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3.3提高效率的其他方法
除了自动控制系统外还有其他的方法提高锅炉系统的效率，例如余热和排污控制的再利用。为了能够再利用余热我们需要改变一些设计和投资一些新技术。排污控制根据系统设计提出了一些限制，也可能需要在设计和设备上作出一些改变。因为这篇报告的重点是关于自动控制的，这些技术将在一段时期内一直出现在读者的视野。
3.3.1余热的再利用
在锅炉燃烧过程中产生的直接排放到环境中的热量成为余热。在许多情况下热量排放到一个适当的高温环境中可以被再次利用，形成某种形式的经济效益(Turneramp; Doty, 2007; Thumann amp; Mehta, 2008)。
余热可以通过许多技术以不同的方式实现再利用。在锅炉的设计上余热通常用于预热燃烧空气或者锅炉给水。热交换器在再利用热方面有很多相同点，但
是在这篇报道中气热交换器被称为换热器，而气液热交换器被称为经济器(Thumann amp; Mehta, 2008)。
换热器
尽管存在不同结构的换热器,但它们的目的都是将烟气中的热量转移到燃烧空气。由于空气被预热，它携带额外的能量进入到燃烧空间。因此，燃料供给所需要的能量减少，从而减少燃料的使用。此外，减少燃料的使用意味着需要较少的燃烧空气，这将导致由较低的烟道温度和烟道排气量的减少所引起的烟道损失减少(Thumann amp; Mehta, 2008)。
换热器最简单的设计是金属辐射换热器，它是由两个同心金属管组成，靠近里边的那根管路携带着烟气，外边的管路装有燃烧所用的空气。这个设计的名字原理是因为废气的大多数热量通过辐射传热转移到金属内管壁。热量从內管壁传递到燃烧空气是通过对流换热完成的。另一个常见的设计是管式或对流换热器。在这个设计中烟道气体通过许多小管子而燃烧空气在这些小管子外循环一次或多次来传递热量。这两个设计的组合是为了最大化的传热有效性。图3.5显示的是一个辐射和对流换热器的组合示意图(Turner amp; Doty, 2007)。
图3.5：结合辐射和对流的换热器(Turner amp; Doty, 2007)。
经济器
预热锅炉给水的最常见的方法是使用肋片管式热交换器。它由许多的管道组成，这些管道上边都有肋片，这些肋片是通过焊接或其他方法连接在管道上。这些肋片的作用是增加管道的接触表面积。当烟气通过给水管表面时对水进行预热。这些肋片管式换热器是预先包装好的设计尺寸并且由能够承受排气中的腐蚀性物质腐蚀的材料组成。图3.6所示的是一个通常安装在锅炉系统中的经济器(Thumann amp; Mehta, 2008)。
图3.6：锅炉经济器(Turner amp; Doty, 2007)。
3.3.2排污控制
锅炉的排污控制在锅炉的正常操作中是一项重要功能。当给水蒸发时，残留水里的矿物质和杂质浓度增加。在给水蒸发过程中杂质在锅炉内积聚导致杂志浓度增加损坏管道或设备，阻塞阀门，降低传热能力，造成腐蚀和干扰。当锅炉内水中含有的杂质达到一定量时必需进行排污保证杂质含量在安全范围内。排污导致的损失就热量，压力和可能的锅炉化学品而言应该尽量减少。(F. Persson amp; Ramsback, 1987)。
锅炉污染程度的测量和如何控制排污的指示应该参考锅炉水的总固体溶解量。总固体溶解量的测量仪器是通过测量锅炉水的导电率来设计的。纯净水是不良导体，当水中的总固体溶解量越大，导电性能就越好。电信号可以转变为液体的浓度和ppm。一个不太复杂的方法就是在操作者可看到的地方放一个可视的玻璃水位线，然后决定什么时侯排污。(Energy Solutions Center Inc., 2010a)。
锅炉水可以定期或者连续排放。所有的系统都设计成定期排污，水是从锅炉底部去除污泥和沉降粒子。在连续的排污系统中，通过手动或自动使水以一定的速度从汽包液面排出。手动排污，水以一定的速度流向排污阀处，这会使水质和蒸汽需求有较小的变化。在自动排污系统中，总固体溶解量的电导率和排污率调整到接近最大允许总固体溶解量水平从而减少锅炉系统中热水的排放量(Energy Solutions Center Inc., 2010a)。
排放的污水具有很高的温度，在排入下水道之前经常用冷水稀释的方法来冷却。排污热回收系统，排污水可以用来预热进入锅炉的水来减少能量损失并通过利用部分热能来缩短回报的时间。如果排污设计成定期排污并且没有储存舱来储存污水，当大量的水短时间内排出时我们将很难利用污水的热量。污水热利用系统在段落3.3.1有详细的描述(Energy Solutions Center Inc., 2010b)。
3.4测量技术
一些测量和监测燃烧过程的方法在这一节中有一个简短的描述。燃烧过程前，燃烧过程中以及燃烧过程后所用的方法，例如监测燃油，燃烧室和烟道气体。3.4.1燃油监测
燃料监测的方法在许多方面都不同，例如渗透深度，表面特性的敏感性和燃料流量的依赖性。当监控固体燃料时，找到一个不影响燃料运输速率的方法是很重要的。在下面的章节中只介绍在商业可用产品中关于燃油监测所用的技术，当然也存在还没有经过检验的其他方法的存在。
近红外光谱
近红外光谱是用在近红外电磁光谱中的一项技术。近红外光谱介于可见光与红外线之间，也就是在850纳米和2500纳米之间。燃料样品通过两种不同的波长进行辐射，一个用于测量，一个用于参考。水吸收测量的波长并把波长反射到燃料中，但当反射的参考物选择水和燃料时，就是100%反射。光束之间的比率与水分含量成反比。这种技术可以通过选择其他波长来测量燃料中其他物质的含量。近红外光谱的进料速度快并且独立，使它适用于在线控制。近红外光谱的穿透深度是有限的约5毫米，这使得这项技术对表面水分很敏感。燃料的颜色、表面结构和外部光源也会对结果产生负面影响。更高的频率将给予更高的分辨率(Eriksson et al., 2002)。
微波技术
当微波通过材料时，水分子开始移动，引起材料的强度和相位延迟减少。当检测燃料另一侧时，它会被误认为是对应的含水量变化。这种测量的燃料含量的变化是错误的根源。因为测量煤炭而不是其他的生物燃料，它是一个更不均匀的燃料，需要更高的精度。通过增加波长范围，可以提高微波结果的精度。为了确定水分含量，应该测量燃料的体积密度，这可以通过辐射来完成。当伽玛射线辐射通过物质时，物质的强度降低，这也是一种测量物质密度的方法(Eriksson et al., 2002)。
中子技术
中子技术是利用氢原子比其它原子能够更有效地降低中子的速度的原理来设计的。通过用中子辐射材料和探测器测量中子的浓度。相反，如果已知体积密度可以计算出燃料水分的含量。与中子技术相结合，如先前讨论过的gamma;射线可以用来确定体积密度。该方法存在的问题是无法区分水中的氢和材料中化学结合的氢，这意味着燃料的氢含量必须是已知的(Eriksson et al., 2002)。
3.4.2燃烧监测
监测燃烧室的困难与高温，热辐射，烟尘和颗粒的粗糙环境有关。设备必须有防火保护玻璃，冷却水或冷却空气，以及当光学传感器堵塞时可以自动清洗。
超声波传感器
声波的频谱一般分为三个范围；20Hz以下的频率进是次声，可以听到的声音范围是从20Hz到20kHz，以及在20 kHz以上的超声波频率。超声波在医疗器械，焊接，材料的缺陷检测和缺陷的范围查找等方面有大量的应用，(Rodin, Jacoby, amp; Blom, 2003)。
在锅炉中，可以使用超声波传感器来监测燃料床层厚度的变化。这可以作为一个反馈信号传送到燃料控制器以验证进入燃烧器的燃料量是否正确，以及检测燃料床的任何违规操作。超声波测距是通过发出一个声音信号，然后测量这个声音信号传回来所需要的时间。声音信号的速度取决于传输介质，在这种情况下介质与燃烧空气和炉膛的温度有关。为了使用超声波测量，燃烧室温度必须进行监测。由于燃烧室可能含有一些空气中的颗粒，它们可能会导致在测量的干扰。低频信号比高频信号更适合于这样的环境(Rodin et al., 2003)。
摄像头和视频监控
使用摄像头和视频监控是监测燃烧过程最常见的方法，它会给操作者手动调节过程提供有用的信息。常用的应用程序是监测火焰前缘的位置和燃料的深度，以及探测部分壁炉是否暴露在空气中。该相机的位置是非常重要的，它应该探测炉壁的大部分空间。红外线（红外）的相机也可以用于此目的，但通常更昂贵的比普通相机。使用红外相机操作者也将失去了视觉监控(Bubholz et al., 2007)。
图像分析
使用一个简单的摄像头和图像分析软件，可以获得关于燃烧过程的信息，这些信息可用于调节控制系统中空气流量和燃料供给率。对图像的分辨率没有很高的要求，相反低分辨率更可取因为来自火花的噪音可以避免。高分辨率会导致图像尺寸太大，延长处理图像所需要的时间。图像分析对任何燃烧器都适用，不受尺寸和所用燃料类型的约束(A. Persson amp; Helgesson, 2004)。
一种图像分析算法可以包括以下步骤（参见图3.7）沿着壁炉到自动检测火焰前缘的位置。一个图像被采样，并转换成灰度，其中每个像素具有一个在0（黑色）和255（白色）之间的值。然后，将灰度图像转换成二进制图像，其中在某一定值以上的所有像素指定值为1和指定值以下的所有像素分配值为0，从而得到一个二进制图像，在这个图像中火焰是白色的，其余的图片是黑色的。火焰前缘可以用不同的方式定义。一种方法是引入一个坐标系，并找到最宽的区域，然后逐行移动，直到只有20%的火焰离开(A. Persson amp; Helgesson, 2004)。
红外摄像机
红外摄像机探测燃烧过程中的热辐射，并沿着壁炉提供一个温度的信息，这个温度信息是判断火焰位置的。红外相机对干扰十分敏感，例如来自颗粒的热辐射和燃烧室内的燃烧气体。红外光谱的结果将不受烟尘和颗粒阻塞，这个观点是用常规相机的一个问题(Bubholz et al., 2007)。
因为红外相机更加昂贵,它可能只需要监控部分炉排。根据需要什么样的分辨率可以使用红外高温计,红外高温计在视野中有几度的范围并返回一个平均温度。使用几个红外高温计代替一个摄像头的另一个原因是困难,由于缺乏空间,整个壁炉不能提供一个好的视野给摄像机。根据先前的测量值，控制一个滤波值来减少热度带来的干扰(Rudling, 1999)。
图3.7：火焰前缘的图像分析（A Persson amp;Helgesson.2004）。
3.4.3烟气监测
测量烟气中水分含量对传感器和仪器精度和可重复性的要求高。除了高温以外,颗粒和高腐蚀环境影响传感器的选择也是一个明显的限制因素。烟气包含大量的烟尘和颗粒,这些烟尘和颗粒有时候会发热,它可以阻塞和破坏过滤器和镜头。
lambda;传感器
lambda;传感器,也就是氧传感器,最初是由罗伯特bull;博世公司在1967年研发的。此后大幅进化,是汽油发动机车辆来提高效率并减少排放的标准。近年来,lambda;传感器也用于柴油发动机车辆，它可以使柴油机有更精确的喷射量和降低排放。传感器主要用于汽车行业,但也可以很容易地用来控制其他燃烧过程。因为lambda;传感器的广泛应用,对它功能和行为存在广泛的认知。他们大量生产使其相对便宜和容易获得。因为低廉的价格它对所有尺寸的锅炉系统被视为一个可行的解决方案。(Robert Bosch GmbH, 2010; Svensson, 2003)。
传感器的名称来自于参数名称，它描述了实际燃料与空气质量比和理论燃料与气体质量比的关系，由方程3.1给出的关系。
（3.1）
从这个公式中可以看出，A值小于1意味着存在多余的燃料，并且混合物被称为富。同样地，A值大于1意味着存在多余的空气，称为稀薄混合气(Lampe, Fleischer, amp; Meixner, 1994)。
目前，我们应经做了大量的实验来确定lambda;传感器用于监测和控制燃烧过程的可用性，大多数结果是正面的。它们的小尺寸是一个主要的问题，使它可能很难有一个代表性的样品，因为沿着燃烧器的面积氧气浓度可能会有所不同。这个问题的解决方案是将燃烧器放在燃烧后阶段的后面，在这烟气得到了更加充分的混合。然而，这可能会导致一个新的问题，因为增加了控制信号的延时可能导致控制器出现问题。因此，在锅炉控制系统中使用传感器时，传感器的位置是非常重要的(Svensson, 2003)。
光谱学
光谱学是通过运用电磁光谱来研究物质及其属性的。当加热一个化学物品时，会发射光,这样可以得到一系列特定的光谱线。这些光谱线可以通过确定光谱他们所在的位置以及它们形成的模式来收集化学信息。光谱技术应用于许多领域,如化学、天文学、生物学和物理学,光谱技术可以使用从微波到x射线之间的频率。对于每个频率间隔，有特定技术用于获得所需要的信息，,如在3.4.1部分
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