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随着我国能源短缺与环境污染压力日益增大,如何减少对化石能源的依赖程度是我国建设现代高效能源体系亟待解决的问题。随着能源技术创新的加快,开发和利用太阳能、生物质能、地热能以及工厂废热等低品位热源得到普遍关注。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)发电技术是低品位热源利用的有效方式之一。由于受温度水平限制,ORC利用低品位热源发电效率较低,热源利用率不高。为了提高ORC发电技术对低品位热源的利用率,本研究根据能量梯级利用的思想,以地热能为热源,提出了一套新型的基于ORC梯级换热的地热发电系统,对此新型系统进行数学建模和模拟计算。具体所开展的研究工作和获得的相关结果如下:首先,以循环净功为目标函数,选取非共沸混合工质作为循环工质,对基于ORC梯级换热的地热发电系统参数进行优化;并对系统进行（火用）分析。结果表明:存在最优参数,系统输出最大循环净功;同时指出工质在冷凝器和蒸发器中与冷热源换热不可逆损失是系统（火用）损主要来源,改善系统性能时要重点考虑换热器的改进。其次,在相同边界条件下,根据热力学第一、第二定律对基本ORC和基于ORC梯级换热的地热发电系统使用不同纯工质和非共沸混合工质热力性能进行对比分析,并为基于ORC梯级换热的地热发电系统工质选择提供一定的理论分析和依据。结果表明:以循环净功为目标函数,无论采用纯工质或非共沸混合工质作为循环工质,基于ORC梯级换热的地热发电系统输出净功均优于基本ORC地热发电系统;通过改善变温热源回收过程的滑移温度匹配,系统采用非共沸混合工质热力性能较纯工质优越;在所选工质中,R601/R236ea是基于ORC梯级换热的地热发电系统最合适的候选工质。最后,对基于ORC梯级换热的地热发电系统变热源参数及结构优化进行了研究。结果表明:地热流入口温度在363.15~423.15 K范围内,不同工质的使用对系统循环净功的影响很小,尤其当地热流入口温度低于380K;添加回热器对系统循环净功和（火用）效率无影响,但可显著提高系统热效率,提高能源利用率;同时可减少冷凝侧和蒸发侧负荷,减少换热所需面积,降低投入成本。