液位計在煤層氣分離器上的應用及認識

霍洪濤 張易達 張景輝 彭宣瑋 趙武鵬 徐 敏

(1.中石油華北油田山西煤層氣分公司,山西 048000；2.河北省地質測繪院,河北 065000)

1 “假液位”的形成機理

“假液位”的形成是由多方面因素疊加以及影響導致的。通過對煤層氣的地質排采、集輸設備、管道運行、材料等生產全過程進行梳理，認為“假液位”的形成主要受三方面因素影響：

(1)受煤層氣特有的儲層條件和排水采氣、水力壓裂等工藝的影響，采出的煤層氣往往會攜帶一定含量的水分和粉煤灰等微小顆粒。

(2)煤層氣在集輸過程中多采用往復式壓縮機進行增壓運輸。由于多數往復式壓縮機在露天環境下現場作業，這就很容易為高置油箱和強制潤滑油泵帶來加油口密封失效問題，潤滑油將會隨著煤層氣而進入下游流程，同時煤層氣中往往會含有一定量水分，所以經過壓縮處理后的煤層氣里總會摻雜進一定量的乳化油。

圖2 磁翻板液位計形成假液位示意圖

(3)受集輸系統管壓波動的影響，為了提高煤層氣集輸效率，保障管線安全平穩運行，通常會定期進行清管作業。清管作業會將水、粉煤灰和乳化油的混合液帶入氣液分離器內，其充分混合后會形成一種具有粘性糊狀的黑色液體。該糊狀液體進入液位計內會粘連在管壁上，形成“假液位”。

2 “假液位”對常用液位計的影響

2.1 “假液位”對玻璃管式液位計的影響

玻璃管液位計是根據連通器原理制作而成，儀表上下閥門均裝有連接法蘭，與被測容器連接在一起而構成連通器，從而在玻璃管上可直接顯示容器內介質液位的高度。由于煤層氣在集輸過程中往往會將黑色粘性糊狀混合液帶入氣液分離器液位計內，所以在液位升高又降低后，黑色粘性糊狀混合液還是會粘連在玻璃管上，從而造成觀測液位出現誤差，導致讀數不準確，如圖1所示。

圖1 玻璃管液位計形成假液位示意圖

2.2 “假液位”對磁翻板液位計的影響

磁翻板液位計根據連通器原理、浮力原理和磁性作用制作而成。當被測容器中的液位升降時，液位計本體管中的磁性浮子也隨之升降，浮子內的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，驅動紅、白翻柱翻轉180°，當液位上升時翻柱由白色轉變為紅色，當液位下降時翻柱由紅色轉變為白色，指示器的紅白交界處為容器內部液位的實際高度，從而實現液位清晰的指示。然而在實際生產中，浮子一旦與進入到液位計的黑色糊狀粘性混合液粘連后，就不會隨著液面的上升下降而上下移動，因此造成液位不準確。如圖2所示。

3 液位計前置過濾裝置

3.1 過濾液設計思路

無論是玻璃管式液位計還是磁翻板式液位計都會出現“假液位”的問題，造成計量不準確。為解決該問題，嘗試在氣液分離器與液位計下部連通處(液位計進口處)加裝前置過濾裝置，該裝置里面充填著食鹽水。采用食鹽水作為過濾溶液主要是基于四方面考慮：

(1)“假液位”往往是受含有粉煤灰以及乳化油黑色糊狀粘稠的混合液所致，根據相似相溶性原理，只能選擇無機溶劑進行分層；

(2)常見的無機鹽溶液諸如氯化鉀、硫酸鉀、硫酸鈉等溶液雖然具有一定的破乳性，也具備易分層的特性，但是成本過高；

(3)食鹽水具有破乳性，易分層的特性；

(4)對比其他無機鹽溶液，食鹽溶液(氯化鈉)更常見，易購置，性價比高。

除此之外，還需要慎重考慮食鹽水過濾液的密度。如果食鹽水的密度過小，會導致黑色糊狀粘稠的混合液與食鹽水過濾液混合共同進入液位計中，會直接影響液位計的前置過濾裝置的過濾效果。

3.2 前置過濾裝置總體結構

前置過濾裝置由罐體、進液管、排污管、沖洗管、液位計連接管、伴熱帶、保溫層組成。罐體下端有傾斜面，排污管位于罐體底部，并連接有排污閥門；沖洗管位于罐體頂端，并連接有沖洗閥門；進液管位于罐體上部，一端有法蘭與氣液分離器連接，另一端伸入罐體內，上部有小通孔；液位計連接管上有連接管閥門，通過法蘭與液位計連接；伴熱帶和保溫層包裹在罐體外面，如圖3所示。

1—進液閥門；2—進液管；3—小通孔；4—液位計；5—沖洗管；6—沖洗閥門；7—保溫層；8—拌熱帶；9—液位計連接管；10—連接管閥門；11—罐體；12—傾斜面；13—排污管；14—排污閥門；15—氣液分離器圖3 前置過濾裝置結構示意圖

3.3 液位計前置過濾裝置工作原理

該裝置通過沖洗管向罐體內加入食鹽水過濾液，因為過濾液的密度大于氣液分離器內混合液(水、乳化油、煤粉)的密度，所以灌入的過濾液會沉入罐體的下部并通過液位計連接管進入液位計內，從而隔絕了液位計與氣液分離器內混合液的接觸，避免了水、粉狀煤灰和乳化油的混合液對氣液分離器液位計的不良影響，這樣，利用U型管原理就可以等量準確讀出被測介質的液位。

4 前置過濾裝置現場實踐

4.1 現場應用區域概況

華北油田山西煤層氣中央處理廠是我國第一個整裝規模煤層氣田建設核心工程。該廠區處于我國北方高原地區，位于沁水縣金峰村，占地127.3畝，設有脫水區、集配氣區、增壓區三個主生產區及其配套設施，一期工程設計年產煤層氣10億m3，整體工程建成后，總處理規模達到30億m3。自2009年8月投入運行以來，該廠區氣液分離器液位計一直飽受 “假液位”問題的困擾。以1號氣液分離器和4號氣液分離器為例，1號氣液分離器采用玻璃管式液位計計量液面，4號氣液分離器采用磁翻板式液位計計量液面。據不完全統計，2016年全年，1號和4號氣液分離器出現假液位造成計量誤差的天數分別達到146天和138天。這不僅影響了煤層氣集輸系統的集輸效率，也給集輸系統帶來巨大安全隱患。

4.2 應用效果評價

2017年2月，在華北油田中央處理廠1號氣液分離器和4號氣液分離器嘗試加裝前置過濾裝置(如圖4所示)，對其效果進行現場驗證。經過一年的持續觀察，華北油田煤層氣中央處理廠1號和4號氣液分離器液位計，均能真實地反映液位升降情況，出現計量誤差的天數由140天左右分別降至8天和6天左右，計量誤差率也由措施前40%下降為措施后2%。目前該裝置已在華北油田山西煤層氣分公司全面推廣應用。

圖4 4號氣液分離器前置過濾裝置示意圖

4.3 見效原因分析

(1)前置過濾裝置內食鹽水過濾液的密度大于氣液分離器內混合液的密度，從而會沉入裝置內下部進入液位計內，隔絕了液位計與氣液分離器內混合液的接觸，這就為準確讀出液位數值提供了重要基礎。

(2)由于是在氣液分離器與液位計下部連通處(液位計進口處)加裝前置過濾裝置，所以，無論是玻璃管式液位計還是磁翻板式液位計，都可以加裝該裝置，而且也不會因為液位計的工作原理不同而影響現場試驗效果。

(3)該裝置通過沖洗管可以定期補充罐體內的高密度鹽水，避免了由于后期鹽水過濾液不足所導致的氣液分離器內混合液進入液位計從而影響液位數值準確的隱患。

(4)該裝置進液管設計在罐體的上部，并通過小通孔與罐體內部聯通，這樣可以在保證氣液分離器內的混合液與高密度食鹽水過濾液壓力聯通的前提下盡可能減少兩者的融合。

(5)該裝置底部設計為斜面，又加裝排污閥門，這樣就可以定期排出底部沉積物，避免其堆積過多，堵塞液位計連接管造成液位計失效。

(6)該裝置充分考慮到冬季低溫對該裝置食鹽水過濾液的影響，在罐體的外面纏繞伴熱帶，并包裹保溫層。當氣溫低于零度時，可以通電使伴熱帶發熱，加熱罐體內的高密度鹽水，同時也通過傳導和對流的方式，傳遞熱量給液位計里面的高密度鹽水，保證其不會凝固。保溫層能降低罐體熱量散失，節約能源。

5 結論與認識

(1)煤層氣氣液分離器 “假液位”問題往往是受含有粉煤灰以及乳化油形成的黑色糊狀粘稠的混合液所致。采用食鹽水作為過濾液不僅能給氣液分離器內混合液進行有效破乳和分層，而且對比其他無機鹽溶液，性價比更高。

(2)前置過濾裝置結構設計精巧，便于后期維護。不僅通過食鹽水過濾液可以將粘稠黑色糊狀混合液與液位計隔離開來，為準確讀出液面數值提供重要基礎，而且通過給裝置外面設計保溫層以及加裝電熱帶等設計解決了北方地區冬季低溫影響前置過濾裝置正常工作的難題。

(3)前置過濾裝置需選擇合適的食鹽水密度。如果食鹽水的密度過小，會導致氣液分離器內黑色糊狀粘稠的混合液與食鹽水過濾液混合共同進入液位計中，會直接影響液位計的前置過濾裝置的過濾效果。

(4)前置過濾裝置不僅極大地提高了液位計示數的準確性，而且也大幅提高了煤層氣集輸系統的安全系數，同時也給其他行業和企業解決同類問題提供了一個全新的思路，具有一定的借鑒和指導作用。