发电厂燃煤锅炉燃烧plc控制系统设计本科学位论文.docx

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发电厂燃煤锅炉燃烧plc控制系统设计本科学位论文

发电厂燃煤锅炉燃烧控制系统设计

摘要

在热电厂中，以单位机组为控制对象有：

锅炉汽包水位控制、燃烧过程控制以及过热蒸汽温度，过热蒸汽温度控制又包括过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制。

其中，热电厂锅炉的燃烧控制对整个发电过程的安全性与经济性起着重要的作用，所以对它高效率的控制是现在热电厂的一个重要任务。

本文以一台工业控制机作为上位机，以西门子S7-300可编程控制机为下位机，系统通过变频器控制电机的启动，运行和调速。

上位机监控采用WinCC设计，主要完成系统操作界面设计，实现系统启停控制，参数设定，报警联动，历史数据查询等功能。

下位机控制程序采用西门子公司的STEP7编程软件设计，主要完成模拟量信号的处理，温度和压力信号的PID控制等功能，并接受上位机的控制指令以完成风机启停控制，参数设定，循环泵的控制和其余电动机的控制。

关键词:

热电厂；锅炉燃烧；单片机；控制

Coal-firedpowerboilersburningsingle

chipcontrolsystemdesign

Abstract

Thermalpowerplantboilercombustioncontrolplaysanimportantroleinsecurityandeconomyoftheentirepowergenerationprocess,thecontrolofitshighefficiencythermalpowerplantisanimportanttask.Inthispaper,theanalysisandstudyoftheentirecombustionsystem,theboilercombustioncontrolsystem,mainsteampressurecontrolsystemandthefurnacepressureandcontrolsystemcontrolprogram,thenitscontrollawandparameterselectionandtuning.Instrumentselection,usingadvanceddigitalinstrument,andusingtheCygnalmicrocontrollerdesignanintelligentcombustioncontrolsystem,giventhehardwareandsoftwareflowchart.ThecontrollertothenewC8051F020MCUasthecore,theuseoffuzzyPIDalgorithmforcomputingandcontrol,notonlycanbeanalog,digitalsignalsamplingandprocessing,butalsotocompletethestatedetectionandcontrol,alarmandfaulthandlingfunctions.Thecontrolsystemhasafast,highprecision,highreliabilityandasimplehardwarestructure.Finally,youcanreachtheboilersafe,economicalandefficientoperation.

Keywords:

heatandpowerplant;boilercombustion;microcontroller;control

第一章绪论

1.1研究目的和研究意义

热力电厂的一系列系统和生产流程和生产工艺，这些大致可以分为水处理系统、锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统、供配电系统、这样大的四个系统，其中锅炉是发电过程中必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可以驱动透瓶，又可以作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。

随着工业生产规模的不断增大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

锅炉的控制主要分为两大部分:

燃烧控制系统和汽包水位控制系统。

汽包水位一般采用三冲量控制，能达到较好的控制效果，而锅炉的燃烧过程，是一个多参数、多回路、非线性、大滞后、强祸合的控制系统，较难控制。

因此，自二十世纪九十年代以来，随着超大型可编程控制器的出现和模糊控制，国外就将自适应控制等智能控制算法技术应用于锅炉的控制。

使锅炉控制水平大大提高，实现了锅炉优化控制。

国内研究锅炉自动控制虽然现在也比较成熟，但主要是仪表显示、报表打印等功能，控制水平有限，可靠性不够高。

和国外锅炉自动控制比较仍存在一定的差距。

1.大多数现有的锅炉控制系统可控制的主要还是开关量设备，如风机、炉排和水泵的开关或者阀门控制。

不能对它们精确连续调节，使控制手段单一，控制精度低。

2.锅炉控制系统的的控制方案不够合理，锅炉控制器一旦出现故障，只能采取系统断电处理，进行人工操作。

若锅炉系统中的传感器、变送器等设备出现故障时，温度、压力等参数就无法达到设定值。

因此，本文根据热电厂锅炉控制流程，以C8051F020单片机为核心设计了一种火电厂锅炉燃烧煤空比的控制系统。

目的是提高电厂燃煤锅炉的控制水平。

节约能源，降低环境污染。

系统采用模糊PID算法进行运算和控制,不但可以实现对模拟、数字信号进行采样和处理,而且还可以完成状态检测和控制、报警以及故障处理等功能。

该控制系统具有速度快、精度高、可靠性高和硬件结构简单的特点。

最后可达到锅炉安全、经济、高效的运行。

1.2国内外研究现状

锅炉的自动化控制从上世纪三、四十年代就开始了，当时大都为单参数仪表控制，进入上世纪五十年代后，美国、前苏联等国家都开始进行对锅炉的操作和控制的进一步研究。

但由于当时科技发展的局限性，对锅炉的控制主要停留在使用汽动仪表（包括汽动单元组合仪表和汽动基地式仪表）的阶段，而且大多数锅炉只是检测工艺参数，不进行自动控制。

到上世纪六十年代，在发达国家，锅炉的控制主要以电动单元组合仪表（相当于我国的DDZ-II,DDZ-III仪表）检测与控制，还是以检测报警为主，控制为辅助功能。

到了上世纪七十年代，随着计算机技术和自动控制技术理论的发展，使得锅炉的计算机控制成为可能。

尤其是近一、二十年来，随着先进控制理论和计算机技术的飞速发展，加之计算机各种性能的不断增强，价格的大幅度下降，使锅炉应用计算机控制很快得到了普及和应用。

许多发达国家都相继开发出了锅炉计算机控制系统。

如今在国外，锅炉的控制己基本实现了计算机自动控制，在控制方法上都采用了现代控制理论中的最优控制、多变量频域、模糊控制等方法，因此，锅炉的热效率很高、锅炉运行平稳，而且减少了对环境的污染。

在国内，由于经济技术条件的限制，中小企业锅炉设备水平一直比较落后，大多数中小型锅炉水平基本上停留在手动和简单仪表操作的水平。

80年代中后期，随着先进的控制技术引入我国的锅炉控制，锅炉的计算机控制得到了很大的发展。

至90年代，锅炉的自动化控制己成为一个热门领域，利用单片机、可编程序控制器、工业计算机以及引进的国外控制设备开发的各种控制系统，己逐渐用于对原有锅炉的技术改造中，并向与新建炉体配套的方向发展，许多新的控制方法，诸如最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等自动控制的最新成果也在锅炉自动控制中得到了尝试和应用.但由于控制技术单一，或控制算法的建模往往不能反映真实的锅炉燃烧状况，导致在工程实践中并不怎么成功，不能产生很好的经济效益，挫伤了用户在工业锅炉上用计算机进行控制的积极性。

进入本世纪以来，为了进一步改善锅炉操作状况，降低能耗，确保安全运行，减少对大气的污染，同时随着人工智能理论的发展成熟，智能控制技术的大规模应用，对新一代锅炉计算机优化控制系统的开发和应用已势在必行且条件成熟。

国内供热锅炉燃烧系统自动控制大多在燃油和燃气锅炉上实现的，对于燃煤锅炉，在自动控制研究方面总是得不到满意的效果，存在的主要问题是滞后问题。

近几年变频技术在我国的应用领域越来越广，在锅炉控制方面也有应用，主要有三种形式，①全自动变频定压；②锅炉鼓、引风机变频控制；③循环泵变频控制，对系统进行质调节。

三种形式均有独立应用的范例，也有组合应用，但主要是以人工控制为主，节能效果仍然取决于司炉人员的经验，水平和责任意识。

近年来，建立在计算机基础之上的自动化监控系统进入了实际应用，它的主要任务是采集和管理各个生产环节的实时生产数据，对生产过程进行监视和控制，并保存历史数据和故障事件，提供报表输出和计算、分析SCADA系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它有两层含义：

一是分布式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机HMI（HumanMachineInterface，人机界面）系统，下位机通常是指硬件层上的，即各种数据采集设备，如RTU（RemoteTerminalUnit，远程终端测控单元）、PLC（ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器）及各种智能控制设备等等。

这些智能采集设备与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合，实时感知设备中各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，通过特定的数字通信网络传递到HMI系统中；必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。

上位机HMI系统在接受这些信息后，以适当的形式（如声音、图形、图像等方式）显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态（报警、正常或报警恢复）。

这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统（如MIS、GIS）结合形成功能更加强大的系统，HMI还可以接受操作人员的指令，将相应的控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。

一个完善的SCADA系统的建立，依托于高精度、智能化的一次仪表获取信息，准确无误的通讯手段传输数据和高效快捷的计算机处理能力。

SCADA系统所涉及到的技术比较广泛，有仪表技术、检测技术、通讯技术、网络技术等。

SCADA系统一般由企业生产调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点等组成。

它所具有的功能一般包括：

数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，网络功能等。

第二章热电厂的生产工艺及单元机组的自动控制系统

2.1热电厂的生产工艺

热力发电厂是利用煤燃烧的化学能产出电能的工厂，即为燃料的化学能→蒸汽的热势能→机械能→电能。

在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸汽的热能，在汽轮机中，蒸汽的热能转变为轮子旋转的机械能，在发电机中机械能转变为电能。

炉、机、电是火电厂中的主要设备，亦称三大主机。

辅助三大主机的设备称为辅助设备简称辅机。

主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统，如图2.1。

热力发电厂的原料就是原煤。

原煤用车运送到发电厂的储煤场，再用输煤皮带输送到煤斗。

再从煤斗落下由给煤机送入磨煤机磨成煤粉，并同时输送热空气来干燥和输送煤粉。

最后送入锅炉的炉膛中燃烧。

燃料燃烧所需要的热空气由送风机送入锅炉的空气预热器中加热，预热后的热空气，经过风道一部分送入磨煤机作干燥以及送煤粉，另一部分直接引至燃烧器进入炉膛。

图2.1锅炉燃烧流程图

燃烧生成的高温烟气，在引风机的作用下先沿着锅炉的倒“U”形烟道依次流过炉膛，水冷壁管，过热器，省煤器，空气预热器，同时逐步将烟气的热能传给过热器，省煤器，空气预热器以及空气，自身变成低温烟气，经除尘器和脱硫装置的净化后在排入大气。

煤燃烧后生成的灰渣，其中大的灰子会因自重从气流中分离出来，沉降到炉膛底部的冷灰斗中形成固态渣，最后由排渣装置排入灰渣沟，再由灰渣泵送到灰渣场。

大量的细小的灰粒（飞灰）则随烟气带走，经除尘器分离后也送到灰渣沟。

炉给水先进入省煤器预热到接近饱和温度，后经蒸发器受热面加热为饱和蒸汽，再经过热器被加热为过热蒸汽，此蒸汽又称为主蒸汽。

经过以上流程，就完了燃料的输送和燃烧、蒸汽的生成燃物（灰、渣、烟气）的处理及排出。

由锅炉过热器出来的主蒸汽经过主蒸汽管道进入汽轮机膨胀做功，冲转汽轮机，从而带动发电机发电。

从汽轮机排出的乏汽排入凝汽器，在此被凝结冷却成水，此凝结水称为主凝结水。

主凝结水通过凝结水泵送入低压加热器，有汽轮机抽出部分蒸汽后再进入除氧器，在其中通过继续加热除去溶于水中的各种气体（主要是氧气）。

经化学车间处理后的补给水成为锅炉的给水，再经过给水泵升压后送往高压加热器，然后送入锅炉。

循环水泵将冷却水（又称循环水）送往凝结器，这就形成循环冷却水系统。

以上流程，完成了蒸汽的热能转换为机械能，电能，以及锅炉给水供应的过程。

2.2热电厂单元机组的自动控制系统

在热电厂中，以单位机组为控制对象，可以讨论的控制系统有，锅炉汽包水位控制系统、燃烧过程控制系统以及过热蒸汽温度控制系统，过热蒸汽温度控制又包括过热蒸汽温度控制和再热蒸汽温度控制。

锅炉控制系统可以分为汽包水位控制系统和燃烧控制系统。

燃烧控制系统包括:

蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统和经济燃烧控制系统。

2.2.1汽包水位控制

汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一。

水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热器爆管;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管。

尤其是大型锅炉，例如，30万KW机组的锅炉蒸发量为1024t/h，而汽包的容积较小，一旦控制不当，则会在十几秒内使汽包内的水全部汽化，造成严重的事故。

故锅炉汽包给水控制系统的任务就是保证汽包水位在容许的范围内，并兼顾锅炉的平稳运行。

常用的水位控制系统有以下三种:

单冲量给水控制系统，即以水位为唯一调节信号的单参数、单回路控制系统;双冲量给水控制系统，以蒸汽流量作为补充信号的双参数控制系统;三冲量给水控制系统，以蒸汽流量和给水流量作为补充信号的三参数控制系统。

单冲量水位控制系统只根据水位变化去改变给水调节阀的开度。

对中小型锅炉，由于汽包相对对于负荷而言容量较大，水位受到扰动的反应速度较慢，虚假水位现象不是很严重。

因此一般采用单冲量控制方法就可满足生产要求。

双冲量控制系统引入蒸汽量作为补充信号，是为了克服虚假水位对控制的不良影响。

当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽流量信号起着超前的作用，可使水位还没出现变化时提前时调节阀动作，减小水位波动，从而改善控制品质。

但是，当给水压力波动引起给水流量发生变化时，双冲量控制方法只有当水位发生变化后才能进行控制，因此就不能迅速克服给水压力变化对水位的影响。

所以针对本文中的实际锅炉对象，给水控制系统采用三冲量控制方式。

一般三冲量给水系统分为单级三冲量给水调节系统和和串级给水控制系统。

蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。

控制任务是是过热器出口温度维持在允许的范围内，并且保护过热器使管壁的温度不超过允许的工作温度。

过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行和蒸汽用户设备都是不利的。

过热蒸汽温度过高过热器容易受损，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；过热温度过低，一方面使设备的效率降低，同时是汽轮机后几级的设备湿度增加，引起叶片的损坏。

所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定的范围内。

过热蒸汽温度控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及滞后都较大，组成单回路控制系统往往不能满足要求，因此常采用图2.3所示的串级控制系统，以减温水的出口温度为副参数，可以提高对过热蒸汽温度的控制质量。

过热蒸汽的温度控制有是还采用双冲量控制系统，如图2.4所示，这种方案实质上串级控制系统的变形，把减温器出口温度经过微分器作为一个冲量，其作用与串级的副参数相似。

图2.3串级控制系统

图2.4双冲量控制系统

2.2.2炉膛负压控制

锅炉在正常运行中，炉膛负压应保持在规定的范围内。

负压过大，漏风严重，总的风量增加，烟气热量损失增大，同时引风机的电耗增加，不利于经济燃烧;负压偏正，炉膛要向外喷火，不利于安全生产，有害于环境卫生。

所以炉膛负压必须进行自动调节，将其稳定在规定的范围内。

有文献采用PID控制系统，如图2.5所示。

图2.5炉膛负压控制系统图

2.2.3蒸汽压力控制

蒸汽压力是衡量蒸汽供求关系是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要参数。

蒸汽压力过或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。

压力太高，会加速金属的蠕变，压力太低，就不能提供给设备符合质量要求的蒸汽。

在锅炉运行过程中，蒸汽压力降低，说明负荷设备的蒸汽消耗量大于锅炉的蒸发量;蒸汽压力升高，表明负荷设备的蒸汽消耗量小于锅炉的蒸发量。

因此，控制蒸汽压力，是安全生产的需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。

锅炉蒸汽压力的变化是由于热平衡失调引起的.而影响热平衡的因素主要是燃烧热和蒸汽热，燃烧热的波动引起的热平衡失调称为“内扰”，而蒸汽热波动引起的热平衡失调为了克服内外扰对蒸汽压力的影响，在各个基本的单炉蒸汽压力控制系统中，输入到锅炉的燃烧热必须跟随蒸汽热的变化而变化.以尽量保持热量平衡同时根据蒸汽压力与给定值的偏差适当增减燃料量以增加或减少蒸汽压力。

锅炉压力控制系统原理如图2.6所示。

采用带前馈的串级PID控制模式。

主环压力控制根据蒸汽压力与设定值的偏差来调节燃料量以保证压力的稳定。

副环燃料控制器根据主环输出与前馈信号（即外扰）的合成指令去控制进入锅炉的燃料量，克服燃料量波动，从而使压力保持在稳定范围之内。

图2.6锅炉压力控制系统原理图

2.2.4经济燃烧控制

要使锅炉燃烧过程出现最佳工况，提高锅炉的效率和经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例。

否则，势必增加热量损失，降低经济技术指标，并造成对周围环境的污染。

1.传统的采用氧量计的燃烧控制系统

锅炉设备是一个复杂的被控对象，目前在国内动力行业广泛应用的燃煤锅炉中，普遍存在热效率低、浪费严重的问题。

虽然存在多种原因，但空气与煤粉的比例（风煤比）是否合适，则是影响燃烧效率的关键因素。

目前燃烧控制大多采用传统PID控制，其优点是特性直观，控制迅速，但其缺点亦很明显:

将风煤比简单地看成负荷（汽压）的单一函数并近似为比值关系。

然而在不同的负荷下。

合适的过剩空气率有很大变化，因此单纯的比值控制特性并不能保证锅炉在任何工况下达到最佳的燃烧状态;同时.对于不同的煤种及煤粉特性、炉排转速、煤层厚度不均匀等原因引起的燃料方面的扰动，其最佳过剩空气率亦有较大变化，使得单纯的PID控制很难实现经济燃烧。

燃料燃烧必须在足够的氧气环境下才能充分进行，故烟气中应含有一定的过剩空气。

目前，国内广泛采用的是固定风煤比加变氧量校正方案.该方案首先通过风煤比曲线粗调给风量，然后用烟气中含氧量加以校正.由于不同负荷下的过剩空气系数有所不同，所以采用变氧量校正方案可有效地解决这个问题，但这种方案同时也存在着一些问题.

（1）为了得到图2.7的曲线，需要司炉工经过相当长时间的观察。

在不同负荷下，根据燃烧状况最佳时的烟气含氧量数据进行一记录得到的，而且曲线的形状不能适应煤种的变化。

（2）锅炉生产过程中，烟道漏风增加、煤质变化、锅炉结垢等原因都会对最佳含氧量模型的参数产生影响。

（3）目前普遍使用的氧化错氧量计的价格昂贵，使用寿命短，含氧量测量的可靠性不高，很难使燃烧工作在最佳状态。

（4）氧量信号的滞后时间较长，当负荷突变时，燃料量突变，而氧量反应不及时，仍保持原来的送风量，造成燃烧不充分。

（5）由于燃烧不充分，烟气中会有大量的CO，所以单靠含氧量不能判定是否工作在最佳工作点。

图2.7最佳过剩空气系数与负荷的关系图

鉴于以上这些采用氧量计的燃烧过程的弊端，在本系统设计中，应采用以单片机为核心的炉膛温度为被控量的燃烧控制系统。

第3章硬件设计

3.1用户系统框图

系统运行的示意图如图3-1所示.

图3-1系统运行示意图

由图3-1可以看出，由输煤装置送入煤斗的原煤，直接落在缓缓向前移动的炉排进入燃烧室。

在燃烧室中燃烧的空气由炉排下的风机供给。

燃料燃烧所产生的高温烟气以辐射放热的方式向燃烧室四周的水冷壁传递热量，然后经防渣管进入对流烟道。

对流烟道是由烟墙隔成的。

对流烟道中布置有对流管束等受热面。

对流管束是与上、下锅筒连在一起的一簇管束，管内的水吸收烟道中的热量而升温。

一部分在上锅筒中被加热的高温水进入供水管道。

烟气在烟道中冲刷对流管束以及下锅筒放出热量后，进入尾部烟道，然后经引风机和烟囱排入大气。

排入大气的烟气温度越低，说明烟气的热量被吸收的越充分，燃料的热能被利用的程度越高，锅炉的热效率就越高。

锅炉是个较复杂的调节对象，为保证提供合格温度的热水供取暖需要，生产过程各主要工艺参数必须加以严格控制。

锅炉控制系统的基本控制任务和控制要求包括：

燃烧控制（炉膛温度控制、炉膛负压控制、引风控制、送风控制）；给水控制（供水运行参数和水压力、供水温度、供水流量等）；以及对各设备状态进行检测，以便进行显示、报警、工况计算以及指标打印等。

3.2锅炉系统控制的对象

通常在锅炉燃烧系统中，根据生产需要对风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应用户要求和运行工况。

而最常使用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调节受控对象。

这样，不论生产需求的大小，风机都会全速运转，而运行工况的变化则使得能量以及风门、挡板的节流损失消耗掉。

在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成能源浪费和设备损耗。

从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用居高不下。

在供暖锅炉系统中带有循环泵、补水泵等水泵类设备，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。

这样，不仅造成大量的能源浪费，管道、阀门等密封性能的破坏，还加速了泵腔、阀体的磨损和汽浊，严重时损坏设备而影响生产。

近年来，出于节能的迫切需求和对供暖质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。

用变频器来对异步交流电动机调速，是八十年代末迅速发展成熟的一项高新技术。

它的优点是：

调速的机械特性好，调速范围广，调速特性曲线平滑，可以实现连续、平稳的调速，尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可获得显著的节能效果。

变频调速应用于锅炉系统的风机和水泵等电机的自动控制中，其节能效果明显。

1.风机、水泵运行特性及常用方法的节能分析

（由于风机和水泵的运行特性相同，此处以风机为例来讨论它的特性）

（1）流量和压力

用H=F（Q）表示风机全压（包括静风压和动风压）与风量的关系风机的轴功率P为:

KW（3.1）

式中Q-风量,m3/h;

H-全压，kPa;

-风机效率。

电动机的输出功率Pm为:

KW（3.2）

式中

一传动机构的传动效率。

（2）流量和功率

在流体力学中，转速流量功率存在者下列关系:

（3.3）

由（3.3）式可知，风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

如果风量下降20%，可以采用调速的方法使转速下降20%,则风机的轴功率要下降到原值的51.2%;当风机量减少至50%时，风机的轴功率下降至原值的12.5%。

当然，风机速度大幅度下降时，风机效率也有所下降，实际需要的轴功率要高于上面的计算值。

即便这样，节电量也是相当可观的，因此，风机、水泵采用