.绝热压缩B.定压加热C.绝热膨胀D.定容放热5.以下能源存储技术中，属于电化学储能的有（）。A.铅酸电池B.飞轮储能C.锂离子电池D.压缩空气储能三、填空题（共8题，每空2分，共16分）1.卡诺循环由两个________过程和两个绝热过程组成。2.锅炉热效率的定义是有效利用热量与________的比值。3.内燃机的理论循环中，汽油机通常简化为________循环，柴油机简化为混合加热循环。4.太阳能电池的主要材料是________（填化学式）。5.热泵的性能系数COP定义为________与输入功的比值。6.风电场的年有效风时数通常指风速在________m/s至切出风速之间的累计小时数。7.质子交换膜燃料电池（PEMFC）的反应产物是________。8.地源热泵系统中，与地下土壤或水体进行热交换的关键部件是________。四、简答题（共5题，第13题每题8分，第45题每题10分，共44分）1.简述活塞式内燃机四冲程工作过程，并说明压缩冲程的主要作用。（封闭型）2.电站锅炉省煤器的主要作用是什么？其布置位置对锅炉效率有何影响？（封闭型）3.燃气轮机与蒸汽轮机在工作介质、循环类型和应用场景上的主要区别是什么？（封闭型）4.我国“双碳”目标（2030碳达峰、2060碳中和）背景下，煤电作为当前主力电源，应如何实现转型？请从技术、政策、经济三个维度提出可行性建议。（开放型）5.某偏远海岛计划采用光伏储能系统供电，需考虑哪些关键因素？请结合海岛的地理、气候特点分析其应用可行性。（开放型）五、应用题（共5题，第12题每题10分，第34题每题12分，第5题16分，共60分）1.（计算题）某卡诺热机从高温热源吸收1000kJ热量，向低温热源放出400kJ热量，求：（1）热效率；（2）高温热源与低温热源的温度比。2.（计算题）某朗肯循环中，锅炉出口蒸汽参数为p₁=10MPa、t₁=500℃（焓h₁=3373kJ/kg），汽轮机排汽压力p₂=0.005MPa（饱和液体焓h₂'=137.8kJ/kg，汽化潜热r=2423kJ/kg，排汽干度x=0.9），水泵出口水焓h₄=140kJ/kg。求：（1）汽轮机做功量；（2）循环热效率。（注：水的焓升可近似为h₄h₂'）3.（分析题）某电厂300MW燃煤锅炉运行中，排烟温度长期高于设计值（设计120℃，实际150℃），导致锅炉效率下降。请分析可能的原因（至少4条），并提出针对性改进措施。4.（分析题）某风电场年平均风速6.5m/s，风轮直径120m，空气密度1.225kg/m³，风电机组功率系数0.45，年有效风时数4500小时。（1）计算单台机组的理论年发电量；（2）实际中哪些因素会导致发电量低于理论值？（至少3条）5.（综合题）设计一个“太阳能天然气联合供能系统”，用于某居民小区（1000户，日均电需求20000kWh，热需求15000kWh）。要求：（1）画出系统流程图（文字描述关键设备）；（2）说明各设备的功能；（3）分析系统在不同季节（夏季、冬季）的运行策略；（4）简述其相对于单一能源系统的优势。答案及解析一、单项选择题1.A（孤立系统不可逆过程熵增原理）2.B（定容过程Q=ΔU，焓H=U+pV，ΔH=ΔU+RΔT）3.B（二次能源是一次能源加工转换产物，焦炭由煤炭干馏得到）4.C（水冷壁布置在炉膛，吸收辐射热）5.B（η=1T₂/T₁=1300/1000=70%）二、多项选择题1.ABCD（压缩比影响循环效率，过量空气系数影响燃烧充分性，点火提前角影响燃烧相位，工质比热容变化影响内能计算）2.ACD（页岩气是化石能源，不可再生）3.ABC（朗肯循环包括锅炉、汽轮机、冷凝器、给水泵，无压缩机）4.ABC（燃气轮机为布雷顿循环，包括绝热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热）5.AC（飞轮和压缩空气属于物理储能）三、填空题1.等温2.输入热量（或燃料低位发热量）3.定容加热（或奥托）4.Si（或单晶硅、多晶硅）5.供热量（或制冷量，需根据热泵类型说明，但通常默认制热）6.切入（或启动，通常34m/s）7.水（H₂O）8.地埋管（或地源换热器）四、简答题1.四冲程工作过程：（1）进气冲程：活塞下行，进气门开，吸入可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）；（2）压缩冲程：活塞上行，进排气门闭，压缩工质以提高温度压力，为燃烧准备；（3）做功冲程：火花塞点火（汽油机）或压燃（柴油机），工质膨胀推动活塞下行做功；（4）排气冲程：活塞上行，排气门开，排出废气。压缩冲程的主要作用：提高工质温度（柴油机中需达到柴油自燃点），增大循环平均压力，提高热效率。2.省煤器作用：（1）利用锅炉排烟余热加热给水，降低排烟温度，提高锅炉效率；（2）减少蒸发受热面面积，降低锅炉成本；（3）提高给水进入汽包的温度，减少汽包热应力。布置位置影响：若布置在低温烟道（如空气预热器前），可更充分回收热量，但需注意低温腐蚀（如燃用高硫煤时）；若布置在高温区，传热温差大但可能导致排烟温度仍较高，效率提升有限。3.主要区别：（1）工作介质：燃气轮机直接以燃料燃烧产物（燃气）为工质；蒸汽轮机以水/蒸汽为工质（需锅炉产生蒸汽）。（2）循环类型：燃气轮机为布雷顿循环（开式或闭式）；蒸汽轮机为朗肯循环。（3）应用场景：燃气轮机适用于调峰、移动电源（如舰船、航空）；蒸汽轮机适用于大型电站（效率高、运行稳定）。4.转型建议：技术维度：发展超超临界发电（提高效率）、碳捕集与封存（CCUS）技术、与可再生能源耦合（如煤电调峰+风电/光伏）；政策维度：完善碳交易市场，对煤电碳排放征税，补贴煤电灵活性改造；经济维度：降低CCUS成本，探索煤电“基础负荷+调峰”的电价机制，推动煤电从“电量型”向“容量型”电源转变。5.关键因素：（1）地理：海岛面积小，土地资源有限，需考虑光伏阵列安装空间；远离大陆，电网互联困难，依赖储能。（2）气候：光照资源（年日照时数、阴雨天频率）影响光伏发电量；台风频发可能损坏设备；空气湿度大需防盐雾腐蚀。可行性分析：若海岛年日照时数＞2000小时（如海南、南海诸岛），光伏储能系统可满足基本用电需求；配置足够储能（如锂电池+柴油发电机备用）可应对连续阴雨天；采用抗风、防腐设计可提升系统可靠性，是偏远海岛离网供电的优选方案。五、应用题1.（1）η=W/Q₁=(Q₁Q₂)/Q₁=(1000400)/1000=60%；（2）η=1T₂/T₁→T₁/T₂=1/(1η)=1/0.4=2.5。2.（1）汽轮机做功W=h₁h₂，h₂=h₂'+x·r=137.8+0.9×2423=2318.5kJ/kg，故W=33732318.5=1054.5kJ/kg；（2）循环吸热量q₁=h₁h₄=3373140=3233kJ/kg，循环放热量q₂=h₂h₂'=2318.5137.8=2180.7kJ/kg（或直接q₂=Q₂/m），热效率η=W/q₁=1054.5/3233≈32.6%。3.可能原因：（1）受热面积灰/结渣：导致传热效率下降，排烟温度升高；（2）空气预热器漏风：冷空气进入烟道，增加烟气量，排烟温度上升；（3）燃烧调整不当：过量空气系数过大，烟气量增大；（4）煤质变差：低位发热量降低，需增加燃料量，烟气量增加；（5）给水量或给水温度降低：需更多热量加热给水，导致排烟温度升高。改进措施：（1）加强吹灰/清渣，定期清洗受热面；（2）修复空气预热器密封，减少漏风率；（3）优化燃烧调整，控制过量空气系数在设计值（如1.11.2）；（4）根据煤质调整配风，必要时掺烧优质煤；（5）提高给水温度（如投运高压加热器）。4.（1）理论功率P=0.5ρπ(D/2)²v³C_p=0.5×1.225×π×(60)²×6.5³×0.45≈0.5×1.225×3.14×3600×274.625×0.45≈0.5×1.225×3.14×3600×123.58≈0.5×1.225×1396704≈857,000W≈857kW；年发电量=857kW×4500h≈3,856,500kWh=385.65万kWh。（2）实际影响因素：①风电机组效率（传动损耗、发电机效率＜100%）；②风速分布非恒定（实际风速偏离额定风速时功率系数降低）；③机组停机时间（维护、故障、限电）；④空气密度变化（温度、海拔影响）；⑤尾流效应（多台风机间气流干扰）。5.（1）系统流程图关键设备：太阳能光伏板→DC/AC逆变器→配电系统→居民用电；天然气锅炉（或燃气轮机）→余热回收装置→供热管网→居民用热；储能系统（锂电池）→双向变流器→电网（平衡光伏波动）；监控中心（协调各设备运行）。（2）设备功能：光伏板：将太阳能转化为直流电；逆变器：直流转交流，并入配电系统；燃气锅炉：燃烧天然气产生热水/蒸汽供热；余热回收装置（如换热器）：回收燃气轮机排气余热，提高能源利用率；储能系统：存储多余光伏电力，用于夜间或阴雨天供电；监控中心：根据负荷需求、天气预测调节光伏出力、燃气用量和储能充放电。（3）运行策略：夏季：光伏出力强（日照时间长），优先用光伏满足电需求，多余电力存入储能或通过余热回收装置转换为热（如制冷）；燃气系统作为备用，仅在光伏+储能不足时启