循环冷却水系统广泛应用于化工、电力、炼油等行业中，其水耗和能耗非常高，研究循环冷却水系统的节水节能和运行优化具有重要意义。本文对循环冷却水系统中重要设备冷却塔进行建模分析，验证了模型的准确性，利用该数学模型对冷却塔进行严格计算，在不同空气状态、不同水与空气进料质量比和不同进塔水温情况下，分别得到了空气干球温度、空气湿度和冷却水温度在塔内沿塔高的变化规律；建立系统的费用模型，以某一单塔单换热用户系统为例，研究系统中水与空气质量比、循环水量和换热器面积对系统设备费、操作费和总费用影响规律；针对两塔三用户系统，采用换热用户来自一个塔就回同一个塔方案，得到6种结构组合，随着换热用户和冷却塔数目的增加，匹配方案将按几何级数递增，为快速准确地找到最优匹配方案，须采用合理的优化算法解决。针对多冷却塔循环冷却水系统，建立了基于遗传算法的优化算法，以循环水量、空气流量、换热用户与冷却塔匹配方式及首次被引入的换热器换热面积作为优化变量，并结合冷却塔严格数学模型同步优化求解冷却塔出塔水温，找到冷却塔与换热器之间的最优匹配方式。以二塔三用户系统为例，采用遗传算法同时进行结构和参数优化计算，得到了更优的匹配方式、出塔水温、最佳换热面积及进出每个换热器的循环水温度和流量等，三种空气状态下循环冷却水系统总费用分别降低51.7%、47.4%、27.9%。通过算例优化结果可看出，采用遗传算法对多冷却塔循环冷却水系统同时进行结构和参数优化，优化效果明显。采用上述优化算法对大型工业实例进行优化，在三种不同的环境条件下，对MDI算例两塔五换热用户的优化，总费用分别降低约41%、31%、29%；TDI算例八换热用户分别用单塔进行参数优化，用两塔和三塔同时进行结构和参数优化后，单塔总费用降低25%，两塔和三塔总费用降低幅度约75%；以上结果表明，同时进行结构和参数优化，可以减少资源的浪费。为实际工业循环冷却水系统的节能降耗提供可靠的理论依据。