CN111022917A - 恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统 - Google Patents

恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，包括氮气罐、截止阀、空气压缩机、增压泵、无限体积控制器、气/液压转换装置、试验腔室、计算机、压力数显表、三通球阀、减压阀、气体缓冲容器、高精度气压传感器；本发明通过液压驱动气压的方式，实现气体以恒定压力、恒定体积和恒定速率进行输出，控制精度极高；通过在气/液压转换装置的进气端底座上设置高精度气压传感器，采集气体输出的实时压力并通过计算机反馈至无限体积控制器，形成用于调节气体目标压力的压力反馈；空气压缩机管线依次连接减压阀和气/液压转换装置的底座，当气/液压转换装置内部的活塞移动到进气端底座位置时，使用小压力的气体将活塞复位。

Description

恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统
技术领域
本发明涉及土木工程(岩土)及地质工程技术领域，具体为恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统。
背景技术
核反应堆乏燃料后处理产生的高放废液及其固化体统称为高放废物，具有放射性强、半衰期长、毒性大的特点。目前，国际上公认采用深地质处置法，将其封存在地下500-1000m的合适岩体中，以阻止核素的泄漏与迁移。同时高压实膨润土遇水膨胀的特性使其成为高放废物深地质处置库的首选缓冲回填材料。
处置库建成封闭后，复杂的物理化学反应将消耗库内氧气，形成无氧环境，地下水将与金属废物罐以及处置库中的金属构件发生还原反应产生氢气。而库中微生物降解、放射性物质对地下水的辐解等作用也会产生二氧化碳、甲烷、氢气等气体。这些气体将在罐体周围压实膨润土及相关低渗屏障体中不断积聚，从而产生极高的气体压力。在实际工况中，气体是以极低的速率产生，由于膨润土的天然屏障作用，使气压缓慢攀升，最终可形成高达15兆帕压力。研究指出，高压气体可在工程屏障中形成毛细或力学优势渗流通道，导致放射性物质随地下水或是以气体状态向外部环境转移，并最终影响到处置库的抗渗与力学稳定性。因此，开展气体渗透特性研究，对于处置库的长期安全性能评价具有极其重要的实际意义。
针对高压实膨润土气体渗流试验包括恒定压力、恒定体积和恒定速率的气体注入试验。目前，注气系统多为恒压装置，即气体稳定在某一压力水平下进行注气试验。相应地，气体压力使用减压阀进行控制，然而这种传统的控制方式在高压下会使气压出现数十千帕的波动，大大影响试验精度。此外，由于技术手段的限制，既有的注气系统尚无法实现气体以极低的恒定的速率(通常为微升/小时)注入膨润土进行连续量测。
因此，目前急需研发一种能够满足高精度的恒定压力、恒定体积和恒定速率控制的气体注入系统，以开展模拟处置库真实工况下的相关气体渗透试验，为深地质处置库研究工作提供科学依据。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，能够满足高精度的恒定压力、恒定体积和恒定速率控制的气体注入。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：它包括氮气罐、截止阀、空气压缩机、增压泵、无限体积控制器、气/液压转换装置、试验腔室、计算机、压力数显表、数据线、三通球阀、单通球阀、减压阀、气体缓冲容器、高精度气压传感器；所述气/液压转换装置上设有进水端底座、进气端底座；
所述氮气罐上设有截止阀并与增压泵连通；
所述空气压缩机连接第二减压阀和第二压力数显表，其出口端通过第二三通球阀分别连接增压泵和第三三通球阀后接入四通的压缩空气进口形成与气/液压转换装置的进气端底座的连通；
所述气体缓冲容器连接增压泵、第一减压阀和第一压力数显表，其出口端通过第四三通球阀连接四通的高压氮气进口后接入气/液压转换装置的进气端底座；
所述无限体积控制器的出水端通过第一三通球阀分别连接单通球阀接入气/液压转换装置的进水端底座和第六三通球阀后接入试验腔室；
所述计算机分别通过数据线连接无限体积控制器和高精度气压传感器，形成用于调节气体目标压力的闭合压力反馈，所述高精度气压传感器设置在气/液压转换装置的进气端底座上；
所述试验腔室通过第六三通球阀连接第五三通球阀后接入四通的高压氮气出口形成与气/液压转换装置的进气端底座的连通。
所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述气/液压转换装置包括腔室、活塞、Y型密封圈、O型密封圈、高压安全阀、四通、若干内六角螺栓、外壳、活塞位置指示杆；
所述腔室由外壳、进水端底座和进气端底座密闭组成，外壳和两个底座间通过若干内六角螺栓连接在一起，所述活塞设置在气/液压转换装置内部并将腔室隔成液体腔室和气体腔室；
所述外壳和进水端底座之间、外壳和进气端底座之间分别设有O型密封圈用于密封外壳和两个底座之间的连接间隙；
所述活塞位置指示杆固定在活塞表面上，分别穿过进水端底座和进气端底座通向气/液压转换装置外部，用于指示当前活塞在气/液压转换装置内部所处的位置；
所述进气端底座上设置有一个高压安全阀。
所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述腔室由高强度不锈钢材料制成。
所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述活塞与气/液压转换装置外壳内壁之间采用Y型密封圈密封；
所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述活塞位置指示杆与进水端底座、进气端底座之间均设有O型密封圈。
所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述空气压缩机采用微型静音无油空气压缩机，其输出压力为0.8-1MPa。
所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述增压泵采用低噪声增压泵，其输出气压为0-20MPa。
所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述无限体积控制器的工作介质为去离子水，其工作模式可设置为恒定压力、恒定体积以及恒定速率；无限体积控制器的工作压力范围为0～20MPa，压力控制精度为±0.1kPa；容量无体积限制，体积控制精度为±1mm3，工作速率最低可设置在0.0001mL/min，而快速填充/排水速度高达72mL/min。
所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述气/液压转换装置内部的气体恒定压力范围为0～20MPa，控制精度为±0.1kPa、恒定体积无容量限制，控制精度为±1mm3、恒定速率范围在0.0001mL/min～72mL/min进行输出。
本发明的有益效果是：(1)气/液压转换装置内部，通过液压驱动气压的方式，可以实现气体以恒定压力(压力范围为0～20MPa，控制精度为±0.1kPa)、恒定体积(体积无容量限制，控制精度为±1mm3)和恒定速率(速率范围在0.0001mL/min～72mL/min)进行输出，控制精度极高。
(2)通过在气/液压转换装置的进气端底座上设置高精度气压传感器，采集气体输出的实时压力并通过计算机反馈至无限体积控制器，形成用于调节气体目标压力的压力反馈。
(3)空气压缩机管线依次连接减压阀和气/液压转换装置的底座，当气/液压转换装置内部的活塞移动到进气端底座位置时，使用小压力的气体将活塞复位。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明结构示意图。
图2为气/液压转换装置的剖示图。
图中，氦气罐1、截止阀2、空气压缩机3、增压泵4、无限体积控制器5、气/液压转换装置6、试验腔室7、计算机8、第一压力数显表9-1、第二压力数显表9-2、数据线10、第一三通球阀11-1、第二三通球阀11-2、第三三通球阀11-3、第四三通球阀11-4、第五三通球阀11-5、第六三通球阀11-6、单通球阀12、第一减压阀13-1、第二减压阀13-2、气体缓冲容器14、活塞15、Y型密封圈16、O型密封圈17、高精度气压传感器18、高压安全阀19、四通20、内六角螺栓21、外壳22、进水端底座23、进气端底座24、活塞位置指示杆25。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1所示：
一种恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，它包括氮气罐、截止阀、空气压缩机、增压泵、无限体积控制器、气/液压转换装置、试验腔室、计算机、压力数显表、数据线、三通球阀、单通球阀、减压阀、气体缓冲容器、高精度气压传感器；
所述气/液压转换装置包括腔室、活塞、Y型密封圈、O型密封圈、高压安全阀、四通、若干内六角螺栓、外壳、进水端底座、进气端底座、活塞位置指示杆；
氦气罐1带有独立的截止阀2，与增压泵4相连，可以提供用于开展气体渗透试验的气源。
空气压缩机3连接压力第二数显表9-2和第二减压阀13-2，出口端连接第二三通球阀11-2后，分成两条管线，一条管线连接增压泵，可以把压缩后的空气输送至增压泵4作为增压泵的驱动力，压缩空气的输出压力为0.8～1MPa；另一条管线通过第三三通球阀11-3连接气/液压转换装置的进气端底座24，当气/液压转换装置内部的活塞15移动到进气端底座位置时，可以使用小压力的气体将活塞复位。
增压泵4分别与空气压缩机3、氦气罐1以及气体缓冲容器14连接；其中空气压缩机送来的空气依次连接减压阀和压力数显表9-2后连接增压泵，氦气罐内的气体直接通向增压泵进气端；氦气罐送来的氦气在增压泵4内预增压至较高压力后输送至气体缓冲容器14，其输出气压为0～20MPa。
气体缓冲容器14连接第一减压阀13-1、第一压力数显表9-1通过第四三通球阀11-4与气/液压转换装置的进气端底座24，气体缓冲容器内的高压气体在经过第一减压阀13-1调节至目标压力后将会被输送至气/液压转换装置6。
无限体积控制器5出水管线连接第一三通球阀11-1后，分成两条管线,一条管线与气/液压转换装置的进水端底座23相连用于提供无限高精度的液压，可以向气/液压转换装置6提供高精度的液压驱动力，另一条管线直接通向试验腔室7，用于膨润土试样的注水饱和；无限体积控制器5的工作介质为去离子水，其工作模式可设置为恒定压力、恒定体积以及恒定速率；控制器的工作压力范围为0～20MPa，压力控制精度为±0.1kPa；容量无体积限制，体积控制精度为±1mm3，工作速率最低可设置在0.0001mL/min，而快速填充/排水速度高达72mL/min。无限体积控制器5该设备为市场采购获取，它的英文名字是：InfiniteVolume Controller System(GDSIVC)。控制器通过RS232总线与计算机相连。试验腔室7用于放置膨润土试样进行气体渗透试验，通过第六三通球阀11-6连接第五三通球阀11-5后接入四通的高压氮气出口与气/液压转换装置的进气端底座24相连。
计算机8安装有自动采集与控制软件，作为系统上位机计算机通过数据线10分别连接无限体积控制器5、高精度气压传感器18，高精度气压传感器18设置在气/液压转换装置进气端底座24上用于采集气体腔室内的气压；试验过程中，由计算机8运行的自动采集与控制软件实时采集无限体积控制器5的液压数据和高精度气压传感器的气压数据，根据采集到的数据可通过软件手动调整液压大小进行气压补偿，并显示数据值和关系曲线。
本发明的自主开发设计的构件气/液压转换装置6的剖面图如图2所示。该气/液压转换装置6包括腔室、活塞15、活塞位置指示杆25、Y型密封圈16、O型密封圈17、高精度气压传感器18、高压安全阀19、四通20、单通球阀12和若干内六角螺栓21。它的腔室由外壳22、进水端底座23和进气端底座24密闭组成，都是由高强度不锈钢材料制成，并有一定的厚度，保证承受内腔的高压不发生破坏。外壳和两个底座间通过内六角螺栓21紧密连接在一起，活塞15将腔室隔成液体腔室和气体腔室。O型密封圈17设置在进水端底座23和进气端底座24上，可以密封外壳和两个底座之间的连接间隙。活塞15设置在气/液压转换装置内部，可以隔断去离子水和氦气之间的直接接触，活塞15与气/液压转换装置外壳22内壁之间采用Y型密封圈17密封，可有效防止活塞在推进过程中流体(去离子水和氦气)沿内壁混合在一起。活塞位置指示杆25固定在活塞表面上，分别穿过进水端和进气端底座通向气/液压转换装置外部，指示杆经过进气端和进水端部分同样使用O型圈实现动密封，可以指示当前活塞在气/液压转换装置内部所处的位置。高精度气压传感器18设置在进气端底座24上，用于捕捉实时气压信号并通过数据线传输至计算机。由于Y型密封圈16与气/液压转换装置外壳22内壁之间的摩阻力的存在，活塞两侧的气液压力会有偏差；无限体积控制器5与高精度气压传感器18、计算机8组合可以形成用于调节气体目标压力的闭合压力反馈。进气端底座24上设置有一个高压安全阀19，当气/液压转换装置6内的气体压力(由气压传感器18实时检测)超过安全阀上限时能自动泄压，保障安全。进水端底座23通过导管连接无限体积控制器5(执行机构)；进气端底座分别通过四通20连接气体缓冲容器14和空气压缩机3以及试验腔室7，在该装置内部，通过无限体积控制器5控制水压工作模式，继而驱动气体缓冲容器14送来的气压以相同的工作模式进行工作，实现气/液压转换装置6内氦气以设定工作方式送入试验腔室内，也就是说，气/液压转换装置6内部的气体同样可以实现以恒定压力(压力范围为0～20MPa，控制精度为±0.1kPa)、恒定体积(体积无容量限制，控制精度为±1mm3)和恒定速率(速率范围在0.0001mL/min～72mL/min)进行输出。管道接头处采用卡套螺纹接头实现密封。
本发明的试验流程包括：恒定压力氦气的注入过程，恒定体积氦气的注入过程，较高压力的恒定速率注入过程。根据工作要求，选择对应的控制流程，实现所需的试验目标。
1)恒定压力氦气的注入过程：
首先将该注入系统中的各设备电源接通，打开氦气罐1的截止阀2以及空气压缩机3的调压阀和第二三通球阀11-2，使压缩空气通向增压泵并提供驱动力。启动增压泵4，增压后的氦气会被输送到气体缓冲容器14，打开第一减压阀13-1，第四三通球阀11-4，并使三通球阀11-3和11-5处于关闭状态，开始向气/液压转换装置6(图2中的右侧腔室)内充气。待高精度气压传感器18显示的气体压力达到试验要求时断开气体缓冲容器14。随后关闭第四三通球阀11-4，并接通三通球阀11-5和11-6使氦气通向试验腔室7。紧接着启动无限体积控制器5，使其以恒定压力的模式工作并设置目标压力，根据活塞位置指示杆25的推进位移以及无限体积控制器5体积变化量即可记录试验腔室内的进气量，用以评估膨润土试样的气体渗透特性。本发明中的气/液压转换装置的体积设计为2L，因此在试验过程中，如果活塞15推进至进气端底座24位置处，需将活塞15复位至进水端底座位置处。具体操作为：打开第五三通球阀11-5，使残余气体完全放空后，使用无限体积控制器5将水压卸除。随后断开三通球阀11-4和11-5并连通11-3，通过空气压缩机调压阀和三通球阀11-2，将低压空气通向气/液压转换装置的气体腔室内。这一过程会将活塞15缓慢推向进水端底座位置处并随后重新开始上述注气流程。
2)恒定体积氦气的注入过程：
首先启动无限体积控制器5，推动活塞使其位于腔室内的中间位置处，随后停止无限体积控制器5的推进，使其以恒定体积的模式工作，也就是说气/液压转换装置6中气体腔室内的体积也被固定在该位置处。紧接着，将各设备电源接通，打开氦气罐1的截止阀2以及空气压缩机3的调压阀和三通球阀11-2，使压缩空气通向增压泵并提供驱动力。启动增压泵4，增压后的氦气会被输送到气体缓冲容器14，打开减压阀13，三通球阀11-4，并使三通球阀11-3和11-5处于关闭状态，开始向气/液压转换装置6的气体腔室内充气。待气压传感器18显示的气体压力达到试验要求时断开气体缓冲容器14和三通球阀11-4，然后缓慢打开三通球阀11-5和11-6，使气体通向试验腔室。最后通过高精度气压传感器18记录气体腔室内的气压力变化，用以评估膨润土试样的气体渗透特性。
3)恒定速率氦气的注入过程：
首先将该注入系统中的各设备电源接通，打开氦气罐1的截止阀2以及空气压缩机3的调压阀和三通球阀11-2，使压缩空气通向增压泵并提供驱动力。启动增压泵4，增压后的氦气会被输送到气体缓冲容器14，打开减压阀13，三通球阀11-4，并使减压阀11-3和11-5处于关闭状态，开始向气/液压转换装置6内充气。待高精度气压传感器18显示的气体压力达到试验要求时断开气体缓冲容器14。随后关闭三通球阀11-4，并接通三通球阀11-5和11-6使氦气通向试验腔室7。紧接着启动无限体积控制器5，使其以恒定速率的模式工作并设置初始泵入速率，根据活塞位置指示杆25的推进位移以及无限体积控制器5体积变化量即可记录试验腔室内的进气量，用以评估膨润土试样的气体渗透特性。如果在这一过程中活塞15推进至进气端底座24位置处，同样按上述流程将活塞复位后重新开始注气流程。

Claims (9)

1.一种恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：它包括氮气罐、截止阀、空气压缩机、增压泵、无限体积控制器、气/液压转换装置、试验腔室、计算机、压力数显表、数据线、三通球阀、单通球阀、减压阀、气体缓冲容器、高精度气压传感器；所述气/液压转换装置上设有进水端底座、进气端底座；
所述氮气罐上设有截止阀并与增压泵连通；
所述空气压缩机连接第二减压阀和第二压力数显表，其出口端通过第二三通球阀分别连接增压泵和第三三通球阀后接入四通的压缩空气进口形成与气/液压转换装置的进气端底座的连通；
所述气体缓冲容器连接增压泵、第一减压阀和第一压力数显表，其出口端通过第四三通球阀连接四通的高压氮气进口后接入气/液压转换装置的进气端底座；
所述无限体积控制器的出水端通过第一三通球阀分别连接单通球阀接入气/液压转换装置的进水端底座和第六三通球阀后接入试验腔室；
所述计算机分别通过数据线连接无限体积控制器和高精度气压传感器，形成用于调节气体目标压力的闭合压力反馈，所述高精度气压传感器设置在气/液压转换装置的进气端底座上；
所述试验腔室通过第六三通球阀连接第五三通球阀后接入四通的高压氮气出口形成与气/液压转换装置的进气端底座的连通。
2.根据权利要求1所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述气/液压转换装置包括腔室、活塞、Y型密封圈、O型密封圈、高压安全阀、四通、若干内六角螺栓、外壳、活塞位置指示杆；
所述腔室由外壳、进水端底座和进气端底座密闭组成，外壳和两个底座间通过若干内六角螺栓连接在一起，所述活塞设置在气/液压转换装置内部并将腔室隔成液体腔室和气体腔室；
所述外壳和进水端底座之间、外壳和进气端底座之间分别设有O型密封圈用于密封外壳和两个底座之间的连接间隙；
所述活塞位置指示杆固定在活塞表面上，分别穿过进水端底座和进气端底座通向气/液压转换装置外部，用于指示当前活塞在气/液压转换装置内部所处的位置；
所述进气端底座上设置有一个高压安全阀。
3.根据权利要求2所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述腔室由高强度不锈钢材料制成。
4.根据权利要求2所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述活塞与气/液压转换装置外壳内壁之间采用Y型密封圈密封。
5.根据权利要求2所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述活塞位置指示杆与进水端底座、进气端底座之间均设有O型密封圈。
6.根据权利要求2所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述空气压缩机采用微型静音无油空气压缩机，其输出压力为0.8-1MPa。
7.根据权利要求2所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述增压泵采用低噪声增压泵，其输出气压为0-20MPa。
8.根据权利要求2所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述无限体积控制器的工作介质为去离子水，其工作模式可设置为恒定压力、恒定体积以及恒定速率；无限体积控制器的工作压力范围为0～20MPa，压力控制精度为±0.1kPa；容量无体积限制，体积控制精度为±1mm3，工作速率最低可设置在0.0001mL/min，而快速填充/排水速度高达72mL/min。
9.根据权利要求2所述的恒定压力、体积及速率的高压气体注入系统，其特征在于：所述气/液压转换装置内部的气体恒定压力范围为0～20MPa，控制精度为±0.1kPa、恒定体积无容量限制，控制精度为±1mm3、恒定速率范围在0.0001mL/min～72mL/min进行输出。
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