自然通风湿式冷却塔是汽轮发电机组闭式循环冷端系统的重要设备,其正常运行是保证机组安全经济运行的重要条件。寒冷冬春季,在冷却塔进风口上缘、填料、支撑梁柱及淋水装置等处易出现结冰,不仅会阻挡进风影响冷却效果,且加重填料及支撑构件载荷威胁冷却塔的安全。目前电厂较多采用人工悬挂挡风板的防冻技术,但其开度不可调,虽满足了最低温度时的防冻,其余工况时因过度防冻而使冷却塔出力不足,出塔水温偏高,冷端经济性较差。因此,本文针对防冻问题提出一种预热式防冻系统,通过设置利用凝汽器出口高温循环水加热的气水表面式空气预热器,在防冻目标温度下,基于气象条件及机组负荷变化控制进风量和加热循环水量,使出塔水温最低、机组冷端经济性最优,不仅使防冻过程变为可调可控,且充分利用环境资源,降低发电成本。本文以1000MW超超临界燃煤机组为研究对象,根据气液两相流及基本传热传质学理论,建立空气预热器与冷却塔的数学模型,基于Lab VIEW平台,开发自然通风湿式冷却塔预热式防冻系统的仿真计算软件。研究预热式防冻系统的优化配置方案,对气水表面式翅片管换热器进行合理选型及管排布置优化设计,对比不同设计方案下预热器的传热性能及阻力特性,按照经济性最优原则确定最佳配置方案,并借助HTRI Xchanger Suite平台实现校核验证。对预热器及冷却塔进行变工况特性计算及性能分析,验证防冻效果。并以冷端系统为研究对象,实现凝汽器与冷却塔的热耦合计算,同时建立循环水泵变速调节模型、机组能耗及经济性分析模型、冷端优化模型。经运行优化,当气温从-10℃～-20℃变化时,经济背压从4.38k Pa降低至3.28k Pa,热耗平均约降低55.91k J/kwh,冷端净收益为821.9元/h。研究防冻系统的控制策略,建立调节阀及百叶窗的运行控制模型,并基于仿真平台监测和优化控制系统的逻辑功能,给出不同气象条件及机组负荷下最优控制参数,在防冻约束条件下降低出塔水温。经运行控制后出塔水温维持在2.82℃～11.75℃,一天可增加总净收入23567元,为电厂寒冷季节冷却塔的安全运行及冷端优化提供参考。