随着全球能源匮乏、能耗加剧,节约能源的重要性日益突显。在整个社会生产过程中,过程工业能耗占比较大,其中功和热是化学工业中广泛使用的两种重要能量形式。由于热量、功量、温度、压力之间存在复杂的交互作用关系,即流股压力的改变会导致温度变化,同时流股温度的改变亦会引起压缩/膨胀功量的变化,因此研究功热交换网络的协同作用对于提高过程整体能效具有至关重要的意义。针对目前化工过程中换热网络结构单一、忽视压力操作对换热匹配的影响等问题,本文开展了基于拓展超结构的功集成换热网络综合研究,着重分析只有压缩或者膨胀的单一压力操作过程与换热网络设计的同步综合。本论文的主要研究内容有:(1)针对压缩过程与换热网络耦合问题,提出了一种冷流股分支流股上同时考虑换热器和压缩机的拓展分级超结构,建立了混合整数非线性规划模型,模型中分支流股为等压、非等温混合。压缩可能导致流股冷热性质的改变,通过优化选择预冷器、末端公用工程加热器/冷却器以满足目标温度要求。分别以?耗和年度总费用最小为目标优化网络结构,揭示了压缩机的优化配置与换热网络用能瓶颈之间的交互作用机制,并在此基础上完成了多目标分析。通过算例分析证明了提出的拓展超结构可进一步解决包含多流股压缩的常温/低温换热网络综合问题。(2)依据压缩过程与换热网络耦合的基本思想,进一步构建热流股分支流股上同时考虑换热器和膨胀机/阀门的拓展分级超结构,与(1)不同的是,阀门和膨胀机均有使流股降压的作用,流股通过膨胀机膨胀产功并提供冷量,而通过阀门膨胀几乎不会影响热集成且有效能几乎完全损耗,因此需考虑阀门和膨胀机的优化选择。通过算例分析,总结出了不同工况不同目标下设备选择的趋向性,进一步通过多目标分析实现系统热力学性能和经济性能的权衡,供决策者根据过程要求确定最优设计方案。(3)为拓展说明本文所提方法具有广泛的适用性,进一步考虑热流股压缩和冷流股膨胀的工况,此时无需考虑流股冷热性质识别的问题。从数学模型、网络结构、多目标优化特点角度探讨流股热力学路径对考虑功集成换热网络综合的影响。