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【摘 要】本文探讨了入口工质状态、炉内热流密度、质量含汽率等主要因素对水冷壁的影响。根据锅炉水冷壁管内的工质，从欠热水一直被加热到微过热的蒸汽，可将锅炉水冷壁管内换热分成以下六个区段。根据单相流体换热系数和两相流体换热系数公式，进而推导出锅炉水冷壁温度计算公式。
【关键词】锅炉 水冷壁 计算
水冷壁是锅炉的主要受热部分，它由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周。它的内部为流动的水或蒸汽，外界接受锅炉炉膛的火焰的热量。由于锅炉水冷壁内工质复杂多变，因此水冷壁温度的计算较为困難。考虑影响水冷壁温度的主要因素，及其锅炉水冷壁内工质换热理论，提出了水冷壁温度的计算公式，为相似的研究提供了理论依据。
一、影响锅炉水冷壁温度的因素
影响锅炉水冷壁温度的因素有很多，通过专家经验得知在水冷壁欠热沸腾起始点前，随水冷壁的高度的升高，水冷壁温度也是升高的，之后随着水冷壁高度的增加，水冷壁的温度有所下降，之后变化趋势放缓，温度波动不大。
（一）入口水温的影响。锅炉水冷壁上升管的入口水温理论上为锅筒压力下的饱和水温度，但是由于损失和耗散，所以水温会有5℃左右的偏差，相应的就会对沸腾起始点的位置有所影响。欠热始点高度是由过热度、工质换热系数和入口水温决定，其中过热度不受入口水温的影响。只有在接近临界参数范围内，流体的物性参数才会随温度变化很大。
（二）热流密度的影响。热流密度反映的是水冷壁管靠近炉膛侧的受热情况，它是炉膛与水冷壁管最直接的连接因素。热流密度与水冷壁最高壁温的关系。随着热流密度的增加，水冷壁的最高壁温也随之增加，并呈线性上升趋势。由于在单相流体区，单相换热系数不随热流密度的变化而变化，所以外壁温度的计算公式只是热流密度的函数。
二、锅炉水冷壁管内换热理论
锅炉水冷壁管内的工质，从欠热水一直被加热到微过热的蒸汽，在这过程中，不仅有参数的变化，还伴有状态的转变，大致可以分成以下几个区段。
①单相水的对流传热区段，此段的终点管壁温度稍高于水的饱和温度。放热系数与管壁热负荷无关，壁温与工质温度差值不大，并随热负荷而增加。②沸腾区段（过冷沸腾），在此区段中，靠近管壁的水层微过热，而在管中心的大部分水还具有欠热。此时靠管壁的水层开始出现汽化核心，待汽泡长大脱离管壁进入管中心水流中时，在该处的汽泡与具有欠热的水接触，冷凝消失，故这种沸腾又称为表面沸腾。③饱和核态沸腾区段，核态沸腾又称为泡态沸腾，即在管壁的汽化核心处产生蒸汽泡，然后汽泡脱离管壁进入中心水流中。欠热沸腾也属于核沸腾，因此欠热沸腾又称为热核沸腾。④两相强迫对流区段，在饱和核沸腾区段以后的传热和受热方式与受热面的热负荷和工质的质量含汽率有关。⑤液体欠缺区段，随着水膜的不断蒸发，在管壁上的液膜越来越薄，加之流速逐渐增大的汽流会撕破水膜，因此在某一质量含汽率下管壁上的液膜消失，这种现象称为蒸干。
三、锅炉水冷壁温度计算
（一）换热系数的计算
当热负荷增加时，汽泡产生和脱离的频率增大，传热也越来越剧烈。随着由沸腾引起的汽泡份额增大，流动状态由弹状流动向环状流动发展。环状流动后期，液体边界层的厚度已经不能够维持核态沸腾所需要的过热度，其传热主要依靠两相强迫对流。
对于池内沸腾，由于温度边界层较厚，温度下降较为缓慢，有效过热度与壁面过热度之间的差值不大，近似认为两者相等，所以可以用代替。两相对流沸腾由于壁面边界层很薄，温度梯度很大，决定气泡生成和长大的壁面有效过热度就不再与壁面过热度处于同一量级，而是比小得多。
对于两相换热中，用修正的Forster-Zuber公式进行计算。原来的Forster-Zuber公式是用来计算池内沸腾的，公式如下：
（二）水冷壁温度计算方法
综合影响锅炉水冷壁温度的各个因素和水冷壁管内换热理论分析和专家经验，可总结出锅炉水冷壁壁温计算按照传热学中穿过圆筒壁的传热计算公式，当受热面管子四周均匀加热时，管子的外壁温度可由下式计算：
沿管子四周均匀加热的情况，在进行壁温计算时还应考虑到沿管子周界上的热负荷分布不均匀性。例如，对于靠炉墙布置的水冷壁辐射受热面，其向火面的热负荷最高，而背火面则靠炉墙的反辐射吸收不大的热量。在这种情况下，由于沿管子周界金属壁温有差异，因此就可能由管子正面传一部分热量给管子背面，在壁温计算时以热量均流系数u来考虑管子向火面热负荷的降低值。考虑此影响后，管外壁温度的计算公式为（3）上述公式是在管壁上未覆盖水垢层时的壁温计算公式，前面分析可知在实际计算和研究中，下降管水垢的影响也要进行讨论。这里我们设为下降管内水垢厚度，为下降管内径，为下降管外径，为水垢的导热系数。根据经验公式可推导出水冷壁外壁温度计算公式为：
四、结论
通过分析影响电站锅炉水冷壁的各种因素及锅炉水冷壁内换热理论，根据换热系数的计算分析，推导出锅炉水冷壁温度计算方法，此方法的得出为计算水冷壁的温度提供了理论依据，也为相似的工程提供了借鉴。
参考文献
[1]车东光，吴少华.超超临界锅炉水冷壁传热特性和温度偏差[J].锅炉制造，2006，5（2）：1-5.
[2]刘佳.锅炉水冷壁壁温计算及低负荷下爆管原因分析[D].大连：大连理工大学2008.
[3]刘佳，李素芬.自然循环锅炉水冷壁温度计算方法及影响因素分析[J].能源工程，2008
作者简介：
金微（1986.08-）吉林省梅河口市人，助理工程师，主要研究方向热工自动化及智能控制系统，电站锅炉计算方法。
【关键词】锅炉 水冷壁 计算
水冷壁是锅炉的主要受热部分，它由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周。它的内部为流动的水或蒸汽，外界接受锅炉炉膛的火焰的热量。由于锅炉水冷壁内工质复杂多变，因此水冷壁温度的计算较为困難。考虑影响水冷壁温度的主要因素，及其锅炉水冷壁内工质换热理论，提出了水冷壁温度的计算公式，为相似的研究提供了理论依据。
一、影响锅炉水冷壁温度的因素
影响锅炉水冷壁温度的因素有很多，通过专家经验得知在水冷壁欠热沸腾起始点前，随水冷壁的高度的升高，水冷壁温度也是升高的，之后随着水冷壁高度的增加，水冷壁的温度有所下降，之后变化趋势放缓，温度波动不大。
（一）入口水温的影响。锅炉水冷壁上升管的入口水温理论上为锅筒压力下的饱和水温度，但是由于损失和耗散，所以水温会有5℃左右的偏差，相应的就会对沸腾起始点的位置有所影响。欠热始点高度是由过热度、工质换热系数和入口水温决定，其中过热度不受入口水温的影响。只有在接近临界参数范围内，流体的物性参数才会随温度变化很大。
（二）热流密度的影响。热流密度反映的是水冷壁管靠近炉膛侧的受热情况，它是炉膛与水冷壁管最直接的连接因素。热流密度与水冷壁最高壁温的关系。随着热流密度的增加，水冷壁的最高壁温也随之增加，并呈线性上升趋势。由于在单相流体区，单相换热系数不随热流密度的变化而变化，所以外壁温度的计算公式只是热流密度的函数。
二、锅炉水冷壁管内换热理论
锅炉水冷壁管内的工质，从欠热水一直被加热到微过热的蒸汽，在这过程中，不仅有参数的变化，还伴有状态的转变，大致可以分成以下几个区段。
①单相水的对流传热区段，此段的终点管壁温度稍高于水的饱和温度。放热系数与管壁热负荷无关，壁温与工质温度差值不大，并随热负荷而增加。②沸腾区段（过冷沸腾），在此区段中，靠近管壁的水层微过热，而在管中心的大部分水还具有欠热。此时靠管壁的水层开始出现汽化核心，待汽泡长大脱离管壁进入管中心水流中时，在该处的汽泡与具有欠热的水接触，冷凝消失，故这种沸腾又称为表面沸腾。③饱和核态沸腾区段，核态沸腾又称为泡态沸腾，即在管壁的汽化核心处产生蒸汽泡，然后汽泡脱离管壁进入中心水流中。欠热沸腾也属于核沸腾，因此欠热沸腾又称为热核沸腾。④两相强迫对流区段，在饱和核沸腾区段以后的传热和受热方式与受热面的热负荷和工质的质量含汽率有关。⑤液体欠缺区段，随着水膜的不断蒸发，在管壁上的液膜越来越薄，加之流速逐渐增大的汽流会撕破水膜，因此在某一质量含汽率下管壁上的液膜消失，这种现象称为蒸干。
三、锅炉水冷壁温度计算
（一）换热系数的计算
当热负荷增加时，汽泡产生和脱离的频率增大，传热也越来越剧烈。随着由沸腾引起的汽泡份额增大，流动状态由弹状流动向环状流动发展。环状流动后期，液体边界层的厚度已经不能够维持核态沸腾所需要的过热度，其传热主要依靠两相强迫对流。
对于池内沸腾，由于温度边界层较厚，温度下降较为缓慢，有效过热度与壁面过热度之间的差值不大，近似认为两者相等，所以可以用代替。两相对流沸腾由于壁面边界层很薄，温度梯度很大，决定气泡生成和长大的壁面有效过热度就不再与壁面过热度处于同一量级，而是比小得多。
对于两相换热中，用修正的Forster-Zuber公式进行计算。原来的Forster-Zuber公式是用来计算池内沸腾的，公式如下：
（二）水冷壁温度计算方法
综合影响锅炉水冷壁温度的各个因素和水冷壁管内换热理论分析和专家经验，可总结出锅炉水冷壁壁温计算按照传热学中穿过圆筒壁的传热计算公式，当受热面管子四周均匀加热时，管子的外壁温度可由下式计算：
沿管子四周均匀加热的情况，在进行壁温计算时还应考虑到沿管子周界上的热负荷分布不均匀性。例如，对于靠炉墙布置的水冷壁辐射受热面，其向火面的热负荷最高，而背火面则靠炉墙的反辐射吸收不大的热量。在这种情况下，由于沿管子周界金属壁温有差异，因此就可能由管子正面传一部分热量给管子背面，在壁温计算时以热量均流系数u来考虑管子向火面热负荷的降低值。考虑此影响后，管外壁温度的计算公式为（3）上述公式是在管壁上未覆盖水垢层时的壁温计算公式，前面分析可知在实际计算和研究中，下降管水垢的影响也要进行讨论。这里我们设为下降管内水垢厚度，为下降管内径，为下降管外径，为水垢的导热系数。根据经验公式可推导出水冷壁外壁温度计算公式为：
四、结论
通过分析影响电站锅炉水冷壁的各种因素及锅炉水冷壁内换热理论，根据换热系数的计算分析，推导出锅炉水冷壁温度计算方法，此方法的得出为计算水冷壁的温度提供了理论依据，也为相似的工程提供了借鉴。
参考文献
[1]车东光，吴少华.超超临界锅炉水冷壁传热特性和温度偏差[J].锅炉制造，2006，5（2）：1-5.
[2]刘佳.锅炉水冷壁壁温计算及低负荷下爆管原因分析[D].大连：大连理工大学2008.
[3]刘佳，李素芬.自然循环锅炉水冷壁温度计算方法及影响因素分析[J].能源工程，2008
作者简介：
金微（1986.08-）吉林省梅河口市人，助理工程师，主要研究方向热工自动化及智能控制系统，电站锅炉计算方法。