换热网络是过程系统工程的一个重要组成部分,其有效综合对节能降耗具有重要意义。目前,换热网络研究方法大致可分为两类,即热力学方法和数学规划法。夹点法是热力学方法的主要代表,由于概念清晰,操作简单,在实际工程中得到了广泛的应用,但分步特性使其不能准确地权衡公用工程费用和换热器费用,极易获得局部最优解。数学规划法可分为确定性方法和随机性方法。确定性方法逻辑严密,理论上能够得到全局最优解,但在优化大规模换热网络时易收敛于局部最优解。随机性算法对问题的解析性质要求低,无需计算导数,适用于大规模连续或离散优化问题。但由于随机性,往往需要大量的运算时间以及众多的约束,以保证逻辑正确。所以对于工业级别的大规模换热网络,如何在合理的时间内获得期望解已成为学者们的研究重点。鉴于此,本文建立了一种新的大规模换热网络同步综合方法,并对其计算性能进行了验证。文章的主要内容如下:首先,在分析换热网络问题中常用的惩罚函数法的不足后,选取Lagrange乘子法优化换热网络。通过Lagrange乘子将约束条件与原目标函数结合,构建了新的Lagrange方程组。为求解此方程组,基于确定性方法,分别建立了最速下降法求解策略以及Powell法求解策略。同时,为优化整型变量,提出了结构进化策略,其能够有效地缩减搜索空间,在较短的计算时间内获得性能优越的网络结构。其次,在确定性方法和随机性方法的基础上,综合提出了一种新型Powell粒子群(Powell Particle Swarm Optimization,PPSO)算法。粒子的Powell特性使算法具有较高的搜索精度,而构建的启发式准则使算法具有较强的全局搜索能力,能够同时兼顾精度和效率。此外,提出了云记忆体和个体对立策略,有效地避免了由于陷入局部最优解而导致的早熟现象。同时,为使PPSO算法同步综合换热网络,提出了整型变量进化策略和整型变量判断策略,可以很好地处理问题中的整型变量。再次,分析论证了换热网络中的温差均匀性,以单体换热器为基础,建立了新的温差均匀性因子和热容均匀性因子。为验证两者的有效性,基于结构进化策略,提出了一种换热网络结构改进策略。计算结果表明,均匀性因子能够有效地反映网络结构的性能,改进后的网络结构性能相对更优,内部的能量也得到了重新分配。最后,在Lagrange乘子法、PPSO算法以及均匀性因子的基础上,综合建立了一种大规模换热网络同步综合方法。引入过程流体分组思想,降低问题的求解难度。采用热容均匀性因子和温差均匀性因子指导过程流体的匹配、组合;采用PPSO算法优化给定的流体组合,以获得对应的最优子网络结构。选取一个包含22股热流体、17股冷流体的大规模换热网络问题对算法进行验证。结果表明,在合理的计算时间内,算法获得了相对其他综合方法性能更优的网络结构。