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    當(dāng)前技術(shù)條件下火電機(jī)組最大單機(jī)容量的探討

    2011-03-04 12:08:38劉鶴忠葉勇健
    電力建設(shè) 2011年2期
    關(guān)鍵詞:軸系單軸出力

    劉鶴忠,葉勇健

    (華東電力設(shè)計(jì)院,上海市,200063)

    0 引言

    從20世紀(jì)90年代起,日本、歐洲和我國投運(yùn)了一批1 000MW等級的火電機(jī)組。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截止2010年6月,日本投運(yùn)的1 000MW等級機(jī)組共9臺,歐洲(德國)投運(yùn)的1 000MW等級機(jī)組1臺,中國投運(yùn)的1 000MW等級機(jī)組共25臺。這些機(jī)組均為超超臨界參數(shù),主蒸汽壓力為24.6~27 MPa,溫度為566~600℃,再熱蒸汽溫度為593~610℃,其中以主蒸汽、再熱蒸汽溫度均為600℃的為主流機(jī)型。除了日本的4臺機(jī)組為雙軸汽輪發(fā)電機(jī)配置外,其他的均為單軸機(jī)組。在此之前,美國在20世紀(jì)70—90年代初共投運(yùn)了9臺1 300MW機(jī)組,機(jī)組的參數(shù)均為主蒸汽壓力24.2 MPa、溫度538℃,再熱蒸汽溫度538℃。前蘇聯(lián)于1982年投運(yùn)了1臺1 200MW機(jī)組,在停運(yùn)高加的工況下最大出力可達(dá)1 400MW,機(jī)組參數(shù)為主蒸汽壓力23.5MPa、溫度540℃,再熱蒸汽溫度540℃。美國和前蘇聯(lián)的1 200、1 300MW機(jī)組均為超臨界參數(shù),和國際上主流的1 000MW超超臨界機(jī)組相比在效率上有較大的差距。

    目前,國際上主要火電大國均在考慮建造更大容量和更高參數(shù)的超超臨界機(jī)組。提高機(jī)組的參數(shù)需要依靠更高等級熱強(qiáng)鋼的開發(fā),需要技術(shù)和資金上的大量投入,而且一種新材料的成熟也需要經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。因此,世界范圍內(nèi)除了極個(gè)別的中小容量的試驗(yàn)機(jī)組正準(zhǔn)備建設(shè)外,近期還未有批量進(jìn)入商業(yè)建設(shè)和投運(yùn)的可能。在現(xiàn)有參數(shù)的基礎(chǔ)上,開發(fā)更大容量機(jī)組的技術(shù)難度較低,風(fēng)險(xiǎn)相對較小,成本也更經(jīng)濟(jì)。因此國內(nèi)外的電力公司均有建設(shè)更大容量機(jī)組的意向,主要發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)也在進(jìn)行這方面的技術(shù)儲備,如德國和荷蘭正在建設(shè)1 100MW等級的火電機(jī)組。我國的發(fā)電集團(tuán)均對建設(shè)1 200~1 400MW等級的火電機(jī)組表示出一定的興趣,一些項(xiàng)目已經(jīng)處于前期技術(shù)準(zhǔn)備階段。

    本文就目前的主機(jī)技術(shù)條件下,采用當(dāng)前材料能夠滿足的超超臨界參數(shù)(25~30 MPa,600℃等級),經(jīng)過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)開發(fā),近期可能實(shí)現(xiàn)的最大機(jī)組容量進(jìn)行分析,以供在工程前期進(jìn)行機(jī)組選型時(shí)參考。

    1 現(xiàn)有條件下鍋爐能夠達(dá)到的最大容量

    鍋爐的蒸發(fā)量、煤耗量和煙氣量是影響鍋爐大小的重要參數(shù)。一般而言,機(jī)組容量越大,鍋爐蒸發(fā)量越大,鍋爐的體積就越大。另一方面,鍋爐的體積大小與鍋爐的設(shè)計(jì)煤質(zhì)參數(shù)有很大關(guān)系,有些煤種發(fā)熱量低,相同的鍋爐蒸發(fā)量所需要的煤耗量大,導(dǎo)致產(chǎn)生的煙氣量大,則鍋爐需要更大的體積。有些煤種的結(jié)焦性強(qiáng),設(shè)計(jì)時(shí)要求爐膛的截面熱負(fù)荷和容積熱負(fù)荷較小,則鍋爐爐膛較大。另外,鍋爐的大小與爐型有關(guān)。同等蒸發(fā)量的條件下,塔式鍋爐的截面積小于Π型鍋爐,而爐膛高度和鍋爐大板梁高度高于Π型鍋爐。

    鍋爐容量的增加導(dǎo)致爐膛高度、長度和寬度的增加,使得爐頂大板梁的尺寸、剛性梁的尺寸、燃燒器的數(shù)量等相應(yīng)增加。其中大板梁是制約鍋爐向更大容量發(fā)展的主要因素。

    隨著鍋爐出力的增加,鍋爐受熱面質(zhì)量也相應(yīng)增加,據(jù)估算,1 200MW鍋爐比相同條件下1 000MW鍋爐的金屬總質(zhì)量增加約3 500 t,1 300MW鍋爐比相同條件下1 000MW鍋爐的金屬總質(zhì)量增加約6 000 t。同時(shí),大板梁的跨距因爐膛尺寸的增加而增加。目前1 000MWΠ型鍋爐的寬度已經(jīng)相當(dāng)大,設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)輸存在一定難度,1 200MW及以上容量的鍋爐將面臨更大困難。根據(jù)初步的設(shè)計(jì),1 200MW以上鍋爐的部分大板梁高度增加,將由1 000MW鍋爐上下兩疊對接的方式變?yōu)槿B對接,制造工藝的要求將大大高于兩疊方式,特別是豎向垂直度難以保證,大板梁容易形成扭矩。如某鍋爐廠設(shè)計(jì)的1 200MW鍋爐的規(guī)格最大的大板梁的尺寸為H1 1 000mm× 1 600mm×60mm×120mm,垮距為45.3m,其高度和寬度都非常大。這樣的大型大板梁的設(shè)計(jì)難度很大,特別是該大板梁高跨比接近1:4,其對剪切應(yīng)力的影響以及剪切應(yīng)力對變形的影響需要在設(shè)計(jì)中予以充分重視。另外,上下三疊對接的大板梁對安裝也提出了很高的要求,尤其當(dāng)中、下梁在空中組裝好以后,由于自重較重、跨度又很大導(dǎo)致自重引起的變形會(huì)非常大,上梁就位的難度較1 000MW鍋爐進(jìn)一步加大。

    我國的鍋爐設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)程對鍋爐爐膛的防結(jié)渣性能較為關(guān)注,選用的爐膛截面熱負(fù)荷相對較小,這導(dǎo)致了相同出力的鍋爐按照我國的設(shè)計(jì)規(guī)程設(shè)計(jì)爐膛截面尺寸較大。這種趨勢對于我國更大容量的鍋爐設(shè)計(jì)也將延續(xù)下去。表1列出了國內(nèi)外現(xiàn)有的900、1 000、1 300MW等級爐膛典型尺寸,以及預(yù)計(jì)的按照我國爐膛截面熱負(fù)荷選取的1 200MW等級和1 400MW的鍋爐爐膛尺寸。

    表1 國內(nèi)外900、1 000、1 300MW等級的爐膛尺寸Tab.1 Furnace size of typical 900 MW, 1 000 MWand 1 300 MWboilers

    制約鍋爐向更大容量發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)計(jì)、制造因素并非不能克服。相同蒸發(fā)量下褐煤鍋爐的尺寸比煙煤鍋爐的尺寸增加不少,德國在建的1 100MW褐煤塔式鍋爐的尺寸,等同于1 400~1 500MW出力的煙煤塔式鍋爐尺寸。美國在30年前制造的1 300MW機(jī)組,由于早期的超臨界機(jī)組整體效率低,其鍋爐的蒸發(fā)量等同于采用目前技術(shù)的1 400MW超超臨界機(jī)組的鍋爐蒸發(fā)量。因此,無論是塔式鍋爐還是Π型鍋爐,以目前的技術(shù)條件及可預(yù)見的技術(shù)發(fā)展趨勢,近期內(nèi)有能力制造出1 400~1 500MW超超臨界煙煤鍋爐。

    2 現(xiàn)有條件下汽輪機(jī)能夠達(dá)到的最大容量

    2.1 概況

    現(xiàn)役的大容量(即1 000MW及以上容量)汽輪機(jī)按照布置方式可分為單軸汽輪機(jī)和雙軸汽輪機(jī)。采用雙軸汽輪機(jī)的機(jī)組20世紀(jì)70、80年代以美國機(jī)組居多,90年代后期及21世紀(jì)前10年以日本機(jī)組居多,而我國和歐洲基本上都采用單軸機(jī)組。對于汽輪機(jī)的最大出力,主要的制約因素為長軸系穩(wěn)定性、汽輪機(jī)排汽面積(全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)末級葉片長度)以及各級汽缸的最大出力和汽缸的數(shù)量。

    本文討論的汽輪機(jī)由1個(gè)高壓缸、若干個(gè)中壓缸、若干個(gè)低壓缸組成,布置型式為單軸汽輪機(jī)和雙軸汽輪機(jī),再熱型式為一次再熱汽輪機(jī)和二次再熱汽輪機(jī)。

    國內(nèi)外主要的汽輪機(jī)制造廠均采用模塊化的汽輪機(jī)設(shè)計(jì),通過不同的高、中、低壓缸模塊的搭配,設(shè)計(jì)出不同出力的汽輪機(jī)。本文通過對現(xiàn)有的汽輪機(jī)模塊的分析,并考慮對現(xiàn)有模塊的適當(dāng)改進(jìn),如適當(dāng)增加進(jìn)汽參數(shù)和增加通流面積,分析現(xiàn)有技術(shù)條件下汽輪機(jī)的最大出力。

    2.2 長軸系穩(wěn)定性的制約因素

    汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的穩(wěn)定性至關(guān)重要,軸系的穩(wěn)定性與整個(gè)軸系的長度、各級轉(zhuǎn)子的撓度、各級轉(zhuǎn)子的振型、各級轉(zhuǎn)子的支撐形式、各級轉(zhuǎn)子間的連接形式等因素有關(guān)。通常,整個(gè)軸系越長,轉(zhuǎn)子撓度越大,振型越多,軸系穩(wěn)定性相對越差,按目前的技術(shù)條件,汽輪機(jī)單軸不宜超過5個(gè)缸。世界上已經(jīng)投運(yùn)的700MW以上的汽輪機(jī)均采用高、中壓缸分缸,對于1 000MW的汽輪發(fā)電機(jī)組一般為1個(gè)高壓缸,1個(gè)中壓缸、2~3個(gè)低壓缸和發(fā)電機(jī)。軸系長度的限制導(dǎo)致不能通過增加汽缸的數(shù)量來增加單軸汽輪機(jī)的出力。

    2.3 低壓缸排汽面積的制約因素

    隨著機(jī)組功率的增加,低壓缸的排汽能力也需要相應(yīng)增加。機(jī)組出力越大、背壓越低(排汽比容越大),需配置更大排汽面積的低壓缸,或更多的低壓缸。目前全速3 000 r/m in大容量機(jī)組中已普遍采用長度為1 000~1 200mm的末級葉片,排汽面積為9~11m2。各國公司目前都致力于開發(fā)更長、排汽面積更大的末級長葉片,已經(jīng)開發(fā)的部分用于50Hz、3 000 r/m in的汽輪機(jī)低壓缸長葉片見表2。

    表2 各公司開發(fā)的低壓缸長葉片Tab.2 The latest long blades of IP turbines developed byvarious manufactures

    1 000MW機(jī)組如果背壓為4.9 kPa,排汽面積約為44m2,折算到1 200MW機(jī)組排汽面積約為53m2,1 300MW機(jī)組排汽面積約為57m2,1 400MW機(jī)組排汽面積約為62m2,1 500MW機(jī)組排汽面積約為66m2。由表2可見,如采用2個(gè)低壓缸,大部分末級葉片都不適合1 200MW及以上的機(jī)組,如采用3個(gè)低壓缸,一些末級葉片甚至能勝任1 500MW的機(jī)組。

    2.4 高壓缸和中壓缸出力的制約因素

    單軸一次再熱汽輪機(jī)由于軸系穩(wěn)定性條件制約了汽缸的總數(shù),700~1 200MW汽輪機(jī)均采用1個(gè)高壓缸、1個(gè)中壓缸和若干個(gè)低壓缸的型式,將來更大容量的單軸汽輪機(jī)也必然采用這種模式。雖然中壓缸相比于高壓缸其進(jìn)汽壓力降低,蒸汽體積流量增加,但是總體而言中壓缸的運(yùn)行條件優(yōu)于高壓缸。就高壓缸和中壓缸而言,單軸一次再熱汽輪機(jī)的中壓缸的設(shè)計(jì)和制造難度不會(huì)高于高壓缸,制約單軸汽輪機(jī)總出力的瓶頸是高壓缸。

    對于雙軸一次再熱汽輪機(jī),由于每個(gè)軸的軸系都縮短了,甚至可以采用2個(gè)中壓缸。大容量汽輪機(jī)的軸系布置有2種方案:方案1,高壓軸系為高壓缸-中壓缸-中壓缸,低壓軸系為2~3個(gè)低壓缸;方案2,高壓軸系為高壓缸-低壓缸-低壓缸,低壓軸系為中壓缸-中壓缸-低壓缸。因此對于雙軸一次再熱汽輪機(jī),如需進(jìn)一步提高機(jī)組出力,高壓缸仍然比中壓缸更關(guān)鍵。

    對于二次再熱汽輪機(jī),一般配置為高壓缸、第1中壓缸、第2中壓缸、低壓缸(有的制造廠將高壓缸稱為超高壓缸,將第1中壓缸稱為高壓缸、第2中壓缸稱為中壓缸)。對600~700MW等級汽輪機(jī)的汽缸配置為1個(gè)高壓缸和第1中壓缸合缸、1個(gè)第2中壓缸、2個(gè)低壓缸,整個(gè)軸系為4個(gè)汽缸,單軸布置。對800MW及以上機(jī)組整個(gè)軸系需要6~7個(gè)缸,分別為1個(gè)雙流高壓缸,1個(gè)雙流第1中壓缸,2個(gè)雙流第2中壓缸,2~3個(gè)低壓缸,汽缸數(shù)量超過了5個(gè),將采用雙軸布置。中壓缸亦不是整個(gè)汽輪機(jī)出力的瓶頸。

    高壓缸的進(jìn)汽量和進(jìn)汽壓力成正比,因此通過提高機(jī)組一次蒸汽的壓力,同時(shí)保持高壓缸的排汽壓力可提高高壓缸的出力。通過適當(dāng)增加高壓缸的各級葉片的高度,既可以提高汽缸通流能力,也可提高高壓缸的出力。

    圖1是上海汽輪機(jī)廠(引進(jìn)西門子H75和H80模塊)、東方汽輪機(jī)廠和哈爾濱汽輪機(jī)廠制造的1 000MW汽輪機(jī)高壓缸模塊在不同的高壓缸進(jìn)口壓力下的最大蒸汽通流量和進(jìn)口壓力的關(guān)系曲線。圖1中:TMCR為汽機(jī)最大連續(xù)出力工況;TRL為機(jī)組銘牌工況;VWO為調(diào)門全開工況;THA為機(jī)組熱耗率驗(yàn)收。由圖1可見,當(dāng)汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)口壓力在27MPa時(shí),H75模塊的最大通流量(最大連續(xù)出力工況,不開補(bǔ)汽閥)為797 kg/s,當(dāng)進(jìn)口壓力達(dá)到28MPa時(shí),H75模塊最大通流量為28/27×797 kg/s=827 kg/s(2 975 t/h)??梢奌75模塊無法滿足1 200MW汽輪機(jī)的要求。而根據(jù)西門子的資料,H80模塊在進(jìn)汽壓力為28MPa時(shí)的最大通流量為950 kg/s(3 420 t/h),能夠滿足1 200MW汽輪機(jī)(3 381 t/h)的要求,但是也基本上達(dá)到了H80的極限。因此,如果要制造更大單機(jī)容量的汽輪機(jī),只有增加進(jìn)汽壓力,如果增加到30MPa,則H80的最大通流量為3 664 t/h,基本可滿足1 300MW機(jī)組的要求。

    如果采用二次再熱汽輪機(jī),高壓缸的排汽壓力高于一次再熱汽輪機(jī),一般為9~10MPa,降低了高壓缸的焓降和高壓缸出力占整個(gè)汽輪機(jī)出力的比例。同樣的高壓缸模塊,可用于更大容量的汽輪機(jī)。第1中壓缸的進(jìn)汽和排汽參數(shù)均高于一次再熱汽輪機(jī)的中壓缸,因此同樣的中壓缸模塊也可用于更大容量的汽輪機(jī)。由于大容量的二次再熱汽輪機(jī)均將采用雙軸布置,因而可以采用2個(gè)第2中壓缸,高壓缸和第1中壓缸的出力減少部分由第2中壓缸彌補(bǔ)。因此,機(jī)組最大出力將高于一次再熱汽輪機(jī)。所有的汽缸中制約機(jī)組總出力的瓶頸因素仍然是高壓缸。根據(jù)對現(xiàn)在最大的高壓缸模塊H80的計(jì)算,如將高壓缸進(jìn)汽壓力從28MPa提高到30MPa,排汽壓力從6MPa提高到9MPa左右,第1中壓缸排汽壓力提高到2.5MPa左右,高壓缸和第1中壓缸的總出力可達(dá)560MW以上,占整個(gè)汽輪機(jī)出力的比例卻下降到約40%,汽輪機(jī)的總出力可達(dá)到1 400MW左右。

    3 現(xiàn)有條件下發(fā)電機(jī)能夠達(dá)到的最大容量

    3.1 概況

    根據(jù)西門子和ALSTOM的資料,目前正在開發(fā)的全轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的最大出力為1 300MW(但沒有業(yè)績),國外其他公司也未見制造出力高于1 300MW的全轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的報(bào)道。根據(jù)國內(nèi)制造廠的資料,有的制造廠正在研發(fā)最大出力為1 200~1 300MW的發(fā)電機(jī),然而真正開發(fā)出容量為1 200~1 300MW及以上的全轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)需要克服不少困難,主要如下。

    3.2 轉(zhuǎn)子軸鍛件

    通過提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑可以有效提高發(fā)電機(jī)單機(jī)容量,然而受鍛件廠鍛造能力、材料的機(jī)械性能和轉(zhuǎn)子鍛件重量的限制,轉(zhuǎn)子外徑不宜過大,這限制了發(fā)電機(jī)容量的進(jìn)一步擴(kuò)大。

    3.3 發(fā)電機(jī)本體設(shè)計(jì)制造的難度

    國內(nèi)外用于1 000MW機(jī)組的汽輪發(fā)電機(jī)定子電壓多為27 kV,28 kV以上尚沒有使用業(yè)績。對于1 200~1 300MW等級機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子電壓宜在27~30 kV之間,一方面可提高發(fā)電機(jī)性能,另一方面可有效降低定子電流。提高發(fā)電機(jī)電壓,同時(shí)也增加了發(fā)電機(jī)絕緣的要求。

    1 300MW以上的發(fā)電機(jī)電磁尺寸增大,對解決發(fā)電機(jī)鐵心磁負(fù)荷、發(fā)熱、振動(dòng)及隔振帶來困難。另外,發(fā)電機(jī)定子電流增大,定子線棒增大,定子線棒設(shè)計(jì)和制造難度增大。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流增大,轉(zhuǎn)子發(fā)熱增加,通風(fēng)和散熱難度加大,滑環(huán)設(shè)計(jì)難度也增加了。發(fā)電機(jī)端部線負(fù)荷增加,需要解決端部發(fā)熱問題。

    3.4 主變電壓等級

    汽輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量增大對電廠的電氣系統(tǒng),特別是電氣保護(hù)系統(tǒng)要求高。1 300MW以上的汽輪發(fā)電機(jī),定子額定電流必然進(jìn)一步增大,尤其是事故狀態(tài)下定子電流非常大,對電氣儀器以及電流互感器等設(shè)備要求非常高,增加了電氣保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。一方面,發(fā)電機(jī)制造廠可以通過提高發(fā)電機(jī)額定電壓有效降低額定電流,然而這就要求發(fā)電機(jī)主變能夠滿足發(fā)電機(jī)額定電壓的變化,給變壓器制造廠提出更高的要求。另一方面,可調(diào)整發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)額定功率因數(shù)(當(dāng)然這也取決于電網(wǎng)的情況),但如發(fā)電機(jī)功率因數(shù)過高(功率因數(shù)接近1)時(shí),則易造成發(fā)電機(jī)失穩(wěn),因此提高發(fā)電機(jī)功率因數(shù)應(yīng)該慎重。

    3.5 運(yùn)輸問題

    汽輪發(fā)電機(jī)定子運(yùn)輸通常采用海運(yùn)(江海聯(lián)運(yùn))、汽車運(yùn)輸以及鐵路運(yùn)輸。海運(yùn)(江海聯(lián)運(yùn))受到時(shí)間和地域限制,汽車和鐵路運(yùn)輸受到橋梁承重能力、涵洞和隧道高度、路況以及車輛承重能力等因素限制。目前國內(nèi)制造的百萬千瓦超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)定子質(zhì)量接近500 t,是三大主機(jī)設(shè)備中最重的部件,運(yùn)輸只能采用海運(yùn)或者汽運(yùn),對于內(nèi)陸電廠的鐵路運(yùn)輸已經(jīng)成為各大發(fā)電機(jī)制造廠急需解決的一大難題。發(fā)電機(jī)容量提高后,發(fā)電機(jī)尺寸和質(zhì)量也隨著增加。因此,對于1 300MW容量的發(fā)電機(jī),單單發(fā)電機(jī)定子鐵心和線棒總質(zhì)量就以接近國內(nèi)鐵路運(yùn)輸極限,定子運(yùn)輸成為制約發(fā)電機(jī)單機(jī)容量突破1 300MW的重要制約因素。

    4 結(jié)論

    (1)一次再熱、單軸汽輪發(fā)電機(jī)組的出力瓶頸依次為發(fā)電機(jī)(1臺發(fā)電機(jī),最大出力滿足1 200 MW機(jī)組),高壓缸(1臺高壓缸,最大出力為:28MPa進(jìn)汽壓力1 200MW,30MPa進(jìn)汽壓力1 300MW),中壓缸(1臺中壓缸,最大出力為1 300MW),低壓缸(3臺低壓缸,最大出力1 500MW)。因此,一次再熱、單軸的汽輪發(fā)電機(jī)組,其最大出力以1 200MW為宜。

    (2)一次再熱機(jī)組、雙軸汽輪發(fā)電機(jī)組的瓶頸在高壓缸,通過提高高壓缸進(jìn)汽壓力和排汽壓力的手段,同時(shí)采用2個(gè)中壓缸,其最大出力可為1 300~1 400MW級。

    (3)二次再熱機(jī)組、單軸汽輪發(fā)電機(jī)組受軸系穩(wěn)定性的制約,最大出力為700MW。

    (4)二次再熱機(jī)組、雙軸汽輪發(fā)電機(jī)組的瓶頸同樣在高壓缸,通過提高高壓缸進(jìn)汽壓力和排汽壓力的手段,機(jī)組的最大出力為1 400MW。

    (5)本文是從設(shè)備制造角度研究各種類型的火電型式的最大單機(jī)容量。對于二次再熱機(jī)組和雙軸機(jī)組國內(nèi)沒有使用過,國外的運(yùn)行電廠也很少,因此對于大容量二次再熱機(jī)組和雙軸機(jī)組在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制、運(yùn)行方式等方面的經(jīng)驗(yàn)較少,這些方面對機(jī)組容量的限制因素也有必要作進(jìn)一步研究。

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