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1、化工设计软件 第二讲,Simulation Design for Fluid Transportation 流体输送单元 的仿真设计,流体输送模型的分类,泵Pump压缩机Compr多级压缩机MCompr阀门Valve管道Pipe管线Pipeline,在ASPEN Plus中流体输送单元归属压力改变器(Pressure Changers)类别，共六种模型：,流体输送模型的分类（2）,Pump 泵模型,1、泵（Pump)2、水轮机（Hydraulic Turbine),Pump 模型用于模拟泵和水轮机两种单元设备,Pump 泵模型（2）,Pump 连接,Pump 模型的连接图如下：,Pump 模型
2、参数,Pump 模型有五种工作方式：指定模型参数 计算结果参数,排出压力所需（产）功率压力增量所需（产）功率压力比率所需（产）功率所需（产）功率排出压力特性曲线所需（产）功率,Pump 模型参数（2）,最简单的用法是指定出口压力(Discharge pressure)，并给定泵的水力学效率(Pump Efficiency)和驱动机效率(Driver Efficiency)，计算得到出口流体状态和所需的轴功率和驱动机电功率。,Pump 模型参数（3）,Pump 特性曲线,标准的设计方法是使用泵特性曲线(Performance curve)。特性曲线有三种输入方式：,列表数据Tabular Dat
3、a多项式Polynomials用户子程序User Subroutines,列表数据是最常用的输入方式。,Pump 特性曲线（2）,Pump 特性曲线（3）,首先选择特性曲线的单位：,Pump 特性曲线（4）,然后选择特性曲线的数目，有三个选项：1、操作转速下的单根曲线 Single cueve at operating speed；2、参考转速下的单根曲线 Single curve at reference speed；3、不同转速下的多条曲线 Mutiple curves at different speeds.,Pump 特性曲线（5）,Pump 特性曲线（6）,在Curve Data表单
4、中输入具体数据：1、特性曲线变量的单位 Units of curve variables；2、每根曲线特性数据表 如 Head vs.flow tables；3、每根曲线的对应转速 Curve speeds；,Pump 特性曲线（7）,Pump 特性曲线（8）,在Efficiencies表单输入效率数据：,Pump 特性曲线（9）,当泵的操作转速与特性曲线的转速不同时，还要输入操作转速数据：,Pump QNPSHR 表,设计泵的安装位置时，应核算“必需汽蚀余量”NPSHR Net Positive Suction Head Required,其中：Hs 为允许吸上真空度,Pump QNPSHR
5、 表（2）,在NPSHR表单中输入NPSHR数据,Pump NPSHA,根据安装和流动情况可以算出泵进口处的“有效汽蚀余量”NPSHA Net Positive Suction Head Available在实际使用条件下，选择的泵应该满足,Pump 结果查看,从数据浏览器的Pump对象下选择Results查看结果,Pump 示例 1,一水泵将压强为 1.5 bar 的水加压到 6 bar，水的温度为 25 C，流量为 100 m3/h。泵的效率为 0.68，驱动电机的效率为 0.95。求：泵提供给流体的功率、泵所需要的轴功率、以及电机消耗的电功率各是多少？,Pump 示例 2,一离心泵输送流
6、量为 100 m3/hr 的水，水的压强为 1.5 bar，温度为 25 C。泵的特性曲线如下：流量（m3/hr）70.0 90.0 109.0 120.0扬程（m）59.0 54.2 47.8 43.0效率（%）64.5 69.0 69.0 66.0求：泵的出口压力、提供给流体的功率、泵所需要的轴 功率各是多少？,Compr 压缩机模型,多变离心压缩机（Polytropic Centrifugal Compressor)多变正排量压缩机（Polytropic Positive Displacement Compressor)等熵压缩机（Isentropic Compressor)等熵汽轮机（
7、Isentropic Turbine),Compr 模型用于模拟四种单元设备,Compr 压缩机模型（2）,Compr连接,Compr 模型的连接图如下：,Compr 计算模型,Compr 模块提供八种计算模型：,标准等熵模型 IsentropicASME等熵模型 Isentropic using ASME methodGPSA等熵模型 Isentropic using GPSA methodASME多变模型 Polytropic using ASME methodGPSA多变模型 Polytropic using GPSA method分片积分多变模型 Polytropic using pi
8、ecewise integration正排量模型 Positive displacement分片积分正排量模型 Positive displacement using piecewise integration,Compr计算模型（2）,Compr 模型参数,Compr 模型有五种工作方式：指定模型参数 计算结果参数,排出压力所需（产）功率压力增量所需（产）功率压力比率所需（产）功率制动马力排出压力特性曲线所需（产）功率,Compr模型参数(2),1、等熵效率Isentropic Efficiency 对于压缩机 对于汽轮机,Compr 效率（1）,Compr 模型有三种效率：,Compr 效
9、率（2）,2、多变效率Polytropic Efficiency,3、机械效率Mechanical Efficiency 压缩机 汽轮机,Compr 效率（3）,Compr 效率（4）,Compr 特性曲线,压缩机也用特性曲线表征其工序哦性能。特性曲线有四种输入方式：,列表数据Tabular Data多项式Polynomials扩展多项式Extended Polynomials用户子程序User Subroutines,列表数据是常用的输入方式。,Compr特性曲线（2）,Compr 结果查看,从数据浏览器的Compr对象下选择Results查看结果,Compr 示例 1,一压缩机将压强为 1
10、.1 bar 的空气加压到 3.3 bar，空气的温度为 25 C，流量为 1000 m3/h。压缩机的多变效率为 0.71，驱动机构的机械效率为 0.97。求：压缩机所需要的轴功率、驱动机的功率以及空气的出口温度和体积流量各是多少？,Compr 示例 2,一汽轮机用压强为 35 bar、温度为 435 C的过热水蒸汽为工作介质，汽轮机的背压为 10 bar，蒸汽的流量为 10000 kg/h。汽轮机的等熵效率为 0.8，驱动机构的机械效率为 0.98。求：汽轮机所提供的机械功率以及蒸汽的出口温度和体积流量各是多少？,MCompr 多级压缩机模型,多级多变压缩机（Multi-stage Pol
11、ytropic Compressor)多级多变正排量压缩机（Multi-stage Polytropic Positive Displacement Compressor)多级等熵压缩机（Multi-stage Isentropic Compressor)多级等熵涡轮机（Multi-stage Isentropic Turbine),MCompr 模型用于模拟四种单元设备,MCompr 多级压缩机模型（2）,MCompr 连接(1),MCompr 模型的外部连接图如下：,MCompr连接(2),MCompr 模型的内部连接图如下：,MCompr 模型参数,MCompr 的模型参数有级数(Num
12、ber of stages)指定压缩机的级数。压缩机模型(Compressor model)有六种计算模型供选用。设定方式(Specification type)指定压缩机的工作方式。,MCompr模型参数（2）,设定方式与Compr模块有所不同：指定末级排出压力(Fix discharge pressure from last stage)指定每级排出条件(Fix discharge conditions from each stage)用特性曲线确定排出条件(Use performance curves to determine discharge conditions),MCompr模型
13、参数（3）,MCompr 特性曲线(1),多级压缩机特性曲线有三种输入方式：,列表数据Tabular Data多项式Polynomials用户子程序User Subroutines,MCompr 特性曲线(2),可以提供多张特性曲线表(Maps)，每张表又可以有多条特性曲线。多级压缩机的每一级可以有多个叶轮(wheels)，可以为每个叶轮选用不同的特性曲线表、叶轮直径和比例因子(scaling factors),Valve 阀门模型,阀门模型用来调节流体流经管路时的压降。,Valve 连接,Valve 计算类型,阀门模型有三种应用方式（计算类型）绝热闪蒸到指定出口压力 Adiabatic fl
14、ash for specified outlet pressure2.对指定出口压力计算阀门流量系数 Calculate valve flow coefficient for specified outlet pressure3.对指定阀门计算出口压力(核算方式)Calculate outlet pressure for specified valve,Valve计算类型（2）,Valve 阀门参数,阀门类型(Valve type)：截止阀(Global)、球阀(Ball)、蝶阀(Butterfly)厂家(Manufacturer)：Neles-Jamesbury系列/规格(Series/St
15、yle):线性流量(linear flow)、等百分比流量(equal percent flow)尺寸(Size)：公称直径,运用核算方式时，需输入以下参数：,Valve阀门参数（2）,Valve阀门参数（3）,以及阀门开度(Opening)：,Valve 计算选项,检查阻塞流动 Check for choked flow计算空泡系数 Calculate cavitation index设置最小出口压力等于阻塞压力 Minimum outlet pressure:Set equal to choked outlet pressure,计算阀门小开度状态时计算选项的设置很重要,Valve计算选项
16、（2）,Valve 结果查看,从数据浏览器的Valve对象下选择Results查看结果,Valve 示例 1,水的温度为 30 C，压强为 6 bar，流量为 150 m3/h，流经一公称通径为 8 英寸的截止阀。阀门的规格为V500系列的线性流量阀，阀门的开度为 20%。求：阀门出口的水压强是多少？,Pipe 管段模型,管段模型计算等直径、等坡度的一段管道的压降和传热量。,Pipe 管段模型（2）,管道参数表单：Pipe parameters长度 Length直径 Diameter 内径/管道规格表提升 Elevation 高度/上升角粗糙度 Roughness,Pipe 管段参数,Pipe
17、 管段参数（2）,热参数设定表单 Thermal specification 恒温 Constant temperature 线性温度剖型 Linear temperature profile 绝热（零热负荷）Adiabatic(zero duty)热衡算 Perform energy balance,Pipe 热参数设定,Pipe 热参数设定（2）,管件参数表单 Fittings 连接方式：Connection type 法兰连接/焊接 Flanged/Welded，螺纹连接 Screwed 管件数量：Number of fittings 闸阀 Gate valves，蝶阀 Butterfl
18、y valves 90度肘管 Large 90 degree elbows，直行三通 Straight tees，旁路三通 Branched tees 其余当量长度：Miscellaneous L/D,Pipe 管件参数,Pipe 结果查看,从数据浏览器的Pipe对象下选择Results查看结果,Pipe 结果查看（2）,计算结果还包括流体状态沿管长的分布剖形(Profiles),Pipe 示例 1,流量为 5000 kg/h，压强为 7 bar的饱和水蒸汽流经 1084 的管道。管道长 20 m，出口比进口高 5 m，粗糙度为 0.05 mm。管道采用法兰连接，安装有闸阀 1 个，90 肘管
19、 2 个。环境温度为 20 C，传热系数为 20 W/m2K。求：出口处蒸汽的压强、温度和含水率，以及管道的热损失各是多少？,Pipeline 管线模型,管线模型计算由多段管道串联组成的一条管线的压降。,Pipeline管线模型（2）,在结构表单(Configuration)中输入以下参数 计算方向 Calculation direction 管段几何 Segment geometry 热选项 Thermal options 物性计算 Property calculations 流动基准 Pipeline flow basis,Pipeline 管线参数1,Pipeline管线参数1（2）,连
20、接状态表单：Connectivity 在弹出的管段数据(Segment data)对话框中逐段输入每一管段的长度、角度、直径、粗糙度，或者节点坐标(Node coordinates)、直径、粗糙度。,Pipeline管线参数2,Pipeline管线参数2（2）,Pipeline管线参数2（3）,完成后的表单如下：,Pipeline 结果查看,从数据浏览器的Pipeline对象下选择Results查看结果,Pipeline 结果查看(2),Pipeline的Profiles给出了每个节点处的结果,Pipeline 示例 1,流量为 100 m3/h，温度为 50 C，压强为 5 bar的水流经
21、1084 的管线。管线首先向东延伸 5 m，再向北 5 m，再向东 10 m，再向南 5 m，然后升高 10 m，再向东 5 m。管内壁粗糙度为 0.05 mm。求：管线出口处的压强是多少？,Design Specification 设计规定,从以上示例我们了解到：ASPEN Plus是根据我们输入的过程参数(如进料流股和模型参数)计算结果数据(如非进料流股和设备状态数据)。进行过程设计时，常常希望确定某个过程参数的特定值从而使某个结果数据达到给定值。对于这类应用需求，ASPEN Plus提供了设计规定(Design Spec)工具。设计规定从数据浏览器的左侧目录栏中进入。,Design Sp
22、ecification 设计规定（2）,设计规定是流程选项(Flowsheeting Options)下属的对象,Design Specification 设计规定（3）,创建设计规定对象时，按以下步骤操作：1、从数据浏览器右侧的对象管理器(Object Manager)中点击新建(New)按钮；2、在弹出对话框中为新对象指定一个辨识号(ID)；3、在定义(Define)表单中点击新建(New)按钮，创建设计规定对象所需的变量；4、在弹出对话框中输入新变量的变量名(Variable name)；5、在变量定义(Variable Definition)对话框中的下拉式选择框中选择变量的类别(Ca
23、tegory)、类型(Type)、流股(Stream)或模块(Block)代号，并指定具体变量(Variable)。,Design Specification 设计规定（4）,步骤1和步骤2：,Design Specification 设计规定（5）,步骤3和步骤4：,Design Specification 设计规定（6）,步骤5：,Design Specification 设计规定（7）,步骤6：在规定(Spec)表单中输入规定表达式(Spec)、目标值(Target)和计算容差(Tolerance)。,Design Specification 设计规定（8）,步骤7：在变化(Vary)表
24、单中输入调节变量(Manupulated variable)的类型、名称和具体变量(variable),并指定体调节上、下限(Upper/Lower limits)。,Design Specification 设计规定（9）,规定变量的实现情况可以从Design Spec对象的Results表单中查看,Design Specification 设计规定（10）,调节变量的迭代过程则从相应的收敛对象(Convergence)的Spec Histroy表单中查看,Pipeline 示例 2,温度为 50 C，压强为 5 bar的水流经 1084 的管线。管线首先向东延伸 5 m，再向北 5 m，再向东 10 m，再向南 5 m，然后升高 10 m，再向东 5 m。管内壁粗糙度为 0.05 mm。如果管线出口处的压强为 3 bar，流过管线的水流量是多少？,
