應用激光掃描技術標定雙層油罐

中國石化銷售有限公司天津石油分公司

本文對現有加油站臥式油罐的標定方法做了對比分析，確定激光掃描法最適用于雙層罐改造后的標定；介紹了激光掃描法的工作原理；通過觀測加油站油槍的加油量，在線檢驗了罐容表精度進而驗證了該方法的準確性；介紹了使用激光掃描法標定油罐時遇到的問題，并提出了應對建議。

目前，國家大力開展環保監督檢查工作，根據國務院頒布的“水十條”要求，全國范圍對加油站臥式油罐推廣雙層罐改造工作。同時企業施行相應的地罐交接配套計劃，即加油站與運輸方的收油計量以加油站地罐計量數為準，作為加油站地罐驗收量。這給標罐工作帶來了極大挑戰。現有檢定加油站臥罐的方法可分為人工法、容積法以及近幾年新推出的激光掃描法3種。本文對不同方法做了對比，主要闡述應用激光掃描法進行臥罐標定的優勢和問題。

方法對比

人工法

按照JJG266 《臥式金屬罐容積檢定規程》的要求，檢定人員通過使用套管尺、鋼卷尺、水準儀、鋼板尺、半徑三角儀、游標卡尺、超聲波測厚儀等工具測量地罐的總長、大圓桶直徑、水平、伸長、封頭等參數，然后通過軟件計算生成罐容表［1］。此種方法的特點是測量過程簡單，標定時間短，需人員下罐進行測量。制作的罐容表會受測量工具、人員、算法及罐體變形、傾斜等因素的影響。

容積法

容積法是指通過標準設備（標準表、標準罐、體積管）將液體注入地罐，使油高與容量一一對應，通過內插法，計算出各液位點對應的容積，最終生成罐容表。此種方法的特點是需要油罐車或水車配合進行標定，標罐時間長（至少1個站1天），無需人員下罐測量。若使用水進行標定，會帶來污水處理等環保問題；若使用成品油進行標定，則安全要求高，資源保障、物流的協同工作量大，難度較高。制作的罐容表可避免地罐變形、傾斜帶來的影響，但會受到油面波動、傳感器、垂直度、氣泡等因素的影響。

激光掃描法

激光掃描法是指將激光掃描儀固定在臥罐罐口處，通過激光探頭發射并接收激光信號，對罐體進行云點式定位，然后通過中控機對定位點數據進行擬合計算，最終生成罐容表［2,3］。此種方法的特點是檢定人員少（1人即可），標定時間短，無需人員下罐測量。制作的罐容表會受到罐體涂層顏色、內部支撐等因素的影響。

綜上所述，3種方法各有短長，需結合雙層罐改造工程的情況和要求來分析，選取最適合的檢定方法。目前，雙層罐改造工程可分為雙層罐與內襯罐兩類。雙層罐是指將原有老罐直接更換為符合標準的雙層罐。內襯罐是指對原有老罐的內壁進行涂層改造，使用聚酯樹脂、玻璃鋼等材料對罐體內壁進行加固封膜，達到防滲漏的效果。由于內襯罐的涂層會產生很多化學氣體，檢定人員若采用人工法進行檢定，即使帶上防護措施，也會存在極大的安全風險，同時將大大降低工作效率及精準度。因此不適合選用人工法。

雙層罐改造工程是在規定時間內大面積整改工作，集團公司為了讓改造的加油站盡快開業，提高改造效率，在改造工期上有明確規定。因此容積法這種檢定時間長的方法在工作效率方面無法滿足改造工程的要求。同時在環保方面，容積法也存在污水處理的問題。

然而，激光掃描法無需檢定人員下罐操作，檢定時長可根據罐體情況進行調整，一般為40～70 min一個罐，且無需使用任何介質參與測量，一名檢定人員即可完成標罐工作。由此可知，激光掃描法針對加油站雙層罐改造工作是十分實用、高效的。既能保證檢定工作的安全性，又不會帶來任何環保問題。下文將詳細介紹激光掃描法的工作原理及操作流程，讓讀者系統地了解激光掃描技術在標罐工作中的應用。

激光掃描法工作原理

以激光掃描儀測距功能為基礎，按照雙旋角掃描方式（即按照設定的水平角度步進值和垂直角度步進值）對罐體進行云點式掃描，測量并記錄罐體內壁各點位的極坐標［4］。然后通過中控機對采集的數據進行錯點剔除、坐標建立、分段擬合、傾斜計算、容積計算等處理生成臥罐容積表。其結構原理見圖1。

由圖1可知，激光掃描法是以Z軸（垂直方向）激光器確定掃描截面。T軸（水平方向）按照設定的步進值沿圓周依次旋轉至360°，采集完成該截面罐內壁極坐標。然后Z軸激光器按a°傾斜，T軸繼續沿圓周旋轉，完成該截面數據采集。如此往復，直至Z軸激光器傾斜至規定的最大傾角，即完成臥罐罐體云點式極坐標系數據采集工作［5,6］?，F場操作如圖2所示。

由圖2可知，應用激光掃描法在進行雙層罐標定時，只需將激光掃描儀架設在地罐罐口處，調節水平后，即可按照雙角度旋轉的方式對罐體內壁進行云點式掃描，完成極坐標的數據采集工作。待掃描工作完成后，將數據導入中控機，應用相關軟件計算后得到罐容表［7］。

驗證試驗

應用激光掃描技術測算得到地罐容積表后，需對其進行驗證精度試驗。筆者采取根據加油機在線加油量來驗證地罐容積表精度的方法。即通過統計分析加油機走字數和地罐實測數，然后進行比較，得到相應的差異量。將此差異量與加油機走字數相比即可得到罐容表在此分段的精度。地罐實測數可通過液位儀系統得到。具體試驗操作分3部分進行。

圖1 激光掃描法結構原理示意

圖2 現場操作示意

確定驗證數據范圍

為了確保數據的全面性，避免重復工作，盡可能地擴大數據采集范圍，獲得油品從滿罐到空罐整個過程的數據。根據GB50156—2012《汽車加油加氣站設計與施工規范》的要求，罐內高液位報警規定一般為滿量程的90%，因此確定油罐初始進油量為油罐滿量程的90%。

確定數據采集周期

為了保證數據的真實性，可靠性，確定試驗采樣3～5個周期。即對所需驗證數據范圍進行3～5次的數據采集。

確定數據采集方法

在數據采集范圍內，為了保證較全面的驗證容積表的精度，同時考慮到加油站業務流量及加油員的工作量，筆者以加油機每賣出200 L左右油品為標準，通過液位儀系統測量實際罐容，得到油罐實際出油數，然后與加油機走字數進行比較，得到損耗量，將此損耗量與加油機走字數相比即可得到罐容表在此分段的精度［8］。當將試驗范圍內油品全部賣出或賣到規定油高時，即完成罐容表精度的驗證試驗。

為確保試驗數據準確可靠，筆者考慮到地罐溫度變化、加油機誤差、液位儀精度等因素的干擾，在試驗中采取以下3項措施：

◇為了避免地罐內油品溫度變化的影響，選取加油量大的加油站進行試驗，做到盡快將來油付出，完成一個周期的數據采集。同時由于加油機連續工作，還能保證加油機的穩定性。

◇為確保液位儀數據準確無誤，做好人工比對工作，液位儀與手工打尺誤差＜2 mm，溫差＜0.5 ℃。

◇在計算過程中剔除加油機本身的誤差影響。

完成試驗后，得到各分段容積表的精度。通過計算發現應用激光掃描技術測算得到容積表的精度一般在0.1%左右，與加油機走字數差異量很小，可以保障進出物料平衡，損溢得到有效控制，滿足零售損耗指標及地罐交接要求。本文節選高、中、低三段液位的試驗數據來說明應用激光掃描技術測算得到容積表的精度具體情況。試驗數據見表1。

由表1可知，高、中、低三段液位罐容精度平均是0.09%，遠遠高于JJG266的要求，為地罐交接工作提供了有力保障。集團公司頒布的地罐交接允差是0.3%，此數值受油庫發油準確度、溫度變化、運輸、卸油、容積表精度、液位儀精度等因素的影響，而JJG266規程要求符合0.4%即可。因此當加油站地罐交接出現超差的情況時，加油站方面總會以容積表不準為由，來解釋損耗來源，沒有進行系統地損耗分析，給損耗管理工作帶來了一定的漏洞。通過此次試驗可知，由激光掃描技術測算得到的容積表精度更高，完全滿足雙層罐標定要求，同時也為地罐交接損耗管理工作提供有力的數據支持。

問題和應對

應用激光掃描技術標定臥罐遇到的一些問題

罐體涂層顏色的影響

由于激光掃描法標罐是根據發射紅外線打點，然后接收返回信號建立坐標的方式來進行測算形成罐容表的。基于這種工作原理，內襯罐中涂層顏色的深淺會影響使用該種方法進行標罐：

◇當顏色過深，如深綠色、黑色等，紅外線發射到涂層上時，光線將被涂層吸收，信號無法返回到儀器中，影響采點數量，甚至導致系統無法建立罐體各點位坐標，無法測算得到罐容表。

◇當顏色過淺，類似玻璃鋼透明狀，紅外線發射到涂層上時，光線將被涂層折射，信號也無法返回到儀器中，影響采點數量，甚至無法測算得到罐容表。

罐體附件的影響

在標定臥罐工作中，發現部分罐體計量點處安裝有靜電金屬板，類似于鋁制金屬板性狀。因此在激光采點時，其信號會被金屬板折射，導致無法獲得罐底計量點處坐標信息。如果計量點處出現凹凸變形情況未被發現，將極大地影響罐容表使用。具體情況見圖3。

另外，部分油罐內加強圈和支撐過多，尤其是米字型支撐和測漏柱，嚴重影響激光采點工作。因為激光掃描是按照雙旋角原理進行采點的，過多的附件會使真實罐體點位被附件遮擋，導致后期擬合計算時，出現較大誤差。

罐體長度的影響

目前，雙層罐改造工程中的罐體容積一般為30 m3，直徑為2.6 m，罐體總長度為6.3 m左右。但是由于各地區使用油罐的需求、標準不同，存在一部分50 m3的臥罐，其直徑基本不變，但長度一般在10 m左右。由于激光掃描是按照雙旋角原理進行采點的，在角度步進值不變的情況下，距離越遠將會使掃描點坐標越遠，最終掃描完成后會發現與計量孔對向的位置采集的坐標點極少，數據處理時有可能導致不能完成擬合計算，無法生成罐容表。若刻意將角度步進值改小，將大大降低標罐效率，成倍增加檢定時間，同時也不能保證對向位置采點完整。具體情況見圖4。

表1 高、中、低液位段容積表試驗數據

圖3 計量點處靜電金屬板實景

儀器架設角度與激光探頭工作角度的影響

儀器架設角度必須與擺放位置保持水平，這樣才能確保激光掃描得到的坐標點位能真實地反映罐體內部情況。否則，測算得到的容積表必然不準確，并且工作人員不能通過后期技術手段進行修正。

圖4 50 m3 罐體內壁極坐標掃描圖

激光探頭工作角度一般與架設位置保持垂直90°且激光發射器垂直向下。但有些時候由于磕碰、回零不到位、電池沒電、人為錯誤操作等原因，導致在未垂直的初始角度開始掃描工作，此時得到的罐容表是不正確的。針對這種情況，可以根據儀器的軸向運動設置得知初始掃描位置的具體角度，然后與垂直位置90°進行比較，得到一個掃描角度的系統誤差，并通過對掃描得到罐體坐標系進行系統誤差修正，得到一個準確的罐容表。但是當初始角度偏差大于8°時，由于有許多計量點處坐標未被采集，此方法也無法達到修正效果。

應對建議

結合激光掃描原理與實際工作特點，對雙層罐標罐工作提出如下建議：

◇認真仔細觀察工作環境，選取合理的工作位置開展掃描工作，確保激光掃描準確采點。

◇小心謹慎搬運、使用設備器材，避免設備參數變更、磕碰、跌落等事故。

◇標定地罐工作前，要與加油站方面溝通了解罐體涂層情況，以選取最佳的標定方式。

◇與主管雙層罐改造部門進行溝通，建議避免使用影響測量工作的涂層顏料制作內襯。

◇向主管雙層罐改造部門反映罐內附件和罐體長度對標罐工作的影響，建議統一建罐標準。

結束語

大量的雙層罐改造工程以及地罐交接的損耗給臥罐標定工作帶來了前所未有的挑戰。標罐的方法既要保證檢定人員的安全性，又要確保工作的高效性、準確性，并且兼具環保性［9,10］。通過本文的論證，應用激光掃描技術標定雙層臥罐完全滿足上述要求，并且在精度方面還有大幅提升。但是在標罐工作中仍會受到罐體因素、設備因素、人為因素、環境因素的影響，這就需要檢定人員認真仔細分析問題，采取最合理安全的方法解決問題，確保罐容表的準確無誤。筆者希望通過本文為今后標定臥罐工作提供一些幫助，同時也希望激光掃描技術廣泛地應用到臥罐標定工作中。