第第5章章 流体输送单元模拟流体输送单元模拟作者：王丁丁作者：王丁丁 孙兰义孙兰义1高级教育 目录目录n5.1 概述概述n5.2 泵Pumpn5.3 压缩机机Comprn5.4 多多级压缩机机Mcomprn5.5 阀门Valven5.6 管段管段Pipen5.7 管管线系系统Pipeline2高级教育 5.1 概述概述nAspen Plus提供提供6种流体种流体输送送单元模元模块（（Pressure Changers））3高级教育 5.2 泵Pump nPump模模块用于模用于模拟两种两种设备l泵（（Pump））泵是是把把机机械械能能转换成成液液体体的的能能量量，，用用来来给液液体体增增压和和输送液体的流体机械送液体的流体机械 l水水轮机（机（Turbine））水水轮机机是是把把水水流流的的能能量量转换为旋旋转机机械械能能的的动力机械，它属于流体机械中的透平机械力机械，它属于流体机械中的透平机械4高级教育 5.2 泵Pump——连接接n泵Pump连接示意接示意图5高级教育 输入参数入参数输出出结果果出口出口压力（力（Discharge pressure））所需功率（所需功率（Fluid power/Brake power））压力增量（力增量（Pressure increase））所需功率（所需功率（Fluid power/Brake power））压力比率（力比率（Pressure ratio））所需功率（所需功率（Fluid power/Brake power））指定功率（指定功率（Power required））出口出口压力（力（Discharge pressure））特性曲特性曲线（（Use performance curve to determine discharge conditions））所需功率（所需功率（Fluid power/Brake power））5.2 泵Pump——模模块参数（参数（1））n泵Pump模模块有有5种种计算形式算形式出口出口压力、力、泵的水力学效率和的水力学效率和驱动机效率机效率n常用参数指定：常用参数指定：6高级教育 5.2 泵泵Pump——模块参数（模块参数（2））指定模型指定模型指定参数指定参数指定效率指定效率7高级教育 n特性曲特性曲线有三种有三种输入方式：入方式：5.2 泵Pump——特性曲特性曲线（（1））l列表数据列表数据 Tabular Datal多多项式式 Polynomialsl用用户子程序子程序 User Subroutinesl操作操作转速下的速下的单根曲根曲线 Single curve at operating speed；；l参考参考转速下的速下的单根曲根曲线 Single curve at reference speed；；l不同不同转速下的多条曲速下的多条曲线 Multiple curves at different speeds .n特性曲特性曲线的数目，有三个的数目，有三个选项：：8高级教育 5.2 泵泵Pump——特性曲线（特性曲线（2））选择曲选择曲线形式线形式设定特性设定特性曲线变量曲线变量选择曲选择曲线数目线数目9高级教育 n在在Curve Data页面中面中输入特性曲入特性曲线数据：数据：5.2 泵Pump——特性曲特性曲线（（3））l特性曲特性曲线变量的量的单位位 Units of curve variablesl每根曲每根曲线特性数据表特性数据表 如如 Head vs. flow tablesl每根曲每根曲线的的对应转速速 Curve speeds10高级教育 5.2 泵泵Pump——特性曲线（特性曲线（4））曲线变曲线变量单位量单位曲线对曲线对应转速应转速输入流量输入流量—扬程数据扬程数据11高级教育 5.2 泵Pump——特性曲特性曲线（（5））n在在Efficiencies页面中面中输入效率数据：入效率数据：输入流量入流量—效率数据效率数据12高级教育 n当当泵泵的操作的操作转转速与特性曲速与特性曲线线的的转转速不同速不同时时，，还还要要输输入操作入操作转转速数据：速数据：5.2 泵泵Pump——特性曲线（特性曲线（6））规定操作转速规定操作转速13高级教育 5.2 泵泵Pump——特性曲线（特性曲线（7））n用多用多项项式表示特性曲式表示特性曲线线：：输入多项式系数输入多项式系数14高级教育 5.2 泵Pump——NPSHR（（1））n汽汽蚀余量余量又叫又叫净正吸正吸头NPSH，是表示汽，是表示汽蚀性能的性能的主要参数。
主要参数其中：其中：Hs 为允允许吸上真空度吸上真空度n设计泵的安装位置的安装位置时，，应核算核算“必需汽必需汽蚀余量余量” NPSHR—— Net Positive Suction Head Required15高级教育 n在在NPSHR页面面输入入NPSHR数据数据5.2 泵Pump——NPSHR（（2））16高级教育 5.2 泵Pump——NPSHR（（3））n根据安装和流根据安装和流动情况可以算出情况可以算出泵进口口处的的“有效汽有效汽蚀余量余量” NPSHA—— Net Positive Suction Head Availablen在在实际使用条件下，使用条件下，选择的的泵应该满足：足：17高级教育 5.2 泵Pump——结果果查看看结果果查看看n从从 数数 据据 浏 览 器器 的的 Pump对 象象 下下 选 择 Results | Summary，，查看看结果果，，结果果中中显示示流流体体功功率率、、轴功率、功率、电功率等参数功率等参数18高级教育 组分分缩写式写式流率，流率，kmol/hr甲甲烷C10.05乙乙烷C20.45丙丙烷C34.55正丁正丁烷NC48.60异丁异丁烷IC49.001,3-丁二丁二烯烯DC49.005.2 泵Pump——例例题1n一一泵将将压力力为170kPa的的物物流流加加压到到690kPa，，进料料的的温温度度为-10℃℃，，摩摩尔流流率率及及组成成如如下下表表所所示示。
泵的的效效率率为80%，，电动机机的的效效率率为100%计算算泵提提供供给流流体体的的功功率率、、泵所所需需要要的的轴功功率率以以及及电动机机消消耗耗的的电功功率率各各是是多多少少？？物物性性方方法法采采用用PENG-ROB19高级教育 5.2 泵Pump——例例题2流率，流率，m3/hr201053扬程，程，m40250300400n一一泵输送送流流率率为100kmol/hr的的苯苯，，苯苯的的压力力为100kPa，，温温度度为40℃℃泵的的效效率率是是60%，，电动机机的的效效率率是是90%，，特特性性曲曲线数数据据如如下下表表所所示示计算算泵的的出出口口压力力、、提提供供给流流体体的的功功率率及及泵所所需需要要的的轴功功率各是多少？物性方法采用率各是多少？物性方法采用RK-SOAVE20高级教育 5.3 压缩机机ComprnCompr 模型用于模模型用于模拟四种四种单元元设备l多多变离心离心压缩机机 Polytropic Centrifugal Compressorl多多变正排量正排量压缩机机 Polytropic Positive Displacement Compressorl等等熵压缩机机 Isentropic Compressorl等等熵汽汽轮机机 Isentropic Turbine21高级教育 5.3 压缩机压缩机Compr——连接连接n压压缩缩机机是是将将机机械械能能转转变变为为气气体体能能量量，，用用以以给给气气体体增增压压或或输输送送的的机机械械。
按按增增压压程程度度由由低低到到高高又又可可以以分分为为通通风风机机、、鼓鼓风风机机和和压压缩缩机22高级教育 5.3 压缩机机Compr——连接接nCompr 模型的模型的连接接图如下：如下：23高级教育 nCompr 模模块模模拟压缩机机时提供提供8种种计算模型：算模型：5.3 压缩机机Compr——计算模型（算模型（1））l等等熵模型模型 Isentropic lASME等等熵模型模型 Isentropic using ASME methodlGPSA等等熵模型模型 Isentropic using GPSA methodlASME多多变模型模型 Polytropic using ASME methodlGPSA多多变模型模型 Polytropic using GPSA methodl分片分片积分多分多变模型模型 Polytropic using piecewise integrationl正排量模型正排量模型 Positive displacementl分片分片积分正排量模型分正排量模型 Positive displacement using piecewise integration24高级教育 5.3 压缩机机Compr——计算模型（算模型（2））nCompr 模模块模模拟压缩机机时提供提供8种种计算模型：算模型：25高级教育 5.3 压缩机机Compr——计算模型（算模型（3））nCompr 模模块模模拟涡轮机机时仅有有1种种计算模型：算模型：l等等熵模型模型 Isentropic 26高级教育 输入参数输入参数输出结果输出结果出口压力（出口压力（Discharge pressure））所需功率（所需功率（Fluid power/Brake power））压力增量（压力增量（Pressure increase））所需功率（所需功率（Fluid power/Brake power））压力比率（压力比率（Pressure ratio））所需功率（所需功率（Fluid power/Brake power））指定功率（指定功率（Power required））出口压力（出口压力（Discharge pressure））特性曲线（特性曲线（Use performance curve to determine discharge conditions））所需功率（所需功率（Fluid power/Brake power））5.3 压缩机机Compr——模模块参数（参数（1））n压缩机机Compr模模块有有5种种计算形式算形式出口出口压力力+指定效率指定效率n常用参数指定：常用参数指定：27高级教育 5.3 压缩机压缩机Compr——模块参数（模块参数（2））选择类型选择类型规定出口条件规定出口条件规定效率规定效率等熵效率等熵效率 多变效率多变效率 机械效率机械效率28高级教育 5.3 压缩机机Compr——效率（效率（1））l对于于压缩机机l对于汽于汽轮机机n等等熵效率效率 Isentropic Efficiency29高级教育 5.3 压缩机机Compr——效率（效率（2））n多多变效率效率Polytropic Efficiency30高级教育 5.3 压缩机机Compr——效率（效率（3））n机械效率机械效率Mechanical Efficiencyl压缩机机l汽汽轮机机31高级教育 5.3 压缩机机Compr——特性曲特性曲线（（1））n特性曲特性曲线有有4种种输入方式：入方式：l列表数据列表数据 Tabular Datal多多项式式 Polynomialsl扩展多展多项式式 Extended Polynomialsl用用户子程序子程序User Subroutinesl操作操作转速下的速下的单根曲根曲线 Single curve at operating speedl参考参考转速下的速下的单根曲根曲线 Single curve at reference speedl不同不同转速下的多条曲速下的多条曲线 Multiple curves at different speeds n 特性曲特性曲线的数目，有三个的数目，有三个选项：：32高级教育 5.3 压缩机压缩机Compr——特性曲线（特性曲线（2））曲线曲线形式形式曲线曲线变量变量曲线曲线数量数量其他其他选项选项33高级教育 5.3 压缩机机Compr——结果果查看看n从数据从数据浏览器的器的Compr对象下象下选择Results | Summary查看看结果，果，结果果显示示轴功率、出口功率、出口压力、力、出口温度等参数。
出口温度等参数结果果查看看34高级教育 n物流的温度物流的温度为100℃℃，，压力力为690kPa，，组成下表所成下表所示现用多用多变压缩机将机将该物流物流压缩至至3450kPa，，压缩机的多机的多变效率效率为100%，，驱动机的机械效率机的机械效率为100%计算算压缩机所需的机所需的轴功率及功率及该物流的出口物流的出口温度和体温度和体积流率各是多少？物性方法采用流率各是多少？物性方法采用PENG-ROB5.3 压缩机机Compr——例例题组分分缩写式写式流率，流率，kmol/hr甲甲烷C10.05乙乙烷C20.45丙丙烷C34.55正丁正丁烷NC48.60异丁异丁烷IC49.001,3-丁二丁二烯烯DC49.0035高级教育 5.4 多级压缩机多级压缩机MComprn多多级压缩将气体的将气体的压缩过程分在若干程分在若干级中中进行，并行，并在每在每级压缩之后将气体之后将气体导入中入中间冷却器冷却器进行冷却36高级教育 5.4 多多级压缩机机Mcompr——连接（接（1））nMCompr 模型的外部模型的外部连接接图如下：如下：37高级教育 5.4 多多级压缩机机Mcompr——连接（接（2））nMCompr 模型的内部模型的内部连接接图如下：如下：38高级教育 5.4 多多级压缩机机Mcompr——计算模型算模型n多多级压缩机机MCompr 模模块用于模用于模拟四种四种单元元设备l多多级多多变压缩机机 Multi-stage Polytropic Compressorl多多级多多变正排量正排量压缩机机 Multi-stage Polytropic Positive Displacement Compressorl多多级等等熵压缩机机 Multi-stage Isentropic Compressorl多多级等等熵涡轮机机 Multi-stage Isentropic Turbine39高级教育 5.4 多多级压缩机机Mcompr——模模块参数（参数（1））n MCompr 的的模型参数模型参数l级数数 Number of stages 指定指定压缩机的机的级数数l压缩机模型机模型 Compressor model 有有6种种计算模型供算模型供选用用计算模型算模型英文英文对照照 等等熵模型模型 Isentropic ASME等等熵模型模型 Isentropic using ASME methodGPSA等等熵模型模型 Isentropic using GPSA methodASME多多变模型模型 Polytropic using ASME methodGPSA多多变模型模型 Polytropic using GPSA method正排量模型正排量模型 Positive displacement40高级教育 5.4 压缩机机Compr——模模块参数（参数（2））l设定方式定方式 (Specification type) 指定指定压缩机的工作机的工作方式，与方式，与压缩机机Compr模模块有所不同有所不同设定方式定方式英文英文对照照固定最后一固定最后一级出口出口压力力Fix discharge pressure from last stage 固定每固定每级出口条件出口条件Fix discharge conditions from each stage用特性曲用特性曲线确定出口条件确定出口条件Use performance curves to determine discharge conditionsn MCompr 的的模型参数模型参数41高级教育 5.4 多级压缩机多级压缩机Mcompr——模块参数（模块参数（3））规定级数规定级数指定类型指定类型工作方式工作方式42高级教育 5.4 多多级压缩机机Mcompr——模模块参数（参数（3））物流定物流定义n 在在Material页面定面定义物流物流规定定进料物流料物流规定定产品物流品物流43高级教育 5.4 多多级压缩机机MCompr——模模块参数（参数（4））规定定级间参数参数n 在在Spec页面定面定义级间参数：效率、温度等参数：效率、温度等44高级教育 5.4 多多级压缩机机MCompr——模模块参数（参数（5））冷却器冷却器设定定n 在在Cooler页面面定定义中中间冷冷却却器器参参数数：：冷冷却却器器负荷荷、、冷却器温度等冷却器温度等45高级教育 5.4 多多级压缩机机Mcompr——特性曲特性曲线（（1））n多多级压缩机特性曲机特性曲线有三种有三种输入方式：入方式：l列表数据列表数据Tabular Datal多多项式式Polynomialsl用用户子程序子程序User Subroutinesn可可以以提提供供多多张特特性性曲曲线表表(Maps)，，每每张表表又又可可以以有有多多条条特特性性曲曲线。
多多级压缩机机的的每每一一级可可以以有有多多个个叶叶轮(wheels)，，可可以以为每每个个叶叶轮选用用不不同同的的特特性性曲曲线表、叶表、叶轮直径和比例因子直径和比例因子(scaling factors)46高级教育 5.4 多级压缩机多级压缩机MCompr——特性曲线（特性曲线（2））曲线曲线变量变量曲线表数曲线表数量量曲线曲线数量数量叶轮叶轮设定设定曲线曲线形式形式47高级教育 5.4 多多级压缩机机Mcompr——结果果查看看结果果查看看n从数据从数据浏览器的器的MCompr对象下象下选择Results | Summary查看看结果，果，结果果显示出口示出口压力、功率、力、功率、级间冷却器冷却器负荷等48高级教育 5.4 多多级压缩机机MCompr——例例题n物流的温度物流的温度为100℃℃，，压力力为690kPa，，组成如下成如下表所示使表所示使该物流通物流通过一个二一个二级等等熵压缩机，机，压缩机一机一级和二和二级之之间的冷却器移出的冷却器移出热量量30kW，，压降降为0计算算压缩机的机的总功率，物流功率，物流经过一一级压缩机机后的温度，以及最后的温度，以及最终的出口温度各是多少？物性方的出口温度各是多少？物性方法采用法采用PENG-ROB。
组分分缩写式写式流率，流率，kmol/hr甲甲烷C10.05乙乙烷C20.45丙丙烷C34.55正丁正丁烷NC48.60异丁异丁烷IC49.001,3-丁二丁二烯烯DC49.0049高级教育 5.5 阀门Valven阀门Valve模模块用来用来调节流体流流体流经管路管路时的的压降n阀门Valve模模块假假定定流流动过程程绝热，，并并将将阀门的的压降降与与流流量量系系数数关关联起起来来，，可可确确定定阀门出出口口物物流流的的热状状态和相和相态50高级教育 5.5 阀门Valve——计算模型算模型n阀门模型有三种模型有三种应用方式（用方式（计算算类型）型）l指定出口指定出口压力下的力下的绝热闪蒸蒸 Adiabatic flash for specified outlet pressurel计算指定出口算指定出口压力下的力下的阀门流量系数流量系数 Calculate valve flow coefficient for specified outlet pressurel计算指定算指定阀门的出口的出口压力力(核算方式核算方式) Calculate outlet pressure for specified valve51高级教育 5.5 阀门Valve——模模块参数（参数（1））n运用核算方式运用核算方式时，需，需输入以下参数：入以下参数：l阀门类型型 (Valve type)截止截止阀 (Global)、球、球阀 (Ball)、蝶、蝶阀(Butterfly)l厂家厂家(Manufacturer)Neles-Jamesburyl系列系列/规格格 (Series/Style)线性性流流量量 (linear flow)、、等等百百分分比比流流量量 (equal percent flow)l尺寸尺寸 (Size)公称直径公称直径l阀门开度（开度（Openning））52高级教育 5.5 阀门阀门Valve——模块参数（模块参数（2））计算类型计算类型阀门开阀门开度规定度规定n规规定定计计算算类类型及型及阀门阀门开度开度53高级教育 5.5 阀门阀门Valve——模块参数（模块参数（3））阀门阀门参数参数n选择阀门类选择阀门类型、厂家、系列型、厂家、系列/规规格、尺寸格、尺寸54高级教育 5.5 阀门Valve——模模块参数（参数（4））n计算算阀门小开度状小开度状态时计算算选项的的设置很重要置很重要l检查阻塞流阻塞流动 Check for choked flowl计算空泡系数算空泡系数 Calculate cavitation indexl设置最小出口置最小出口压力等于阻塞力等于阻塞压力力Minimum outlet pressure:Set equal to choked outlet pressure55高级教育 5.5 阀门阀门Valve——模块参数（模块参数（5））设置设置最小最小出口出口压力压力设置计设置计算选项算选项56高级教育 5.5 阀门Valve——结果果查看看n从数据从数据浏览器的器的Valve对象下象下选择Results | Summary查看看结果，果，结果果显示出口示出口压力等参数力等参数结果果查看看57高级教育 5.5 阀门Valve——例例题n水水的的温温度度为25℃℃，，压力力为600kPa，，流流率率为100m3/hr，，流流经一一公公称称直直径径为6英英寸寸的的截截止止阀。
阀门的的规格格为V500系系列列的的线性性流流量量阀，，开开度度为30%计算算阀门的的出出口口压力力是是多多少少？？物物性性方方法法采用采用STEAM-TA58高级教育 5.6 管段管段Pipen管段管段Pipe计算等直径、等坡度的一段管道的算等直径、等坡度的一段管道的压降和降和传热量n已知入口已知入口压力，管段力，管段Pipe可可计算出口算出口压力；力；n已知出口已知出口压力，管段力，管段Pipe可可计算入口算入口压力并更新入力并更新入口物流的参数口物流的参数59高级教育 n管段参数（管段参数（Pipe parameters））长 度度 （（ Length）） 、、 直直 径径 （（ Diameter）） 、、 高高 度度（（Elevation）和粗糙度（）和粗糙度（Roughness））n传热规定（定（Thermal Specification））恒恒 温温 （（ Constant temperature）） 、、 线 性性 温温 度度 分分 布布（（Linear temperature profile））、、绝热（（Adiabatic））和和热衡算（衡算（Perform energy balance））n管件参数（管件参数（Fittings））连接接形形式式（（Connection type））、、管管件件数数目目（（Number of fittings）和其余当量）和其余当量长度（度（Miscellaneous L/D））5.6 管段管段Pipe——模模块参数（参数（1））60高级教育 5.6 管段管段Pipe——模模块参数（参数（2））长度度 直径直径 高度高度 粗糙度粗糙度 n管段参数（管段参数（Pipe parameters））61高级教育 5.6 管段管段Pipe传热规定定类型型能量平能量平衡参数衡参数n传热规定（定（Thermal Specification））62高级教育 5.6 管段管段Pipen管件参数（管件参数（Fittings））管件数目管件数目连接形式接形式其余当量其余当量长度度63高级教育 5.6 管段管段Pipe——结果果查看看查看看结果果n从数据从数据浏览器的器的Pipe对象下象下选择Results | Summary查看看结果，果，结果果显示示压降等参数。
降等参数64高级教育 n流流率率为4000kg/hr，，压力力为600kPa的的饱和和水水蒸蒸汽汽流流经 114 4的的管管道道管管道道长25m，，出出口口比比进口口高高6m，，粗粗糙糙度度为0.05mm，，传热系系数数为20W/m2 K管管道道采采用用法法兰连接接，，安安装装有有闸阀1个个，，90 肘肘管管2个个，，环境境温温度度为22℃℃计算算出出口口蒸蒸汽汽的的压力力、、温温度度以以及及管管道道的的热损失失各各是是多多少？物性方法采用少？物性方法采用STEAM-TA5.6 管段管段Pipe——例例题65高级教育 n管管线系系统Pipeline用用来来模模拟多多段段不不同同直直径径或或倾斜斜度度的管段串的管段串联组成的管成的管线5.7 管管线系系统Pipeline66高级教育 n结构配置（构配置（Configuration））5.7 管管线系系统Pipeline——模模块参数（参数（1））l计算方向（算方向（Calculation direction））l管段几何管段几何结构（构（Segment geometry））l热选项（（Thermal options））l物性物性计算（算（Property calculations））l管管线流流动基准（基准（Pipeline flow basis））n连接状接状态（（Connectivity））串串联管管线中每个管段中每个管段结构参数及管段构参数及管段间连接参数接参数67高级教育 5.7 管管线系系统Pipeline——模模块参数（参数（2））n结构配置（构配置（Configuration））68高级教育 n连接状接状态页面：面： Connectivity5.7 管管线系系统Pipeline——模模块参数（参数（3））在在弹出出的的管管段段数数据据(Segment data)对话框框中中逐逐段段输入入每每一一管管段段的的长度度、、角角度度、、直直径径、、粗粗糙糙度度，，或或者者节点点坐坐标(Node coordinates)、、直直径径、、粗粗糙度。
糙度69高级教育 5.7 管线系统管线系统Pipeline——模块参数（模块参数（4））70高级教育 5.7 管线系统管线系统Pipeline——模块参数（模块参数（5））n完成后的完成后的页页面如下：面如下：71高级教育 5.7 管管线系系统Pipeline——查看看结果（果（1））n从数据从数据浏览器的器的Pipeline对象下象下选择Results | Summary查看看结果果72高级教育 n每个每个节节点点处处的的结结果果5.7 管线系统管线系统Pipeline——查看结果（查看结果（2））73高级教育 n流流率率为80m3/hr，，温温度度为40℃℃，，压力力为400kPa的的 水水 流流 经 114 4的的 管管 线 ，， 管管 内内 壁壁 粗粗 糙糙 度度 为0.05mm管管线首首先先向向北北延延伸伸10m，，再再向向东5m，，再再向向南南10m，，然然后后升升高高5m，，再再向向东5m计算算管管线的出口的出口压力是多少？物性方法采用力是多少？物性方法采用STEAM-TA5.7 管管线系系统Pipeline——例例题74高级教育 。