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集中式分布式能源
1、光伏发电系统中的集中式发电方式的概念还有集中式的特点,以及跟分布式的联系
并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵并网逆变器组成,不经过蓄电池储能,通过并网逆变器直接将电能输入公共电网.并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程,减少了其中的能量消耗,节约了占地空间,还降低了配置成本.并网太阳能发电是太阳能光伏发电的发展方向,是21世纪极具潜力的能源利用技术。
光伏并网发电系统分为集中式光伏并网发电系统和分散式光伏并网发电系统。
集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站,主要特点是将所发电能直接输送到电网,由电网统一调配向用户供电.但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大,因而没有太大发展。
分散式小型并网光伏系统,特别是光伏建筑一体化发电系统,由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点,是发达国家并网光伏发电的主流.但在我国因政策优惠措施不到位,目前还不算普及.这方面是在我国今后亟待政策配套大力推广的绿色新能源发展方向。
2、分布式能源与集中式供电的概念区别
电能是当今人类活动中使用的基本能源形式。
“规模效益”法则下“大机组、大电网、超高压”构筑了第一代能源系统。
这种以大容量、高参数机组发电,超高压、远距离输电,机组互联、形成大电网供电的模式,我们称之为集中式供电。
这种供电模式是当今电力工业的主要特征,正在为全世界90%以上的电力负荷供电,是发达国家电力工业走过的道路,也是发展中国家电力工业正在走的道路。
我们以北京的用电为例:
一台30万千瓦发电机组,每发一度电的煤耗约为380克(标煤),一台60万千瓦超临界发电机组每发一度电耗煤为330克,而国家产业政策限制准备淘汰的高能耗、高污染的中小发电机和柴油发电机的煤耗实际会大大增加。
北京2004年的用电总量为445亿度,我们假设没有高耗煤的小机组发电,全部以30万千瓦发电机组的标准算,那么理论上北京一年需要一千六百九十万吨煤燃烧机组做功发电。
当山西和内蒙古的火电厂生产出电后,按照我国的电力管理体制,需交由地方电网公司或直接交由华北电网公司,并经长距离的电网输送并多次变压到达北京市区,再根据用户的申请负荷支配使用。
整个过程需要由煤厂、发电厂、电网公司、土地局、规划局、消防部门、市政公司、用户等环节来完成。
分布式能源是相对于现行的集中式供电方式而言的第二代能源系统(也可理解为分散式供冷、热、电),它是用洁净能源(天然气)、生物质(秸秆、沼气)、新能源(氢)和可再生能源(风、太阳能、小水利)等为一次能源,将规模不一的发电和供热制冷等设备加以集成,分散式的方式布置在用户附近的能源系统,类似一个可独立地输出冷、热、电等能源的多功能小电站。
它不是过去简单的在偏远的地区以煤发电,长距离的通过电网输到市内后多次变压,再以电照明或供热或制冷的过程,而是一个就地取材,把材“吃光用尽”,同时供应冷、热、电甚至肥、水等的系统过程,是一个完全不同于集中式供电的思路,因此我们把分布式能源称之为第二代能源系统。
我们以天然气和垃圾在大学校园的应用为例。
学校里的正常工作和生活需要照明、蒸汽、采暖、制冷、生活热水、烘干热气等。
传统的方式是电力部门将偏远电厂发的高压电多次变压到市内后,批准学校负荷申请后由学校投资变电站(柜),交纳增容费,架设电缆线,后给与供电,学校再购置一组应急发电机组来防止电网公司的突然断电;学校向热力公司申请负荷,交纳增容费,铺设热力管道,建好换热站,再由热力公司在冬季供暖;学校向燃气公司申请负荷,交纳城市配套费,铺设燃气管道或采购煤炭,安装锅炉和热风机,解决炊事蒸汽、卫生热水和洗衣房烘干以及冬季空调加湿的需要;在夏季学校再使用电力制冷机组解决办公大楼、会议厅、图书室的制冷,用窗式空调解决教职员工和部分学生的室内制冷问题并形成校园内的“热岛效应”。
而采用分布式能源系统,是一个完全不同的思路。
我们在学校地下室或后院角安装几台小型模块化发电机组,利用天然气和饭店里污水处理设施产生的沼气等发电,将发电之后常规理解的废热通
过余热锅炉转换成为蒸汽,同时利用学校垃圾焚烧进行补充热量,冬季用这些蒸汽解决采暖、消毒、炊事和加湿的需要,夏季将这些蒸汽通过蒸汽吸收式机组制冷,并利用更低温度的锅炉废热和制冷机组冷却水中的余热来供应卫生热水,再利用较低温度的余热锅炉排烟作为空调除湿、洗衣房烘干,最后将仅剩的烟气注入花卉大棚利用其中的二氧化碳作为气体肥料,以及利用废热和烟气中的合成水浇灌花圃。
总之,将天然气等原料中的能量“吃光用尽”,把污染源变为资源,来解决校园的多种能源之需。
这种就近取材、一燃多供、充分利用、保护环境的能源多供方式就是分布式能源。
整个过程需要由用户、燃气公司、市政公司、消防等部门来配合完成。
3、分布式能源与集中式供电的优劣比较
一、分布式能源的优势
(一)有利于调整电力结构
据国家电监会的监测,2004年电荒席卷了国内21个省、市,在用电高峰时段电力供需缺口达2000万-3000万千瓦,步入2005年的第一个季度,全国共有24个省、市出现拉闸限电现象,按一定时间的高峰负荷计算,第一季度的电力缺口为950万-1250万千瓦,第二季度的电力缺口为1150万-1450万千瓦,第三季度总计约2000万-2500万千瓦的缺口,第四季度将出现较大缓解,电力缺口大致为700万千瓦左右。
造成这种现象的原因,一是我国经济的飞速发展,对电力的需求不断加大;二是电力的供应基本还是传统的模式,其中以煤为燃料的大电厂供应着70%以上电力需求。
但随着煤炭资源的减少,资源的矛盾更加突出,许多大电厂等米下锅,一旦某电厂因故停机,则会形成骨牌效应,引起更大范围的拉闸限电。
停电不仅仅是影响人们的正常生活,给国民经济更会带来巨大的损失。
亚洲开发银行主任、经济学家林伯强认为:
“电力是一种敏感性商品,因为它会影响社会的稳定性和投资环境。
由于电力短缺对经济的负面影响远大于电力过剩的影响,因此确保充足的供电能力以满足日益增长的电力需求就显得十分重要”。
据2005年7月国家973节能项目“高效节能的关键科学问题”首席科学家华贲教授与笔者讨论时指出,现在每缺1度电会带来2.87元的直接经济损失,减少GDP7元人民币,以用电缺口占全国2/3的华东和华南地区为例,缺电约300亿度,将影响产出逾2000亿元人民币。
我们假设把电看成是可以储存后使用的商品,从全年总量看,中国的电已经大大过剩。
2004年长沙理工大学能源动力学院院长李录平教授研究后得出:
中国真正的电力危机,是电力供需结构的不合理,一年电力紧缺的情况加起来也不到两个月左右的时间,也就是说其他10个多月的时间里,许多发电机处于闲置状态,其电力结构极度不合理。
另据北京市电力系统2004年的统计,北京夏天电力负荷最高已经接近1000万千瓦,但是真正高过800万千瓦的负荷,全年只10天的时间,而为满足这10天的发电量却需要投资上百亿建大电厂,从投资理论讲显然是高投入低回报且后患无穷的投资行为。
其实清洁能源天然气也遇到了与火力发电厂类似的问题:
“每年只是冬天4个月天然气供应的负荷非常高,夏天就只剩下老百姓做饭、洗澡用天然气了。
”(中国热物理协会秘书长王振铭教授说)。
据中石油天然气公司介绍,全国冬季与夏季的用气量比值是1:
6的比例,平均全年管网利用率只有33%。
也就是说,天然气管道的建设和用户的终端设备,与电力一样都是为最高的负荷设计的,而实际有效利用率很低。
由此划一条电力负荷线和一条天然气负荷线,可以清楚地看到,北京电力的负荷,在夏季出现一个非常高的“峰”,而夏季天然气却是一个很低的“谷”,在北京的夏天,空调是占了电力负荷的40%,在冬天天然气采暖负荷占到57%。
那么我们有没有对电力和天然气负荷削“峰”填“谷”的和谐办法呢?
发展以天然气为燃料的分布式能源系统就能很好的解决这个矛盾。
因为此时采用以天然气为燃料的燃汽轮机等冷热电三联供系统,不但可以解决冬夏季的供热与供冷的需要,同时也提供了一部分电力,由此可以减低总的电力峰荷,起到了调峰的作用;同时,也部分解决了天然气峰谷差过大的问题,发挥了天然气与电力的互补的作用。
这样对减少巨额投资,调整电力和天然气供应结构都会起到积极作用。
(湖北与北京的用电负荷与结构接近,预测2005年湖北最大用电负荷将达到1280万千瓦,最大电力缺口在126万千瓦,北京最大电力负荷1070,最大电力缺口在100万千瓦以上,随着湖北的经济发展,冬季供暖必将变为现实。
这也是本文多以北京为例的原因之一)
(二)能源利用率高
能耗水平高,能源利用率低下是我国能源利用现状。
据2004年国家能源资料库《中国能源基本情况评价》介绍,尽管我国目前的人均能源消费量居世界之末(人均能耗:
世界2050.4千克标煤,中国1141.2千克标煤;人均产能:
世界2155.7千克标煤,中国1089.2千克标煤),但能耗却在世界的前列。
我国能源系统的总效率(开采*加工*运输*利用)仅为9%,不及发达国家的一半。
按万美元GDP能耗分析,全球平均为4.2吨标煤/万美元,而我国为15.74吨标煤/万美元,是其3.74倍。
如火电标准煤耗,我国是国外先进水平的1.25倍,我国重点钢铁企业每年白白排放掉的高炉煤气和焦炉煤气便达60多万吨标准煤,一些低热值燃料的利用率仅为20%左右。
能耗还表现在交通运力不足。
我国是一个以煤为主发电的国家,而能源资源存储的西富东贫和消费分布的不均衡性,大大增加了运输压力,形成了西煤东运、北煤南运的大批量、远距离、路损严重的输送格局。
多年来,由于运力不足造成了大量的路途损耗或煤炭积压,给国家造成很大的浪费,而分布式能源没有这样的损耗。
传统的电流单向从异地和郊区送往市中心,线损成为电力损耗的重要因素。
分布式能源梯度逐级利用效率高,就近用户发电就地用电,也减少了输配电损失。
按照WADE(原国际热电联产联盟,现更名国际分布式能源联盟)的统计,在美国和欧洲,每kW电网的投资为1380美元,电厂的投资为490美元;全世界电网传输损失平均为9.6%,非OECD组织国家为13.4%,并且都在逐年上升。
而在负荷高峰时,网损可达20%。
当然我国的电网损失不会低。
分布式能源“就地”发电、供电,大大减少电网的投资、损耗和运行费用。
用户可在电网、天然气管网的峰谷负荷和价格之间选择最佳时段运行,获得经济利益的最大化。
同时,分布式发电对天然气管网和电网还可以起到削峰填谷的作用,也改善了输气管网和电网的总体效率与经济效益。
这是能源利用率高的一方面。
另一方面,据2003年上海交通大学制冷及低温工程研究所研究得出的表1-1可知,我们以天然气为燃料的冷热电分布式能源,其能源利用率达70-93%,而以煤为燃料的发电厂的利用率只36-41%,以天然气或柴油为燃料的燃气空调能源利用率也只有55%,以天然气或石油为燃料的锅炉效率较高,达到85%的利用率,但蒸汽的品位较电低,没有高品位的电。
表1-1 能源利用率比较
方式
发电厂
联合循环电厂
锅炉蒸汽
冷热电联供
燃料
煤
气或油
气或油
气或油
产出
电
电
汽
冷热电
能源利用率%
发电厂
36-41%终端用户<33%
55%
85%
电24-38%
汽12-54%
总70-93%
由第一章第二节我们已知了分布式能源的节能原理,从热力学第一定律(能量守恒与转化定律)来说,就是能把能量吃光榨尽,燃煤锅炉排烟温度都在130-160℃以上,而且燃烧产物环保处理要耗费能量。
而天然气非常干净,它的排烟温度可以降到40℃,所以第一定律的效率是更高。
从热力学第二定律(能量总是从有序趋向于无序)来说,由于在燃气轮机中有30~40%的能量直接转化为电能,一次的转化的效率就已经高于一般火电厂的锅炉─蒸汽轮机机组了,再加上排气的能量利用(加热,制冷),用于各种不同能级的用户,整个系统达到能量的梯级利用,就使能量利用效率达到最高了。
这是天然气热电冷三联产的供能价格比烧煤还有竞争力的根本原因。
(三)经济效率高
2004年10月2在北京召开的第5届世界热电联产和分布式能源大会闭幕式上,WADE(国际分布式能源联盟)的主席ThomasR.Casten根据会上我国政府官员介绍的电力发展计划的数据,就集中式供电与分布式能源两个极端方案算了一笔帐。
表1-2 满足中国20年电力增长的两个极端方案的技术经济比较
(100%集中对100%分散,单位:
亿元)
项 目
100% 集中
100%分散
节约
节约%
电厂投资费用
8,946
7,783
1,163
13%
输变电费用
7,083
547
6,536
92%
总费用
16,029
8,330
7,699
48%
耗用燃料(Quads)
17,387
7,337
10049
57%
单位费用(万元/kWh)
1.02
60
42
44%
CO2排放(Mt/a)
1,321
891
430
32%
这是个极端吓人的比较。
至少现时我们承认分布式发电的生产和消费在同一地点或局部区域,不需要长距离输电和变电设施,而电网建设使环境持续恶化,许多重点电网项目因征地难、地价高、出线难、收费多等因素影响,难以按期投产。
特别是大中城市的城区,变电站征地非常困难,地价太贵,线路的走廊非常紧张,电网难以正常发展,也在一定程度上影响安全可以减轻基础设施建设的压力。
对于西部等边远、落后地区而言,由于其远离经济发达地区,形成一定规模的、强大的集中式西北电网系统需要很长时间和巨额的投资,这无法满足目前西部经济快速发展的需要。
而分布式供电系统可以借助中、西部天然气资源丰富、可再生能源多种多样的优势,在不长的时间内,以较小的投资为代价,为其经济发展提供有力的支撑;对于东南沿海经济发达地区,由于生活水平的日益增加,已经出现了类似于西方发达国家的对于能源产品需求多样化的趋势。
与集中式供电相比,分布式能源显现了突出的优点,为解决上述问题提供更加圆满的方案。
现在我们再引用赵之一陆绪民王孟浩的文章《跨世纪能电系统的大变革多元化的能电共生——爱能列岛》以天然气为例说明分布式能源的蒸汽、热水和电的产出成本。
表1-3 蒸汽、热水的成本比较
燃煤锅炉
燃气锅炉集中供热(a)
分布式能源冷热电联产(b)
电(c)
0.6元/度
蒸汽价(元/吨)
70-90
170-190
20-90
420
热水价(元/吨)
7-9
17-19
2-9
42
由a知道,如果我们用清洁能源集中供热的“热力站”,汽价比单个锅炉的汽价还贵,不划算;由b看出,梯度利用的蒸汽价相当于燃煤的汽价,仅单项也是划算的;由c清楚,用电产蒸汽或热水,更不划算。
根据北京恩奈特提供的北京市燃气大楼分布式能源项目运行的资料,依据能量的梯级利用,按37%的能量直接发电,每立方米的天然气换算成热值大约为9.74千瓦时,则可直接发电3.6度电,按工业每立方米天然气1.6元,则每度电的原料成本为0.44元;而北京市除居民、地铁、无轨电车、农业排灌外,所有用电单位每天早10时到下午3时,晚6时到9时,期间电价为每度0.86元;每天晚11时到第二天早7时,价格为每度0.21元;在7到9月这3个月间,每天早11时到下午1时,晚上8时到9时这3个小时中实行用电尖峰价格,每度0.94元。
由此可见,学校、医院、宾馆、写字楼、商场、机场码头车站等场所,仅用电价实际上就高于自建分布式能源的价格。
根据梯级利用原理,其60%左右的余热所制冷供热的收入,则成为当期增加的毛利。
我们以第五届国际热电联产分布式能源联盟年会论文集中成都市深蓝绿色能源示范中心10万平方米商用建筑为例,比较以天然气为燃料的分布式能源系统与常规的能源系统的投入产出:
前期投入,集中式供电网方案,要购置燃气锅炉、电空调,一次性投资1000万元;三联供由于需要添置发电机组,一次性要投资2000万元,三联供前期投入要增加一倍;日常运行为普通能源方案每年的供热燃气费用要120万元,还需要空调用电、照明用电的费用420万元,年均运行费用540万元,而三联供需要296万元的燃气费用,由于冬夏两季靠自身发电解决供热、制冷和照明用电,所以只有春秋两季的电费支出约25万元,这样一年运行费用约为321万元。
由此可知三联供方案运行费用每年可节省219万元,只要5年时间即可将分布式能源多投入的1000万元“节省”出来。
要知道这仅仅只算了分布式能源系统多投入1000万的回收期,并没有计算出常规的接电接气是需要很大增容费的,如果站在国家的节约能源、环境保护等方面考虑其回报就更大了。
(四)是环保工程
据国家环保总局监测,目前我国在污染环境的各因素中,70%以上的总悬浮颗粒物,90%以上的二氧化硫,60%以上的氮氧化合物,85%以上的矿物燃料生产的二氧化碳均来自煤炭。
与此同时,中国煤炭总量50%用于发电,发电总量的80%是使用燃煤,而发电燃煤污染占到所有污染的40%以上。
据粗略估计二氧化硫的排量达到2730万吨/年,全国30-40%的土地上曾落下过酸雨,烟尘排放量约为2100万吨/年,二氧化碳加上Nox达到1500万吨/年,空气污染源主要来自煤。
在西部一些大电厂周围,由于燃煤带来的废气形成的酸雨,地表连草都没有了,地下水位从几十米下降到几百米。
而在北京,几十年前可以看到大雁排成“人”字或“一”字由天空飞过,晚上孩子们可以数天上的星星,可是到20世纪90年代中期,不仅看不到雁群,晚上连星星也几乎看不到了。
用电城市都这样,以煤发电的山西其空气、饮用水、食品的污染就更加严重了,对百姓的健康生活和地方经济的持续发展都会产生破坏性影响。
据国家环保总局污染控制司大气噪声处助理调研员刘孜介绍,火电厂等燃煤企业成为大气污染物的主要来源。
按国家环保总局要求, 2005年1月1日以后仍达不到《排污标准》的火电厂将遭到处罚,并根据超标情况,采取限期安装脱硫设施、更新除尘器或改装低氮燃烧装置等治理措施。
为此,全国每年火电厂脱硫的投资都在100亿元以上,迄今国内至少已有20-30家企业能够承担火电厂的脱硫工程。
如江苏镇江谏壁电厂在建的两台30万千瓦机组要安装脱硫设备,总投资就达到两亿元。
中国电器工业协会有关人士表示:
“目前,电厂的脱硫投资基本上都要靠贷款,巨大的投入什么时间才能回收,这是电厂不得不考虑的一个问题。
”
在环境巨大压力的同时,为了实现城市民用燃料气体化,迫使我国原油加工产品之一的液化石油气(LPG)进入民用燃料市场,目前已占城市煤气的45%到55%。
LPG是很好的裂解原料,LPG转为民用燃料,迫使我国的乙烯工业原料重质化,使乙烯生产能耗和成本长期高于国际先进水平。
此外,还有一部分重油和柴油用于调峰发电。
这都使上千万吨/年的石油资源没有得到优化利用,经济损失巨大。
而天然气的主要成分是甲烷,1分子CH4燃烧产物是2分子H2O和1分子CO2,每立方米天然气燃烧产物含约两公斤水。
所以CO2的总排放量远远小于煤。
天然气在从地下开采出来以后,经过净化,除去杂质,然后在低温下液化为LNG(液化天然气的英文缩写)体积缩小600倍(14),便于运输和销售。
所以燃烧产物非常干净,基本不含硫氧化物,氮氧化物。
而如果我们为了清洁空气采用以电为唯一的燃料,从一个城市或我们国家的整体上讲,排污并未减少。
因电是由燃煤发电而来,其能源利用率为36-41%。
据天津市燃气规划办公室张静江和天津商学院制冷空调系韩雪廷研究,天然气分布式发电与燃煤发电相比,SO2和灰渣几乎为零,温室气体CO2减少50%以上,NOX减少80%,TSP减少95%,耗水减少50%;与电力制冷相比,可减少使用对大气臭氧层有破坏作用的R22和具有温室效应的R123a等制冷工质,而驱动空调的电力绝大部分来自于离市区很远的大型燃煤电厂,对当地的环境已经造成了严重污染,所以通常电力部门所说的绿色电力清洁,市内用电的地方是干净的,在发电所在地其实是血淋淋的;而运用分布式能源系统其氧氮化物排放量少5-6倍,因为能源的梯级利用都“榨干用尽”了,由此给国家的环境保护和经济的可持续发展有着深远的意义。
(五)供电更安全
莫斯科时间2005年5月25日上午11时,莫斯科南部恰吉诺变电站发生爆炸引发25个城市停电,造成至少10亿美元损;2003年8月14日美国东部时间下午4时,以纽约为中心的美国东北部和加拿大部分地区发生大面积停电事故,美林证券公司预测,停电给美国国内生产总值带来的损失每天250亿到300亿美元之间,使全美第三季度的经济增长下降2%左右,影响人口5000余万;2003年8月28日格林尼治时间17点,伦敦正值下班高峰期突然发生大停电事故,近三分之二地铁运营中断,约50万乘客受到影响;2003年9月28日凌晨4时开始,意大利全国大部分地区突然同时大停电,致使民航、铁路等交通运输中断,导致参加该活动的很多人滞留在地铁里,给当地居民的生活造成严重影响;2004年7月12日希腊首都雅典、11月18日西班牙首都马德里市中心发生大面积停电,2005年1月8日瑞典西南部遭飓风袭击导致40多万户停电。
其实中国的大停电也是时常发生,如1999年7月29日30日凌晨,台湾全岛大停电,直接经济损失在150亿新台币以上,而这次停电的修复大约用了一个月的时间,在大陆的停电事故以及目的性的拉闸限电就更加频繁……
停电成因:
1、美加突然大停电根本原因是输电网络出现故障导致了连锁反应,而不是没有足够的电力可用。
事实上,发生断电事故时这些地区的电厂发电能力仅用了75%,是整个8月中旬负荷最低的时候。
英国的大停电也是因为电网投资不足,老旧失修。
人们开始质疑投资上千亿美元建设的大电网的安全性,更怀疑垄断体制下谁愿主动投资数十亿美元对电网进行经常性的维修。
但最后买单的是百姓和国家。
2、莫斯科大停电一是变电站不堪重负,5月下旬由于连日高温,也给电网系统带来了用电大增的持续超负荷运行;二是疏于管理,这个变电站建于1963年,已使用40多年,机组严重老化。
事实上,无论多大的变电站总满足不了不断变化的需求,即使满足所需,庞大的投资该由谁来投资;即使有投资的,世界上很少有40年就把电站报废的,因为其投资是巨大的,维修成本是昂贵的。
3、中国的电荒主要源于两个原因,一是我国经济的飞速发展,对电力的需求不断加大;二是电力的供应基本还是传统的模式,其中以煤为燃料的大电厂供应着70%以上电力需求。
但随着煤炭资源的减少,资源的矛盾更加突出,许多大电厂等米下锅,一旦某电厂因故停机,则会形成骨牌效应,引起更大范围的拉闸限电。
当然美加、俄罗斯等大停电的原因在中国也会存在。
但在这些停电事故中,却闪烁着一个一个光明的“火种”,例如在美加大停电的黑暗之中在停电事故区域内的医院、股票交易所、酒店和马省理工学院、纽约州立大学、新泽西Rutgers大学、普林斯顿大学以及偏远的农场等因为拥有分布式电源,依然享受着光明和清新,不用摸黑爬楼梯…….这正是分布式能源独立性和自控性带来的安全性。
9.11事件以后,西方加速了分布式能源站建设的步伐,以保证供电安全。
比如英国女王的白金汉宫,首相的唐宁街10号官邸,美国白宫等都采用了燃气轮机分布式能源以提高其能源的安全性。
(六)形式多样,产品丰富
传统集中式供电的产品比较单一,以煤为燃料的火电厂距城市往往较远,所产生的余热或排空燃烧或随高温烟气、温水排掉,灰尘随风飘荡,煤碴留着
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