摘要：隨著天然氣管道工業(yè)的發(fā)展，天然氣管道發(fā)生泄漏的事故越來越多。為了研究天然氣泄漏到大氣中的擴(kuò)散情況，利用計算流體力學(xué)仿真軟件FLUENT對天然氣在大氣中的擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬計算，并分析風(fēng)速、壓力、泄漏孔徑以及障礙物的變化對擴(kuò)散的影響。模擬結(jié)果與泄漏、擴(kuò)散理論相符。所提出的研究方法為天然氣泄漏擴(kuò)散研究提供了一種分析思路，分析所得到的規(guī)律對天然氣管道的安全運營和維護(hù)有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。
關(guān)鍵詞：天然氣；泄漏；擴(kuò)散；數(shù)值模擬；大氣環(huán)境
引言
近年來，由于石油價格持續(xù)上漲，石油危機(jī)的沖擊和石油、煤礦帶來的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，尋求替代能源，實現(xiàn)能源需求多元化的要求日趨迫切[1]。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、方便的清潔能源和化工原料，具有巨大的資源潛力，世界各國對天然氣的開發(fā)利用也日益重視。伴隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展，大量天然氣管道的鋪設(shè)，燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏問題成為燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)安全領(lǐng)域研究的首要點[2～3]。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)引發(fā)的傷亡事故大多是由管道的泄漏引起的。城市燃?xì)夤艿拦收习l(fā)生泄漏后，極易造成中毒和環(huán)境污染問題。更為嚴(yán)重的是，泄漏的燃?xì)馀c空氣形成可燃混合氣，達(dá)到爆炸濃度范圍，遇點火將發(fā)生燃燒和爆炸，造成人身傷亡事故。
國外在氣體擴(kuò)散方面的研究較多。研究工作始于七、八十年代，直到現(xiàn)在該領(lǐng)域的研究還比較活躍。在此期間，提出了不少擴(kuò)散的計算模型[4-9]。在實驗方面，國外從20世紀(jì)80年代進(jìn)行了一系列有關(guān)氣體及液化氣體的風(fēng)洞模擬擴(kuò)散試驗研究，試驗介質(zhì)有LNG(液化天然氣)、LPG(液化石油氣)、液氨、氟里昂及氮氣的混合氣、氟化氫及二氧化硫等。
目前，國內(nèi)也有部分關(guān)于氣體泄漏和擴(kuò)散動態(tài)模擬的研究成果發(fā)表[10～14]。本論文試圖通過模擬天然氣管道因第三方破壞發(fā)生泄漏事故后天然氣在大氣中的擴(kuò)散情況，說明天然氣擴(kuò)散規(guī)律，并確定風(fēng)速、泄漏壓力、泄漏孔徑和障礙物等對天然氣擴(kuò)散的影響，從而對事故搶險、減少損失有一定的指導(dǎo)意義。
1. 天然氣管道相關(guān)參數(shù)
參考陜京輸氣管道工程中的推薦工藝方案，選取管道直徑：為660mm，考察長度為兩截斷閥間距離5km，考察段管道的起點壓力為4.5MPa，終點壓力為2MPa，天然氣年均輸量取15×108m3，設(shè)計年工作天數(shù)按350天計算，外界環(huán)境溫度最高氣溫40℃，最低溫度-10℃，平均氣溫17℃，天然氣的年平均氣溫為27℃。
2. 模擬所需相關(guān)參數(shù)的計算
以下選?。禾烊粴鈨H含甲烷一種氣體，平坦地勢，標(biāo)準(zhǔn)靜風(fēng)條件下，管道在5km的管段的中間點(即距起點2.5km處)發(fā)生大孔泄漏[15～17]作為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)算例來說明模擬所需參數(shù)的計算過程。
計算參數(shù)如圖1所示，管道起點為1，終點為4，長度為L，在距起點X處存在一點，發(fā)生泄漏。圖中：P1，T1，u1，ρ1表示管道起點的運行壓力、溫度、氣體速度以及氣體密度；P2，T2，u2，ρ2表示與泄漏孔中心在同一直線上的管道內(nèi)某點的運行壓力、溫度、氣體速度以及氣體密度；P3，T3，u3，ρ3表示泄漏點的運行壓力、溫度、氣體速度以及氣體密度；P4，T4，u4，ρ4表示這段管道終點處的運行壓力、溫度、氣體速度以及氣體密度；Pa，Ta，ua，ρs為管道外大氣的壓力，溫度，風(fēng)速和空氣的密度。
2.1 管道起點1處參數(shù)的計算結(jié)果(計算過程略)
入口處的氣流速度u1 145.06m/s
入口處的馬赫數(shù)Ma1 0.336
2.2 管道中點2處參數(shù)的計算
P2=3.482MPa。u2=u1=145.06m/s。
2.3 泄漏點3參數(shù)的計算
泄漏半徑分別為：0.02m、0.44m和0.66m，分別屬于小孔泄漏，大孔泄漏和管道泄漏。
(一) 小孔模型(孔徑為0.02m)
即P3=Pc=P2×CPR=3482000×0.5397≈1879243Pa
(二) 大孔模型(孔徑為0.44m)
泄漏點3的壓力為：
(三) 管道模型(孔徑為0.66m)
當(dāng)管道發(fā)生全截面斷裂時，氣體的泄漏模型為全管徑破裂模型。這時泄漏點3與管道內(nèi)的2處的參數(shù)完全相同。故P3=P2=3.482×106Pa
3. 模擬方法及條件
3.1模擬軟件的選擇
論文選用流體力學(xué)仿真軟件FLUENT[18]對天然氣在大氣中的擴(kuò)散進(jìn)行模擬。
3.2 網(wǎng)格的繪制和模型的選擇
論文選用二維網(wǎng)格進(jìn)行模擬，根據(jù)實際情況和硬件條件選取5000m×1000m模擬空間，20m步長繪制結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。
論文采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型和無反應(yīng)多組份輸運模型來進(jìn)行模擬[19]。
3.3邊界條件的選擇
對入口inlet選擇了壓力入口作為邊界條件。靜風(fēng)條件下，選取出口wind，outlet-top，outlet-right為自由出流出口條件。有風(fēng)條件下，將wind邊界條件設(shè)成速度入口。選擇wall為壁面邊界條件o
4. 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的模擬結(jié)果
本文的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是指發(fā)生大孔泄漏(孔徑為0.44m)，無風(fēng)速影響的情況。
4.1 速度分布
圖4和6是FLUENT直接導(dǎo)出的速度分布圖，其中6表示在泄漏孔處速度的局部放大圖，不同的顏色表示不同的速度值。圖5和7是Tecplot導(dǎo)出的相應(yīng)速度等值線圖，等值線上數(shù)字代表流速。本文以后出現(xiàn)此類圖就不再一一解釋。
圖4、圖5可以看出，天然氣高速泄漏到大氣中，形成自由射流，在泄漏孔口處速度很高，但隨著高度增大速度降低很快，這是因為天然氣與空氣對流，空氣對天然氣有很大的阻力造成的。由圖6、圖7可以看出，同一截面上中心處的流速最大，離中心線越遠(yuǎn)處的流速越小。隨著射流向上流動，其中心線處的流速逐漸減小，射流的寬度逐漸增大。
速度分布圖還反映出了以下幾點噴射流動特征：1.射流的流動總是伴有邊界層的出現(xiàn)。因為凡是流體都是有粘性的，而粘性的存在又總會使射流流層之間發(fā)生粘連作用，射流流動大多數(shù)是湍流流動，湍流射流中充滿著渦旋，它們在流動中呈不規(guī)則的運動，會引發(fā)射流流股微團(tuán)間的橫向動量交換、熱量交換或質(zhì)量交換，從而形成湍流射流邊界層。2.射流在其流動過程中，不同截面上的氣流參數(shù)分布彼此間保持一種相仿的關(guān)系，即射流的自模性。自模性的出現(xiàn)可溯源于射流主流與周圍介質(zhì)的摻混呈線性漸進(jìn)性，而且在射流各截面上，射流主流與周圍介質(zhì)的混合長度沿射流寬度保持不變，但該長度與射流寬度成正比。反映在這里的速度分布圖上就是邊界層的外邊界及其初始段上的內(nèi)邊界一般都是斜直線。3.由于射流的噴射成束的特性，流場中的軸向分速度要比橫向分速度大很多，所以射流分析計算中，一般都將流場中的橫向分速忽略掉，亦即射流的軸向速度即被視為射流的總速度。參見圖8和圖9可以看出，這一特性基本成立?；谠撎匦缘某闪?，本文之后給出的速度圖如不特別標(biāo)注，均為天然氣的Y軸速度分布圖。
由圖8和圖9還可以看出，天然氣離開孔口以后其速度并非立刻減小，而是先增大到一個最大值后再逐漸減少的。這是因為，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的密度小于空氣的密度，即該射流為正浮力射流。對于正浮力射流，由于浮力作用，其流速將沿程增加，直到射流核末端，混合區(qū)已擴(kuò)展到射流的軸線上，環(huán)境流體的減速作用已經(jīng)影響到了整個射流，故其流速又開始減小。正浮力射流的射流核末端恰恰位于最大軸向流速處。
圖10為泄漏孔口截面的速度分布圖，圖中的速度分布印證了前面所說的同一截面上中心處的流速最大，離中心線越遠(yuǎn)處的流速越小的理論。并且可以讀出出口最大流速大概在1200m/s左右。而通過FLUENT計算出的流速是1122.785m/s，二者基本吻合。圖11是計算區(qū)域頂部的速度分布，可以看出，頂部后有速度的范圍主要集中在-1000m到1000m的范圍內(nèi)，并且以中心點的速度最大。
4.2 濃度分布
對濃度場進(jìn)行分析，主要是為了得出甲烷泄漏后危險范圍的區(qū)域。當(dāng)對這種易燃?xì)怏w物料進(jìn)行危險性分析時，既要考慮甲烷(由于本文認(rèn)為天然氣只含有甲烷一種氣體，所以下文所說的甲烷均指天然氣)會導(dǎo)致爆炸的可能性，又要想到有毒氣體甲烷對人體的危害。
表1 甲烷在不同壓力下的爆炸極限
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壓力(atm)
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爆炸極限(V%)
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1
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5-15
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10
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5.8-17
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50
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5.7-29.5
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125
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5.7-45.4
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實驗證明，甲烷-空氣混合物的壓力越大，溫度越高，則爆炸范圍越大，壓力對爆炸極限的影響更顯著。表1列出的是甲烷在不同壓力下的爆炸極限?？梢钥闯鲭S著混合壓力的增高，爆炸下限基本保持不變，而上限卻大大增加。
但由于模擬結(jié)果顯示，整個空間中壓力在很小的范圍內(nèi)就降低到了大氣壓，對整個模擬空間的影響很小，所以可以不考慮壓力對整個模擬空間中甲烷爆炸范圍的影響。所以取大氣壓下甲烷的爆炸上下限，5%～15%(體積比)。
由圖13和圖14可以看出，不論計算區(qū)域選多高，甲烷總能到達(dá)計算區(qū)域的頂部，這是因為甲烷的密度小于空氣，所以即使最后初始動量由于沿程卷吸靜止空氣而逐漸減弱殆盡，由于浮力的作用，它也會不斷上升。
另外，泄漏軸線上，甲烷的濃度很高，并隨著高度的升高而下降，在軸線兩側(cè)的半空中有兩個橢圓的區(qū)域甲烷的濃度也很高。這是因為甲烷泄漏到大氣中會與空氣混合形成可燃?xì)庠?，但由于甲烷的密度相對于空氣較輕，在擴(kuò)散中以浮力作用為主，氣云主要是向上運動。沒有在泄漏孔口的兩側(cè)近地處聚集。而是在泄漏孔口的兩側(cè)距離地表150m出形成兩個半徑大約為500m的橢圓形的氣云團(tuán)。
利用圖14中濃度等值線，找到甲烷濃度在5%～15%的區(qū)域，從而確定了擴(kuò)散區(qū)域里的危險范圍。如圖180圖中紅色的部分表示甲烷的濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)，是有爆炸危險的區(qū)域。
從圖中可以看出，這樣的區(qū)域主要位于150m左右的高空處，近地表處濃度還是比較低的，對人類危害不大。
由圖16可以看出，首先，每一條甲烷的濃度等值線基本上沿噴射中心線呈兩邊對稱；其次，從噴口開始向外的空間里，甲烷濃度依次逐漸降低，甲烷等值線圖基本相對噴射中心線呈軸對稱這一現(xiàn)象證明了湍流標(biāo)度率(Scaling Law，雷諾數(shù)很大的時候，出現(xiàn)的宏觀對稱性)的存在。
5. 不同條件對擴(kuò)散的影響
5.1 風(fēng)速影響
由圖19、20、21可以看出，隨著風(fēng)速的從無到有，從小變大，濃度擴(kuò)散區(qū)域也向右明顯偏轉(zhuǎn)，并且擴(kuò)散區(qū)域變大，當(dāng)風(fēng)速為10m/s時，擴(kuò)散區(qū)域已經(jīng)超過了界定的區(qū)域。并且危險區(qū)域也隨風(fēng)速變大而擴(kuò)大，波及到下風(fēng)向的近地面。
圖22、圖23和圖24是各自情況下的危險區(qū)域的圖，圖中紅色的部分表示甲烷的濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)，是有爆炸危險的區(qū)域。
比較三圖可以清楚的看出，有風(fēng)以后，危險區(qū)域向下風(fēng)向偏移。隨著風(fēng)速的變大，危險區(qū)域也逐漸波及到下風(fēng)向的近地面?？梢婏L(fēng)對天然氣起著輸送作用。
5.2 泄漏壓力影響
對于大孔模型，若取P2分別等于2，3.482，4.5MPa時，計算這時泄漏點3處的壓力如下：
表2 不同泄漏壓力下泄漏點3處的壓力
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P2(MPa)
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2
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3.482
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4.5
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P3(Pa)
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1079406
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1879246
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2428664
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從圖25、26、27可以看出，隨著泄漏壓力的變大，甲烷擴(kuò)散的范圍變大，因為流速的變大使甲烷更容易與大氣進(jìn)行對流擴(kuò)散，但變大幅度不大。所以可以通過降低壓力來增大安全區(qū)域。但效果不會很明顯。
5.3 泄漏孔徑影響
對應(yīng)小孔模型，大孔模型和管道模型分別取了三種不同孔徑0.02m、0.44m、0.66m，考察不同泄漏孔徑下，天然氣在空氣中的擴(kuò)散分布程度將如何變化。在小孔模型、大孔模型和全管徑破裂模型時，泄漏點3的壓力大小如表3。
表3 不同泄漏孔徑下泄漏點3的壓力
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模型
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小孔模型(d=0.02m)
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大孔模型(d=0.44m)
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全管徑破裂模型(d=0.66m)
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壓力P3(Pa)
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1879246
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1879246
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3482097
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比較圖28、29、90，可以看出當(dāng)泄漏孔徑為0.02m時，由于泄漏孔徑很小，所以濃度等值線比較集中，甲烷和大氣對流擴(kuò)散比較慢，擴(kuò)散的范圍也比較??；而當(dāng)泄漏孔徑為O.66m時，由于是全截面斷裂，孔徑較大，可以看出等值線變化比較大，擴(kuò)散范圍也大。所以可以看出隨著泄漏孔徑的變大，甲烷可以更好在大氣中擴(kuò)散，危險區(qū)域會變大。
5.4 障礙物影響
為了方便計算分析，假定房屋、建筑、樹木之類障礙物全部在泄漏源的下風(fēng)向，在出口壓力為1879246Pa和風(fēng)速為5m/s時，考慮障礙物的距離遠(yuǎn)近和高低對噴射擴(kuò)散的影響。
5.4.1 障礙物距離的影響
障礙物高度：為20m，距離泄漏口1m、5m時白勺天然氣噴射情況如下圖。
如圖31，在一定風(fēng)速大小下，障礙物距離泄漏口較近的時候，障礙物對天然氣在近地面的偏轉(zhuǎn)擴(kuò)散影響并不大，這是因為天然氣從孔口出來有一個噴射的過程，這個過程由于本身射流速度很大，所以并不太受風(fēng)速的影響。到了擴(kuò)散階段，由于障礙物離泄漏口很近，天然氣會在風(fēng)力的作用下沿障礙物爬升，到障礙物頂部后才在風(fēng)力作用下擴(kuò)散開。如圖32，障礙物同等高度下，隨著障礙物到泄漏口的距離增大，天然氣噴射出來以后會先在風(fēng)力作用下與障礙物發(fā)生碰撞，從而抵消了風(fēng)速帶來的偏轉(zhuǎn)的動量，由于失去了速度，天然氣只能靠浮力作用沿障礙物迎風(fēng)面艱難爬升，并且會在障礙物迎風(fēng)面形成沉積氣團(tuán)。比較圖31與32，可以明顯看出當(dāng)障礙物距離泄漏口5m時，障礙物對天然氣擴(kuò)散有更好的阻擋效果。
通過以上分析可以看出障礙物距離泄漏口遠(yuǎn)近對泄漏擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在迎風(fēng)面對天然氣的阻擋作用，阻擋沉積的量隨距離增大而增大。
5.4.2 障礙物高度的影響
障礙物到泄漏口的距離為5m，障礙物高度為20m和30m 時的天然氣噴射情況如下圖。
比較圖33和圖34可以看出，障礙物較高會對擴(kuò)散的天然氣起到了進(jìn)一步的抬升作用，使天然氣開始偏轉(zhuǎn)擴(kuò)散的高度進(jìn)一步升高。
通過以上分析可以看出，同等噴射速度和風(fēng)力作用下，障礙物的高低對天然氣噴射擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在天然氣擴(kuò)散到障礙物頂部后的擴(kuò)散狀況。
6. 結(jié)論
目前，國內(nèi)在天然氣擴(kuò)散模擬方面的研究不是很深入，本文的研究給出了管道發(fā)生泄漏后天然氣擴(kuò)散的濃度分布和速度分布，并考察了風(fēng)速，泄漏壓力，泄漏孔徑以及障礙物等因素對天然氣擴(kuò)散的影響，并給出擴(kuò)散后的危險區(qū)域。本文的研究結(jié)果對應(yīng)對突發(fā)事故，疏散人群，減少損失具有一定的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)：
[1] 何文淵，劉暉，楊靈雨.加快我國天然氣工業(yè)發(fā)展的建議天然氣工業(yè)2004，24(6)：4～7
[2] 楊志毅.天然氣將成為我國城市燃?xì)獾闹饕獨庠?石油與天然氣化工.2003，32(3)：126～133
[3] 譚志宣.國內(nèi)常規(guī)能源的發(fā)展趨勢能源工程.2000(5)：1～3
[4] 郝吉膽，馬廣大.大氣污染控制工程.北京：高等教育出版社，1989.121
[5] Hanna SR，Strimaitis DG，Chang JC RePort prepared by Siglma Researeh Corporation for AFESC. Washington DC，1990：1-32
[6] DH斯萊德著.氣象學(xué)與原子能.張永興譯北京：原子能出版社，1979：204～215
[7] ChanST，ErmakDL. Journal of Hazardous Materials，1987，16(3)：26，7～292
[8] Zennan 0.Atlmos Environ，1982，16(5)：741
[9] BlackmoreDR，HermanM N，Wood ward JL，Heavy gas dispersion models[J].Journal of Hazardous Matetials 1982，6：107～128
[10] 潘旭海，蔣軍成.化學(xué)危險性氣體泄漏擴(kuò)散模擬及其影響因素南京化工大學(xué)學(xué)報，(2001.1)第23卷第1期，19～22
[11] 高建明，王喜奎，曾明榮.個人風(fēng)險和社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展及啟示，中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2007，3(3)：29～35
[12] 劉延雷，徐平.鄭津洋，等.管道輸運高壓氫氣與天然氣的泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬[J]太陽能學(xué)報.2008，29(10)：1252～1255
[13] 薛海強(qiáng).可燃?xì)怏w泄露擴(kuò)散影響因素的數(shù)值分析，山東建筑大學(xué)學(xué)報，2009，第24卷第6期
[14] 張甫仁.室內(nèi)燃?xì)庑孤稘舛葓鲎兓?guī)律研究，建筑科學(xué)，2010，第26卷第2期
[15] 賴建波，揚昭.高壓燃?xì)夤艿榔屏训亩匡L(fēng)險分析，天津大學(xué)學(xué)報，2007，40(5)：589～593
[16] 王兆芹.高壓輸氣管道泄露模型，油氣儲運，2009，28(12)28～30
[17] 馮文興，王兆芹等.高壓輸氣管道小孔泄漏與大孔泄漏模型的比較分析，安全與環(huán)境工程，2009.16(4)
[18] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUNT—流體工程仿真計算實例與應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.6
[19] Steger J L. Warming R F Flux Vector Splitting of the Invised Gasdynmic Equations with Application to Fnite Difference Methods J of Comp.phy..40：263～293，1981
(本文作者：焦文玲 侯慶民 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院 哈爾濱 150090)
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