近年来,各国在积极发展新能源的同时,也在开展传统能源的高效利用研究。内燃机作为一种在工业系统中被广泛应用的传统动力装置,其中接近60-70%废热没有被有效利用。如何对内燃机余热进行高效回收,提高燃料利用率成为研究的热点问题。针对内燃机余热特点,本文建立了以LNG(Liquefied Natural Gas)为冷源的双级有机朗肯循环的余热回收系统。为了更加全面地评价余热回收系统的热力学性能和热经济性,本文从数学建模、灵敏度分析和系统优化等方面对系统进行研究,主要工作如下:(1)系统建模和工质优选。根据热力学第一定律和第二定律,对系统进行建模,研究系统的热效率、(?)效率和(?)损等热力学特性;根据热经济学的基础理论和计算方法,对系统的热经济性进行建模并计算得到总成本率、投资成本率等重要经济参数。结果表明冷凝器的(?)损占比最高,泵的(?)损几乎可以忽略。同时,对有机朗肯循环中的重要部件(蒸发器)进行设计计算,由于作为冷源的有机工质在吸热过程中会发生相变,其换热系数和雷诺数等值在不同相区中的数值不同,因此根据冷源的三个相区分别计算换热器长度。在满足换热量和允许压降的条件下,计算得到换热器的尺寸参数。对有机朗肯循环中的有机工质进行优选,对比最大(?)效率和热效率,最终选择最优工质对为正丁烷(n-butane)和丁烯(butene)。(2)系统灵敏度分析。在选定工质对和系统计算模型的基础上,选择透平出口压力、透平入口温度、透平入口压力和冷凝器出口温度四个影响因素,分析在不同影响因素下的热力学性能和经济学性能。结果表明,系统净输出功随透平出口压力的升高而降低,为了获得最大输出功,应在允许范围内尽量降低透平的出口压力,提高透平入口温度和入口压力,降低冷凝器出口温度。(3)双级ORC的多目标优化研究。基于对上述系统的计算与分析,通过多目标遗传算法(NSGA-ⅡI)对系统目标函数进行优化搜索,最终得到Pareto前沿图。在Pareto前沿的非劣解集中,根据TOPSIS决策算法选择出符合用户需求的最优解。结果发现,目标函数为最小外部投资成本和最大输出功时,最优解分别为83kW和373212$;当目标函数为最少外部投资成本和最大热效率时,最优解分别为0.19和83105$;当目标函数为最少外部投资成本和最大(?)效率时,最优解分别为0.12和69448$。通过对余热回收系统的综合分析,验证了系统运行的可行性,研究结果可为有机朗肯循环系统的设计和运行提供参考。