Aspen進階篇4—流體輸送單元

在Aspen Plus中流體輸送單元歸屬於壓力改變器（Pressure Changers）模塊，共分為以下表中六種模型：

下面對各個模塊進行展開講解。

一、Pump模塊

1.Pump模塊用於模擬兩種設備——泵和壓縮機，其簡介如下：

• 泵：泵是把機械能轉化成液體的能量，用來給液體增壓和輸送液體的流體機械；

• 水輪機：水輪機是吧水流的能量轉換為旋轉機械能的動力機械。

泵可以模擬實際生產中輸送流體的各種泵，主要用來計算將壓力提升到一定值時所需的功率。模塊一般用來處理單液相，對於某些特殊情況，也可進行兩相或三相計算。

模擬結果的準確度取決於很多因素，如有效相態、流體的可壓縮性以及規定的效率等。

注意:如果僅計算壓力的改變，也可以用Flash以及Heater模塊。

2.Pump模型的連接示意圖如下：（紅色的代表必選，藍色的代表可選）

3. Pump的5種計算模型：

4.泵的模塊參數：

Pump最簡單的用法是指定出口壓力（Discharge pressure），並給定泵的水力學效率（Pump Efficiency）和驅動機效率（Driver Efficiency），計算得到出口流體狀態和所需的軸功率和驅動機功率。

標準的設計方法是使用泵的特性曲線（Performance curve），特性曲線有以下三種輸入方式：

• 列表數據 Tabular Data

• 多項式 Polynomials

• 用戶子程序 User Subroutine

其中列表數據是最常用的輸入方式。

泵的特性曲線各種輸入框:

這裡需要說一下NPSHR和NPSHA：

在我們設計泵的安裝高度時，應考慮NPSHR（必需汽蝕余量），英文全稱為：Net Positive Suction Head Required ,其計算方式為：NPSHR≈10-Hs（m）

（其中Hs為允許吸上真空度）。

根據安裝和流動情況可以算出泵進口處的NPSHA（有效汽蝕余量），英文全稱為：Net Positive Suction Head Required ,在實際使用條件下，選擇的泵應該滿足：NPSHA≥1.3 NPSHR。

5.實例演練

一離心泵輸送流量為100m3/hr的水，水的壓強為1.5bar，溫度為25℃。泵的特性曲線如下：

流量（m3/hr）

70

90

109

120

揚程（m）

59

54.2

47.8

43

效率（%）

64.5

69

69

66

求：泵的出口壓力、提供給流體的功率、泵所需軸功率各是多少?

操作如下：

Step1:構建流程圖

打開Aspen Plus，進入Simulation界面，在Main Flowsheet中的空白框中畫好如下簡單的流程圖，並將模塊名改為Pump：

Step2:輸入組分

進入Properties界面，在Components/Specification 界面輸入組分H2O

Step3:選擇物性方法

在Method/Specification界面選擇物性方法PENG-ROB

Step4:設置進料條件

進入Simulation界面，在Streams/FEED/Input界面根據題目要求輸入進料條件

Step5:設置模塊參數

進入Blocks/PUMP/Setup界面，指定模型及參數

接下來點擊Performance Curve，首先進行曲線設置，選擇Tabular data（列表數據），設置為操作狀態下的單條曲線（Single curve at operating speed）,流量單位選擇Vol-Flow（體積流量）

再接著輸入揚程（Head）和流量（Flow）數據，並設置揚程單位單位

最後輸入效率（Efficiency）和流量（Flow）數據

Step6:運行並得出結果

點擊Run，在Block/PUMP/Results/界面查看運算結果: 泵的出口壓力為6.46479bar，泵提供給流體的功率為13.8482kW，軸功率為20.0699kW。

當然這裡有幾個量需要單獨拿出來說，如下：

Head developed: 發生揚程，即已扣除泵的內部摩擦阻力；

Pump efficiency used: 所用泵效率

Net work required: 需要的凈功

二、Compr模塊

1.Compr簡介

Compr壓縮機模塊可以用於單相、兩相或三相計算，可以通過指定出口壓力或壓力增量或壓力比率或特性曲線計算所需功率，還可以通過指定功率計算出口壓力。

2.Pump模型的連接示意圖如下：（紅色的代表必選，藍色的代表可選）

3.計算類型：

針對於模擬壓縮機Compressor有如下8種計算模型：

英文名稱

中文名稱

Isentropic

等熵模型

Isentropic using ASME method

ASME等熵模型

Isentropic using GPSA method

GPSA等熵模型

Polytropic using AMSE method

AMSE多變模型

Polytropic using GPSA method

GPSA多變模型

Polytropic using piecewise integration

分片積分多變模型

Positive displacement

正排量模型

Positive displacement using piecewise integration

分片積分正排量模型

針對於模擬渦輪機Turbine只有如下1種模型：

英文名稱

中文名稱

Isentropic

等熵模型

4.效率：

Compr模型有三種效率：

5.特性曲線簡介

6.實例演練

一壓縮機將壓強為1.1bar的空氣加壓到3.3bar，空氣的溫度為25℃，流量為1000m3/hr。壓縮機的多變效率為0.71，驅動機構的機械效率為0.97。求：壓縮機所需要的軸功率、驅動機構的功率以及空氣的出口溫度和體積流量各是多少？

操作如下：

（因操作與Pump中很相似，所以在這裡不做紅色記號標註，不懂處可參考上例）

Step1:構建流程圖

打開Aspen Plus，進入Simulation界面，在Main Flowsheet中的空白框中畫好如下簡單的流程圖，並將模塊名改為Compr：

Step2:輸入組分

進入Properties界面，在Components/Specification 界面輸入組分AIR（空氣）

Step3:選擇物性方法

在Method/Specification界面選擇物性方法SRK

Step4:設置進料條件

進入Simulation界面，在Streams/FEED/Input界面根據題目要求輸入進料條件

Step5:設置模塊參數

進入Blocks/COMPR/Setup界面，指定模型及參數

Step6:運行並得出結果

點擊Run，在Block/COMPR/Results/界面查看模塊參數（可拖動下拉條）:

在Streams/PRODUCT/Results界面查看物流結果

三、MCompr

1.MCompr模型適用於四種單元設備

Ø 多級多變壓縮機 （Multi-stage PolytropicCompressor)

Ø 多級多變正排量壓縮機 （Multi-stage Polytropic Positive Displacement Compressor)

Ø 多級等熵壓縮機（Multi-stage Isentropic Compressor)

Ø 多級等熵渦輪機（Multi-stage Isentropic Turbine)

2.MCompr模型的外部連接圖：

MCompr模型的內部連接圖：

3.MCompr模型的模型參數

• 級數 (Number of stages): 指定壓縮機的級數

• 壓縮機模型 (Compressor model): 有六種計算模型供選用（具體可參見上個模塊的內容介紹）

• 設定方式 (Specification type): 指定壓縮機的工作方式

在這裡設定方式與Compr模塊不同，它分別是：
指定末級排出壓力 (Fix discharge pressure fromlast stage )

指定每級排出條件 (Fix discharge conditionsfrom each stage)

用特性曲線確定排出條件 (Use performance curves todetermine discharge conditions)

4.多級壓縮機特性曲線有三種輸入方式：

• 列表數據 Tabular Data

• 多項式 Polynomials

• 用戶子程序 User Subroutines

可以提供多張特性曲線表(Maps)，每張表又可以有多條特性曲線。多級壓縮機的每一級可以有多個葉輪(wheels)，可以為每個葉輪選用不同的特性曲線表、葉輪直徑和比例因子(scaling factors)

MCompr在壓縮機和渦輪機的各級之間有一個冷卻器，在最後一級還有一個后冷器，在冷卻器中可以進行單相、兩相或三相閃蒸計算。

這個模塊不在此做實例講解，有需要可參考孫蘭義老師的《化工流程模擬實訓——Aspen Plus教程》P69例5.4。

四、Valve

1. 簡介：

閥門Valve可以進行單相、兩相或三相計算，該模塊假定流動過程絕熱，並將閥門的壓降與流量係數關聯起來，可確定閥門出口狀態的熱狀態和相態。

2. 連接方式：

3.閥門模型有三種應用方式（計算類型）

絕熱閃蒸到指定出口壓力

Adiabatic flash for specified outlet pressure

對指定出口壓力計算閥門流量係數

Calculatevalve flow coefficient for specified outlet pressure

對指定閥門計算出口壓力(核算方式)

Calculateoutlet pressure for specified valve

其中在進行核算（即第三種計算類型）時，需輸入以下參數：

• 閥門類型 (Valve type)：截止閥 (Global)、球閥 (Ball)、蝶閥(Butterfly)

• 廠家(Manufacturer)：Neles-Jamesbury

• 系列/規格 (Series/Style): 線性流量 (linear flow)、等百分比流量(equal percent flow)

• 尺寸 (Size)：公稱直徑

• 閥門開度(Opening)

計算閥門小開度狀態時計算選項的設置很重要

• 檢查阻塞流動 Check for choked flow

• 計算空泡係數 Calculate cavitation index

• 設置最小出口壓力等於阻塞壓力 Minimum outlet pressure: Set equal to choked outlet pressure

4. 實例演練

水的溫度為 30 °C，壓強為 6 bar，流量為 150 m3/h ，流經一公稱通徑為 8 英寸的截止閥。閥門的規格為V500系列的線性流量閥，閥門的開度為 20%。

求：閥門出口的水壓強是多少？

Step1:輸入組分

Step2:選擇物性方法STEAM—TA

Step3:構建流程圖

Step4:輸入進料物流條件

Step5:輸入模塊參數

Operation界面參數輸入：

ValveParameters界面參數輸入：

Step6:運行並查看結果

在Blocks/Valve/Results界面查看閥門出口水的壓強為3.93765bar

五、Pipe

1.簡介

Pipe可以進行單相、兩相或三相計算，計算流體經過一單段管線的壓降和傳熱量，並且單線管段可以是水平的，也可以是有斜度的。如果已知入口壓力，Pipe可以計算出口壓力；如果已知出口壓力，Pipe可以計算入口壓力並更新入口物流的參數。Pipe通過管段參數（Pipe parameters）、傳熱規定（Thermal Specification）和管件參數（Fittings）等計算管段的壓降和傳熱量。

2. 連接方式

3. 管段參數（Pipe parameters）

4. 傳熱規定（Thermal specification）

5. 管件參數（Fittings）

連接方式： Connection type

法蘭連接/焊接Flanged/Welded，螺紋連接 Screwed

管件數量：Number of fittings

閘閥 Gate valves，蝶閥 Butterfly valves，90度肘管 Large 90 degree elbows，直行三通 Straight tees，旁路三通 Branched tees

其餘當量長度： Miscellaneous L/D

6.實戰演練

流量為 5000 kg/h，壓強為 7 bar的飽和水蒸汽流經Ф108×4mm的管道。管道長20 m，出口比進口高 5 m，粗糙度為 0.05 mm。管道採用法蘭連接，安裝有閘閥1個，90肘管2個。環境溫度為 20℃，傳熱係數為 20 W/（m2·K）。求：出口處蒸汽的壓強、溫度和含水率，以及管道的熱損失各是多少？

Step1:輸入組分

Step2:選擇物性方法

Step3：構建流程圖

Step4：輸入物流參數

Step5：輸入模塊參數

管段參數設定：

傳熱規定設定：（這裡將熱通量（Include heat flux）中勾選去掉）

管件參數：

Step6：運行並查看結果

在Streams/PRODUCT/Results界面查看出口水蒸氣情況：出口溫度163.9℃，出口壓力6.823bar，含水率0.006（1-汽相分率0.994）

在Blocks/PIPE/Results界面查看模塊情況：管道熱損失為18.2171kW

六、Pipeline

1.簡介

Pipeline用來模擬多段不同直徑或傾斜度的管段串聯組成的管線。在計算壓降和液體滯留量時，將多液相（如油相和水相）作為單一均勻的液相來處理。如果存在氣-液流動，Pipeline可以計算液體滯留量和流動狀態。

Pipeline假定流體的流動是一維、穩態且均勻的，即模擬時不考慮入口的影響，流動方向可以是水平的，也可以是有角度的，可以規定流體溫度分佈或通過熱傳遞計算其溫度分佈。

2.連接方式

3.結構狀態參數

4.連接狀態參數

在彈出的管段數據(Segment data)對話框中逐段輸入每一管段的長度、角度、直徑、粗糙度，或者節點坐標(Node coordinates)、直徑、粗糙度。

5.實例演練

流量為 100 m3/h，溫度為 50 ℃，壓強為5 bar的水流經Ф108×4mm的管線。管線首先向東延伸5 m，再向北 5 m，再向東 10 m，再向南 5 m，然後升高 10 m，再向東 5 m。管內壁粗糙度為 0.05 mm。

求：管線出口處的壓強是多少？

Step1： 輸入組分

Step2：選擇物性方法

Step3：構建流程圖

Step4：輸入進料條件

Step5：輸入模塊參數

輸入結構狀態參數

閃蒸規定中的有效相態設為只有液相

輸入連接狀態參數

首先選定一個基準建立坐標系，然後按照管線走向定義每個管段的坐標。入口節點（Inlet node）定義為1，出口節點（Outlet node）定義為2，入口節點的節點參數X坐標值（Inlet node | X coordinate）、入口節點的節點參數Y坐標值（Inlet node | Y coordinate）

、入口節點的節點參數高度值（Inlet node | Elevation）分別規定為0、0、0，出口節點的節點參數X坐標值（Inlet node | X coordinate）、出口節點的節點參數Y坐標值（Inlet node | Y coordinate）、出口節點的節點參數高度值（Inletnode | Elevation）分別規定為5、0、0，管內壁粗糙度為0.05mm。（這裡按照上北下南、左西右東的順序，並且以東為X軸正方向、北為Y軸正方向）

依次設置其餘五個管段的坐標

至此參數輸入完成（此處不用紅框標註，否則過於密密麻麻）

Step6：運行，並查看結果（可用滾動條查看剩餘部分），管線出口處壓強為3.59062 bar。

Pipeline的Profiles給出了每個節點處的結果：

寫到這裡，流體輸送單元的介紹就結束了，還有很多不同的狀況和參數設定需要大家根據實際情況來分析，在這裡希望能給大家起一個拋磚引玉的作用，謝謝大家！！！