众所周知,过程工业(石化、电力、冶金、造纸等)是高耗能、高耗水行业,近年来能源匮乏和水资源短缺的问题日益严峻,过程工业用能与用水的成本也随之增加,过程工业的节能减排迫在眉睫。同时,环保法规逐渐强化,可持续性发展的理念持续深化,过程工业的节能减排势在必行。能量集成(热集成)和质量集成(水集成)是实现过程工业的节能减排的重要手段。集成的方法主要可以分为概念设计法和数学规划法,概念设计法以基于夹点技术的图形法为主,容易操作,可以快速获得可行的设计方案。概念设计法通常是分步设计法,先确定能源或资源目标,再设计网络。数学规划法则通过建立数学模型,利用优化算法对模型求解,可以考虑系统不同部分的相互关系,且可以通过同时优化多个目标。本文针对过程工业能源和资源集成问题,基于热集成水网络、换热网络、工业园区厂际换热网络,分别从概念设计法和数学规划法着手,开发系统的优化设计方法,主要工作内容如下:(1)针对T-H图设计热集成水网络的换热网络结构单一的问题,开发了新的图形方法,利用H-F图寻找换热匹配。非等温混合和流股分流可以通过H-F图组合曲线的组合和拆分实现。在H-F图中构造匹配组合曲线可以设计并联的换热网络结构,通过调整匹配曲线的形状可以实现换热网络简化。此外,基于对T-H图和H-F图的新见解,提出换热网络演化方法,可以得到串联和并联的混合结构,两个算例的实施验证了演化方法的可行性。(2)针对T-H图和H-F图设计换热网络无法优化设备投资费用的问题,开发一种新的图形工具,即换热区块图,该图形工具提高了对设计热集成水网络的换热网络所采用的图形工具与换热网络结构的关系的理解。通过分析冷流股区块和热流股区块的能量盈余和能量亏缺,可以确定公用工程最小消耗量,通过构建换热匹配区块可以确定换热匹配。该图形方法不仅可以获得串联或者并联结构网络,也可以获得串联和并联混合结构。此外,提出一种启发式方法优化换热网络设备投资费用:逐步寻找换热负荷较大的换热匹配。通过该系统性方法可以得到投资费用较低的换热网络。两个算例的实施验证了该方法的可操作性和可用性。(3)包含丰富结构的换热网络模型通常都是非凸非线性的复杂混合整数非线性规划问题,求解极度困难。混合整数非线性模型的求解以及在没有良好初始解时的模型可行性,依然是换热网络优化研究所面临的挑战。为此,基于转运模型,建立一个新型换热网络转运模型,构建为约束条件全为线性的混合整数非线性模型。流股分流、旁路、等温和非等温混合以及多公用工程的结构均包含在模型内。此外,提出计算换热温差的新方法,通过分段计算得到更准确的换热器面积。文章通过六个文献算例证明所提出模型的有效性和适用性,结果表明,针对部分算例,所提出的模型可以获得更好的结果。(4)针对过程工业中水资源和能源同步优化问题,基于改进的转运模型,建立热集成水网络数学模型,并提出有效的求解策略。为了使模型更接近工业实际,模型考虑废水处理装置和多杂质水网络。以最小化年度总费用为目标函数,提出一个三步求解策略,以保证获得优质的解。求解过程中,先后优化新鲜水消耗量、松弛的年度总费用和真实的年度总费用。优化松弛的年度总费用可以生成优质的初始解,有助于最后一步优化真实的年度总费用。采用四个算例验证模型的适用性和求解策略的效率,结果表明该模型适用于热集成水网络的优化设计,更重要的是,对于大规模案例,可以得到更好的解。(5)针对生态工业园区厂际热集成问题,将厂内换热网络转运模型拓展至厂际换热网络模型,建立采用中间介质的厂际热集成模型。与工艺流股不同的是,中间介质的数目、流量以及温度均为未知量,在模型中通常为非线性形式,从而导致求解困难。为了解决该问题,提出了新的公式以识别温度未知的中间介质在整个温度区间的准确分布,即可传热温度区间。此外,开发新的混合整数线性约束用于描述中间介质的流动模式,从而计算管道和泵的费用。模型的约束条件均保持线性,降低了模型求解难度。该模型优化了中间介质的参数,同时也探究了中间介质不同流动模式的热集成效果,不仅优化了公用工程消耗量也优化了年度总费用。案例研究表明,相比于文献,该模型可以得到年度总费用更低的结果以及合适的中间介质流动模式。(6)将改进的换热网络转运模型拓展至厂际热集成网络优化,建立直接采用工艺流股换热的厂际换热网络模型,同步优化厂内换热网络和厂际换热网络总费用,包括管道和泵费用,可以更好权衡厂内和厂际换热网络关系。建立混合整数线性约束追踪工艺流股厂际输送,从而确定管道和泵费用,同时也探究三种不同厂际热集成方案的效果。算例研究表明,本文模型可以得到比文献更好的结果。此外,由于模型包含更多的结构可能性,该模型可以获得具有独特结构的结果。