近年来,全球航运业节能减排与绿色化已成共识。采用高效热能发电技术回收利用船舶主机余热是提高船舶能源系统效率,降低船舶燃油消耗并减少CO2等气体排放的有效途径,对实现船舶行业的节能减排目标具有重要意义。本文采用能够较好匹配某9000TEU远洋集装箱船主机废气余热温度范围并获得高效率的S-CO2再压缩布雷顿循环为基础循环,重点围绕系统和主要部件包括压缩机、涡轮机和换热器数学模型的建立与修正,热力学参数评估与关键参数提取,匹配船舶主机废气余热特性的S-CO2再压缩布雷顿循环系统改进与性能分析,基于高、低温回热器总传热系数UA值优化分配的系统综合性能（包括系统净输出功率Wnet、热效率ηth、（火用）效率ηex、单位输出功率换热器面积（heat transfer area per unit power,APR）和平准化能源成本（Levelized cost of energy,LCOE））多目标优化和船舶主机废气余热S-CO2再压缩布雷顿循环发电系统典型负荷工况下的性能与效益分析等主要内容展开相应的理论与实验研究,取得如下主要研究成果:1)采用基于半经验模型与实验（主要部件实际工作特性）相结合的建模方法,建立了包括涡轮机、压缩机和换热器以及整个系统的数学模型,以确保所建立的系统数学模型既符合系统工作基本原理又能够准确反映主要部件内部参数变化对系统性能产生的影响,同时具有较高计算精度和可靠性。2)采用基于相关性分析即主成分分析法（Principal component analysis,PCA）评估了热力学参数对S-CO2再压缩布雷顿循环系统综合性能的影响程度,提取了对系统性能具有重要影响的关键热力学参数,作为系统性能优化的方向或控制策略制定的关键因素。3)在S-CO2再压缩布雷顿（RC）循环的基础上构建三种改进型再压缩布雷顿循环包括双涡轮机-压缩机-发电机（TAC）循环,中间冷却RC循环和中间冷却双TAC循环,旨在解决基础RC循环在船舶主机中、低负荷工况下性能不佳的缺陷。与基础RC循环相比,上述三种改进后的循环系统热力学性能均得到改善,且能够更好的匹配船舶主机负荷工况。并确定了在船舶主机典型负荷工况下的最佳循环系统结构和相应的最佳运行参数。4)基于高、低温回热器传热系数UA值的优化分配研究,构建了计及热力学性能、系统尺寸和经济性的系统综合性能评价模型,对百千瓦级船用烟气余热S-CO2再压缩布雷顿循环发电系统进行优化分析。与优化前的设计工况相比,优化后的高、低温回热器UA值可降低约50%,显著提升系统结构紧凑性的同时降低了成本。结果表明:双TAC循环系统为用于船舶烟气余热回收的最佳循环系统,并根据多目标优化得到的各目标函数之间的Pareto前沿解集形成300k W级船用烟气余热双TAC循环发电系统优化设计准则。5)根据所确定的最佳循环系统结构以及船舶主机典型负荷工况条件,进一步开展针对双TAC循环余热发电系统热力学参数耦合分析以确定系统最佳调节参数。针对双TAC循环余热发电系统进行船舶典型负荷工况下的非设计工况性能分析,并在此基础上通过部分负荷性能分析（Part-load performance analysis）评估该9000TEU远洋集装箱船舶主机系统集成双TAC循环余热发电系统后所产生的效益。