水電解制氫設備出口沖蝕磨損現象的數值模擬研究

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、環保的制氫方法，目前廣泛應用在各個領域。但在設備實際運行中，水電解制氫設備的氣液出口存在嚴重的沖蝕磨損現象，且隨著設備產氣量的增大，磨蝕現象變得更嚴重，這限制了水電解制氫設備向大產氣量的方向發展。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值模擬，得到了幾何參數、入口速度、顆粒性質、放置方向等對沖蝕的影響規律，提出了典型管件預防沖蝕的有效措施。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測方法，再通過該方法研究管道結構參數和工況參數對沖蝕磨損率及沖蝕磨損位置的影響。申鵬飛[4]采用數值模擬方法利用 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值模擬研究，詳細地分析了水煤漿管道的沖蝕磨損規律，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電解槽氫氣氣液通道結構和通道結構改進后兩種情況下的氣液流動狀態，探討了氣液出口結構對沖蝕磨損的影響。

2 幾何建模及網格劃分

本文的研究對象是10m3水電解制氫設備，計算主體區域是電解槽堿液通道、電解小室和氣液流道。整個計算區域使用結構化網格進行劃分。KOH 溶液通過堿液入口流入電解槽內后，流經堿液通道，依次流入各個電解小室。水在電解小室內發生化學反應，在陰極側生成氫氣，在陽極側生成氧氣。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溶液質量分數為30%，密度為1290.5kg/m3。系統工作壓力為3.2MPa，工作溫度為85～90℃。氫氣產量為10m3，氧氣產量為5m3，堿液循環量0.5m3/h。

4 結果分析

通過觀察設備的實際使用情況發現，電解槽向上的出口在靠近中軸線的一側的位置，沖蝕較為嚴重且形狀呈半圓形，研究發現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，在轉彎處，流體的速度變化較大，流經轉彎處時，在相同的時間內流體流經管道內壁的路程較短，所以其速度相對大于外側的速度，因此管道內側的沖蝕現象尤為明顯。又因為在氣液通道內，在靠近中軸線一側的速度最大，所以管道的沖蝕主要發生在靠近中軸線一側，并呈半圓形，這與設備在實際運行過程中產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，與之前的結構相比，在轉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，轉彎處的轉角變大，減少了流體轉彎的角度，減少了內外兩側流體的路程差，進而降低了內外兩側流體的速度之差，改善了轉彎處流體對設備的沖蝕。模擬計算結果可以為設備結構的改進提供參考。

圖2 速度云圖

5 結論

通過仿真計算結果可知，改變流道的結構，減少流體轉彎的角度，可以減緩流動對設備的沖蝕作用。