燃煤锅炉普遍应用于很多工业过程中，以公用设备和电厂涡轮机作为蒸汽发生装置最为常见。锅炉的主要目标是获得最合适的作业效率，具有高稳定性和低成本。在过去十几年间，用于提升锅炉作业的技术主要聚焦于优化锅炉性能，同时满足环境法规的要求。模型预测控制 (MPC)已经成为传统锅炉控制和优化技术的常见替代技术。
        先进过程控制（APC）和MPC在工业中用于稳定并优化工厂作业。锅炉关键燃烧参数的稳定控制能够平衡管理系统、降低热应力因数和由不稳定控制造成的设备性能降低。
        环境相关法规要求发电厂减少燃煤锅炉的有害气体排放，例如氮氧化合物（NOX）和一氧化碳（CO）。对于变量的紧密动态控制是一个交互过程，要求使用多变量控制器；这个过程能够增加锅炉的效率，减少NOX的产生。在燃煤火力发电厂安装基于模型的APC能够在满足各种规章的同时维持所需的负载和效率，其结果是48%的NOX排放减少和75%的CO排放减少。
        现在CONTROL ENGINEERING China版权所有，拥有多个锅炉的工厂也有机会提升其效率。具有成本目标的自动控制器能够以最大效率和降低能源成本的角度为锅炉自动调整负载。
        一家化工企业需要为其两个蒸汽锅炉找到最有效率的工作点。通过分析找到锅炉的燃料-蒸汽转化率和边际生产曲线。锅炉的燃料-蒸汽转化率函数是准凹的。。如图1所述，基于这些关系，化工企业使用APC和锅炉最优负荷分配方案，将燃料成本降低了3%。

一家化工公司的锅炉房拥有7个20吨/小时的火管锅炉，以及一个蒸汽汇集器。

        MPC控制体系结构减少了蒸汽温度的变化，效果优于比例积分（PI）控制器的3到5倍。虽然调整后的PI控制器能够提供足够的稳定性；但是APC能够处理交互作用并提供更优的快速响应和稳定操作。
        7个锅炉的过程控制
        一家化工厂的锅炉房拥有7个20吨/小时火管锅炉，蒸汽通过一个蒸汽汇集器汇集。锅炉的主要用途是产生低压和高压蒸汽，供其他作业之用，包括连续和批处理作业。生产要求的各种下游过程，特别是批处理过程，会导致蒸汽需求的巨大改变。
        锅炉使用存储在锅炉房附近的煤坑中的褐煤，煤的热值是经过计算的。
        通过螺旋给料器将煤运送至位于每一个锅炉上方的储煤仓。随后煤被吸入位于每一个锅炉前方的的左右两个加料斗中。每一个加料斗将煤倒入炉格内，炉格将煤送入锅炉，形成煤床。煤在从给料斗到煤格的过程中被引燃器引燃。煤格的煤床长度由每一个给料斗的速度决定。使用比例积分微分（PID）控制器控制给料器速度，初步获得目标性能。
        每个锅炉具有2个送风机，位于锅炉后方的左右两侧。送风挡板对进入锅炉的强制通风进行控制，并调节炉压。每个锅炉的烟道都配有一个氧分析仪和一个引风机，用于控制炉内蒸汽压力。为了防止火焰在锅炉外部燃烧，锅炉必须保持轻微的负压。从本质上来说，是引风挡板决定了锅炉的蒸汽需求。
        基层控制的目的是采用IP反馈控制循环使过程稳定。FD控制器通过压力PI控制器控制强制通风，烟尘（主要来自于炉膛内的煤灰）容易在FD控制器的最终控制器件出聚集，导致压力循环。此压力循环在经过每个FD控制的压力变送器时被进一步放大CONTROL ENGINEERING China版权所有，压力变送器位于粗拱处；这样左侧压力的变化将会导致右侧压力的变化，反之亦然。ID控制器通过PI控制器调整锅炉蒸汽压力。
        分析
        锅炉是多输入多输出（MIMO）设备。如果一个输入能影响多个输出，那么这台设备就认为具有交互作用机制。如果一台MIMO设备不具有交互机制（一个输入仅仅影响一个输出），那么可以使用分散操控控制变量配对。
        有多种技术能用于MIMO系统分散控制器的设计。分散控制器的耐用设计解答了非对角动态响应设备的不确定度问题。安装于工业锅炉上的耐用的分散控制的性能超过了以前的PID控制。相对增益矩阵（RGA）用于描述分散控制的交互作用。RGA也是设备模型对于不确定输入敏感度的描述，例如执行器动态响应。
        为了获得设备的有效性并实现其经济价值，找到关键性能指标（KPI）并设置目标数量是很重要的。对于锅炉性能监视来说，KPI用于识别过程目标。

送风机挡板控制锅炉的强制通风和炉压。氧分析仪和引风机挡板控制锅炉蒸汽压力。负压确保火焰仅存在于锅炉之内。

        先进控制
        锅炉的复杂行为和联系显示了在实现最优性能上当前所面临的广泛挑战。通常PI控制器能够实现可以接受的稳定状态性能。然而，APC却能提供更优的快速响应和稳定操作，因为它能够处理交互作用。
        这家化工厂使用的APC系统包括一个专为Anglo Platinum公司所开发的GenSym G2专家系统工具集（即Anglo Platinum Expert Toolkit ，以下简称APET），以及AspenTech公司的DMCplus模型预测控制器。
        作为实时专家系统，APET是一种面向目标环境的系统，包括工厂设备的表达方式。所有的工厂变量都通过OPC通讯与工厂控制系统持续更新。APET形成了APC解决方案的实现平台，在工厂控制系统和DMCplus控制器之间交互作用。此时APET设置成连续监视通讯连接并在故障发生时自动激活通讯。APET能够包含KPI等式，这些特性都被集成到一种离线报表工具中。APET有很多优点，包括锅炉APC的实时计算。
        使用一套APC系统可以用于优化化工厂的燃烧系统。这种情况下，APC控制器包含一个主蒸汽汇集器控制器和独立的锅炉MPC控制器。此蒸汽汇集器MPC通过操纵每一个锅炉的引风挡板对蒸汽汇集器压力实现控制。每一个锅炉的引风挡板决定锅炉的蒸汽需求。蒸汽需求的改变导致蒸汽汇集器压力做相应的改变CONTROL ENGINEERING China版权所有，然后，MPC控制引风挡板，维持蒸汽汇集器中的压力。由于七个锅炉和一个蒸汽汇集器压力同时存在，所以MPC被过于细化了。每一个锅炉都会影响蒸汽汇集器内的压力，这意味着主蒸汽汇集器的交互作用强烈。
        为了增加蒸汽的产量，引风挡板被打开了。更多的空气进入锅炉，提升了燃烧程度，蒸汽产量也提高了。这导致炉格中的煤燃烧得更快，进而导致燃烧区域更加靠近锅炉的边缘。锅炉控制器对引风挡板位置的变化做出响应，增加或者减少加煤机的速度，以维持引风挡板位置和煤格上的煤床长度之间的比例。这保证炉内火焰位于正确的位置。
        燃煤仓没有盖子，湿气会聚集，要求对煤格上的煤进行干燥，煤在燃烧之前的时间更长。此时，对这种情况进行补偿有多种选择。这些控制器进行计算，输出以左右加煤机为目标，导致控制器的控制变量增加。
        锅炉MPC通过最大化送风压力来控制送风挡板的压力设置点，同时确保锅炉中没有火焰，由于送风挡板上煤粉的聚集，控制器在最小化废气含氧量的能力上有所限制。
        评估
        在10个月的时间内对锅炉房的性能进行评估，包括5个月不带APC，5个月带有APC。
        APC在蒸汽汇集器压力稳定上带来了极大的改进，将压力标准偏差减少了将近50%（见图3）。锅炉房蒸汽-煤转化比率从9.07提升至9.98（见图4）。

先进过程控制提升了蒸汽汇集器压力的稳定性。

蒸汽-煤转化率得到了提升，并且锅炉饱和度降低了。图片来源：AspenTech, Control Engineering

        使用了APC，平均锅炉饱和度降低了，虽然在燃烧阶段的蒸汽产量上的变化并没有过大差异见（图5）。一种ANOVA测试被用来评估PID控制和APC控制之间的差异。

        使用更少的煤
        带有APET和DMCplus专家系统的MPC能够稳定蒸汽汇集器的压力。这导致了锅炉作业的全面提升，最重要的是CONTROL ENGINEERING China版权所有，节省了煤。自动通讯激活机制能够减少维护，增加APC运行时间。连续生成的报表提供了供进一步优化设备的信息。将现有的送风挡板更换成对于煤粉不太敏感的系统CONTROL ENGINEERING China版权所有，可以让MPC控制器通过最小化废气中的氧含量带来更多的收益。