水電解制氫設(shè)備出口沖蝕磨損現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究

肖 寵，張儲橋，沈英靜，李 闖，魏 燦

（中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北邯鄲 056500）

1 研究背景

水電解制氫是一種安全、環(huán)保的制氫方法，目前廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。但在設(shè)備實際運行中，水電解制氫設(shè)備的氣液出口存在嚴重的沖蝕磨損現(xiàn)象，且隨著設(shè)備產(chǎn)氣量的增大，磨蝕現(xiàn)象變得更嚴重，這限制了水電解制氫設(shè)備向大產(chǎn)氣量的方向發(fā)展。茅俊杰[1]對流體中含離散氣泡對壁面的沖刷腐蝕影響和流動加速腐蝕的機理進行了研究。胡躍華[2]對彎管、異徑管、三通管、孔板等典型管件沖刷腐蝕進行了詳細的數(shù)值模擬，得到了幾何參數(shù)、入口速度、顆粒性質(zhì)、放置方向等對沖蝕的影響規(guī)律，提出了典型管件預(yù)防沖蝕的有效措施。邵東[3]研究了分離器底部出口管路中彎管部位受液-固兩相流的沖蝕磨損情況，針對煤液化管道彎管部位的沖蝕磨損問題，分析其沖蝕磨損的主要因素和沖蝕機理，建立煤液化管道沖蝕磨損預(yù)測方法，再通過該方法研究管道結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對沖蝕磨損率及沖蝕磨損位置的影響。申鵬飛[4]采用數(shù)值模擬方法利用 CFD 軟件，對水煤漿管輸過程中的 90°彎管、變徑管和三通管進行沖蝕磨損的三維數(shù)值模擬研究，詳細地分析了水煤漿管道的沖蝕磨損規(guī)律，得出了在不同沖蝕影響因素下的管道最大沖蝕磨損率的變化關(guān)系。任琪琛[5]建立了一種新的基于微切削和變形疲勞磨損的可用于高溫環(huán)境的葉材沖蝕率模型，研究了煙氣輪機葉材在實際工況下的沖蝕特性及沖蝕率。

本文分別模擬了常規(guī)電解槽氫氣氣液通道結(jié)構(gòu)和通道結(jié)構(gòu)改進后兩種情況下的氣液流動狀態(tài)，探討了氣液出口結(jié)構(gòu)對沖蝕磨損的影響。

2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

本文的研究對象是10m3水電解制氫設(shè)備，計算主體區(qū)域是電解槽堿液通道、電解小室和氣液流道。整個計算區(qū)域使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。KOH 溶液通過堿液入口流入電解槽內(nèi)后，流經(jīng)堿液通道，依次流入各個電解小室。水在電解小室內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在陰極側(cè)生成氫氣，在陽極側(cè)生成氧氣。然后堿液與氫氣由氫氣氣液通道流出，堿液與氧氣由氧氣氣液通道流出。

3 計算模型及邊界條件

仿真過程使用標準k-ε模型為湍流模型，使用歐拉模型為多相流模型。氫氣入口和堿液入口為速度入口，其中，氫氣入口速度為1.06663×10-5m/s，堿液入口速度為0.2448807m/s。氣液出口為壓力出口。KOH溶液質(zhì)量分數(shù)為30%，密度為1290.5kg/m3。系統(tǒng)工作壓力為3.2MPa，工作溫度為85～90℃。氫氣產(chǎn)量為10m3，氧氣產(chǎn)量為5m3，堿液循環(huán)量0.5m3/h。

4 結(jié)果分析

通過觀察設(shè)備的實際使用情況發(fā)現(xiàn)，電解槽向上的出口在靠近中軸線的一側(cè)的位置，沖蝕較為嚴重且形狀呈半圓形，研究發(fā)現(xiàn)這是由流體的沖蝕磨損造成的。通過對電解槽氣液出口流道內(nèi)的流場模擬，由z=0m 截面上的速度矢量分布圖（圖1，單位m/s）可以看出，在轉(zhuǎn)彎處，流體的速度變化較大，流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處時，在相同的時間內(nèi)流體流經(jīng)管道內(nèi)壁的路程較短，所以其速度相對大于外側(cè)的速度，因此管道內(nèi)側(cè)的沖蝕現(xiàn)象尤為明顯。又因為在氣液通道內(nèi)，在靠近中軸線一側(cè)的速度最大，所以管道的沖蝕主要發(fā)生在靠近中軸線一側(cè)，并呈半圓形，這與設(shè)備在實際運行過程中產(chǎn)生的磨損位置相吻合。

圖1 速度矢量分布圖

為了改善這種現(xiàn)象，將電解槽出口形狀改成錐形，由速度云圖（圖2，單位m/s）可見，與之前的結(jié)構(gòu)相比，在轉(zhuǎn)彎處流體的流速明顯下降。這是因為當出口形狀改成錐形后，轉(zhuǎn)彎處的轉(zhuǎn)角變大，減少了流體轉(zhuǎn)彎的角度，減少了內(nèi)外兩側(cè)流體的路程差，進而降低了內(nèi)外兩側(cè)流體的速度之差，改善了轉(zhuǎn)彎處流體對設(shè)備的沖蝕。模擬計算結(jié)果可以為設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進提供參考。

圖2 速度云圖

5 結(jié)論

通過仿真計算結(jié)果可知，改變流道的結(jié)構(gòu)，減少流體轉(zhuǎn)彎的角度，可以減緩流動對設(shè)備的沖蝕作用。