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某水利水電工程的水電站廠房設(shè)計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u4458某水利水電工程的水電站廠房設(shè)計計算案例 120496第一章樞紐布置 215441.1水利工程的分等分級 2266411.2樞紐布置 326904第二章水電站廠房 460982.1水輪機的選擇 4165472.1.1選擇特征水頭 420162.1.2水輪機型號的選擇 628302.1.3安裝高程 11238152.2廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu) 12250862.2.1給發(fā)電機進行選型 12312672.2.2發(fā)電機一些外形尺寸等數(shù)據(jù)的粗略估算 12137042.2.3對發(fā)電機的重量進行大致預(yù)算 14197272.2.4水輪機蝸殼及尾水管 14270822.2.5調(diào)速系統(tǒng),調(diào)速設(shè)備選擇 16267122.2.6水輪機閥門及其附件 18128932.2.7對起重機設(shè)備進行選用 19305772.3設(shè)計主廠房并確定長寬 2087672.3.1首先需要確定主廠房的長度 20187912.3.2主廠房的寬度 22235912.3.3廠房各主要高程的確定 22第一章樞紐布置1.1水利工程的分等分級為了保證水利工程施工的成本足夠低,安全度相對而言也應(yīng)該保持在較高的水平,水工建筑物應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)的項目等級進行分等分級。首先應(yīng)根據(jù)下表1-1水工建筑物的級別標(biāo)準(zhǔn)以及表1-2永久性水工建筑物等級,通過這兩個表,查得C江流域總庫容為1.95億m3,由下列對應(yīng)表格可見,C江水電站建設(shè)等級為一級,工程規(guī)模為大(2)型,主樓為一級樓,次樓為三級樓,臨建為四級樓。表1-1水工建筑物的級別標(biāo)準(zhǔn)表1-2永久性水工建筑物級別1.2樞紐布置根據(jù)所給地形、地質(zhì)、水文、氣象、水能規(guī)劃、對外交通、機電設(shè)備等資料,選擇有壓引水式地面廠房進行設(shè)計,廠房左側(cè)布置開關(guān)站,緊挨著主廠房西側(cè)布置安裝間,緊挨著安裝間布置副廠房,安裝間下面布置輔機間,副廠房右側(cè)布置主變壓器和開關(guān)站。副廠房分為三層,每層高5米,第一層為低壓配電盤及廠用變電室,第二層為中控室,第三層為通信及資料室。擋水建筑物和泄水建筑物布置在上游山前巒斷面,廠房、主變壓器和開關(guān)站等布置在下游。廠區(qū)布置如下圖1-1所示。圖1-1廠區(qū)布置示意圖

第二章水電站廠房2.1水輪機的選擇2.1.1選擇特征水頭Pr=9.81QHη其中:Q——發(fā)電流量,m3/s;H——發(fā)電水頭,m;H=?庫??尾η=η水輪機×η發(fā)電機,大中型水輪發(fā)電機η發(fā)電機1、設(shè)計低水位下,一臺機組發(fā)電的試算表3-1試算表?庫Q(m3/s)?尾H(m)N(kw)190120116.0571.7374307.69190140116.1271.6586595.62190141116.1371.6487201.98計算得:H1=71.64m。2、設(shè)計低水位下,兩臺機組滿發(fā)的試算表3-2試算表?庫Q(m3/s)?尾H(m)N(kw)190200116.4771.32123145.33190270116.8970.92165296.62190280116.9570.86171278.03190290117.0170.80177249.40190285116.9870.83174264.97計算得:H2=70.83m。3、正常蓄水位下,一臺機組發(fā)電的試算表3-3試算表?庫Q(m3/s)?尾H(m)N(kw)23080115.72110.8576556.7723085115.76110.8181313.1023090115.8110.7886066.0823092115.896110.6887904.70計算得:H3=110.68m。4、正常蓄水位下,兩臺機組滿發(fā)的試算表3-4試算表?庫Q(m3/s)?尾H(m)N(kw)230180116.37110.22171273.01230185116.4110.19175984.12230183116.418110.17174054.00計算得:H4=110.17m。5、設(shè)計洪水位下,兩臺機組滿發(fā)的試算表3-5試算表?庫Q(m3/s)?尾H(m)N(kw)235.55180124.65107.524808270.27235.55185124.656107.524812650.9235.55188124.66107.514815261.74計算得:H5=107.51m。6、校核洪水位下,兩臺機組滿發(fā)的試算表3-6試算表?庫Q(m3/s)?尾H(m)N(kw)2387200126.94107.736695971.242387190126.93107.746687273.352387188126.928107.746685533.57計算得:H6=107.74m。7、確定設(shè)計水頭比較水頭后得:Hmax=110.68m;Hmin=70.83m;Hav=0.6Hmax+0.4Hmin計算得:Hav=0.6×110.68+0.4×70.83=94.74m引水式電站設(shè)計水頭Hr=Hav=94.74m2.1.2水輪機型號的選擇當(dāng)水電站水頭在70.83~110.68m范圍內(nèi)時,由《水電站》[3]表3-5選擇HL200和HL180作為備選方案。方案比選后再確認(rèn)選用類型。1、首先對HL200型號進行各項數(shù)據(jù)計算:1)葉片進口邊最大直徑由天津大學(xué)徐國賓主編的第二版《水電站》[3]表3?9可得HL200在限制工況下:1m水頭下工作流量Q1′為950L/s,工況點相應(yīng)的原型效率η=ηMmax+Δη對大中型發(fā)電機:ηg=96%~98%,這里取97%水輪機額定出力:Pr=P設(shè)計水頭:Hr=Hav=94.74m由于沒有求得轉(zhuǎn)輪直徑,不能計算效率修正值,因此不能得到準(zhǔn)確的數(shù)值。一般情況下,ηMmaxη=89.4%+89.4%×2%=91.2%D依據(jù)上述計算結(jié)果,轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑為323cm,查《水電站》[3]表3-12,用相似但較大的標(biāo)稱直徑:D1=330cm。2)選擇額定轉(zhuǎn)速n0由于Hav=94.74m,查《水電站》[3]表3-9得原型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10′=68r/min。計算得轉(zhuǎn)速n=n根據(jù)額定轉(zhuǎn)速系列表,相似但較高的相似值為n=214.3r/min。3)校正效率以及直徑D1=1m、H=1m時的①進行效率校正由天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》[3]第三章表9可以準(zhǔn)確的查得,在最佳工況下HL200的效率為90.7%,模型轉(zhuǎn)輪公稱直徑為D1M=46cm。所以原型水輪機的最大η其中效率矯正值:Δη=η因為模型不同于原型,考慮到這兩種形式不同制造等級的影響,將效率修正值設(shè)為ε1=1%~2%,其中ε1=1.0%。ε2是考慮原型和模型水輪機異常部件影響的效率修正值。由于原型機與模型機異常部位沒有什么特別的不同,所以我們認(rèn)為ε2=0。因此在限制運行的條件下,原型水輪機的有效效率為:η=ηMmax+Δη=91.4%最優(yōu)工況下原型水輪機的效率為:ηmax=ηMmax+Q′1=Q′1M=92.7%因此,上式的計算結(jié)果與上面假設(shè)的限制運行的條件下的原型水輪機效率幾乎沒有什么差別,所以之前選用的D②需要進行單位轉(zhuǎn)速糾正一分鐘內(nèi)水輪機轉(zhuǎn)動圈數(shù)糾正計算:?n'包括:n'10——原型水輪機最好狀態(tài)下每分鐘工作圈數(shù),r/minn'10M——模型水輪機最好狀態(tài)時每分鐘工作的圈數(shù),ηMmax——最好狀態(tài)下模型水輪機的工作效率,由徐國賓主編的《水電站》表3-9得:ηmax——在最好的狀態(tài)下原型水輪機η綜上可以算出:?由于?n'1<0.03n'4)進行工作界限的檢測當(dāng)D1與n數(shù)值確定下來了以后,就需要在模型綜合特性曲線上將相似工作區(qū)域繪制出來,同時還需要了解該區(qū)域有沒有將高效率區(qū)包含在內(nèi),以便于進一步判斷所取的D1和n的值是否可行。①在已知條件為Pr=87628.9KW以及Hr=94.74的情況下,按照所計算出來的水輪機在正常運行條件下發(fā)出額定出力所需要的最小水頭Hr,以及前面所取的直徑D1,這里不難求得在額定出力下的Q'1因為水輪機機組在最優(yōu)工況點的出力可以得出限制工況下,單位時間內(nèi)水輪機能夠輸出的最大的流量值Q'1max函數(shù)式Q'所以單位時間內(nèi)通過水輪機發(fā)電的水量:Q②由Hmax,Hmin以及所選用的D1、n,再根據(jù)下面的兩個公式很容易求出單位轉(zhuǎn)速n'1minn'1max③在水輪機的模型綜合特性曲線上,繪制出Q'1max=950L/s,n'1max=84.03r/min,n'1min=67.3r/min這三條直線,由這些直線與n'1軸包圍形成的矩形區(qū)域是汽輪機的類似工作的區(qū)域,這部分區(qū)域位于95%輸出限制線的左側(cè),大體上包括了模型綜合特性曲線的高效率區(qū)域。因此,我們認(rèn)為選擇的5)確定發(fā)電機尾水水位與水輪機中心線之間的高度,即吸出高度Hs按照以下工作參數(shù):n'1max=84.03r/min,Q'1max=950L/s,由天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》圖2-28查得Δσ=0.02,查水輪機模型綜合特性曲線圖得σMHs=10.0??900?(2、對混流式HL180型號進行各項數(shù)據(jù)計算:1)葉片進口邊最大直徑由天津大學(xué)徐國賓主編的第二版《水電站》[3]表3?9可得HL200在限制工況下:單位流量Q1′為860L/s,工況點相應(yīng)的原型效率η=ηMmax對大中型發(fā)電機:ηg=96%~98%,這里取97%水輪機額定出力:Pr=P設(shè)計水頭:Hr=Hav=94.74m由于沒有得到轉(zhuǎn)輪直徑,無法計算效率修正值,因此無法得到準(zhǔn)確的數(shù)值。一般情況下,ηMmaxη=89.5%+89.5%×2%=91.3%D由上式求得的D1=351cm,查閱天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》[3]表3-12,取比351cm稍大一號的數(shù)值:D1=380cm。2)選擇額定轉(zhuǎn)速n0由于Hav=94.74m,查《水電站》[3]表3-9得原型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10′=67r/min。計算得轉(zhuǎn)速n=n查天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》[3]表3-13可得與上式結(jié)果近似且稍大一號的n=187.5r/min。3)校正效率以及直徑D1=1m、H=1m①進行效率校正由天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》[3]第三章表9可以準(zhǔn)確的查得,在最佳工況下HL200的效率為92%,模型轉(zhuǎn)輪公稱直徑為D1M=46cm。所以原型水輪機的最大η其中效率矯正值:Δη=因為模型不同于原型,考慮到這兩種形式不同制造等級的影響,將效率修正值設(shè)為ε1=1%~2%,其中ε1=1.0%。ε2是考慮原型和模型水輪機異常部件影響的效率修正值。由于原型機與模型機異常部位沒有什么特別的不同,所以我們認(rèn)為ε2=0。因此在限制運行的條件下,原型水輪機的有效效率為:η=ηMmax+Δη=91.3%最優(yōu)工況下原型水輪機的效率為:ηmax=ηMmax+Q′1=Q′1M=93.8%②需要進行單位轉(zhuǎn)速糾正一分鐘內(nèi)水輪機轉(zhuǎn)動圈數(shù)糾正計算:?n'包括:n'10——原型水輪機最好狀態(tài)下每分鐘工作圈數(shù),r/minn'10M——模型水輪機最好狀態(tài)時每分鐘工作的圈數(shù),ηMmax——最好狀態(tài)下模型水輪機的工作效率,由徐國賓主編的《水電站》表3-9得:ηmax——在最好的狀態(tài)下原型水輪機η綜上可以算出:?由于?n'1<0.03n'4)進行工作界限的檢測當(dāng)D1與n數(shù)值確定下來了以后,就需要在模型綜合特性曲線上將相似工作區(qū)域繪制出來,同時還需要了解該區(qū)域有沒有將高效率區(qū)包含在內(nèi),以便于進一步判斷所取的D1和n的值是否可行。①在已知條件為Pr=87628.9KW以及Hr=94.74的情況下,按照所計算出來的水輪機在正常運行條件下發(fā)出額定出力所需要的最小水頭Hr,以及前面所取的直徑D1,這里不難求得在額定出力下的Q'1因為水輪機機組在最優(yōu)工況點的出力可以得出限制工況下,單位時間內(nèi)水輪機能夠輸出的最大的流量值Q'1max函數(shù)式Q'1max=所以單位時間內(nèi)通過水輪機發(fā)電的水量:Q②由Hmax,Hmin以及所選用的D1、n,再根據(jù)下面的兩個公式很容易求出單位轉(zhuǎn)速n'1minn'1max③在徐國賓主編的《水電站》水輪機模型綜合特性曲線圖上作出以Q'1max=860L/s,n'1max=84.93r/min,n'1min=67.735)確定發(fā)電機尾水水位與水輪機中心線之間的高度,即吸出高度H按照以下工作參數(shù):n'1max=84.93r/min,Q'1max=860L/s,由天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》圖2-28查得Δσ=0.02,查水輪機模型綜合特性曲線圖得σMHs=10.0??900?(3、兩種型號水輪機的對比:表3-7兩種機型各項數(shù)據(jù)參考表序列項目類別HL180HL2001模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)推選應(yīng)用的水頭界限H/m90~12590~1252最佳單位轉(zhuǎn)速n'68673最優(yōu)單位流量Q'108007204最高效率ηM90.7%92%5空化系數(shù)σ0.090.0786原型水輪機參數(shù)工作水頭范圍H/m70.83~110.6870.83~110.687轉(zhuǎn)輪直徑D1/m3.33.88轉(zhuǎn)速n/(r/min)214.3187.59最高效率ηmax0.9270.93810額定出力P/kW87628.987628.911最大引用流量Q/(m3110.69103.3012吸出高度HS/m-0.550.587由表3-7可知,HL200型方案的工作范圍包括更多的高效區(qū),所選參數(shù)D1=3.3m和n=214.3r/min是合理的。綜合考慮,本電站采用HL200方案較為合理。2.1.3安裝高程即水輪機規(guī)定作為安裝基準(zhǔn)的某一平面的海拔高程水輪機所在位置的海拔高度ZS是最重要的一個參照,因此ZS必須要第一個確定。Z式中:Zs——水輪機規(guī)定作為安裝基準(zhǔn)的某一平面的海拔高程?wb0——導(dǎo)葉高度,由水輪機型號查《水電站》[3]表3-9得:b0=0.2D1Hs求得:

Z2.2廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2.1給發(fā)電機進行選型水輪發(fā)電機是廠房正常工作過程中不可缺少的一部分,所以對其型式的選擇是很重要的。它可以按照放置的不同從而劃分成立式和臥式這兩個類別,前者是在大中型水電站中常用的,而后者往往在小型和貫流式中用的更多。該設(shè)計中也采用立式布置,立式水輪發(fā)電機根據(jù)區(qū)別又可以有懸式和傘式兩種。轉(zhuǎn)速在150r/min以上多做成懸式,反過來在轉(zhuǎn)速達不到150r/min大容量機組大多數(shù)都設(shè)計為傘式的。因為水輪機的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為214.3r/min,所以水輪發(fā)電機選用懸式布置。有關(guān)參數(shù)如下:發(fā)電機型式:懸式標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速:214.3r/min磁極對數(shù):142.2.2發(fā)電機一些外形尺寸等數(shù)據(jù)的粗略估算1、主要尺寸的確定(1)極距的計算τ=式中:sf——表示發(fā)電機的額定容量(Kva)數(shù)值為Kf——在8~10之間,取cosφ——功率因數(shù)角,取cosφ=0.9P——表示磁極對數(shù),取值為14。(2)確定定子內(nèi)徑大小D(3)定子鐵芯長度ll式中:C——系數(shù)查《水力機械》[19],此處取為6×10-6;ne——額定轉(zhuǎn)速214.3r/min(4)定子鐵芯外徑DαDαDi2、基本平面尺寸的計算(1)由公式確定定子機座的外徑ne≥214r/min(2)進行風(fēng)罩內(nèi)徑D2當(dāng)SfD(3)整理轉(zhuǎn)子外徑DDδ——是指單邊空氣間隙,是一個可以不考慮的量(4)計算下機架的兩端最大跨度DDD5——表示的是水輪機的機坑直徑,通過資料《水力機械》[19]一書,可以知道當(dāng)轉(zhuǎn)輪直徑為3.3m,D(5)推力軸承外徑D6和勵磁機外Sf=94444.4KvaD6=411.5cmD3、軸向基本尺寸的確定(1)簡單計算定子機座的位置高度ne≥214r/min時,(2)上機架的位置高度h對于懸式發(fā)電機:那么上機架的位置高度h2=0.25Di(3)根據(jù)發(fā)電機容量Sf=94444.4Kva推力軸承高度h3勵磁機高度h4副勵磁機h5永磁機高度h6(4)下機架的位置高度h懸式非承載機架的位置高度計算h(5)定子支座支承面與下機架的支承面的距離對懸式而言(6)下機架支承面與主軸法蘭底面距離h9(7)轉(zhuǎn)子磁軛軸向高度存在風(fēng)扇的情況h(8)發(fā)電機的主軸位置高度hh(9)定子鐵芯水平中心線至法蘭盤底面距h2.2.3對發(fā)電機的重量進行大致預(yù)算G上式中:Gf——機器自身的總重量K1——用于近似求機器重量的系數(shù),一般情況懸式取8~10,本設(shè)計取9;由此可得到發(fā)電機轉(zhuǎn)子重為122.2.4水輪機蝸殼及尾水管水輪機的蝸殼類型有兩類,一類是混凝土蝸殼,還有一種類是金屬蝸殼。但是混凝土蝸殼是直接通過模板澆筑形成的,在強度上難以與大的水壓抗衡;反觀金屬蝸殼,因為其水力性能好,并且強度高,能夠承受住一定的水壓,所以后者適用于水頭H>40米的情況,而前者更適合在H≤40米時發(fā)揮作用。本設(shè)計水頭H≥40m,故選用金屬蝸殼。由于D1=3.3m,所以按照制造方法和直徑的關(guān)系,通常選擇的是焊接蝸殼。蝸殼半徑的計算:ρ下式為金屬蝸殼截面的平均流度的函數(shù)式:v0=K式中:φ0——蝸殼包角,為了確保良好的水力性能,并考慮其結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)的局限性,取φQmaxKv——流速系數(shù),由《水電站》[3]座環(huán)導(dǎo)葉外徑的相對值:DaD1=1.55~1.64,這里取座環(huán)導(dǎo)葉內(nèi)徑的相對值:DbD1=1.33~1.37,這里取則:ra=表3-8蝸殼漸變段內(nèi)徑數(shù)據(jù)表φiραR0°0260.026030°59.8319.5379.275°94.3354.5448.9120°119.3379.3498.7165°140.0400.0540.0210°158.2418.1576.2255°174.2434.2608.3300°188.9448.9637.5345°202.4462.3665.1尾水管尺寸如下:L=4.5D1=14.85mB5=2.72D1=8.98mD4=1.35D1=4.46mh4=1.35D1=4.46mh6=0.675D1=2.23mh5=1.22D1=4.03mh=2.60D1=8.58mL1=1.82Di=6.01m。2.2.5調(diào)速系統(tǒng),調(diào)速設(shè)備選擇1、調(diào)速功計算Q=Pr/(9.81ηA=式中:HmaxD1因為A>50000N/m,故該調(diào)速器的類型可以確定為大型。2、確定主接力器的主要數(shù)據(jù)(1)下式是導(dǎo)葉接力器直徑ds其中,查閱資料后確定油壓裝置的額定油壓選為2.5MPa:d其中:λ——計算系數(shù),查天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》[3]表4-3可知λ=0.028。根據(jù)計算結(jié)果,選用《水電站》[3]標(biāo)準(zhǔn)系列表中直徑較大的調(diào)速器:d(2)接力器由全關(guān)位置到全開的位置,即最大行程S由n'1r=72.6r/minQ'A0Mmax=33.7mmD取D0=1.16D1上式里:a0max——表示導(dǎo)葉的最大開度a因為D1的值為3.828<5,所以計算時選擇最小系數(shù)1.4,得S(3)進行接力器容積的確定:V3、主配壓閥液壓裝置直徑的確定該閥需提供給接力器的油流量:Q=公式說明:Ts——導(dǎo)葉從完全開啟到完全關(guān)閉時所需要經(jīng)過的時間,這里取時間T主配壓閥液壓裝置的直徑計算:d=式中:v——主配壓閥中的油的流動速度,正常情況下4~8m/s之間,這里取v=4.5m/s。通過已求出的主配壓閥的直徑,查天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》[3]表4-2,可以很容易確定調(diào)速器的類型為DT?100型電氣液壓型調(diào)速器。表3-9調(diào)速器的有關(guān)型號以及尺寸4、確定油壓裝置型式壓力油箱總?cè)莘e是判斷工作能力的一個指標(biāo),根據(jù)經(jīng)驗公式:混流式水輪機V=(18~20)根據(jù)上式計算結(jié)果,結(jié)合天津大學(xué)徐國賓主編的《水電站》[3]油壓裝置系列型譜表選相鄰偏大的組合式油壓裝置HYZ-25。2.2.6水輪機閥門及其附件閥門是引水系統(tǒng)的控制部分,具有切斷、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流和防止倒流的功能。設(shè)計直徑大,水頭不高,所以選用蝴蝶閥,配件有旁通閥、空氣閥和伸縮節(jié)。D式中:Dfa——系數(shù),a=1?0.06873Hmax,查蝴蝶閥的直徑型譜圖得Df=4300mm,選用組合式油壓裝置HYZ?4.0表3-10油壓裝置型號尺寸表圖3-1組合式油壓裝置的正視、俯視簡圖2.2.7對起重機設(shè)備進行選用此設(shè)計宜使用最大起重量為260.6噸的2臺機組,再按照廠房凈寬配備一個跨度為16m的雙小車起重機。表3-11橋機工作參數(shù)表2.3設(shè)計主廠房并確定長寬2.3.1首先需要確定主廠房的長度主廠房的長度一般情況下是由主機室和安裝室的長度來決定的,主機室的長度,通常來說是由機組的數(shù)量、機組段的長度以及邊機組的延伸決定的。1、計算各層機組段長度并確認(rèn)機組段長度一般情況下是指主機間緊挨著的兩臺機組中心線之間的間隔長度,這不僅與水電站的機型有一定的關(guān)系,也與其類型也有很大的關(guān)聯(lián)。通常我們在確定機組長度時,需要按照各層必要設(shè)備的縱向尺寸,再結(jié)合綜合考慮各層的布置情況。分別依次計算發(fā)電機層、水輪機層和蝸殼層的機組長度,最后取三者中的最大值來作為機組長度。①發(fā)電機層機組段長度計算:L其中:φ3為發(fā)電機風(fēng)罩內(nèi)經(jīng),根據(jù)發(fā)電機尺寸,φ3=10.72m;δ3為風(fēng)罩厚度,一般取為0.3m。b為兩機組間風(fēng)罩外壁凈間距,取3m。計算得:L0②蝸殼層機組段長度計算L其中:?L——保護層厚度,取為1.5m;Lw考慮到各層的布置需要,取機組段長度L=18m。③尾水管層尾水管采用對稱布置,寬度Bw=8.98m,混凝土邊厚度δ取1.8m,則:L=L0是取三組中的最大值作為機組長度,因此,L2、按照經(jīng)驗公式計算邊機組段加長ΔL邊通常情況下取邊機組加長:ΔL當(dāng)安裝間位于廠房的左端時,一般情況下ΔL邊需要取小一點的值,當(dāng)安裝間處于廠房的右端時,通常來說ΔL邊需要取大一些的值。因為本設(shè)

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