解决能源利用与环境相容协调的难题是二十一世纪能源科学研究的重要课题。探索新的能量转化利用机理和开拓新的热力循环是未来以燃气轮机为核心的广义总能系统研究的主要方向之一。本论文围绕新的热力循环及其能量转化利用机理的若干核心科学问题,开展研究、提出用于传统火电站更新改造的给水加热型联合循环、化学间冷热力循环和太阳能与甲醇互补型的能源动力系统。这三个系统及其核心科学问题所涉及的新概念、新构思、新机理是国家重要科研项目-国家自然科学基金“动力系统联合循环升级热力学规律研究和系统创新”、国家重点基础发展规划“新型广义总能系统与其全息性能和规律”和国家自然科学基金重点“适合西部多功能能源系统”的重要研究内容,并有其广阔的应用前景。面对我国200MW 以下中小火电机组更新淘汰的局面,本文研究适合我国传统火电站更新改造升级的给水加热型联合循环系统。采用EUD 图像分析方法探讨联合循环系统内部能量转换利用规律和提高汽轮机电站性能的机理。通过系统集成技术与全三维通流部件技术的相互综合交叉,分别对50MW、125MW、200MW 三种汽轮机发电机组的给水加热型联合循环系统的总体热力特性进行模拟分析。采用静态经济性分析方法,侧重分析新增加的天然气燃料与原煤价格之比对更新升级系统发电成本的影响。从如何减小含碳燃料燃烧过程中化学能品位损失的思路出发,开展燃料化学能与物理能综合梯级利用新原理的研究。本文采用热力学体系的一般函数和吉布斯自由焓函数,建立燃料化学能释放过程中燃料、反应过程最大作功能力ΔG 与物理的普适关系,将三种不同作功能力清晰表达为燃料能的品位、燃烧反应品位与卡诺循环效率的形式,以突破传统纯热力循环中物理能梯级利用的单一模式。在上述燃料化学能与物理能综合梯级利用原理基础上,开展甲醇等清洁合成燃料与低品位物理能相结合的能量释放新机理的研究,以甲醇燃