应用激光扫描技术标定双层油罐

中国石化销售有限公司天津石油分公司

本文对现有加油站卧式油罐的标定方法做了对比分析，确定激光扫描法最适用于双层罐改造后的标定；介绍了激光扫描法的工作原理；通过观测加油站油枪的加油量，在线检验了罐容表精度进而验证了该方法的准确性；介绍了使用激光扫描法标定油罐时遇到的问题，并提出了应对建议。

目前，国家大力开展环保监督检查工作，根据国务院颁布的“水十条”要求，全国范围对加油站卧式油罐推广双层罐改造工作。同时企业施行相应的地罐交接配套计划，即加油站与运输方的收油计量以加油站地罐计量数为准，作为加油站地罐验收量。这给标罐工作带来了极大挑战。现有检定加油站卧罐的方法可分为人工法、容积法以及近几年新推出的激光扫描法3种。本文对不同方法做了对比，主要阐述应用激光扫描法进行卧罐标定的优势和问题。

方法对比

人工法

按照JJG266 《卧式金属罐容积检定规程》的要求，检定人员通过使用套管尺、钢卷尺、水准仪、钢板尺、半径三角仪、游标卡尺、超声波测厚仪等工具测量地罐的总长、大圆桶直径、水平、伸长、封头等参数，然后通过软件计算生成罐容表［1］。此种方法的特点是测量过程简单，标定时间短，需人员下罐进行测量。制作的罐容表会受测量工具、人员、算法及罐体变形、倾斜等因素的影响。

容积法

容积法是指通过标准设备（标准表、标准罐、体积管）将液体注入地罐，使油高与容量一一对应，通过内插法，计算出各液位点对应的容积，最终生成罐容表。此种方法的特点是需要油罐车或水车配合进行标定，标罐时间长（至少1个站1天），无需人员下罐测量。若使用水进行标定，会带来污水处理等环保问题；若使用成品油进行标定，则安全要求高，资源保障、物流的协同工作量大，难度较高。制作的罐容表可避免地罐变形、倾斜带来的影响，但会受到油面波动、传感器、垂直度、气泡等因素的影响。

激光扫描法

激光扫描法是指将激光扫描仪固定在卧罐罐口处，通过激光探头发射并接收激光信号，对罐体进行云点式定位，然后通过中控机对定位点数据进行拟合计算，最终生成罐容表［2,3］。此种方法的特点是检定人员少（1人即可），标定时间短，无需人员下罐测量。制作的罐容表会受到罐体涂层颜色、内部支撑等因素的影响。

综上所述，3种方法各有短长，需结合双层罐改造工程的情况和要求来分析，选取最适合的检定方法。目前，双层罐改造工程可分为双层罐与内衬罐两类。双层罐是指将原有老罐直接更换为符合标准的双层罐。内衬罐是指对原有老罐的内壁进行涂层改造，使用聚酯树脂、玻璃钢等材料对罐体内壁进行加固封膜，达到防渗漏的效果。由于内衬罐的涂层会产生很多化学气体，检定人员若采用人工法进行检定，即使带上防护措施，也会存在极大的安全风险，同时将大大降低工作效率及精准度。因此不适合选用人工法。

双层罐改造工程是在规定时间内大面积整改工作，集团公司为了让改造的加油站尽快开业，提高改造效率，在改造工期上有明确规定。因此容积法这种检定时间长的方法在工作效率方面无法满足改造工程的要求。同时在环保方面，容积法也存在污水处理的问题。

然而，激光扫描法无需检定人员下罐操作，检定时长可根据罐体情况进行调整，一般为40～70 min一个罐，且无需使用任何介质参与测量，一名检定人员即可完成标罐工作。由此可知，激光扫描法针对加油站双层罐改造工作是十分实用、高效的。既能保证检定工作的安全性，又不会带来任何环保问题。下文将详细介绍激光扫描法的工作原理及操作流程，让读者系统地了解激光扫描技术在标罐工作中的应用。

激光扫描法工作原理

以激光扫描仪测距功能为基础，按照双旋角扫描方式（即按照设定的水平角度步进值和垂直角度步进值）对罐体进行云点式扫描，测量并记录罐体内壁各点位的极坐标［4］。然后通过中控机对采集的数据进行错点剔除、坐标建立、分段拟合、倾斜计算、容积计算等处理生成卧罐容积表。其结构原理见图1。

由图1可知，激光扫描法是以Z轴（垂直方向）激光器确定扫描截面。T轴（水平方向）按照设定的步进值沿圆周依次旋转至360°，采集完成该截面罐内壁极坐标。然后Z轴激光器按a°倾斜，T轴继续沿圆周旋转，完成该截面数据采集。如此往复，直至Z轴激光器倾斜至规定的最大倾角，即完成卧罐罐体云点式极坐标系数据采集工作［5,6］。现场操作如图2所示。

由图2可知，应用激光扫描法在进行双层罐标定时，只需将激光扫描仪架设在地罐罐口处，调节水平后，即可按照双角度旋转的方式对罐体内壁进行云点式扫描，完成极坐标的数据采集工作。待扫描工作完成后，将数据导入中控机，应用相关软件计算后得到罐容表［7］。

验证试验

应用激光扫描技术测算得到地罐容积表后，需对其进行验证精度试验。笔者采取根据加油机在线加油量来验证地罐容积表精度的方法。即通过统计分析加油机走字数和地罐实测数，然后进行比较，得到相应的差异量。将此差异量与加油机走字数相比即可得到罐容表在此分段的精度。地罐实测数可通过液位仪系统得到。具体试验操作分3部分进行。

图1 激光扫描法结构原理示意

图2 现场操作示意

确定验证数据范围

为了确保数据的全面性，避免重复工作，尽可能地扩大数据采集范围，获得油品从满罐到空罐整个过程的数据。根据GB50156—2012《汽车加油加气站设计与施工规范》的要求，罐内高液位报警规定一般为满量程的90%，因此确定油罐初始进油量为油罐满量程的90%。

确定数据采集周期

为了保证数据的真实性，可靠性，确定试验采样3～5个周期。即对所需验证数据范围进行3～5次的数据采集。

确定数据采集方法

在数据采集范围内，为了保证较全面的验证容积表的精度，同时考虑到加油站业务流量及加油员的工作量，笔者以加油机每卖出200 L左右油品为标准，通过液位仪系统测量实际罐容，得到油罐实际出油数，然后与加油机走字数进行比较，得到损耗量，将此损耗量与加油机走字数相比即可得到罐容表在此分段的精度［8］。当将试验范围内油品全部卖出或卖到规定油高时，即完成罐容表精度的验证试验。

为确保试验数据准确可靠，笔者考虑到地罐温度变化、加油机误差、液位仪精度等因素的干扰，在试验中采取以下3项措施：

◇为了避免地罐内油品温度变化的影响，选取加油量大的加油站进行试验，做到尽快将来油付出，完成一个周期的数据采集。同时由于加油机连续工作，还能保证加油机的稳定性。

◇为确保液位仪数据准确无误，做好人工比对工作，液位仪与手工打尺误差＜2 mm，温差＜0.5 ℃。

◇在计算过程中剔除加油机本身的误差影响。

完成试验后，得到各分段容积表的精度。通过计算发现应用激光扫描技术测算得到容积表的精度一般在0.1%左右，与加油机走字数差异量很小，可以保障进出物料平衡，损溢得到有效控制，满足零售损耗指标及地罐交接要求。本文节选高、中、低三段液位的试验数据来说明应用激光扫描技术测算得到容积表的精度具体情况。试验数据见表1。

由表1可知，高、中、低三段液位罐容精度平均是0.09%，远远高于JJG266的要求，为地罐交接工作提供了有力保障。集团公司颁布的地罐交接允差是0.3%，此数值受油库发油准确度、温度变化、运输、卸油、容积表精度、液位仪精度等因素的影响，而JJG266规程要求符合0.4%即可。因此当加油站地罐交接出现超差的情况时，加油站方面总会以容积表不准为由，来解释损耗来源，没有进行系统地损耗分析，给损耗管理工作带来了一定的漏洞。通过此次试验可知，由激光扫描技术测算得到的容积表精度更高，完全满足双层罐标定要求，同时也为地罐交接损耗管理工作提供有力的数据支持。

问题和应对

应用激光扫描技术标定卧罐遇到的一些问题

罐体涂层颜色的影响

由于激光扫描法标罐是根据发射红外线打点，然后接收返回信号建立坐标的方式来进行测算形成罐容表的。基于这种工作原理，内衬罐中涂层颜色的深浅会影响使用该种方法进行标罐：

◇当颜色过深，如深绿色、黑色等，红外线发射到涂层上时，光线将被涂层吸收，信号无法返回到仪器中，影响采点数量，甚至导致系统无法建立罐体各点位坐标，无法测算得到罐容表。

◇当颜色过浅，类似玻璃钢透明状，红外线发射到涂层上时，光线将被涂层折射，信号也无法返回到仪器中，影响采点数量，甚至无法测算得到罐容表。

罐体附件的影响

在标定卧罐工作中，发现部分罐体计量点处安装有静电金属板，类似于铝制金属板性状。因此在激光采点时，其信号会被金属板折射，导致无法获得罐底计量点处坐标信息。如果计量点处出现凹凸变形情况未被发现，将极大地影响罐容表使用。具体情况见图3。

另外，部分油罐内加强圈和支撑过多，尤其是米字型支撑和测漏柱，严重影响激光采点工作。因为激光扫描是按照双旋角原理进行采点的，过多的附件会使真实罐体点位被附件遮挡，导致后期拟合计算时，出现较大误差。

罐体长度的影响

目前，双层罐改造工程中的罐体容积一般为30 m3，直径为2.6 m，罐体总长度为6.3 m左右。但是由于各地区使用油罐的需求、标准不同，存在一部分50 m3的卧罐，其直径基本不变，但长度一般在10 m左右。由于激光扫描是按照双旋角原理进行采点的，在角度步进值不变的情况下，距离越远将会使扫描点坐标越远，最终扫描完成后会发现与计量孔对向的位置采集的坐标点极少，数据处理时有可能导致不能完成拟合计算，无法生成罐容表。若刻意将角度步进值改小，将大大降低标罐效率，成倍增加检定时间，同时也不能保证对向位置采点完整。具体情况见图4。

表1 高、中、低液位段容积表试验数据

图3 计量点处静电金属板实景

仪器架设角度与激光探头工作角度的影响

仪器架设角度必须与摆放位置保持水平，这样才能确保激光扫描得到的坐标点位能真实地反映罐体内部情况。否则，测算得到的容积表必然不准确，并且工作人员不能通过后期技术手段进行修正。

图4 50 m3 罐体内壁极坐标扫描图

激光探头工作角度一般与架设位置保持垂直90°且激光发射器垂直向下。但有些时候由于磕碰、回零不到位、电池没电、人为错误操作等原因，导致在未垂直的初始角度开始扫描工作，此时得到的罐容表是不正确的。针对这种情况，可以根据仪器的轴向运动设置得知初始扫描位置的具体角度，然后与垂直位置90°进行比较，得到一个扫描角度的系统误差，并通过对扫描得到罐体坐标系进行系统误差修正，得到一个准确的罐容表。但是当初始角度偏差大于8°时，由于有许多计量点处坐标未被采集，此方法也无法达到修正效果。

应对建议

结合激光扫描原理与实际工作特点，对双层罐标罐工作提出如下建议：

◇认真仔细观察工作环境，选取合理的工作位置开展扫描工作，确保激光扫描准确采点。

◇小心谨慎搬运、使用设备器材，避免设备参数变更、磕碰、跌落等事故。

◇标定地罐工作前，要与加油站方面沟通了解罐体涂层情况，以选取最佳的标定方式。

◇与主管双层罐改造部门进行沟通，建议避免使用影响测量工作的涂层颜料制作内衬。

◇向主管双层罐改造部门反映罐内附件和罐体长度对标罐工作的影响，建议统一建罐标准。

结束语

大量的双层罐改造工程以及地罐交接的损耗给卧罐标定工作带来了前所未有的挑战。标罐的方法既要保证检定人员的安全性，又要确保工作的高效性、准确性，并且兼具环保性［9,10］。通过本文的论证，应用激光扫描技术标定双层卧罐完全满足上述要求，并且在精度方面还有大幅提升。但是在标罐工作中仍会受到罐体因素、设备因素、人为因素、环境因素的影响，这就需要检定人员认真仔细分析问题，采取最合理安全的方法解决问题，确保罐容表的准确无误。笔者希望通过本文为今后标定卧罐工作提供一些帮助，同时也希望激光扫描技术广泛地应用到卧罐标定工作中。