信息化背景下的油气加热炉安全节能升级技术
目前我国油气加热炉及锅炉燃烧系统的安全管理和空燃比控制存在巨大提升空间。由于空燃比受燃气压力波动、环境温度变化等多重因素的影响，现有机械式空燃比调控调节装置，以及氧化锆检测氧含量来调控空燃比的技术不能达到最佳效果。本文提出了基于物联网的“及时控”燃烧管理系统，用数字式自动控制技术，通过对O2，CO、，可燃气体，以及排烟温度等的不间断检测，实现空燃比的控制。同时通过远程数据处理平台，对加热炉的运行数据进行汇集、处理、分析，可以指导现场运行团队的操作，减少因误操作带来的安全隐患及能源损失。该系统在现有加热炉上可实现快速安装，从而达到加热炉安全和节能技术升级的目的。
关键字：加热炉、节能、安全
一、现状分析
油气加热炉作为石油工业不可缺少的一种地面工程设备，主要用于原油、含水原油、含油污水、天然气、生水、采暖水的加热，是油气生产和输送中的主要设备。据有关统计资料显示，我国每年仅油气加热炉的耗能总量折合成原油就高达174万吨，相当于消耗了一个小型油田的年产量，耗能十分惊人。并且，因油气加热炉引发的安全事故，也是油田安全事故中的主要事故之一。目前，我国油气田和长输管道中使用的加热炉有数万台，可以说：油气集输加热技术水平在一定程度上影响着整个石油工业的发展，而加热炉产品的技术水平则直接决定着油气集输加热技术的发展水平。但是，通过调研发现，国内在用加热炉热效率达到设计值的大概只有三成左右。
本文所涉及的技术，仅以加热炉为例，也同样适用于包括工业锅炉在内的其它燃气（燃油）燃烧热能设备。
1.1、在用油气加热炉产品分类
1.1.1、按炉型划分
目前国内各油田在用的加热炉，主要有五种：管式加热炉、火筒式加热炉、水套炉、有机热载体炉、真空加热炉。其中，管式加热炉、火筒式加热炉为直接加热式加热炉；水套炉、有机热载体炉、真空加热炉为间接加热式加热炉。
①管式加热炉和火筒式加热炉：它通过火焰直接加热原油、水、天然气及其混合物等介质。由于存在易结垢、热效率低、安全隐患大等缺点，已逐步淘汰。
②水套炉、真空加热炉、有机热载体炉：由于采用间接加热，炉体部分的安全性有了较大改进，热效率也有了较大提升，尤其真空加热炉，由于其内部长期处于真空状态，氧腐蚀和结垢的问题基本消除，优势更加突出。
1.1.2、按燃烧系统划分：
用于油气生产和集输过程的锅炉和加热炉，按照燃烧系统主要可划分为传统引射式燃烧系统和机械鼓风式燃烧系统，这些系统的特点是：
①传统引射式燃烧系统：其主要工作原理是燃气经过喷嘴高速喷出，引射助燃风与其混合后燃烧。这种燃烧系统可以不依赖电力运行，主要用于缺乏电力的野外油气加热炉。由于缺乏自动控制，效率和安全性都比较低。
②机械鼓风式燃烧系统：其主要工作原理是燃气经过喷嘴喷出，而助燃风则通过鼓风机鼓入与燃气混合后燃烧。这种燃烧系统均有燃气压力高低压保护、机械连杆式调风装置、前后吹扫、自动点火等基本自动控制功能，效率和安全性均有了大幅提升。但是，目前油气加热炉和锅炉上使用的机械鼓风式燃烧器大都只有原厂的标准配置，仅有少量加装了燃气阀组检漏装置、氧化锆检测装置等。
1.2、在用油气加热炉运行热效率现状
据某机构对330台在用加热炉和锅炉进行抽样测试的结果显示，平均热效率仅为77.26%。其中，加热炉平均热效率为77.59%；原油保温的蒸汽锅炉平均热效率为75.04%；净化轻烃锅炉平均热效率为79.95%。
测试结果表明，目前在用的燃油燃气锅炉及加热炉普遍存在效率整体偏低，运行负荷率低，排烟热损失大等问题。其燃烧状况十分不理想，几乎所有的锅炉及加热炉都不同程度地存在欠氧燃烧或空气过量燃烧的情况，且十分严重，加热炉是直接燃烧燃料的耗能大户，其购置费用不高，但是其使用的能源费用却非常高，加热炉的效率对能源费用的影响很大。
因此，加热炉的效率一直受到运行管理部门的密切关注，也有部分运行管理部门对加热炉进行了一系列节能改造措施，例如增加氧化锆检测排烟氧含量调整加热炉空燃比、增加余热回收器等等，也取得了一系列的效果。
二、油气加热炉存在问题的分析
2.1、安全保护链亟待升级
油气加热炉由于越来越多地采用间接加热形式，由于炉体问题而形成的安全隐患已经大幅降低，燃烧设备由于越来越多地采用机械鼓风式系统，因燃烧问题而形成的安全隐患也已经大幅降低。但是，目前我国实际运行中的设备，无论是间接加热炉型还是机械鼓风燃烧系统，由于整体自动控制的水平还有待提升，安全隐患依然存在。
一般油气加热炉和锅炉从启动至运行、停炉的整个过程中，有一个闭环的安全保护链，对于燃烧系统而言这个安全保护链上的保护措施主要包括吹扫保护、风压保护、燃气压力保护等；对于整个加热炉或者锅炉而言，则包括水位保护、压力保护、温度保护等。但是，做到这些还是不够的，爆燃、爆炸事故仍屡有发生，事故率与欧美发达国家相比依然高出很多，这些事故几乎都是由于部件失效或控制失效引起的。其问题点就在于，我们安全保护链是单级链，而欧美已经普遍采用二级甚至三级保护链的技术。
比如燃烧器前吹扫功能是为了清除点火前残存的可燃气体，保证点火安全，但是，一旦燃气阀组有泄漏，前吹扫的过程中可燃气体依然继续进入炉膛，点火爆炸的隐患就很大了。因此，一些大功率的燃烧器上就加装了燃气阀组检漏装置，能够在点火前对燃气阀组的完好性进行验证，如果我们还拥有检漏装置失灵条件下的第三重保护措施，安全性能无疑将得到进一步的提升。
2.2、运行能效偏低
根据对调查的几百台加热炉和锅炉的热损失进行分析后，我们得出如下的热损失能流概念图。由图中可以看到，油气加热炉的效率偏低主要原因在于燃烧空燃比不合理以及排烟热损失。鉴于排烟热损失可以采用加装余热回收器的方案解决，而余热回收技术属于成熟技术，在此我们不再赘述。
热损失能流概念图
燃烧空燃比不合理的问题分析
传统引射式燃烧器由于属于人工调节，空燃比问题通常更为突出，但是由于为数不多，在此我们暂不讨论。我们主要分析一下机械鼓风式燃烧器空燃比调节存在的问题。
① 空燃比对加热炉效率的影响：主要表现在空气过量燃烧时，将会有大量多余的冷空气被加热，造成燃烧效率下降，能耗上升。而欠氧燃烧时，会造成不完全燃烧损失、锅炉积碳、CO超标，甚至有部分燃料还未燃烧就排放出去，造成能耗上升及严重的运行安全隐患。不合理的空燃比对加热炉能效的影响非常大，在设定排烟温度165℃下，空燃比对加热炉能耗的影响可参见下表：
② 影响空燃比的主要因素：包括环境温度变化导致燃气密度和空气密度的变化、燃气管网压力的波动导致喷入炉膛的燃气量的增减、风门开度在运行一段时间后的偏移等等，都能够导致空燃比的失衡。而这些因素是始终在不断变化着的，因此，空燃比的调节就必须是持续的，不间断的。
③ 燃烧器自身调节功能的局限：现有燃烧器配置的简易空燃比调节装置，靠机械连杆调节空燃比，无法解决上述环境因素变化导致的空燃比频繁波动的问题。若空燃比失调，燃烧器没有自我诊断和自我纠正功能。
④ 空燃比的调试和控制：大多数情况下，调试人员都是凭肉眼观察火焰的颜色及形状手动调整燃料阀和风门挡板的开度，无法判断其空燃比是否处于最佳位置。即使借助烟气分析仪在调试时将空燃比调整好，但是由于众多外界环境因素的变化都会导致燃烧工况持续波动，即使一次性将空燃比调整准确，但是短时间后（几小时或几天后），空燃比很快就会失衡。目前，已经有不少的运营部门开始借助专用的烟气分析仪进行定期监测，这能够从很大程度上解决空燃比严重失衡的问题，但是，仍然无法持续可靠地保证空燃比的匹配。
三、油气加热炉现有安全节能管理方案及缺陷
3.1、空燃比调控
针对空燃比失调的现状，有一部分运行部门采用了氧化锆检测烟气氧含量的方式，通过人工定期调节或安装PLC控制器对助燃风机进行变频控制的方式，以改善空燃比失调的问题。在实际运行中，通过人工定期调节的方式反而有一定效果，而通过对助燃风机进行变频控制的方式则效果普遍不好，很多的装置实际在短暂使用后就停用了。在欧洲用氧化锆检测烟气中的氧含量来控制空燃比，已经有很长的历史，目前已逐步被CO控制等更先进的方案替代，根据法国苏伊士环能集团长期运行的经验，用氧化锆控制空燃比通常存在如下问题或不足：
① 由于燃烧器的不同和加热炉的不同，以及燃烧工况的千变万化，在保证充分燃烧的前提下，烟气能达到的最低氧含量是难以事先确定的。也就是很难事前确定将氧含量控制在怎样一个值是恰当的，如果一味降低氧含量有可能造成CO上升，反而增加能耗，同时带来炉体积碳和安全隐患，因此仅靠氧化锆探头监测氧含量，无法将空燃比控制在最合理的状态。
② 氧化锆的使用有较为严格的要求，比如不能中途断电、工作环境达标等。在实际使用中有可能不能持续满足这些要求，而如果氧化锆探头失效，实际上很难及时发现和处理，甚至会影响加热炉的正常使用。
③ 现有的氧化锆控制系统几乎都采用的是控制风机变频的方式，由于风机压头会随风机频率的下降而快速下降。因此，降低风机频率将会明显降低风机压头，有可能导致燃烧不稳定，甚至出现抖动和熄火问题。
3.2、监控管理系统
随着互联网及工控技术的发展，远程监控系统得到广泛应用，在很多运行现场都建有集中监控室，用于监控设备的运行状态。但是，这些监控系统的功能大都停留在直接传输和显示运行数据，并不具备数据的分析处理功能，需要操作人员和技术人员利用经验分析和运用这些数据来判断异常，缺乏能够自动根据设备的运行数据进行分析的分析软件，无法根据运行数据变化的趋势提早发现异常及进行故障判断，也不能在异常出现后及时反映和处理，其作用大打折扣。
四、信息化背景下的油气加热炉安全节能升级方案
4.1、空燃比数字化自动控制方案——“及时控”燃烧管理系统
基于加热炉的运行特征，其燃烧工况是随时变化的，要有效的控制空燃比，提高燃烧效率，必须采用数字化自动控制才能持续控制空燃比。同时由于燃烧控制，包括空燃比控制是一项复杂的工业技术，不能仅仅依靠氧化锆检测烟气中的氧含量来实现空燃比的最佳控制。
由于影响燃烧的因素很复杂，任何自动控制系统都很难在长期运行中始终保持良好状态，根据苏伊士环能集团对全球3万台锅炉和加热炉的运行管理经验，运用现代远程控制技术对自动控制装置实施不间断的在线管理，是加热炉及其燃烧系统安全节能运行的重要保证。因此，基于物联网的油气加热炉安全节能升级方案——“及时控”燃烧管理系统是经过实践证明有效的燃烧管理解决方案。
“及时控”燃烧管理系统的核心设备是安装在加热炉或锅炉现场的控制终端机，“及时控”控制终端机由重庆川然节能技术有限公司提供，由法国施耐德电气（中国）公司OEM合作开发制造，其作用是安装在现场，检测燃烧尾气（包括烟气中的O2、CO、可燃气体的含量以及温度等），通过综合调节外接的风量调节器和风机频率持续调整风机送风量，确保燃烧系统始终保持最佳空燃比。不仅如此，该系统还可以增加模块，实现更多的功能（加热炉系统节能、安全管理等等）。
“及时控”燃烧管理系统示意图
“及时控”燃烧管理系统可以在现有的加热炉和锅炉上快速安装，实现其燃烧系统安全链的升级，以及空燃比的持续准确控制，减少4～10%的能源浪费。
4.2、能效数据处理中心
“及时控”燃烧管理系统也是由现场安装的控制终端机+远程数据处理平台组成的一个完整系统。“及时控”系统的控制终端机都配备了数据传输功能，能够通过互联网将运行数据传输到苏伊士环能集团管理的数据处理平台，数据处理平台的专业软件将对加热炉的运行数据，尤其是燃烧系统数据进行24小时/365天持续汇集、统计和分析，将可以对故障进行早期预警和及时提示，这些分析处理结果将可以分享到现场的监控室计算机中，实现现场监控系统的功能升级，同时也能指导运行管理人员有的放矢地及时处理各种异常，减少因操作失误而导致的安全事故或能源浪费。
4.3、安全管理的升级
根据法国苏伊士环能集团的经验：人为因素是造成能源浪费和安全事故的重要原因，自动控制及不间断的远程监控将能大幅改善上述问题，同时能够增加操作人员的安全性并降低操作失误可能导致的损失。
从安全性的升级方面，“及时控”燃烧管理系统的作用包括：
①减少人为操作失误：而现场运行团队也不再需要随时去检测和调节空燃比，减少人为失误的隐患。
②防止不完全燃烧形成的可燃气体外排：锅炉不再出现因欠氧燃烧而出现CO、H2剧增甚至大量未燃烧燃气外排的隐患。
③防止因燃气阀组泄漏导致的爆燃：对于未安装检漏装置或者检漏装置失效的锅炉/加热炉，在燃烧器燃气阀门出现泄漏时，能够自动关断燃烧器，并发出报警，防止爆燃或爆炸的安全隐患。
④防加热炉或锅炉干烧：对于因水位控制和保护失效导致的锅炉/加热炉干烧，能够自动识别，及时关断燃烧器，并发出报警。
⑤超低负荷警示：在加热炉超低负荷工况，排烟温度低于露点运行的提示，并提供解决方案。
按照苏伊士集团在欧洲执行的规则，油气加热炉及锅炉要达到能够在72小时无人管理的状况下正常工作的自动控制水平。而数据化的自动控制和管理系统是实现这一目标的必要保障。
五、结论
“及时控”燃烧管理系统是基于物联网概念的安全节能升级技术，不但能够提高油气加热炉的运行安全水平，而且能够长期有效的提高油气加热炉的运行热效率。现有的油气加热炉和锅炉上均可以快速安装该系统，安装该系统后，可立即实现加热炉安全和能效管理的升级，并可通过远程能效数据处理平台，实现现场电脑监控系统的功能升级，实现数字化运行管理，减少由于人工的误操作引起的安全隐患和能源损失。
运用信息技术和现代自动控制技术，升级传统加热炉和锅炉，是发达国家已经行之有效的成功经验。苏伊士环能集团旗下的苏伊士能源服务从2000年开始建立起远程数据管理系统，利用能效数据处理平台，管理了全球8000个机房的3万台锅炉和加热炉，为埃克森美孚EXXON MOBIL、BP英国石油公司、法国GRT GAZ公司等提供服务。
根据某法定监测机构对国内某加装了空燃比控制系统和半冷凝烟气余热回收器的油气加热炉的能效检测结果显示，其运行能效达到了96%以上，单台加热炉一年的实际节能效益超过50万元。由此可见，我国油气加热炉和锅炉的安全节能运行提升空间巨大，引进先进技术，全面提升安全和节能运行管理水平将大有可为。
目前我国油气加热炉及锅炉燃烧系统的安全管理和空燃比控制存在巨大提升空间。由于空燃比受燃气压力波动、环境温度变化等多重因素的影响，现有机械式空燃比调控调节装置，以及氧化锆检测氧含量来调控空燃比的技术不能达到最佳效果。本文提出了基于物联网的“及时控”燃烧管理系统，用数字式自动控制技术，通过对O2，CO、，可燃气体，以及排烟温度等的不间断检测，实现空燃比的控制。同时通过远程数据处理平台，对加热炉的运行数据进行汇集、处理、分析，可以指导现场运行团队的操作，减少因误操作带来的安全隐患及能源损失。该系统在现有加热炉上可实现快速安装，从而达到加热炉安全和节能技术升级的目的。
关键字：加热炉、节能、安全
一、现状分析
油气加热炉作为石油工业不可缺少的一种地面工程设备，主要用于原油、含水原油、含油污水、天然气、生水、采暖水的加热，是油气生产和输送中的主要设备。据有关统计资料显示，我国每年仅油气加热炉的耗能总量折合成原油就高达174万吨，相当于消耗了一个小型油田的年产量，耗能十分惊人。并且，因油气加热炉引发的安全事故，也是油田安全事故中的主要事故之一。目前，我国油气田和长输管道中使用的加热炉有数万台，可以说：油气集输加热技术水平在一定程度上影响着整个石油工业的发展，而加热炉产品的技术水平则直接决定着油气集输加热技术的发展水平。但是，通过调研发现，国内在用加热炉热效率达到设计值的大概只有三成左右。
本文所涉及的技术，仅以加热炉为例，也同样适用于包括工业锅炉在内的其它燃气（燃油）燃烧热能设备。
1.1、在用油气加热炉产品分类
1.1.1、按炉型划分
目前国内各油田在用的加热炉，主要有五种：管式加热炉、火筒式加热炉、水套炉、有机热载体炉、真空加热炉。其中，管式加热炉、火筒式加热炉为直接加热式加热炉；水套炉、有机热载体炉、真空加热炉为间接加热式加热炉。
①管式加热炉和火筒式加热炉：它通过火焰直接加热原油、水、天然气及其混合物等介质。由于存在易结垢、热效率低、安全隐患大等缺点，已逐步淘汰。
②水套炉、真空加热炉、有机热载体炉：由于采用间接加热，炉体部分的安全性有了较大改进，热效率也有了较大提升，尤其真空加热炉，由于其内部长期处于真空状态，氧腐蚀和结垢的问题基本消除，优势更加突出。
1.1.2、按燃烧系统划分：
用于油气生产和集输过程的锅炉和加热炉，按照燃烧系统主要可划分为传统引射式燃烧系统和机械鼓风式燃烧系统，这些系统的特点是：
①传统引射式燃烧系统：其主要工作原理是燃气经过喷嘴高速喷出，引射助燃风与其混合后燃烧。这种燃烧系统可以不依赖电力运行，主要用于缺乏电力的野外油气加热炉。由于缺乏自动控制，效率和安全性都比较低。
②机械鼓风式燃烧系统：其主要工作原理是燃气经过喷嘴喷出，而助燃风则通过鼓风机鼓入与燃气混合后燃烧。这种燃烧系统均有燃气压力高低压保护、机械连杆式调风装置、前后吹扫、自动点火等基本自动控制功能，效率和安全性均有了大幅提升。但是，目前油气加热炉和锅炉上使用的机械鼓风式燃烧器大都只有原厂的标准配置，仅有少量加装了燃气阀组检漏装置、氧化锆检测装置等。
1.2、在用油气加热炉运行热效率现状
据某机构对330台在用加热炉和锅炉进行抽样测试的结果显示，平均热效率仅为77.26%。其中，加热炉平均热效率为77.59%；原油保温的蒸汽锅炉平均热效率为75.04%；净化轻烃锅炉平均热效率为79.95%。
测试结果表明，目前在用的燃油燃气锅炉及加热炉普遍存在效率整体偏低，运行负荷率低，排烟热损失大等问题。其燃烧状况十分不理想，几乎所有的锅炉及加热炉都不同程度地存在欠氧燃烧或空气过量燃烧的情况，且十分严重，加热炉是直接燃烧燃料的耗能大户，其购置费用不高，但是其使用的能源费用却非常高，加热炉的效率对能源费用的影响很大。
因此，加热炉的效率一直受到运行管理部门的密切关注，也有部分运行管理部门对加热炉进行了一系列节能改造措施，例如增加氧化锆检测排烟氧含量调整加热炉空燃比、增加余热回收器等等，也取得了一系列的效果。
二、油气加热炉存在问题的分析
2.1、安全保护链亟待升级
油气加热炉由于越来越多地采用间接加热形式，由于炉体问题而形成的安全隐患已经大幅降低，燃烧设备由于越来越多地采用机械鼓风式系统，因燃烧问题而形成的安全隐患也已经大幅降低。但是，目前我国实际运行中的设备，无论是间接加热炉型还是机械鼓风燃烧系统，由于整体自动控制的水平还有待提升，安全隐患依然存在。
一般油气加热炉和锅炉从启动至运行、停炉的整个过程中，有一个闭环的安全保护链，对于燃烧系统而言这个安全保护链上的保护措施主要包括吹扫保护、风压保护、燃气压力保护等；对于整个加热炉或者锅炉而言，则包括水位保护、压力保护、温度保护等。但是，做到这些还是不够的，爆燃、爆炸事故仍屡有发生，事故率与欧美发达国家相比依然高出很多，这些事故几乎都是由于部件失效或控制失效引起的。其问题点就在于，我们安全保护链是单级链，而欧美已经普遍采用二级甚至三级保护链的技术。
比如燃烧器前吹扫功能是为了清除点火前残存的可燃气体，保证点火安全，但是，一旦燃气阀组有泄漏，前吹扫的过程中可燃气体依然继续进入炉膛，点火爆炸的隐患就很大了。因此，一些大功率的燃烧器上就加装了燃气阀组检漏装置，能够在点火前对燃气阀组的完好性进行验证，如果我们还拥有检漏装置失灵条件下的第三重保护措施，安全性能无疑将得到进一步的提升。
2.2、运行能效偏低
根据对调查的几百台加热炉和锅炉的热损失进行分析后，我们得出如下的热损失能流概念图。由图中可以看到，油气加热炉的效率偏低主要原因在于燃烧空燃比不合理以及排烟热损失。鉴于排烟热损失可以采用加装余热回收器的方案解决，而余热回收技术属于成熟技术，在此我们不再赘述。
热损失能流概念图
燃烧空燃比不合理的问题分析
传统引射式燃烧器由于属于人工调节，空燃比问题通常更为突出，但是由于为数不多，在此我们暂不讨论。我们主要分析一下机械鼓风式燃烧器空燃比调节存在的问题。
① 空燃比对加热炉效率的影响：主要表现在空气过量燃烧时，将会有大量多余的冷空气被加热，造成燃烧效率下降，能耗上升。而欠氧燃烧时，会造成不完全燃烧损失、锅炉积碳、CO超标，甚至有部分燃料还未燃烧就排放出去，造成能耗上升及严重的运行安全隐患。不合理的空燃比对加热炉能效的影响非常大，在设定排烟温度165℃下，空燃比对加热炉能耗的影响可参见下表：
② 影响空燃比的主要因素：包括环境温度变化导致燃气密度和空气密度的变化、燃气管网压力的波动导致喷入炉膛的燃气量的增减、风门开度在运行一段时间后的偏移等等，都能够导致空燃比的失衡。而这些因素是始终在不断变化着的，因此，空燃比的调节就必须是持续的，不间断的。
③ 燃烧器自身调节功能的局限：现有燃烧器配置的简易空燃比调节装置，靠机械连杆调节空燃比，无法解决上述环境因素变化导致的空燃比频繁波动的问题。若空燃比失调，燃烧器没有自我诊断和自我纠正功能。
④ 空燃比的调试和控制：大多数情况下，调试人员都是凭肉眼观察火焰的颜色及形状手动调整燃料阀和风门挡板的开度，无法判断其空燃比是否处于最佳位置。即使借助烟气分析仪在调试时将空燃比调整好，但是由于众多外界环境因素的变化都会导致燃烧工况持续波动，即使一次性将空燃比调整准确，但是短时间后（几小时或几天后），空燃比很快就会失衡。目前，已经有不少的运营部门开始借助专用的烟气分析仪进行定期监测，这能够从很大程度上解决空燃比严重失衡的问题，但是，仍然无法持续可靠地保证空燃比的匹配。
三、油气加热炉现有安全节能管理方案及缺陷
3.1、空燃比调控
针对空燃比失调的现状，有一部分运行部门采用了氧化锆检测烟气氧含量的方式，通过人工定期调节或安装PLC控制器对助燃风机进行变频控制的方式，以改善空燃比失调的问题。在实际运行中，通过人工定期调节的方式反而有一定效果，而通过对助燃风机进行变频控制的方式则效果普遍不好，很多的装置实际在短暂使用后就停用了。在欧洲用氧化锆检测烟气中的氧含量来控制空燃比，已经有很长的历史，目前已逐步被CO控制等更先进的方案替代，根据法国苏伊士环能集团长期运行的经验，用氧化锆控制空燃比通常存在如下问题或不足：
① 由于燃烧器的不同和加热炉的不同，以及燃烧工况的千变万化，在保证充分燃烧的前提下，烟气能达到的最低氧含量是难以事先确定的。也就是很难事前确定将氧含量控制在怎样一个值是恰当的，如果一味降低氧含量有可能造成CO上升，反而增加能耗，同时带来炉体积碳和安全隐患，因此仅靠氧化锆探头监测氧含量，无法将空燃比控制在最合理的状态。
② 氧化锆的使用有较为严格的要求，比如不能中途断电、工作环境达标等。在实际使用中有可能不能持续满足这些要求，而如果氧化锆探头失效，实际上很难及时发现和处理，甚至会影响加热炉的正常使用。
③ 现有的氧化锆控制系统几乎都采用的是控制风机变频的方式，由于风机压头会随风机频率的下降而快速下降。因此，降低风机频率将会明显降低风机压头，有可能导致燃烧不稳定，甚至出现抖动和熄火问题。
3.2、监控管理系统
随着互联网及工控技术的发展，远程监控系统得到广泛应用，在很多运行现场都建有集中监控室，用于监控设备的运行状态。但是，这些监控系统的功能大都停留在直接传输和显示运行数据，并不具备数据的分析处理功能，需要操作人员和技术人员利用经验分析和运用这些数据来判断异常，缺乏能够自动根据设备的运行数据进行分析的分析软件，无法根据运行数据变化的趋势提早发现异常及进行故障判断，也不能在异常出现后及时反映和处理，其作用大打折扣。
四、信息化背景下的油气加热炉安全节能升级方案
4.1、空燃比数字化自动控制方案——“及时控”燃烧管理系统
基于加热炉的运行特征，其燃烧工况是随时变化的，要有效的控制空燃比，提高燃烧效率，必须采用数字化自动控制才能持续控制空燃比。同时由于燃烧控制，包括空燃比控制是一项复杂的工业技术，不能仅仅依靠氧化锆检测烟气中的氧含量来实现空燃比的最佳控制。
由于影响燃烧的因素很复杂，任何自动控制系统都很难在长期运行中始终保持良好状态，根据苏伊士环能集团对全球3万台锅炉和加热炉的运行管理经验，运用现代远程控制技术对自动控制装置实施不间断的在线管理，是加热炉及其燃烧系统安全节能运行的重要保证。因此，基于物联网的油气加热炉安全节能升级方案——“及时控”燃烧管理系统是经过实践证明有效的燃烧管理解决方案。
“及时控”燃烧管理系统的核心设备是安装在加热炉或锅炉现场的控制终端机，“及时控”控制终端机由重庆川然节能技术有限公司提供，由法国施耐德电气（中国）公司OEM合作开发制造，其作用是安装在现场，检测燃烧尾气（包括烟气中的O2、CO、可燃气体的含量以及温度等），通过综合调节外接的风量调节器和风机频率持续调整风机送风量，确保燃烧系统始终保持最佳空燃比。不仅如此，该系统还可以增加模块，实现更多的功能（加热炉系统节能、安全管理等等）。
“及时控”燃烧管理系统示意图
“及时控”燃烧管理系统可以在现有的加热炉和锅炉上快速安装，实现其燃烧系统安全链的升级，以及空燃比的持续准确控制，减少4～10%的能源浪费。
4.2、能效数据处理中心
“及时控”燃烧管理系统也是由现场安装的控制终端机+远程数据处理平台组成的一个完整系统。“及时控”系统的控制终端机都配备了数据传输功能，能够通过互联网将运行数据传输到苏伊士环能集团管理的数据处理平台，数据处理平台的专业软件将对加热炉的运行数据，尤其是燃烧系统数据进行24小时/365天持续汇集、统计和分析，将可以对故障进行早期预警和及时提示，这些分析处理结果将可以分享到现场的监控室计算机中，实现现场监控系统的功能升级，同时也能指导运行管理人员有的放矢地及时处理各种异常，减少因操作失误而导致的安全事故或能源浪费。
4.3、安全管理的升级
根据法国苏伊士环能集团的经验：人为因素是造成能源浪费和安全事故的重要原因，自动控制及不间断的远程监控将能大幅改善上述问题，同时能够增加操作人员的安全性并降低操作失误可能导致的损失。
从安全性的升级方面，“及时控”燃烧管理系统的作用包括：
①减少人为操作失误：而现场运行团队也不再需要随时去检测和调节空燃比，减少人为失误的隐患。
②防止不完全燃烧形成的可燃气体外排：锅炉不再出现因欠氧燃烧而出现CO、H2剧增甚至大量未燃烧燃气外排的隐患。
③防止因燃气阀组泄漏导致的爆燃：对于未安装检漏装置或者检漏装置失效的锅炉/加热炉，在燃烧器燃气阀门出现泄漏时，能够自动关断燃烧器，并发出报警，防止爆燃或爆炸的安全隐患。
④防加热炉或锅炉干烧：对于因水位控制和保护失效导致的锅炉/加热炉干烧，能够自动识别，及时关断燃烧器，并发出报警。
⑤超低负荷警示：在加热炉超低负荷工况，排烟温度低于露点运行的提示，并提供解决方案。
按照苏伊士集团在欧洲执行的规则，油气加热炉及锅炉要达到能够在72小时无人管理的状况下正常工作的自动控制水平。而数据化的自动控制和管理系统是实现这一目标的必要保障。
五、结论
“及时控”燃烧管理系统是基于物联网概念的安全节能升级技术，不但能够提高油气加热炉的运行安全水平，而且能够长期有效的提高油气加热炉的运行热效率。现有的油气加热炉和锅炉上均可以快速安装该系统，安装该系统后，可立即实现加热炉安全和能效管理的升级，并可通过远程能效数据处理平台，实现现场电脑监控系统的功能升级，实现数字化运行管理，减少由于人工的误操作引起的安全隐患和能源损失。
运用信息技术和现代自动控制技术，升级传统加热炉和锅炉，是发达国家已经行之有效的成功经验。苏伊士环能集团旗下的苏伊士能源服务从2000年开始建立起远程数据管理系统，利用能效数据处理平台，管理了全球8000个机房的3万台锅炉和加热炉，为埃克森美孚EXXON MOBIL、BP英国石油公司、法国GRT GAZ公司等提供服务。
根据某法定监测机构对国内某加装了空燃比控制系统和半冷凝烟气余热回收器的油气加热炉的能效检测结果显示，其运行能效达到了96%以上，单台加热炉一年的实际节能效益超过50万元。由此可见，我国油气加热炉和锅炉的安全节能运行提升空间巨大，引进先进技术，全面提升安全和节能运行管理水平将大有可为。