電站鍋爐水冷壁壁溫計(jì)算方法淺析

【摘 要】本文探討了入口工質(zhì)狀態(tài)、爐內(nèi)熱流密度、質(zhì)量含汽率等主要因素對水冷壁的影響。根據(jù)鍋爐水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)，從欠熱水一直被加熱到微過熱的蒸汽，可將鍋爐水冷壁管內(nèi)換熱分成以下六個(gè)區(qū)段。根據(jù)單相流體換熱系數(shù)和兩相流體換熱系數(shù)公式，進(jìn)而推導(dǎo)出鍋爐水冷壁溫度計(jì)算公式。

【關(guān)鍵詞】鍋爐 水冷壁 計(jì)算

水冷壁是鍋爐的主要受熱部分，它由數(shù)排鋼管組成，分布于鍋爐爐膛的四周。它的內(nèi)部為流動(dòng)的水或蒸汽，外界接受鍋爐爐膛的火焰的熱量。由于鍋爐水冷壁內(nèi)工質(zhì)復(fù)雜多變，因此水冷壁溫度的計(jì)算較為困難?？紤]影響水冷壁溫度的主要因素，及其鍋爐水冷壁內(nèi)工質(zhì)換熱理論，提出了水冷壁溫度的計(jì)算公式，為相似的研究提供了理論依據(jù)。

一、影響鍋爐水冷壁溫度的因素

影響鍋爐水冷壁溫度的因素有很多，通過專家經(jīng)驗(yàn)得知在水冷壁欠熱沸騰起始點(diǎn)前，隨水冷壁的高度的升高，水冷壁溫度也是升高的，之后隨著水冷壁高度的增加，水冷壁的溫度有所下降，之后變化趨勢放緩，溫度波動(dòng)不大。

（一）入口水溫的影響。鍋爐水冷壁上升管的入口水溫理論上為鍋筒壓力下的飽和水溫度，但是由于損失和耗散，所以水溫會有5℃左右的偏差，相應(yīng)的就會對沸騰起始點(diǎn)的位置有所影響。欠熱始點(diǎn)高度是由過熱度、工質(zhì)換熱系數(shù)和入口水溫決定，其中過熱度不受入口水溫的影響。只有在接近臨界參數(shù)范圍內(nèi)，流體的物性參數(shù)才會隨溫度變化很大。

（二）熱流密度的影響。熱流密度反映的是水冷壁管靠近爐膛側(cè)的受熱情況，它是爐膛與水冷壁管最直接的連接因素。熱流密度與水冷壁最高壁溫的關(guān)系。隨著熱流密度的增加，水冷壁的最高壁溫也隨之增加，并呈線性上升趨勢。由于在單相流體區(qū)，單相換熱系數(shù)不隨熱流密度的變化而變化，所以外壁溫度的計(jì)算公式只是熱流密度的函數(shù)。

二、鍋爐水冷壁管內(nèi)換熱理論

鍋爐水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)，從欠熱水一直被加熱到微過熱的蒸汽，在這過程中，不僅有參數(shù)的變化，還伴有狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，大致可以分成以下幾個(gè)區(qū)段。

①單相水的對流傳熱區(qū)段，此段的終點(diǎn)管壁溫度稍高于水的飽和溫度。放熱系數(shù)與管壁熱負(fù)荷無關(guān)，壁溫與工質(zhì)溫度差值不大，并隨熱負(fù)荷而增加。②沸騰區(qū)段（過冷沸騰），在此區(qū)段中，靠近管壁的水層微過熱，而在管中心的大部分水還具有欠熱。此時(shí)靠管壁的水層開始出現(xiàn)汽化核心，待汽泡長大脫離管壁進(jìn)入管中心水流中時(shí)，在該處的汽泡與具有欠熱的水接觸，冷凝消失，故這種沸騰又稱為表面沸騰。③飽和核態(tài)沸騰區(qū)段，核態(tài)沸騰又稱為泡態(tài)沸騰，即在管壁的汽化核心處產(chǎn)生蒸汽泡，然后汽泡脫離管壁進(jìn)入中心水流中。欠熱沸騰也屬于核沸騰，因此欠熱沸騰又稱為熱核沸騰。④兩相強(qiáng)迫對流區(qū)段，在飽和核沸騰區(qū)段以后的傳熱和受熱方式與受熱面的熱負(fù)荷和工質(zhì)的質(zhì)量含汽率有關(guān)。⑤液體欠缺區(qū)段，隨著水膜的不斷蒸發(fā)，在管壁上的液膜越來越薄，加之流速逐漸增大的汽流會撕破水膜，因此在某一質(zhì)量含汽率下管壁上的液膜消失，這種現(xiàn)象稱為蒸干。

三、鍋爐水冷壁溫度計(jì)算

（一）換熱系數(shù)的計(jì)算

當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，汽泡產(chǎn)生和脫離的頻率增大，傳熱也越來越劇烈。隨著由沸騰引起的汽泡份額增大，流動(dòng)狀態(tài)由彈狀流動(dòng)向環(huán)狀流動(dòng)發(fā)展。環(huán)狀流動(dòng)后期，液體邊界層的厚度已經(jīng)不能夠維持核態(tài)沸騰所需要的過熱度，其傳熱主要依靠兩相強(qiáng)迫對流。

對于池內(nèi)沸騰，由于溫度邊界層較厚，溫度下降較為緩慢，有效過熱度與壁面過熱度之間的差值不大，近似認(rèn)為兩者相等，所以可以用代替。兩相對流沸騰由于壁面邊界層很薄，溫度梯度很大，決定氣泡生成和長大的壁面有效過熱度就不再與壁面過熱度處于同一量級，而是比小得多。

對于兩相換熱中，用修正的Forster-Zuber公式進(jìn)行計(jì)算。原來的Forster-Zuber公式是用來計(jì)算池內(nèi)沸騰的，公式如下：

（二）水冷壁溫度計(jì)算方法

綜合影響鍋爐水冷壁溫度的各個(gè)因素和水冷壁管內(nèi)換熱理論分析和專家經(jīng)驗(yàn)，可總結(jié)出鍋爐水冷壁壁溫計(jì)算按照傳熱學(xué)中穿過圓筒壁的傳熱計(jì)算公式，當(dāng)受熱面管子四周均勻加熱時(shí)，管子的外壁溫度可由下式計(jì)算：

沿管子四周均勻加熱的情況，在進(jìn)行壁溫計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮到沿管子周界上的熱負(fù)荷分布不均勻性。例如，對于靠爐墻布置的水冷壁輻射受熱面，其向火面的熱負(fù)荷最高，而背火面則靠爐墻的反輻射吸收不大的熱量。在這種情況下，由于沿管子周界金屬壁溫有差異，因此就可能由管子正面?zhèn)饕徊糠譄崃拷o管子背面，在壁溫計(jì)算時(shí)以熱量均流系數(shù)u來考慮管子向火面熱負(fù)荷的降低值?？紤]此影響后，管外壁溫度的計(jì)算公式為（3）上述公式是在管壁上未覆蓋水垢層時(shí)的壁溫計(jì)算公式，前面分析可知在實(shí)際計(jì)算和研究中，下降管水垢的影響也要進(jìn)行討論。這里我們設(shè)為下降管內(nèi)水垢厚度，為下降管內(nèi)徑，為下降管外徑，為水垢的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可推導(dǎo)出水冷壁外壁溫度計(jì)算公式為：

四、結(jié)論

通過分析影響電站鍋爐水冷壁的各種因素及鍋爐水冷壁內(nèi)換熱理論，根據(jù)換熱系數(shù)的計(jì)算分析，推導(dǎo)出鍋爐水冷壁溫度計(jì)算方法，此方法的得出為計(jì)算水冷壁的溫度提供了理論依據(jù)，也為相似的工程提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]車東光，吳少華.超超臨界鍋爐水冷壁傳熱特性和溫度偏差[J].鍋爐制造，2006，5（2）：1-5.

[2]劉佳.鍋爐水冷壁壁溫計(jì)算及低負(fù)荷下爆管原因分析[D].大連：大連理工大學(xué)2008.

[3]劉佳，李素芬.自然循環(huán)鍋爐水冷壁溫度計(jì)算方法及影響因素分析[J].能源工程，2008

作者簡介：

金微（1986.08-）吉林省梅河口市人，助理工程師，主要研究方向熱工自動(dòng)化及智能控制系統(tǒng)，電站鍋爐計(jì)算方法。