第二講 流體輸送單元的仿真設(shè)計

1、化工CAD基礎(chǔ) 第二講,Simulation Design for Fluid Transportation 流體輸送單元 的仿真設(shè)計,流體輸送模型的分類,泵Pump壓縮機Compr多級壓縮機MCompr閥門Valve管道Pipe管線Pipeline,在ASPEN Plus中流體輸送單元歸屬壓力改變器 (Pressure Changers)類別，共六種模型：,流體輸送

2、模型的分類（2）,,Pump 泵模型,1、泵（Pump)2、水輪機（Hydraulic Turbine),Pump 模型用于模擬泵和水輪機兩種單元設(shè)備,Pump 泵模型 （2）,Pump —— 連接,Pump 模型的連接圖如下：,Pump —— 模型參數(shù),Pump 模型有五種工作方式：指定模型參數(shù) 計算結(jié)果參數(shù),排出壓力所需（產(chǎn)）功率壓力增量所需（產(chǎn)）功率壓力比率所需（產(chǎn)）功率所需（產(chǎn)）功率排出壓力特性曲線

3、所需（產(chǎn)）功率,Pump —— 模型參數(shù)（2）,最簡單的用法是指定出口壓力(Discharge pressure)，并給定泵的水力學效率(Pump Efficiency)和驅(qū)動機效率(Driver Efficiency)，計算得到出口流體狀態(tài)和所需的軸功率和驅(qū)動機電功率。,Pump —— 模型參數(shù)（3）,Pump —— 特性曲線,標準的設(shè)計方法是使用泵特性曲線(Performance curve)。特性曲線有三種輸入方式：,列表數(shù)據(jù)

4、Tabular Data多項式Polynomials用戶子程序User Subroutines,列表數(shù)據(jù)是最常用的輸入方式。,Pump —— 特性曲線（2）,Pump —— 特性曲線（3）,首先選擇特性曲線的單位：,Pump —— 特性曲線（4）,然后選擇特性曲線的數(shù)目，有三個選項：1、操作轉(zhuǎn)速下的單根曲線 Single cueve at operating speed；2、參考轉(zhuǎn)速下的單根曲線

5、 Single curve at reference speed；3、不同轉(zhuǎn)速下的多條曲線 Mutiple curves at different speeds .,Pump —— 特性曲線（5）,Pump —— 特性曲線（6）,在Curve Data表單中輸入具體數(shù)據(jù)：1、特性曲線變量的單位 Units of curve variables；2、每根曲線特性數(shù)據(jù)表 如 Head vs.

6、flow tables；3、每根曲線的對應(yīng)轉(zhuǎn)速 Curve speeds；,Pump —— 特性曲線（7）,Pump —— 特性曲線（8）,在Efficiencies表單輸入效率數(shù)據(jù)：,Pump —— 特性曲線（9）,當泵的操作轉(zhuǎn)速與特性曲線的轉(zhuǎn)速不同時，還要輸入操作轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)：,Pump — Q~NPSHR 表,設(shè)計泵的安裝位置時，應(yīng)核算“必需汽蝕余量” NPSHR Net Positive Suction He

7、ad Required,其中：Hs 為允許吸上真空度,Pump — Q~NPSHR 表（2）,在NPSHR表單中輸入NPSHR數(shù)據(jù),Pump —— NPSHA,根據(jù)安裝和流動情況可以算出泵進口處的“有效汽蝕余量” NPSHA Net Positive Suction Head Available在實際使用條件下，選擇的泵應(yīng)該滿足,Pump —— 結(jié)果查看,從數(shù)據(jù)瀏覽器的Pump對象下選擇Results查看結(jié)果,Pump — 示例

8、 1,一水泵將壓強為 1.5 bar 的水加壓到 6 bar，水的溫度為 25 ?C，流量為 100 m3/h。泵的效率為 0.68，驅(qū)動電機的效率為 0.95。求：泵提供給流體的功率、泵所需要的軸功率、以及電機消耗的電功率各是多少？,Pump — 示例 2,,一離心泵輸送流量為 100 m3/hr 的水，水的壓強為 1.5 bar，溫度為 25 ?C。泵的特性曲線如下：流量（m3/hr） 70.0 90

9、.0 109.0 120.0揚程（m） 59.0 54.2 47.8 43.0效率（%） 64.5 69.0 69.0 66.0求： 泵的出口壓力、提供給流體的功率、泵所需要的軸 功率各是多少？,Compr 壓縮機模

10、型,多變離心壓縮機（Polytropic Centrifugal Compressor)多變正排量壓縮機（Polytropic Positive Displacement Compressor)等熵壓縮機（Isentropic Compressor)等熵汽輪機（Isentropic Turbine),Compr 模型用于模擬四種單元設(shè)備,Compr 壓縮機模型（2）,Compr——連接,Compr 模型的連接圖如下：,Comp

11、r—— 計算模型,Compr 模塊提供八種計算模型：,標準等熵模型 IsentropicASME等熵模型 Isentropic using ASME methodGPSA等熵模型 Isentropic using GPSA methodASME多變模型 Polytropic using ASME methodGPSA多變模型 Polytropic using GPSA method分片積分多變模型 Polyt

12、ropic using piecewise integration正排量模型 Positive displacement分片積分正排量模型 Positive displacement using piecewise integration,Compr——

13、計算模型（2）,Compr—— 模型參數(shù),Compr 模型有五種工作方式：指定模型參數(shù) 計算結(jié)果參數(shù),排出壓力所需（產(chǎn)）功率壓力增量所需（產(chǎn)）功率壓力比率所需（產(chǎn)）功率制動馬力排出壓力特性曲線所需（產(chǎn)）功率,Compr——模型參數(shù)(2),1、等熵效率Isentropic Efficiency 對于壓縮機 對于汽輪機,Compr—— 效率 （1）,Compr 模型有三種效率：,

14、Compr—— 效率（2）,2、多變效率Polytropic Efficiency,3、機械效率Mechanical Efficiency 壓縮機 汽輪機,Compr—— 效率（3）,Compr—— 效率（4）,Compr—— 特性曲線,壓縮機也用特性曲線表征其工作性能。特性曲線有四種輸入方式：,列表數(shù)據(jù)Tabular Data多項式Polynomials擴展多項式Extended Polynom

15、ials用戶子程序User Subroutines,列表數(shù)據(jù)是常用的輸入方式。,Compr——特性曲線（2）,Compr —— 結(jié)果查看,從數(shù)據(jù)瀏覽器的Compr對象下選擇Results查看結(jié)果,Compr—— 示例 1,一壓縮機將壓強為 1.1 bar 的空氣加壓到 3.3 bar，空氣的溫度為 25 ?C，流量為 1000 m3/h。壓縮機的多變效率為 0.71，驅(qū)動機構(gòu)的機械效率為 0.97。求：壓縮機所需要的軸功率、驅(qū)動機的

16、功率以及空氣的出口溫度和體積流量各是多少？,Compr—— 示例 2,,一汽輪機用壓強為 35 bar、溫度為 435 ?C的過熱水蒸汽為工作介質(zhì)，汽輪機的背壓為 10 bar，蒸汽的流量為 10000 kg/h。汽輪機的等熵效率為 0.8，驅(qū)動機構(gòu)的機械效率為 0.98。求：汽輪機所提供的機械功率以及蒸汽的出口溫度和體積流量各是多少？,MCompr 多級壓縮機模型,多級多變壓縮機 （Multi-stage Polytropic C

17、ompressor)多級多變正排量壓縮機 （Multi-stage Polytropic Positive Displacement Compressor)多級等熵壓縮機（Multi-stage Isentropic Compressor)多級等熵渦輪機（Multi-stage Isentropic Turbine),MCompr 模型用于模擬四種單元設(shè)備,MCompr 多級壓縮機模型（2）,MCompr—— 連接 (1),MC

18、ompr 模型的外部連接圖如下：,MCompr——連接 (2),MCompr 模型的內(nèi)部連接圖如下：,MCompr—— 模型參數(shù),MCompr 的模型參數(shù)有級數(shù) (Number of stages) 指定壓縮機的級數(shù)。壓縮機模型 (Compressor model) 有六種計算模型供選用。設(shè)定方式 (Specification type) 指定壓縮機的工作方式。,MCompr——模型參數(shù)（2

19、）,設(shè)定方式與Compr模塊有所不同：指定末級排出壓力 (Fix discharge pressure from last stage )指定每級排出條件 (Fix discharge conditions from each stage)用特性曲線確定排出條件 (Use performance curves to determine discharge cond

20、itions),MCompr——模型參數(shù)（3）,MCompr—— 特性曲線(1),多級壓縮機特性曲線有三種輸入方式：,列表數(shù)據(jù)Tabular Data多項式Polynomials用戶子程序User Subroutines,MCompr—— 特性曲線(2),可以提供多張?zhí)匦郧€表(Maps)，每張表又可以有多條特性曲線。多級壓縮機的每一級可以有多個葉輪(wheels)，可以為每個葉輪選用不同的特性曲線表、葉輪直徑和比例因子(s

21、caling factors),,Valve —— 閥門模型,閥門模型用來調(diào)節(jié)流體流經(jīng)管路時的壓降。,Valve —— 連接,Valve —— 計算類型,閥門模型有三種應(yīng)用方式（計算類型）絕熱閃蒸到指定出口壓力 Adiabatic flash for specified outlet pressure2. 對指定出口壓力計算閥門流量系數(shù) Calculate valve flow coefficient for spe

22、cified outlet pressure3. 對指定閥門計算出口壓力(核算方式) Calculate outlet pressure for specified valve,Valve——計算類型（2）,Valve —— 閥門參數(shù),閥門類型 (Valve type)：截止閥 (Global)、 球閥 (Ball)、蝶閥(Butterfly)廠家(Manufacturer)：Nel

23、es-Jamesbury系列/規(guī)格 (Series/Style): 線性流量 (linear flow)、等百分比流量 (equal percent flow)尺寸 (Size)：公稱直徑,運用核算方式時，需輸入以下參數(shù)：,Valve——閥門參數(shù)（2）,Valve——閥門參數(shù)（3）,以及閥門開度(Opening)：,Valve —— 計算選項,檢查阻塞流動 Check for choked flow

24、計算空泡系數(shù) Calculate cavitation index設(shè)置最小出口壓力等于阻塞壓力 Minimum outlet pressure: Set equal to choked outlet pressure,計算閥門小開度狀態(tài)時計算選項的設(shè)置很重要,Valve——計算選項（2）,Valve —— 結(jié)果查看,從數(shù)據(jù)瀏覽器的Valve對象下選

25、擇Results查看結(jié)果,Valve —— 示例 1,,水的溫度為 30 ?C，壓強為 6 bar，流量為 150 m3/h ，流經(jīng)一公稱通徑為 8 英寸的截止閥。閥門的規(guī)格為V500系列的線性流量閥，閥門的開度為 20%。求：閥門出口的水壓強是多少？,Pipe —— 管段模型,管段模型計算等直徑、等坡度的一段管道的壓降和傳熱量。,Pipe —— 管段模型（2）,管道參數(shù)表單： Pipe parameters長度 L

26、ength直徑 Diameter 內(nèi)徑/管道規(guī)格表提升 Elevation 高度/上升角粗糙度 Roughness,Pipe —— 管段參數(shù),Pipe —— 管段參數(shù) （2）,熱參數(shù)設(shè)定表單 Thermal specification 恒溫 Constant temperature 線性溫度剖型 Linear temperature profile

27、絕熱（零熱負荷） Adiabatic (zero duty) 熱衡算 Perform energy balance,Pipe —— 熱參數(shù)設(shè)定,Pipe —— 熱參數(shù)設(shè)定（2）,管件參數(shù)表單 Fittings 連接方式： Connection type 法蘭連接/焊接 Flanged/Welded，螺紋連接 Screwed 管件數(shù)量： Number of fittings 閘閥 Gate val

28、ves，蝶閥 Butterfly valves 90度肘管 Large 90 degree elbows， 直行三通 Straight tees，旁路三通 Branched tees 其余當量長度： Miscellaneous L/D,Pipe —— 管件參數(shù),Pipe —— 結(jié)果查看,從數(shù)據(jù)瀏覽器的Pipe對象下選擇Results查看結(jié)果,Pipe —— 結(jié)果查看（2）,計算結(jié)果還包括流體狀態(tài)沿管長的分布剖形(Pr

29、ofiles),Pipe —— 示例 1,,流量為 5000 kg/h，壓強為 7 bar的飽和水蒸汽流經(jīng) ?108?4 的管道。管道長 20 m，出口比進口高 5 m，粗糙度為 0.05 mm。管道采用法蘭連接，安裝有閘閥 1 個，90? 肘管 2 個。環(huán)境溫度為 20 ?C，傳熱系數(shù)為 20 W/m2?K。求：出口處蒸汽的壓強、溫度和含水率，以及管道的熱損失各是多少？,Pipeline —— 管線模型,管線模型計算由多段管道串聯(lián)組成

30、的一條管線的壓降。,Pipeline——管線模型（2）,在結(jié)構(gòu)表單(Configuration)中輸入以下參數(shù) 計算方向 Calculation direction 管段幾何 Segment geometry 熱選項 Thermal options 物性計算 Property calculations 流動基準 Pipeline flow basis,Pipelin

31、e —— 管線參數(shù)1,Pipeline——管線參數(shù)1（2）,連接狀態(tài)表單： Connectivity 在彈出的管段數(shù)據(jù)(Segment data)對話框中逐段輸入每一管段的長度、角度、直徑、粗糙度，或者節(jié)點坐標(Node coordinates)、直徑、粗糙度。,Pipeline——管線參數(shù)2,Pipeline—管線參數(shù)2（2）,Pipeline—管線參數(shù)2（3）,完成后的表單如下：,Pipeline —— 結(jié)果查

32、看,從數(shù)據(jù)瀏覽器的Pipeline對象下選擇Results查看結(jié)果,Pipeline —— 結(jié)果查看 (2),Pipeline的Profiles給出了每個節(jié)點處的結(jié)果,Pipeline — 示例 1,流量為 100 m3/h，溫度為 50 ?C，壓強為 5 bar的水流經(jīng) ?108?4 的管線。管線首先向東延伸 5 m，再向北 5 m，再向東 10 m，再向南 5 m，然后升高 10 m，再向東 5 m。管內(nèi)壁粗糙度為 0.05 mm。

33、 求：管線出口處的壓強是多少？,Design Specification —— 設(shè)計規(guī)定,從以上示例我們了解到：ASPEN Plus是根據(jù)我們輸入的過程參數(shù)(如進料流股和模型參數(shù))計算結(jié)果數(shù)據(jù)(如非進料流股和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù))。進行過程設(shè)計時，常常希望確定某個過程參數(shù)的特定值從而使某個結(jié)果數(shù)據(jù)達到給定值。對于這類應(yīng)用需求， ASPEN Plus提供了設(shè)計規(guī)定(Design Spec)工具。設(shè)計規(guī)定從數(shù)據(jù)瀏覽器的左側(cè)目錄欄中進入。,D

34、esign Specification —— 設(shè)計規(guī)定（2）,設(shè)計規(guī)定是流程選項(Flowsheeting Options)下屬的對象,Design Specification —— 設(shè)計規(guī)定（3）,創(chuàng)建設(shè)計規(guī)定對象時，按以下步驟操作：1、從數(shù)據(jù)瀏覽器右側(cè)的對象管理器(Object Manager)中點擊新建(New)按鈕；2、在彈出對話框中為新對象指定一個辨識號(ID)；3、在定義(Define)表單中點擊新建(New)

35、 按鈕，創(chuàng)建設(shè)計規(guī)定對象所需的變量；4、在彈出對話框中輸入新變量的變量名(Variable name)；5、在變量定義(Variable Definition)對話框中的下拉式選擇框中選擇變量的類別(Category)、類型(Type)、流股(Stream)或模塊(Block)代號，并指定具體變量(Variable)。,Design Specification —— 設(shè)計規(guī)定（4）,步驟1和步驟2：,Design Specifi

36、cation —— 設(shè)計規(guī)定（5）,步驟3和步驟4：,Design Specification —— 設(shè)計規(guī)定（6）,步驟5：,Design Specification —— 設(shè)計規(guī)定（7）,步驟6：在規(guī)定(Spec)表單中輸入規(guī)定表達式(Spec)、目標值(Target)和計算容差(Tolerance)。,Design Specification —— 設(shè)計規(guī)定（8）,步驟7：在變化(Vary)表單中輸入調(diào)節(jié)變量(Ma

37、nupulated variable)的類型、名稱和具體變量(variable),并指定體調(diào)節(jié)上、下限(Upper/Lower limits)。,Design Specification —— 設(shè)計規(guī)定（9）,規(guī)定變量的實現(xiàn)情況可以從Design Spec對象的Results表單中查看,Design Specification —— 設(shè)計規(guī)定（10）,調(diào)節(jié)變量的迭代過程則從相應(yīng)的收斂對象(Convergence)的Spec His