近年来,化石能源的消耗日益增加,碳排放量也持续上升,能源与环境问题逐渐引起人们的广泛关注。发展先进的节能技术和方法来回收工业中广泛存在的低温余热对能源利用效率的提高以及节能减碳目标的实现具有重要意义。随着化工系统工程和热能与动力工程学科的发展,可实现余热回收的换热器网络综合技术和压缩-吸收复叠制冷、有机朗肯循环等先进热力循环技术已经取得巨大进步。对于低温余热充足且存在冷、热、电等多种应用需求的工业过程,开展换热器网络与压缩-吸收复叠制冷系统及有机朗肯循环等先进热力循环的协同集成研究具有重要理论意义和实际应用价值。提高余热回收率和提升热力循环性能均是提高能源利用效率的有效方法,但目前针对余热回收的研究大都只侧重于某一种技术的优化,忽略了与之协同技术操作工况的影响;未深入考虑不同技术间的作用机制及耦合关系;未能从全局角度出发进行系统性优化。因此,本文首先将考虑内部参数优化的压缩-吸收复叠制冷系统与换热器网络进行同步综合,奠定换热器网络与热力循环的耦合集成机制基础;而后基于复叠制冷系统的多能量特征,将有机朗肯循环与压缩-吸收复叠制冷系统协同集成,提出了可权衡热力学性能和经济性的多目标优化设计方法,揭示有机朗肯循环与压缩-吸收复叠制冷系统的耦合作用关系;随后为了满足能量的多样化需求并进一步提高余热利用效率,提出了热力学模型与数学规划模型相结合的同步集成方法,从全局角度对由换热器网络、压缩-吸收复叠制冷系统及有机朗肯循环构成的新型集成系统进行优化设计。最后,将上述方法应用于工业实践,验证其有效性与可行性。本论文主要研究内容如下:（1）针对集成制冷系统的换热器网络综合研究未考虑制冷系统内部操作参数对换热器网络结构影响的问题,本文提出了考虑内部参数优化的压缩-吸收复叠制冷系统和换热器网络同步综合方法,分别基于简洁离散温度模型和严格热力学模型对耦合过程的关系进行量化表达,建立了以最小年度总费用为目标函数的混合整数非线性规划模型,解决了压缩-吸收复叠制冷系统和换热器网络的集成优化问题。对算例优化比较后发现,与未利用余热制冷技术相比,基于简洁离散温度模型得到的压缩-吸收复叠制冷系统与换热器网络最优综合结果的总余热回收率提高了18.7%,冷公用工程消耗降低了29.3%;与简洁离散温度模型相比,基于严格热力学模型得到的最优综合结果对应的制冷性能提升了0.17,年度总费用降低了36.4%,表明压缩-吸收复叠制冷系统的集成使用能够有效提升能源利用效率并降低外部公用工程消耗,内部参数的同步优化则能够进一步提升制冷性能并大幅降低经济成本。本方法揭示了热力循环内部参数与换热器网络结构的关联作用,为后续换热器网络与多个热力循环的集成研究奠定了耦合机制基础。（2）针对有机朗肯循环与压缩-吸收复叠制冷系统耦合结构单一及两者与热源关联作用弱的问题,本文全面考虑了循环间耦合的各种可能以及余热利用的多种形式,对有机朗肯循环、复叠制冷及热源之间结构与参数的交互作用进行同步优化设计,并通过多目标优化实现经济目标和热力学目标之间的权衡。通过一算例来证明所提方法的有效性,优化后得到了一系列经济性与热力学性能权衡的Pareto最优解,其中经济目标下集成结构的年度总费用为-1650880$/y,对应的系统总（?）损为11675 k W;热力学目标下集成结构的系统总（?）损为7848 k W,对应的年度总费用为946017$/y。通过算例分析发现,随着有机朗肯循环和复叠制冷系统热耦合程度的增强,系统总（?）损减小,年度总费用增加。本研究为压缩-吸收复叠制冷-有机朗肯循环集成系统的优化设计提供了方法框架,揭示了操作参数与集成结构对系统热经济性能的影响规律,并明确了不同优化目标下复叠制冷系统与有机朗肯循环的耦合机制及两者与热源的作用关系。最后对影响集成结构及系统性能的关键参数进行灵敏度分析,为集成系统性能的提升提供有效的热力学可行性指导。（3）对同时包含冷、热、电应用的多种余热回收技术进行全局性优化集成从工业需求以及能源效率的提升等角度均有着重要意义。然而,如何建立各技术间的驱动与用能关系,且考虑所有技术的内部运行机制以便对操作参数进行同步优化,是集成方法论上面临的一个挑战。本文提出同时包含换热器网络、压缩-吸收复叠制冷系统及有机朗肯循环内部匹配运行及外部作用耦合的拓展超结构,建立严格热力学模型与数学规划模型相结合的同步集成方法,从全局角度实现了换热器网络耦合冷电联产系统的集成优化。针对同步集成模型复杂、求解困难的问题,提出一系列与系统结构及运行操作相关的经验规则作为辅助求解策略,强化求解过程,缩短求解时间。应用本文所提方法对两个不同应用场景的算例进行优化设计。算例1经济目标下对应的系统总（?）损较先前方法降低了31.5%,验证了所提方法在提升能源效率、降低能源损失方面的优越性。算例2将生产的低温冷能存储起来用于满足其他过程的制冷需求,优化后经济最优结构的年度总费用为1124778$/y,系统总（?）损为2531 k W,热力学最优结构的系统总（?）损为900 k W,年度总费用为1319326$/y。（4）本文最后将所提方法应用于低温甲醇净化过程,对工艺过程提取出的换热流股进行换热器网络综合并将其耦合压缩-吸收复叠制冷系统及有机朗肯循环进行集成优化,最终得出经济和热力学性能最优的用能方案。与原文献的最优方案相比,本文所提方法对应经济最优方案的余热回收率提高了13.4%,完全取消了冷却水的使用,氨冷的消耗量降低了1.7%,另外,集成过程中产生的额外功率可以发电获利,在一定程度上降低了经济成本。通过多目标优化,决策者也可根据自身对经济和热力学性能的权衡选择满足需求的最佳方案。本文研究证明了所提方法在提升能源效率及降低经济成本方面的应用潜力和发展价值,能为煤制甲醇过程能量的高效合理利用提供重要理论指导。