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换热网络设计
换热网络概述
换热网络
换热网络设计是化工过程设计中的一个重要环节，它涉及到多个换热器的优化配置，以实现能量的有效利用和系统的经济性。CSLAB换热网络软件可以进行换热网络的设计与优化，可用来分析和提升新建或者现有工艺中换热网络的性能降低能量消耗，对能量系统集成理论、夹点技术和工艺流程优化实现综合应用。
换热网络使用方法
1. 登录
打开网址 https://cslab.oberyun.com/login ，输入用户名和密码，点击登录即可进入软件。
图 登录界面
进入系统后，点击 "换热网络设计" 模块，即可开始设计任务。
图 进入换热网络设计入口
2. 工程建立界面
进入CSLAB首页，选择换热网络设计，进入换热网络设计页面，如图所示。
图 换热网络设计
创建换热网络项目有三种方式：
① 创建空白项目：点击新建工程—输入工程名字—输入工程描述—点击保存，如图所示。
图 创建空白项目
② 导入稳态模拟项目：点击新建工程—输入工程名字—输入工程描述—选择稳态模拟工程—点击保存，如图所示。
图 导入稳态模拟项目
③ 导入已有换热网络项目：点击导入项目—选择导入文件—点击打开，如图所示。
图 导入已有换热网络项目
3. 功能区介绍
CSLAB 换热网络软件功能区的主要图标及功能介绍见下表。
| 图标 | 说明 | |
 | 用于确定多级公用工程使用目标,假设温度越低的热公用工程越便宜,温度越高的冷公用工程越便宜,以此基于温度并结合总组合曲线确定各公用工程的使用目标。 | |
 | 用于添加换热器。鼠标左键拖动该图标放置在物流线上,完成换热器添加。 | |
 | 用于添加分流。鼠标左键拖动该图标放置在物流线上,完成换热器添加。 | |
 | 用于在换热网络图中显示夹点线和夹点温度。 | |
 | 基于给定的物流信息,自动设计换热网络。含有不考虑分流和考虑分流两种方案。 | |
 | 用于显示路径。路径是通过连接物流和换热器在冷热公用工程之间转移能量的一条路线，可以改变热物流和冷物流之间的温差。 | |
 | 用于显示回路。在换热网络结构图中，如果存在一条路径，可以从某个起点出发，经过一系列换热器和物流，最终又回到该起点，那么这条闭合路径就构成一个回路。 | |
 | 用于换热网络设计方案的复制。 | |
夹点分析
夹点分析是过程集成技术中的核心方法，它采用热力学原理和系统工程方法为化工、冶金、制药等过程工业的能量回收系统换热网络提供了一套目标设定、分析与优化的完整框架。其核心思想是先定目标，再做设计，即在具体设计换热网络之前，首先从宏观上确定该系统理论上所能达到的最佳性能指标。
1. 目标分析
目标是代表理想情况的理论值，可以为换热网络设计提供指导和参照 。CSLAB换热网络的目标分析提供了能量目标、面积目标、单元数目标和成本目标
能量目标
能量目标是指在给定工艺物流条件和最小传热温差下，过程系统理论上所能达到的最小加热负荷和最小冷却负荷。
面积目标
面积目标是换热网络中的热物流和冷物流达到其指定温度所需的最小传热面积，CSLAB 换热网络设计软件提供了换热器类型为逆流型和 1-2 型管壳式下的面积目标。此外面积目标还用于计算换热器的投资费用。
单元数目标
单元数目标提供了换热网络所需的最少单元数，以及满足最小能量需求下的换热单元数。
成本目标
成本目标包括投资费用、操作费用和总费用，总费用等于投资费用与操作费用之和，计算公式如下：
投资费用
操作费用
年总费用
年度化因子
2. 夹点分析
夹点分析中提供了组合曲线、总组合曲线、位移组合曲线、平衡组合曲线、位移平衡组合曲线、传热温差与经济曲线。用户通过分析可视化的图像，可以确定最优的传热温差，也可以分析出热集成方案。
2.1 组合曲线
组合曲线是基于夹点技术的图形化工具，由热组合曲线和冷组合曲线构成。用于分析过程系统的热集成潜力、确定能量目标和识别夹点位置。
2.2 总组合曲线
总组合曲线是在温度-热负荷坐标系中，将所有热物流和冷物流按温度区间进行热级联后，绘制出的净可用热量随温度变化的阶梯状曲线。它反映了系统在不同温度水平上可提供的余热或所需的热量。
总组合曲线可用于识别能量品位层级，显示高温余热、中温热源和低温需求的分布；确定公用工程优化方案，支持多级公用工程的分级利用；指导热集成与过程改进；计算理论最小能耗。
2.3 位移组合曲线
位移组合曲线是对原始工艺物流温度进行位移，使得组合曲线在夹点处相交的情况。
2.4 平衡组合曲线
平衡组合曲线是包含冷热公用工程的组合曲线。
2.5 位移平衡组合曲线
位移平衡组合曲线是包含冷热公用工程的位移组合曲线。
2.6 传热温差与经济曲线
传热温差与经济曲线是最小传热温差与换热网络年总成本之间的关系曲线，曲线用于找到一个经济最优的传热温差。
下面通过一个实例，介绍下在CSLAB换热网络软件中进行目标分析和夹点分析。
例 某工艺流程的工艺物流数据、公用工程数据分别见下表。在CSLAB中完成以下问题：
表 工艺物流数据
| 名称 | 初始温度(K) | 目标温度(K) | 热容流率(W/K) | 热负荷(W) | 传热系数(W/m2K) |
| Hot1 | 543.1 | 433.1 | 18 | 1980 | 720 |
| Hot2 | 493.1 | 333.1 | 22 | 3520 | 720 |
| Cold1 | 323.1 | 483.1 | 20 | 3200 | 720 |
| Cold2 | 433.1 | 483.1 | 50 | 2500 | 720 |
表 公用工程数据
| 名称 | 初始温度 | 目标温度 | 成本指数 | 传热系数 | 热负荷 | 热容流率 |
| (K) | (K) | (€/J) | (W/m2K) | (W) | (W/K) | |
| CW | 288.1 | 293.1 | 2.125e-10 | 1.35e+4 | 800 | 160 |
| HP | 523.1 | 522.1 | 2.500e-9 | 2.16e+4 | 400 | 400 |
| MP | 473.1 | 472.1 | 2.200e-9 | 2.16e+4 | 600 | 600 |
- 通过传热温差与经济曲线确定最小传热温差；
- 确定能量目标、面积目标、单元数目标和成本目标；
- 生成组合曲线、总组合曲线。
本例模拟步骤如下：
(1) 新建项目：打开CSLAB化工模拟实验室，进入换热网络设计板块，新建工程并命名，如图所示。
图 新建工程
(2) 配置基础信息：进入工艺物流页面，将工艺物流数据表中的数据输入到表格中，输入完成后如下图所示。进入公用工程页面，将公用工程数据表中的数据输入到表格中，输入完成后如下图所示。进入经济参数页面，相关数据采用软件默认值，如下图所示。
图 输入工艺物流数据
图 输入公用工程数据
图 查看经济参数
(3) 确定最小传热温差：进入夹点分析页面，在页面右侧的下拉框中选择传热温差与经济曲线，最小传热温差下限和最小传热温差上限分别输入5和20，输入完成后点击运算按钮。生成的总费用与最小传热温差关系如下图所示，经观察可以看出最小年总费用对应的最小传热温差在 14K左右，因此本例最小传热温差取14K。图像下方的表格展示了图像中各点坐标的值。
图 查看传热温差与经济曲线
(4) 确定目标值：进入夹点分析页面，在页面左侧输入最小传热温差为14K。返回到公用工程页面，点击自动分配按钮，重新计算当前最小传热温差下的多级公用工程分配，计算完成如下图所示。继续回到夹点分析页面，点击运算按钮，计算后可以查看能量目标、面积目标、单元数目标和成本目标的计算结果。注：面积目标中逆流换热器和管壳式换热器的结果一致是因为处理管壳式换热器时，对数平均温差校正因子取值为1。
图 自动分配确定多级公用工程
图 查看目标分析结果
(5) 生成组合曲线和总组合曲线：进入夹点分析页面，在页面右侧的下拉框中选择组合曲线，查看生成的组合曲线，如下图所示，同理查看总组合曲线。
图 查看组合曲线
图 查看总组合曲线
视频 目标分析与夹点分析
换热网络设计
CSLAB 换热网络软件支持换热网络手动设计和自动设计。
换热网络手动设计
手动设计基于夹点技术原理，通过遵循物流匹配、公用工程布置等关键准则从夹点出发将系统分为温区进行设计，其过程直观体现了热集成的热力学本质。
例 在上一例题的基础上，使用CSLAB换热网络设计手动设计换热网络。
本例模拟步骤如下：
(1) 打开命名例3.1的项目，进入网络设计页面，可以看到包含工艺物流和公用工程的空白画布，如下图所示。点击页面上方的夹点线按钮，显示夹点线和夹 点温度（热物流夹点温度 447.1K，冷物流夹点温度 433.1K），如图所示。
图 空白换热网络图
图 显示夹点线和夹点温度
点击换热网络图下方设计方案名前面的图案，可以对设计方案重命名及添加描述，所示，将设计方案重命名为“手动设计”，并添加手动设计换热网络的描述。
图 重命名画布
(2) 夹点之上换热网络设计
夹点之上含有两股热物流和两股冷物流，满足物流数目准则，不需要分流。添加换热器连接物流Hot1和Cold1，具体操作为：鼠标左键拖动换热器图元 至物流Hot1，再鼠标左键拖动换热器图元 至物流Cold1，然后点击其中一个圆球的圆心至另一个圆球的圆心上，则生成连线，这样一组换热器匹配便连接完成，如下图所示。换热器默认名称为E001，在换热器配置页面可以进行修改。双击E001的任意一端，利用冷热工艺物流夹点温度完善换热器信息，冷热物流进出口温度可以在运行前输入，也可以在运行后输入，主要是用于和换热器进出口温度绑定。在换热器收敛的前提下，如果热物流进口温度等于换热器热端进口温度，那么在画布中对应的虚线就会变为实线，其余三种温度同理。输入完成后点击运行按钮，换热器的所有温度、温差、热负荷、面积均被计算出来，运算成功左下角会显示绿色的已收敛标签，如下图所示。添加换热器 E002 连接物流 Hot2 和Cold2，利用冷热工艺物流夹点温度完善换热器信息，如图所示。物流Hot1所剩热负荷可以继续和Cold2匹配，添加换热器E003连接物流Hot1和Cold2，E003的设置如图所示。此时，当前夹点上的换热网络设计完成，如图所示。
图 添加换热器
图 设置换热器 E001
图 设置换热器 E002
图 设置换热器 E003
图 当前夹点之上换热网络
夹点之上没有其他热工艺物流，因此物流Cold2剩余所需热量由热公用工程提供。添加换热器E004连接物流Cold2和公用工程HP，E004的设置如图所示。需要注意的是，公用工程上的换热器进出口温度需要用户输入。
此时夹点之上的换热网络已经完成，如下图所示。
图 设置换热器 E004
图 夹点之上换热网络
(3) 夹点之下换热网络设计
夹点之下含有两股热物流和一股冷物流，满足物流数目准则。依据热容流率准则，冷物流Cold1只能与热物流Hot2在夹点处换热，添加并设置换热器E005，如图所示。热物流Hot1与Hot2剩余的热负荷由冷却器提供，添加并设置换热器E006 和 E007，如下图所示。此时，夹点之下的换热网络已经完成，如图所示。
图 设置换热器 E005
图 设置换热器 E006
图 设置换热器 E007
图 夹点之下换热网络
最终设计完成的换热网络如下图所示，在图下方，可以查看设计方案中每个换热器的进出口温度、热负荷、换热面积、公用工程使用量等结果。此外，点击右侧的导出按钮，可以将换热器结果导出至 Excel。
图 完整的换热网络
图 换热器结果表
图 导出换热器结果表
换热网络自动设计
CSLAB换热网络软件的自动设计功能，基于给定的物流信息，自动设计换热网络，含有不考虑分流和考虑分流两种设计方法。
例 在上例的基础上，使用CSLAB换热网络设计软件自动设计换热网络。
本例模拟步骤如下：
(1) 打开命名例3.1的项目，进入网络设计页面。点击页面上方自动设计中的不考虑分流按钮，运行后生成不考虑分流下的自动设计结果。
图 自动设计计算模式
图 不考虑分流下的换热网络
点击页面上方自动设计中的考虑分流按钮，运行后生成考虑分流下的设计结果。注：自动设计时允许的最大分支数是5。此外当分流下的设计方案无结果时，系统会自动转为不考虑分流下的运算，并生成不考虑分流下的换热网络设计方案
图 考虑分流下的换热网络
双击Hot2上的分流，可以查看分流的进出口温度，两分支的分流比和热负荷。
图 查看分流结果
换热网络优化
换热网络设计后，可以节能经济效益为目标优化换热网络，考虑消除回路、不经济的小换热器、距离太远管路成本过高的换热关系等方法，用户使用CSLAB换热网络软件，既可以手动消除回路，也可以使用软件的自动消除回路功能。
例 在例题不考虑分流设计方案的基础上，使用CSLAB换热网络软件手动消除回路对换热网络进行优化。
本例模拟步骤如下：
打开命名例3.1的项目，进入网络设计页面，选择不考虑分流设计方案所在画布。为了确保数据不丢失，这里复制一张画布进行消除回路的操作。点击设计1上方的复制当前画布按钮，生成设计1(1)画布。
图 复制画布
点击页面上方的回路按钮，运算后按钮旁边会显示回路结果，当前换热网络含有一个回路E4/ E1/E2/E3。如果存在多个回路，则单击下拉框可以查看所有回路。同时换热网络图中会高亮显示当前选中的回路。
图 显示回路
断开回路可以减少一台换热器，一般总是移除热负荷最小的换热器，然后将其热负荷转移至其他换热器。在画布下方的换热器表格中可以查看各换热器的热负荷，E1、E2、E3、E4 的热负荷分别为 1000 W、728 W、691.7 W、2200W，E3 的热负荷最小，因此通过移除E3断开回路。
右键单击换热器E3的一端，选择删除。删除E3后，E2和E4热负荷需要增加691.7W，E1热负荷减少691.7W。双击E4，修改热负荷为2891.7W，并把换热器热端进口温度和冷端出口温度删除掉，放开计算的自由度，如下图所示。点击运行按钮，E4运行收敛。由于E4热端进口温度的变化，导致E8的热端进出口温度要随之变化，双击E8，重新配置热端进出口温度并运行。同理，设置换热器E1和E2。
图 删除换热器 E3
图 修改换热器E4热负荷
图 设置换热器E4
图 设置换热器E8
图 设置换热器E1
图 设置换热器E2
消除回路后的换热网络如下图所示。
图 消除回路后换热网络
进入结果摘要页面，可以查看手动设计、自动设计不考虑分流（设计1）、自动设计考虑分流（设计2）和对不考虑分流消除回路（设计1（1））这四种情况下的设计结果。对比发现，自动设计以及优化后的自动设计方案都不如手动设计的年总费用低，所以用户接下来还可以对手动设计方案进一步进行换热网络优化，尝试进一步提升效果。
图 结果摘要
例 在不考虑分流设计方案例题的基础上，使用CSLAB换热网络软件自动消除回路功能对换热网络进行优化。
本例模拟步骤如下：
打开命名例3.1的项目，进入网络设计页面，选择不考虑分流设计方案所在画布。点击页面上方的回路按钮，运算后按钮旁边会显示回路结果，当前换热网络含有一个回路E1/E2/E3/E4。选择该回路后，换热网络图中会高亮显示。
在当前画布的任意区域单击，弹出窗口如下图所示，选择清除回路选项，运算成功后会生成清除E1/E2/E3/E4回路后的换热网络图。
图 清除回路
图 自动消除回路后换热网络
需要注意的是，如果消除回路后不能够满足传热温差的需求，那么会弹出错误提示，这种情况下就需要用户结合路径进行能量松弛从而手动消除回路，或者尝试选择另外的回路进行自动消除。
图 错误提示
实例模拟与分析
现有煤制甲醇工艺流程，如图所示，在CSLAB稳态模拟软件中已经搭建完成并运行成功。请使用CSLAB换热网络设计软件对煤制甲醇工艺进行换热网络分析及节能方案设计，并在CSLAB稳态模拟软件中实施节能方案。
图 初始煤制甲醇工艺流程
本例模拟步骤如下：
打开CSLAB稳态模拟软件，选择煤制甲醇项目（煤制甲醇例题-初始），确保流程中的换热器均有热源和冷源，缺少的需要添加公用工程。完成后运行计算。
打开CSLAB换热网络设计软件，新建工程，稳态模拟列表下拉框中选择上述稳态项目（煤制甲醇例题-初始）。
图 导入稳态模拟项目
经过上述操作，在工艺物流和公用工程页面可以查看提取出的物流数据，分别如下图所示。
图 工艺物流
图 公用工程
最小传热温差的选择与投资费用和操作费用有直接关系，进入夹点分析页面在右侧夹点分析下拉列表中选择传热温差与经济曲线，最小传热温差上下限设置为
图 设置传热温差上下限
图 传热温差与经济曲线
在左侧目标分析页面，最小传热温差处输入 10，点击运算，可以查看当前夹点温度和各个目标值，并以此最小传热温差绘制组合曲线和总组合曲线。
图 初始目标分析结果
图 组合曲线
图 总组合曲线
上图的组合曲线图表明了工艺流股中所有热流股和冷流股的换热量和温位要求。通过分析，如下图可以看出热物流在340 K左右存在较大的平台区，冷物流在370 K左右存在较大的平台区，这两部分平台区为甲醇精制塔的热负荷。由于温差较小，在40 K以内，可以采用热泵精馏技术。
图 组合曲线平台区
原始工艺流程中T502为甲醇精制塔，其塔顶和塔底温差达到36 K，同时该塔塔顶冷凝器和塔釜再沸器热负荷较大，消耗了较多的冷热公用工程。因此提出流程改进方案：甲醇在T502塔顶不再冷凝，而是利用热泵压缩机将甲醇蒸汽直接压缩到较高压力，如下图所示，使得甲醇蒸汽的相变温度与塔釜物流进行换热使得塔顶蒸汽冷凝、塔釜液体再沸，可以回收大量的塔顶蒸汽冷凝相变潜热与降温显热，实现相变潜热的多效利用。
图 热泵精馏后工艺流程
采用同样的方法将稳态模拟流程导入换热网络设计软件中，提取出的工艺物流如下图所示。采用热泵精馏技术后组合曲线和总组合曲线分别展示在下图，目标分析结果如下图所示。与初始流程中的目标值相比，热公用工程使用量目标值由
图 热集成工艺物流
图 采用热泵精馏后组合曲线
图 采用热泵精馏后总组合曲线
图 热泵精馏后目标分析
热泵精馏技术应用前后工艺流程对比图如下，上方图片为未使用热泵精馏技术的结果，下方图片为使用热泵精馏技术的结果。由图可知，热泵精馏技术的应用实现了对甲醇蒸汽相变热的回收利用，冷公用工程能耗由
图 热泵精馏技术应用前后结果对比
最终采用热泵精馏技术的换热网络如下。
图 热泵精馏后换热网络
视频 煤制甲醇例题