换热网络是能源动力、石油化工等领域广泛应用的工艺系统,是过程系统中影响整体能耗和经济性的重要环节,其设计合理性和高效性至关重要。由于资源和环境问题越来越突出,且现有的大部分换热网络初始设计不合理,工艺性能较差,能源浪费问题严重,因此,对现有换热网络的改造是值得研究的话题。分级超结构模型是换热网络研究中较常用的结构模型,但其做了每条分流上只有一个换热器、等温混合等不合理的假设。本文借鉴超物流模型中多个换热器串联的情况,对分级超结构模型进行改进,提出分流节点超结构模型,在每条分流上设定多个换热节点,每个节点可以有一个换热器,并采用非等温混合。案例分析表明,分流节点超结构模型适用于换热网络优化设计和优化改造,且优化结果比分级超结构更优。换热网络改造中现有换热器的再利用和新增换热器的布置一般由再分配策略实现。现有的再分配策略在利用现有换热器时对换热面积的改造范围存在不合理,本文对再分配策略进行了一定的改进,使其在充分利用现有换热设备时,对现有换热器的改造也更加合理。基于提出的模型,建立以年度总费用为目标的混合整数非线性规划(MINLP)模型,并将改进后的换热器再分配策略加入到遗传算法中,在MATLAB环境编写求解程序并开发人机交互软件。案例求解得到了比文献更优的结果,验证了本文模型和方法的可行性和合理性。