提高动力系统和化工生产的性能及环境友好性的要求促成了化工动力多联产的诞生。多联产系统通过系统集成和流程改进实现对化石能源的高效清洁利用,在能源可持续性发展中占有越来越重要的地位。本文依托国家重点基础研究发展计划973项目、国家基金委重点项目等,针对煤基及天然气基多联产系统开拓及集成中的关键问题,进行系统及集成理论研究,探索不同原料及产品系统集成特殊规律,并开拓新系统。在化学能和物理能综合梯级利用原理基础上总结多联产系统能量梯级利用方程,并研究多联产系统集成理论。对各单元深入分析研究,建立单元(火用)损失数学模型,并提炼关键过程和参数。从功能岛的视角重新考察传统的关键过程和系统这两个层面的关系,完善了传统的多联产系统分析方法。逐步考察关键参数对各过程、化工岛和动力岛及整个多联产系统效率的影响,首次系统全面地得到以关键参数为纽带连接的,描述燃料化学能转化利用的具有普适性的多联产系统能量梯级利用方程。使用方程以煤基DME多联产为例展开考察,得到各过程(火用)损失,化工岛和动力岛(火用)损失和系统性能随关键参数变化的规律曲线,发现多联产系统集成和优化遵循化学能与物理能梯级利用原理。研究分析两类典型的煤基DME-动力多联产系统,探讨多联产系统中物理能和化学能梯级利用对系统集成的影响。采用合成气一次通过方式,两步法DME-动力多联产系统节能率为7.2%,一步法DME-动力多联产系统节能率高达17.6%。通过分析这两种不同产品特性的煤基联产系统中组分和能量转化规律发现无论是一步法还是两步法,物理能梯级利用水平和化学能梯级利用水平均大幅度改善,联产性能均明显提高。一步法联产节能率比两步法联产高的根本原因是一步法联产中对合成气化学能品位利用的更充分。提出天然气基DME-动力和甲醇-动力多联产系统,探讨高氢碳比下组分转化和能量转换利用的耦合关系和集成原理,开拓有效提升高氢碳比联产系统性能的集成技术。天然气基一次通过甲醇多联产系统节能率为3.3%,部分循环甲醇多联产系统节能率提高到10.9%,一次通过DME-动力多联产系统节能率可达10.2%,部分循环DME多联产系统节能率进一步提高到13.4%。通过比较发现,天然气基化工分产系统已经部分实现了化学能和物理能综合梯级利用,因此天然气基多联产系统节能率不如煤基多联产。虽然不同原料多联产系统结构差别较大,但在这些多联产系统中的系统集成和优化均以物理能和化学能的梯级利用原理为指导。