2025年能源與動力工程師考試及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某理想氣體經(jīng)歷等溫膨脹過程，其內(nèi)能變化ΔU和外界對氣體做功W的關(guān)系為（）。A.ΔU>0，W>0B.ΔU=0，W<0C.ΔU<0，W>0D.ΔU=0，W>02.卡諾熱機(jī)在T?=1000K和T?=300K的兩個熱源間工作，其效率η為（）。A.30%B.70%C.60%D.80%3.下列哪項不是朗肯循環(huán)的主要設(shè)備？（）A.汽輪機(jī)B.壓縮機(jī)C.冷凝器D.鍋爐4.內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)中，柴油機(jī)電控共軌技術(shù)主要優(yōu)化的是（）。A.壓縮比B.燃燒相位C.過量空氣系數(shù)D.點火提前角5.對于大空間自然對流換熱，努塞爾數(shù)Nu的主要影響參數(shù)是（）。A.雷諾數(shù)ReB.普朗特數(shù)PrC.格拉曉夫數(shù)GrD.馬赫數(shù)Ma6.下列哪種儲能技術(shù)的能量密度最高？（）A.鉛酸電池B.液流電池C.鋰離子電池D.壓縮空氣儲能7.燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中，燃料與空氣的混合比通?？刂圃冢ǎ?。A.化學(xué)計量比附近B.富燃料狀態(tài)（燃料過量）C.貧燃料狀態(tài)（空氣過量）D.任意比例8.太陽能光伏電池的短路電流主要取決于（）。A.電池材料的禁帶寬度B.光照強(qiáng)度C.工作溫度D.負(fù)載電阻9.超臨界二氧化碳（s-CO?）布雷頓循環(huán)相比傳統(tǒng)水蒸氣朗肯循環(huán)的優(yōu)勢不包括（）。A.系統(tǒng)體積小B.循環(huán)效率更高C.適用熱源范圍更廣D.對材料耐腐蝕性要求低10.氫燃料電池的陰極反應(yīng)式為（）。A.2H?→4H?+4e?B.O?+4H?+4e?→2H?OC.H?O→H?+?O?D.CO+?O?→CO?二、填空題（每空1分，共15分）1.熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為______（閉口系統(tǒng)，能量以熱量和功的形式傳遞）。2.評價熱機(jī)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)是______，其定義為______。3.內(nèi)燃機(jī)的實際循環(huán)中，換氣損失包括______和______。4.強(qiáng)化傳熱的基本途徑包括______、______和______。5.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率計算公式為P=?ρAv3C_p，其中C_p稱為______，其理論最大值為______（貝茨極限）。6.地源熱泵系統(tǒng)利用______作為冷熱源，其COP（性能系數(shù)）通常______（大于/小于）空氣源熱泵。7.煤氣化的主要產(chǎn)物是______（寫出兩種），其主要反應(yīng)包括______和______（寫出兩個關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)式）。三、簡答題（每題8分，共40分）1.比較布雷頓循環(huán)（燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)）與朗肯循環(huán)（蒸汽動力循環(huán)）的異同點，從工質(zhì)狀態(tài)、主要設(shè)備、適用場景三方面分析。2.分析超臨界燃煤機(jī)組（主蒸汽參數(shù)≥25MPa、600℃）相比亞臨界機(jī)組（16-18MPa、540℃）效率更高的原因。3.說明質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的工作原理，包括關(guān)鍵組件、反應(yīng)過程及輸出特性的影響因素。4.解釋“熱泵”與“制冷機(jī)”的本質(zhì)區(qū)別，并推導(dǎo)兩者COP（性能系數(shù)）的關(guān)系式。5.簡述碳捕集與封存（CCUS）技術(shù)在煤電行業(yè)的應(yīng)用路徑，列舉至少三種捕集技術(shù)并說明其適用場景。四、計算題（共25分）1.（10分）某奧托循環(huán)（定容加熱循環(huán)）的壓縮比ε=10，工質(zhì)為空氣（視為理想氣體，γ=1.4，c_v=0.717kJ/(kg·K)），初始狀態(tài)為p?=100kPa、T?=300K，加熱量q?=800kJ/kg。求：（1）循環(huán)各狀態(tài)點的溫度（T?~T?）；（2）循環(huán)的熱效率η_t；（3）輸出的凈功w_net（單位：kJ/kg）。2.（15分）某逆流式換熱器用于加熱水，熱流體為煙氣（比熱容c_p,h=1.05kJ/(kg·K)），流量m_h=5kg/s，進(jìn)口溫度T_h1=400℃，出口溫度T_h2=150℃；冷流體為水（c_p,c=4.18kJ/(kg·K)），進(jìn)口溫度T_c1=20℃，出口溫度T_c2=80℃。假設(shè)換熱器無散熱損失，求：（1）熱流體放出的熱量Q_h；（2）冷流體的質(zhì)量流量m_c；（3）對數(shù)平均溫差ΔT_m；（4）若總傳熱系數(shù)K=50W/(m2·K)，求換熱面積A（保留兩位小數(shù)）。五、綜合分析題（共20分）“雙碳”目標(biāo)下，我國能源結(jié)構(gòu)正從“以煤為主”向“多元清潔”轉(zhuǎn)型。某地區(qū)規(guī)劃建設(shè)一座“風(fēng)光火儲一體化”能源基地，其中：-風(fēng)電裝機(jī)容量1000MW（年利用小時數(shù)2500h）；-光伏裝機(jī)容量800MW（年利用小時數(shù)1200h）；-燃煤機(jī)組（超超臨界）裝機(jī)容量600MW（年利用小時數(shù)4500h，供電煤耗270gce/kWh）；-儲能系統(tǒng)（磷酸鐵鋰）容量200MW/800MWh（充放電效率85%）。請結(jié)合能源系統(tǒng)集成理論，分析該基地的設(shè)計合理性，并計算：（1）風(fēng)電、光伏的年發(fā)電量；（2）燃煤機(jī)組的年耗煤量（標(biāo)準(zhǔn)煤）；（3）儲能系統(tǒng)在“削峰填谷”中的作用，若日調(diào)節(jié)充放電一次，年可轉(zhuǎn)移電量（假設(shè)年運行330天）；（4）提出2條提升該基地整體效率的優(yōu)化建議。---答案及解析一、單項選擇題1.B（等溫過程ΔU=0，膨脹時氣體對外做功，故W<0）2.B（η=1-T?/T?=1-300/1000=70%）3.B（朗肯循環(huán)設(shè)備為鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器、給水泵，無壓縮機(jī)）4.B（共軌技術(shù)精確控制噴油時刻，優(yōu)化燃燒相位）5.C（自然對流由浮升力驅(qū)動，Gr反映浮升力與粘性力的相對大?。?.C（鋰離子電池能量密度約150-250Wh/kg，遠(yuǎn)高于其他選項）7.C（燃?xì)廨啓C(jī)需控制燃燒溫度，采用貧燃料燃燒降低NOx排放）8.B（短路電流與光子數(shù)成正比，即光照強(qiáng)度）9.D（s-CO?腐蝕性強(qiáng)，對材料要求更高）10.B（陰極O?得電子與H?結(jié)合生成水）二、填空題1.ΔU=Q-W2.熱效率；循環(huán)凈功與吸入熱量的比值（η=W_net/Q?）3.排氣損失；進(jìn)氣損失4.增大換熱面積；提高傳熱系數(shù)；增大平均溫差5.風(fēng)能利用系數(shù)；59.3%（或16/27）6.地下淺層地能；大于7.CO、H?（或CH?等）；C+H?O→CO+H?（水煤氣反應(yīng)）；C+O?→CO?（燃燒反應(yīng)）三、簡答題1.異同點分析：-工質(zhì)狀態(tài)：布雷頓循環(huán)工質(zhì)為氣體（空氣/燃?xì)猓?，全程氣態(tài)；朗肯循環(huán)工質(zhì)為水，經(jīng)歷氣-液-氣相變。-主要設(shè)備：布雷頓循環(huán)包括壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)；朗肯循環(huán)包括鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器、給水泵。-適用場景：布雷頓循環(huán)用于航空發(fā)動機(jī)、分布式發(fā)電（小容量）；朗肯循環(huán)用于大型火力發(fā)電、核電廠（大容量）。2.超臨界機(jī)組效率高的原因：超臨界參數(shù)（壓力>22.1MPa）下，水的臨界點消失，工質(zhì)無相變，吸熱過程接近等溫，減少不可逆損失；更高的蒸汽溫度（600℃以上）提高了平均吸熱溫度，根據(jù)卡諾定理，循環(huán)效率隨T?升高而增加；超臨界機(jī)組采用二次再熱技術(shù)，進(jìn)一步回收熱量，降低排汽損失。3.PEMFC工作原理：關(guān)鍵組件：質(zhì)子交換膜（傳遞H?）、催化層（Pt催化劑）、氣體擴(kuò)散層（導(dǎo)氣/導(dǎo)電）、雙極板（集電/導(dǎo)氣）。反應(yīng)過程：陽極H?→2H?+2e?（電子經(jīng)外電路做功，H?穿過膜到陰極）；陰極O?+4H?+4e?→2H?O。影響因素：溫度（80-100℃最佳）、壓力（提高反應(yīng)速率）、濕度（膜需濕潤）、燃料純度（CO會毒化催化劑）。4.熱泵與制冷機(jī)的區(qū)別及COP關(guān)系：本質(zhì)區(qū)別：熱泵以環(huán)境為低溫?zé)嵩?，向高溫物體供熱（目標(biāo)是Q_H）；制冷機(jī)以被冷卻物體為低溫?zé)嵩?，向環(huán)境排熱（目標(biāo)是Q_L）。COP關(guān)系：熱泵COP_H=Q_H/W，制冷機(jī)COP_R=Q_L/W；因Q_H=Q_L+W，故COP_H=COP_R+1。5.CCUS在煤電的應(yīng)用路徑：捕集技術(shù)：-燃燒前捕集（煤氣化后分離CO?，適用于IGCC機(jī)組）；-燃燒后捕集（胺液吸收法，適用于現(xiàn)役機(jī)組改造）；-富氧燃燒（純氧燃燒生成高濃度CO?，適用于新建機(jī)組）；封存方式：地質(zhì)封存（深部咸水層、枯竭油氣藏）、海洋封存（需環(huán)境評估）、礦化封存（與金屬氧化物反應(yīng)固定）。四、計算題1.奧托循環(huán)計算（1）狀態(tài)點溫度：T?=T?·ε^(γ-1)=300×10^(0.4)=300×2.5119≈753.57Kq?=c_v(T?-T?)→T?=T?+q?/c_v=753.57+800/0.717≈753.57+1115.76≈1869.33KT?=T?/ε^(γ-1)=1869.33/2.5119≈744.25K（T?=300K，T?≈753.57K，T?≈1869.33K，T?≈744.25K）（2）熱效率η_t=1-1/ε^(γ-1)=1-1/10^0.4≈1-0.398≈60.2%（3）凈功w_net=η_t·q?=0.602×800≈481.6kJ/kg2.換熱器計算（1）Q_h=m_h·c_p,h·(T_h1-T_h2)=5×1.05×(400-150)=5×1.05×250=1312.5kW（2）Q_c=Q_h=m_c·c_p,c·(T_c2-T_c1)→m_c=1312.5/(4.18×(80-20))=1312.5/(4.18×60)≈5.24kg/s（3）逆流溫差：ΔT1=T_h1-T_c2=400-80=320℃；ΔT2=T_h2-T_c1=150-20=130℃ΔT_m=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)=(320-130)/ln(320/130)=190/ln(2.4615)≈190/0.900≈211.11℃（4）A=Q_h/(K·ΔT_m)=1312500W/(50×211.11)≈1312500/10555.5≈124.34m2五、綜合分析題（1）年發(fā)電量：風(fēng)電：1000MW×2500h=2500GWh光伏：800MW×1200h=960GWh（2）燃煤機(jī)組年耗煤量：年發(fā)電量=600MW×4500h=2700GWh=2.7×10^9kWh耗煤量=2.7×10^9kWh×270gce/kWh=7.29×10^11gce=729000噸標(biāo)準(zhǔn)煤（3）儲能系統(tǒng)年轉(zhuǎn)