CN109915196B - 多级组合式隧道除尘系统及其除尘方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级组合式隧道除尘系统及其除尘方法，其除尘系统包括一级除尘装置、二级除尘装置、三级除尘装置、沉降过滤池和储水器；一级除尘装置包括一级除尘外筒、进气筒和旋转式除尘机构，进气筒的入口处设有进气栅；旋转式除尘机构包括一级除尘内筒、涡轮风扇、水雾喷射机构和旋转动力传动机构；二级除尘装置包括二级除尘筒、U型管和列管式冷凝器；三级除尘装置包括三级除尘筒、电晕极、滤袋式除尘器和整流电源，滤袋式除尘器包括除尘骨架和除尘滤袋，三级除尘筒内部设有反吹管，反吹管上设有多个脉冲反吹阀。本发明设计新颖合理，实现方便，能够高效去除隧道施工中产生的粉尘，减少对人类的伤害，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

多级组合式隧道除尘系统及其除尘方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种多级组合式隧道除尘系统及其除尘方法。

背景技术

我国已成为隧道座数和隧道总里程最多的国家，然而，无轨运输钻爆法隧道施工中会产生大量的游离二氧化硅粉尘，尤以钻孔、爆破、喷混凝土和出碴4个工序的粉尘浓度更高。长期吸入粉尘易引起尘肺病。因此，为了保障隧道施工人员的身体健康，减少尘肺病的发生，开展隧道施工粉尘控制技术已成为刻不容缓的首要工作。

康壮苏等在2007年第33卷第2期的《工业安全与环保》期刊上发表了论文《隧道施工通风喷雾除尘系统分析》，提出了一套通风喷雾除尘系统，该系统在通风管道末端垂直方向设置一个出风阀门，当打开阀门喷雾时形成雾蔽带，通过水雾与尘粒凝结达到除尘的目的。但是该系统在应用过程中影响施工进度，除尘效率不高。

鲁娜等在2017年第40卷第1期的《环境科学与技术》期刊上发表了论文《静电除尘技术在公路隧道空气净化中的应用》，介绍了一种静电除尘法，并说明了隧道ESP除尘原理及其在处理隧道空气中PM、CO和NOX净化中的应用，还论述了在隧道中的布置方式；但是并未论及该系统具体的结构组成及运行方法，也没给出应用于隧道施工阶段的实例，还是无法解决隧道除尘的实际问题；

齐梦学发表了论文《TBM施工通风除尘方案及应用》，依托西康铁路秦岭隧道等工程，采用隧道掘进机施工，掌子面喷水除尘与吸入式风机滤网除尘相结合，实现降低洞内粉尘含量。但是对于目前大量的山岭隧道采用的钻爆法施工，该系统并不适用。

根据施工现场调研，隧道施工爆破粉尘主要分布在掌子面前方约30m的范围内，隧道施工期间粉尘主要来源于开挖爆破和喷射混凝土过程中。针对粉尘产生比较集中的特点，在产生粉尘的掌子面附近设置除尘器，对粉尘进行集中过滤，以达到减少粉尘含量是很有必要的。然而，现有技术中还缺乏除尘效果满足实际需求的隧道施工除尘系统及方法。因此本发明提出一种多级组合式隧道除尘系统及其除尘方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、设计新颖合理、实现方便、能够高效去除隧道施工中产生的粉尘、减少对人类的伤害、实用性强、使用效果好、便于推广使用的多级组合式隧道除尘系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多级组合式隧道除尘系统，包括一级除尘装置、二级除尘装置、三级除尘装置、沉降过滤池和储水器；

所述一级除尘装置包括一级除尘外筒、连接在一级除尘外筒上部开口处的进气筒和设置在一级除尘外筒内的旋转式除尘机构，所述进气筒的入口处设置有进气栅；所述旋转式除尘机构包括一级除尘内筒，设置在一级除尘内筒内的涡轮风扇和水雾喷射机构，以及用于为一级除尘内筒、涡轮风扇和所述水雾喷射机构提供旋转动力的旋转动力传动机构；所述一级除尘内筒的下部连接有用于使涡轮风扇和所述水雾喷射机构同步旋转并与一级除尘内筒差速旋转的差速器，所述水雾喷射机构与所述旋转动力传动机构和差速器均连接；所述沉降过滤池的出水口连接有净水器，所述储水器的进水口与净水器的出水口连接，所述储水器的出水口连接有与所述水雾喷射机构连接的输水管，所述输水管上连接有水泵和水压调节阀；所述一级除尘外筒底部的排污口通过一级除尘输送管和设置在一级除尘输送管上的一级除尘电磁阀与沉降过滤池的顶部连接；

所述二级除尘装置包括多个并排设置的二级除尘筒，每个二级除尘筒内部均设置有多块碳纤维电热板，相邻两个二级除尘筒之间以及二级除尘筒和三级除尘筒之间均设置有U型冷凝器组件，所述U型冷凝器组件包括底部带有抽屉的U型管和分别连接在U型管两端顶部的两个列管式冷凝器；

所述三级除尘装置包括三级除尘筒以及设置在三级除尘筒内部的电晕极和滤袋式除尘器，所述三级除尘筒外部设置有用于为电晕极供电的整流电源，所述电晕极与整流电源的输出端连接，所述滤袋式除尘器包括除尘骨架和套装在除尘骨架上的除尘滤袋，所述除尘骨架接地，所述三级除尘筒内部设置有位于滤袋式除尘器上方且从三级除尘筒的侧壁伸出三级除尘筒外部的反吹管，所述反吹管上设置有多个正对滤袋式除尘器设置的脉冲反吹阀，所述三级除尘筒的上部侧壁上设置有排气口，所述三级除尘筒的下部外壁上设置有振打器，所述三级除尘筒的底部设置有用于收集灰尘的集灰仓；

所述一级除尘外筒的侧壁上设置有与一级除尘外筒内部相连通且用于与二级除尘筒连接的一级除尘外筒连接管，与一级除尘外筒相邻的二级除尘筒的侧壁上设置有与二级除尘筒内部相连通且用于与一级除尘外筒连接的二级除尘筒连接管，所述三级除尘筒的侧壁上设置有与三级除尘筒内部相连通且用于与二级除尘筒连接的三级除尘筒连接管，与三级除尘筒相邻的列管式冷凝器的顶部通过二级三级过渡管与三级除尘筒连接管连接。

上述的多级组合式隧道除尘系统，所述一级除尘内筒的顶部和底部均为敞口设置，所述水雾喷射机构包括竖直设置在一级除尘内筒内且向下伸出一级除尘外筒外部的喷水主管，以及连接在喷水主管顶部且向不同方向延伸的多根喷水分管；每根所述喷水分管的出水口处均连接有雾化喷嘴，所述一级除尘外筒底部连接有用于支撑安装喷水主管的第一密封轴承，所述喷水主管的上部固定连接有风扇连接块，所述涡轮风扇固定连接在风扇连接块顶部，伸出一级除尘外筒底部的一段喷水主管与旋转动力传动机构连接；位于一级除尘内筒底部位置处的一段喷水主管与差速器连接，所述一级除尘内筒与差速器的从动输出部分连接；所述输水管与所述水雾喷射机构连接的一端内部设置有用于支撑安装喷水主管的第二密封轴承，所述喷水主管的下端连接在第二密封轴承上。

上述的多级组合式隧道除尘系统，所述一级除尘外筒的顶部内壁上设置有滑轨，所述一级除尘内筒的顶部外壁上周围固定连接有多块能够在滑轨中滑动的滑块；所述一级除尘内筒上半部分的形状为喇叭形，所述一级除尘内筒下半部分的形状为空心圆柱形，所述风扇连接块设置在一级除尘内筒上半部分和下半部分连接处内部中间位置处，所述风扇连接块的形状为纺锤形，多根所述喷水分管均水平设置在风扇连接块内部竖直方向的中间位置处且穿出到风扇连接块外部。

上述的多级组合式隧道除尘系统，所述差速器包括差速器外壳以及设置在差速器外壳内部的两个太阳轮和两个行星轮，两个所述太阳轮与两个所述行星轮相互间隔设置且相互啮合，两个所述太阳轮一上一下设置且固定连接在喷水主管上，两个行星轮一左一右设置且固定连接在水平设置在差速器外壳内的行星轮轴上，所述行星轮轴的两端均与差速器外壳固定连接，所述差速器外壳为差速器的从动输出部分，所述一级除尘内筒与差速器外壳连接，所述差速器外壳的内壁上安装有用于支撑安装喷水主管的第三密封轴承。

上述的多级组合式隧道除尘系统，所述第三密封轴承的数量为两个，两个第三密封轴承一上一下间隔设置，位于两个第三密封轴承之间的一段喷水主管上设置有出水孔；所述一级除尘内筒下半部分的壁为空心结构，所述一级除尘内筒下半部分的壁的外表面上连接有多层水平设置且用于生成水幕的水幕生成管，每层所述水幕生成管的数量均为多根，多层水幕生成管中位于一级除尘内筒下半部分上部层的水幕生成管上均匀设置有多个雾化喷头，多层水幕生成管中位于一级除尘内筒下半部分下部层的水幕生成管上均匀设置有多个增压喷头；所述差速器外壳上设置有用于供出水孔中流出的水流到一级除尘内筒下半部分的壁内的水流通道。

上述的多级组合式隧道除尘系统，所述旋转动力传动机构包括电动机和与电动机的输出轴固定连接的主动齿轮，伸出一级除尘外筒底部的一段喷水主管上固定连接有与主动齿轮相啮合的从动齿轮。

上述的多级组合式隧道除尘系统，多块碳纤维电热板在二级除尘筒内部一上一下交错布设。

本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、能够有效去除隧道施工中产生的粉尘、减少对人类的伤害的的多级组合式隧道除尘系统的除尘方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、设置用于对所述隧道除尘系统进行控制的隧道除尘控制器，所述隧道除尘控制器包括控制器模块和与控制器模块相接的触摸式液晶显示屏，所述控制器模块的输出端接有用于驱动电动机的电动机驱动器、用于接通或断开水泵的供电回路的第一继电器、用于接通或断开振打器的供电回路的第二继电器、用于驱动水压调节阀的第一阀门驱动器和用于驱动脉冲反吹阀的第二阀门驱动器；将电动机与电动机驱动器的输出端连接，将第一继电器接在水泵的供电回路中，将第二继电器接在振打器的供电回路中，将水压调节阀与第一阀门驱动器的输出端连接，将脉冲反吹阀与第二阀门驱动器的输出端连接；

步骤二、所述控制器模块通过电动机驱动器驱动所述电动机旋转，电动机带动主动齿轮旋转，主动齿轮带动从动齿轮旋转，从动齿轮带动喷水主管旋转，喷水主管通过风扇连接块带动涡轮风扇旋转，而且，喷水主管带动差速器的两个太阳轮旋转，两个太阳轮旋转的动力传递给两个行星轮，再通过行星轮轴传递给差速器外壳，并通过差速器外壳带动一级除尘内筒旋转；同时，所述控制器模块控制第一继电器接通所述水泵的供电回路，启动水泵，通过第一阀门驱动器驱动水压调节阀调节水压，沉降过滤池内的水经水泵加压，并经水压调节阀调节压力后通过输水管进入喷水主管，流经喷水主管后从多根喷水分管内喷出，而且，喷水主管内的水通过出水孔流入差速器外壳上的水流通道，再流到一级除尘内筒下半部分的壁内，再流到水幕生成管内，位于一级除尘内筒下半部分上部层的水幕生成管内的水通过多个雾化喷头喷出，位于一级除尘内筒下半部分下部层的水幕生成管内的水通过多个增压喷头喷出；

步骤三、一级除尘：含尘气体在涡轮风扇旋转时在一级除尘内筒内形成的负压的作用下通过进气栅和进气筒进入一级除尘内筒内；进入一级除尘内筒内的含尘气体中的粉尘颗粒部分被从多根喷水分管内喷出的水碰撞捕捉，粉尘颗粒与水结合后产生的汽水混合物在重力的作用下沉降到一级除尘外筒内，部分未被从多根喷水分管内喷出的水碰撞捕捉的粉尘颗粒随含尘空气从一级除尘内筒的底部流出并充斥于一级除尘外筒内，充斥于一级除尘外筒内的粉尘颗粒在多个雾化喷头喷出的水和多个增压喷头喷出的水形成的水幕淋滤作用下，被充分地碰撞捕捉，并沉降到一级除尘外筒内，沉降到一级除尘外筒内的粉尘颗粒再经过一级除尘输送管进入沉降过滤池内；部分未被碰撞捕捉的粉尘颗粒随含尘空气经由一级除尘外筒连接管和第一二级除尘外筒连接管进入二级除尘外筒内部；

步骤四、二级除尘：进入二级除尘筒内部的含尘空气先通过多块碳纤维电热板，使得所有的水分全部转化为气态后进入列管式冷凝器，凝结成液体的水会流动到U型管的底部，定期清理U型管中的抽屉，定期清理系统运转过程中产生的废水或泥；然后进入三级除尘筒内部；

步骤五、三级除尘：含尘空气经过电晕极时，电晕极使含尘空气中的粉尘颗粒带电，再在滤袋式除尘器形成的电场作用下，吸附粉尘颗粒，净化后的空气通过排气口排出到隧道中；控制器模块通过控制第二阀门驱动器驱动脉冲反吹阀打开，粉尘颗粒在反吹的作用下，从滤袋式除尘器内落下进入三级除尘筒下部，再在振打器的作用下落入集灰仓内。

上述的方法，步骤二中所述控制器模块通过第一阀门驱动器驱动水压调节阀调节水压时采用PID控制的方法。

上述的方法，所述控制器模块的输入端接有用于对隧道内的粉尘浓度进行实时检测的粉尘浓度传感器，步骤二中所述控制器模块通过电动机驱动器驱动所述电动机旋转时的转速控制，根据隧道内的粉尘浓度检测值，并采用优化模糊神经网络PID控制的方法确定电动机的转速，具体过程为：

步骤一、控制器模块对粉尘浓度传感器检测到的隧道内的粉尘浓度进行周期性采样；

步骤二、控制器模块根据公式

对其第i次采样得到的粉尘浓度

与预设粉尘浓度

作差，得到偏差e_i；

步骤三、控制器模块根据公式

对偏差e_i求导，得到偏差e_i随时间t的变化率

步骤四、控制器模块将e_i和

作为模糊神经网络中输入层的两个节点；

步骤五、控制器模块将e_i和

划分模糊子集，确定模糊神经网络中模糊化层的节点数，隶属函数采用高斯函数；

步骤六、控制器模块确定模糊神经网络中模糊规则层的节点数；

步骤七、控制器模块对模糊神经网络中的去模糊层采用重心法解模糊，变成一个节点，并作为PID神经网络中PID输入层的一个节点；

步骤八、控制器模块将K_P、K_I、K_D作为PID神经网络中PID层的三个节点，采用改进的细菌觅食优化算法对PID神经网络的权值进行优化，使静态参数的K_P、K_I、K_D转化为动态调整形式；

其中，采用改进的细菌觅食优化算法对PID神经网络的权值进行优化的具体过程为：

步骤701、初始化细菌觅食优化算法参数：所述细菌觅食优化算法参数包括细菌菌群中与PID神经网络的权值相对应的细菌总数S、PID神经网络的权值的搜索工作维度p、PID神经网络的权值的趋化次数N_c、趋化过程中PID神经网络的权值单向运动的最大步数N_S、PID神经网络的权值的复制次数N_re,、PID神经网络的权值的学习次数N_ed、PID神经网络的权值的最大趋化步长C_max和PID神经网络的权值的最小趋化步长C_min；

步骤702、初始化菌群位置：采用随机初始化的方法并按照公式X＝X_min+rand×(X_max-X_min)在p维空间初始化2S个点作为细菌的初始化位置,其中随机选取S个细菌作为菌群X₁,剩下的S个细菌作为菌群X₂；X_min为优化区间的最小值，X_max为优化区间的最大值，X为细菌的初始化位置，rand为均匀分布在[0,1]区间的随机数；

步骤703、适应度值更新：按照公式

计算各个细菌的适应度值；其中，d_attract为细菌与细菌之间引力的深度，w_attract为细菌与细菌之间引力的宽度，h_repellent细菌与细菌之间斥力的高度，w_repellent为细菌与细菌之间斥力的宽度，P(i,j,k,l)为细菌i在第j次趋向性操作、第k次复制操作和第l次迁徙操作后的位置，P(1:S,j,k,l)为当前个体P(i,j,k,l)的邻域内的一个随机位置,J_CC(i,j,k,l)为细菌i在第j次趋向性操作、第k次复制操作和第l次迁徙操作后的适应度值；

步骤704、设置循环变量的参数：其中趋化循环次数j为1～N_c，复制循环次数k为1～N_re，学习循环次数l为1～N_ed；

步骤705、进入趋化循环，进行趋化操作，具体方法为：

对菌群X₂，按照以下步骤Q21～步骤Q211的趋化操作对每个细菌进行趋化：

步骤Q21、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌规模S，当小于时执行步骤Q22，当不小于时跳转执行步骤Q212；

步骤Q22、计算细菌i的适应度值；

步骤Q23、细菌i在随机产生的方向上翻转一个单位步长；

步骤Q24、令j初始化为1；

步骤Q25、计算新位置上细菌i的适应度值；

步骤Q26、判断j是否小于最大步数N_c，当小于时执行步骤Q27，当不小于时跳转执行步骤Q21；

步骤Q27、将j的重新赋值为j+1；

步骤Q28、判断新位置上细菌i的适应度值是否改变，当改变时执行步骤Q29，当没有改变时令j＝N_S,并跳转执行步骤Q26；

步骤Q29、更新细菌i的适应度值；

步骤Q210、细菌种群在翻转的方向上继续游动；

步骤Q211、跳转执行步骤Q25，继续循环，直至步骤Q21中i的取值等于S为止；

步骤Q212、趋化操作结束；

对菌群X₁，按照以下步骤Q11～步骤Q112的趋化操作对每个细菌进行趋化：

步骤Q11、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌菌落规模S，当小于时执行步骤Q12，当不小于时跳转执行步骤Q112；

步骤Q12、计算细菌i的适应度值；

步骤Q13、根据公式

计算细菌菌群密度函数因子D(i)，并根据公式C(i)＝A·D(i)+B计算趋化步长C(i)；再令细菌i在随机产生的方向上翻转步长C(i)；其中，L为搜索空间对角线中最大长度，X(m,i)为细菌i在搜索空间第m维的位置坐标值，X为当前搜索空间内所有细菌在搜索空间第m维的平均位置坐标值；

步骤Q14、令j初始化为1；

步骤Q15、计算新位置上细菌i的适应度值；

步骤Q16、判断j是否小于最大步数N_c，当小于时执行步骤Q17，当不小于时跳转执行步骤Q11；

步骤Q17、将j的重新赋值为j+1；

步骤Q18、判断新位置上细菌i的适应度值是否改变，当改变时执行步骤Q19，当没有改变时令j＝N_S,并跳转执行步骤Q16；

步骤Q19、更新细菌i的适应度值；

步骤Q110、细菌种群在翻转的方向上继续游动；

步骤Q111、跳转执行步骤Q15，继续循环，直至步骤Q11中i的取值等于S为止；

步骤Q112、趋化操作结束；

步骤706、进入复制循环,进行复制操作，具体方法为：

对菌群X₁，按照以下步骤F11～步骤F16的复制操作对每个细菌进行复制：

步骤F11、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌规模S，当小于时执行步骤F12，当不小于时跳转执行步骤F16；

步骤F12、计算细菌在上次复制操作循环中经过的所有位置的适应度之和，并定义为健康度值；

步骤F13、按照健康度值的优劣将细菌进行排序；

步骤F14、跳转执行步骤F11；

步骤F15、淘汰健康度差的

个细菌，剩余的

个细菌各自分裂出一个与自己完全相同的新个体；

步骤F16、复制操作结束；

对菌群X₂，按照以下步骤F21～步骤F24的复制操作对每个细菌进行复制：

步骤F21、计算所有细菌的适应度值并按照从小到大的顺序进行排序,并选出当前最优的细菌作为精英细菌；

步骤F22、对当前最好的一半细菌，按照公式X′₂(i)＝X₂(i)+N(0,1)实施变异操作,生成

个新细菌并与原来的细菌构成新的子细菌群X′₂；其中，N(0,1)为服从均值为0、均方差为1的高斯分布；

步骤F23、对当前最差的一半细菌，按照黄金分割率并取排序在前61.8％的细菌与步骤F21中挑选出来的精英细菌进行交叉操作,生成

个新细菌并与原来的细菌构成新的子细菌群X″₂；

步骤F24、从子细菌群X′₂与子细菌群X″₂中挑选出适应度值最好的前S个细菌替换原来的细菌群X₂；

步骤707、进入学习循环，进行学习操作，具体方法为：将菌群X₁与菌群X₂中的细菌进行排序,并将菌群X₁的排序在前61.8％的细菌按照轮盘赌法选择出0.382S个细菌与菌群X₂中排序在后38.2％的细菌进行交换,交换来的0.382S个细菌组成新的菌群X₂；

步骤708、判断趋化循环、复制循环和学习循环的循环次数是否已达到设置值，当达到时，循环结束，通过适应度值比较两个菌群中发现的最优细菌,选择出最好的作为全局最优解,并将结果输出，否则，继续循环执行步骤705～步骤708，直到趋化循环、复制循环和学习循环的循环次数已达到设置值；

步骤九、PID神经网络中的输出层输出对电动机优化后的控制电压U^*，并通过电动机驱动器驱动所述电动机。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的多级组合式隧道除尘系统，通过设计一级除尘装置、二级除尘装置和三级除尘装置，实现了多级联合除尘的目的，能够将除尘率提高到90％以上。

2、本发明的多级组合式隧道除尘系统，一级除尘装置为湿式除尘装置，三级除尘装置为干式除尘装置，通过在一级除尘装置和三级除尘装置之间设置二级除尘装置进行过渡，实现了干湿结合除尘的目的，使本发明的多级组合式隧道除尘系统同时具备了干式除尘器和湿式除尘器的优点。

3、本发明的多级组合式隧道除尘系统，通过在一级除尘内筒内设置涡轮风扇，能够达到高效除尘的目的，且涡轮风扇的安装简单，成本低，空气流量大、能耗低、噪音低，工作可靠性高。

4、本发明的多级组合式隧道除尘系统，将一级除尘内筒上半部分的形状设置为喇叭形，将一级除尘内筒下半部分的形状设置为空心圆柱形，将风扇连接块设置在一级除尘内筒上半部分和下半部分连接处内部中间位置处，将风扇连接块的形状设置纺锤形，将多根喷水分管水平设置在风扇连接块内部竖直方向的中间位置处，使进入一级除尘内筒内含尘气体以高速通过一级除尘内筒上半部分和下半部分连接处，从喷水分管喷射出来的水滴，在高速气流的冲击下雾化，使得一级除尘内筒上半部分和下半部分连接处气体和水充分接触，尘粒表面附着的气膜被冲破，使尘粒被水湿润，发生激烈的凝聚。当气流经过一级除尘内筒上半部分和下半部分连接处后，气流速度减小，压力回升，以尘粒为凝结核的凝聚作用完成，凝聚成较大的含尘水滴，更利于除尘。

5、本发明的多级组合式隧道除尘系统，采用下部设置增压喷头、上部设置雾化喷头的方式，当含尘气体从下往上流动时，先经过增压喷头喷出的水的作用，能够去除粉尘中较大较重的颗粒物，再经过雾化喷头喷出的水雾作用，能够去除粉尘中未被增压喷头喷出的水去除的较小较轻的颗粒物，从而能够加强除尘效果，达到对含尘气体彻底增湿、洗涤、除尘的目的。

6、本发明的多级组合式隧道除尘系统，通过设置差速器，能够使涡轮风扇和所述水雾喷射机构同步旋转，并与一级除尘内筒差速旋转，具体实施时，通常使涡轮风扇和所述水雾喷射机构的转速远大于一级除尘内筒的转速；通过使涡轮风扇高速旋转，能够高效地吸入隧道内的含尘气体；通过使所述水雾喷射机构中的喷水主管高速旋转，能够使从喷水分管喷射出来的水滴，在高速气流的冲击下雾化，使得一级除尘内筒上半部分和下半部分连接处气体和水充分接触，尘粒表面附着的气膜被冲破，使尘粒被水湿润，发生激烈的凝聚。通过使一级除尘内筒低速旋转，能够避免一级除尘内筒产生的离心力过大，使从增压喷头和雾化喷头喷出的水在离心力的作用下打到一级除尘外筒的内壁上，不能很好地去除粉尘颗粒物；而使一级除尘内筒低速旋转能够保证从增压喷头和雾化喷头喷出的水形成水幕，进而更好地去除粉尘颗粒物。

7、本发明的多级组合式隧道除尘系统，二级除尘装置的干燥效率高，能够有效除湿，顺利实现湿式除尘器到干式除尘器的过渡。

8、本发明的多级组合式隧道除尘系统，三级除尘装置采用电除尘和滤袋除尘相结合的方式除尘，有效提高了除尘效率。

9、本发明通过设置沉降过滤池、净水器和储水器，实现了水资源的循环利用，节能环保。

10、本发明的多级组合式隧道除尘系统的除尘方法，方法步骤简单，实现方便，能够有效去除隧道施工中产生的粉尘，减少对人类的伤害。

11、本发明的多级组合式隧道除尘系统的除尘方法，在进行电动机的转速控制时，采用了改进的细菌觅食优化算法优化模糊神经网络PID控制的方法，能够根据隧道粉尘浓度控制电动机的转速，进而控制涡轮风扇的转速和一级除尘内筒的转速，达到了一级除尘根据隧道粉尘浓度进行实施的目的，能够高效去除隧道施工中产生的粉尘，且避免了浪费。

综上所述，本发明的设计新颖合理，实现方便，能够高效去除隧道施工中产生的粉尘，减少对人类的伤害，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明多级组合式隧道除尘系统的结构示意图。

图2为图1的A部放大图。

图3为本发明差速器的结构示意图。

图4为本发明控制器模块与其他各单元的连接关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括的多级组合式隧道除尘系统，包括一级除尘装置、二级除尘装置、三级除尘装置、沉降过滤池13和储水器51；

所述一级除尘装置包括一级除尘外筒1、连接在一级除尘外筒1上部开口处的进气筒2和设置在一级除尘外筒1内的旋转式除尘机构，所述进气筒2的入口处设置有进气栅3；所述旋转式除尘机构包括一级除尘内筒4，设置在一级除尘内筒4内的涡轮风扇5和水雾喷射机构，以及用于为一级除尘内筒4、涡轮风扇5和所述水雾喷射机构提供旋转动力的旋转动力传动机构；所述一级除尘内筒4的下部连接有用于使涡轮风扇5和所述水雾喷射机构同步旋转并与一级除尘内筒4差速旋转的差速器11，所述水雾喷射机构与所述旋转动力传动机构和差速器11均连接；所述沉降过滤池13的出水口连接有净水器52，所述储水器51的进水口与净水器52的出水口连接，所述储水器51的出水口连接有与所述水雾喷射机构连接的输水管12，所述输水管12上连接有水泵31和水压调节阀39；所述一级除尘外筒1底部的排污口通过一级除尘输送管33和设置在一级除尘输送管33上的一级除尘电磁阀34与沉降过滤池13的顶部连接；

具体实施时，所述进气筒2的形状为流线形，通过将进气筒2的形状设计为流线形，能够减小涡旋作用或避免涡旋的形成，大大地减低了进气筒2对含尘气体的阻力，能够更好地除尘。

具体实施时，所述储水器51顶部连接有用于与水源连接并往储水器51内补水的补水管53；

所述二级除尘装置包括多个并排设置的二级除尘筒20，每个二级除尘筒20内部均设置有多块碳纤维电热板17，相邻两个二级除尘筒20之间以及二级除尘筒20和三级除尘筒22之间均设置有U型冷凝器组件，所述U型冷凝器组件包括底部带有抽屉21的U型管19和分别连接在U型管19两端顶部的两个列管式冷凝器18；

所述三级除尘装置包括三级除尘筒22以及设置在三级除尘筒22内部的电晕极37和滤袋式除尘器23，所述三级除尘筒22外部设置有用于为电晕极37供电的整流电源42，所述电晕极37与整流电源42的输出端连接，所述滤袋式除尘器23包括除尘骨架和套装在除尘骨架上的除尘滤袋，所述除尘骨架接地，所述三级除尘筒22内部设置有位于滤袋式除尘器23上方且从三级除尘筒22的侧壁伸出三级除尘筒22外部的反吹管25，所述反吹管25上设置有多个正对滤袋式除尘器23设置的脉冲反吹阀26，所述三级除尘筒22的上部侧壁上设置有排气口38，所述三级除尘筒22的下部外壁上设置有振打器30，所述三级除尘筒22的底部设置有用于收集灰尘的集灰仓24；

所述一级除尘外筒1的侧壁上设置有与一级除尘外筒1内部相连通且用于与二级除尘筒20连接的一级除尘外筒连接管1-1，与一级除尘外筒1相邻的二级除尘筒20的侧壁上设置有与二级除尘筒20内部相连通且用于与一级除尘外筒1连接的二级除尘筒连接管20-1，所述三级除尘筒22的侧壁上设置有与三级除尘筒22内部相连通且用于与二级除尘筒20连接的三级除尘筒连接管22-1，与三级除尘筒22相邻的列管式冷凝器18的顶部通过二级三级过渡管20-2与三级除尘筒连接管22-1连接。

具体实施时，所述第一二级除尘外筒连接管17-1与一级除尘外筒连接管1-1通过法兰和螺栓连接，所述三级除尘筒连接管22-1与第二二级除尘外筒连接管17-2通过法兰和螺栓连接；

所述三级除尘筒连接管22-1内设置有电晕极37，所述三级除尘筒连接管22-1的外部设置有用于为电晕极37供电的电池，所述滤袋式除尘器23与电晕极37的负极连接且接地。

本实施例中，所述一级除尘内筒4的顶部和底部均为敞口设置，所述水雾喷射机构包括竖直设置在一级除尘内筒4内且向下伸出一级除尘外筒1外部的喷水主管6，以及连接在喷水主管6顶部且向不同方向延伸的多根喷水分管7；每根所述喷水分管7的出水口处均连接有雾化喷嘴8，所述一级除尘外筒1底部连接有用于支撑安装喷水主管6的第一密封轴承9，所述喷水主管6的上部固定连接有风扇连接块10，所述涡轮风扇5固定连接在风扇连接块10顶部，伸出一级除尘外筒1底部的一段喷水主管6与旋转动力传动机构连接；位于一级除尘内筒4底部位置处的一段喷水主管6与差速器11连接，所述一级除尘内筒4与差速器11的从动输出部分连接；所述输水管12与所述水雾喷射机构连接的一端内部设置有用于支撑安装喷水主管6的第二密封轴承14，所述喷水主管6的下端连接在第二密封轴承14上。

具体实施时，多根喷水分管7均匀设置在喷水主管6顶部，所述喷水分管7的数量为2～8根。

本实施例中，如图2所示，所述一级除尘外筒1的顶部内壁上设置有滑轨40，所述一级除尘内筒4的顶部外壁上周围固定连接有多块能够在滑轨40中滑动的滑块41；通过设置滑轨40和滑块41，能够更加保证一级除尘装置结构的稳定性；所述一级除尘内筒4上半部分的形状为喇叭形，所述一级除尘内筒4下半部分的形状为空心圆柱形，所述风扇连接块10设置在一级除尘内筒4上半部分和下半部分连接处内部中间位置处，所述风扇连接块10的形状为纺锤形，多根所述喷水分管7均水平设置在风扇连接块10内部竖直方向的中间位置处且穿出到风扇连接块10外部。这样的结构及形状设计，使进入一级除尘内筒4内含尘气体以高速通过一级除尘内筒4上半部分和下半部分连接处，从喷水分管7喷射出来的水滴，在高速气流的冲击下雾化，使得一级除尘内筒4上半部分和下半部分连接处气体和水充分接触，尘粒表面附着的气膜被冲破，使尘粒被水湿润，发生激烈的凝聚。当气流经过一级除尘内筒4上半部分和下半部分连接处后，气流速度减小，压力回升，以尘粒为凝结核的凝聚作用完成，凝聚成较大的含尘水滴，更利于除尘。

本实施例中，如图3所示，所述差速器11包括差速器外壳11-1以及设置在差速器外壳11-1内部的两个太阳轮11-2和两个行星轮11-3，两个所述太阳轮11-2与两个所述行星轮11-3相互间隔设置且相互啮合，两个所述太阳轮11-2一上一下设置且固定连接在喷水主管6上，两个行星轮11-3一左一右设置且固定连接在水平设置在差速器外壳11-1内的行星轮轴11-4上，所述行星轮轴11-4的两端均与差速器外壳11-1固定连接，所述差速器外壳11-1为差速器11的从动输出部分，所述一级除尘内筒4与差速器外壳11-1连接，所述差速器外壳11-1的内壁上安装有用于支撑安装喷水主管6的第三密封轴承11-5。

本实施例中，所述第三密封轴承11-5的数量为两个，两个第三密封轴承11-5一上一下间隔设置，位于两个第三密封轴承11-5之间的一段喷水主管6上设置有出水孔6-1；所述一级除尘内筒4下半部分的壁为空心结构，所述一级除尘内筒4下半部分的壁的外表面上连接有多层水平设置且用于生成水幕的水幕生成管15，每层所述水幕生成管15的数量均为多根，多层水幕生成管15中位于一级除尘内筒4下半部分上部层的水幕生成管15上均匀设置有多个雾化喷头16，多层水幕生成管15中位于一级除尘内筒4下半部分下部层的水幕生成管15上均匀设置有多个增压喷头32；所述差速器外壳11-1上设置有用于供出水孔6-1中流出的水流到一级除尘内筒4下半部分的壁内的水流通道11-11。

本发明通过采用下部设置增压喷头32、上部设置雾化喷头16的方式，当含尘气体从下往上流动时，先经过增压喷头32喷出的水的作用，能够去除粉尘中较大较重的颗粒物，再经过雾化喷头16喷出的水雾作用，能够去除粉尘中未被增压喷头32喷出的水去除的较小较轻的颗粒物，从而能够加强除尘效果，达到对含尘气体彻底增湿、洗涤、除尘的目的。

本发明通过设置差速器11，能够使涡轮风扇5和所述水雾喷射机构同步旋转，并与一级除尘内筒4差速旋转，具体实施时，通常使涡轮风扇5和所述水雾喷射机构的转速远大于一级除尘内筒4的转速；通过使涡轮风扇5高速旋转，能够高效地吸入隧道内的含尘气体；通过使所述水雾喷射机构中的喷水主管6高速旋转，能够使从喷水分管7喷射出来的水滴，在高速气流的冲击下雾化，使得一级除尘内筒4上半部分和下半部分连接处气体和水充分接触，尘粒表面附着的气膜被冲破，使尘粒被水湿润，发生激烈的凝聚。通过使一级除尘内筒4低速旋转，能够避免一级除尘内筒4产生的离心力过大，使从增压喷头32和雾化喷头16喷出的水在离心力的作用下打到一级除尘外筒1的内壁上，不能很好地去除粉尘颗粒物；而使一级除尘内筒4低速旋转能够保证从增压喷头32和雾化喷头16喷出的水形成水幕，进而更好地去除粉尘颗粒物。

本实施例中，所述旋转动力传动机构包括电动机27和与电动机27的输出轴固定连接的主动齿轮28，伸出一级除尘外筒1底部的一段喷水主管6上固定连接有与主动齿轮28相啮合的从动齿轮29。

本实施例中，多块碳纤维电热板17在二级除尘筒20内部一上一下交错布设。

本发明的多级组合式隧道除尘系统的除尘方法，包括以下步骤：

步骤一、设置用于对所述隧道除尘系统进行控制的隧道除尘控制器，如图4所示，所述隧道除尘控制器包括控制器模块43和与控制器模块43相接的触摸式液晶显示屏44，所述控制器模块43的输出端接有用于驱动电动机27的电动机驱动器45、用于接通或断开水泵31的供电回路的第一继电器46、用于接通或断开振打器30的供电回路的第二继电器47、用于驱动水压调节阀39的第一阀门驱动器48和用于驱动脉冲反吹阀26的第二阀门驱动器49；将电动机27与电动机驱动器45的输出端连接，将第一继电器46接在水泵31的供电回路中，将第二继电器47接在振打器30的供电回路中，将水压调节阀39与第一阀门驱动器48的输出端连接，将脉冲反吹阀26与第二阀门驱动器49的输出端连接；

具体实施时，所述控制器模块43为ARM微控制器模块。

步骤二、所述控制器模块43通过电动机驱动器45驱动所述电动机27旋转，电动机27带动主动齿轮28旋转，主动齿轮28带动从动齿轮29旋转，从动齿轮29带动喷水主管6旋转，喷水主管6通过风扇连接块10带动涡轮风扇5旋转，而且，喷水主管6带动差速器11的两个太阳轮11-2旋转，两个太阳轮11-2旋转的动力传递给两个行星轮11-3，再通过行星轮轴11-4传递给差速器外壳11-1，并通过差速器外壳11-1带动一级除尘内筒4旋转；同时，所述控制器模块43控制第一继电器46接通所述水泵31的供电回路，启动水泵31，通过第一阀门驱动器48驱动水压调节阀39调节水压，沉降过滤池13内的水经水泵31加压，并经水压调节阀39调节压力后通过输水管12进入喷水主管6，流经喷水主管6后从多根喷水分管7内喷出，而且，喷水主管6内的水通过出水孔6-1流入差速器外壳11-1上的水流通道11-11，再流到一级除尘内筒4下半部分的壁内，再流到水幕生成管15内，位于一级除尘内筒4下半部分上部层的水幕生成管15内的水通过多个雾化喷头16喷出，位于一级除尘内筒4下半部分下部层的水幕生成管15内的水通过多个增压喷头32喷出；

步骤三、一级除尘：含尘气体在涡轮风扇5旋转时在一级除尘内筒4内形成的负压的作用下通过进气栅3和进气筒2进入一级除尘内筒4内；进入一级除尘内筒4内的含尘气体中的粉尘颗粒部分被从多根喷水分管7内喷出的水碰撞捕捉，粉尘颗粒与水结合后产生的汽水混合物在重力的作用下沉降到一级除尘外筒1内，部分未被从多根喷水分管7内喷出的水碰撞捕捉的粉尘颗粒随含尘空气从一级除尘内筒4的底部流出并充斥于一级除尘外筒1内，充斥于一级除尘外筒1内的粉尘颗粒在多个雾化喷头16喷出的水和多个增压喷头32喷出的水形成的水幕淋滤作用下，被充分地碰撞捕捉，并沉降到一级除尘外筒1内，沉降到一级除尘外筒1内的粉尘颗粒再经过一级除尘输送管33进入沉降过滤池13内；部分未被碰撞捕捉的粉尘颗粒随含尘空气经由一级除尘外筒连接管1-1和第一二级除尘外筒连接管进入二级除尘筒20内部；

步骤四、二级除尘：进入二级除尘筒20内部的含尘空气先通过多块碳纤维电热板17，使得所有的水分全部转化为气态后进入列管式冷凝器18，凝结成液体的水会流动到U型管19的底部，定期清理U型管19中的抽屉21，定期清理系统运转过程中产生的废水或泥；然后进入三级除尘筒22内部；

步骤五、三级除尘：含尘空气经过电晕极37时，电晕极37使含尘空气中的粉尘颗粒带电，再在滤袋式除尘器23形成的电场作用下，吸附粉尘颗粒，净化后的空气通过排气口38排出到隧道中；控制器模块43通过控制第二阀门驱动器49驱动脉冲反吹阀26打开，粉尘颗粒在反吹的作用下，从滤袋式除尘器23内落下进入三级除尘筒22下部，再在振打器30的作用下落入集灰仓24内。

具体实施时，对集灰仓24进行定期清理。

本实施例中，步骤二中所述控制器模块43通过第一阀门驱动器48驱动水压调节阀39调节水压时采用PID控制的方法。

本实施例中，所述控制器模块43的输入端接有用于对隧道内的粉尘浓度进行实时检测的粉尘浓度传感器50，步骤二中所述控制器模块43通过电动机驱动器45驱动所述电动机27旋转时的转速控制，根据隧道内的粉尘浓度检测值，并采用优化模糊神经网络PID控制的方法确定电动机27的转速，具体过程为：

步骤一、控制器模块43对粉尘浓度传感器50检测到的隧道内的粉尘浓度进行周期性采样；

步骤二、控制器模块43根据公式

对其第i次采样得到的粉尘浓度

与预设粉尘浓度

作差，得到偏差e_i；

步骤三、控制器模块43根据公式

对偏差e_i求导，得到偏差e_i随时间t的变化率

步骤四、控制器模块43将e_i和

作为模糊神经网络中输入层的两个节点；

步骤五、控制器模块43将e_i和

划分模糊子集，确定模糊神经网络中模糊化层的节点数，隶属函数采用高斯函数；

步骤六、控制器模块43确定模糊神经网络中模糊规则层的节点数；

步骤七、控制器模块43对模糊神经网络中的去模糊层采用重心法解模糊，变成一个节点，并作为PID神经网络中PID输入层的一个节点；

步骤八、控制器模块43将K_P、K_I、K_D作为PID神经网络中PID层的三个节点，采用改进的细菌觅食优化算法对PID神经网络的权值进行优化，使静态参数的K_P、K_I、K_D转化为动态调整形式；

其中，采用改进的细菌觅食优化算法对PID神经网络的权值进行优化的具体过程为：

步骤701、初始化细菌觅食优化算法参数：所述细菌觅食优化算法参数包括细菌菌群中与PID神经网络的权值相对应的细菌总数S、PID神经网络的权值的搜索工作维度p、PID神经网络的权值的趋化次数N_c、趋化过程中PID神经网络的权值单向运动的最大步数N_S、PID神经网络的权值的复制次数N_re,、PID神经网络的权值的学习次数N_ed、PID神经网络的权值的最大趋化步长C_max和PID神经网络的权值的最小趋化步长C_min；

步骤702、初始化菌群位置：采用随机初始化的方法并按照公式X＝X_min+rand×(X_max-X_min)在p维空间初始化2S个点作为细菌的初始化位置,其中随机选取S个细菌作为菌群X₁,剩下的S个细菌作为菌群X₂；X_min为优化区间的最小值，X_max为优化区间的最大值，X为细菌的初始化位置，rand为均匀分布在[0,1]区间的随机数；

步骤703、适应度值更新：按照公式

计算各个细菌的适应度值；其中，d_attract为细菌与细菌之间引力的深度，w_attract为细菌与细菌之间引力的宽度，h_repellent细菌与细菌之间斥力的高度，w_repellent为细菌与细菌之间斥力的宽度，P(i,j,k,l)为细菌i在第j次趋向性操作、第k次复制操作和第l次迁徙操作后的位置，P(1:S,j,k,l)为当前个体P(i,j,k,l)的邻域内的一个随机位置,J_CC(i,j,k,l)为细菌i在第j次趋向性操作、第k次复制操作和第l次迁徙操作后的适应度值；

步骤704、设置循环变量的参数：其中趋化循环次数j为1～N_c，复制循环次数k为1～N_re，学习循环次数l为1～N_ed；

步骤705、进入趋化循环，进行趋化操作，具体方法为：

对菌群X₂，按照以下步骤Q21～步骤Q211的趋化操作对每个细菌进行趋化：

步骤Q21、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌规模S，当小于时执行步骤Q22，当不小于时跳转执行步骤Q212；

步骤Q22、计算细菌i的适应度值；

步骤Q23、细菌i在随机产生的方向上翻转一个单位步长；

步骤Q24、令j初始化为1；

步骤Q25、计算新位置上细菌i的适应度值；

步骤Q26、判断j是否小于最大步数N_c，当小于时执行步骤Q27，当不小于时跳转执行步骤Q21；

步骤Q27、将j的重新赋值为j+1；

步骤Q28、判断新位置上细菌i的适应度值是否改变，当改变时执行步骤Q29，当没有改变时令j＝N_S,并跳转执行步骤Q26；

步骤Q29、更新细菌i的适应度值；

步骤Q210、细菌种群在翻转的方向上继续游动；

步骤Q211、跳转执行步骤Q25，继续循环，直至步骤Q21中i的取值等于S为止；

步骤Q212、趋化操作结束；

对菌群X₁，按照以下步骤Q11～步骤Q112的趋化操作对每个细菌进行趋化：

步骤Q11、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌菌落规模S，当小于时执行步骤Q12，当不小于时跳转执行步骤Q112；

步骤Q12、计算细菌i的适应度值；

步骤Q13、根据公式

计算细菌菌群密度函数因子D(i)，并根据公式C(i)＝A·D(i)+B计算趋化步长C(i)；再令细菌i在随机产生的方向上翻转步长C(i)；其中，L为搜索空间对角线中最大长度，X(m,i)为细菌i在搜索空间第m维的位置坐标值，

为当前搜索空间内所有细菌在搜索空间第m维的平均位置坐标值；

步骤Q14、令j初始化为1；

步骤Q15、计算新位置上细菌i的适应度值；

步骤Q16、判断j是否小于最大步数N_c，当小于时执行步骤Q17，当不小于时跳转执行步骤Q11；

步骤Q17、将j的重新赋值为j+1；

步骤Q18、判断新位置上细菌i的适应度值是否改变，当改变时执行步骤Q19，当没有改变时令j＝N_S,并跳转执行步骤Q16；

步骤Q19、更新细菌i的适应度值；

步骤Q110、细菌种群在翻转的方向上继续游动；

步骤Q111、跳转执行步骤Q15，继续循环，直至步骤Q11中i的取值等于S为止；

步骤Q112、趋化操作结束；

步骤706、进入复制循环,进行复制操作，具体方法为：

对菌群X₁，按照以下步骤F11～步骤F16的复制操作对每个细菌进行复制：

步骤F11、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌规模S，当小于时执行步骤F12，当不小于时跳转执行步骤F16；

步骤F12、计算细菌在上次复制操作循环中经过的所有位置的适应度之和，并定义为健康度值；

步骤F13、按照健康度值的优劣将细菌进行排序；

步骤F14、跳转执行步骤F11；

步骤F15、淘汰健康度差的

个细菌，剩余的

个细菌各自分裂出一个与自己完全相同的新个体；

步骤F16、复制操作结束；

对菌群X₂，按照以下步骤F21～步骤F24的复制操作对每个细菌进行复制：

步骤F21、计算所有细菌的适应度值并按照从小到大的顺序进行排序,并选出当前最优的细菌作为精英细菌；

步骤F22、对当前最好的一半细菌，按照公式X′₂(i)＝X₂(i)+N(0,1)实施变异操作,生成

个新细菌并与原来的细菌构成新的子细菌群X′₂；其中，N(0,1)为服从均值为0、均方差为1的高斯分布；

步骤F23、对当前最差的一半细菌，按照黄金分割率并取排序在前61.8％的细菌与步骤F21中挑选出来的精英细菌进行交叉操作,生成

个新细菌并与原来的细菌构成新的子细菌群X″₂；

步骤F24、从子细菌群X′₂与子细菌群X″₂中挑选出适应度值最好的前S个细菌替换原来的细菌群X₂；

步骤707、进入学习循环，进行学习操作，具体方法为：将菌群X₁与菌群X₂中的细菌进行排序,并将菌群X₁的排序在前61.8％的细菌按照轮盘赌法选择出0.382S个细菌与菌群X₂中排序在后38.2％的细菌进行交换,交换来的0.382S个细菌组成新的菌群X₂；

步骤708、判断趋化循环、复制循环和学习循环的循环次数是否已达到设置值，当达到时，循环结束，通过适应度值比较两个菌群中发现的最优细菌,选择出最好的作为全局最优解,并将结果输出，否则，继续循环执行步骤705～步骤708，直到趋化循环、复制循环和学习循环的循环次数已达到设置值；

步骤九、PID神经网络中的输出层输出对电动机27优化后的控制电压U^*，并通过电动机驱动器45驱动所述电动机27。

具体实施时，U^*＝K_Pe_i+K_I∑e_i+K_D[e_i-e_i-1]，其中，e_i为第i次采样时的偏值，e_i-1为第i-1次采样时的差值，i为采样序号，i的取值为1～N的自然数，N为采样总次数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多级组合式隧道除尘系统，其特征在于：包括一级除尘装置、二级除尘装置、三级除尘装置、沉降过滤池(13)和储水器(51)；

所述一级除尘装置包括一级除尘外筒(1)、连接在一级除尘外筒(1)上部开口处的进气筒(2)和设置在一级除尘外筒(1)内的旋转式除尘机构，所述进气筒(2)的入口处设置有进气栅(3)；所述旋转式除尘机构包括一级除尘内筒(4)，设置在一级除尘内筒(4)内的涡轮风扇(5)和水雾喷射机构，以及用于为一级除尘内筒(4)、涡轮风扇(5)和所述水雾喷射机构提供旋转动力的旋转动力传动机构；所述一级除尘内筒(4)的下部连接有用于使涡轮风扇(5)和所述水雾喷射机构同步旋转并与一级除尘内筒(4)差速旋转的差速器(11)，所述水雾喷射机构与所述旋转动力传动机构和差速器(11)均连接；所述沉降过滤池(13)的出水口连接有净水器(52)，所述储水器(51)的进水口与净水器(52)的出水口连接，所述储水器(51)的出水口连接有与所述水雾喷射机构连接的输水管(12)，所述输水管(12)上连接有水泵(31)和水压调节阀(39)；所述一级除尘外筒(1)底部的排污口通过一级除尘输送管(33)和设置在一级除尘输送管(33)上的一级除尘电磁阀(34)与沉降过滤池(13)的顶部连接；

所述二级除尘装置包括多个并排设置的二级除尘筒(20)，每个二级除尘筒(20)内部均设置有多块碳纤维电热板(17)，相邻两个二级除尘筒(20)之间以及二级除尘筒(20)和三级除尘筒(22)之间均设置有U型冷凝器组件，所述U型冷凝器组件包括底部带有抽屉(21)的U型管(19)和分别连接在U型管(19)两端顶部的两个列管式冷凝器(18)；

所述三级除尘装置包括三级除尘筒(22)以及设置在三级除尘筒(22)内部的电晕极(37)和滤袋式除尘器(23)，所述三级除尘筒(22)外部设置有用于为电晕极(37)供电的整流电源(42)，所述电晕极(37)与整流电源(42)的输出端连接，所述滤袋式除尘器(23)包括除尘骨架和套装在除尘骨架上的除尘滤袋，所述除尘骨架接地，所述三级除尘筒(22)内部设置有位于滤袋式除尘器(23)上方且从三级除尘筒(22)的侧壁伸出三级除尘筒(22)外部的反吹管(25)，所述反吹管(25)上设置有多个正对滤袋式除尘器(23)设置的脉冲反吹阀(26)，所述三级除尘筒(22)的上部侧壁上设置有排气口(38)，所述三级除尘筒(22)的下部外壁上设置有振打器(30)，所述三级除尘筒(22)的底部设置有用于收集灰尘的集灰仓(24)；

所述一级除尘外筒(1)的侧壁上设置有与一级除尘外筒(1)内部相连通且用于与二级除尘筒(20)连接的一级除尘外筒连接管(1-1)，与一级除尘外筒(1)相邻的二级除尘筒(20)的侧壁上设置有与二级除尘筒(20)内部相连通且用于与一级除尘外筒(1)连接的二级除尘筒连接管(20-1)，所述三级除尘筒(22)的侧壁上设置有与三级除尘筒(22)内部相连通且用于与二级除尘筒(20)连接的三级除尘筒连接管(22-1)，与三级除尘筒(22)相邻的列管式冷凝器(18)的顶部通过二级三级过渡管(20-2)与三级除尘筒连接管(22-1)连接。

2.按照权利要求1所述的多级组合式隧道除尘系统，其特征在于：所述一级除尘内筒(4)的顶部和底部均为敞口设置，所述水雾喷射机构包括竖直设置在一级除尘内筒(4)内且向下伸出一级除尘外筒(1)外部的喷水主管(6)，以及连接在喷水主管(6)顶部且向不同方向延伸的多根喷水分管(7)；每根所述喷水分管(7)的出水口处均连接有雾化喷嘴(8)，所述一级除尘外筒(1)底部连接有用于支撑安装喷水主管(6)的第一密封轴承(9)，所述喷水主管(6)的上部固定连接有风扇连接块(10)，所述涡轮风扇(5)固定连接在风扇连接块(10)顶部，伸出一级除尘外筒(1)底部的一段喷水主管(6)与旋转动力传动机构连接；位于一级除尘内筒(4)底部位置处的一段喷水主管(6)与差速器(11)连接，所述一级除尘内筒(4)与差速器(11)的从动输出部分连接；所述输水管(12)与所述水雾喷射机构连接的一端内部设置有用于支撑安装喷水主管(6) 的第二密封轴承(14)，所述喷水主管(6)的下端连接在第二密封轴承(14)上。

3.按照权利要求2所述的多级组合式隧道除尘系统，其特征在于：所述一级除尘外筒(1)的顶部内壁上设置有滑轨(40)，所述一级除尘内筒(4)的顶部外壁上周围固定连接有多块能够在滑轨(40)中滑动的滑块(41)；所述一级除尘内筒(4)上半部分的形状为喇叭形，所述一级除尘内筒(4)下半部分的形状为空心圆柱形，所述风扇连接块(10)设置在一级除尘内筒(4)上半部分和下半部分连接处内部中间位置处，所述风扇连接块(10)的形状为纺锤形，多根所述喷水分管(7)均水平设置在风扇连接块(10)内部竖直方向的中间位置处且穿出到风扇连接块(10)外部。

4.按照权利要求2所述的多级组合式隧道除尘系统，其特征在于：所述差速器(11)包括差速器外壳(11-1)以及设置在差速器外壳(11-1)内部的两个太阳轮(11-2)和两个行星轮(11-3)，两个所述太阳轮(11-2)与两个所述行星轮(11-3)相互间隔设置且相互啮合，两个所述太阳轮(11-2)一上一下设置且固定连接在喷水主管(6)上，两个行星轮(11-3)一左一右设置且固定连接在水平设置在差速器外壳(11-1)内的行星轮轴(11-4)上，所述行星轮轴(11-4)的两端均与差速器外壳(11-1)固定连接，所述差速器外壳(11-1)为差速器(11)的从动输出部分，所述一级除尘内筒(4)与差速器外壳(11-1)连接，所述差速器外壳(11-1)的内壁上安装有用于支撑安装喷水主管(6)的第三密封轴承(11-5)。

5.按照权利要求4所述的多级组合式隧道除尘系统，其特征在于：所述第三密封轴承(11-5)的数量为两个，两个第三密封轴承(11-5)一上一下间隔设置，位于两个第三密封轴承(11-5)之间的一段喷水主管(6)上设置有出水孔(6-1)；所述一级除尘内筒(4)下半部分的壁为空心结构，所述一级除尘内筒(4)下半部分的壁的外表面上连接有多层水平设置且用于生成水幕的水幕生成管(15)，每层所述水幕生成管(15)的数量均为多根，多层水幕生成管(15)中位于一级除尘内筒(4)下半部分上部层的水幕生成管(15)上均匀设置有多个雾化喷头(16)，多层水幕生成管(15)中位于一级除尘内筒(4)下半部分下部层的水幕生成管(15)上均匀设置有多个增压喷头(32)；所述差速器外壳(11-1)上设置有用于供出水孔(6-1)中流出的水流到一级除尘内筒(4)下半部分的壁内的水流通道(11-11)。

6.按照权利要求5所述的多级组合式隧道除尘系统，其特征在于：所述旋转动力传动机构包括电动机(27)和与电动机(27)的输出轴固定连接的主动齿轮(28)，伸出一级除尘外筒(1)底部的一段喷水主管(6)上固定连接有与主动齿轮(28)相啮合的从动齿轮(29)。

7.按照权利要求6所述的多级组合式隧道除尘系统，其特征在于：多块碳纤维电热板(17)在二级除尘筒(20)内部一上一下交错布设。

8.一种如权利要求6所述多级组合式隧道除尘系统的除尘方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、设置用于对所述隧道除尘系统进行控制的隧道除尘控制器，所述隧道除尘控制器包括控制器模块(43)和与控制器模块(43)相接的触摸式液晶显示屏(44)，所述控制器模块(43)的输出端接有用于驱动电动机(27)的电动机驱动器(45)、用于接通或断开水泵(31)的供电回路的第一继电器(46)、用于接通或断开振打器(30)的供电回路的第二继电器(47)、用于驱动水压调节阀(39)的第一阀门驱动器(48)和用于驱动脉冲反吹阀(26)的第二阀门驱动器(49)；将电动机(27)与电动机驱动器(45)的输出端连接，将第一继电器(46)接在水泵(31)的供电回路中，将第二继电器(47)接在振打器(30)的供电回路中，将水压调节阀(39)与第一阀门驱动器(48)的输出端连接，将脉冲反吹阀(26)与第二阀门驱动器(49)的输出端连接；

步骤二、所述控制器模块(43)通过电动机驱动器(45)驱动所述电动机(27)旋转，电动机(27)带动主动齿轮(28)旋转，主动齿轮(28) 带动从动齿轮(29)旋转，从动齿轮(29)带动喷水主管(6)旋转，喷水主管(6)通过风扇连接块(10)带动涡轮风扇(5)旋转，而且，喷水主管(6)带动差速器(11)的两个太阳轮(11-2)旋转，两个太阳轮(11-2)旋转的动力传递给两个行星轮(11-3)，再通过行星轮轴(11-4)传递给差速器外壳(11-1)，并通过差速器外壳(11-1)带动一级除尘内筒(4)旋转；同时，所述控制器模块(43)控制第一继电器(46)接通所述水泵(31)的供电回路，启动水泵(31)，通过第一阀门驱动器(48)驱动水压调节阀(39)调节水压，沉降过滤池(13)内的水经水泵(31)加压，并经水压调节阀(39)调节压力后通过输水管(12)进入喷水主管(6)，流经喷水主管(6)后从多根喷水分管(7)内喷出，而且，喷水主管(6)内的水通过出水孔(6-1)流入差速器外壳(11-1)上的水流通道(11-11)，再流到一级除尘内筒(4)下半部分的壁内，再流到水幕生成管(15)内，位于一级除尘内筒(4)下半部分上部层的水幕生成管(15)内的水通过多个雾化喷头(16)喷出，位于一级除尘内筒(4)下半部分下部层的水幕生成管(15)内的水通过多个增压喷头(32)喷出；

步骤三、一级除尘：含尘气体在涡轮风扇(5)旋转时在一级除尘内筒(4)内形成的负压的作用下通过进气栅(3)和进气筒(2)进入一级除尘内筒(4)内；进入一级除尘内筒(4)内的含尘气体中的粉尘颗粒部分被从多根喷水分管(7)内喷出的水碰撞捕捉，粉尘颗粒与水结合后产生的汽水混合物在重力的作用下沉降到一级除尘外筒(1)内，部分未被从多根喷水分管(7)内喷出的水碰撞捕捉的粉尘颗粒随含尘空气从一级除尘内筒(4)的底部流出并充斥于一级除尘外筒(1)内，充斥于一级除尘外筒(1)内的粉尘颗粒在多个雾化喷头(16)喷出的水和多个增压喷头(32)喷出的水形成的水幕淋滤作用下，被充分地碰撞捕捉，并沉降到一级除尘外筒(1)内，沉降到一级除尘外筒(1)内的粉尘颗粒再经过一级除尘输送管(33)进入沉降过滤池(13)内；部分未被碰撞捕捉的粉尘颗粒随含尘空气经由一级除尘外筒连接管(1-1)和第一二级除尘外筒连接管进入二级除尘筒(20)内部；

步骤四、二级除尘：进入二级除尘筒(20)内部的含尘空气先通过多块碳纤维电热板(17)，使得所有的水分全部转化为气态后进入列管式冷凝器(18)，凝结成液体的水会流动到U型管(19)的底部，定期清理U型管(19)中的抽屉(21)，定期清理系统运转过程中产生的废水或泥；然后进入三级除尘筒(22)内部；

步骤五、三级除尘：含尘空气经过电晕极(37)时，电晕极(37)使含尘空气中的粉尘颗粒带电，再在滤袋式除尘器(23)形成的电场作用下，吸附粉尘颗粒，净化后的空气通过排气口(38)排出到隧道中；控制器模块(43)通过控制第二阀门驱动器(49)驱动脉冲反吹阀(26)打开，粉尘颗粒在反吹的作用下，从滤袋式除尘器(23)内落下进入三级除尘筒(22)下部，再在振打器(30)的作用下落入集灰仓(24)内。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤二中所述控制器模块(43)通过第一阀门驱动器(48)驱动水压调节阀(39)调节水压时采用PID控制的方法。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：所述控制器模块(43)的输入端接有用于对隧道内的粉尘浓度进行实时检测的粉尘浓度传感器(50)，步骤二中所述控制器模块(43)通过电动机驱动器(45)驱动所述电动机(27)旋转时的转速控制，根据隧道内的粉尘浓度检测值，并采用优化模糊神经网络PID控制的方法确定电动机(27)的转速，具体过程为：

步骤一、控制器模块(43)对粉尘浓度传感器(50)检测到的隧道内的粉尘浓度进行周期性采样；

步骤二、控制器模块(43)根据公式

对其第i次采样得到的粉尘浓度

与预设粉尘浓度

作差，得到偏差e_i；

步骤三、控制器模块(43)根据公式

对偏差e_i求导，得到偏差e_i随时间t的变化率

步骤四、控制器模块(43)将e_i和

作为模糊神经网络中输入层的两个节点；

步骤五、控制器模块(43)将e_i和

划分模糊子集，确定模糊神经网络中模糊化层的节点数，隶属函数采用高斯函数；

步骤六、控制器模块(43)确定模糊神经网络中模糊规则层的节点数；

步骤七、控制器模块(43)对模糊神经网络中的去模糊层采用重心法解模糊，变成一个节点，并作为PID神经网络中PID输入层的一个节点；

步骤八、控制器模块(43)将K_P、K_I、K_D作为PID神经网络中PID层的三个节点，采用改进的细菌觅食优化算法对PID神经网络的权值进行优化，使静态参数的K_P、K_I、K_D转化为动态调整形式；

其中，采用改进的细菌觅食优化算法对PID神经网络的权值进行优化的具体过程为：

步骤701、初始化细菌觅食优化算法参数：所述细菌觅食优化算法参数包括细菌菌群中与PID神经网络的权值相对应的细菌总数S、PID神经网络的权值的搜索工作维度p、PID神经网络的权值的趋化次数N_c、趋化过程中PID神经网络的权值单向运动的最大步数N_S、PID神经网络的权值的复制次数N_re,、PID神经网络的权值的学习次数N_ed、PID神经网络的权值的最大趋化步长C_max和PID神经网络的权值的最小趋化步长C_min；

步骤702、初始化菌群位置：采用随机初始化的方法并按照公式X＝X_min+rand×(X_max-X_min)在p维空间初始化2S个点作为细菌的初始化位置,其中随机选取S个细菌作为菌群X₁,剩下的S个细菌作为菌群X₂；X_min为优化区间的最小值，X_max为优化区间的最大值，X为细菌的初始化位置，rand为均匀分布在[0,1]区间的随机数；

步骤703、适应度值更新：按照公式

计算各个细菌的适应度值；其中，d_attract为细菌与细菌之间引力的深度，w_attract为细菌与细菌之间引力的宽度，h_repellent细菌与细菌之间斥力的高度，w_repellent为细菌与细菌之间斥力的宽度，P(i,j,k,l)为细菌i在第j次趋向性操作、第k次复制操作和第l次迁徙操作后的位置，P(1:S,j,k,l)为当前个体P(i,j,k,l)的邻域内的一个随机位置,J_CC(i,j,k,l)为细菌i在第j次趋向性操作、第k次复制操作和第l次迁徙操作后的适应度值；

步骤704、设置循环变量的参数：其中趋化循环次数j为1～N_c，复制循环次数k为1～N_re，学习循环次数l为1～N_ed；

步骤705、进入趋化循环，进行趋化操作，具体方法为：

对菌群X₂，按照以下步骤Q21～步骤Q211的趋化操作对每个细菌进行趋化：

步骤Q21、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌规模S，当小于时执行步骤Q22，当不小于时跳转执行步骤Q212；

步骤Q22、计算细菌i的适应度值；

步骤Q23、细菌i在随机产生的方向上翻转一个单位步长；

步骤Q24、令j初始化为1；

步骤Q25、计算新位置上细菌i的适应度值；

步骤Q26、判断j是否小于最大步数N_c，当小于时执行步骤Q27，当不小于时跳转执行步骤Q21；

步骤Q27、将j的重新赋值为j+1；

步骤Q28、判断新位置上细菌i的适应度值是否改变，当改变时执行步骤Q29，当没有改变时令j＝N_S,并跳转执行步骤Q26；

步骤Q29、更新细菌i的适应度值；

步骤Q210、细菌种群在翻转的方向上继续游动；

步骤Q211、跳转执行步骤Q25，继续循环，直至步骤Q21中i的取值等于S为止；

步骤Q212、趋化操作结束；

对菌群X₁，按照以下步骤Q11～步骤Q112的趋化操作对每个细菌进行趋化：

步骤Q11、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌菌落规模S，当小于时执行步骤Q12，当不小于时跳转执行步骤Q112；

步骤Q12、计算细菌i的适应度值；

步骤Q13、根据公式

计算细菌菌群密度函数因子D(i)，并根据公式C(i)＝A·D(i)+B计算趋化步长C(i)；再令细菌i在随机产生的方向上翻转步长C(i)；其中，L为搜索空间对角线中最大长度，X(m,i)为细菌i在搜索空间第m维的位置坐标值，

为当前搜索空间内所有细菌在搜索空间第m维的平均位置坐标值；

步骤Q14、令j初始化为1；

步骤Q15、计算新位置上细菌i的适应度值；

步骤Q16、判断j是否小于最大步数N_c，当小于时执行步骤Q17，当不小于时跳转执行步骤Q11；

步骤Q17、将j的重新赋值为j+1；

步骤Q18、判断新位置上细菌i的适应度值是否改变，当改变时执行步骤Q19，当没有改变时令j＝N_S,并跳转执行步骤Q16；

步骤Q19、更新细菌i的适应度值；

步骤Q110、细菌种群在翻转的方向上继续游动；

步骤Q111、跳转执行步骤Q15，继续循环，直至步骤Q11中i的取值等于S为止；

步骤Q112、趋化操作结束；

步骤706、进入复制循环,进行复制操作，具体方法为：

对菌群X₁，按照以下步骤F11～步骤F16的复制操作对每个细菌进行复制：

步骤F11、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌规模S，当小于时执行步骤F12，当不小于时跳转执行步骤F16；

步骤F12、计算细菌在上次复制操作循环中经过的所有位置的适应度之和，并定义为健康度值；

步骤F13、按照健康度值的优劣将细菌进行排序；

步骤F14、跳转执行步骤F11；

步骤F15、淘汰健康度差的

个细菌，剩余的

个细菌各自分裂出一个与自己完全相同的新个体；

步骤F16、复制操作结束；

对菌群X₂，按照以下步骤F21～步骤F24的复制操作对每个细菌进行复制：

步骤F21、计算所有细菌的适应度值并按照从小到大的顺序进行排序,并选出当前最优的细菌作为精英细菌；

步骤F22、对当前最好的一半细菌，按照公式X′₂(i)＝X₂(i)+N(0,1)实施变异操作,生成

个新细菌并与原来的细菌构成新的子细菌群X′₂；其中，N(0,1)为服从均值为0、均方差为1的高斯分布；

步骤F23、对当前最差的一半细菌，按照黄金分割率并取排序在前61.8％的细菌与步骤F21中挑选出来的精英细菌进行交叉操作,生成

个新细菌并与原来的细菌构成新的子细菌群X″₂；

步骤F24、从子细菌群X′₂与子细菌群X″₂中挑选出适应度值最好的前S个细菌替换原来的细菌群X₂；

步骤707、进入学习循环，进行学习操作，具体方法为：将菌群X₁与菌群X₂中的细菌进行排序,并将菌群X₁的排序在前61.8％的细菌按照轮盘赌法选择出0.382S个细菌与菌群X₂中排序在后38.2％的细菌进行交换,交换来的0.382S个细菌组成新的菌群X₂；

步骤708、判断趋化循环、复制循环和学习循环的循环次数是否已达到设置值，当达到时，循环结束，通过适应度值比较两个菌群中发现的最优细菌,选择出最好的作为全局最优解,并将结果输出，否则，继续循环执行步骤705～步骤708，直到趋化循环、复制循环和学习循环的循环次数已达到设置值；

步骤九、PID神经网络中的输出层输出对电动机(27)优化后的控制电压U^*，并通过电动机驱动器(45)驱动所述电动机(27)。

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