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CHEMCAD.7-管网部分


S7‐管网部分

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7-1

培训内容
7-2

一、CC-Safety Net简介
? ? CC-Safety Net模块特点 CC-Safety Net模块应用

三、 管网--稳态模拟
? ? ? ? ? Piping Works

hop 2:简单管网 Workshop 3:分支管网(Pump) Workshop 4:供水系统 Workshop 5:换热器管网

二 、管网--设备选型
? ? ? ? ? ? Vessel Piping Orifice Control Valve Relief Device Workshop 1:设备选型

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一、CC-Safety Net 简介
紧急排放及管网设计分析模块
稳态设计:储罐的紧急排放阀或爆破片的选型及尺寸计算 管线网络系统的水力计算及尺寸计算 动态分析: 整个紧急排放系统及管道网络系统的动态水力计算 模块特点
具稳态设计及动态分析两大功能 不仅提供API 520/521规范,还提供最新的两相流设计规范(DIERS设计规范) 内建物性数据库、工业用紧急排放阀数据库、标准管线管件数据库等 管线管件压损计算 对设备进行规格设计或成本估算

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二、管网-设备选型
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Vessel 压力容器的设计
? ? ? ? ?
Sizing/Vessel 设计 LV 或 LLV 容器 包括 DVSL、FLAS、VESL、SCDS、TOWR、TPLS 设备 计算容器的尺寸,立式和卧式的尺寸计算程序不同 还进行初步机械设计,立式和卧式容器的计算方法相同,估算出圆筒形压 力容器的壁厚、壳重、头盖厚度和头盖重量;对于半圆形、椭圆形和碟形 头盖还要计算头盖厚度和重量

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二、管网-设备选型
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Vessel 压力容器的设计
容器的类型:
立式容器 卧式容器

KV系数:用于确定最大允许蒸汽速度 一般设计参数: 设计压力、许用应力、壳焊接系数、头 盖焊接系数、腐蚀余量、允许的重量百 分比、头盖类型、容器密度、直配法兰 厚度、最小直径

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二、管网-设备选型
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Vessel 压力容器的设计

卧式容器:
Kv 乘数、L/D、最小滞留时间、蒸汽面积 /横截面积

立式容器:
最小分离高度、对HLL 的最小入口喷嘴、 除雾器深度、给定 HLL/NLL 或滞留时间/ 缓冲时间
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二、管网-设备选型
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Piping 管线的设计
? Sizing/Piping ? 设计时须指定管线的上游流股 ? 单相流的计算方法:依据压降设计的 Darcy-Weisbach 方程和基于流速计算
的 Kent 方法

? 两相流的计算方法:Baker 方法和 Beggs & Brill 方法;Baker 方法只计算管
中气体的压降,后进行校正;Beggs & Brill 方法是先计算水平管内的持液 量,后依据实际管线的倾斜度校正

? 为简捷算法设计管线,若需进一步详细设计,需要其他单元操作及厂商的
具体参数
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二、管网-设备选型
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Piping 管线的设计
设计选项:
一般的单相流设计 基于每 100 英尺的压降设计 基于流速设计

管线规格及相对粗糙度 设计方法:
单相流或 Baker 两相流方法 Beggs & Brill 两相流方法

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二、管网-设备选型
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Orifice 孔板的设计
? Sizing/Orifice ? 设计时须指定要设计孔板的物流 ? 基于计算出的孔洞,用于确定孔板的阻力系数 Kr
测压孔类型:
法兰孔 弯头孔 D 和 D/2孔 2 ? D 和8D孔

管内径
压差 热膨胀系数 北京方通正信科技有限公司
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二、管网-设备选型
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Control Valve流量控制阀
? Sizing/Control Valve ? 设计时须指定控制阀的上游流股 ? 一般选择 Cv 为计算 Cv 值的1.25 ~
2倍

? 设计结果将自动填入到 CVAL 对话
框中
下游压力:阀门全开时的阀口出口压力 临界流量因子:Cf 是控制阀的特性,一
般取 0.98(校正临界流)

校正因子:R 用于调节亚临界点流过异
管之间的控制阀的设计方程

单座阀或双座阀 静压头
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二、管网-设备选型
Relief Device 紧急排放阀的设计
Sizing/Relief Device 对任意流股、罐、反应器或其他压力容器进行紧急排放系统的设计

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模拟整个放空系统,并计算放空时的温度、压力分布、放空流量、放空组成等

主要特点:
具有规格选型和校核模式 对动态或稳态容器、反应或非反应系统进行分析或设计 适用于两相流计算 容器流量模型有均相、发泡、搅动-湍流模型 放空流动模型包括 HEM、HNE、ERM 模型等 具有八个火灾模式:NFPA-30、API-520/521、OSHA1910.106、API-2000、设 定排放量、设定热效率、缓和的失控反应及剧烈的失控反应
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二、管网-设备选型
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Relief Device 紧急排放阀的设计 - DIERS 规范
设计:基于排放口处的蒸汽质量守恒
对于离开液体表面的物质流率

X 0 Av G = j g ρ g , s ACR + X m ( Av G ? j g ρ g , s ACR )
式中 X0是排放口蒸汽量 Av是排放面积(横截面) G是排放物质流量 ρg,s是容器上部压力和温度下的蒸汽密度 jg是液体表面将液体带到容器顶部所需的蒸汽表面速度

Xm =

αρ g , s αρ g , s + (1 ? α ) ρ l

ACR是容器面积(横截面) Xm是液体表面的滞留量 α是液体表面的空隙率 ρl是液体密度

NOTE: 1. DIERS-Design Institute for Emergency Relief Systems是 AIChE 推行的紧急排放设 计规范,特别适用于汽液两相排放系统的设计与分析 2. DIERS程序的访问:Sizing/Relief Device, Dynamic vessel, Batch reactor 北京方通正信科技有限公司
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二、管网-设备选型
Relief Device 紧急排放阀的设计 - DIERS 规范
求解需要下列模型:
1. 容器流量模型:可估算出蒸汽表面速度jg和滞留量Xm 均相模型(Homogeneous)假定无气液相分离 发泡模型(Bubby)假定气泡从液体中均匀产生,存在气液分离 搅动-湍流模型(Churn-Turbulent)假定生成均匀的汽相湍急,气液分离剧烈 2. 放空流动模型:可估算出排放口蒸汽量X0和排放物质流量G 均相平衡模型(HEM)假定蒸汽和液体有相同的组分和速率 Henry-Fauske均相非平衡模型(HNE)假定滞流和节流点间无物质交换 平衡速率模型(ERM)是HNE模型的特例 非闪蒸液体模型 假定两个组分:不蒸发液体和不溶解气体 单相蒸汽模型 假设在各点的排放量均等

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二、管网-设备选型
7-14

Relief Device 紧急排放阀的设计
模式: ? 设计常压罐 ? 核算常压罐 ? 设计压力容器 ? 核算压力容器

容器的几何参数

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二、管网-设备选型
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Relief Device 紧急排放阀的设计
设备类型: ? 安全阀 ? 防爆片 ? 安全阀后带防爆片
初始条件

泄流系数: ? 放空设备的粗糙度 ? 安全阀,为0.975 ? 防爆膜,为0.625

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二、管网-设备选型
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Relief Device 紧急排放阀的设计

设定压力:放空系统开启的压力。与最大压力有关:

Pmax = ( Pset ? 14.696) × (1 + %overpressure / 100) + 14.696
背压:安全阀后的放空系统或火炬系统压力
北京方通正信科技有限公司 过压百分比:相对于设定压力 http://www.fancytech.com.cn/

二、管网-设备选型
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Relief Device 紧急排放阀的设计
设计方法 潜热计算方法
火灾模式

容器流量模型 Co 放空流动模型

Kb:气态的背压修正系数 Kp:液态的过压能力修正系数 Kw:液态的背压修正系数 Kv:液态的粘度修正系数 北京方通正信科技有限公司 http://www.fancytech.com.cn/

三、管网-稳态模拟
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特点
? 闭合回路、分散系统或收集系统的水力学计算 ? 管线网络系统包括泵、压缩机、膨胀器、阀门、管线、管件、换热
器、压力容器等设备

? ? ? ?

泵及压缩机可考虑其特性曲线 提供节点功能进行管网计算 流体可以是气、液体或汽液混合两相流,并考虑临界流 自建管道水力学方程功能

? 精确计算流体物性
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三、管网-稳态模拟
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模拟基础
摩擦因数 f 的计算:

? ? ? ?

层流

f =

64 Re

Re < 2300
1 12

Churchill 方程

? 12 16 ? ?? 8 ? ? 37530 ? ? f = 8?? ? + ? A + ? ? ? ? Re ? ? ? Re ? ? ? ? ? ?

3 ? 2

? ? ? ? ?

? ?? 7 ? 0.9 ? ? ? ε ?? ? A = ?? 2.457 ln ?? ? + 0.27? ?? ? ? D ?? ? ? ?? Re ? ?? ? ?

16

Jain 方程 f =

0.25 ? 5.74 ?? ? ε log10 ? + 0.9 ?? ? ? 3.7 D Re ?? ?
2

5000 < Re < 108

10-6 < ε/D < 10-2

Moody摩擦因数图

已知 Re 和 ε/D
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三、管网-稳态模拟
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模拟基础
当量长度 Leq 的计算:

? ? ? ? ?

已知 L/D:Leq = L/D × (inner diameter in inches) 已知K:Leq = K × (D in inches) / (Moody/Darcy f) K =Kr K =0.5 × (1-b2) K =1× (1-b2)2/b4

突然扩大: Leq = K × (D in inches) / (Moody/Darcy f) 突然缩小: Leq = K × (D in inches) / (Moody/Darcy f)

? Darby 3K: Leq = Kf × (D in inches) / (Moody/Darcy f) K f = K i + K i ?1 + K d 0.3 Re ? ?

? ? Din ,nom ? ?

NOTE: CHEMCAD 计算管件的当量长度时,采用管子的摩擦因数 f ,不用湍流时的 摩擦因数 ft 北京方通正信科技有限公司
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三、管网-稳态模拟
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Pipe Sizing and Rating (PIPE)
计算方法: 等温气体(长管流) 单相流:Darcy-Weisbach方程 两相流:Bake方法 水:Hazen-Williams方程 (规定 C factor) 水蒸气:Fritzsche公式 两相流:Beggs and Brill方法 固液体:Slurry方程 10种用户自定义模型

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三、管网-稳态模拟
7-22

Pipe Sizing and Rating (PIPE)
选项: 核算 单向流设计 基于每100英尺压降设计(规
尺寸

定每100英尺压降) 两相竖管设计 依据尺寸及出口压力,计算 入口压力 依据尺寸及进出口压力,计 算流量 基于流速设计(规定流速)
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三、管网-稳态模拟
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Pipe Sizing and Rating (PIPE)
摩擦因子模型: Churchill:适用于层流、过 渡态及湍流 Jain : 适 用 于 Re 雷 诺 数 在 4.0E3~1.0E8范围内

计算管路热损失 北京方通正信科技有限公司 http://www.fancytech.com.cn/

三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟
? Pipe Sizing ? Orifice Sizing ? Control Valve Sizing 流程简述: 此为 70-140 F 温度下输送120 gpm 冰醋酸的管网系统,已知进口压力为20 psia,出 口压力不能低于20 psia。根据设计条件对管线等设备选型,并在操作条件下进行核 算。为了以后对泵进行详细设计,需要确定其 NPSHa ? Pipe UnitOp ? Feedback Controllers ? NPSH

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三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟

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三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟
? Pipe Sizing-Results 由于输送的是过冷液体且所有管线都一样,所以只需对泵出料的管线进行设计

泵吸头处的管径应大一号

设计结果

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三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟
? Orifice Sizing-Results 设计泵出料处的孔板

Kr 用于计算孔板的压损 设计结果 北京方通正信科技有限公司 http://www.fancytech.com.cn/

三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟
? Control Valve Sizing-Results

选择流股 1 作为 CVAL 的上游流股

设计结果
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三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟
? Pipe UnitOp

CVAL:设置阀开度为 75 %,模式为依据流量及阀开度计算出口压力 HTXR:设置压降为 2 psi,流股出口温度为140 F PIPE:设定为单相流,核算,管线长度、高度及管件如下:

孔板的阻力系数需添加

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三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟
? Pipe UnitOp

Pipe #2 (before CVAL) 为例

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三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟
? Feedback Controllers

PUMP:出口压力随意设,如 40 psia,需要不停的迭代直至管线
出口压力达 20 psia

CONT:数学工具,调节变量直
至达到指定的目标值;设为调节 泵的出口压力(20 ~ 100 psia) 直至管线出口压力达 20 psia

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三、管网-稳态模拟
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Workshop1:简单管网的模拟
? NPSH-Results

NPSH,净正吸头,又叫汽蚀余量,PUMP 中勾选计算 NPSHa,Run

每一个泵都有一个 NPSHr,操 作时的 NPSHa 应大于 NPSHr, 否则将出现“气蚀”现象或缩 短泵的使用寿命

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三、管网-稳态模拟
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Workshop2:分支管网的模拟
? Node UnitOp ? Pipe Networks ? Pump UnitOp Performance Curves

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三、管网-稳态模拟
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Workshop2:分支管网的模拟
? Node UnitOp 两个换热器有着不同的 管线,导致流量也不同 无法确定每一支路的流 量、压力,所以采用

Node UnitOp

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三、管网-稳态模拟
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Workshop2:分支管网的模拟
? Node UnitOp

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三、管网-稳态模拟
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Workshop2:分支管网的模拟
? Pipe Networks

HTXR 2:设置压降为 2 psi,流股出口温度为140 F PUMP:设为指定出口压力,由于 Node 会自行改变压力,所以出口压力值不填 PIPE:设定为单相流,核算,管线长度、高度及管件如下:

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三、管网-稳态模拟
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Workshop2:分支管网的模拟
? Pump UnitOp Performance Curve 根据计算的 Pump 出口压力以及流量(120 gpm)可以挑选泵的型号 下面是泵的特性曲线:

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三、管网-稳态模拟
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Workshop2:分支管网的模拟
? Pump UnitOp Performance Curve

PUMP:设定泵的特性曲线,假定 Pump 转速为1750 RPM,也可以设定多转速

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三、管网-稳态模拟
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Workshop2:分支管网的模拟
? Pump UnitOp Performance Curve-Results

CHEMCAD 自动将输入的流量、
效率、压头回归成二次式

NODE:在 PUMP 吸头处新增,
使流量可变

CVAL:将阀开度调至 100 %,
计算整个管网的最大流量

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三、管网-稳态模拟
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Workshop 3:供水系统

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三、管网-稳态模拟
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Workshop 4:换热器管网

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