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车间降温风机_变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析机械百


变频调速技术在风机、泵类应用中的节能分析
    一、引言 　　在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%~25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一。 　　而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。 　　八十年代末，该技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。 ?? 　二、综述 　　通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的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、维修费用高居不下。 　　泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，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，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。 　　风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。 　　近年来，出于节能的迫切需要和对产品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。 　　变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。 ?? 　三、节能分析 　　通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。 　　以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0,阀门全开时的管阻特性为r0,额定工况下与之对应的压力为H1,出口流量为Q1。流量-转速-压力关系曲线如下图所示。 ?? 　　在现场控制中，通常采用水泵定速运行出口阀门控制流量。当流量从Q1减小50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向I由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2。水泵轴功率实际值（kW）可由公式：P =Q?H／（η c?η b）×10-3得出。其中，P、Q 、H 、η c 、η b 分别表示功率、流量、压力、水泵效率、传动装置效率，直接传动为1。假设总效率（η c?η b）为1，则水泵由A点移至B点工作时，电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小50%至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，系统工作点将沿方向II由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为AQ1OH1和CQ2OH3的面积差。比较采用阀门开度调节和水泵转速控制，显然使用水泵转速控制更为有效合理，具有显著的节能效果。 　　另外，从图中还可以看出：阀门调节时将使系统压力H升高，这将对管路和阀门的密封性能形成威胁和破坏；而转速调节时，系统压力H将随泵转速n的降低而降低，因此不会对系统产生不良影响。 　　从上面的比较不难得出：当现场对水泵流量的需求从100%降至50%时，采用转速调节将比原来的阀门调节节省BCH3H2所对应的功率大小，节能率在75%以上。 　　与此相类似的，如果采用变频调速技术改变泵类、风机类设备转速来控制现场压力、温度、水位等其它过程控制参量，同样可以依据系统控制特性绘制出关系曲线得出上述的比较结果。亦即，采用变频调速技术改变电机转速的方法，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运行工况也将得到明显改善。 ?? 　四、节能计算 　　对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算： 　　　　1、根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量－负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。 以一台IS150-125-400型离心泵为例，额定流量200.16m3/h，扬程50m；配备Y225M-4型电动机，额定功率45kW。泵在阀门调节和转速调节时的流量－负载曲线如下图示。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小时运行在90%负荷，13小时运行在50%负荷；全年运行时间在300天。 ?? 　　则每年的节电量为：W1=45×11×（100%－69%）×300=46035kW?h 　　W2=45×13×（95%－20%）×300 =131625kW?h 　　W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW?h 　　每度电按0.5元计算，则每年可节约电费8.883万元。 　　2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P / P0=（n / n0）3计算，式中为P0额定转速n0时的功率；P为转速n时的功率。 　　以一台工业锅炉使用的22 kW鼓风机为例。运行工况仍以 24小时连续运行，其中每天11小时运行在90%负荷（频率按46Hz计算,挡板调节时电机功耗按98%计算），13小时运行在50%负荷（频率按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算）；全年运行时间在300天为计算依据。 　　则变频调速时每年的节电量为：W1=22×11×[1－（46/50）3]×300=16067kW?h 　　W2=22×13×[1－（20/50）3]×300=80309kW?h 　　W = W1＋W2=46035＋131625=177660kW?h ??　　挡板开度时的节电量为：W1=22×（1－98%）×11×300=1452kW?h 　　W2=22×（1－70%）×11×300=21780kW?h 　　Wd = W1＋W2=1452＋21780=23232 kW?h 　　相比较节电量为：W= Wb－Wd=96376－23232=73144 kW?h 　　每度电按0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费3.657万元。 　　某工厂离心式水泵参数为：离心泵型号6SA-8，额定流量53. 5 L/s，扬程50m；所配电机Y200L2-2型37 kW。对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下： ?? 　　流 量L/s 时 间（h） 消耗电网输出的电能（kW?h） 　　阀门节流调节 电机变频调速 　　47 2 33.2×2=66.4 28.39×2=56.8 　　40 8 30×8=240 21.16×8=169.3 　　30 4 27×4=108 13.88×4=55.5 　　20 10 23.9×10=239 9.67×10=96.7 　　合计 24 653.4 378.3 　　相比之下，在一天内变频调速可比阀门节流控制节省275.1 kW?h的电量，节电率达42.1%。 ?? 　　五、结束语 　　风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视，《中华人民共和国节约能源法》第39条就把它列为通用技术加以推广。实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在9个月到16个月的生产中全部收回。


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收录时间:2011年01月02日 11:32:24 来源: 作者:


              n  该切换控制方式优点：


              2  变频器输进、输出设计有隔离刀闸，便于变频器的维护与检验。


              2  该切换控制有两种起动方式,不论那种方式起动运行,都具有软起动功能,不造成对电网冲击.


              2  操纵方便，可以就地操纵，也可远程操纵，易于实现自动控制。


         


              4.变频调速系统控制方式


              (1)我方提供的CHH100变频器控制方式：


              我公司CHH100系列高压变频器在现场采用手动和自动两种方式控制：在检验,非生产时,采用手动控制方式,在正常生产时,采用自动控制方式.


              n  手动控制方式


              值班电工根据压缩机进口所要求的压力(流量), 通过在远程监控反馈信号,手动调节频率给定信号,从而达到满足风机需要的风量和风压要求。


              n  自动控制方式


              自动控制方式有两种选择，一是压缩机进口要求控制的压力值由手操器给定(4~20mA电流信号)，压缩机进口反馈信号经压力变送器检测后，再由DCS供给。压力比较和PID运算均由DCS完成，其变换出来信号作为变频器给定信号，以控制电动机转速，使压缩机进口的压力稳定在压力设定值上，达到自动跟踪压缩机进口压力的目的。同时，通过变频器的模拟量输出接口将压缩机进口压力、实际电压、电流、频率反馈到DCS监控系统上。变频器仍然作为一个执行机构，类似挡板特性，只是时间系数需要重新调整，这种调节方式比较简便公道，只需要DCS根据以往的工频调节方式增加变频调节回路，以前的工频挡板控制方式继续保存备用。另一种方式是压缩机进口反馈信号送至变频器进行变换和处理，变频器本身也具有PID功能。实现频率的自动调整,也就是说对风机电机的转速进行控制,以达到根据负荷变化而调整输出功率、稳定压缩机进口压力和节能降耗的目的。根据以往的工程经验，建议采用DCS完成自动调节功能。


         


              (2).高压变频用具有远程和本机控制功能。


              高压变频用具有远程和本机控制功能。本机控制时通过高压变频器控制柜上触摸屏可就地人工启动、停止高压变频器，可以调整电机转速、频率。远程控制放在控制室，设有操纵台和上位机，由配电工操纵控制。通过上位机配电工可以随时了解设备的运行情况，通过操纵台可实现对高压变频器进行简单的远方操纵。配电工可以根据工况自由选定高压变频器“手动/自动”调速运行。


         


              四.现场运行情况


              煤气脱硫罗茨风机所配置的高压变频器（型号CHH100-0900-06，额定电压6KV，额定电流106A）于2009年12月11日开始安装就位；2009年12月15日开始一次调试成功投进运行。装调试周期都很短，为系统的正常生产提供了有利的保证。该煤气脱硫罗茨风机是技改项目,所配套电机和辅助高压配电控制柜及水阻软起动柜。


         


              五.节能效果


        1．罗茨风机变频调速节能原理


        １.１罗茨风机的理论流量与转子转速的关系式为：


        　　　　　　　　


        Qth=(丌/2)D2LλN　　　　　　　　　　　(1)


        式中：　Qth??理论流量，m3/min             D??叶轮外径，m


        　　　　　　L??叶轮长度，m                    N??叶轮转速r/min


        λ??面积利用系数；表征风机气缸空间的有效利用程度（圆弧一渐开线型线的面积利用系数λ＝0.563～0.521）


        １.２ 罗茨风机的实际流量Q，为：


        　Q＝Qthη　　　　　　　　　　　　(2)


        式中：η??容积效率，一般为0.7～0.9


        由（１）和（２）可知，对每一台具体的罗茨风机，其叶轮外径长度和面积利用系数都是一个定值，当可忽略容积效率的变化时，罗茨风机的流量正比于转速．


        １.３功率特性


        罗茨风机的轴功率为：


        　　　　　　　　　　P =( QthΔH)/6000β                   (3)


        式中：    P??轴功率，KW                        Qth??理论流量，m3/min


        ΔH??风机进出口压差，Pa                β??机械效率，一般为0.9


        由式（１）和（３）可知，当罗茨风机转速变化时，其轴功率与转速成正比，


        １.４转矩特性


        罗茨风机的转矩为：


        　　　　　　　　M=9552(P/N)                              (4)


        由于罗茨风机的轴功率与转速在正比，因此式（４）可知，当转速变化时，转矩不变，即罗茨风机属于恒转矩运行．


        可见罗茨风机风量Q和电机的转速n是成正比关系的，而轴功率P与转速也是成正比关系。所以当需要80％的额定风量时，通过变频调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40赫兹即可，这时所需功率将仅为原来的80％．


        考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，罗茨风机类通过调速控制可节能  10％～40％。


        ,屋顶负压风机厂家;2.节能效益计算如下：              


        实测节能比较


        2009年12月20日在中化平原化工有限公司煤气脱硫罗茨风机现场通过丈量仪表进行丈量数据如下表:

 


         测试结果表明,


        900 KW/6KV煤气鼓风机在阀门调节和变频调节的节能比较如下表:


         


              可见，投进一台深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器后，该项目全年节约电费均可达45万元左右。另外，由于深圳市英威腾电气股份有限公司生产的CHH100系列高压变频器功率因数可达0.95以上，大于电机功率因数0.89，减少大量无功。并且实现电机软启动，可避免因大电流启动冲击造成对电机尽缘的影响，减少电机维护量，节约检验维护用度，同时电机寿命大幅度延长。减轻了运行职员的劳动强度，深受运行职员和维修职员的欢迎。




对风机偏航系统的理解
    
对风机偏航系统的理解
作者：国电联合动力技术（连云港）有限公司技术部 张超产
偏航系统的作用

偏航系统是风力发电机组特有的伺服系统。它主要有两个功能：一是使风轮跟踪变化稳定的风向;二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解缆。

偏航控制系统

偏航系统是一个随动系统，风向仪将采集的信号传送给机舱柜的PLC的I/O板，计算10分钟均匀风向，与偏航角度尽对值编码器比较，输出指令驱动四台偏航电机（带失电制动），将机头朝正对风的方向调整，并记录当前调整的角度，调整完毕电机停转并启动偏航制动。偏航控制系统框图如下图所示：

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下文将对偏航控制系统的各机构进行分析：

1、风速仪

风力发电机组应有两个可加热式风速计。在正常运行或风速大于最小极限风速时，风速计程序连续检查和监视所有风速计的同步运行。计算机每秒采集一次来自于风速仪的风速数据；每10min计算一次均匀值，用于判别起动风速和停机风速。丈量数据的差值应在差值极限1.5m/s以内。假如所有风速计发送的都是公道信号，控制系统将取一个均匀值。

2、风向标

风向标安装在机舱顶部两侧，主要丈量风向与机舱中心线的偏差角。一般采用两个风向标，以便互相校验，排除可能产生的误信号。控制器根据风向信号，起动偏航系统。当两个风向标不一致时，偏航会自动中断。当风速低于3m/s时，偏航系统不会起动。

3、扭揽开关

扭缆开关是通过齿轮咬合机械装置将信号传递PLC进行处理和发出指令进行工作的。除了在控制软件上编进调向记数程序外，一般在电缆处安装行程开关，当其触点与电缆束连接，当电缆束随机舱转动到一定程度即启动开关。以国内某着名公司生产的1.5MW风机为例，当机身在同一方向己旋转2转(720度)，且风力机不处在工作区域(即10分钟均匀风速低于切进风速) 系统进进解缆程序。解缆过程中，当风力机回到工作区域(即10分钟均匀风速高于切进风速)，系统停止解缆程序，进进发电程序，但当机身在同一方向己旋转2.5转(900度)偏航限位动作扭缆保护，系统强行进进解缆程序，此时系统停止全部工作，直至解缆完成。当风速超过25 m/s时，自动解缆停止。 自动解除电缆缠绕可以通过人工调向来检验是否正常。当调向停止触点由常闭进进常开状态时，风机自动解除电缆缠绕，此时风力发电机应不处于维修状态，因此自动调向功能在维修状态时无法使用。

4、偏航编码器

偏航编码器是一个尽对值编码器，可以正确记录偏航位置。由于尽对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就往读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大进步了。

5、软启动器

软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接进电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路，使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束,六叶模压风机，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，进步其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

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图1 软启动器控制电机的主电路图

图1为软启动器控制电机的主电路图，图2为电机启动电压变化曲线，图三为软启动器的接线图和电气图。

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图2 电机启动电压变化曲线

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图3 软启动器的接线图和电气图

6、偏航机构

偏航系统是由回转支撑轴承、弹簧阻尼装置和四台电机驱动的齿轮传动机构组成的 。带有内齿的偏航轴承用螺栓连接在塔筒顶部，外环与机舱座连接，内环与塔架法兰连接。在偏航系统中驱动机构一般都是由电机加减速机构成，电机是偏航的动力来源，减速机是将电机输出的高速转变成低速的机构，那么在一般的偏航系统中偏航刹车部分一般由两部分组成，一个是安装在驱动电机后真个电机电磁制动器，一部分是安装在偏航轴承四周的液压偏航。偏航时10个刹车盘处于半开释状态,换气负压风机，偏航系统压力约45bar; 自动解缆时刹车盘处于全开释状态。(end)

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收录时间:2011年01月27日 22:50:13 来源:国电联合动力技术（连云港）有限 作者:

???? 　　风机包括通风机、透平鼓风机、罗茨鼓风机和透平压缩机，详细划分包括离心式压缩机、轴流式压缩机、离心式鼓风机、罗茨鼓风机、离心式通风机、轴流式通风机和叶氏鼓风机等7大类。未来风机发展趋势和方向分析如下： 　　从风机需求特点预测对于使用量大面广的中小型风机，产品结构及制造工艺比较简单，成本也较低，用户主要追求的是高效率、低噪声、长寿命，且价格便宜。另一种是资金、技术密集型，产品结构复杂，制造周期长，成套性和系统性也强，而且在高压、高温及高速条件下运行，有的甚至在恶劣工况下运行，用户对该类风机各有不同要求。对透平鼓 风机和压缩机及大型通风机，用户主要追求的是高质量、高可靠性、运转平稳且周期长。 　　从主要领域需求结构预测一般通风换气风机（一般为中小型离心和轴流通风机）使用最广泛，需求量最多，制造厂商也最多。总体讲，这类产品供大于求。特殊用途风机（包括防腐风机、高温风机、耐磨风机、消防排烟风机等）需求量虽然不很大，但因作业环境特殊，需要区别对待，因为主要材质要求较特殊。罗茨鼓风机的最大特点是当压力在允许 范围内调节时，流量变化甚微，压力选择范围宽，具有强制输气特征，主要缺点是噪声较大。近年来，通过引进技术、合资及自行开发等，我国已推出噪声较低的三叶罗茨鼓风机，颇受用户欢迎，市场前景较好。透平压缩机（包括离心压缩机、轴流压缩机和轴流-离心复合式压缩机） 是重大工程成套装置重要 设备 ，在国民经济中起着重要作用。对透平压缩机的性能要求既要压力高，又要流量大。随着成套装置大型化，要求透平压缩机参数越来越高。如高炉冶炼装置、大型煤化工装置、大型化肥装置、大型乙烯装置、大型空分装置、天然气管线输送装置及油田注气装置等。这类产品需求量占风机总量很少，但由于重要，以及结构复杂，制造周期长，技术含量高，因此，有比较好的经济效益和社会效益。透平压缩机制造水平代表了风机行业整体水平。 　　从国内市场容量预测风机根据不同压力和流量等要求，差异很大。因此，风机需求应按其类型、大小加以区别，按不同行业需求情况来预测。据不完全统计，全国风机产量从1 980年到1996年，年均增长率为13.8％。预计2005年全国风机总产量在260万～290万台之间，201 0年将达310万～325万台。根据风机行业历年统计，预测离心式压缩机2005 年产量为160万～180万台， 2010年将达200万～210万台；轴流压缩机2005 产量为26万台，2010年预计达36万台；透平压缩机和鼓风机2005年市场占有率可达70％左右。 　　从国外市场预测中国通用机械风机行业协会会员单位2000年出口风机7969台，出口交货值为8115 .7万元。1991年～2000年出口风机总台数为72876台，出口交货总值为74726万元。 　　目前，全球经济一体化趋势越来越明显，各国经济将进一步互相依存，国际经济合作和交往日趋紧密，国际市场处在大幅度交叉和融合阶段。同时，全球性产业结构调整步伐正在加快，国际分工规模和深度都出现重大进展，发达国家不断将工业生产转向资本密集型和技术密集型行业，劳动密集型产品向发展中国家和地区转移。这为我国发挥自身优势，跻身国际市场提供了很好的发展机遇。 　　国内从20世纪70年代开始引进国外离心压缩机先进技术，经过消化吸收和创新，提高了产品档次。只要保证质量和交货期，利用价格优势，在国际上是有竞争力的。特别是中国加入WTO后，增加风机出口是完全可能的。从历史情况分析，主要出口品种是中小型通风机以及风机配件。国内生产这类风机的企业，主要差距是表面质量达不到出口要求，若提高外观质量，又具有价格优势，在国外市场的前景是广阔的。从1991年～2000年风机出口情况看，中小型通风机出口不够稳定，没有明显增长趋势。但随着技术不断进步，预计这类风机出口量会不断增加，预测在 2000年基础上会以5％左右的年均速度递增。 　　离心式压缩机和鼓风机从1991年到2000年出口有较明显的增加，2000 年已达到87台。主要出口国是印度、巴基斯坦、伊朗、越南等发展中国家。预计这种趋势还会发展，每年可达到100台。 　　综上所述，未来几年风机市场会有较大发展，其中中小型风机国内市场需求也会相应增长，但总体供大于求。国家在宏观调控方面，应出台相应的经济政策，限制这类企业进一步发展，鼓励扩大出口，开拓国外市场。对于透平压缩机，国内只有沈阳鼓风机厂、陕西鼓风机（集团） 有限公司、上海鼓风机厂有限公司、重庆通用（集团）有限责任公司等 少数企业能够生产，目前国内市场占有率只有50％。因此，对这类产品国家不但不能限制其发展，在宏观调控上还应给予支持，鼓励用户使用国产化设备。同时，对这类设备的出口也应给予相应支持。 相关阅读:

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