随着能源的日益紧缺，如何提高能源的利用率成为影响国民经济发展的重要因素。作为耗能大户——过程工业中能耗最大的子系统，即公用工程系统必然要经济合理的用能，降低生产成本。随着现代科技的发展，多学科的交叉，已不再简单着眼于局部环节与单台设备的用能效率，而是采用系统能量集成进行系统的集成化设计、改造。 本文采用数学规划这一强有力的工具对公用工程系统能量综合和最优设计方法进行研究。 首先针对一般系统进行集成建模，给出了具有普适性的混合整数非线性数学模型，结合各单元的投资费用和操作费用，进行了目标函数，即年度总费用或年度总收益，和相关约束，即物料、能量、物理性能、设计参数、热力学约束等的相对具体化。 其次针对该模型非线性、非凸、多峰等特点，讨论了分支定界法、GBD法和OA法等传统求解算法的局限性，提出了罚函数一凑整算法和遗传算法的求解思路，对遗传算法的选择、交叉、变异等过程进行分析，对遗传算法初始点选择、算子设计、适应值调整和约束处理等具体实现问题提出了改进措施，并编制了相关的求解程序。 最后本文结合结构固定参数优化和结构与参数联合优化的两个实际工程项目来检验优化方法的正确性，统筹考虑构成公用工程系统的各种可能单元和组合方式，建立包含多种可能方案的超结构流程，进行了详细的MINLP建模和约束的进一步细化，在传统算法失效的前提下，利用提出的改进算法进行求解和分析，得到了较好的结果。 本文从理论和实际两方面对公用工程系统能量综合和优化设计进行研究，形成了混合整数非线性规划和遗传算法相结合的更好的公用工程系统能量综合和优化设计的方法。