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高壓變頻器在鐵合金電爐除塵風(fēng)機上的應(yīng)用

時間:2007-12-27 16:16:00來源:hanjuan

導(dǎo)語:?變頻改造后,節(jié)能是主要的,其次還能帶來很多其他的效益。
1 引言 鐵合金的生產(chǎn),多數(shù)靠金屬氧化物等礦石還原。這種還原需要在較高溫度下、消耗大量能源才能實現(xiàn)。電爐作為鐵合金生產(chǎn)的主要設(shè)備,電爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔?,?jīng)煙道進入空冷器冷卻再進入袋式除塵器。除塵器清下的積塵,由煙塵灰斗排出,凈化后的廢氣經(jīng)風(fēng)機送入煙囪,排入大氣。除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[/align] 電爐煉鐵時產(chǎn)生的有害物污染主要體現(xiàn)在電爐加料、冶煉、出鐵3個階段。電爐冶煉一般分為熔化期、氧化期和還原期,其中氧化期強化脫炭,由于吹氧或加礦石而產(chǎn)生大量赤褐色濃煙。在上述3個冶煉期中,氧化期產(chǎn)生的煙氣量最大,含塵濃度和煙氣溫度最高。因此,電爐除塵系統(tǒng)按照氧化期的最大煙塵排量進行設(shè)計。在系統(tǒng)最大風(fēng)量需求的基礎(chǔ)上增加1.1~1.3倍的安全裕度進行除塵風(fēng)機選型設(shè)計。整個冶煉過程中吹氧時期占30~35%,此時風(fēng)機處于較高負荷運行,而其余時間則處于較低運行工況。很顯然,除塵系統(tǒng)的利用率很低且系統(tǒng)效率差。 長期以來,不論電爐處于哪一個運行階段,產(chǎn)生的粉塵大小均使除塵風(fēng)機全速運行,騰達西北鐵合金有限公司原采用液力耦合器調(diào)節(jié),效率低、功耗大、造成大量的電能浪費。隨著市場競爭的不斷加劇,節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)發(fā)展提高競爭力的有效手段之一。 為滿足高壓變頻改造中的變頻器要求,我廠本著安全第一、質(zhì)量可靠的方針進行認真的分析,認為采用jd-bp37高壓變頻器完全能滿足要求,制定出如下技術(shù)方案,此方案具有以下特點: (1) 優(yōu)良的調(diào)速性能,滿足負載工藝要求; (2) 良好的節(jié)能效果,提高系統(tǒng)運行效率; (3) 實現(xiàn)系統(tǒng)軟啟動,減小啟動沖擊,降低維護費用,延長設(shè)備使用壽命; (4) 系統(tǒng)安全、可靠,確保負載連續(xù)運行; (5) 控制方便、靈活,自動化水平高。 2 變頻器選型及性能特性 設(shè)計時,根據(jù)電機容量,及考慮海拔高度,選用高壓變頻器,對風(fēng)機系統(tǒng)進行改造,變頻器串在原控制回路中,通過旁路開關(guān)柜來進行工/變頻的轉(zhuǎn)換,保持原來的啟停操作方式不變。改造后,通過高壓變頻器,來控制高壓風(fēng)機運行。 電爐的冶煉周期一般為70~85分鐘,其中裝料6~10%,送電熔化25~30%,吹氧30~35%,還原期15~20%,沖渣出鐵6~8%。在不同的生產(chǎn)工藝階段,電爐產(chǎn)生的煙氣量和煙氣溫度不同,且差異較大。加料過程中,主要是裝料時廢鋼及渣料產(chǎn)生的揚塵,需要的除塵風(fēng)量不大,要求粉塵不擴散,不污染電爐周邊工作環(huán)境為標準。送電過程中是原料送電拉弧加熱,引發(fā)可燃廢棄物燃燒產(chǎn)生廢氣。此時,電爐需要將爐料加熱至熔化狀態(tài),要求煙塵能夠及時排出,又不能過多的帶走爐體熱量以保證煉鋼周期。而在吹氧期間,不僅要求除塵系統(tǒng)能夠及時迅速的將廢氣和粉塵排走,又必須保證爐體有合適的吹煉溫度,確保終點溫度。因此,對除塵系統(tǒng)要求較高。進入還原期,吹氧告一段落,粉塵度再一次降低。在沖渣出鋼時,主要排放物是沖渣產(chǎn)生的水蒸汽和少量廢氣。 通過對冶煉工藝的分析:電爐在煉鐵過程的不同階段對除塵風(fēng)量的大小有明顯的不同,以吹氧冶煉為最大,加料除塵為最低。鑒于電爐除塵系統(tǒng)中除塵風(fēng)機的運行方式和設(shè)備特點,對除塵風(fēng)機的控制選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的,適合驅(qū)動高壓異步電動機的jd-bp37-800f型變頻器。 2.1 主要技術(shù)性能指標 (1)額定輸入電壓,6kv(-20%~+15%); (2)輸入頻率,45 ~ 55hz; (3)輸入方式,36脈沖二極管全波整流輸入; (4)輸出方式,每相6單元 載波移相 正弦波脈寬調(diào)制輸出; (5)輸入功率因數(shù),大于0.96(額定負載時); (6)效率(含變壓器),大于96%(額定負載時); (7)輸出頻率,0 - 50hz,連續(xù)可調(diào); (8)頻率分辨率,0.01hz; (9)過載能力,120%連續(xù),150%1min; (10)控制電源,雙路供電,220vac,5kva; (11)冷卻方式,強制風(fēng)冷; (12)防護等級,ip20; (13)模擬量輸入,四路,0~5v/4~20ma,任意設(shè)定; (14)模擬量輸出,兩路,0~5v/4~20ma可選; (15)開關(guān)量輸入輸出,32入/16出(可按用戶要求擴展); (16)通訊接口,rs-485接口; (17)運行環(huán)境溫度,0~40℃; (18)貯存/運輸溫度, -40~70℃; (19)環(huán)境濕度,<90%(20℃時),不凝露; (20)安裝海拔高度,<1000m(超過1000m時,需降額運行); (21)運行參數(shù)自動記錄和輸出、自動故障記錄、限流功能、輸出電壓自動調(diào)整功能、瞬時停電自動跟蹤功能、單元旁路功能等。 2.2 外形尺寸及安裝要求 變頻器外形尺寸(不含旁路柜) 長×寬×高= 4600×1200×2300(mm) 旁路柜外形尺寸 長×寬×高= 1200×1200×2300(mm) 變頻器采用底部進出線方式,從正面看,高壓進出線孔位于左部旁路柜居后的位置,二次進出線電纜孔位于控制柜居前的位置。變頻器應(yīng)安裝在電纜溝上,如圖2所示。 [align=center] 圖2 變頻器安裝圖(側(cè)面)[/align] 變頻器在正面操作。為了保證操作、維護的方便性和通風(fēng)散熱效果,變頻器正面距墻距離不小于1.5m,背面和頂部距墻距離不小于1m。 室內(nèi)冷卻方式:空調(diào)制冷;墻上安裝排風(fēng)扇;柜頂加風(fēng)罩集中通風(fēng)。 2.3 風(fēng)光變頻器的主要優(yōu)勢特點 風(fēng)光jd-bp系列高壓變頻器與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較,在產(chǎn)品功能設(shè)計、產(chǎn)品質(zhì)量保障措施、系統(tǒng)安全設(shè)計和服務(wù)方面,具有以下優(yōu)勢和特點: (1)輸入、輸出諧波含量低,輸入功率因數(shù)高。無須濾波器和功率因數(shù)補償,可直接驅(qū)動電機; (2)系統(tǒng)控制電源采用220vac和高壓主電源降壓隔離后雙路供電,系統(tǒng)運行更可靠、操作更簡便??稍跓o高壓電的情況下檢測變頻器的輸出及各點波形,便于調(diào)試、檢修及操作人員陪訓(xùn); (3)冷卻風(fēng)機采用高壓主電源降壓后直接驅(qū)動,風(fēng)機僅在上高壓電且變頻器開機后運行,避免了冷卻風(fēng)機啟、停時對控制系統(tǒng)的影響; (4)功率單元工作電源為外部開關(guān)電源,避免了高壓瞬時掉電時對單元的控制電源的影響; (5)更適應(yīng)于國內(nèi)電網(wǎng)條件,變頻器工作電壓范圍為(+15%~-20%)un,如6kv系列可穩(wěn)定運行于6900v電壓條件下; (6)瞬時停電保護功能。當主電源失電后,變頻器控制電機處于發(fā)電狀態(tài)運行,為單元電容充電,并為單元控制電源供電,直至主電源恢復(fù),變頻器回到原運行狀態(tài)。瞬時停電時間典型值為3s(具體時間可以根據(jù)用戶的系統(tǒng)而定),超過3s變頻器則保護,檢查停電原因,以免變頻繼續(xù)運行而引起事故; (7)限流功能。避免啟動或負載突然變化時,使變頻器輸出電流過大而導(dǎo)致保護動作; (8)操作平臺采用全中文win系統(tǒng),運行穩(wěn)定,且易學(xué)易用; (9)結(jié)構(gòu)緊湊; (10)完善的上位機控制功能??膳cdcs系統(tǒng)實現(xiàn)通訊或i/o方式硬連接。 (11)主要器件均采用世界一流廠商的成熟產(chǎn)品,產(chǎn)品從元器件至半成品及成品,均實現(xiàn)100%的嚴格測試。各系列產(chǎn)品出廠前均完成100% 72h以上負載測試記錄,確保產(chǎn)品的可靠性。 (12)在系統(tǒng)運行安全可靠性設(shè)計方面,我公司擁有獨享專利技術(shù):一種使電解電容延長一倍使用壽命的裝置。 (13)有較強的工程設(shè)計能力和溝通意愿,能根據(jù)用戶現(xiàn)場條件和控制要求量身定做,及時滿足用戶的不同需求; (14)功率單元模塊化設(shè)計,可以互換,維護簡單; (15)二次接線模塊化設(shè)計,現(xiàn)場接線簡單,安裝周期短。 2.4 一次回路的工作原理 一次回路由進線柜(旁路柜)、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現(xiàn)故障時,將電機投入到工頻電網(wǎng)運行,保證生產(chǎn)不受影響。 變頻運行時,變頻器為電機提供全面的保護。 手動旁路柜(如圖3所示)。 [align=center] 圖3 變頻器安裝圖(側(cè)面)[/align] 圖3所示的旁路柜中,共有3個高壓隔離開關(guān),為了確保不向變頻器輸出端反送電,k2與k3采用電磁互鎖操動機構(gòu),實現(xiàn)電磁互鎖。當k1、k3閉合,k2斷開時,電機變頻運行;當k1、k3斷開,k2閉合時,電機工頻運行,此時變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護和調(diào)試。 旁路柜必須與上級高壓斷路器dl連鎖, dl合閘時,絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān),以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象,確保操作人員和設(shè)備的安全。 (1) 合閘閉鎖:將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯(lián)后,串聯(lián)于高壓開關(guān)合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,變頻器故障或不就緒時,上級高壓開關(guān)(斷路器dl)合閘不允許;旁路投入狀態(tài)時,合閘閉鎖無效。 (2) 故障分閘:將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后,并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,當變頻器出現(xiàn)故障時,分斷變頻器高壓輸入;旁路投入狀態(tài)下,變頻器故障分閘無效。 (3) 保護:保持原有對電機的保護及其整定值不變。 2.5 二次回路及控制 控制系統(tǒng)由控制器,plc和人機界面組成??刂破饔扇龎K光纖板,一塊信號板,一塊主控板和一塊電源板組成。 光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號,每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制(pwm)信號或工作模式。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號,并在故障時向光纖板發(fā)出故障代碼信號。 主控板采用高速單片機,完成對電機控制的所有功能,采用正弦波載波移相方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過rs-232通訊口與人機界面主控板進行交換數(shù)據(jù),提供變頻器的狀態(tài)參數(shù),并接受來自人機界面主控板的參數(shù)設(shè)置。 人機界面為用戶提供友好的全中文操作界面,負責(zé)信息處理和與外部的通訊聯(lián)系,可選上位監(jiān)控而實現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制。通過主控板和plc采集的數(shù)據(jù),計算出電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數(shù),提供記錄功能,并實現(xiàn)對電機的過載、過流進行報警和保護。通過rs-232通訊口與主控板連接,通過rs-485通訊口與plc連接,實時監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。 plc用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號以及現(xiàn)場操作信號和狀態(tài)信號的邏輯處理,增強了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。plc有處理4路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力,模擬量輸入用于處理來自現(xiàn)場的流量、壓力等模擬信號或模擬設(shè)置時的設(shè)置信號;模擬輸出量是頻率給定信號。 [align=center] 圖4 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 (以6單元的為例)[/align] 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4示。由移相變壓器,功率單元和控制器組成。風(fēng)光6kv高壓變頻器,變壓器有18組付邊繞組,分為6個功率單元 / 相,三相共18個單元,采用36脈沖整流,輸入端的諧波成分遠低于國標規(guī)定。 2.5.1 控制方式 風(fēng)光變頻器有三種控制方式: (1)本地控制:從變頻器操作界面控制電機的啟動和停機,并能完成變頻器的所有控制; (2)遠程控制:通過內(nèi)置plc接受來自現(xiàn)場的開關(guān)量控制; (3)上位控制:通過rs-485接口,采用prpfibus通訊協(xié)議,接收上位dcs系統(tǒng)的控制;或與dcs硬連接。 2.5.2 速度設(shè)置方式(或閉環(huán)運行時的給定方式): 風(fēng)光變頻器有多種速度設(shè)置方式,在閉環(huán)運行時,速度設(shè)置方式即為被控量的給定方式: (1) 本地設(shè)置:通過薄膜式液晶屏設(shè)置運行頻率; (2) 模擬設(shè)置:接收dcs系統(tǒng)0~10v或4~20ma模擬信號設(shè)置運行頻率或被控量給定值; (3) 通訊設(shè)置:通過通訊方式接收來自dcs系統(tǒng)的運行頻率或被控量給定值; (4) 多檔設(shè)置:通過開關(guān)量設(shè)置多檔運行速度或被控量給定值; (5) 閉環(huán)調(diào)節(jié):由pid自動設(shè)置運行頻率。 2.5.3 運行方式 風(fēng)光變頻器有開環(huán)和閉環(huán)兩種運行方式。 (1) 開環(huán)運行:變頻器以設(shè)置頻率輸出。頻率(或稱速度)的設(shè)置方式有本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通訊設(shè)置和多檔設(shè)置。 (2) 閉環(huán)運行:對一個運行參數(shù)(如流量、壓力、溫度等,簡稱被控量,此處以壓力為例)實現(xiàn)跟蹤控制。閉環(huán)運行時,實際壓力信號來自于現(xiàn)場信號,而壓力期望值有3種設(shè)置方式,分別為本地設(shè)置、模擬設(shè)置、通訊設(shè)置。 2.5.4 對外接口 (1) 模擬量輸入:2路,4~20ma 或0~5vdc 。4~20ma時輸入阻抗250ω,0~5vdc電壓輸入時輸入阻抗≥10mω。用于接收速度設(shè)置或被控量設(shè)置的模擬信號。 (2) 模擬量輸出:2路,4~20ma 或0~5vdc輸出。4~20ma輸出時最大阻抗500ω,0~5vdc電壓輸出時最小阻抗5000ω。以模擬方式輸出變頻器的運行速度、變頻器的輸出電流等變量。 (3) 數(shù)字量輸入:32路,光電隔離,隔離電壓500vac。接收遠程控制信號,速度給定開關(guān)信號及各開關(guān)狀態(tài)等。 (4) 數(shù)字量輸出:16路,中間繼電器隔離,隔離電壓750vac,接點容量5a。輸出變頻器狀態(tài),控制主電源開斷等。 (5) 通訊接口:rs-485,profibus通訊規(guī)約,實現(xiàn)與上位系統(tǒng)的通訊。 控制接線如附表所示。 附表 控制接線編號
2.5.5 全中文windows人機界面   全中文windows人機界面如圖5所示。 [align=center] 圖5[/align] 主界面如下: 參數(shù)設(shè)置界面(如圖6所示)。 [align=center] 圖6 人機界面[/align] 3 工作原理 風(fēng)光變頻器采用先進的功率單元串聯(lián)疊波(又稱功率單元多重化結(jié)構(gòu))方式、正弦波pwm調(diào)制方法,利用成熟的低壓變頻器技術(shù)和功率器件igbt,從原理上保證了系統(tǒng)的可靠性,并使變頻器的輸入輸出波形得到極大改善,在美國該方式變頻器號稱完美無諧波。 功率單元和控制系統(tǒng)之間采用光纖通訊,實現(xiàn)強弱電間的完全電氣隔離,提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力。 4 單元旁路及冗余設(shè)計 為了最大限度滿足試驗連續(xù)運行的要求,本系統(tǒng)提供兩種旁路運行方式:單元旁路和工頻旁路。 4.1 單元旁路 運行過程中,若某個功率單元發(fā)生可旁路性故障(如單元過熱、單元過流、igbt故障等),系統(tǒng)將自動旁路掉故障單元及另外兩相相同位置的單元。單元旁路后,因每相串聯(lián)單元數(shù)減少,變頻器將降容運行(輸出額定電流不變,額定電壓降低)。此時,若變頻器運行頻率較低,單元旁路不對變頻器運行造成任何影響。 功率單元采用晶閘管作為旁路器件,整個旁路過程是微秒級的,不會對運行產(chǎn)生沖擊。因此,旁路是無擾動的。 變頻器單元旁路運行時,將給出輕故障報警信號。在條件允許的情況下,用戶應(yīng)盡快使變頻器退出運行,更換故障單元。 4.2 工頻旁路 當變頻器發(fā)生重故障無法繼續(xù)運行時,變頻器將立即分斷高壓輸入,系統(tǒng)自動將電機投入工頻運行,以確保生產(chǎn)的連續(xù)性。 從上述幾點可以看到,首先風(fēng)光變頻器是穩(wěn)定可靠的,其次,即便變頻器出現(xiàn)故障,仍可以通過相應(yīng)手段保證電機繼續(xù)運行,不會對生產(chǎn)造成影響。 5 風(fēng)機的特性及節(jié)能效益分析 風(fēng)機是一種平方轉(zhuǎn)矩負載,其轉(zhuǎn)速n與風(fēng)量q、風(fēng)壓h及風(fēng)機軸功率的關(guān)系為: q1=q2(n1/n2)、h1=h2(n1/n2)2、n1=n2(n1/n2)3 當然轉(zhuǎn)速的下降也會引起效率的降低及對附加控制裝置的效率影響等,假定效率為η,一般為80%。 采用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)不同風(fēng)量時消耗的功率為: p變=n3p1/η 原運行狀態(tài)風(fēng)機擋板開度約為70%,變頻改造后,將風(fēng)門全開,調(diào)整電機轉(zhuǎn)速,頻率調(diào)至工頻頻率的70%,頻率按調(diào)至38hz運行。 則n= n1/n2=38/50=0.76 (1)201#風(fēng)機   電機參數(shù)為:   p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90   原系統(tǒng)實際運行功率為p1≈515kw   在變頻低速(38hz)下運行時的功耗為:   p變1=n3p1 / η =0.763 ×515/0.80=282kw   變頻改造后在吹風(fēng)時,可以運行在38hz,可以滿足生產(chǎn)的需要。   變頻改造后在吹風(fēng)時每小時節(jié)省電能為:   △p= p1-p變2=515-280=235kw   根據(jù)電爐每日出鐵四次,每爐平均冶煉時間4h。   共計節(jié)省電能w=△p×t=235×4=940kw·h   按電費0.31元/ kw·h,每天4爐,每年300天計算,   節(jié)省電費:0.31×4×940×300=349680.00元 (2)202#風(fēng)機   電機參數(shù)為:   p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90   原系統(tǒng)實際運行功率為p1≈595kw   在變頻低速(38hz)下運行時的功耗為:    p變1=n3p1 / η =0.763 ×595/0.80=208kw   變頻改造后在吹風(fēng)時,可以運行在38hz,可以滿足生產(chǎn)的需要。   變頻改造后在吹風(fēng)時每小時節(jié)省電能為:   △p= p1- p變2=595-208=387kw   根據(jù)電爐每日出鐵4次,每爐平均冶煉時間4h。   共計節(jié)省電能w=△p×t=387×4=1540kw·h   按電費0.31元/ kw·h,每天4爐,每年300天計算,   節(jié)省電費:0.31×4×1540×300=572880.00元 (3)101#風(fēng)機   電機參數(shù)為:   p0=630kw u0=6000v i0=71.62a i1=60a cosφ=0.90   原系統(tǒng)實際運行功率p1=1.732×i1×u×cosφ=    1.732×60×6000×0.90≈561kw   在變頻低速(38hz)下運行時的功耗為:   p變1=n3p1/ η =0.763 ×561/0.80=307kw   變頻改造后在吹風(fēng)時,可以運行在38hz ,可以滿足生產(chǎn)的需要。   變頻改造后在吹風(fēng)時每小時節(jié)省電能為:   △p= p1-p變2=561-307=254kw   根據(jù)電爐每日出鐵4次,每爐平均冶煉時間4h   共計節(jié)省電能w=△p×t=254×4=1016kw·h   按電費0.31元/ kw·h,每天4爐,每年300天計算,   節(jié)省電費:0.31×4×1016×300=377952.00元 (4)102#風(fēng)機   電機參數(shù)為:   p0=800kw u0=6000v i0=89.54a cosφ=0.90   原系統(tǒng)實際運行功率為p1≈595kw   在變頻低速(38hz)下運行時的功耗為:   p變1=n3p1 / η =0.763 ×595/0.80=208kw   變頻改造后在吹風(fēng)時,可以運行在38hz,可以滿足生產(chǎn)的需要。   變頻改造后在吹風(fēng)時每小時節(jié)省電能為:   △p= p1- p變2=595-208=387kw   根據(jù)電爐每日出鐵4次,每爐平均冶煉時間4h。   共計節(jié)省電能w=△p×t=387×4=1540kw·h   按電費0.31元/ kw·h,每天4爐,每年300天計算,   節(jié)省電費:0.31×4×1540×300=572880.00元 6 結(jié)束語 變頻改造后,節(jié)能是主要的,其次還能帶來很多其他的效益。 (1)變頻調(diào)速器其良好的可靠性以及調(diào)速范圍廣且平滑能滿足工藝要求,軟啟動,小的啟動電流亦可以減少對電網(wǎng)的沖擊; (2)變頻系統(tǒng)各種保護功能可靠,從而消除了因電機過載或單相運行而燒毀電機的現(xiàn)象,確保了安全運行; (3)減少了設(shè)備的維護和維修量,降低了維修費用; (4)減少了調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)次數(shù),降低員工的勞動強度; (5)改造后,精簡了控制程序,使操作更加方便,提高了生產(chǎn)效率,從而達到了節(jié)能降耗的目的。其綜合效益是特別明顯的。

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