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目前全球经济的迅速发展导致能源短缺问题日益严重,使得可再生能源开发以及余热回收技术变得越来越重要。其中我国余热资源大量存在于各行业,尤其是中低品位的低温热能,合理高效地回收该类热能逐渐成为研究热点。有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）技术已被证明是中低温余热回收,提高能源利用率的有效方法。本文分别建立了超-亚临界有机朗肯循环（Supercritical-Subcritical organic Rankine cycle,SSORC）和串联双蒸发有机朗肯循环（Series dual-pressure evaporation organic Rankine cycle,STORC）两种不同双级蒸发系统的数值模型并对其进行了参数分析和系统性能优化,同时进行了10 kW的有机朗肯循环发电系统试验,主要结论有:（1）对SSORC系统探讨了五个关键运行参数对系统热力性能和经济性能的影响,开展了净功最大化,?效率最大化以及传热需求(UAsys)最小化的单目标优化以及?效率和UAsys的双目标优化。研究表明,随着超临界循环温度和超临界循环压力的升高,净输出功率先增大后减小;UAsys随超临界温度的升高先减小后增大。较低的超临界压力和温度以及较高的冷凝温度有利于提高系统的经济性。基于非支配排序遗传算法（NSGA-II）的双目标优化最优解下?效率和UAsys分别为61.25%和20.08 kW/K。（2）对STORC系统分析对比了六个关键运行参数对系统热力性能和经济性能的影响,开展了以?效率和平均发电成本（Levelized energy cost,LEC）为目标的热经济优化,结果发现工质最佳混合比例为0.77R245fa/0.23pentane,同时开展了?效率,LEC和等效二氧化碳排放量（equivalent carbon emission,ECE）为目标的热环境性优化。最终帕累托最优解对应?效率为61.37%,LEC为0.2086$/kWh,ECE达9.43 kgCO2eq/kWh,同时较高的低压循环蒸发温度以及较低的冷凝温度和过热度有利于提高系统的综合性能。（3）搭建10 kW的有机朗肯循环发电系统试验平台并对基础有机朗肯循环（BORC）和回热型有机朗肯循环（RORC）系统特性进行了对比分析,实验结果表明BORC的热源利用率比RORC高出25%。BORC和RORC最大发电效率分别为3.4%和2.5%,并且当输入热小于65 kW时,BORC的热效率高于RORC,意味着添加回热器不一定会提高发电效率和热力性能。固定输入热下工质泵的?损占比最低,蒸发器?损占比最大,因此可以有针对性地对蒸发器的选型和结构设计进行改善以提高系统性能。