冷却塔是热力发电系统中冷端设备的重要组成部分。随着日益突出的水资源短缺问题和环保压力,自然通风空冷塔凭借其节水节能、运行安全和噪音低等优势,逐渐成为大型热力电站广泛使用的冷却装置。由于自然通风空冷塔的空气流动不使用外接动力设备,依靠塔内外空气密度差形成的自然对流作用驱动空气进入冷却塔,其冷却性能容易受到外界环境扰动影响并且启动过程较为复杂。因此,本文利用数值模拟和小型实验的方法,针对空冷塔受环境侧风扰动的运行过程和空冷塔的启动过程这两个典型的非设计运行工况的动态运行特性进行了分析研究。针对动态侧风的扰动问题,本文通过建立自然通风空冷塔在侧风条件下的瞬态数值模型,获得了环境风速变化作用下塔内外空气流场、压力场及温度场的变化规律,并计算了侧风扰动后空冷散热器的换热量、空气质量流量的动态变化趋势。在此基础上分析了不同侧风扰动作用下,空冷塔内空气流动与换热的动态响应机理。结果表明:侧风的变化会使冷却塔的运行产生较大波动,当侧风以12 m/s的速度出现时,冷却塔换热性能波动的幅度可高达63.7%;当侧风出现时,冷却塔达到稳定所需的时间随着风速的增加而逐渐增加。在侧风以5 m/s及以上速度出现后,塔内部流场产生较大的涡流,阻碍了塔内的正常传热,塔内温度上升缓慢,导致再次达到稳定的时间较长;在侧风风速消失时,由于只有通过塔内的自然通风抽力来调节恢复正常通风,因此不同风速条件下,空冷塔达到稳定的时间相似。针对自然通风空冷塔的动态启动过程,本文首先通过搭建1 m高的小型试验空冷塔,与全尺寸空冷塔现场测量数据对比验证,得到不同外界条件对空冷塔启动时间的影响规律;然后基于试验结果,建立了准确的二维空冷塔瞬态启动数值模型,并分析了不同环境温度和不同输入热量条件下,自然通风空冷塔启动过程中塔内温度场,流场及压力场变化机理。研究结果表明:冷却塔启动过程中,塔内空气温度变化和其换热器的温度变化均呈现出相似的变化规律,冷却塔的启动主要包括三个阶段:迟滞阶段、羽流主导阶段、自然通风主导阶段;在环境温度相同时,单位时间内输入到冷却塔的热量越高,启动时间越短,加热功率为400 W、500 W、600 W时,启动时间分别为638 s、472 s、370 s。当单位时间输入热量一定时,低温环境相较于高温环境更有利于自然通风空冷塔的启动;由于塔内外密度差形成的抽力的产生时间是决定冷却塔启动时间的重要因素。本文的研究内容为热力系统中空冷设备控制策略设计与系统的动态调控提供基础数据,从而进一步提升热力系统运行时的安全性和热效率。