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第十四章超超临界锅炉水动力特性超临界锅炉的一些问题是由于工质特性的变化引起的，要理解超临界锅炉的特点，首先要对超临界压力时工质的特性变化有较多的了解。
由于汽水密度差在超临界压力时消失，所以无法进行汽水分离，决定了超临界压力不能使用带汽包的具有水循环的锅炉。
只能使用直流锅炉或其它类似于直流锅炉的锅炉。
另外，超临界压力锅炉在低负荷运行时将在临界压力以下工作，因此，亚临界锅炉常常出现的一些问题，超临界压力锅炉也无法避免。
随着工质压力的升高，饱和温度升高，汽化潜热减小，当压力升高至22.12MPa时，水在374.15℃直接变为蒸汽，汽化潜热为零，该相变点温度称为临界温度。
工质压力超过临界压力后，相变点温度相应升高，与压力对应的相变点温度称拟临界温度。
工质低于拟临界温度时为水，高于拟临界温度时为汽。
汽、水在相变点的热物理性质全都相同。
超临界压力下，对应一定的压力，存在一个大比热容区。
进入该区后，比热容随温度的增加而飞速升高，在拟临界温度处达到极限值，然后迅速降低。
压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热容特性逐渐减弱。
在超临界压力的大比热容区内，工质比体积、粘度、导热系数等也都剧烈变化，离开大比热容区后则变化趋缓。
除了比热容以外，上述参数的变化都是单方向的，随着温度的升高，比体积增大，粘度、导热系数降低。
第一节锅炉受热面的管壁温度1.管壁温度计算当炉管壁有热量传递时，沿壁厚各点的金属温度将不同。
校核元件是否超过材料的允许氧化极限速度时，应按外壁温度(当热量向内传递时)计算，而校核元件强度时，则应按沿壁厚温度的平均值计算，因强度计算是按壁厚的平均应力考虑的。
圆筒形炉管沿壁厚的温度分布呈抛物线形状，但为了简化计算，取元件内外壁温的算术平均值，称为“计算壁温”，来选取材料强度特性或许用应力以进行强度计算。
由传热学可知，对于均匀受热的圆筒形炉管的壁温：式中twb、tnb－管壁外壁与内壁温度，℃；tg－水垢层内壁温度，℃；tj－介质度，℃；q—炉管外壁单位面积热负荷，kW／m2；Dw、Dn—炉管外径，内径，m；β＝Dw/Dn—炉管外径与内径的比值；Sg—水垢层的厚度，m；λ、λg一管壁金属及水垢的导热系数，kW／m．℃。
第十四章超超临界锅炉水动力特性超临界锅炉的一些问题是由于工质特性的变化引起的，要理解超临界锅炉的特点，首先要对超临界压力时工质的特性变化有较多的了解。
由于汽水密度差在超临界压力时消失，所以无法进行汽水分离，决定了超临界压力不能使用带汽包的具有水循环的锅炉。
只能使用直流锅炉或其它类似于直流锅炉的锅炉。
另外，超临界压力锅炉在低负荷运行时将在临界压力以下工作，因此，亚临界锅炉常常出现的一些问题，超临界压力锅炉也无法避免。
随着工质压力的升高，饱和温度升高，汽化潜热减小，当压力升高至22.12MPa时，水在374.15℃直接变为蒸汽，汽化潜热为零，该相变点温度称为临界温度。
工质压力超过临界压力后，相变点温度相应升高，与压力对应的相变点温度称拟临界温度。
工质低于拟临界温度时为水，高于拟临界温度时为汽。
汽、水在相变点的热物理性质全都相同。
超临界压力下，对应一定的压力，存在一个大比热容区。
进入该区后，比热容随温度的增加而飞速升高，在拟临界温度处达到极限值，然后迅速降低。
压力越高，拟临界温度向高温区推移，大比热容特性逐渐减弱。
在超临界压力的大比热容区内，工质比体积、粘度、导热系数等也都剧烈变化，离开大比热容区后则变化趋缓。
除了比热容以外，上述参数的变化都是单方向的，随着温度的升高，比体积增大，粘度、导热系数降低。
第一节锅炉受热面的管壁温度1.管壁温度计算当炉管壁有热量传递时，沿壁厚各点的金属温度将不同。
校核元件是否超过材料的允许氧化极限速度时，应按外壁温度(当热量向内传递时)计算，而校核元件强度时，则应按沿壁厚温度的平均值计算，因强度计算是按壁厚的平均应力考虑的。
圆筒形炉管沿壁厚的温度分布呈抛物线形状，但为了简化计算，取元件内外壁温的算术平均值，称为“计算壁温”，来选取材料强度特性或许用应力以进行强度计算。
由传热学可知，对于均匀受热的圆筒形炉管的壁温：式中twb、tnb－管壁外壁与内壁温度，℃；tg－水垢层内壁温度，℃；tj－介质度，℃；q—炉管外壁单位面积热负荷，kW／m2；Dw、Dn—炉管外径，内径，m；β＝Dw/Dn—炉管外径与内径的比值；Sg—水垢层的厚度，m；λ、λg一管壁金属及水垢的导热系数，kW／m．℃。
可以得到炉管外壁及计算管壁温度的计算公式：忽略水垢层的影响，可以得到简化的计算公式：上述炉管壁温计算公式只适用于沿管子圆周方向管外受热均匀和管子内工质没有温度偏差，在管壁中只存在径向热流的情况。
实际炉管的受热情况与此存在较大差距，首先，高温烟气对管子的冲刷以及辐射都具有一定的方向性，沿着管子周界各点存在着热流密度的偏差，管子圆周各点壁温不相等。
在管壁中除了径向导热外，还存在着沿圆周方向的导热。
所以在不均匀内受热的情况下，最大热负荷处管壁的径向热流密度总是小于均匀受热只存在径向导热时的热流密度。
其次，各炉管之间存在着受热不均与工质流速不均匀，各管的管外热流密度与管内工质温度存在着差别。
管壁温度的计算应考虑最恶劣的工作条件，热负荷取沿周界的最大热负荷。
因热量由最大热负荷处向其它部位散流引起的壁温下降，用热量均流系数作相应的修正。
工质温度取为平均温度时，还应加上温度偏差值。
这样得到管壁温度计算公式为：式中Δtgz—考虑管间工质温度偏离平均值的偏差，℃；qmax—热负荷最大管子的最大管外热流密度，Kw/m2；μ—热量均流系数。
对于薄壁圆筒，β接近1，此时有：可以得到我国锅炉受压元件强度计算标准中管子壁温计算公式：式中S—金属壁厚度，m。
由于电站锅炉水质经过严格处理，并定期检查热负荷最高处水冷壁管内水垢量，必要时进行清洗。
在我国锅炉受压元件强度计算标准中管壁温度的计算中没有考虑水垢的影响。
水垢的存在改变管壁温度的分布，使管壁温度上升，另外因水垢热阻很大，还使热负荷有明显的下降。
对于水冷壁蒸发管和省煤器管，在正常情况下，管内侧对流换热系数很大，使管壁温度与工质温度相差不大，可以采用简单估算。
例如，自然循环锅炉当水冷壁最大热负荷不超过300×103kcal／m2.h时，或压力不超过13.7MPa的多次强制循环锅炉当最大热负荷不超过300×103kcal／m2.h时，水冷壁管的计算壁温可以取为：tb＝tgz＋60℃对于超临界压力锅炉的炉管，当热负荷很大时，壁厚的增加可能引起壁温明显增高，反而造成炉管强度下降，此时，应作几个材料和壁厚的计算，以选取最佳材料和壁厚。
根据我国水管锅炉受压元件强度计算标准给出的许用应力，按不同计算壁温偏差Δtb 换算出的最小需要壁厚差值△S。
如果壁温取的不正确，会使计算出的受压元件最小所需壁厚产生较大的偏差，温度越高影响越大，特别是在接近材料许用温度限附近。
2. 超临界压力锅炉水冷壁壁温在亚临界压力以下压力运行的锅炉水冷壁，工质的温度tgz是相应压力下的饱和温度，在压力不变时是不变的，此时各管内工质温度的偏差Δtgz＝0。
对于一定材料、壁厚和管径的炉管，壁厚S、材料导热系数λ、炉管外内径之比β不变，此时各水冷壁炉管管壁温度取决于热负荷q和管内对流换热系数α2的大小，由于无传热恶化时管内对流换热系数α2很高，虽然炉膛内热负荷很高，炉管壁温并不高。
炉管壁温主要取决于压力(相应的饱和温度)和热负荷，并且各炉管壁温的差别只取决于热负荷所造成的差别，量值很小，根据在亚临界压力锅炉上的试验测量，该量值最大一般在30℃以下，不会由于并列炉管壁温差过大造成问题。
对于超临界压力以上压力运行的超临界锅炉水冷壁，工质温度没有对应压力下饱和温度的限制，水冷壁中工质的温度随着吸热量的增加不断上升，管壁计算公式中工质的温度tgz 是变化的，它与热负荷和工质流量有关，热负荷越大，工质流量越小的炉管内工质的温度tgz越高，并且由于各管热负荷和工质流量有偏差，造成各管工质温度有偏差，即所谓的热偏差Δtgz不为零。
直流锅炉水冷壁工质一次通过所有受热面，也就是说，工质不需要经过所谓“蒸干”传热恶化的过程，此时，管内对流换热系数α2大大下降，相同负荷下，由于热负荷造成的管壁温度增量大大上升。
一定材料和结构的超临界锅炉水冷壁管壁温度取决于工质平均温度tgz单管工质温度偏差Δtgz、热负荷q和管内对流换热系数α2，特别是管内对流换热系数α2的影响很大，所以，超临界锅炉水冷壁管壁温度相对于亚临界压力以下的循环锅炉而言，其壁温可以高很多，而且由于热偏差和传热恶化的影响，并列水冷壁各管的壁温可以相差很大。
因为水冷壁管是焊接在一起的，各管热膨胀受到相邻炉管的约束，过大的壁温差将造成过大的热应力，并导致炉管失效。
水冷壁炉管的安全除受最高温度和各管之间壁温差的影响外，还与壁温的波动有关。
对于循环锅炉，在锅炉参数保持稳定时，水冷壁壁温基本保持稳定。
已有的试验表明，燃烧扰动造成的壁温波动很小，在1～2℃范围。
主要的壁温波动是由于管壁上积灰和结渣的变化引起的，结渣的脱落会造成最大20～30℃范围壁温的波动，对水冷壁炉管造成的安全影响较小。
壁温和锅炉水质工况的问题综合作用仍然可能造成水冷壁失效，但是其出现的概率很小。
超临界压力锅炉采用直流锅炉水冷壁形式，必然存在所谓“蒸干”传热恶化的过程。
在正常的沸腾传热工况下，水侧换热系数α2很大，且变化较小不可能造成壁温的大幅度波动。
在出现传热恶化（国外称为偏离核沸腾DNB）时，α2大幅度降低，管壁温度大幅度升高。
内壁聚集的汽泡是不稳定的，随时可能被水冲走，聚集的汽泡和水膜的交替使管壁温度不断波动变化。
偏离核沸腾的标志是壁温发生10℃或更大的波动，脉动频率为10秒或更慢。
从偏离核态沸腾点到稳定态的膜态沸腾是不稳定的，因为水膜撕碎后不会立即完全消失，水和汽泡群交替流过。
这一不稳定现象首先表现为壁温有5～11℃的周期性波动，波动频率显著地慢于核态沸腾汽泡发生频率(前者周期约几秒，后者约为零点零几秒)。
当不稳定的过渡沸腾发展到全膜态沸腾时，平均壁温的波动达到28～55℃，脉动频率则更缓慢。
图14-1传热恶化时炉管壁温亚临界压力下的直流锅炉SGl000锅炉水冷壁出现传热恶化的壁温测量结果如图14-1所示。
出现传热恶化的水冷壁管子向火侧外壁管壁温度一般在500℃左右波动，其波动幅度为±50℃，不发生传热恶化的正常管子向火侧外壁管壁温度则在400℃左右，在一定的范围内波动管和正常管壁温具有相同的升降趋势，当壁温低于这一范围后，正常管壁温将保持不变。
运行工况对管壁温度的波动有很大的影响，较大的工质流速有利于减小壁温的波动。
SGl000直流锅炉没有外置过渡区，其过渡区处于炉膛中部，在进入过渡区时，将出现传热恶化（偏离核沸腾DNB），导致α2大幅度降低，管壁温度大幅度升高；过渡区的传热恶化(偏离核沸腾DNB)是不稳定的，聚集的汽泡和水膜的交替使管壁温度不断大幅波动。
SGl000直流锅炉过渡区位于水冷壁壁面热负荷很大的炉膛内，水冷壁管间节距与管内径之比大于3：l，其水冷壁管工质侧的热负荷会更大，导致过渡区内传热恶化(偏离核沸腾DNB)时，水冷壁管壁温度大幅度上升，且大幅度波动。
水冷壁管壁温度上升幅度大，波动幅度高，则水冷壁管壁向火侧的温度峰值相对于水冷壁管壁平均温度的差值大，水冷壁管壁向火侧的轴向热应力高，造成水冷壁管子向火侧横向裂纹失效。
3.传热恶化时水冷壁壁温的影响因素3.1 质量流速提高管内工质的质量流速，可以有效降低发生传热恶化时管壁温度上升的幅度，同时使此时的发生传热恶化的界限含汽率也有所增加。
3.2 热负荷受热面的热负荷越高，则发生传热恶化后所出现的壁温上升的幅度越大，同时开始传热恶化点和壁温峰值点都向含汽率较小的方向移动。
3.3 含汽率如传热恶化推迟到较高含汽率时发生，因为蒸汽量较大，流速较高，换热系数较高，发生传热恶化时管壁温度的上升幅度稍有降低。
3.4 压力压力越高，汽水密度差越小，传热恶化造成的壁温上升幅度越小。
有试验表明，在一定条件下，压力由14MPa增加到19MPa，发生传热恶化时管壁温度的上升幅度约降低4.5倍。
第二节直流锅炉的水动力不稳定性1.超临界压力汽水的特性在临界压力以下时，从水被加热到过热蒸汽的形成，整个过程可以分为三个阶段。
即加热，蒸发和过热。
因此在直流锅炉中，相应的受热面常称之加热段、蒸发段和过热段。
工质状态由未饱和水→饱和水→湿蒸汽→干饱和蒸汽→过热蒸汽。
随着压力的提高，水的饱和温度相应随之提高，汽化潜热减小，水和蒸汽的密度差也随之减小。
当压力提高到临界压力时，汽化潜热为零，汽和水的重度差也等于零。
水在压力22.56MPa下加热到374．15℃时，即全部汽化成蒸汽，该压力和温度称之为临界压力和临界温度(即相变点)。
超临界压力与临界压力时情况不同。
当水被加热到相应压力下的相变点温度时，即全部汽化。
因此，超临界压力下水变成蒸汽不再存在两相区。
