產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在煤礦皮帶輸送系統(tǒng)中應(yīng)用綜述
1 引言
在煤礦上,運(yùn)輸系統(tǒng)主要由皮帶機(jī)、刮板輸送機(jī)和提升機(jī)組成,而在數(shù)量上以皮帶機(jī)為主。以往為了實(shí)現(xiàn)皮帶的軟啟動(dòng),需要使用液力耦合器或者液力軟啟動(dòng)器,這類(lèi)液力傳動(dòng)設(shè)備維護(hù)工作量大,能耗高,在機(jī)械上產(chǎn)生劇烈沖擊,加速機(jī)械的磨損;還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護(hù)等問(wèn)題都會(huì)給企業(yè)帶來(lái)很大數(shù)額的費(fèi)用問(wèn)題,已越來(lái)越不能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。隨著高壓變頻技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善,其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。對(duì)煤礦的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行變頻改造,對(duì)節(jié)約能源、增加煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都具有非常顯著的效果。
2皮帶機(jī)系統(tǒng)基本組成
皮帶機(jī)是用繞經(jīng)頭輪,尾輪而連接起來(lái)的膠帶,組成一條封閉的環(huán)形帶,通過(guò)電機(jī)受電,由電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能帶動(dòng)動(dòng)頭輪運(yùn)轉(zhuǎn),利用頭輪與皮帶之間的摩擦力帶動(dòng)皮帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
皮帶機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、煤炭等部門(mén),是煤礦的關(guān)鍵設(shè)備,它肩負(fù)著礦井上下輸送松散物料或成件物品的重任。根據(jù)輸送工藝要求,可以單臺(tái)輸送,也可多臺(tái)組成或與其他輸送設(shè)備組成水平或傾斜的輸送系統(tǒng),以滿(mǎn)足不同布置型式的作業(yè)線需要。
皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)分類(lèi)有以下三種方式:?jiǎn)螜C(jī)驅(qū)動(dòng),雙機(jī)驅(qū)動(dòng),多機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)示意圖分別如圖1,圖2,圖3所示。
圖1皮帶機(jī)單機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖
圖2皮帶機(jī)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖
圖3皮帶機(jī)多機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖
以2個(gè)拖動(dòng)電機(jī)為例,說(shuō)明皮帶系統(tǒng)主要組成:
(1)皮帶機(jī)機(jī)頭,是礦井的出煤口。皮帶從井底拖運(yùn)出來(lái)的煤經(jīng)過(guò)機(jī)頭位置時(shí),自動(dòng)被拋卸到礦井煤場(chǎng)。
(2)卸完煤后的空皮帶經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)向輪,分別通過(guò)1#電機(jī)拖動(dòng)的主動(dòng)滾筒,和2#電機(jī)拖動(dòng)的從動(dòng)滾筒后,皮帶在經(jīng)過(guò)一個(gè)導(dǎo)向輪運(yùn)行到井底完成一次運(yùn)煤過(guò)程。
(3)在礦井的底部,裝有皮帶張緊系統(tǒng),其主要作用是調(diào)節(jié)皮帶的松緊程度,防止皮帶過(guò)松導(dǎo)致的兩臺(tái)主動(dòng)輪打滑現(xiàn)象或者重載溜車(chē)現(xiàn)象,以及皮帶過(guò)緊導(dǎo)致的皮帶異常損傷。
(4)皮帶機(jī)制動(dòng)與逆止保護(hù)裝置。皮帶機(jī)除了變頻器的保護(hù)系統(tǒng)外,還有自身的一些保護(hù)措施,如油壓制動(dòng)系統(tǒng),逆止裝置等。現(xiàn)場(chǎng)的油壓制動(dòng)系統(tǒng)在兩臺(tái)動(dòng)力滾筒上各安裝了一套油壓剎車(chē)系統(tǒng)。在停車(chē)狀態(tài)或故障狀態(tài)下,兩臺(tái)油壓剎車(chē)處于制動(dòng)狀態(tài)。正常生產(chǎn)時(shí),剎車(chē)片處于松開(kāi)狀態(tài)。皮帶機(jī)的逆止裝置安裝在減速器的低速軸上。皮帶機(jī)出現(xiàn)重大故障,其它保護(hù)失效時(shí),逆止裝置通過(guò)機(jī)械力阻止重載皮帶向下溜車(chē)。
3 皮帶機(jī)的多種驅(qū)動(dòng)方式比較
目前國(guó)內(nèi)井下帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式常用的有:電氣軟啟動(dòng)、CST、液力偶合器、變頻器等。電氣軟啟動(dòng)實(shí)質(zhì)是降壓?jiǎn)?dòng),故機(jī)械特性偏軟,難于滿(mǎn)足功率的帶式輸送機(jī)重載啟動(dòng)的要求。通過(guò)以下比較,從驗(yàn)帶功能、功率平衡精度、節(jié)能、初期投資、后期維護(hù)等方面看,變頻驅(qū)動(dòng)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。各方面比較詳見(jiàn)表1所示。
表1皮帶機(jī)的多種驅(qū)動(dòng)方式
4煤礦皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析
皮帶系統(tǒng)中通常由1臺(tái)或2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶,但根據(jù)實(shí)際工況不同,也有3臺(tái)甚至4臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶的情況,這樣在變頻調(diào)速改造中就面臨多機(jī)驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理,對(duì)于滑差0.01的電機(jī),變頻器輸出頻率相差0.2%時(shí),將會(huì)導(dǎo)致約20%的輸出轉(zhuǎn)矩不平衡,在輕載時(shí),變頻器少量的輸出頻率差別,還會(huì)導(dǎo)致輸出頻率較低的變頻器進(jìn)入能量回饋狀態(tài),進(jìn)而發(fā)生過(guò)壓故障。因此一般需要采取有效的控制手段,平衡各電機(jī)出力。在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝不同,可以選擇不同的變頻控制方案。變頻控制皮帶機(jī)有多種方式,有一拖一控制,一拖二控制,一拖多控制,主從控制等。以現(xiàn)場(chǎng)比較典型的兩種方式進(jìn)行介紹如何控制。
4.1直接“一拖多”方案
此方案中,各電機(jī)定子繞組直接并聯(lián),統(tǒng)一由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。由于僅采用1臺(tái)變頻器,此方案具有成本低,占地小的特點(diǎn)。
此方案中,功率平衡尤為重要。當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)出力不均勻時(shí),必將導(dǎo)致一臺(tái)電機(jī)過(guò)載而另一臺(tái)電機(jī)欠載,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使過(guò)載的電機(jī)燒毀,甚至可能使變頻器主回路的IGBT模塊損壞變頻器無(wú)法對(duì)各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立的控制。而各電機(jī)的出力由電機(jī)參數(shù)和皮帶系統(tǒng)參數(shù)決定。其中,影響電機(jī)功率平衡的主要因素是電機(jī)的參數(shù)差異、電機(jī)動(dòng)力滾筒的直徑誤差和皮帶包絡(luò)角差異。誤差越大,系統(tǒng)中電機(jī)的功率差異就越大。在沒(méi)有人為的設(shè)計(jì)差別的情況下,一般上述誤差都是生產(chǎn)中的加工誤差。
電機(jī)動(dòng)力滾筒的直徑誤差在初期生產(chǎn)中會(huì)引起電機(jī)功率誤差,但由于皮帶系統(tǒng)的物理特性,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用和磨損后,這一誤差將逐漸減小。
對(duì)于功率較小,電機(jī)數(shù)量較少(一般不超過(guò)3臺(tái)),低成本應(yīng)用場(chǎng)合,可以選擇一拖多并聯(lián)運(yùn)行方案,這將大大降低變頻調(diào)速系統(tǒng)的采購(gòu)價(jià)格。
4.2多機(jī)“主從”控制方案
對(duì)于需要主動(dòng)進(jìn)行各電機(jī)出力均衡控制的場(chǎng)合,可采用主從控制方案。
現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)電機(jī)配置一臺(tái)變頻器,所有系統(tǒng)中的高壓變頻器由一臺(tái)“協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)”統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。該協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各變頻器反饋的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),協(xié)調(diào)各變頻器的運(yùn)行指令,各變頻器根據(jù)該指令對(duì)各自的電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立的控制,使各電機(jī)轉(zhuǎn)速相同、出力相同。多機(jī)主從控制皮帶機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖4所示。
圖4 多機(jī)主從控制皮帶機(jī)控制系統(tǒng)原理圖
控制過(guò)程如下:
以其中的一臺(tái)變頻器為主機(jī),其余的變頻器為從機(jī),對(duì)變頻器的輸出電流進(jìn)行采樣比較,通過(guò)改變從機(jī)的控制信號(hào),使其始終跟隨主機(jī)而變化。當(dāng)從機(jī)的電流大于主機(jī)時(shí),降低從機(jī)的給定信號(hào),從而使從機(jī)的輸出頻率減小,電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,負(fù)荷減輕,電流變?。划?dāng)從機(jī)的電流小于主機(jī)時(shí),提高從機(jī)的給定信號(hào),從而使從機(jī)的輸出增大,電機(jī)轉(zhuǎn)速升高,負(fù)荷加大,電流變大。最終使電機(jī)負(fù)荷基本一致,電流在允許的范圍內(nèi)。
5 皮帶機(jī)電控系統(tǒng)的工作原理
皮帶機(jī)在井下并不是單獨(dú)使用,往往是多部輸送機(jī)一起工作,因此啟動(dòng)順序必須是前一級(jí)設(shè)備啟動(dòng)后,下一級(jí)設(shè)備方可啟動(dòng)。在前級(jí)閉鎖解除后,對(duì)皮帶電控系統(tǒng)的各部狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)判斷,具備起車(chē)條件后,才能啟動(dòng)。皮帶電控系統(tǒng)控制原理如圖5所示。
圖5皮帶電控系統(tǒng)控制原理
(1)起車(chē)時(shí),皮帶電控首先對(duì)皮帶系統(tǒng)傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行判斷,如跑偏、堆煤、縱撕、急停閉鎖等,若各信號(hào)正常才能進(jìn)入下一程序;其次,根據(jù)皮帶機(jī)頭各傳感器返回的信號(hào)檢測(cè)制動(dòng)閘及各開(kāi)關(guān)狀態(tài)是否正常;最后,判斷皮帶張力是否在允許啟動(dòng)范圍內(nèi)。
(2)當(dāng)皮帶機(jī)各部分都處于正常狀態(tài),具備起車(chē)條件,才會(huì)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)發(fā)出起車(chē)指令后,變頻器起動(dòng)。操作臺(tái)發(fā)出變頻運(yùn)行信號(hào),變頻器按操作臺(tái)給定的運(yùn)行信號(hào)輸出頻率和電壓變化的電源,控制電機(jī)按給定的“S”形曲線軟啟。
(3)與此同時(shí),操作臺(tái)發(fā)出指令使抱閘打開(kāi),并檢測(cè)抱閘是否完全打開(kāi)。若抱閘未打開(kāi)或未完全打開(kāi),將關(guān)閉運(yùn)行信號(hào),同時(shí)給變頻器抱閘信號(hào)使變頻器急停,防止變頻器因堵轉(zhuǎn)而出現(xiàn)過(guò)流跳閘。
(4)當(dāng)皮帶達(dá)到額定速度,電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)皮帶速度與滾筒速度,當(dāng)二者速度差值超過(guò)規(guī)定值,緊急停車(chē),并發(fā)出打滑報(bào)警信號(hào)。
(5)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機(jī)電流、抱閘狀態(tài)、變頻狀態(tài)、PROMOS狀態(tài)等,當(dāng)任一項(xiàng)指標(biāo)或狀態(tài)不正常時(shí),系統(tǒng)緊急停車(chē)并報(bào)警。
6“一拖多”方案應(yīng)用案例
山西康偉集團(tuán)南山煤業(yè)有限公司位于沁源縣城西北約32.5km,靈空山鎮(zhèn)東南約2.5km的王莊村西,行政區(qū)劃屬靈空山鎮(zhèn)管轄。礦井核定生產(chǎn)能力90萬(wàn)噸/年,井田面積8.1554km2,批準(zhǔn)開(kāi)采1-11號(hào)煤層,服務(wù)年限28.7年。礦井設(shè)計(jì)采用斜井開(kāi)拓方式,綜采采煤方法,全部垮落法頂板管理方式。全井田共劃分為17個(gè)采區(qū),煤層開(kāi)采順序采用下行式,即按照1號(hào)煤層、2號(hào)煤層→3號(hào)煤層→6號(hào)煤層→11號(hào)煤層順序進(jìn)行開(kāi)采。
南山煤礦礦井皮帶有關(guān)參數(shù)如表2所示。兩臺(tái)電機(jī)銘牌中主要參數(shù)如表3所示。
現(xiàn)場(chǎng)采用一套新風(fēng)光公司生產(chǎn)的JD-BP38-710P高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),額定電壓10kV,額定電流51A,額定功率710kW,采用“一拖二”控制方案,主回路控制接線如圖6所示:
圖6一拖二控制一次接線圖
現(xiàn)場(chǎng)采用一臺(tái)710kW變頻器同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)315kW電機(jī),變頻器檢測(cè)2個(gè)部分的電流值:一個(gè)是變頻器總的輸出電流,另一個(gè)是1#電機(jī)的運(yùn)行電流。這樣,變頻器就可以通過(guò)計(jì)算得到2#電機(jī)的運(yùn)行電流,通過(guò)比較1#和2#電機(jī)的運(yùn)行電流來(lái)調(diào)整變頻器的輸出,來(lái)平衡兩臺(tái)電機(jī)的功率。
該變頻器于2010年12月1日調(diào)試,模擬調(diào)試與操作臺(tái)的對(duì)接信號(hào)正常后,進(jìn)行帶輕載聯(lián)動(dòng)調(diào)試正常。12月2日,設(shè)備進(jìn)行上煤進(jìn)行重負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)1#與2#電機(jī)輕微偏流現(xiàn)象,通過(guò)調(diào)整1#電機(jī)導(dǎo)向輪來(lái)調(diào)整皮帶包絡(luò)角后,2臺(tái)電機(jī)輸出電流基本一致,并成功投產(chǎn)運(yùn)行。該設(shè)備至今沒(méi)有出現(xiàn)任何故障。
7多機(jī)“主從”控制方案應(yīng)用案例
山西梗陽(yáng)投資有限公司是一個(gè)以煤炭生產(chǎn)、焦炭及化產(chǎn)品生產(chǎn)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)三大板塊為主的多元發(fā)展的現(xiàn)代企業(yè)集團(tuán)。公司總部設(shè)在省會(huì)太原市,公司總資產(chǎn)75億元,現(xiàn)有員工5000余人, “十二五”規(guī)劃年銷(xiāo)售收入達(dá)到100億元以上,是山西省大企業(yè)集團(tuán)之一。
山西呂梁中陽(yáng)梗陽(yáng)煤業(yè)有限公司是其下屬子公司之一,煤礦地處中陽(yáng)縣城西南約12km,年設(shè)計(jì)產(chǎn)能為120萬(wàn)噸。礦井提煤皮帶機(jī)建井初期采用315kW雙機(jī)拖動(dòng),隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,原有皮帶機(jī)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)運(yùn)煤的需要。煤礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)研究決定對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)煤系統(tǒng)進(jìn)行改造,皮帶機(jī)采用450kW雙機(jī)拖動(dòng),皮帶機(jī)以及拖動(dòng)電機(jī)具體參數(shù)如表4、5所示。
山西呂梁中陽(yáng)梗陽(yáng)煤礦皮帶機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采用2臺(tái)JD-BP38-630P(630kW/10kV)高壓變頻器分別控制2臺(tái)450kW高壓電機(jī),采用“一拖一”主從控制方案,主回路控制接線如圖7所示。
圖7 一拖一控制一次接線圖
對(duì)于兩機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶機(jī)變頻控制,為了有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的負(fù)載平衡控制,高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用主從方式進(jìn)行控制?,F(xiàn)場(chǎng)采用2臺(tái)630kW變頻器分別控制2臺(tái)450kW高壓電機(jī),如圖8所示,選用1#變頻器為主變頻器,2#變頻器為從變頻器,由操作臺(tái)發(fā)給主變頻器給定頻率值,主從變頻器之間采用ModBus總線通信,1#變頻器作為主控,檢測(cè)1#和2#電機(jī)的運(yùn)行電流,發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值,控制2#從變頻調(diào)速系統(tǒng)同步運(yùn)行。
圖8 皮帶機(jī)變頻器主從控制簡(jiǎn)圖
主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)均有外部信號(hào)連鎖控制和狀態(tài)、報(bào)警邏輯信號(hào)輸出,主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收本地或者遠(yuǎn)程的“啟動(dòng)”、“停機(jī)”和“緊急停機(jī)”指令,以及來(lái)自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“緊急停機(jī)”指令,從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收來(lái)自主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“啟動(dòng)”和“緊急停機(jī)”指令,同時(shí)接收從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)的“緊急停機(jī)”指令。在兩臺(tái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC邏輯程序中進(jìn)行邏輯互鎖,使得兩臺(tái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng),同時(shí)停機(jī)。
該套系統(tǒng)于2010年7月12日成功投運(yùn),至今運(yùn)行正常,沒(méi)有出現(xiàn)任何故障。
8采用高壓變頻器對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的優(yōu)越性
(1)真正實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動(dòng)。通過(guò)電機(jī)慢速啟動(dòng)帶動(dòng)皮帶機(jī)緩慢啟動(dòng),將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放,可將輸送機(jī)啟停時(shí)產(chǎn)生的沖擊減小,幾乎對(duì)膠帶不造成損害。
(2)降低膠帶帶強(qiáng)。由于變頻器啟動(dòng)時(shí)間可以在1~3600s內(nèi)調(diào)整,皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)間通常在60~120s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定。啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)大大降低對(duì)帶強(qiáng)的要求,減少設(shè)備初期投資。實(shí)際應(yīng)用中,由于降低了啟動(dòng)沖擊,機(jī)械系統(tǒng)的損耗也隨之降低,尤其托輥及滾筒壽命大大延長(zhǎng)。
(3)實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)采用主從或協(xié)調(diào)柜控制方式,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。
(4)驗(yàn)帶功能。低速驗(yàn)帶功能是皮帶機(jī)檢修的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)為無(wú)極調(diào)速的交流傳動(dòng)系統(tǒng),在空載驗(yàn)帶狀態(tài)下可調(diào)整0~100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速。
(5)平穩(wěn)的重載啟動(dòng)。變頻器低頻運(yùn)轉(zhuǎn)可輸出2.2倍額定力矩,適于重載啟動(dòng)。
(6)自動(dòng)調(diào)速。變頻器配合煤流傳感器可以根據(jù)負(fù)載輕重自動(dòng)調(diào)節(jié)膠帶速度,節(jié)電的同時(shí)還減少了膠帶的磨損。
(7)節(jié)能。對(duì)應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件,有時(shí),煤的產(chǎn)量是極不均勻的,當(dāng)然皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)煤量也是不均勻的,在負(fù)載輕或無(wú)負(fù)載時(shí),皮帶機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重,同時(shí)電能消耗也較低速運(yùn)行大得多,但因生產(chǎn)的需要皮帶機(jī)系統(tǒng)又不能隨時(shí)停車(chē),采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)對(duì)前級(jí)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷、本機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分別測(cè)量,這樣可控制變頻器降速或提速。對(duì)于載荷不均的皮帶機(jī)系統(tǒng),可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。
9 結(jié)束語(yǔ)
新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在多個(gè)煤礦多種控制方式的成功應(yīng)用,驗(yàn)證了風(fēng)光牌高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可滿(mǎn)足皮帶系統(tǒng)的多種控制需求。實(shí)踐證明,利用技術(shù)先進(jìn)、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制拖動(dòng)皮帶機(jī),提高了煤礦皮帶輸送系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平,節(jié)約了電能,大大降低了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量,帶來(lái)可觀的效益,切實(shí)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的號(hào)召,值得大力推廣。