目前在我国富煤缺水的中西部投运了多台能大量节约水资源的直接空冷机组,本文针对该种机组初投资大,煤耗高等劣势进行了设计优化研究。从三方面入手,首先是单目标的设计优化,鉴于空冷机组固定投资和运行费用两方面的因素,根据热力学和热经济学原理建立了以年度费用最小为目标的目标函数,除综合了年运行费用和投资费用,还考虑了残值、贴现率、工程经济服务年限和设备折旧率,对每项分别推导出了求解的公式。由于初始温差和空气侧流速的大小关系到空冷系统的造价和系统的运行费用,所以把这两者做为设计变量,得到的优化结果合理。随后对两设计变量和电价、煤价、设计气温五个参数进行了敏感性分析,研究它们对换热面积年折算费用、风机年折算费用、风机群年耗电费用、年煤耗费用和年度费用的影响程度,分析图显示选择的两个设计变量是合理的,两个经济性参数中电价的变化对优化结果影响很大,同时年度费用对设计气温变化反映灵敏,因此对电价和设计气温的估计要准确。另外还分析了环境温度变化对机组经济性的影响,结果显示环境温度变化对机组背压影响较大,温度升高背压也升高,又导致了热耗值增大,从而供电煤耗增加,增加了运行费用,这就需要合理的定出机组运行的最佳真空,通过调节风机运行来使其维持在最佳真空附近。其次对空冷凝汽器进行了多目标设计优化,重量是结构和几何尺寸的直接函数,而具体结构和尺寸的确定又与装置别的因素有关,凝汽器的有用功损失是由传热温差和压差引起的,这可以用单位传热量的总有用功损失费用来衡量,因此选取了最小重量和最小损失费用两个目标。选取翅片管间距、每排管子数、翅片距、每米翅片数、迎面风速和排汽压力为设计变量,将制造和运行的要求做为约束条件,用改进的非劣分类遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了优化求解,优化结果真实可信,为以后建立更为复杂的多目标优化模型提供依据。真空是机组经济性的一个重要指标。研究机组运行时的真空变化情况可同时为运行优化和设计优化提供依据。由于空冷凝汽器真空体庞大,不可避免要漏入空气,本文分析了在漏空气情况下热负荷、管外污垢热阻、环境温度和空气流速等运行参数对真空变化速度的影响程度,结果显示在漏入空气量一定的情况下,前三者对真空的影响较大。最后对设计好的机组进行了变工况研究,研究运行热负荷,空气流速,环境温度和管外污垢变化对机组真空的影响。