液位计在煤层气分离器上的应用及认识

霍洪涛 张易达 张景辉 彭宣玮 赵武鹏 徐 敏

(1.中石油华北油田山西煤层气分公司,山西 048000；2.河北省地质测绘院,河北 065000)

1 “假液位”的形成机理

“假液位”的形成是由多方面因素叠加以及影响导致的。通过对煤层气的地质排采、集输设备、管道运行、材料等生产全过程进行梳理，认为“假液位”的形成主要受三方面因素影响：

(1)受煤层气特有的储层条件和排水采气、水力压裂等工艺的影响，采出的煤层气往往会携带一定含量的水分和粉煤灰等微小颗粒。

(2)煤层气在集输过程中多采用往复式压缩机进行增压运输。由于多数往复式压缩机在露天环境下现场作业，这就很容易为高置油箱和强制润滑油泵带来加油口密封失效问题，润滑油将会随着煤层气而进入下游流程，同时煤层气中往往会含有一定量水分，所以经过压缩处理后的煤层气里总会掺杂进一定量的乳化油。

图2 磁翻板液位计形成假液位示意图

(3)受集输系统管压波动的影响，为了提高煤层气集输效率，保障管线安全平稳运行，通常会定期进行清管作业。清管作业会将水、粉煤灰和乳化油的混合液带入气液分离器内，其充分混合后会形成一种具有粘性糊状的黑色液体。该糊状液体进入液位计内会粘连在管壁上，形成“假液位”。

2 “假液位”对常用液位计的影响

2.1 “假液位”对玻璃管式液位计的影响

玻璃管液位计是根据连通器原理制作而成，仪表上下阀门均装有连接法兰，与被测容器连接在一起而构成连通器，从而在玻璃管上可直接显示容器内介质液位的高度。由于煤层气在集输过程中往往会将黑色粘性糊状混合液带入气液分离器液位计内，所以在液位升高又降低后，黑色粘性糊状混合液还是会粘连在玻璃管上，从而造成观测液位出现误差，导致读数不准确，如图1所示。

图1 玻璃管液位计形成假液位示意图

2.2 “假液位”对磁翻板液位计的影响

磁翻板液位计根据连通器原理、浮力原理和磁性作用制作而成。当被测容器中的液位升降时，液位计本体管中的磁性浮子也随之升降，浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到磁翻柱指示器，驱动红、白翻柱翻转180°，当液位上升时翻柱由白色转变为红色，当液位下降时翻柱由红色转变为白色，指示器的红白交界处为容器内部液位的实际高度，从而实现液位清晰的指示。然而在实际生产中，浮子一旦与进入到液位计的黑色糊状粘性混合液粘连后，就不会随着液面的上升下降而上下移动，因此造成液位不准确。如图2所示。

3 液位计前置过滤装置

3.1 过滤液设计思路

无论是玻璃管式液位计还是磁翻板式液位计都会出现“假液位”的问题，造成计量不准确。为解决该问题，尝试在气液分离器与液位计下部连通处(液位计进口处)加装前置过滤装置，该装置里面充填着食盐水。采用食盐水作为过滤溶液主要是基于四方面考虑：

(1)“假液位”往往是受含有粉煤灰以及乳化油黑色糊状粘稠的混合液所致，根据相似相溶性原理，只能选择无机溶剂进行分层；

(2)常见的无机盐溶液诸如氯化钾、硫酸钾、硫酸钠等溶液虽然具有一定的破乳性，也具备易分层的特性，但是成本过高；

(3)食盐水具有破乳性，易分层的特性；

(4)对比其他无机盐溶液，食盐溶液(氯化钠)更常见，易购置，性价比高。

除此之外，还需要慎重考虑食盐水过滤液的密度。如果食盐水的密度过小，会导致黑色糊状粘稠的混合液与食盐水过滤液混合共同进入液位计中，会直接影响液位计的前置过滤装置的过滤效果。

3.2 前置过滤装置总体结构

前置过滤装置由罐体、进液管、排污管、冲洗管、液位计连接管、伴热带、保温层组成。罐体下端有倾斜面，排污管位于罐体底部，并连接有排污阀门；冲洗管位于罐体顶端，并连接有冲洗阀门；进液管位于罐体上部，一端有法兰与气液分离器连接，另一端伸入罐体内，上部有小通孔；液位计连接管上有连接管阀门，通过法兰与液位计连接；伴热带和保温层包裹在罐体外面，如图3所示。

1—进液阀门；2—进液管；3—小通孔；4—液位计；5—冲洗管；6—冲洗阀门；7—保温层；8—拌热带；9—液位计连接管；10—连接管阀门；11—罐体；12—倾斜面；13—排污管；14—排污阀门；15—气液分离器图3 前置过滤装置结构示意图

3.3 液位计前置过滤装置工作原理

该装置通过冲洗管向罐体内加入食盐水过滤液，因为过滤液的密度大于气液分离器内混合液(水、乳化油、煤粉)的密度，所以灌入的过滤液会沉入罐体的下部并通过液位计连接管进入液位计内，从而隔绝了液位计与气液分离器内混合液的接触，避免了水、粉状煤灰和乳化油的混合液对气液分离器液位计的不良影响，这样，利用U型管原理就可以等量准确读出被测介质的液位。

4 前置过滤装置现场实践

4.1 现场应用区域概况

华北油田山西煤层气中央处理厂是我国第一个整装规模煤层气田建设核心工程。该厂区处于我国北方高原地区，位于沁水县金峰村，占地127.3亩，设有脱水区、集配气区、增压区三个主生产区及其配套设施，一期工程设计年产煤层气10亿m3，整体工程建成后，总处理规模达到30亿m3。自2009年8月投入运行以来，该厂区气液分离器液位计一直饱受 “假液位”问题的困扰。以1号气液分离器和4号气液分离器为例，1号气液分离器采用玻璃管式液位计计量液面，4号气液分离器采用磁翻板式液位计计量液面。据不完全统计，2016年全年，1号和4号气液分离器出现假液位造成计量误差的天数分别达到146天和138天。这不仅影响了煤层气集输系统的集输效率，也给集输系统带来巨大安全隐患。

4.2 应用效果评价

2017年2月，在华北油田中央处理厂1号气液分离器和4号气液分离器尝试加装前置过滤装置(如图4所示)，对其效果进行现场验证。经过一年的持续观察，华北油田煤层气中央处理厂1号和4号气液分离器液位计，均能真实地反映液位升降情况，出现计量误差的天数由140天左右分别降至8天和6天左右，计量误差率也由措施前40%下降为措施后2%。目前该装置已在华北油田山西煤层气分公司全面推广应用。

图4 4号气液分离器前置过滤装置示意图

4.3 见效原因分析

(1)前置过滤装置内食盐水过滤液的密度大于气液分离器内混合液的密度，从而会沉入装置内下部进入液位计内，隔绝了液位计与气液分离器内混合液的接触，这就为准确读出液位数值提供了重要基础。

(2)由于是在气液分离器与液位计下部连通处(液位计进口处)加装前置过滤装置，所以，无论是玻璃管式液位计还是磁翻板式液位计，都可以加装该装置，而且也不会因为液位计的工作原理不同而影响现场试验效果。

(3)该装置通过冲洗管可以定期补充罐体内的高密度盐水，避免了由于后期盐水过滤液不足所导致的气液分离器内混合液进入液位计从而影响液位数值准确的隐患。

(4)该装置进液管设计在罐体的上部，并通过小通孔与罐体内部联通，这样可以在保证气液分离器内的混合液与高密度食盐水过滤液压力联通的前提下尽可能减少两者的融合。

(5)该装置底部设计为斜面，又加装排污阀门，这样就可以定期排出底部沉积物，避免其堆积过多，堵塞液位计连接管造成液位计失效。

(6)该装置充分考虑到冬季低温对该装置食盐水过滤液的影响，在罐体的外面缠绕伴热带，并包裹保温层。当气温低于零度时，可以通电使伴热带发热，加热罐体内的高密度盐水，同时也通过传导和对流的方式，传递热量给液位计里面的高密度盐水，保证其不会凝固。保温层能降低罐体热量散失，节约能源。

5 结论与认识

(1)煤层气气液分离器 “假液位”问题往往是受含有粉煤灰以及乳化油形成的黑色糊状粘稠的混合液所致。采用食盐水作为过滤液不仅能给气液分离器内混合液进行有效破乳和分层，而且对比其他无机盐溶液，性价比更高。

(2)前置过滤装置结构设计精巧，便于后期维护。不仅通过食盐水过滤液可以将粘稠黑色糊状混合液与液位计隔离开来，为准确读出液面数值提供重要基础，而且通过给装置外面设计保温层以及加装电热带等设计解决了北方地区冬季低温影响前置过滤装置正常工作的难题。

(3)前置过滤装置需选择合适的食盐水密度。如果食盐水的密度过小，会导致气液分离器内黑色糊状粘稠的混合液与食盐水过滤液混合共同进入液位计中，会直接影响液位计的前置过滤装置的过滤效果。

(4)前置过滤装置不仅极大地提高了液位计示数的准确性，而且也大幅提高了煤层气集输系统的安全系数，同时也给其他行业和企业解决同类问题提供了一个全新的思路，具有一定的借鉴和指导作用。