鐘韜1 林海蕓1 孔祥文2

1. 威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司 山東威海 264200 2. 北京大興機場建設(shè)指揮部 北京 102602

1 前言

飛機除冰車是寒冷地區(qū)機場及航空公司必備的飛機運行安全保障車輛之一。一旦遇到雨雪霜凍等惡劣天氣，飛機表面會出現(xiàn)結(jié)冰霜凍情況，為保證飛行安全，必須在起飛前對飛機進(jìn)行除冰作業(yè)。給飛機除冰的方式有很多種，如：人工除冰、噴灑除冰液/防冰液除冰、紅外除冰等，目前普遍使用的是依靠將除冰液加熱到要求溫度后，使其高壓噴出的方式除冰。而按照除冰液加熱方式不同，又分為即熱式和預(yù)熱式兩種。但是，由于預(yù)熱時間長、循環(huán)工作效率低，預(yù)熱式的除冰方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足機場在高寒地區(qū)持續(xù)除冰作業(yè)的需求。所以，即熱式的除冰設(shè)備成為當(dāng)前最能滿足要求的除冰作業(yè)設(shè)備，其不僅可以在短時間內(nèi)將除冰液溫度加熱到預(yù)設(shè)溫度，還具有持續(xù)循環(huán)作業(yè)能力。但根據(jù)目前在各個機場及航空公司使用的航空地面除冰移動設(shè)備來看，其普遍存在低溫點火成功率低、升溫速度過慢（2個噴油嘴）、燃燒等級少（2級或者4級）、等級切換時冒黑煙、溫度穩(wěn)定性低、故障查找困難等問題。

針對上述存在的問題，為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，筆者提出一種多級燃燒等級（16級）、多火焰噴嘴（4個）以滿足不同除冰液流量及不同初始溫度下，保證除冰作業(yè)時噴槍出口溫度能夠快速達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定溫度，且具有自動啟停功能的除冰車加熱系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛機除冰車除冰液加熱控制系統(tǒng)由信號采集系統(tǒng)、中央控制處理器、顯示系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)等部分組成，通過中央處理器對各個子系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法計算并對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制，使除冰作業(yè)時噴槍出口溫度快速達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定溫度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號采集子系統(tǒng)

除冰車加熱系統(tǒng)的信號采集子系統(tǒng)主要由溫度傳感器、油壓傳感器、風(fēng)壓傳感器、感光傳感器以及流量計等組成，將除冰車鍋爐加熱系統(tǒng)所需要的參數(shù)實時傳送到中央控制處理器進(jìn)行運算，控制器將根據(jù)采集回來的入口溫度、出口溫度、當(dāng)前流量、當(dāng)前設(shè)定的目標(biāo)溫度、燃油壓力以及風(fēng)機壓力計算出所需要的燃油噴灑口數(shù)量、噴灑壓力及需要的進(jìn)風(fēng)量，為保證火焰的燃燒狀態(tài)達(dá)到加熱的預(yù)期效果提供充足的數(shù)據(jù)支持。

2.2 參數(shù)顯示子系統(tǒng)

除冰車加熱系統(tǒng)的參數(shù)顯示子系統(tǒng)分為狀態(tài)界面和參數(shù)設(shè)置界面。狀態(tài)界面用于為操作者提供除冰車鍋爐控制系統(tǒng)的運行參數(shù)，包括實際燃燒等級、目標(biāo)燃燒等級、噴油嘴工作狀態(tài)、當(dāng)前燃油壓力、當(dāng)前加熱系統(tǒng)中提供的爐內(nèi)風(fēng)壓，加熱系統(tǒng)入口待加熱液體溫度、系統(tǒng)出口經(jīng)加熱液體溫度、流經(jīng)除冰車加熱系統(tǒng)的實時液體流量以及對應(yīng)的報警信息，這樣可以直觀地為操作者提供整個加熱系統(tǒng)的狀態(tài)展示，快速了解加熱系統(tǒng)當(dāng)前的運行情況，并能夠在加熱系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時快速查找到問題點，并排除故障。參數(shù)設(shè)置界面用于為操作者提供加熱系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，在不同海拔地區(qū)，由于含氧量不同導(dǎo)致燃燒器加熱所需的風(fēng)量有差異，該界面可以為不同區(qū)域提供不同的燃燒參數(shù)，保證火焰的燃燒狀態(tài)滿足要求。顯示器動畫界面如圖2所示。

2.3 執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)

除冰車加熱系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)由多個液壓比例閥、開關(guān)電磁閥、燃油預(yù)熱裝置、燃油泵、風(fēng)機、點火電極等機構(gòu)組成。根據(jù)控制器的邏輯控制對噴油嘴的打開關(guān)閉及開關(guān)順序進(jìn)行控制，同時控制爐體內(nèi)的進(jìn)油量和進(jìn)風(fēng)量，使?fàn)t膛內(nèi)的熱量滿足除冰液的加熱需求。

3 加熱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

整個加熱系統(tǒng)分為16個階段，其中加熱階段13級、停機階段1級、前吹風(fēng)階段1級以及后吹風(fēng)階段1級，能夠滿足最高220 L/min流量情況下，在2～3 min時間內(nèi)將除冰液加熱到0℃~80℃間任何溫度，并可維持在所需溫度。

圖2 顯示器動畫界面

對于每一個加熱等級都對應(yīng)了不同的加熱控制參數(shù)，按照最大除冰車噴灑流量計算，通過除冰液相關(guān)的比熱需求公式，按照一定的加熱效率進(jìn)行推演，通過不斷試驗得出了能夠匹配所有有效加熱等級的加熱參數(shù)，參數(shù)對比如表1所示。

表1 多種加熱等級燃油風(fēng)機配比參數(shù)對比表

控制器根據(jù)上表中所推算出的風(fēng)壓、油壓以及噴油嘴打開數(shù)量進(jìn)行精細(xì)控制。

4 加熱系統(tǒng)邏輯控制

在加熱系統(tǒng)啟動前，需要保證有高于70 L/min的液體流過加熱系統(tǒng)的管路，否則系統(tǒng)會發(fā)出報警，防止系統(tǒng)干燒或者提示流量計故障。當(dāng)流量滿足加熱要求，且檢測到各個傳感器檢測的信號運行正常后，加熱系統(tǒng)開始啟動加熱程序，風(fēng)機和燃油泵開始工作，達(dá)到預(yù)定點火時的風(fēng)壓值和油壓值，此時為了能夠保證點火成功率，風(fēng)機向爐膛內(nèi)供風(fēng)，并且點火噴油嘴供油管路預(yù)熱棒開始加熱，運行14 s后1號噴油嘴電磁閥打開，并且點火電極供電打火，從噴油嘴霧化后的燃油經(jīng)過電極高壓瞬間點燃，感光傳感器對爐膛內(nèi)的亮度轉(zhuǎn)化為數(shù)值傳遞給控制器，當(dāng)火焰持續(xù)保持2 s時間，判定點火成功，控制器將根據(jù)進(jìn)出口溫差及當(dāng)前流量值計算需要的燃燒等級，然后按照跳級的方式快速達(dá)到目標(biāo)燃燒等級。燃燒等級切換示意如圖3所示。

圖3 燃燒等級切換示意圖

通常火焰等級的切換是逐級進(jìn)行的，從一級跳轉(zhuǎn)到二級，再跳轉(zhuǎn)到三級，最終跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)燃燒等級，但是這樣等級逐一跳轉(zhuǎn)不僅需要時間，還會在等級切換，尤其是在噴油嘴數(shù)量變更的等級切換過程中產(chǎn)生黑煙，出現(xiàn)燃燒不充分現(xiàn)象。為了避免這些問題影響加熱系統(tǒng)工作，筆者設(shè)計了跳轉(zhuǎn)控制方式，但跳轉(zhuǎn)的等級是有要求的，并不能隨意跳轉(zhuǎn)。根據(jù)表1中對應(yīng)的燃燒等級、風(fēng)機風(fēng)壓、燃油壓力以及噴油嘴工作數(shù)量，按照優(yōu)先同油壓噴油嘴切換原則進(jìn)行等級切換，再按照同數(shù)量噴油嘴逐級切換的原則進(jìn)行，例如當(dāng)最終目標(biāo)等級為13級，加熱系統(tǒng)從點火開始進(jìn)入1級燃燒火焰，然后直接根據(jù)燃油壓力跳轉(zhuǎn)到5級燃燒火焰，這個切換過程保證油壓穩(wěn)定，只改變了風(fēng)機風(fēng)壓及噴油嘴數(shù)量，然后按照這個原則，再通過控制器程序控制燃燒等級跳轉(zhuǎn)到8級再跳轉(zhuǎn)到11級，最后在4個噴油嘴工作的情況下，改變風(fēng)壓和油壓，逐級升高到13級燃燒階段。當(dāng)火焰等級需要降級處理時，也是滿足油壓不變，只降風(fēng)壓和噴油嘴的數(shù)量來進(jìn)行降級，例如從13級火焰降到6級，控制器會控制系統(tǒng)先從13級降到10級，然后再降到7級，最終再從7級降到6級。經(jīng)過實際試驗，這種換級方式不僅可以快速到達(dá)目標(biāo)燃燒等級，還使得切換燃燒等級，尤其是涉及到噴油嘴數(shù)量更改的等級切換過程中，出現(xiàn)黑煙的情況有效地得到緩解。

其他系統(tǒng)在使用過程中，一直處于工作狀態(tài)，這樣不僅會影響加熱系統(tǒng)的使用壽命，還會造成不必要的能源浪費。由于該系統(tǒng)具有極快的加熱效率，所以在本系統(tǒng)中設(shè)計了自動待機功能。當(dāng)使用者不再為飛機等設(shè)備進(jìn)行除冰作業(yè)時，或者長時間處于待命狀態(tài)，為了避免上述問題，在除冰液處于低于工作流量狀態(tài)并且入口溫度達(dá)到一個高溫度狀態(tài)后（保證重新開機后不用等待可以直接進(jìn)行噴灑作業(yè)），控制器會控制各個電磁閥及繼電器關(guān)閉加熱系統(tǒng)，當(dāng)使用者將噴灑炮頭重新打開，液體流量再次增大到工作流量后，系統(tǒng)立即重啟加熱，這樣即可保證在高效加熱的情況下還能節(jié)省能源，避免浪費。

5 結(jié)語

該除冰車加熱控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中得到了充分的驗證，在整個調(diào)試過程中，加熱到最高80℃的目標(biāo)溫度，加熱速度可控制在3 min之內(nèi)，并且可以有效地保護(hù)加熱系統(tǒng)，當(dāng)檢測到異常情況，系統(tǒng)會立即停止加熱系統(tǒng)的運行，保證系統(tǒng)工作安全。

但在特殊工況下也會存在參數(shù)需要調(diào)整的狀況：

a.受惡劣天氣的影響，如大氣壓力變化及風(fēng)力及風(fēng)向變化都會對加熱系統(tǒng)的排煙構(gòu)成一定的影響，會出現(xiàn)少量加熱不充分的情況，排出黑煙；

b.在高海拔地區(qū)由于含氧量及沸點變化，需要按照當(dāng)?shù)氐臍夂蛑匦聵?biāo)定燃燒參數(shù)，否則會出現(xiàn)加熱不充分的情況；

c.由于使用的燃料為柴油，在高寒地區(qū)長時間放置會出現(xiàn)點火困難的情況，需要在車庫內(nèi)保存。

對于上述出現(xiàn)的問題，筆者后續(xù)會有針對性地進(jìn)行完善。