在大型化工装置中，蒸汽动力系统为生产过程提供电能、热能、机械能及工艺蒸汽，是化工过程十分重要的组成部分。经该系统进行分配、转换及消耗的能源在整个化工企业中占据很大比例。该系统的设计、运行及改造方案直接影响企业生产的能量利用效率和经济效益。因此，研究蒸汽动力系统的集成建模及优化方法对实现过程工业的高效、稳定及经济运行具有重要意义。本文针对化工过程蒸汽动力系统的过程综合问题，以蒸汽动力系统单元设备模型为基础，采用数学规划方法，构建了以过程能量成本最小为目标函数的过程综合模型;并开发了一种用于求解此类优化问题的智能方法，从而为化工过程蒸汽动力系统的能源优化配置提供科学的理论指导及技术支持。本文的主要内容概括如下:　　(1)针对过程综合优化问题存在大规模、多离散及有约束的特点，本文基于专家系统的整数变量处理方法，采用多目标约束处理机制，提出了一种用于求解混合整数非线性规划(MINLP)问题的参数自适应差分进化算法。该算法首先通过对专家知识体系特征的分析和模型化，构造了一种带有专家知识体系特征的整数变量种群生成与进化策略，不仅实现了整数变量空间和连续变量空间的同时搜索，而且能在算法进化过程中为连续变量空间的搜索提供更多机会，从而有效的提高了算法的收敛速度。然后采用多目标方法进行约束条件的处理，增加了算法在进化过程中种群的多样性，对于可行域构成复杂并且存在多个局部极值的问题具有更好的全局搜索特性。对14个典型工业问题的求解结果，以及与其它己知的智能求解方法的对比结果，表明本文所述方法在算法的收敛速度和稳健性方面都具有很好表现及竞争力。　　(2)针对工业装置多蒸汽轮机网络的非线性运行特性及其最优操作问题，提出了一种蒸汽轮机及其网络的建模与优化方法。蒸汽轮机模型以其热力学特性模型为基础，采用神经网络方法提取工业现场数据所包含的模型信息，有效的补偿了传统机理模型与实际运行特性的偏离，同时又有效的克服了黑箱模型泛化能力差的缺点。集成不同类型的蒸汽轮机特性模型与相应等级蒸汽管线的质量守恒方程，构成了多蒸汽轮机网络的运行特性模型。以此为基础，考虑到蒸汽轮机操作条件变化对工业装置年蒸汽消耗成本的影响，采用非线性规划(NLP)方法构建了多蒸汽轮机网络的操作优化问题。将本文所述方法用于研究乙烯装置蒸汽轮机网络的建模及优化问题，模型仿真结果证实了本文所述蒸汽轮机运行特性模型具有较高的预测精度，能够为蒸汽动力系统过程综合问题的研究提供了关键设备模型基础;优化结果表明通过蒸汽轮机操作条件的合理选择，能够实现蒸汽在管网中的最优分配，从而有效的降低多蒸汽轮机网络运行的蒸汽成本。　　(3)针对化工装置中普遍存在的多直接驱动式蒸汽轮机系统的过程集成建模与优化问题，本文以系统单元设备模型为基础，采用MINLP方法，提出了一种考虑系统年能量消耗成本最小的过程综合建模与优化方法。系统建模过程中，融合了机理信息与实际运行特性信息，开发了更加符合实际操作特性且结构简单的单元设备模型。针对系统的操作优化问题，引入了蒸汽与电力合理配置的优化策略，同时考虑了系统中蒸汽分布、单元设备操作以及机械能驱动装置切换对系统运行年能量消耗成本的影响，提高了该蒸汽动力系统的优化自由度，克服了传统基于负载配置的综合方法不适用于优化本系统的缺点。将本文所述方法用于研究乙烯装置蒸汽动力系统集成建模与操作优化问题，模型仿真结果证实了本文所述系统模型具有较高的预测精度，能够为系统的操作优化提供良好的模型基础;优化结果表明，可以在不改变系统结构的前提下，通过蒸汽在管网中的合理分配，以及蒸汽与电力的优化配置能够有效的降低工业生产过程中的能量成本。对不同操作需求条件下最优操作策略分析，显示了基于MINLP的优化方法能够快速而有效的评价需求变化对全系统最优操作策略的影响，从而为现场工程师对系统操作策略的选择提供理论依据及技术支持。　　(4)针对蒸汽动力系统的设计、改造和最优操作问题，提出了一种以系统超结构为基础的蒸汽动力系统过程综合建模与优化方法。该方法首先通过工程分析，建立包含众多系统运行方案的超结构，然后通过引入一组整数变量表征系统的结构，集成单元设备模型建立了描述该超结构的混合整数非线性形式的系统综合模型。在系统建模过程中，允许根据需求不同对同一设备类型选用多种模型结构，较之单一模型结构的传统方法，该方法更具通用性。以系统综合模型为基础，采用MINLP方法构建了以系统运行年总成本最小为目标函数的过程综合与优化问题。该优化问题考虑了系统的结构和操作条件的变化对目标函数的影响，对其进行求解能够实现对系统结构和操作条件的同时优化。应用本文所述建模与优化方法对于两个设计案例及乙烯装置蒸汽动力系统的改造和操作优化问题的应用结果表明，基于蒸汽动力系统超结构的过程综合和优化能够为系统设计、改造和优化问题的方案选择和评估分析提供有效的理论指导和技术支持。