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(chǔ)橋，沈英靜，李 闖，魏 燦

（中國船舶集團(tuán)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(gè)領(lǐng)域。但在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中，水電解制氫設(shè)備的氣液出口存在嚴(yán)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(yán)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(dòng)加速腐蝕的機(jī)理進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)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(jī)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(jìn)行沖蝕磨損的三維數(shù)值模擬研究，詳細(xì)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(jī)葉材在實(shí)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(jìn)后兩種情況下的氣液流動(dòng)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(jì)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(gè)計(jì)算區(qū)域使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)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(gè)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(jì)算模型及邊界條件

仿真過程使用標(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?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(shí)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(yán)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(shí)，在相同的時(shí)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?yàn)樵跉庖和ǖ纼?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(shí)際運(yùn)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?yàn)楫?dāng)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(jìn)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(jì)算結(jié)果可以為設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供參考。

圖2 速度云圖

5 結(jié)論

通過仿真計(jì)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(dòng)對設(shè)備的沖蝕作用。