根据“三环节”理论，化工过程是由换热、分馏/反应和公用工程三个子系统构成的。本文分别从换热、分馏/反应、换热与分馏的相互作用和公用工程四个方面对过程系统能量综合问题进行了研究。换热方面：在换热网络同步优化设计模型中，加入了分流器和混合器的投资项，考虑了温度变化对物流热性质的影响，并在优化计算前设置了基于工程和热力学约束的人工干预环节，不但提高了模型精度，还大大降低了MINLP问题的超结构规模，真实实现了同步优化合成。分馏方面：1、进行了石油馏分简单塔多变量操作优化研究，由于采取了严格的逐板焓计算，恒分子流假设被舍弃，又由于考虑了全塔压降对塔板温度的影响，使其对减压系统的处理更精确。2、提出了流程模拟辅助分馏系统操作优化的一般方法。该方法用模拟取得的状态变量Y和独立变量X的差分△Y/△X替代其微分dY/dX，从而规避了复杂的过程约束方程组关于Y和X的Jacobi矩阵计算，使广义集约梯度计算和顺梯度方向的最佳步长寻优成为可能，其中，表征过程机理的传递矩阵稀疏化研究更大大减少了模拟计算的工作量。3、改进Chevron三参数窄集总模型，建立了基于严格化学反应计量数的馏分油加氢裂化反应机理建模。其要点是否认了Pacheco等人关于反应集总化学计量系数等于其分布函数的假设，并基于碳平衡原理，导出了利用分布函数严格计算化学计量数的方法，从而改善了化学氢耗和化学反应热的计算，使机理模型中的化学反应平衡和物料、能量平衡更为精确。换热网络与分馏塔相互作用方面：总结了复杂塔回流热分布特征，提出了全塔、局部、单回流三层面回流参数调优方法，并基于温度和流量干扰线性化处理，建立了换热网络操作方程，由此发展了基于回流参数调整的目标物流换热终温优化方法。同时，提出了结合人工干预和流程模拟的换热网络与分馏系统协同优化一般方法，该方法允许对分馏塔和换热网络进行结构调整，通过内置的换热网络模拟模型和改进的Dhulesia内插模型，对调优过程中的网络行为和侧线产品质量进行监控。公用工程方面：提出了“广义公用工程”的概念，将装置工艺加热炉从用能的角度从装置区域划分到公用工程区域，从而极大的丰富了公用工程系统热集成的内容；同时，结合总夹点技术总复合曲线，提出了广义公用工程系统最佳能量集成的方法和相应的用能评价标准。标准包括保证全厂最小工艺热需求的情况下，公用工程系统不产功时，其最小燃料消耗是多少？保证现有产功不变时，其最小燃料消耗是多少？维持现有燃料消耗不变时，其最大产功是多少？以及新设计一个公用工程系统所需的最少燃料消耗和可能的最大产功分别是多少，等等。通过该评价，可了解现有公用工程系统与理想公用工程系统的差距，为其改进明确了方向。另外，针对广义公用工程系统燃料消耗高度集中的特点，提出了加热炉和燃气轮机系统热集成的一般方法，该方法已编制成软件，适用于新系统建设和老系统改造。