我国北方地区富煤缺水,电站空冷技术得到了迅速发展。自然通风空冷系统冬季低温运行时,空冷散热器内循环水极易发生冻结,导致翅片管束遭受破坏,使间接空冷机组的安全运行面临严峻考验。但目前国内外研究缺乏对高寒环境下自然通风空冷系统热力性能变化规律的深入揭示,导致空冷机组现有的防冻措施更多依赖于经验背压控制策略,使得冬季机组运行背压偏高,发电热效率下降。本文以高寒地区空冷散热器防冻运行为对象,开展自然通风空冷系统防冻理论、防冻方法和应对措施研究,为空冷电站冬季安全高效运行提供重要的理论和实践指导。首先,本文根据汽轮机排汽、循环水,以及环境空气的热负荷匹配原则,建立了凝汽器/自然通风空冷系统热力耦合模型。分析了低温环境下自然通风空冷系统的流动换热特性,揭示了不同循环水流量下空冷散热器扇区和散热器单元的循环水出口水温变化规律,发现了低温环境下存在潜在冻结风险的空冷扇区内散热器单元的分布特性,获得了不同环境气象条件下空冷扇区防冻流量,分析了各扇区循环水流量再分配对自然通风空冷系统防冻及经济运行的影响。研究表明:通过增加循环水流量,迎风扇区只在低风速条件下脱离冻结危险,高风速下翅片管束仍处于严重冻结状态,侧前风扇区和背风扇区的冻结危险全部解除,说明通过强化空冷散热器水侧热负荷可达到防冻目的。低风速时不应过多降低侧风及侧后风扇区循环水流量,以免在环境温度降低时发生冻结危险;然而在高风速下,侧风及侧后风扇区在循环水流量大幅削减时仍具有较高的防冻能力。可见,循环水流量再分配应遵循“低风速时适度提高迎风扇区且适度降低侧风及侧后风扇区水侧流量,高风速时尽可能增加迎风扇区而降低侧风及侧后风扇区水侧流量”的运行调整策略。通过采取适当的循环水流量再分配措施,可在均衡扇区防冻能力前提下提升自然通风空冷系统的冷却效率。其次,考察了空冷散热器传热面积递减,即扇区解列对自然通风空冷系统防冻运行的影响。通过建立不同扇区的轮换解列模型,对比了全扇区运行和某扇区停运时空冷散热器各扇区和散热器单元的输运性能及循环水出水温度。结果表明,在防冻前提下,无风时可适当降低空冷散热器的入口水温以提升机组运行的经济性。然而在环境风场作用下,运行扇区的空气侧冷却能力呈现非均匀分布,此时需提升空冷散热器的入口水温来强化水侧热负荷,从而实现与最高的空气侧冷却能力相匹配。实施扇区解列可有效增加水侧热负荷以使空冷散热器具备防冻能力,并且当迎风扇区退出运行时,空冷散热器所需的水侧防冻热负荷降至最低。此外,扇区解列前后,侧风及侧后风扇区均无潜在的冻结危险。扇区解列降低了汽轮机背压,实现了冷端系统的经济防冻运行。最后,在现有空冷机组冬季经验性防冻运行方式的基础上,本文提出了空冷散热器水侧流量和百叶窗开度的协同调控原则。通过建立实际可行的防冻策略模型,得到了空冷扇区在不同环境温度、不同环境风速下的防冻流量和百叶窗开度,用以指导机组在冬季的安全运行。同时,针对汽轮机的阻塞背压运行工况,本文研究了空冷机组在冬季的最优防冻运行方式。研究表明,当冬季气温不是很低时,应充分利用空冷塔的抽吸能力,使百叶窗处于全开状态以实现机组的经济运行。若在环境风场影响下某扇区的空气侧冷却能力超过水侧最高热负荷时,可通过单独增加循环水流量来有效地脱离冻结危险。当冬季气温很低时,应优先调低空冷散热器单元外的百叶窗开度来迅速降低空气的冷却能力,使之低于循环水的最大热负荷,从而实现自然通风空冷系统的防冻运行。当环境温度在-5℃和-10℃之间波动时,汽轮机的排汽背压不应低于防冻背压;当环境温度在-15℃和-30℃之间波动时,机组可在汽轮机的阻塞背压工况下运行,从而达到最优的防冻运行状态。