液位計(jì)在煤層氣分離器上的應(yīng)用及認(rèn)識(shí)

霍洪濤 張易達(dá) 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(zhì)測(cè)繪院,河北 065000)

1 “假液位”的形成機(jī)理

“假液位”的形成是由多方面因素疊加以及影響導(dǎo)致的。通過對(duì)煤層氣的地質(zhì)排采、集輸設(shè)備、管道運(yùn)行、材料等生產(chǎn)全過程進(jìn)行梳理，認(rèn)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(chǔ)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(huì)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(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行增壓運(yùn)輸。由于多數(shù)往復(fù)式壓縮機(jī)在露天環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，這就很容易為高置油箱和強(qiáng)制潤(rùn)滑油泵帶來加油口密封失效問題，潤(rùn)滑油將會(huì)隨著煤層氣而進(jìn)入下游流程，同時(shí)煤層氣中往往會(huì)含有一定量水分，所以經(jīng)過壓縮處理后的煤層氣里總會(huì)摻雜進(jìn)一定量的乳化油。

圖2 磁翻板液位計(jì)形成假液位示意圖

(3)受集輸系統(tǒng)管壓波動(dòng)的影響，為了提高煤層氣集輸效率，保障管線安全平穩(wěn)運(yùn)行，通常會(huì)定期進(jìn)行清管作業(yè)。清管作業(yè)會(huì)將水、粉煤灰和乳化油的混合液帶入氣液分離器內(nèi)，其充分混合后會(huì)形成一種具有粘性糊狀的黑色液體。該糊狀液體進(jìn)入液位計(jì)內(nèi)會(huì)粘連在管壁上，形成“假液位”。

2 “假液位”對(duì)常用液位計(jì)的影響

2.1 “假液位”對(duì)玻璃管式液位計(jì)的影響

玻璃管液位計(jì)是根據(jù)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(cè)容器連接在一起而構(gòu)成連通器，從而在玻璃管上可直接顯示容器內(nèi)介質(zhì)液位的高度。由于煤層氣在集輸過程中往往會(huì)將黑色粘性糊狀混合液帶入氣液分離器液位計(jì)內(nèi)，所以在液位升高又降低后，黑色粘性糊狀混合液還是會(huì)粘連在玻璃管上，從而造成觀測(cè)液位出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確，如圖1所示。

圖1 玻璃管液位計(jì)形成假液位示意圖

2.2 “假液位”對(duì)磁翻板液位計(jì)的影響

磁翻板液位計(jì)根據(jù)連通器原理、浮力原理和磁性作用制作而成。當(dāng)被測(cè)容器中的液位升降時(shí)，液位計(jì)本體管中的磁性浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，驅(qū)動(dòng)紅、白翻柱翻轉(zhuǎn)180°，當(dāng)液位上升時(shí)翻柱由白色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，當(dāng)液位下降時(shí)翻柱由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?，指示器的紅白交界處為容器內(nèi)部液位的實(shí)際高度，從而實(shí)現(xiàn)液位清晰的指示。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，浮子一旦與進(jìn)入到液位計(jì)的黑色糊狀粘性混合液粘連后，就不會(huì)隨著液面的上升下降而上下移動(dòng)，因此造成液位不準(zhǔn)確。如圖2所示。

3 液位計(jì)前置過濾裝置

3.1 過濾液設(shè)計(jì)思路

無論是玻璃管式液位計(jì)還是磁翻板式液位計(jì)都會(huì)出現(xiàn)“假液位”的問題，造成計(jì)量不準(zhǔn)確。為解決該問題，嘗試在氣液分離器與液位計(jì)下部連通處(液位計(jì)進(jìn)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(jù)相似相溶性原理，只能選擇無機(jī)溶劑進(jìn)行分層；

(2)常見的無機(jī)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(duì)比其他無機(jī)鹽溶液，食鹽溶液(氯化鈉)更常見，易購(gòu)置，性價(jià)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(huì)導(dǎo)致黑色糊狀粘稠的混合液與食鹽水過濾液混合共同進(jìn)入液位計(jì)中，會(huì)直接影響液位計(jì)的前置過濾裝置的過濾效果。

3.2 前置過濾裝置總體結(jié)構(gòu)

前置過濾裝置由罐體、進(jìn)液管、排污管、沖洗管、液位計(jì)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(jìn)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(nèi)，上部有小通孔；液位計(jì)連接管上有連接管閥門，通過法蘭與液位計(jì)連接；伴熱帶和保溫層包裹在罐體外面，如圖3所示。

1—進(jìn)液閥門；2—進(jìn)液管；3—小通孔；4—液位計(jì)；5—沖洗管；6—沖洗閥門；7—保溫層；8—拌熱帶；9—液位計(jì)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—?dú)庖悍蛛x器圖3 前置過濾裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 液位計(jì)前置過濾裝置工作原理

該裝置通過沖洗管向罐體內(nèi)加入食鹽水過濾液，因?yàn)檫^濾液的密度大于氣液分離器內(nèi)混合液(水、乳化油、煤粉)的密度，所以灌入的過濾液會(huì)沉入罐體的下部并通過液位計(jì)連接管進(jìn)入液位計(jì)內(nèi)，從而隔絕了液位計(jì)與氣液分離器內(nèi)混合液的接觸，避免了水、粉狀煤灰和乳化油的混合液對(duì)氣液分離器液位計(jì)的不良影響，這樣，利用U型管原理就可以等量準(zhǔn)確讀出被測(cè)介質(zhì)的液位。

4 前置過濾裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用區(qū)域概況

華北油田山西煤層氣中央處理廠是我國(guó)第一個(gè)整裝規(guī)模煤層氣田建設(shè)核心工程。該廠區(qū)處于我國(guó)北方高原地區(qū)，位于沁水縣金峰村，占地127.3畝，設(shè)有脫水區(qū)、集配氣區(qū)、增壓區(qū)三個(gè)主生產(chǎn)區(qū)及其配套設(shè)施，一期工程設(shè)計(jì)年產(chǎn)煤層氣10億m3，整體工程建成后，總處理規(guī)模達(dá)到30億m3。自2009年8月投入運(yùn)行以來，該廠區(qū)氣液分離器液位計(jì)一直飽受 “假液位”問題的困擾。以1號(hào)氣液分離器和4號(hào)氣液分離器為例，1號(hào)氣液分離器采用玻璃管式液位計(jì)計(jì)量液面，4號(hào)氣液分離器采用磁翻板式液位計(jì)計(jì)量液面。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年全年，1號(hào)和4號(hào)氣液分離器出現(xiàn)假液位造成計(jì)量誤差的天數(shù)分別達(dá)到146天和138天。這不僅影響了煤層氣集輸系統(tǒng)的集輸效率，也給集輸系統(tǒng)帶來巨大安全隱患。

4.2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

2017年2月，在華北油田中央處理廠1號(hào)氣液分離器和4號(hào)氣液分離器嘗試加裝前置過濾裝置(如圖4所示)，對(duì)其效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。經(jīng)過一年的持續(xù)觀察，華北油田煤層氣中央處理廠1號(hào)和4號(hào)氣液分離器液位計(jì)，均能真實(shí)地反映液位升降情況，出現(xiàn)計(jì)量誤差的天數(shù)由140天左右分別降至8天和6天左右，計(jì)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(yīng)用。

圖4 4號(hào)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(nèi)食鹽水過濾液的密度大于氣液分離器內(nèi)混合液的密度，從而會(huì)沉入裝置內(nèi)下部進(jìn)入液位計(jì)內(nèi)，隔絕了液位計(jì)與氣液分離器內(nèi)混合液的接觸，這就為準(zhǔn)確讀出液位數(shù)值提供了重要基礎(chǔ)。

(2)由于是在氣液分離器與液位計(jì)下部連通處(液位計(jì)進(jìn)口處)加裝前置過濾裝置，所以，無論是玻璃管式液位計(jì)還是磁翻板式液位計(jì)，都可以加裝該裝置，而且也不會(huì)因?yàn)橐何挥?jì)的工作原理不同而影響現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果。

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

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

(5)該裝置底部設(shè)計(jì)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(jì)連接管造成液位計(jì)失效。

(6)該裝置充分考慮到冬季低溫對(duì)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(dāng)氣溫低于零度時(shí)，可以通電使伴熱帶發(fā)熱，加熱罐體內(nèi)的高密度鹽水，同時(shí)也通過傳導(dǎo)和對(duì)流的方式，傳遞熱量給液位計(jì)里面的高密度鹽水，保證其不會(huì)凝固。保溫層能降低罐體熱量散失，節(jié)約能源。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(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(nèi)混合液進(jìn)行有效破乳和分層，而且對(duì)比其他無機(jī)鹽溶液，性價(jià)比更高。

(2)前置過濾裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧，便于后期維護(hù)。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(jì)隔離開來，為準(zhǔn)確讀出液面數(shù)值提供重要基礎(chǔ)，而且通過給裝置外面設(shè)計(jì)保溫層以及加裝電熱帶等設(shè)計(jì)解決了北方地區(qū)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(huì)導(dǎo)致氣液分離器內(nèi)黑色糊狀粘稠的混合液與食鹽水過濾液混合共同進(jìn)入液位計(jì)中，會(huì)直接影響液位計(jì)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(jì)示數(shù)的準(zhǔn)確性，而且也大幅提高了煤層氣集輸系統(tǒng)的安全系數(shù)，同時(shí)也給其他行業(yè)和企業(yè)解決同類問題提供了一個(gè)全新的思路，具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。