能源与环境是当今人类生存和发展面临的两大问题，积极开发利用可再生能源与工业余热是缓解日益严重的能源危机与环境压力的有效途径。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)系统具有驱动热源要求低、适应性良好、扩展优化潜力较大、结构简单等优点，引起了国内外学者的广泛关注，并取得了丰硕的研究成果。但是由于系统效率偏低、投资较大等问题，该系统并没有得到广泛的推广应用。基于此，本文采用理论与实验研究相结合的方法，开展ORC系统优化及其性能提升方法研究。从ORC系统多目标优化、变工况运行特性、蒸发器能量分配特性、实验研究等方面对ORC系统进行研究。基于ORC系统蒸发器能量分配特性的研究，对改进型的ORC系统—有机朗肯闪蒸系统进行研究，该研究主要从性能对比、运行参数优化、丰顺地热能利用初步探讨、实验研究方面开展的。主要研究内容和结论如下:
　　(1)综合考虑系统的热力性能和经济性能，建立了ORC系统的多目标优化模型，采用非支配解排序遗传算法进行了优化计算，获得了Pareto最优解集。研究表明:系统热力性能的提升会造成经济性能的恶化，热力性能与经济性能间存在此消彼长的关系，两者不可能同时达到最优，Pareto最优解集为工程决策人员提供了较佳的选择空间。利用逼近于理想解的排序技术(TOPSIS)对Pareto最优解集进行排序与决策，获得了系统运行的综合最优工况。
　　(2)对基于多目标优化结果设计的ORC系统进行了变工况性能研究。研究了7个参数（热水流量、热水温度、冷却水流量、冷却水温度、过热度、过冷度、工质泵转速）对系统性能指标（热效率、炯效率、净输出功、单位功率投资成本）的影响，并进行了敏感性分析。拟合了Rls（蒸发器中热水传递给有机工质的热量中用于提升工质潜热与显热的比例）与ORC系统性能指标的关联式，构建了热效率、(炯)效率、单位功率投资成本与Rls关系的三目标优化函数，通过优化计算，发现Rls的值越小，系统的性能更优。同时研究了无过热过冷ORC系统的性能指标与Rls的关系，发现无过热过冷的ORC系统的Rls与系统性能指标有着更密切的关系。该研究为ORC系统的性能优化指明了方向，即为降低蒸发器中传递给有机工质的热量中用于提升工质潜热与显热的比例。
　　(3)设计并搭建了10kW ORC系统实验平台，研究热水温度、冷却水流量、过热度对系统性能的影响，膨胀机效率实测值为38％～53％，低于理论值，与膨胀机实际选型有一定的关系;工质泵效率实测值远低于理论值，仅为22％～27％，亟需基于ORC系统实际运行数据，建立更能如实描述工质泵实际运行特性的数学模型。在热水进口温度、流量分别为115℃、1.4kg/s，冷却水进口温度、流量分别为20.4℃、3.6kg/s时，系统获得最大净输出功7.9kW，最大热效率4.7％;在热水温度106℃，其他条件不变时，获得最大炯效率27％。
　　(4)对改进型的ORC系统—有机朗肯闪蒸发电系统(BFC)进行了研究，建立了BFC系统的热力学模型，对ORC系统和BFC系统进行了对比分析，结果表明BFC系统牺牲了效率，获得了较大的净输出功;考察了6个运行参数（蒸发压力、蒸发器出口有机工质干度、冷凝温度、闪蒸温度、蒸发器夹点温差、冷凝器夹点温差）对系统性能的影响，以净输出功最大和换热器面积最小为目标函数，对这6个决策变量进行了优化计算。建立了BFC系统的经济性评价模型，初步探讨了BFC系统应用于丰顺地热站的可能性，在蒸发压力660kPa下，BFC系统的投资回收周期为6.0年，具有较好的经济效益。
　　(5)设计搭建了国内外第一台1kW BFC系统实验平台。在系统理论计算和实验设计方案的基础上，对主要实验设备进行了设计、选型分析，采用R245fa作为循环工质，换热器采用板式换热器，膨胀机采用改进的涡旋压缩机，工质泵采用液压隔膜计量泵。实验条件下系统的最大输出电力140W，最大热效率1.19％，最大(炯)效率6.5％，由于实验条件和个人水平限制，远低于设计值，还有很大的提升空间，但是也达到验证BFC系统可行性的目的，后续将继续开展系统的优化研究。
　　本文的研究成果可以为中低温发电系统的设计与研制提供理论依据，丰富了中低温发电系统的方式，特别是地热发电系统。