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Aspen plus流体输送单元的仿真设计(一)


CAPD基础 CAPD基础 第三讲
Simulation Design for Fluid Transportation

流体输送单元 的仿真设计

(一)

流体输送模型的分类
在ASPEN Plus中流体输送单元归属压力改变 Changers)类别,共六种模型: 器 (Pressure Cha

ngers)类别,共六种模型:

1. 泵 2. 压缩机 3. 多级压缩机 4. 阀门 5. 管道 6. 管线

Pump Compr Compr MCompr Valve Pipe Pipeline

流体输送模型的分类(2)

Pump 泵模型
Pump 模型用于模拟泵和水 轮机两种单元设备 1、泵(Pump) 2、水轮机(Hydraulic Turbine) 水轮机(

Pump 泵模型

(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
Pump 模型有五种工作方式: 模型有五种工作方式: 指定模型参数 计算结果参数 计算结果参数
? ? ? ? ? 排出压力 压力增量 压力比率 所需( 所需(产)功率 特性曲线 所需(产)功率 所需( 所需(产)功率 所需( 所需( 所需(产)功率 排出压力 所需( 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 pressure) 水力学效率( Efficiency) 水力学效率 (Pump Efficiency) 和驱 动机效率( Efficiency) 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。 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 标准的设计方法是使用泵特性曲线 curve)。特性曲线有三 (Performance curve)。特性曲线有三 种输入方式: 种输入方式:
? ? ? 列表数据 多项式 用户子程序 Tabular Data Polynomials User Subroutines

列表数据是最常用的输入方式。 表数据是最常用的输入方式 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: 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: 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; speed; 2、参考转速下的单根曲线 Single curve at reference speed; 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表单中输入具体数据: Data表单中输入具体数据
1、特性曲线变量的单位 Units of curve variables; variables; 2、每根曲线特性数据表 tables; 如 Head vs. flow tables; 3、每根曲线的对应转速 Curve speeds; speeds;

Pump —— 特性曲线(7)

Pump —— 特性曲线(8)
在Efficiencies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: 同时,还要输入操作转速数据:

Pump —— 特性曲线(10) 10)
用多项式表示特性曲线: 用多项式表示特性曲线:

Pump — Q~NPSHR 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 需汽蚀余量” 需汽蚀余量” NPSHR
Net Positive Suction Head Required

NPSHR ≈10 ? Hs
其中: 其中:Hs 为允许吸上真空度

(m)

Pump — Q~NPSHR 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 有效汽蚀余量” 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 在实际使用条件下,

NPSHA ≥1.3NPSHR

Pump —— 结果查看
从数据浏览器的Pump对象下选择 从数据浏览器的Pump对象下选择Results查看结果 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, bar,水的温度为 25 °C,流量为 100 m3/h。 /h。 泵的效率为 0.68,驱动电机的效率为 0.95。 0.68, 0.95。 求:泵提供给流体的功率、泵所需要的轴功 泵提供给流体的功率、 率、以及电机消耗的电功率各是多少? 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 100 m3/hr 的水,水的压强为 的水,水的压强为 1.5 bar,温度为 25 °C。泵的特性曲线如下: bar, 泵的特性曲线如下: 流量(m3/hr) 流量( /hr) 扬程(m) 扬程( 效率(%) 效率( 70.0 59.0 64.5 90.0 54.2 69.0 109.0 47.8 69.0 120.0 43.0 66.0

求: 泵的出口压力、提供给流体的功率、泵所需要的轴 泵的出口压力、提供给流体的功率、 功率各是多少? 功率各是多少?

Compr 压缩机模型
Compr 模型用于模拟四种单元设备
1. 多变离心压缩机(Polytropic Centrifugal 多变离心压缩机( Compressor) 2. 多变正排量压缩机(Polytropic Positive 多变正排量压缩机( Displacement Compressor) 3. 等熵压缩机(Isentropic Compressor) 等熵压缩机( 4. 等熵汽轮机(Isentropic Turbine) 等熵汽轮机(

Compr 压缩机模型(2)

Compr——连接 Compr——连接
Compr 模型的连接图如下:

Compr—— Compr—— 计算模型
常用

Compr 模块提供八种计算模型: 模块提供八种计算模型:

? ? ? ? ? ?

等熵模型 Isentropic (Mollier-based methods) ASME等熵模型 ASME等熵模型 Isentropic using ASME method GPSA等熵模型 GPSA等熵模型 Isentropic using GPSA method ASME多变模型 ASME多变模型 Polytropic using ASME method GPSA多变模型 GPSA多变模型 Polytropic using GPSA method 分片积分多变模型 Polytropic using piecewise 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 Compr——计算模型(2)

Compr—— Compr—— 模型参数
Compr 模型有五种工作方式: 模型有五种工作方式: 计算结果参数 指定模型参数 计算结果参数
? ? ? ? ? 排出压力 压力增量 压力比率 制动马力 特性曲线 所需(产)功率 所需( 所需( 所需(产)功率 所需(产)功率 所需( 排出压力 所需( 所需(产)功率

Compr——模型参数 Compr——模型参数(2)

Compr—— Compr—— 效率 (1)
Compr 模型有三种效率: 模型有三种效率:
1、等熵效率 对于压缩机 对于压缩机 对于汽轮机 对于汽轮机 Isentropic Efficiency
ηs = out
hs ? hin hout ? hin

ηs =

hout ? hin
s hout ? hin

Compr—— 效率(2 Compr—— 效率(2)
2、多变效率 Polytropic Efficiency

? γ ?1? ? k ?1? ηp = ? ? γ ? ? k ? ? ? ? ? ? γ = cp cv k — 多变多多

Compr—— 效率(3 Compr—— 效率(3)
3、机械效率 压缩机 汽轮机 Mechanical Efficiency

ηm = (对对对对轴

) (轴轴) )

ηm = (轴轴) (对对对对轴

Compr—— 效率(4 Compr—— 效率(4)

Compr—— 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 能。特性曲线有四种输入方式: 有四种输入方式:
? ? ? ? 列表数据 多项式 扩展多项式 用户子程序 Tabular Data Polynomials Extended Polynomials User Subroutines

列表数据是常用的输入方式。 列表数据是常用的输入方式。 输入方式

Compr——特性曲线 Compr——特性曲线(2)

Compr——特性曲线 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:

Compr —— 结果查看
从数据浏览器的Compr对象下选择 从数据浏览器的Compr对象下选择Results查看结果 对象下选择Results查看结果

Compr—— Compr—— 示例 1
一压缩机将压强为 1.1 bar 的空气加压到 3.3 bar, bar,空气的温度为 25 °C,流量为 1000 m3/h。 /h。 压缩机的多变效率为 0.71, 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 0.97。 压缩机所需要的轴功率、 机的功率以及空气的出口温度和体积流量各是 多少? 多少?

Compr—— Compr—— 示例 2
一汽轮机用压强为 35 bar、温度为 435 °C的过 bar、 热水蒸汽为工作介质,汽轮机的背压为 10 bar, bar, 热水蒸汽为工作介质, 蒸汽的流量为 蒸汽的流量为 10000 kg/h。汽轮机的等熵效率为 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。 0.8, 0.98。 求:汽轮机所提供的机械功率以及蒸汽的出口温 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? 度和体积流量各是多少?

MCompr 多级压缩机模型
MCompr 模型用于模拟四种单元设备 MCompr
Multi1. 多级多变压缩机 (Multi-stage Polytropic Compressor) 2. 多级多变正排量压缩机 (Multi-stage Polytropic MultiPositive Displacement Compressor) 3. 多级等熵压缩机(Multi-stage Isentropic 多级等熵压缩机(MultiCompressor) 4. 多级等熵涡轮机(Multi-stage Isentropic Turbine) 多级等熵涡轮机(Multi-

MCompr 多级压缩机模型(2)

MCompr—— 连接 MCompr——

(1)

MCompr 模型的外部连接图如下:

MCompr——连接 MCompr——连接

(2)

MCompr 模型的内部连接图如下:

MCompr—— 模型参数 MCompr——
MCompr 的模型参数有 ? 级数 (Number of stages) stages) 指定压缩机的级数。 指定压缩机的级数。 ? 压缩机模型 (Compressor model) 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 (Specification type) 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) MCompr——模型参数
设定方式与Compr模块有所不同: 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 常用(Fix discharge pressure from last stage ) ? 指定每级排出条件 (Fix discharge conditions from each stage) stage) ? 用特性曲线确定排出条件 (Use performance curves to determine discharge conditions) conditions)

MCompr——模型参数(3) MCompr——模型参数

MCompr—— 特性曲线(1) MCompr—— 特性曲线(1)
多级压缩机特性曲线有三种输 多级压缩机特性曲线有三种输 入方式: 入方式:
? ? ? 列表数据 多项式 用户子程序 Tabular Data Polynomials User Subroutines

MCompr—— 特性曲线(2) MCompr——
可以提供多张特性曲线表(Maps) 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。 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 wheels) 同的特性曲线表、 同的特性曲线表、叶轮直径和比例 因子( factors) 因子(scaling factors)


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