基于防火需求的冷却塔集水盘电加热电气控制设计

在建筑水冷式冷水机组和整体式空调器冷却系统中，需要采用冷却水。从节水、节能的要求出发，冷却水系统必须循环使用。冷却塔是循环冷却水系统中重要的一部分。由于高档酒店、商业、医院等有冬季使用制冷的需求，通常在集水盘或集水池内设置电加热，以防止冷却塔下的集水盘或集水池内的储水结冰而影响运行。

建筑用冷却塔集水盘的电加热采用成组电热棒加热，相应的标准中没有具体的规定。建筑电气设计中对电加热的控制要求留给厂家配套，设计仅仅提供配电的电源。而电热棒不是冷却塔产品标准所必备的，往往由冷却塔厂家另行采购，缺少必要的电气控制要求，往往造成电加热电气控制设计的欠缺。实际工程中，二次配电的电路设计简单，加热器装置出现干烧现象，电路控制上没有防止过热的伺服配线。即使有防止无水干烧的措施，也是采用水位浮标来控制加热器的关闭，浮球式水位开关增加了控制的环节，降低了线路的安全可靠性，同时，浮球在集水盘水面的上下波动较大，容易引起加热器的频繁启闭造成电气控制的损坏。在启动加热装置中，有采用室外空气温度来控制，造成冷却塔在非运行状态下电加热装置的启动。如2020年上海市某商场顶楼空调冷却塔因电加热棒在室外温度计的控制下启动，集水盘在无水的情况下电加热器干烧，引燃周边塑料管和冷却塔外部的玻璃钢，大量浓烟飘散至数十米高空，火灾烧毁2个冷却塔。

建筑用冷却塔常常采用玻璃纤维增强塑料（简称玻璃钢）冷却塔，其材质本身是可燃物。除了壳体为玻璃钢材质外，内部的淋水填料也是采用聚氯乙烯或聚丙烯塑料。从防火需求出发，一方面冷却塔制作材料应选择阻燃产品，玻璃钢的氧指数不应低于28 ％，淋水填料应采用自熄式或阻燃材料；另一方面由于防冻冰电加热装置的电热棒处于裸露状态进行水加热，其安装需远离可燃物，确保在水中加热。上海某商场冷却塔内的电热棒在无水情况下持续加热，加热棒附近设有聚丙烯管道（氧指数为18 ％，属于可燃性材料，热分解温度为350～380 ℃），最终导致冷却塔起火。因此，需要从设计源头考虑冷却塔集水盘中电加热电气控制的防火设计，合理选择电加热的选型，优化设计电气控制线路。

冷却塔电加热装置的电热棒安装在集水盘中，其常用的功率规格有3 kW、6 kW、9 kW，一般采用三相供电。基于防火的需求，在电气控制设计上需要满足的功能要求可以分为自身的安全性和对外部影响的安全性两大类。同时，对于控制功能可以划分为不同的优先等级，最优先的功能必须在控制上优先执行。

> > > > 自身的安全性

电加热装置需要满足电器设备的剩余电流动作保护和接地故障保护的基本控制要求。加热棒安装在水中，一旦漏电涉及到人身安全问题，其控制等级为最优先。在配电箱内也需要做好接地保护。

温度过热保护功能。电热棒自身本体的过热保护，应能防止电热棒干烧。当电热棒在无水浸没的情况下，其表面的温升很快，温度是火灾燃烧的三要素之一，需要及时判别电热棒过热问题，强制自动关闭电源。在电路控制上，防止过热的控制回路不应单独工作以防止引起新的问题。该功能也应为最优先等级。

低温启动功能。控制设计应判断水温低于3 ℃ 时方可启动电热棒的电源。温度传感器不应采用环境空气温度，加热介质是水而不是空气，需要以水中的温度来判别，这样更真实、可靠。它不需要设自动联动启动，可采用人为判断再次确认。这是因为冷却塔集水盘的加热仅仅是满足集水盘的水不结冰，一旦循环冷却水系统运行后，水温自然会提升。只有冷却塔运行初期需要防止集水盘水的结冰而影响功能。

> > > > 外部影响的安全性

水位联动功能。它也是防止电热棒干烧的保护措施之一，确保电热棒安装在水中才能运行，无水停止加热。电加热装置的这种控制方式不应通过安装独立的水位开关来控制，这里关注的是电热棒通电情况下是否干烧。

高温控制功能。为防止过度加热，当水温加热达到一定温度（如16 ℃），必须自动停止加热，以节能降耗。这也是一种过热保护的技术措施。

此外，电加热装置的配电控制还需要有配电的就地控制，包括电源的总控、现场手动控制，并显示状态。若未到达联动控制温度，就地启动最长运行10 min，可以采用时间继电器来实现。即使需要再次加热，也要防止加热时间过长，始终要将防火安全作为电加热装置控制的底线。

结合防火的需求，根据功能要求对冷却塔集水盘电加热的电气控制进行设计，其供电主回路如图1所示，电加热器控制原理如图2所示，温控器控制原理如图3所示。

> > > > 控制原理

由配电控制箱剩余电流动作保护断路器上端头引出控制电源，通过设置熔断器保护二次回路。回路端头设置微型断路器作为开断控制回路使用。二次回路通过万能开关连接自动运行二次回路和手动控制二次回路，并设置不连通任何二次回路的停止位。中间继电器KA1及其常开触点、KA3常开触点及KA4常闭触点组成自动运行控制回路。

当万能开关在自动运行位置时，将通过防水热敏电阻（PT100）浸入冷却塔水中得到的可变电阻值分别输入两个可控精密稳压源（TL431）组成比较电路，其生成的输出电压控制中间继电器回路的通断，中间继电器KA3、KA4分别对应低温点、高温点的电压比较输出。例如，当温度低于3 ℃ 时，KA3带电导通，KA4不带电；当温度高于或等于3 ℃ 且不高于15 ℃ 时，KA3、KA4不带电；当温度高于15 ℃ 时，KA3不带电，KA4带电导通。对应自动运行二次回路，当温度低于3 ℃ 时，KA3常开触点闭合，KA4常闭触点闭合，中间继电器KA1带电导通，KA1常开触点闭锁，加热二次回路KA1常开触点闭合，提供加热二次回路导通的KA1常开触点闭合。

在无水断电控制回路的中间继电器KA5导通、KA5常开触点闭合的情况下，加热设备运行。当温度高于或等于3 ℃ 且不高于15 ℃ 时，KA3常开触点断开，KA4常闭触点闭合，中间继电器KA1由于闭锁仍然带电，提供加热二次回路导通不变，加热设备仍持续运行。同样，在加热设备运行过程中，当温度高于15 ℃ 时，KA3常开触点断开，KA4常闭触点断开，中间继电器KA1失电，提供加热二次回路导通的KA1常开触点断开，加热设备停止运行。

通过上述温控器输出及各中间继电器通断组成的控制逻辑，从而实现根据温度变化自动控制的目标。

当万能开关在手动控制位置时，按下SF启动按钮，中间继电器KA2带电，并通过KA2常开触点闭锁，加热二次回路导通，加热设备运行。再按下SS停止按钮，中间继电器KA2失电，KA2闭锁节点断开，加热设备停止运行。

KA5中间继电器接入无水断电二次回路，当设备绝缘金属正负极脱离水面后，回路断开，KA5中间继电器失电，加热运行回路断电，QAC1接触器失电，主回路失电；当设备绝缘金属正负极浸入水中后，回路导通，KA5中间继电器得电，加热运行回路KA5常开触点闭合，QAC1接触器回路处于可受控运行状态。

在防干烧电热器控制上，利用水中杂质导电构成回路。控制电源采用安全直流低压，避免加热时的电击危险。

> > > > 装置要求