本发明涉及一种机场道面除冰融雪系统及其运行控制方法，具体涉及一种无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统及其运行控制方法。
背景技术：
1、在高原高寒地区恶劣的自然条件下，极低温、强对流等极端天气引起的降雪结冰事件给机场道面的高效安全运营带来了重大挑战，特别是面对小区域环境难预测的突发性强降温和强降雪事件，若跑道除冰融雪措施不及时、效果不到位，将导致飞机起飞时无法满足安全滑跑条件只能停飞，或者降落时无合适备降机场只能迫降，极易出现机场大面积延误甚至航空安全事故。因此，对于高原高寒地区机场，反应迅速、及时高效、能够主动适应复杂多变的恶劣天气事件的道面除冰融雪技术是十分必要和迫切的。
2、现阶段，机场道面除冰融雪技术仍然依赖常规的化学融雪剂法和机械清除法，然而，上述两种方法在高原高寒环境均存在一定程度的局限性：(1)撒布融雪剂的融雪化冰效果受环境温度的影响较大，面对极端天气条件时使用效果难以发挥，且长期和过量使用会不可避免的对道面面层材料及附属设施造成侵蚀，也干扰高原高寒地区水体以及土壤脆弱的生态平衡，有悖于绿色低碳和可持续发展的环保理念；(2)机械除冰雪过程往往需要封闭飞行区，影响机场的正常运行，当面对长时段降雪状况，为了保证安全的飞机起降条件，机械除冰雪还需要反复持续进行，除冰雪效率不高、暗冰清除难彻底、维护及运营成本较大，且频繁的机械除冰雪作业会对机场道面的表面造成物理损伤，降低跑道的抗滑、耐久等使用特性，给飞机起降过程带来潜在安全风险。
3、重力式热导管和流体热导管是目前采用热力方式清除机场道面积雪凝冰的新技术形式，可以达到环保、无损和高效的除冰融雪。但是，两者在高原高寒环境应用仍存在一定缺陷：(1)重力式热导管施工复杂度较高，需要钻取一定深度的取热井，对专业的钻孔机械有特殊要求，具有一定的施工复杂性和技术门槛，在高原高寒地区多坚硬的岩层结构，不便于施工作业，并且重力式热导管的加热温度域受限于取热深度，若要达到高原高寒环境较宽的温度适应域需要钻取更深的取热井，增加建设难度和成本；(2)流体热导管对热源的品位和稳定性有较高要求，尽管流体热导管可以采取地热能、太阳能等多种热源形式，但均需要建设热泵机组提升流体温度和稳定性，同样具有一定的施工难度和技术门槛，当面对高原高寒地区极低温环境下的除冰融雪需求，流体必须保持较高温度时，热源获取和保持稳定的难度增加，提升建设和运行成本。
4、针对上述存在的问题，若将热管技术具有的环保、无损和高效的热力融雪优势与电力方式具有的便利、稳定和可控的能源供应优势有机结合起来，开发一种新型的道面主动除冰雪技术及其运行控制方法，可以实现响应快速、清除彻底、按需运行、绿色经济的除冰融雪作业，满足高原高寒地区极端环境对机场道面除雪的高效性、安全性、环保性、及时性、便利性、经济性、全天候等多重特殊需求。
技术实现思路
1、针对化学融雪剂法和机械清除法等现有技术在高原高寒机场道面除冰融雪中存在及时性不足、极端环境适用性不强、损害道面表面功能特性等问题，本发明结合热管融雪和电力供能的优势，提出了一种无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统及其运行控制方法。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统，包括无机热导管组件、电加热机场道面结构、反馈控制系统，其中：
4、所述无机热导管组件由单根无机热导管管体、加热棒和密封结构组成；
5、所述电加热机场道面结构由水泥稳定碎石基层、水泥混凝土面层、无机热导管阵列、无机热导管支撑网架组成；
6、所述反馈控制系统由预埋的温度监测传感器组件、温度采集装置、非接触式冰雪状态感知系统、加热控制系统组成；
7、所述非接触式冰雪状态感知系统由红外线传感器探头、探头支架、圆柱形立杆、冰雪状态数据采集箱、预埋地笼、水泥混凝土墩基础、数据传输线组成；
8、所述加热控制系统包括电控箱、热管导线、第一分支导线、第二分支导线；
9、所述无机热导管管体的两端第一端头和第二端头封闭，管内形成热管空腔，热管空腔内注满传热介质，无机热导管管体的第二端头设置加热棒，加热棒与热管导线连接，加热棒与热管导线连接处设有密封空腔，密封空腔设于密封件内，密封件与密封堵头连接，形成密封结构；
10、所述无机热导管支撑网架由水平支架钢筋、竖直立撑钢筋组成，竖直立撑钢筋的一端埋入水泥稳定碎石基层，另一端与水平支架钢筋焊接；无机热导管阵列由多根无机热导管组件构成，多根无机热导管组件等间距并列设置在水平支架钢筋上，形成阵列式加热结构，热管导线与电控箱连接；
11、所述温度监测传感器组件包含若干温度传感器，所述温度传感器设置在水泥混凝土面层表面、无机热导管管体两端部、无机热导管管体中部以及两根无机热导管管体间距的1/2位置处；
12、所述温度传感器通过传感器导线连接至温度采集装置，温度采集装置通过第一分支导线与电控箱连接实现供电；
13、所述预埋地笼埋置于水泥混凝土墩基础中，圆柱形立杆的底部固定在预埋地笼露出的地脚螺栓上，圆柱形立杆的中下段安装有冰雪状态数据采集箱，圆柱形立杆的顶部安装有探头支架，探头支架前端装有红外线传感器探头，红外线传感器探头通过数据传输线与冰雪状态数据采集箱连接，冰雪状态数据采集箱通过第二分支导线与电控箱内部的电源连接；
14、所述电控箱通过电路开关分别控制热管导线、第一分支导线、第二分支导线的接通和断开。
15、一种上述无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统的运行控制方法，包括如下步骤：
16、步骤(1)当环境开始降雪后，接通交流电电源，开启加热控制系统，无机热导管阵列运行，电加热机场道面结构升温；
17、步骤(2)开启非接触式冰雪状态感知系统，按照1min的时间间隔测量和计算道面表面的平均积雪厚度；
18、步骤(3)开启道面内部温度监测传感器组件和温度采集装置，按照10～20min的时间间隔测量单根无机热导管管壁、两根无机热导管管间以及道面表面的温度；
19、步骤(4)确定无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统融雪过程升温停止时间，采取如下判断条件：当道面平均积雪厚度hsnow,avg不大于目标雪层厚度hsnow,tgt＝0mm，或者当所有测点间最高温度梯度gard tmax不小于临界温度梯度gard tcrit＝100℃/m时，无机热导管阵列升温过程停止，加热控制系统转为调控温度恒定不变，否则加热控制系统持续加热运行；
20、步骤(5)降雪停止后，若道面平均积雪厚度hsnow,avg大于目标雪层厚度hsnow,tgt＝0mm，按照步骤(4)执行；若道面平均积雪厚度hsnow,tgt小于目标雪层厚度hsnow,tgt＝0mm，加热控制系统持续运行，无机热导管阵列继续升温，蒸发道面表面的积雪融水；
21、步骤(6)确定无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统蒸发过程升温停止时间，采取如下判断条件：①当所有测点间最高温度梯度gard tmax不大于临界温度梯度gardtcrit＝100℃/m时，如果满足道面平均水膜厚度hwater,avg不大于目标水膜厚度hwater,tgt＝0mm，无机热导管阵列升温过程停止，加热控制系统关闭运行，否则返回步骤(5)执行；②当所有测点间最高温度梯度gard tmax大于临界温度梯度gard tcrit＝100℃/m时，无机热导管阵列升温过程停止，加热控制系统转为调控温度恒定不变，直至道面平均水膜厚度hwater,avg小于目标水膜厚度hwater,tgt＝0mm，加热控制系统关闭运行；
22、步骤(7)加热控制系统关闭后，温度监测传感器组件、温度采集装置、非接触式冰雪状态感知系统停止运行，切断交流电电源，道面融雪作业结束。
23、相比于现有技术，本发明具有如下优点：
24、(1)采用电热转化率高、传热速率快、加热热量大的无机热导管，并形成加热阵列，可实现道面表面快速和高效的除冰融雪，无机热导管的加热热负荷不低于600w/m2，升温速率最高可达20℃/h，接入电源仅需常规220v交流电。相较于传统的化学融雪剂法和机械清除法，面对高原高寒环境常突发的强降雪事件可达到快速反应、高效应对的除冰融雪需求，具备较强的极端环境适应性，同时通过热力融雪可彻底清除道面表面隐藏的暗冰、保持道面表面的抗滑构造，兼具除冰融雪和抗滑保通效果。
25、(2)采用钢筋支架支撑、钢丝绑扎固定的方式安装无机热导管加热阵列，当道面浇筑硬化后，拆除钢模板，在无机热导管加热端装入加热棒并密封即完成无机热导管铺设，施工工艺简单、流程较少、铺设便捷。相较于传统的重力式热导管和流体热导管，无需额外的大型专用机械设备钻取深孔和埋设取热管，避免建设热泵机组等能量转换和提升装置，设计和建造成本低、速度快，施工过程中对环境干扰低，在高原高寒环境中建设无机热导管电加热道面具有绿色、低碳的突出优势。
26、(3)采用电加热型无机热导管道面结构，可保障机场道面除冰融雪作业按需控制、安全经济，满足应急处突需求。电加热型无机热导管道面结构通过接通和关闭电源即可实现系统的启动和停止，系统的运行控制操作简单、转换快捷。特别是应对高原高寒机场天气状况多变、气象强度极端的情况，反馈控制系统可以监测道面温度状况，根据环境条件变化按需求随时调节系统运行过程，快速因应天气变化，合理优化系统工作策略，并且有效节约系统运转成本。
1.一种无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统，其特征在于所述道面除冰融雪系统包括无机热导管组件、电加热机场道面结构、反馈控制系统，其中：
2.根据权利要求1所述的无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统，其特征在于所述无机热导管管体倾斜放置，倾斜坡度1～2％，含有加热棒的一端位置稍低。
3.根据权利要求1或2所述的无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统，其特征在于所述无机热导管管体的直径为28～32cm、长度为4.0m，外管体材质为防腐处理的碳钢合金，第一端头和第二端头由低导热材料封闭。
4.根据权利要求1所述的无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统，其特征在于所述密封空腔由密封胶填充，密封件与密封堵头之间设有橡胶圈，密封件与密封堵头采用螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统，其特征在于所述水泥混凝土面层边缘设置有u形防护槽，温度传感器导线和热管导线放置在u形防护槽内。
6.根据权利要求5所述的无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统，其特征在于所述u形防护槽采用水泥混凝土浇筑或者砖石砌筑，槽顶设置预制盖板。
7.一种权利要求1-6任一项所述无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统的运行控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统的运行控制方法，其特征在于所述道面平均积雪厚度hsnow,avg按照如下公式计算：
9.根据权利要求7所述的无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统的运行控制方法，其特征在于所述测点间最高温度梯度gardtmax按照如下公式计算：
10.根据权利要求7所述的无机热导管电加热机场道面除冰融雪系统的运行控制方法，其特征在于所述道面平均水膜厚度hwater,avg按照如下公式计算：
