浙江大学化工设计课程第三讲流体输送单元的仿真设计(一)课件

CAPDCAPD基础基础 第三讲第三讲第三讲第三讲Simulation Design for Fluid Transportation 流体输送单元 的的仿真设计（一）流体输送模型的分类1.泵泵Pump2.压缩机压缩机Compr3.多级压缩机多级压缩机MCompr4.阀门阀门Valve5.管道管道Pipe6.管线管线Pipeline在在ASPEN PlusASPEN Plus中流体输送单元归属压力改变中流体输送单元归属压力改变器器(Pressure ChangersPressure Changers)类别，共六种模型：类别，共六种模型：流体输送模型的分类（2 2）Pump 泵模型1、泵泵（Pump)2、水轮机水轮机（Hydraulic Turbine)Pump 模型用于模拟泵和水模型用于模拟泵和水轮机两种单元设备轮机两种单元设备Pump 泵模型（2 2）Pump 连接Pump 模型的连接图如下：模型的连接图如下：Pump 模型参数 PumpPump 模型有五种工作方式：模型有五种工作方式：指定模型参数指定模型参数 计算计算结果参数参数排出压力排出压力所需（产）功率所需（产）功率压力增量压力增量所需（产）功率所需（产）功率压力比率压力比率所需（产）功率所需（产）功率所需（产）功率所需（产）功率排出压力排出压力特性曲线特性曲线所需（产）功率所需（产）功率Pump 模型参数（2）最最简简单单的的用用法法是是指指定定出出口口压压力力(Discharge pressure)，并并给给定定泵泵的的水水力力学学效效率率(Pump Efficiency)和和驱驱动动机机效效率率(Driver Efficiency)，计计算算得得到到出出口口流流体体状状态态和和所所需需的的轴轴功功率率和驱动机电功率。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标准的设计方法是使用泵特性曲线(Performance curve)。特性曲线有三有三种输入方式：种输入方式：列表数据列表数据Tabular Data多项式多项式Polynomials用户子程序用户子程序User Subroutines列表数据是最常用的输入方式。输入方式。Pump 特性曲线（2 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）在在Curve Data表单中输入具体数据表单中输入具体数据：1、特性曲线变量的单位、特性曲线变量的单位 Units of curve variables；2、每根曲线特性数据表、每根曲线特性数据表 如如 Head vs.flow tables；3、每根曲线的对应转速、每根曲线的对应转速 Curve speeds；Pump 特性曲线（7）Pump 特性曲线（8）在EfficienciesEfficiencies表单输入效率数据：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 特性曲线（10）用多项式表示特性曲线：Pump QNPSHR 表 设计泵的安装位置时，应核算设计泵的安装位置时，应核算“必必需汽蚀余量需汽蚀余量”NPSHR N Net et P Positive ositive S Suction uction HHead ead RRequiredequired其中：其中：Hs 为允许吸上真空度为允许吸上真空度Pump QNPSHR 表（2 2）在在NPSHR表单中输入表单中输入NPSHR数据数据Pump NPSHA根据安装和流动情况可以算出泵进口处根据安装和流动情况可以算出泵进口处的的“有效汽蚀余量有效汽蚀余量”NPSHA N Net et P Positive ositive S Suction uction HHead ead AAvailablevailable在实际使用条件下，选择的泵应该满足在实际使用条件下，选择的泵应该满足Pump 结果查看从数据浏览器的从数据浏览器的从数据浏览器的从数据浏览器的PumpPump对象下选择对象下选择对象下选择对象下选择ResultsResults查看结果查看结果查看结果查看结果Pump 示例 1 一水泵将压强为一水泵将压强为 1.5 bar 的水加压到的水加压到 6 bar，水的温度为，水的温度为 25 C，流量为流量为 100 m3/h。泵的效率为泵的效率为 0.68，驱动电机的效率为，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？率、以及电机消耗的电功率各是多少？Pump 示例 2 一离心泵输送流量为一离心泵输送流量为一离心泵输送流量为一离心泵输送流量为 100 m100 m3 3/hr/hr 的水，水的的水，水的的水，水的的水，水的压强为压强为压强为压强为 1.5 bar1.5 bar，温度为，温度为，温度为，温度为 25 25 C C。泵的特性曲线如下：。泵的特性曲线如下：。泵的特性曲线如下：。泵的特性曲线如下：流量（流量（流量（流量（mm3 3/hr/hr）70.0 90.0 109.0 120.070.0 90.0 109.0 120.0扬程（扬程（扬程（扬程（mm）59.0 54.2 47.8 43.059.0 54.2 47.8 43.0效率（效率（效率（效率（%）64.5 69.0 69.0 66.064.5 69.0 69.0 66.0求：求：求：求：泵的出口压力泵的出口压力泵的出口压力泵的出口压力、提供给流体的功率、泵所需要的轴提供给流体的功率、泵所需要的轴提供给流体的功率、泵所需要的轴提供给流体的功率、泵所需要的轴 功率各是多少？功率各是多少？功率各是多少？功率各是多少？Compr 压缩机模型1.多变离心压缩机多变离心压缩机（Polytropic Centrifugal Compressor)2.多变正排量压缩机多变正排量压缩机（Polytropic Positive Displacement Compressor)3.等熵压缩机等熵压缩机（Isentropic Compressor)4.等熵汽轮机等熵汽轮机（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ComprCompr 模块提供八种计算模型：模块提供八种计算模型：等熵模型等熵模型等熵模型等熵模型 Isentropic(Isentropic(Mollier-based methods)ASMEASME等熵模型等熵模型等熵模型等熵模型 Isentropic using ASME methodIsentropic using ASME methodGPSAGPSA等熵模型等熵模型等熵模型等熵模型 Isentropic using GPSA methodIsentropic using GPSA methodASMEASME多变模型多变模型多变模型多变模型 Polytropic using ASME methodPolytropic using ASME methodGPSAGPSA多变模型多变模型多变模型多变模型 Polytropic using GPSA methodPolytropic using GPSA method分片积分多变模型分片积分多变模型分片积分多变模型分片积分多变模型 Polytropic using piecewisePolytropic using piecewise integration integration正排量模型正排量模型正排量模型正排量模型 Positive displacementPositive displacement分片积分正排量模型分片积分正排量模型分片积分正排量模型分片积分正排量模型 Positive displacement usingPositive displacement using piecewise integration piecewise integrationCompr计算模型（2）Compr 模型参数 ComprCompr 模型有五种工作方式：模型有五种工作方式：指定模型参数指定模型参数 计算计算结果参数参数排出压力排出压力所需（产）功率所需（产）功率压力增量压力增量所需（产）功率所需（产）功率压力比率压力比率所需（产）功率所需（产）功率制动马力制动马力排出压力排出压力特性曲线特性曲线所需（产）功率所需（产）功率Compr模型参数(2)1、等熵效率、等熵效率Isentropic Efficiency 对于压缩机对于压缩机 对于汽轮机对于汽轮机Compr 效率（1）ComprCompr 模型有三种效率：模型有三种效率：Compr 效率（2）2、多变效率、多变效率Polytropic Efficiency3、机械效率、机械效率Mechanical Efficiency 压缩机压缩机 汽轮机汽轮机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作性能。特性曲线有四种输入方式：有四种输入方式：列表数据列表数据Tabular Data多项式多项式Polynomials扩展多项式扩展多项式Extended Polynomials用户子程序用户子程序User Subroutines列表数据是常用的输入方式。输入方式。Compr特性曲线（2）Compr特性曲线（3）用扩展多项式表示特性曲线用扩展多项式表示特性曲线用扩展多项式表示特性曲线用扩展多项式表示特性曲线:Compr 结果查看从数据浏览器的从数据浏览器的从数据浏览器的从数据浏览器的ComprCompr对象下选择对象下选择对象下选择对象下选择ResultsResults查看结果查看结果查看结果查看结果Compr 示例示例 1一压缩机将压强为一压缩机将压强为一压缩机将压强为一压缩机将压强为 1.1 bar1.1 bar 的空气加压到的空气加压到的空气加压到的空气加压到 3.3 3.3 barbar，空气的温度为，空气的温度为，空气的温度为，空气的温度为 25 25 C C，流量为流量为流量为流量为 1000 m1000 m3 3/h/h。压缩机压缩机压缩机压缩机的多变效率为的多变效率为的多变效率为的多变效率为 0.710.71，驱动机构的机械效，驱动机构的机械效，驱动机构的机械效，驱动机构的机械效率为率为率为率为 0.970.97。求：压缩机所需要的轴功率、驱动。求：压缩机所需要的轴功率、驱动。求：压缩机所需要的轴功率、驱动。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机的功率以及空气的出口温度和体积流量各是机的功率以及空气的出口温度和体积流量各是机的功率以及空气的出口温度和体积流量各是多少？多少？多少？多少？Compr 示例示例 2一汽轮机用压强为一汽轮机用压强为一汽轮机用压强为一汽轮机用压强为 35 bar35 bar、温度为、温度为、温度为、温度为 435 435 C C的过的过的过的过热水蒸汽为工作介质，汽轮机的背压为热水蒸汽为工作介质，汽轮机的背压为热水蒸汽为工作介质，汽轮机的背压为热水蒸汽为工作介质，汽轮机的背压为 10 bar10 bar，蒸汽的蒸汽的蒸汽的蒸汽的流量为流量为流量为流量为 10000 kg/h10000 kg/h。汽轮机汽轮机汽轮机汽轮机的等熵效率为的等熵效率为的等熵效率为的等熵效率为 0.80.8，驱动机构的机械效率为，驱动机构的机械效率为，驱动机构的机械效率为，驱动机构的机械效率为 0.980.98。求：求：求：求：汽轮汽轮汽轮汽轮机所提供的机械功率以及蒸汽的出口温机所提供的机械功率以及蒸汽的出口温机所提供的机械功率以及蒸汽的出口温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？度和体积流量各是多少？度和体积流量各是多少？度和体积流量各是多少？MCompr 多级压缩机模型1.多级多变压缩机多级多变压缩机多级多变压缩机多级多变压缩机 （Multi-stageMulti-stage Polytropic Polytropic Compressor)Compressor)2.多级多变正排量压缩机多级多变正排量压缩机多级多变正排量压缩机多级多变正排量压缩机 （Multi-stageMulti-stage Polytropic Polytropic Positive Displacement Compressor)Positive Displacement Compressor)3.多级等熵压缩机多级等熵压缩机多级等熵压缩机多级等熵压缩机（Multi-stageMulti-stage Isentropic Isentropic Compressor)Compressor)4.多级等熵涡轮机多级等熵涡轮机多级等熵涡轮机多级等熵涡轮机（Multi-stageMulti-stage Isentropic Turbine)Isentropic Turbine)MCompr 模型用于模拟四种单元设备MCompr 多级压缩机模型（2 2）MCompr 连接(1)MCompr 模型的外部连接图如下：MCompr连接(2)(2)MCompr 模型的内部连接图如下：MCompr 模型参数 MCompr 的模型参数有模型参数有级数级数(Number of stages)指定压缩机的级数。指定压缩机的级数。压缩机模型压缩机模型(Compressor model)有六种计算模型供选用。有六种计算模型供选用。设定方式设定方式(Specification type)指定压缩机的工作方式。指定压缩机的工作方式。MCompr模型参数（2）设定方式与设定方式与Compr模块有所不同：模块有所不同：指定末级排出压力指定末级排出压力 (Fix discharge pressure from last stage)指定每级排出条件指定每级排出条件 (Fix discharge conditions from each stage)用特性曲线确定排出条件用特性曲线确定排出条件 (Use performance curves to determine discharge conditions)MCompr模型参数（3）MCompr 特性曲线(1)多级压缩机特性曲线有三种输有三种输入方式：入方式：列表数据列表数据Tabular Data多项式多项式Polynomials用户子程序用户子程序User SubroutinesMCompr 特性曲线(2)可可以以提提供供多多张张特特性性曲曲线线表表(Maps)，每每张张表表又又可可以以有有多多条条特特性性曲曲线线。多多级级压压缩缩机机的的每每一一级级可可以以有有多多个个叶叶轮轮(wheels)，可可以以为为每每个个叶叶轮轮选选用用不不同同的的特特性性曲曲线线表表、叶叶轮轮直直径径和和比比例例因子因子(scaling factors)