天然气作为一种可持续发展的清洁能源,通过液化后可实现长途运输。同质量的液化天然气（Liquefied Natural Gas,LNG）所占体积仅为天然气的0.16%,该特性极大地促进了天然气的海上贸易运输。由于LNG在汽化过程中会释放大量的冷能,如何有效回收LNG汽化中的高品质冷能、如何实现低品位余热资源与LNG冷能的高效联合利用吸引国内外学者广泛关注。针对以上问题,本文构建了LNG冷能和低品位余热利用模型,该模型将有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）和卡琳娜循环（Kalina Cycle,KC）相结合,以回收LNG冷能和低品位余热资源。基于模拟的方法,对该复合热力系统系统的热力学性能、经济性进行分析和探讨;进而提出了有机朗肯循环工质组分与节点参数同步优化算法,研究同步优化操作参数和工质组分对系统热力学性能和经济性的影响;最后,基于上述研究内容构建了工业余热回收集成利用系统。本文具体研究内容如下:（1）基于LNG冷能和船舶余热利用,本文提出了ORC和KC的复合热力系统,分析了部分重要的操作参数（蒸发压力、冷凝压力、氨水质量分数、第一次换热后的LNG温度等）对系统的热力学性能和经济性的影响。进一步采用遗传算法对系统的参数进行匹配优化,避免陷入逐个调整参数得出最优状态的误区。优化后系统冷能利用的总体（火用）效率为51.14%,与优化前相比提高了16.67%;单位（火用）值成本仅为10.19$/GJ（67.97￥/GJ）,下降了4.77%。（2）为了解决混合工质组分自由变化受限以及难以同步确定混合工作流体组分和其它关键决策变量的问题,本文提出了有机朗肯循环工质组分与节点参数同步优化算法。通过改进流程图设计,使混合工质组分优化转化为系统的操作参数,系统的操作参数和混合工质组分同时进行优化。采用计算机语言进行编程,将混合工质组分的优化与其它关键决策变量的调整同时进行。此外,为了比较本文提出的优化算法的优化效果与最优效果,主要以两级有机朗肯循环和基于新型中间流体蒸发器的LNG汽化冷能利用系统为研究对象,使用Nested法与前文提出的新数值方法分别对系统参数进行优化。根据Nested法特性,将优化后参数视为最优性能时工作状态,将本文提出的数值方法与Nested法优化性能进行对比。在两级有机朗肯循环中不考虑工质优化的情况下,所提出的数值方法的优化效果可以达到最佳效果99.99%以上,而优化时间仅为Nested方法的0.02%;考虑工质优化后可达最佳性能的99.52%。与基于新型中间流体蒸发器的LNG汽化冷能利用系统的模型相比,通过新的数值优化算法,整体性能最终提高了1.68%。随着系统复杂度和自变量个数的增加,系统的优化效果下降缓慢。（3）最后本文提出了一种采用LNG冷能回收钢厂低品位余热资源的KC/ORC集成发电系统,其中钢厂低品位余热资源来自焦化、烧结、炼铁、炼钢、轧钢、制氧、发电等各个工艺过程。KC吸收温度超过200℃的余热,低于200℃的余热则应用于ORC。该系统可以利用LNG冷能回收钢厂生产过程中由烟气和循环水带走的低品位余热,并使用前文提出的一种基于模拟的优化方法来优化有机朗肯循环的工作参数和工作流体成分以及卡琳娜循环的工作参数和氨水质量分数。优化后系统的（火用）效率为35.26%、总输出功为277.1 k W、系统的单位（火用）值成本为5.67$/GJ（37.82￥/GJ）,（火用）效率和总输出功较优化前数据分别提升26.38%、26.52%。