目前我國油氣加熱爐及鍋爐燃燒系統(tǒng)的安全管理和空燃比控制存在巨大提升空間。由于空燃比受燃氣壓力波動、環(huán)境溫度變化等多重因素的影響，現有機械式空燃比調控調節(jié)裝置，以及氧化鋯檢測氧含量來調控空燃比的技術不能達到最佳效果。本文提出了基于物聯網的“及時控”燃燒管理系統(tǒng)，用數字式自動控制技術，通過對O2，CO、，可燃氣體，以及排煙溫度等的不間斷檢測，實現空燃比的控制。同時通過遠程數據處理平臺，對加熱爐的運行數據進行匯集、處理、分析，可以指導現場運行團隊的操作，減少因誤操作帶來的安全隱患及能源損失。該系統(tǒng)在現有加熱爐上可實現快速安裝，從而達到加熱爐安全和節(jié)能技術升級的目的。
關鍵字：加熱爐、節(jié)能、安全
一、現狀分析
油氣加熱爐作為石油工業(yè)不可缺少的一種地面工程設備，主要用于原油、含水原油、含油污水、天然氣、生水、采暖水的加熱，是油氣生產和輸送中的主要設備。據有關統(tǒng)計資料顯示，我國每年僅油氣加熱爐的耗能總量折合成原油就高達174萬噸，相當于消耗了一個小型油田的年產量，耗能十分驚人。并且，因油氣加熱爐引發(fā)的安全事故，也是油田安全事故中的主要事故之一。目前，我國油氣田和長輸管道中使用的加熱爐有數萬臺，可以說：油氣集輸加熱技術水平在一定程度上影響著整個石油工業(yè)的發(fā)展，而加熱爐產品的技術水平則直接決定著油氣集輸加熱技術的發(fā)展水平。但是，通過調研發(fā)現，國內在用加熱爐熱效率達到設計值的大概只有三成左右。
本文所涉及的技術，僅以加熱爐為例，也同樣適用于包括工業(yè)鍋爐在內的其它燃氣（燃油）燃燒熱能設備。
1.1、在用油氣加熱爐產品分類
1.1.1、按爐型劃分
目前國內各油田在用的加熱爐，主要有五種：管式加熱爐、火筒式加熱爐、水套爐、有機熱載體爐、真空加熱爐。其中，管式加熱爐、火筒式加熱爐為直接加熱式加熱爐；水套爐、有機熱載體爐、真空加熱爐為間接加熱式加熱爐。
①管式加熱爐和火筒式加熱爐：它通過火焰直接加熱原油、水、天然氣及其混合物等介質。由于存在易結垢、熱效率低、安全隱患大等缺點，已逐步淘汰。
②水套爐、真空加熱爐、有機熱載體爐：由于采用間接加熱，爐體部分的安全性有了較大改進，熱效率也有了較大提升，尤其真空加熱爐，由于其內部長期處于真空狀態(tài)，氧腐蝕和結垢的問題基本消除，優(yōu)勢更加突出。
1.1.2、按燃燒系統(tǒng)劃分：
用于油氣生產和集輸過程的鍋爐和加熱爐，按照燃燒系統(tǒng)主要可劃分為傳統(tǒng)引射式燃燒系統(tǒng)和機械鼓風式燃燒系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的特點是：
①傳統(tǒng)引射式燃燒系統(tǒng)：其主要工作原理是燃氣經過噴嘴高速噴出，引射助燃風與其混合后燃燒。這種燃燒系統(tǒng)可以不依賴電力運行，主要用于缺乏電力的野外油氣加熱爐。由于缺乏自動控制，效率和安全性都比較低。
②機械鼓風式燃燒系統(tǒng)：其主要工作原理是燃氣經過噴嘴噴出，而助燃風則通過鼓風機鼓入與燃氣混合后燃燒。這種燃燒系統(tǒng)均有燃氣壓力高低壓保護、機械連桿式調風裝置、前后吹掃、自動點火等基本自動控制功能，效率和安全性均有了大幅提升。但是，目前油氣加熱爐和鍋爐上使用的機械鼓風式燃燒器大都只有原廠的標準配置，僅有少量加裝了燃氣閥組檢漏裝置、氧化鋯檢測裝置等。
1.2、在用油氣加熱爐運行熱效率現狀
據某機構對330臺在用加熱爐和鍋爐進行抽樣測試的結果顯示，平均熱效率僅為77.26%。其中，加熱爐平均熱效率為77.59%；原油保溫的蒸汽鍋爐平均熱效率為75.04%；凈化輕烴鍋爐平均熱效率為79.95%。
測試結果表明，目前在用的燃油燃氣鍋爐及加熱爐普遍存在效率整體偏低，運行負荷率低，排煙熱損失大等問題。其燃燒狀況十分不理想，幾乎所有的鍋爐及加熱爐都不同程度地存在欠氧燃燒或空氣過量燃燒的情況，且十分嚴重，加熱爐是直接燃燒燃料的耗能大戶，其購置費用不高，但是其使用的能源費用卻非常高，加熱爐的效率對能源費用的影響很大。
因此，加熱爐的效率一直受到運行管理部門的密切關注，也有部分運行管理部門對加熱爐進行了一系列節(jié)能改造措施，例如增加氧化鋯檢測排煙氧含量調整加熱爐空燃比、增加余熱回收器等等，也取得了一系列的效果。
油氣加熱爐由于越來越多地采用間接加熱形式，由于爐體問題而形成的安全隱患已經大幅降低，燃燒設備由于越來越多地采用機械鼓風式系統(tǒng)，因燃燒問題而形成的安全隱患也已經大幅降低。但是，目前我國實際運行中的設備，無論是間接加熱爐型還是機械鼓風燃燒系統(tǒng)，由于整體自動控制的水平還有待提升，安全隱患依然存在。
一般油氣加熱爐和鍋爐從啟動至運行、停爐的整個過程中，有一個閉環(huán)的安全保護鏈，對于燃燒系統(tǒng)而言這個安全保護鏈上的保護措施主要包括吹掃保護、風壓保護、燃氣壓力保護等；對于整個加熱爐或者鍋爐而言，則包括水位保護、壓力保護、溫度保護等。但是，做到這些還是不夠的，爆燃、爆炸事故仍屢有發(fā)生，事故率與歐美發(fā)達國家相比依然高出很多，這些事故幾乎都是由于部件失效或控制失效引起的。其問題點就在于，我們安全保護鏈是單級鏈，而歐美已經普遍采用二級甚至三級保護鏈的技術。
比如燃燒器前吹掃功能是為了清除點火前殘存的可燃氣體，保證點火安全，但是，一旦燃氣閥組有泄漏，前吹掃的過程中可燃氣體依然繼續(xù)進入爐膛，點火爆炸的隱患就很大了。因此，一些大功率的燃燒器上就加裝了燃氣閥組檢漏裝置，能夠在點火前對燃氣閥組的完好性進行驗證，如果我們還擁有檢漏裝置失靈條件下的第三重保護措施，安全性能無疑將得到進一步的提升。
根據對調查的幾百臺加熱爐和鍋爐的熱損失進行分析后，我們得出如下的熱損失能流概念圖。由圖中可以看到，油氣加熱爐的效率偏低主要原因在于燃燒空燃比不合理以及排煙熱損失。鑒于排煙熱損失可以采用加裝余熱回收器的方案解決，而余熱回收技術屬于成熟技術，在此我們不再贅述。
熱損失能流概念圖
燃燒空燃比不合理的問題分析
傳統(tǒng)引射式燃燒器由于屬于人工調節(jié)，空燃比問題通常更為突出，但是由于為數不多，在此我們暫不討論。我們主要分析一下機械鼓風式燃燒器空燃比調節(jié)存在的問題。
① 空燃比對加熱爐效率的影響：主要表現在空氣過量燃燒時，將會有大量多余的冷空氣被加熱，造成燃燒效率下降，能耗上升。而欠氧燃燒時，會造成不完全燃燒損失、鍋爐積碳、CO超標，甚至有部分燃料還未燃燒就排放出去，造成能耗上升及嚴重的運行安全隱患。不合理的空燃比對加熱爐能效的影響非常大，在設定排煙溫度165℃下，空燃比對加熱爐能耗的影響可參見下表：
② 影響空燃比的主要因素：包括環(huán)境溫度變化導致燃氣密度和空氣密度的變化、燃氣管網壓力的波動導致噴入爐膛的燃氣量的增減、風門開度在運行一段時間后的偏移等等，都能夠導致空燃比的失衡。而這些因素是始終在不斷變化著的，因此，空燃比的調節(jié)就必須是持續(xù)的，不間斷的。
③ 燃燒器自身調節(jié)功能的局限：現有燃燒器配置的簡易空燃比調節(jié)裝置，靠機械連桿調節(jié)空燃比，無法解決上述環(huán)境因素變化導致的空燃比頻繁波動的問題。若空燃比失調，燃燒器沒有自我診斷和自我糾正功能。
④ 空燃比的調試和控制：大多數情況下，調試人員都是憑肉眼觀察火焰的顏色及形狀手動調整燃料閥和風門擋板的開度，無法判斷其空燃比是否處于最佳位置。即使借助煙氣分析儀在調試時將空燃比調整好，但是由于眾多外界環(huán)境因素的變化都會導致燃燒工況持續(xù)波動，即使一次性將空燃比調整準確，但是短時間后（幾小時或幾天后），空燃比很快就會失衡。目前，已經有不少的運營部門開始借助專用的煙氣分析儀進行定期監(jiān)測，這能夠從很大程度上解決空燃比嚴重失衡的問題，但是，仍然無法持續(xù)可靠地保證空燃比的匹配。
針對空燃比失調的現狀，有一部分運行部門采用了氧化鋯檢測煙氣氧含量的方式，通過人工定期調節(jié)或安裝PLC控制器對助燃風機進行變頻控制的方式，以改善空燃比失調的問題。在實際運行中，通過人工定期調節(jié)的方式反而有一定效果，而通過對助燃風機進行變頻控制的方式則效果普遍不好，很多的裝置實際在短暫使用后就停用了。在歐洲用氧化鋯檢測煙氣中的氧含量來控制空燃比，已經有很長的歷史，目前已逐步被CO控制等更先進的方案替代，根據法國蘇伊士環(huán)能集團長期運行的經驗，用氧化鋯控制空燃比通常存在如下問題或不足：
① 由于燃燒器的不同和加熱爐的不同，以及燃燒工況的千變萬化，在保證充分燃燒的前提下，煙氣能達到的最低氧含量是難以事先確定的。也就是很難事前確定將氧含量控制在怎樣一個值是恰當的，如果一味降低氧含量有可能造成CO上升，反而增加能耗，同時帶來爐體積碳和安全隱患，因此僅靠氧化鋯探頭監(jiān)測氧含量，無法將空燃比控制在最合理的狀態(tài)。
② 氧化鋯的使用有較為嚴格的要求，比如不能中途斷電、工作環(huán)境達標等。在實際使用中有可能不能持續(xù)滿足這些要求，而如果氧化鋯探頭失效，實際上很難及時發(fā)現和處理，甚至會影響加熱爐的正常使用。
③ 現有的氧化鋯控制系統(tǒng)幾乎都采用的是控制風機變頻的方式，由于風機壓頭會隨風機頻率的下降而快速下降。因此，降低風機頻率將會明顯降低風機壓頭，有可能導致燃燒不穩(wěn)定，甚至出現抖動和熄火問題。
隨著互聯網及工控技術的發(fā)展，遠程監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛應用，在很多運行現場都建有集中監(jiān)控室，用于監(jiān)控設備的運行狀態(tài)。但是，這些監(jiān)控系統(tǒng)的功能大都停留在直接傳輸和顯示運行數據，并不具備數據的分析處理功能，需要操作人員和技術人員利用經驗分析和運用這些數據來判斷異常，缺乏能夠自動根據設備的運行數據進行分析的分析軟件，無法根據運行數據變化的趨勢提早發(fā)現異常及進行故障判斷，也不能在異常出現后及時反映和處理，其作用大打折扣。
基于加熱爐的運行特征，其燃燒工況是隨時變化的，要有效的控制空燃比，提高燃燒效率，必須采用數字化自動控制才能持續(xù)控制空燃比。同時由于燃燒控制，包括空燃比控制是一項復雜的工業(yè)技術，不能僅僅依靠氧化鋯檢測煙氣中的氧含量來實現空燃比的最佳控制。
由于影響燃燒的因素很復雜，任何自動控制系統(tǒng)都很難在長期運行中始終保持良好狀態(tài)，根據蘇伊士環(huán)能集團對全球3萬臺鍋爐和加熱爐的運行管理經驗，運用現代遠程控制技術對自動控制裝置實施不間斷的在線管理，是加熱爐及其燃燒系統(tǒng)安全節(jié)能運行的重要保證。因此，基于物聯網的油氣加熱爐安全節(jié)能升級方案——“及時控”燃燒管理系統(tǒng)是經過實踐證明有效的燃燒管理解決方案。
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)的核心設備是安裝在加熱爐或鍋爐現場的控制終端機，“及時控”控制終端機由重慶川然節(jié)能技術有限公司提供，由法國施耐德電氣（中國）公司OEM合作開發(fā)制造，其作用是安裝在現場，檢測燃燒尾氣（包括煙氣中的O2、CO、可燃氣體的含量以及溫度等），通過綜合調節(jié)外接的風量調節(jié)器和風機頻率持續(xù)調整風機送風量，確保燃燒系統(tǒng)始終保持最佳空燃比。不僅如此，該系統(tǒng)還可以增加模塊，實現更多的功能（加熱爐系統(tǒng)節(jié)能、安全管理等等）。
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)示意圖
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)可以在現有的加熱爐和鍋爐上快速安裝，實現其燃燒系統(tǒng)安全鏈的升級，以及空燃比的持續(xù)準確控制，減少4～10%的能源浪費。
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)也是由現場安裝的控制終端機+遠程數據處理平臺組成的一個完整系統(tǒng)。“及時控”系統(tǒng)的控制終端機都配備了數據傳輸功能，能夠通過互聯網將運行數據傳輸到蘇伊士環(huán)能集團管理的數據處理平臺，數據處理平臺的專業(yè)軟件將對加熱爐的運行數據，尤其是燃燒系統(tǒng)數據進行24小時/365天持續(xù)匯集、統(tǒng)計和分析，將可以對故障進行早期預警和及時提示，這些分析處理結果將可以分享到現場的監(jiān)控室計算機中，實現現場監(jiān)控系統(tǒng)的功能升級，同時也能指導運行管理人員有的放矢地及時處理各種異常，減少因操作失誤而導致的安全事故或能源浪費。
根據法國蘇伊士環(huán)能集團的經驗：人為因素是造成能源浪費和安全事故的重要原因，自動控制及不間斷的遠程監(jiān)控將能大幅改善上述問題，同時能夠增加操作人員的安全性并降低操作失誤可能導致的損失。
從安全性的升級方面，“及時控”燃燒管理系統(tǒng)的作用包括：
①減少人為操作失誤：而現場運行團隊也不再需要隨時去檢測和調節(jié)空燃比，減少人為失誤的隱患。
②防止不完全燃燒形成的可燃氣體外排：鍋爐不再出現因欠氧燃燒而出現CO、H2劇增甚至大量未燃燒燃氣外排的隱患。
③防止因燃氣閥組泄漏導致的爆燃：對于未安裝檢漏裝置或者檢漏裝置失效的鍋爐/加熱爐，在燃燒器燃氣閥門出現泄漏時，能夠自動關斷燃燒器，并發(fā)出報警，防止爆燃或爆炸的安全隱患。
④防加熱爐或鍋爐干燒：對于因水位控制和保護失效導致的鍋爐/加熱爐干燒，能夠自動識別，及時關斷燃燒器，并發(fā)出報警。
⑤超低負荷警示：在加熱爐超低負荷工況，排煙溫度低于露點運行的提示，并提供解決方案。
按照蘇伊士集團在歐洲執(zhí)行的規(guī)則，油氣加熱爐及鍋爐要達到能夠在72小時無人管理的狀況下正常工作的自動控制水平。而數據化的自動控制和管理系統(tǒng)是實現這一目標的必要保障。
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)是基于物聯網概念的安全節(jié)能升級技術，不但能夠提高油氣加熱爐的運行安全水平，而且能夠長期有效的提高油氣加熱爐的運行熱效率?，F有的油氣加熱爐和鍋爐上均可以快速安裝該系統(tǒng)，安裝該系統(tǒng)后，可立即實現加熱爐安全和能效管理的升級，并可通過遠程能效數據處理平臺，實現現場電腦監(jiān)控系統(tǒng)的功能升級，實現數字化運行管理，減少由于人工的誤操作引起的安全隱患和能源損失。
運用信息技術和現代自動控制技術，升級傳統(tǒng)加熱爐和鍋爐，是發(fā)達國家已經行之有效的成功經驗。蘇伊士環(huán)能集團旗下的蘇伊士能源服務從2000年開始建立起遠程數據管理系統(tǒng)，利用能效數據處理平臺，管理了全球8000個機房的3萬臺鍋爐和加熱爐，為?？松梨?/span>EXXON MOBIL、BP英國石油公司、法國GRT GAZ公司等提供服務。
根據某法定監(jiān)測機構對國內某加裝了空燃比控制系統(tǒng)和半冷凝煙氣余熱回收器的油氣加熱爐的能效檢測結果顯示，其運行能效達到了96%以上，單臺加熱爐一年的實際節(jié)能效益超過50萬元。由此可見，我國油氣加熱爐和鍋爐的安全節(jié)能運行提升空間巨大，引進先進技術，全面提升安全和節(jié)能運行管理水平將大有可為。
目前我國油氣加熱爐及鍋爐燃燒系統(tǒng)的安全管理和空燃比控制存在巨大提升空間。由于空燃比受燃氣壓力波動、環(huán)境溫度變化等多重因素的影響，現有機械式空燃比調控調節(jié)裝置，以及氧化鋯檢測氧含量來調控空燃比的技術不能達到最佳效果。本文提出了基于物聯網的“及時控”燃燒管理系統(tǒng)，用數字式自動控制技術，通過對O2，CO、，可燃氣體，以及排煙溫度等的不間斷檢測，實現空燃比的控制。同時通過遠程數據處理平臺，對加熱爐的運行數據進行匯集、處理、分析，可以指導現場運行團隊的操作，減少因誤操作帶來的安全隱患及能源損失。該系統(tǒng)在現有加熱爐上可實現快速安裝，從而達到加熱爐安全和節(jié)能技術升級的目的。
關鍵字：加熱爐、節(jié)能、安全
一、現狀分析
油氣加熱爐作為石油工業(yè)不可缺少的一種地面工程設備，主要用于原油、含水原油、含油污水、天然氣、生水、采暖水的加熱，是油氣生產和輸送中的主要設備。據有關統(tǒng)計資料顯示，我國每年僅油氣加熱爐的耗能總量折合成原油就高達174萬噸，相當于消耗了一個小型油田的年產量，耗能十分驚人。并且，因油氣加熱爐引發(fā)的安全事故，也是油田安全事故中的主要事故之一。目前，我國油氣田和長輸管道中使用的加熱爐有數萬臺，可以說：油氣集輸加熱技術水平在一定程度上影響著整個石油工業(yè)的發(fā)展，而加熱爐產品的技術水平則直接決定著油氣集輸加熱技術的發(fā)展水平。但是，通過調研發(fā)現，國內在用加熱爐熱效率達到設計值的大概只有三成左右。
本文所涉及的技術，僅以加熱爐為例，也同樣適用于包括工業(yè)鍋爐在內的其它燃氣（燃油）燃燒熱能設備。
1.1、在用油氣加熱爐產品分類
1.1.1、按爐型劃分
目前國內各油田在用的加熱爐，主要有五種：管式加熱爐、火筒式加熱爐、水套爐、有機熱載體爐、真空加熱爐。其中，管式加熱爐、火筒式加熱爐為直接加熱式加熱爐；水套爐、有機熱載體爐、真空加熱爐為間接加熱式加熱爐。
①管式加熱爐和火筒式加熱爐：它通過火焰直接加熱原油、水、天然氣及其混合物等介質。由于存在易結垢、熱效率低、安全隱患大等缺點，已逐步淘汰。
②水套爐、真空加熱爐、有機熱載體爐：由于采用間接加熱，爐體部分的安全性有了較大改進，熱效率也有了較大提升，尤其真空加熱爐，由于其內部長期處于真空狀態(tài)，氧腐蝕和結垢的問題基本消除，優(yōu)勢更加突出。
1.1.2、按燃燒系統(tǒng)劃分：
用于油氣生產和集輸過程的鍋爐和加熱爐，按照燃燒系統(tǒng)主要可劃分為傳統(tǒng)引射式燃燒系統(tǒng)和機械鼓風式燃燒系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的特點是：
①傳統(tǒng)引射式燃燒系統(tǒng)：其主要工作原理是燃氣經過噴嘴高速噴出，引射助燃風與其混合后燃燒。這種燃燒系統(tǒng)可以不依賴電力運行，主要用于缺乏電力的野外油氣加熱爐。由于缺乏自動控制，效率和安全性都比較低。
②機械鼓風式燃燒系統(tǒng)：其主要工作原理是燃氣經過噴嘴噴出，而助燃風則通過鼓風機鼓入與燃氣混合后燃燒。這種燃燒系統(tǒng)均有燃氣壓力高低壓保護、機械連桿式調風裝置、前后吹掃、自動點火等基本自動控制功能，效率和安全性均有了大幅提升。但是，目前油氣加熱爐和鍋爐上使用的機械鼓風式燃燒器大都只有原廠的標準配置，僅有少量加裝了燃氣閥組檢漏裝置、氧化鋯檢測裝置等。
1.2、在用油氣加熱爐運行熱效率現狀
據某機構對330臺在用加熱爐和鍋爐進行抽樣測試的結果顯示，平均熱效率僅為77.26%。其中，加熱爐平均熱效率為77.59%；原油保溫的蒸汽鍋爐平均熱效率為75.04%；凈化輕烴鍋爐平均熱效率為79.95%。
測試結果表明，目前在用的燃油燃氣鍋爐及加熱爐普遍存在效率整體偏低，運行負荷率低，排煙熱損失大等問題。其燃燒狀況十分不理想，幾乎所有的鍋爐及加熱爐都不同程度地存在欠氧燃燒或空氣過量燃燒的情況，且十分嚴重，加熱爐是直接燃燒燃料的耗能大戶，其購置費用不高，但是其使用的能源費用卻非常高，加熱爐的效率對能源費用的影響很大。
因此，加熱爐的效率一直受到運行管理部門的密切關注，也有部分運行管理部門對加熱爐進行了一系列節(jié)能改造措施，例如增加氧化鋯檢測排煙氧含量調整加熱爐空燃比、增加余熱回收器等等，也取得了一系列的效果。
油氣加熱爐由于越來越多地采用間接加熱形式，由于爐體問題而形成的安全隱患已經大幅降低，燃燒設備由于越來越多地采用機械鼓風式系統(tǒng)，因燃燒問題而形成的安全隱患也已經大幅降低。但是，目前我國實際運行中的設備，無論是間接加熱爐型還是機械鼓風燃燒系統(tǒng)，由于整體自動控制的水平還有待提升，安全隱患依然存在。
一般油氣加熱爐和鍋爐從啟動至運行、停爐的整個過程中，有一個閉環(huán)的安全保護鏈，對于燃燒系統(tǒng)而言這個安全保護鏈上的保護措施主要包括吹掃保護、風壓保護、燃氣壓力保護等；對于整個加熱爐或者鍋爐而言，則包括水位保護、壓力保護、溫度保護等。但是，做到這些還是不夠的，爆燃、爆炸事故仍屢有發(fā)生，事故率與歐美發(fā)達國家相比依然高出很多，這些事故幾乎都是由于部件失效或控制失效引起的。其問題點就在于，我們安全保護鏈是單級鏈，而歐美已經普遍采用二級甚至三級保護鏈的技術。
比如燃燒器前吹掃功能是為了清除點火前殘存的可燃氣體，保證點火安全，但是，一旦燃氣閥組有泄漏，前吹掃的過程中可燃氣體依然繼續(xù)進入爐膛，點火爆炸的隱患就很大了。因此，一些大功率的燃燒器上就加裝了燃氣閥組檢漏裝置，能夠在點火前對燃氣閥組的完好性進行驗證，如果我們還擁有檢漏裝置失靈條件下的第三重保護措施，安全性能無疑將得到進一步的提升。
根據對調查的幾百臺加熱爐和鍋爐的熱損失進行分析后，我們得出如下的熱損失能流概念圖。由圖中可以看到，油氣加熱爐的效率偏低主要原因在于燃燒空燃比不合理以及排煙熱損失。鑒于排煙熱損失可以采用加裝余熱回收器的方案解決，而余熱回收技術屬于成熟技術，在此我們不再贅述。
熱損失能流概念圖
燃燒空燃比不合理的問題分析
傳統(tǒng)引射式燃燒器由于屬于人工調節(jié)，空燃比問題通常更為突出，但是由于為數不多，在此我們暫不討論。我們主要分析一下機械鼓風式燃燒器空燃比調節(jié)存在的問題。
① 空燃比對加熱爐效率的影響：主要表現在空氣過量燃燒時，將會有大量多余的冷空氣被加熱，造成燃燒效率下降，能耗上升。而欠氧燃燒時，會造成不完全燃燒損失、鍋爐積碳、CO超標，甚至有部分燃料還未燃燒就排放出去，造成能耗上升及嚴重的運行安全隱患。不合理的空燃比對加熱爐能效的影響非常大，在設定排煙溫度165℃下，空燃比對加熱爐能耗的影響可參見下表：
② 影響空燃比的主要因素：包括環(huán)境溫度變化導致燃氣密度和空氣密度的變化、燃氣管網壓力的波動導致噴入爐膛的燃氣量的增減、風門開度在運行一段時間后的偏移等等，都能夠導致空燃比的失衡。而這些因素是始終在不斷變化著的，因此，空燃比的調節(jié)就必須是持續(xù)的，不間斷的。
③ 燃燒器自身調節(jié)功能的局限：現有燃燒器配置的簡易空燃比調節(jié)裝置，靠機械連桿調節(jié)空燃比，無法解決上述環(huán)境因素變化導致的空燃比頻繁波動的問題。若空燃比失調，燃燒器沒有自我診斷和自我糾正功能。
④ 空燃比的調試和控制：大多數情況下，調試人員都是憑肉眼觀察火焰的顏色及形狀手動調整燃料閥和風門擋板的開度，無法判斷其空燃比是否處于最佳位置。即使借助煙氣分析儀在調試時將空燃比調整好，但是由于眾多外界環(huán)境因素的變化都會導致燃燒工況持續(xù)波動，即使一次性將空燃比調整準確，但是短時間后（幾小時或幾天后），空燃比很快就會失衡。目前，已經有不少的運營部門開始借助專用的煙氣分析儀進行定期監(jiān)測，這能夠從很大程度上解決空燃比嚴重失衡的問題，但是，仍然無法持續(xù)可靠地保證空燃比的匹配。
針對空燃比失調的現狀，有一部分運行部門采用了氧化鋯檢測煙氣氧含量的方式，通過人工定期調節(jié)或安裝PLC控制器對助燃風機進行變頻控制的方式，以改善空燃比失調的問題。在實際運行中，通過人工定期調節(jié)的方式反而有一定效果，而通過對助燃風機進行變頻控制的方式則效果普遍不好，很多的裝置實際在短暫使用后就停用了。在歐洲用氧化鋯檢測煙氣中的氧含量來控制空燃比，已經有很長的歷史，目前已逐步被CO控制等更先進的方案替代，根據法國蘇伊士環(huán)能集團長期運行的經驗，用氧化鋯控制空燃比通常存在如下問題或不足：
① 由于燃燒器的不同和加熱爐的不同，以及燃燒工況的千變萬化，在保證充分燃燒的前提下，煙氣能達到的最低氧含量是難以事先確定的。也就是很難事前確定將氧含量控制在怎樣一個值是恰當的，如果一味降低氧含量有可能造成CO上升，反而增加能耗，同時帶來爐體積碳和安全隱患，因此僅靠氧化鋯探頭監(jiān)測氧含量，無法將空燃比控制在最合理的狀態(tài)。
② 氧化鋯的使用有較為嚴格的要求，比如不能中途斷電、工作環(huán)境達標等。在實際使用中有可能不能持續(xù)滿足這些要求，而如果氧化鋯探頭失效，實際上很難及時發(fā)現和處理，甚至會影響加熱爐的正常使用。
③ 現有的氧化鋯控制系統(tǒng)幾乎都采用的是控制風機變頻的方式，由于風機壓頭會隨風機頻率的下降而快速下降。因此，降低風機頻率將會明顯降低風機壓頭，有可能導致燃燒不穩(wěn)定，甚至出現抖動和熄火問題。
隨著互聯網及工控技術的發(fā)展，遠程監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛應用，在很多運行現場都建有集中監(jiān)控室，用于監(jiān)控設備的運行狀態(tài)。但是，這些監(jiān)控系統(tǒng)的功能大都停留在直接傳輸和顯示運行數據，并不具備數據的分析處理功能，需要操作人員和技術人員利用經驗分析和運用這些數據來判斷異常，缺乏能夠自動根據設備的運行數據進行分析的分析軟件，無法根據運行數據變化的趨勢提早發(fā)現異常及進行故障判斷，也不能在異常出現后及時反映和處理，其作用大打折扣。
基于加熱爐的運行特征，其燃燒工況是隨時變化的，要有效的控制空燃比，提高燃燒效率，必須采用數字化自動控制才能持續(xù)控制空燃比。同時由于燃燒控制，包括空燃比控制是一項復雜的工業(yè)技術，不能僅僅依靠氧化鋯檢測煙氣中的氧含量來實現空燃比的最佳控制。
由于影響燃燒的因素很復雜，任何自動控制系統(tǒng)都很難在長期運行中始終保持良好狀態(tài)，根據蘇伊士環(huán)能集團對全球3萬臺鍋爐和加熱爐的運行管理經驗，運用現代遠程控制技術對自動控制裝置實施不間斷的在線管理，是加熱爐及其燃燒系統(tǒng)安全節(jié)能運行的重要保證。因此，基于物聯網的油氣加熱爐安全節(jié)能升級方案——“及時控”燃燒管理系統(tǒng)是經過實踐證明有效的燃燒管理解決方案。
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)的核心設備是安裝在加熱爐或鍋爐現場的控制終端機，“及時控”控制終端機由重慶川然節(jié)能技術有限公司提供，由法國施耐德電氣（中國）公司OEM合作開發(fā)制造，其作用是安裝在現場，檢測燃燒尾氣（包括煙氣中的O2、CO、可燃氣體的含量以及溫度等），通過綜合調節(jié)外接的風量調節(jié)器和風機頻率持續(xù)調整風機送風量，確保燃燒系統(tǒng)始終保持最佳空燃比。不僅如此，該系統(tǒng)還可以增加模塊，實現更多的功能（加熱爐系統(tǒng)節(jié)能、安全管理等等）。
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)示意圖
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)可以在現有的加熱爐和鍋爐上快速安裝，實現其燃燒系統(tǒng)安全鏈的升級，以及空燃比的持續(xù)準確控制，減少4～10%的能源浪費。
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)也是由現場安裝的控制終端機+遠程數據處理平臺組成的一個完整系統(tǒng)。“及時控”系統(tǒng)的控制終端機都配備了數據傳輸功能，能夠通過互聯網將運行數據傳輸到蘇伊士環(huán)能集團管理的數據處理平臺，數據處理平臺的專業(yè)軟件將對加熱爐的運行數據，尤其是燃燒系統(tǒng)數據進行24小時/365天持續(xù)匯集、統(tǒng)計和分析，將可以對故障進行早期預警和及時提示，這些分析處理結果將可以分享到現場的監(jiān)控室計算機中，實現現場監(jiān)控系統(tǒng)的功能升級，同時也能指導運行管理人員有的放矢地及時處理各種異常，減少因操作失誤而導致的安全事故或能源浪費。
根據法國蘇伊士環(huán)能集團的經驗：人為因素是造成能源浪費和安全事故的重要原因，自動控制及不間斷的遠程監(jiān)控將能大幅改善上述問題，同時能夠增加操作人員的安全性并降低操作失誤可能導致的損失。
從安全性的升級方面，“及時控”燃燒管理系統(tǒng)的作用包括：
①減少人為操作失誤：而現場運行團隊也不再需要隨時去檢測和調節(jié)空燃比，減少人為失誤的隱患。
②防止不完全燃燒形成的可燃氣體外排：鍋爐不再出現因欠氧燃燒而出現CO、H2劇增甚至大量未燃燒燃氣外排的隱患。
③防止因燃氣閥組泄漏導致的爆燃：對于未安裝檢漏裝置或者檢漏裝置失效的鍋爐/加熱爐，在燃燒器燃氣閥門出現泄漏時，能夠自動關斷燃燒器，并發(fā)出報警，防止爆燃或爆炸的安全隱患。
④防加熱爐或鍋爐干燒：對于因水位控制和保護失效導致的鍋爐/加熱爐干燒，能夠自動識別，及時關斷燃燒器，并發(fā)出報警。
⑤超低負荷警示：在加熱爐超低負荷工況，排煙溫度低于露點運行的提示，并提供解決方案。
按照蘇伊士集團在歐洲執(zhí)行的規(guī)則，油氣加熱爐及鍋爐要達到能夠在72小時無人管理的狀況下正常工作的自動控制水平。而數據化的自動控制和管理系統(tǒng)是實現這一目標的必要保障。
“及時控”燃燒管理系統(tǒng)是基于物聯網概念的安全節(jié)能升級技術，不但能夠提高油氣加熱爐的運行安全水平，而且能夠長期有效的提高油氣加熱爐的運行熱效率?，F有的油氣加熱爐和鍋爐上均可以快速安裝該系統(tǒng)，安裝該系統(tǒng)后，可立即實現加熱爐安全和能效管理的升級，并可通過遠程能效數據處理平臺，實現現場電腦監(jiān)控系統(tǒng)的功能升級，實現數字化運行管理，減少由于人工的誤操作引起的安全隱患和能源損失。
運用信息技術和現代自動控制技術，升級傳統(tǒng)加熱爐和鍋爐，是發(fā)達國家已經行之有效的成功經驗。蘇伊士環(huán)能集團旗下的蘇伊士能源服務從2000年開始建立起遠程數據管理系統(tǒng)，利用能效數據處理平臺，管理了全球8000個機房的3萬臺鍋爐和加熱爐，為?？松梨?/span>EXXON MOBIL、BP英國石油公司、法國GRT GAZ公司等提供服務。
根據某法定監(jiān)測機構對國內某加裝了空燃比控制系統(tǒng)和半冷凝煙氣余熱回收器的油氣加熱爐的能效檢測結果顯示，其運行能效達到了96%以上，單臺加熱爐一年的實際節(jié)能效益超過50萬元。由此可見，我國油氣加熱爐和鍋爐的安全節(jié)能運行提升空間巨大，引進先進技術，全面提升安全和節(jié)能運行管理水平將大有可為。
