工业生产现场面临很多挑战，但是对于能源和公用设施作业来说，很多挑战尤为严峻，由于人口增长必然导致平均能源拥有量减少，进而导致长期能源价格不可避免地走高。为了能够生存下去，企业必须在能源和公用设施能源成本上付出努力：他们必须提升效率，使用价格更加低廉的燃料，并杜绝浪费。同时控制工程网版权所有，碳排放控制要求也越来越严格，越来越难以达到。
        这些事实给工业带来了巨大的挑战，同时也带来了很多机会。这样想，根据美国能源信息管理局的统计，工业设施消耗了世界上50%的能源。同时控制工程网版权所有，根据国际能源总署的统计，工业应用仅仅实现了50%的系统生命周期效率提升潜力。考虑到能源通常都是现场最大的可控生产成本，能源节省可以直接带来经济效益。根据不同的公司作业规模，即使2%的能源和公用设施效率提升就能够每年带来100万美元的收益。如果使用成本更低的燃料代替传统的化石燃料，潜在能效还可以再提升20%，这将会带来每年200-300万的回报。这些改进起初需要使用自筹资金，但通过更好的维护、避免故障和停机等带来的额外优势，使得企业可以获得持续的收益。

图1  这台气动控制器的燃料-空气曲线由凸轮实现，凸轮控制气流以匹配燃烧率。这种机制发挥作用的前提条件是你的燃料需要有足够的稳定性和一致性。在今天，这一点是很少见的。

        CO2排放和“碳税”的惩罚措施已经在世界某些国家开始使用，并且很有可能在未来进一步扩展器适用范围。图2所示为一旦需要缴纳CO2税，使用生物质替代石油和电力可以将能源成本降低至几乎接近于0，如果将所产生的气体作为一种能源来看，那么还会由于降低了排放量而带来额外收益。

图2 如果CO2税被包含在内，那么用生物质替换石油或者电力能源，使得燃料成本降至几乎为零，而且产生的废气还可以作为燃料使用，从而获得更多利润。

        燃料BTU的不同
        但是通过在动力室内对燃烧过程进行优化，以利用低成本燃料并实现最大效率，这种方法并非每次奏效，特别是当你希望获得很高的稳定性和反映灵敏度时。哪怕在最好的情况下，在工业厂房中改变负载都是一种挑战，如果考虑到燃料的不同，那么挑战更加严峻。

图3  不同燃料的单位体积BTU变化特性也不一样。

        天然气被认为是一种稳定且一致性高的燃料，但是即使这种传统燃料的每单位体积BTU随着时间的推移也具有±10%的上下浮动区间。即使针对于这种微小变化，燃烧控制系统都必须做出响应，以优化能源成本。
        为了限制成本，很多工业锅炉同时使用传统燃料和非传统燃料。大多数情况下，这些非传统燃料是生产主要产品的时候所产生的副产品。例如化工厂和精炼厂的排放气体、焦炉气和炼钢厂的高炉瓦斯、纸浆和造纸厂的木材废渣还有食品厂的生物气体。对于电力和公用设施来所，这些能源实际上都是免费燃料，但是这些燃料的供应量无法保证，而且每单位体积BTU变化非常大。精炼厂或者化工厂的废气或者废液的化学组份会根据配料和产品配比的变化而不同。这种不一致性会导致燃烧过程不稳定，因此非传统燃料的使用通常都是禁止的。低成本燃料大多数时候被用于基础负载情况下，传统化石燃料被用于要求稳定和变动负载的场合。如果当天然气用来产生蒸汽供给生产需求时，如果排除的废气被燃烧掉，通常会产生不经济的情况。
        控制方法的变化
        在人们首次开发出使用气动控制来进行自动燃烧控制的技术的时候控制工程网版权所有，燃料-空气曲线的概念就出现了。这条“曲线”实际上是气动执行器内的一个机械凸轮，在燃烧过程控制系统运作时，执行器内的凸轮能够保证在负载变化区间内将燃料供应的空气量维持在安全等级内。气动执行器内的凸轮使空气-燃料比率维持稳定，进而达到特定的燃烧率。这种机制很简单，而且很可靠控制工程网版权所有，可以防止不安全的高燃料富集度情况的出现，甚至还能够在富氧燃烧功能下提供一定程度的过量空气管理。但是额外的空气也有一个安全阈量，因为它会导致燃烧效率受到影响，还因为必须考虑由此产生变化的幅度，所以富氧工作并不一定能够优化作业过程。
        气动控制最终被电子控制取代www.cechina.cn，其内部的电子部件能够替代气动控制内凸轮的动作。这些控制方法相对来说响应更好且更易管理，不过与之前的技术相比，这些技术的控制策略本质上没什么不同。
        在20世纪80年代，计算机被引入，这种技术让燃烧过程控制工程师能够使用复杂的计算功能，并且能够使用一系列控制技术实现精准的控制，但是即使时至今日www.cechina.cn，传统的燃料-空气曲线技术还活跃于燃烧控制领域内。
        这种60年之前的技术已经不是一个明智的选择。它无法管理越来越多的变量，而且也无法满足越来越严格的性能要求。
        传统控制技术早已疲于应对
        基于空气-燃料曲线的传统燃烧控制无法针对多种多样的燃料进行优化，因为它是基于是在一个特定的时间点上的固定能源消耗量。基于前文的解释，今天工业现场的燃料供给是变化的，而且，设备性能也随着时间的推移而变化，而且每天的环境条件也不同。为了避免不安全作业状态的出现，常用的响应方法就是提升空气供给量，为了应对变化量，必须引入缓冲区（见图4），但是它们会导致效率低下和排放量的提升。过多的空气消耗了昂贵的燃料，风扇负载增加，排放设备超负荷运转。燃烧过程如何管理如此多的变量？ 
        采用数学模型实现多变量控制
        在最后的分析中，锅炉或者加热器有一个控制输入：BTU需求。BTU的需求可以表达为蒸汽压力或者锅炉流量或者加热器内的液体温度，但是最终都会归结为一个变量。这是燃烧过程及其控制系统的任务（在实际操作中就是实现最小成本和排放量），并非一味满足燃料BTU的需求和快速变化的需求。处理得好，就可以将锅炉由成本产生中心变成利润产生中心，因为它可以使用那些原本被忽视或者浪费掉的燃料，而这些能源来自于可再生能源，会获得可持续性燃料补贴。
        今天，最先进的燃烧控制系统具有实时推断燃料BTU的能力。有了这种能力，系统可以根据燃料燃烧率信号来满足需求，从而精确计算到底需要多少空气才能够实现作业的最优化。而且，有了这种方法，一种燃料的BTU就可以很容易地用另一种燃料取代，因此你想用什么燃料就可以尽可能地使用这种燃料。这是如何实现的呢？
        答案就是不再使用燃料-空气曲线，而将燃烧控制完全交给数学模型完成。控制系统应该包括一个锅炉的数学模型以及一系列使用多变量预发性控制的系统规定参数。这种解决方案使用标准锅炉设备，因此能够获得火炉内的相对热释放指数。一旦有了这些信息，就可以确定燃烧率，进而实时校正燃料用量以稳定炉内热量释放。对燃料增量的调整能力和动态校准空气需求量能够组成具有鲁棒性的可靠控制方法。这比对现有技术进行更新要好得多，这是控制的一次飞跃。
        具体实例
        这种方法已经投入到工业应用中并且收到了良好的效果。多燃料锅炉就是一个例子，虽然燃料种类的相互替换导致产生蒸汽的不一致性，但是多燃料锅炉依然能够应对。针对多种可替换燃料进行基本负载运行，化石燃料能够实现最佳控制。在正常作业状态下，60%-70%的蒸汽由可替换燃料产生，但是由于锅炉的控制极限问题，锅炉的氧气用量增加了8%-10%，因此会带来碳排放问题。

图4  为了应对变化引入了缓冲区，但是这会导致效率低下和更多的排放量，而且对于变化的延迟响应会导致需求的上下浮动。

        应用数学和基于数学模型的控制方法之后，使用成本最高的燃料所产生的蒸汽量提升了5%-10%，效率提升了1%-2%，需求变化响应有了极大提升，碳排放性能也改进不少。
        其他案例
        • 一家化工厂将废弃氢气通入新型锅炉内，优化后的控制方法最大化了氢气的燃烧效率，同时还能维持稳定性，年度天然气用量降低了100万BTU，CO2排放量降低了30%。
        • 一家纸浆和造纸厂希望使用生物能源替代煤炭。三个锅炉做了改建，增加了先进燃烧控制解决方案，每天煤炭消耗量降低了5吨，锅炉性能和厂房稳定性都有了改进。
        • 一家食品厂安装了沼气池，将过程废物产生生物沼气，并将锅炉做了改进使其能够使用两种气体燃料。燃烧优化应用最大化了生物沼气的用量，将天然气的使用量降低了15%-30%。
        今天的商业环境下，不管负载是如何变化、不管燃料BTU含量如何变化、甚至不管燃料种类是否发生变化，燃烧过程都必须时时刻刻工作于最优状态。通过使用最新的控制技术，工作良好的符合燃料锅炉通常都能够使用工厂废物和可替换能源为工厂提供90%所需的蒸汽，95%的时间使用自动控制，并且能够将碳排放量控制在一定等级下。