CN110439792A - 一种气体高密封中速调压系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体高密封中速调压系统及方法。由充气罐、放气罐、气动压缩机、驱动气瓶、真空泵、储气罐、阀门、管道和仪表等组成，整个系统为全金属材料密封，并设置了多级防泄漏措施。由气体回路分别与充气罐、放气罐的中速充放气过程，中速提高或降低反应气屏压力。气动压缩机为气压驱动和真空驱动双作用的金属波纹管隔膜压缩机，通过连接驱动气瓶的进气管路和连接通风的排气管路实现驱动气体进排气过程，反复抽吸放气罐内的工艺气体压缩成中压后排入充气罐，还可轮次由真空泵对气动压缩机进行真空驱动抽吸出放气罐内低于常压的工艺气体，再气压驱动压缩增压到充气罐，减少残留。本发明可用于气体驱动升液和核燃料功率瞬态试验等。

Description

一种气体高密封中速调压系统及方法

技术领域

本发明涉及石油化工中气体试验和核燃料功率瞬态试验领域，具体涉及一种气体高密封中速调压系统及方法，可以对高纯、昂贵和危险气体的生产、处理和实验等研究进行中速压力调节，也可中速调节中子吸收气体压力对核燃料元件进行功率瞬态试验。

背景技术

在石油天然气开采中，空气升液器将空气引入到一根浸入被提升液体的管子提升液体，应用它可从油气井抽油或从矿井中抽水。在放射化工和核化工中，气体升液器在循环取样、溶剂萃取料液唧送、放射性废液循环搅拌等广泛应用，但面临小流量大扬程高密封条件要求，需要将高纯惰性气体增压后中速排出，以降低取样管线内的压力，把需要取样的放射性溶液从贮罐内抽上来，流经取样管线上的取样瓶，再循环返回。

在研究堆上，应用气体中子吸收体(氦-3或BF₃)控制核燃料元件的辐照功率，研究功率瞬态试验对其完整性和安全性的影响。根据试验要求进行中等速度的功率变化试验是其研究中的一个重要内容，因此本发明提出一种基于气压驱动和真空驱动双作用的金属波纹隔膜压缩机的中速压力调节系统。同时昂贵的中子吸收气体本身或核反应产物具有很大危险性，需要对系统进行超高性能密封，才能保证人员安全，提高试验经济性。

发明内容

该发明的目的在于提供一种为气体驱动的唧送系统进行中速调压的系统及方法，提高气体升液器在放射性环境操作下的高密封性能，保证操作运行的安全性。同时本发明还可中速充气式改变研究堆内中子吸收气屏内压力，通过气压驱动和真空驱动的金属波纹管隔膜压缩机抽吸和压缩，大大减少残留，为研究核燃料元件在各种瞬态功率变化速度下的辐照行为提供试验基础。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明提出一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：包括气体回路、充气罐、放气罐、气动压缩机、驱动气瓶、真空泵、储气罐、阀门、管道和仪表等组成。

所述气体回路是由反应气屏、吸气床和气体循环泵等构成的高密封强制循环回路。所述充气罐出口与放气罐进口并联连接后，再与气体回路的压力调节支路连接，通过气体回路与反应气屏连通；所述充气罐进口和放气罐出口并联连接后，再与气动压缩机一端的进出口连接；所述气动压缩机另一端分别接进气管路和排气管路。所述气动压缩机为金属波纹管动密封的可变容积形式，并通过气压驱动和真空驱动双重作用的金属波纹管隔膜压缩机进行抽吸和压缩充放气罐内的工艺气体。所述高密封中速调压系统通过充气罐向气体回路充气和气体回路向放气罐放气，再由气动金属波纹管隔膜压缩机将放气罐内气体压缩增压到充气罐，控制反应气屏的压力。

具体的，所述充气罐内为较高中压工艺气体，先通过压力调节支路中速向气体回路充入工艺气体，从而提高反应气屏压力。然后气体回路内较低中压的工艺气体，又通过压力调节支路中速向放气罐放出工艺气体，从而降低反应气屏压力。最后由气压驱动和真空驱动双作用的金属波纹管隔膜压缩机将放气罐内的低压气体抽吸出来，压缩成中压后排入充气罐，完成一个循环。

进一步，所述放气罐进口接依次串联连接截止阀和针阀，分别起隔离和控制放气过程作用。所述充气罐出口依次串联连接截止阀和针阀，分别起隔离和控制充气过程作用，所述充气罐进口依次串联连接截止阀与单向阀，单向阀控制压缩进气流向，避免回流。

更进一步，所述气动压缩机由内腔波纹管气室和外腔缸体气室构成，内腔波纹管气室内为工艺气体，外腔体缸体气室为气压驱动气体，驱动气体可以为压缩空气、氮气或氦气等，全密封的金属波纹管隔膜将工艺气体与驱动气体完全隔离开。所述气动压缩机的内腔波纹管气室进出口分别与放气罐、充气罐连接，外腔缸体气室进出口分别进气管路、排气管路连接。

具体的，所述气动压缩机的排气管路直接连接通风中心和储气罐，同时旁通接真空泵。所述气动压缩机内腔和外腔设置压力传感器，监测反馈后通过阀门控制抽吸和压缩过程的压力和压差，避免它的波纹管内外压差过大导致破裂。所述进气管路上设置减压阀和针阀，通过压力信号调节驱动气体的进气压力和流量，控制工艺气体压缩过程。所述排气管路设置针阀调节排气流量，控制工艺气体抽吸过程。

具体的，对所述气动压缩机从放气罐抽吸工艺气体的过程，先将气体回路内中压工艺气体通过压力调节支路放气到放气罐内，变成接近常压或高于常压气体。然后将放气罐与内腔波纹管气室之间的阀门打开连通，再关闭进气管路上阀门，打开排气管路上的阀门，将外腔缸体气室内驱动气体通过排气管路排向通风中心或储气罐，导致驱动气体减少而压力降低到小于内腔波纹管气室中工艺气体压力时，驱动内腔柔性波纹管拉伸形成负压，将放气罐(也可包括气体回路及反应气屏)内低压工艺气体抽吸入气动压缩机内，工艺气体从放气罐被抽吸到内腔波纹管气室中。所述气动压缩机容积为放气罐的0.1～1倍，在于为了保证单次压缩时使放气罐内所有昂贵的工艺气体能进入气动压缩机内压缩，气动压缩机容积越大越好，这里典型值取0.5倍，在抽吸结束时，放气罐内有1/3接近常压或高于常压的工艺气体被抽吸入气动压缩机的内腔波纹管气室。

具体的，对所述气动压缩机向充气罐压缩工艺气体的过程，先将放气罐与气体压缩机之间的阀门关闭隔离，气体回路与压缩系统之间的压力调节支路阀门也需关闭隔离，并将充气罐与内腔波纹管气室之间通过单向阀连通，只允许气动压缩机内工艺气体压缩成中压后排向充气罐。再关闭排气管路上阀门，打开进气管路上的阀门，由驱动气瓶通过进气管路向其外腔缸体气室充入驱动气体，导致驱动气体增多而压力升高到大于内腔波纹管气室中工艺气体压力时，驱动柔性波纹管压缩增大工艺气体压力，压缩的工艺气体增压到大于充气罐内压力时通过单向阀排入充气罐内。所述气动压缩机的内腔波纹管气室在压缩结束时的空隙容积较小，在压缩结束时能驱动气动压缩机内腔波纹管气室内的所有低压工艺气体都进入充气罐，减少昂贵气体残留损耗。同时它还有较小的余隙腔，有着较高的容积效率，单级压缩比可达80:1以上，比隔膜压缩机高很多。

进一步，所述中速调压系统后续如此反复抽吸和压缩，直到放气罐内气体压力小于常压，不能自然流动到气动压缩机内，可大大减少残留在放气罐内昂贵工艺气体消耗。为了使放气罐所有低于常压的昂贵工艺气体也都能抽吸到气动压缩机内压缩，对气动压缩机从放气罐抽吸工艺气体过程需从气压驱动转换为真空驱动。先将外腔缸体气室的驱动气体通过排气管路排出变成常压，再由真空泵将其外腔缸体气室的驱动气体通过排气管路抽吸出并排到通风中心，导致外腔缸体气室形成真空，驱动柔性波纹管进一步拉伸使内腔波纹管气室也形成负压，从而将压缩的工艺气体从放气罐抽吸到内腔波纹管气室中。在抽真空结束时，放气罐内有1/3的低于常压的工艺气体将被抽吸吸到内腔波纹管气室内。最后通过气压驱动的压缩过程，将抽吸进气动压缩机内的低压气体压缩进入充气罐。如此真空驱动抽吸和气压驱动压缩交替进行，可将放气罐(也可包括气体回路及气屏)内绝大部分低于常压的工艺气体抽吸出来并压缩成中压进入充气罐，最终放气罐内绝压最低可达0.02MPa，80％的绝大部气体都进入气动压缩机内，减少了残留在放气罐的昂贵中子吸收气体量，大大减少气体的用量，节省试验费用，提高试验的经济性。

具体的，所述气动压缩机内侧容积变化腔由全密封的金属焊波纹管隔膜提供完整包容，避免动密封引起泄漏，所述气动压缩机外侧缸体气室与储气罐相连通形成多级包容边界，并在外腔缸体气室设置泄漏检测仪，即使气动压缩机的波纹管发生破裂，工艺气体泄漏到气动压缩机外腔缸体气室内，检测到泄漏后通过排气管路排到储气罐，避免污染环境。所述储气罐还可对调压系统中排出的驱动气体进行缓冲，减少压力突变波动。所述中速调压系统与工艺气体接触表面，都使用不锈钢等全金属密封结构和设备，焊接密封结构和连接方式，不含有机材料，减少高扩散性气体的渗透，同时没有磨损表面且无润滑需要，不会对工艺气体产生污染，整个高密封中速调压系统的氦质谱检漏率小于1×10^-7Pa·m³/s。

一种气体高密封充放气式的中速压力调节过程方法，包括以下步骤：

(1)当需要提高反应气屏处压力时，关闭放气罐与气体回路之间阀门，打开充气罐出口与气体回路之间阀门，将充气罐内中压的工艺气体通过压力调节支路中速充入气体回路，压力变化速度时间通过充气罐出口针阀调节流量控制。

(2)当需要降低反应气屏处压力时，关闭充气罐出口与气体回路之间阀门，打开放气罐与气体回路之间阀门，原处于较低中压的反应气屏，通过气体回路及其压力调节支路中速放气到放气罐，压力变化时间通过放气罐入口针阀调节流量控制。

(3)气压压缩机抽吸放气罐内常压或高于常压的工艺气体到充气罐时，关闭气体回路与充气罐、放气罐之间阀门，交替打开气体压缩机与充气罐、放气罐之间阀门，先通过排气管路将外腔缸体气室内驱动气体直接排向通风或储气罐，内腔波纹管气室拉伸将充气罐内工艺气体抽吸出来，再通过进气管路将驱动气瓶内驱动气体充入外腔缸体气室，将内腔波纹管气室的工艺气体压缩增压到充气罐，后续如此反复抽吸和压缩，直到放气罐内低于常压。

(4)气动压缩机抽吸放气罐内低于常压气体到充气罐时，先由真空泵通过排气管路对外腔缸体气室驱动气体抽真空，真空驱动拉伸内腔波纹管气室，将放气罐内的低压气体抽吸出来，再通过进气管路将驱动气瓶内驱动气体充入外腔缸体气室，将内腔波纹管气室的工艺气体压缩增压到充气罐，如此反复真空驱动抽吸和气压驱动压缩交替，直到真空驱动绝压达到0.02MPa，气压驱动压力达到8～10MPa，完成一个循环。

(5)通过上述的充气式的中速调压方法，气压驱动和真空驱动的金属波纹管隔膜压缩机抽吸和压缩过程，可实现从常压到中压调节(0.1～5MPa)，完成一个压力循环变化时间较长，能够在20s-60s的时间内中速改变反应气屏内压力。

本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明的气体高密封充放气式中速调压系统能够中速可控的改变气屏压力，并实现将工艺气体压缩成中压功能，为气体升液器驱动和核燃料功率瞬态试验提供较快的压力调节方法。为了加快功率调节的速度，满足不同核燃料瞬态辐照试验的需要，当需要中速提高燃料元件的辐照功率时，本发明将堆内气屏内的中子吸收气体通过气体回路快速的释放到放气罐内，中速降低气屏内中子吸收气体压力，由中子吸收气体密度减少从而吸收更少的辐照中子，增大核燃料元件的中子通量，从而中速提高核燃料元件的辐照功率。当需要中速降低燃料元件的辐照功率时，本发明先通过气压驱动的波纹管压缩机将放气罐中子吸收气体压缩成中压(8～10MPa)进入充气罐，然后将中压气体通过气体回路快速充入堆内气屏处，中速提高气屏内中子吸收气体压力，由中子吸收气体密度增加从而吸收更多的辐照中子，减小核燃料元件的中子通量，从而中速降低核燃料元件的辐照功率。本发明的方法可通过阀门方便的控制堆内气屏调压的大小和速度，能够在20～60s的时间内的中速改变堆内气屏内压力，提高快速功率瞬态试验能力。

2、本发明的气压驱动和真空驱动双作用气动压缩机能够实现反复抽吸和压缩，既提高压缩增压和气体回路降压能力，增强试验技术水平，又减少昂贵气体消耗，降低试验费用。本发明不仅可以通过高压气压驱动的波纹管压缩机对放气罐内的低压工艺气体抽吸和压缩到充气罐，还可通过真空泵对气动压缩机外腔缸体气室内抽真空，根据压力平衡原理将放气罐(也可包括气体回路及气屏)的工艺气体全部都抽吸到气动压缩机的内腔波纹管气室内，再次进行压缩，如此反复，可将充气罐(也可包括气体回路及气屏)中的绝大部分低压昂贵工艺气体抽吸出来并压缩成中压进入充气罐，大大减少整个系统非常昂贵的工艺气体耗费，尽可能减少气体回路及反应气屏中的压力，大大提高了压缩增压后充气罐内气体的最终压力，最大幅度的提高燃料元件的辐照功率，提高功率瞬态试验的技术指标和经济性。

3、本发明的气动金属波纹管隔膜压缩机，能通过真空驱动将低于常压的放气罐内的昂贵工艺气体抽吸出，并通过高压气压驱动的压缩增压到充气罐，压缩比高，不需要复杂的液压驱动，一机多用，双重功能，减少设备。与普通气压驱动以压缩空气为气源，驱动压力一般都在1MPa以内不同，输出形式为运动或力，本发明使用高压气体(可以为压缩空气、氮气和氦气等)作为驱动气体，通过一种高压驱动气体对另一种低压工艺气体的进行压缩增压，同时在这两种气体之间通过金属波纹管隔离，输出形式为压力，驱动压力可达8～10MPa，可实现10MPa以内的气体压缩。普通隔膜压缩机使用液压驱动对气体进行压缩，不能对气体进行抽真空，残留在放气罐内工艺气体多，本发明通过气压驱动和真空驱动双作用的金属波纹管隔膜压缩机进行抽吸和压缩，借助真空泵的抽真空和驱动气瓶的充气压缩，能实现从负压(可达0.02MPa)到正压8MPa的增压，且气动压缩机内腔波纹管气室还有较小的余隙腔，有着较高的容积效率，单级压缩比可达80:1以上，比普通隔膜压缩机的15:1高很多，压力调节范围更大。

4、本发明的系统使用全金属超高性能绝对密封，减少气体泄漏和渗透，保证人员和试验安全，降低气体损耗，保证气体纯度。由于气体升液器输送的放射性液体，核燃料瞬态辐照试验的中子吸收气体本身或其核反应产物等具有很大的毒性和放射性危害，因此在工艺气体处理过程中进行超高密封，避免泄漏和过大渗透，保证人员安全，减少气体消耗费用。本发明的高密封中速调压系统，与工艺气体接触的压力边界内，都使用金属密封结构和设备。管道、阀门、反应气屏和吸气床等静设备都使用金属结构，因此密封性很高，氦质谱检漏结果可以达到10^-10Pa·m³/s。气动压缩机和气体循环泵是整个调压系统的动设备，其气密性决定着整个系统的密封性，氦质谱检漏结果可以达到1×10^-8Pa·m³/s以下。

附图说明

附图1为气体高密封中速调压系统工艺图

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种中速高密封中速调压系统的工艺流程图，如图1所示。本发明的中速调压吸收主要由气体回路、1台充气罐、1台放气罐、1台气动压缩机、1台驱动气瓶、1台储气罐、1台真空泵、阀门、管道及仪表等组成。气体回路由堆内反应气屏和堆外的吸气床、气体循环泵等其它设备连通形成的高密封强制循环回路，充气罐出口、放气罐进口都与气体回路的压力调节支路连接，并通过气体回路连接反应气屏。气动压缩机内腔波纹管气室进出口与充气罐进口和放气罐出口连接，外腔缸体气室与气压驱动的进气管路和排气管路连接。本发明的中速调压系统由通过充气罐和放气罐的快速充放气实现反应气屏压力调节功能，然后由气动压缩机对放气罐的低压气体增压到充气罐，完成一个压力循环变化的时间较长，可在高密封条件下满足中速压力调节要求。

对中速压力调节过程，当需要中速降低堆内气屏内中子吸收气体压力，从而提高核燃料元件辐照功率时，气体回路压力原处于较低中压状态，堆内气屏通过气体回路快速向放气罐放气，从而降低堆内气屏和气体回路中的压力；当需要中速提高堆内气屏内中子吸收气体压力，从而降低核燃料元件的辐照功率时，本发明先通过气动压缩机将放气罐内的低压气体抽吸出来并压缩增压到充气罐，再打开充气罐出口阀门，快速放气到气体回路进入堆内中子吸收气屏内，从而提高堆内气屏和气体回路中的压力。

在抽吸压缩过程中，本发明先需将气体回路中的工艺气体放气到放气罐内，放气罐处于常压或高于常压，并关闭气体回路与放气罐、充气罐、气动压缩机之间的阀门，将气体回路与压缩系统隔离。对气动压缩机从放气罐抽吸工艺气体的过程，先打开放气罐与气动压缩机之间的阀门，将放气罐与气动压缩机的内腔波纹管气室连通，再打开排气管路阀门，将气动压缩机外腔缸体气室的驱动气体通过排气管路排向通风中心或储气罐，从而导致气动压缩机内腔波纹管气室压力比外腔缸体气室压力大，因此波纹管伸长，根据气体平衡原理，放气罐内低压中子气体将被吸入到气动压缩机内腔波纹管气室内。由于气动压缩机容积为放气罐容积的0.1～1倍，这里取典型值0.5，在抽吸结束时，放气罐内气体压力和内腔波纹管气室压力相等，且接近常压或高于常压，因此放气罐内有1/3工艺气体吸入气动压缩机的内腔波纹管气室。对气动压缩机向充气罐压缩工艺气体的过程，先关闭放气罐与气动压缩机之间的阀门，打开充气罐与气动压缩机之间的阀门，将充气罐与气动压缩机的内腔波纹管气室通过单向阀连通，只许气动压缩机内工艺气体压缩流向充气罐，防止回流。再打开进气管路阀门，将驱动气瓶的驱动气体通过进气管路充入气动压缩机外腔缸体气室，从而导致外腔缸体气室压力比内腔波纹管气室压力大，因此波纹管压缩，工艺气体容积不断减小，压力增压，当压力增加到大于充气罐内气体压力时，根据气体平衡原理，气动压缩机内腔波纹管气室内的压缩工艺气体将通过单向阀压入充气罐内。在压缩结束时，内腔波纹管气室的余隙很小，工艺气体几乎都被压缩送入充气罐内，减少了昂贵气体的消耗。

为了保证使放气罐内所有昂贵工艺气体能进入气动压缩机内压缩，本发明的气动压缩机设计为金属波纹管动密封的可变容积形式，并通过真空驱动和气压驱动双重作用进行抽吸和压缩。本发明的气动压缩机由外腔缸体气室和内腔波纹管气室构成，内腔波纹管气室内为工艺气体，外腔体缸体气室为气压驱动气体，全密封的金属波纹管隔膜将工艺气体与驱动气体完全隔离开，对工艺气体无污染，具有区别于活塞压缩机没有动密封的特点，可以把泄漏率降到氦质谱检漏小于1×10^-8Pa·m³/s以下，可应用在要求无污染和无泄漏的气体压缩领域，满足高密封和高可靠性的严格要求。本发明的气动压缩机内腔波纹管气室进出口与充气罐、放气罐连通，充气罐和放气罐进出口接截止阀、止回阀和针阀，可控制放气、充气和压缩等过程。气动压缩机外腔缸体气室进出口与连接驱动气瓶的进气管路和连接通风中心的排气管路连通，可通过减压阀、针阀等完成驱动气体压力和流量控制，从而控制压缩的压力和时间。

实施例2

本实施实例与实施例1区别在于，由于气动压缩机单次从放气罐内只能抽吸1/3的工艺气体进入内腔波纹管气室压缩增压到充气罐，为减少残留在放气罐内昂贵工艺气体消耗，提高压缩到充气罐内气体的最终压力。本发明通过气压驱动式金属波纹管隔膜压缩机的反复轮次充放气方法，进行抽吸和压缩气体放气罐内气体，减少放气罐内气体量，增加充气罐内压力，具体方法如下：

本发明中速调压系统在实施例1的基础上，后续又关闭气动压缩机与充气罐之间的连通阀门，打开气动压缩机与放气罐之间的连通阀门，通过排气管路将外腔缸体气室的驱动气体排出到通风中心或储气罐，内腔波纹管气室内的工艺气体小于外腔波纹管气室内的驱动气体压力，波纹管伸长，放气罐内又有1/3的工艺气体进入气动压缩机的内腔波纹管气室。然后又关闭气动压缩机与放气罐之间的连通阀门，打开气动压缩机与放气罐之间的连通阀门，通过进气管路将驱动气瓶内的驱动气体充入气动压缩机外腔缸体气室，外腔缸体气室压力大于内腔波纹管气室压力，波纹管压缩，当压力增加到大于充气罐内气体压力时，压缩的工艺气体将通过单向阀压入充气罐内。本发明的气动压缩机后续如此通过反复轮次从放气罐抽吸和压缩到充气罐方法，每次都从放气罐内抽吸剩余1/3的工艺气体进入内腔波纹管气室压缩增压到充气罐，放气罐内压力不断降低，充气罐内压力不断升高。直到经过数次反复的抽吸和压缩，放气罐内气体压力小于常压，不能自然流动到气动压缩机内，大大减少放气罐内气体耗用。

实施例3

本实施实例与实施例1和2的区别在于，当需要将放气罐内低于常压的昂贵工艺气体也都能抽吸到气动压缩机内压缩，进一步减少耗用，提高充气罐内工艺气体的最终压缩压力时，本发明通过真空驱动式和气压驱动式双作用的金属波纹管隔膜气动压缩机进行抽吸放气罐(也可包括气体回路及气屏)内气体，压缩增压后排入充气罐，具体设置方式如下：

当放气罐内气体压力小于常压，不能自然流动到气动压缩机内，抽吸过程需从气压驱动转换为真空驱动。为了实现真空驱动将放气罐内昂贵工艺气体抽吸进气动压缩机，排气管路设置旁通支路接真空泵通向通风中心，由真空泵对气动压缩机外腔缸体气室进行抽真空。对气动压缩机从放气罐通过真空驱动抽吸工艺气体的过程，先打开放气罐与气动压缩机之间的阀门，将放气罐与气动压缩机的内腔波纹管气室连通，并打开排气管路阀门将气动压缩机外腔缸体气室的驱动气体排出变成常压，再打开排气管路支路上的真空泵对气动压缩机外腔缸体气室抽真空，从而导致气动压缩机外腔缸体气室绝对压力比内腔波纹管气室的绝对压力小，因此波纹管伸长，根据气体平衡原理，放气罐内有1/3的低于常压的工艺气体将被抽吸入气动压缩机内腔波纹管气室内。然后又通过前述气压驱动的压缩过程，将抽吸进气动压缩机内的低于常压的工艺气体压缩进入充气罐。如此真空驱动抽吸和气压驱动压缩交替，可将放气罐内绝大部分低于常压的气体抽吸出来并压缩进充气罐，减少了残留在放气罐工艺气体量，提高试验的经济性。

实施例4

本实施实例与上述实施例区别在于，为了避免气动压缩机波纹管在抽吸和压缩过程中的破裂，导致危险气体泄漏到外界环境，本发明在气动压缩机上设置压力传感器和泄漏检测仪，整个系统设计为多级包容防泄漏措施，同时优化密封设置和材料选择，保证整个中速调压系统超高密封和试验安全可靠，具体设置方式如下：

本发明的气动压缩机内腔和外腔都设置压力传感器，实时监测两侧压力及其之间的压差，反馈后通过阀门控制抽吸和压缩过程，避免波纹管内外压差过大导致破裂。气动压缩通过全密封的内腔金属波纹管气室与气体回路等连通形成第一道包容边界，外腔缸体与储气罐连通形成第二道包容边界。同时气动压缩机排气管路专门设置一支路接储气罐，外腔缸体气室上设置泄漏检测仪，即使波纹管破裂，检测到放射性气体或危险气体泄漏，可将其排到储气罐。

本发明的高密封中速调压系统具有全金属超高性能密封，与工艺气体接触的压力边界内，都使用全金属密封结构和设备，焊接连接方式。整个系统所有与介质接触表面可由不锈钢等金属构成，不含有机材料，可减少BF₃等危险中子吸收气体或氦-3等中子吸收体气体吸收中子产生高扩散性氚的过大渗透。整个系统所有与介质接触表面没有磨损表面且无润换需要，避免工艺气体被污染，能显著减少放射性气体和高纯昂贵气体外泄和扩散，保证试验安全，减少气体消耗费用。

Claims (10)

1.一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：包括气体回路、充气罐、放气罐、气动压缩机、驱动气瓶、真空泵、储气罐、阀门、管道和仪表组成；所述气体回路是由反应气屏、吸气床和气体循环泵构成的高密封强制循环回路；所述充气罐出口与放气罐进口并联连接后，再与气体回路的压力调节支路连接；所述充气罐进口和放气罐出口并联连接后，再与气动压缩机一端的进出口连接；所述气动压缩机另一端分别接进气管路和排气管路。

2.根据权利要求1所述的一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：所述充气罐内为较高中压工艺气体，通过压力调节支路中速向气体回路充入工艺气体，提高反应气屏压力；所述气体回路内较低中压工艺气体，通过压力调节支路中速向放气罐放出工艺气体，降低反应气屏压力；所述气动压缩机为气压驱动和真空驱动双作用的金属波纹管隔膜压缩机，将放气罐内低压气体抽吸出来，压缩成中压后排入充气罐，完成一个循环。

3.根据权利要求1和2任一项所述的一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：所述放气罐进口接依次串联连接截止阀和针阀，分别起隔离和控制放气过程作用；所述充气罐出口依次串联连接截止阀和针阀，分别起隔离和控制充气过程作用；所述充气罐进口连接单向阀，控制压缩进气流向。

4.根据权利要求1和2任一项所述的一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：所述气动压缩机由内腔波纹管气室和外腔缸体气室构成，内腔波纹管气室内为工艺气体，外腔体缸体气室为气压驱动气体，全密封的金属波纹管隔膜将工艺气体与驱动气体完全隔离开；所述气动压缩机的内腔波纹管气室进出口分别与放气罐、充气罐连接，外腔缸体气室进出口分别与进气管路、排气管路连接。

5.根据权利要求4所述的一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：所述气动压缩机的排气管路直接连接通风和储气罐，同时旁通接真空泵；所述气动压缩机内腔和外腔设置压力传感器，监测反馈后通过阀门控制抽吸和压缩过程的压力和压差；所述进气管路上设置减压阀和针阀，通过压力信号调节驱动气体的进气压力和流量，控制工艺气体压缩过程；所述排气管路设置针阀调节排气流量，控制工艺气体抽吸过程。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：所述气动压缩机从放气罐抽吸工艺气体时，先将放气罐与内腔波纹管气室之间的阀门打开连通，再将外腔缸体气室内驱动气体通过排气管路排向通风或储气罐，导致驱动气体减少而压力降低到小于内腔波纹管气室中工艺气体压力时，驱动内腔柔性波纹管拉伸形成负压，将放气罐内低压工艺气体抽吸入内腔波纹管气室；所述气动压缩机容积为放气罐的0.1～1倍，典型值取0.5倍，在每次抽吸结束时，放气罐内1/3的工艺气体被抽吸到气动压缩机。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：所述气动压缩机向充气罐压缩工艺气体时，先将充气罐与内腔波纹管气室之间通过单向阀连通，只允压缩气体从气动压缩机流向充气罐，再将驱动气瓶内驱动气体通过进气管路充入外腔缸体气室，导致驱动气体增多而压力升高到大于内腔波纹管气室中工艺气体压力时，驱动柔性波纹管压缩增大工艺气体压力，当压缩的工艺气体增压到大于充气罐内压力时通过单向阀排入充气罐内；所述气动压缩机的内腔波纹管气室在压缩结束时的空隙容积较小，单级压缩比可达80:1以上，能驱动内腔波纹管气室内的所有低压工艺气体都进入充气罐，减少气体残留损耗。

8.根据权利要求6-7任一项所述的一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：所述中速调压系统后续如此反复抽吸和压缩，直到放气罐内气体不能自然流动到气动压缩机内；所述系统使放气罐内所有低压工艺气体也能抽吸到气动压缩机内压缩，先将外腔缸体气室的驱动气体通过排气管路排出变成常压，再由排气管路上的真空泵对外腔缸体气室抽真空，导致驱动气体进一步减少形成负压，真空驱动内腔柔性波纹管进一步拉伸也形成负压，将放气罐内工艺气体抽吸到内腔波纹管气室，最后通过气压驱动的压缩过程将抽吸出的低压气体压缩到充气罐，如此反复真空驱动抽吸和气压驱动压缩交替，减少放气罐内气体残留。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种气体高密封中速调压系统，其特征在于：所述气动压缩机内侧容积变化腔由全密封的金属焊波纹管隔膜提供完整包容，避免动密封引起泄漏；所述气动压缩机外侧缸体气室设置泄漏检测仪，检测到泄漏后通过排气管路排到储气罐；所述高密封中速调压系统与工艺气体接触表面，都使用不锈钢等全金属密封结构和设备，焊接密封结构和连接方式，没有磨损表面且无润滑需要，整个系统的氦质谱检漏率小于1×10^-7Pa·m³/s。

10.如权利要求1-9任一项所述的一种气体高密封中速调压方法，其特征在于，充放气式的中速压力调节过程，包括以下步骤：

(1)当需要提高反应气屏处压力时，关闭放气罐与气体回路之间阀门，打开充气罐出口与气体回路之间阀门，将充气罐内中压的工艺气体通过压力调节支路中速充入气体回路，压力变化时间通过充气罐出口针阀调节流量控制；

(2)当需要降低反应气屏处压力时，关闭充气罐出口与气体回路之间阀门，打开放气罐与气体回路之间阀门，原处于中压的反应气屏，通过气体回路及其压力调节支路中速放气到放气罐，压力变化时间通过放气罐入口针阀调节流量控制；

(3)气压压缩机抽吸放气罐内常压或高于常压的工艺气体到充气罐时，关闭气体回路与充气罐、放气罐之间阀门，交替打开气体压缩机与充气罐、放气罐之间阀门，先通过排气管路将外腔缸体气室内驱动气体直接排向通风或储气罐，内腔波纹管气室拉伸将充气罐内工艺气体抽吸出来，再通过进气管路将驱动气瓶内驱动气体充入外腔缸体气室，将内腔波纹管气室的工艺气体压缩增压到充气罐，后续如此反复抽吸和压缩，直到放气罐内低于常压；

(4)气动压缩机抽吸放气罐内低于常压气体到充气罐时，先由真空泵通过排气管路对外腔缸体气室驱动气体抽真空，真空驱动拉伸内腔波纹管气室，将放气罐内的低压气体抽吸出来，再通过进气管路将驱动气瓶内驱动气体充入外腔缸体气室，将内腔波纹管气室的工艺气体压缩增压到充气罐，如此反复真空驱动抽吸和气压驱动压缩交替，直到真空驱动绝压达到0.02MPa，气压驱动压力达到8～10MPa，完成一个循环；

(5)通过上述充气式的中速调压方法，气压驱动和真空驱动的金属波纹管隔膜压缩机抽吸和压缩过程，可实现从常压到中压调节(0.1～5MPa)，完成一个压力循环变化时间较长，能够在20s-60s的时间内中速改变反应气屏内压力。