不完全燃烧烧钱
那些不断寻求增加利润方法的工厂经理可以通过参观锅炉房来获益。(那栋房子就藏在房子后面，周围都是大煤堆。)一旦到了那里，他们需要问一个问题:“在过去24小时内，每个锅炉烟囱中的平均O2百分比是多少?”燃烧煤(或天然气、燃料油、木材或gar……
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那些不断寻求增加利润方法的工厂经理可以通过参观锅炉房来获益。(那栋房子就藏在房子后面，周围都是大煤堆。)一旦到了那里，他们就需要问一个问题:“O的平均百分比是多少?2在过去的24小时内每个锅炉的烟囱里都有过吗?”
燃烧煤(或天然气、燃料油、木材或垃圾)会促进化学链式反应。当燃料在空气中被加热到足够高的温度时，煤中的碳与空气中的氧结合，形成二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO)气体。哪种气体的形成取决于氧气的含量。CO越多，燃烧越不完全，锅炉效率越低(见典型锅炉效率图)。
因为目标是获得尽可能多的CO2如果可能的话，为什么不在燃料燃烧时给它提供更多的空气呢?过多的空气提供的氧气多于与碳结合的实际需要，从而导致氧气过剩。多余的氧气不仅对燃烧不起作用，而且还会吸收原本用来把水变成蒸汽的热量，从而降低锅炉的效率。理想情况下，控制系统应提供精确的空气量，以确保煤的完全燃烧。不幸的是，这说起来容易做起来难。煤的燃烧是一个复杂的物理和化学过程。通常情况下，燃烧一磅煤需要17磅空气，但杂质、水分、煤灰处理、颗粒大小和许多其他因素都会随时改变燃烧效率。这就是大多数锅炉在氧气过量的情况下运行的原因之一，也是为什么监测和控制过量氧气的量会极大地影响运行成本和利润的原因之一。
小小的调整，巨大的节省
霍尼韦尔IAC(宾夕法尼亚州华盛顿堡)的应用顾问Jack Schilling是这样解释的:“在氧气过剩5%和8%的情况下运行，每年可以节省数十万美元的燃料。例如，在氧气过剩8%的情况下运行的天然气锅炉通常效率约为76%。将多余空气减少到5%，使锅炉效率提高到近80%。要计算节省的燃料，将76%除以80%，然后减去1.0。结果(5%)是通过减少多余的氧气而获得的节省。
一个平均每小时蒸汽生产需求为250,000 lb/hr，锅炉吸热量为1,000 BTU/lb，假设锅炉效率为76%的工厂每年需要约2,880,000 MBTU/yr (M = 1,000)的燃料。如果天然气的成本为每MBTU 2美元，那么每年的锅炉燃料账单约为570万美元。燃油减少5%每年将节省约28万美元。”
能够以较低的过量氧气运行锅炉需要的不仅仅是张贴一个备忘录，锅炉将在5%的过量氧气下运行。锅炉专家报告说，在氧气过量的情况下运行的最常见原因是:
使用机械连杆来控制燃料与空气比的旧锅炉经常被校准为高过量空气操作，机械连杆无法补偿燃料的物理和化学变化;
氧分析仪不存在、不工作、不准确、不可靠、安装不当或未连接到控制系统;和/或
当锅炉在燃料丰富的条件下运行时，操作人员会感到更舒服。
当机械式燃油-空气连接被基于控制系统的燃油-空气比控制系统所取代，并将精确、可靠的氧气测量集成到控制系统中，燃油-空气比可以自动调整，过量氧气可以保持在5%的水平。
任何改善锅炉性能的努力最终都将导致对当前控制策略的检查。今天使用的许多燃烧控制策略是从20或30年前开发的控制策略演变而来的。这些策略可能在新的控制器平台上执行，但许多锅炉基本上使用的是与20年前开始时相同的策略。对于任何新的控制技术、在线测量的增加或控制平台的变化，都是在现有控制策略的框架内进行的，这是一种常见的做法(参见带氧校正图的典型燃气燃烧控制)。通常，增加或修改现有控制策略的理由，而不是寻求新的策略，是怀疑和抵制改变的结果。
在质疑的情况下，蒸汽生产对制造业至关重要，长期存在的要求要求任何新的“想法”必须以这样一种方式实施，即在新想法不起作用的情况下，操作可以很容易地回到“旧方式”。
当一个操作员负责多台锅炉的运行时，频繁地出现变化阻力。在这种情况下，运营商可以理解地希望从锅炉到锅炉的操作一致性。
这两种理由都有一定的道理，但顽固地坚持传统会限制提高锅炉效率的机会，在最坏的情况下，不必要地需要增加一个新的锅炉来满足不断增长的蒸汽生产需求。
备选控制策略
在“工业强度”变速驱动器完善之前，控制锅炉气流的常用方法是以恒定速度操作力通风(F.D.)风扇并操纵F.D.风扇进口叶片(阻尼器)以保持正确的气流进入锅炉(见典型燃气锅炉图)。F.D.进口叶片的设计将非线性引入控制方程，需要物理或软件表征来线性化空气控制回路。
今天，许多锅炉F.D.风扇都被改装成变速驱动器，这有两个好处。
首先，风扇热力学定律定义了风扇转速与风扇气流体积成线性关系。风扇转速与风扇气流的线性关系可以消除表征控制回路的需要，简化燃烧控制。
第二，使用变速驱动器可以在部分负载下使用时大幅减少风扇马力。
奔驰空气工程公司(加利福尼亚州Hermosa Beach)总裁罗伯特•本茨(Robert Benz)解释说:“一台锅炉在100%负荷时需要218马力来驱动风扇，在50%负荷时只需27马力，而在10%负荷时只需0.22马力。”根据锅炉在低于100%负荷的情况下运行的频率和时间长短，节省的费用可能是显著的。
Del Monte Foods(加利福尼亚州莫德斯托)的生产周期非常季节性，在8个月的非生产季节，他们每月能节省7,000多美元的电费。
本茨还说，“当负责运行锅炉的人愿意接受新的想法，比如使用变速驱动器时，基于微处理器的复杂控制系统实际上可以提供更简单的控制策略，提高性能。”
1996年，Del Monte决定更换两台150000 lb/hr天然气锅炉上的气动面板控制系统。由于Del Monte生产的季节性特点及其在加州的位置，对新控制系统的两个关键要求是能够实现至少10:1的锅炉关压和显著减少一氧化氮(NOx)。
德尔蒙特公司的公用事业经理埃德·康纳(Ed Conner)解释说:“我们发现，有很多控制系统在稳态条件下表现良好，但烹饪西红柿是一个批量过程。”我们需要控制系统快速响应生产需求，并保持严格的锅炉控制。最终我们选择了奔驰空气工程公司的计算机- nox系统，并对其性能非常满意。例如，1995年，我们每吨西红柿消耗18.69热。在1997年安装了计算机- nox系统后，我们将每吨西红柿的热量减少到16.3(节省12.8%)。”
如前所述，节约燃料的最好方法是提高锅炉效率。Del Monte已经能够将他们的锅炉始终保持在0.8%到1.4%的O2之间运行，这为他们每年节省了超过10万美元的天然气成本。同时，氮氧化物水平始终低于空气区的要求，这是一个真正了不起的成就，特别是考虑到Del Monte锅炉使用的是1967年和1977年锅炉交付的燃烧器。
当被问及对从气动面板系统转向计算机系统的质疑时，康纳笑着说，操作员和我都非常怀疑。我们购买并安装了几个备用仪器，预计会出现可靠性问题，但经过初步培训和实际操作后，人们的态度完全改变了。我们移除了备用仪器，操作人员宁愿战斗也不愿切换回去。”
Del Monte的季节性生产是推动10:1的锅炉降压要求的一个因素，但康纳先生报告说，他们在保持严格、响应性的锅炉控制的同时，通常可以实现15:1的锅炉降压。
许多锅炉继续使用传统的(进化的)控制策略，但显然一些新的思路可以产生显着的结果。不管你对最佳锅炉控制策略的偏好和理念是什么，也许是时候去锅炉房走走，重新审视一下它是如何被控制和操作的。这可能会节省很多钱，增加利润。
新的燃烧器管理标准即将通过
由美国国家标准协会(ANSI，华盛顿特区)、美国仪器协会(ISA, Research Triangle Park, N.C.)和国际电工委员会(IEC，瑞士日内瓦)发布的新型和新兴的基于性能的标准为使用安全仪表系统(sis)的公司提供支持，以适当地管理和降低过程风险到可管理的水平。
ANSI/ISA S84.01, IEC 61508和IEC d61511标准提供了灵活性，并允许实施实用且具有成本效益的解决方案。他们没有强制要求“如何做”，但确实提供了一个框架，以使用替代保护解决方案，提高安全性并具有商业意义。
IEC 61508是一个总括性的安全标准，并作为制定IEC d61511的基础，专门涵盖整个过程工业中使用的ssi，包括燃烧控制。IEC d61511最近已经可供审查，初步迹象表明，它将需要对语言进行一些修改，以满足S84.01的支持者，但每个人都同意，拥有一个全球管理标准符合每个人的最佳利益。
与ISA和IEC安全标准合作，Factory Mutual Research (FMR, Norwood, Mass)开发了免费的批准标准7605，“基于可编程逻辑控制(PLC)的燃烧器管理系统”。在1999年底发布时，标准7605将用于评估、测试和认证SIS设备是否适合在IEC 61508涵盖的行业和应用中部署。
FMR风险工程总监Paris Stavrianidis表示，7605的理念遵循ANSI/ISA S84.01和IEC 61508中包含的生命周期理念，包括建立安全完整性水平(SIL)的要求。基于可编程微处理器的燃烧器管理系统的制造商必须在设计SIS设备时使用相关的规范和标准，并在系统提交给FMR批准时声明系统设计的安全完整性级别(通常为SIL 2)。
FMR批准是基于对安全控制的评估，并在设备(即传感器或PLC)级别授予。评估和测试包括验证设备是否按要求运行(对于PLC来说，这意味着硬件和软件符合IEC 61508要求)，包括是否以安全的方式正确处理故障和故障，以及是否在极端环境温度和工作电压条件下持续运行。额外的测试包括火焰失效响应，点火试验，吹扫时间，介电耐受性，以及至少运行100,000次循环的能力。
国际标准的协调和发展通过鼓励开发、认证、采用和部署单一解决方案而使用户和制造商受益，而不受世界范围的限制。这一点在安全和保护系统中最为重要。
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工厂互助研究
IEC
ISA
采用基于模型的控制优化锅炉效率
面对Sim Gideon(德克萨斯州巴斯特罗普)工厂提高运营效率和增加产量的需求，科罗拉多河下游管理局(LCRA，德克萨斯州奥斯汀)与Foxboro公司(马萨诸塞州Foxboro)合作，在3号机组上实施了一个实验过程优化模型，该机组是一台340兆瓦的天然气锅炉，最大爬升速率为每分钟40兆瓦。
优化建模项目的目标是探索利用先进控制技术提高机组效率、减少氮氧化物和其他温室气体排放的可行性，同时不影响机组的快速斜坡速率。
来自Foxboro和Simulation Sciences的高级控制顾问团队与LCRA人员合作，利用Foxboro的Connoisseur软件收集和分析数据，然后构建基于模型的多变量控制器。在单独的计算机上实现多变量控制器接口到现有的Foxboro IA过程控制系统循环(见单元优化器图)。
在开环运行中进行了为期四天的初始多变量控制器整定和测试。最终的调优是在两次10小时的验证测试中完成的，测试使用了预先编程的负载配置文件，优化建模系统在离线和在线模式下运行。
验证测试数据显示，整个机组(锅炉、发电机等)的效率提高了0.65%，每年减少了12.3%的氮氧化物，估计每年减少了51,500吨的二氧化碳，所有这些都没有降低机组的斜坡率。
LCRA的工作人员已经确定，这些改进将在不到一年的时间内为该项目付出代价，并且数据表明，只要对控制器模型进行轻微修改，就可以进一步减少氮氧化物，这让他们感到鼓舞。
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