CN219548934U - 一种基于退役火电厂改造的灵活性功率系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及储能技术领域,尤其涉及一种基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,旨在解决高比例可再生能源电力系统无法长期保持电力供应平稳的问题。本实用新型包括熔盐储热子系统、第一储能子系统、第二储能子系统和燃气轮机发电子系统;熔盐储热子系统包括第一电加热装置、高温熔盐储罐、第一换热器、低温熔盐储罐、汽轮机和第一发电机。本实用新型涉通过上述子系统的配合使用,提高了平抑功率波动的及时性和持续性,使高比例可再生能源电力系统可以长期保持电力供应平稳。
Description
技术领域
本实用新型涉及储能技术领域,尤其涉及一种基于退役火电厂改造的灵活性功率系统。
背景技术
为实现碳达峰、碳中和的目标,必须建立以新能源为主的新型电力系统,以光伏发电和风力发电为主的新能源电源出力具有随机性、波动性、间歇性的特点,其大量接入会对电网带来重大挑战,需要储能进行调节从而支撑新能源的消纳。同时,随着可再生能源的大量接入,传统火电也面临退役问题,如何将退役火电进行有效的改造,使之更好地满足高比例可再生能源电力系统的需要,就成为一个重大课题。
传统火电厂大多建设于靠近负荷侧的位置,退役之后将显著减少负荷侧交流电网的坚强程度,同时,负荷侧分布式新能源电源装机容量不断增长,其出力具有随机性、波动性、间歇性的特点,又大大加剧了负荷侧交流电网的稳定性问题。
现有的并网方案多通过储能方式实现削峰填谷或者通过电加热平抑功率波动,无法使高比例可再生能源电力系统长期的保持电力供应的平稳。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,旨在解决高比例可再生能源电力系统无法长期保持电力供应平稳的问题。
为了解决上述技术问题,本实用新型提供的技术方案在于:
一种基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,包括分别与负荷侧电网连接的熔盐储热子系统、第一储能子系统、第二储能子系统和燃气轮机发电子系统;熔盐储热子系统包括第一电加热装置、高温熔盐储罐、第一换热器、低温熔盐储罐、汽轮机和第一发电机;储能时,第一电加热装置加热熔盐,加热后的熔盐进入高温熔盐储罐存储;释能时,高温熔盐储罐中的熔盐进入第一换热器,经第一换热器热交换后加热蒸汽,熔盐进入低温熔盐储罐存储;加热后的蒸汽进入汽轮机以使汽轮机带动第一发电机发电;第一储能子系统用于存储和释放电能以实现削峰填谷;第二储能子系统用于存储和释放电能以进行一二次调频;燃气轮机发电子系统包括燃气轮机和第二发电机,燃气轮机消耗天然气以带动第二发电机向负荷侧电网供电。
进一步的,熔盐储热子系统还包括第一熔盐泵和第二熔盐泵;第一熔盐泵设置于第一电加热装置和低温熔盐储罐之间,用于将低温熔盐储罐内的熔盐泵入第一电加热装置;第二熔盐泵设置于高温熔盐储罐和第一换热器之间,用于将高温熔盐储罐内的熔盐泵入第一换热器。
进一步的,熔盐储热子系统还包括第二换热器,第二换热器的蒸汽入口与第一换热器连接,第二换热器的介质入口与燃气轮机连接,第二换热器的蒸汽出口与汽轮机连接。
进一步的,熔盐储热子系统还包括冷凝器和除氧器,加热后的蒸汽经过汽轮机后依次经过冷凝器、除氧器和第一换热器。
进一步的,熔盐储热子系统还包括冷却塔和水泵,水泵驱动液体在冷却塔和冷凝器之间循环。
进一步的,燃气轮机发电子系统还包括天然气管道和排气管,天然气管道与燃气轮机连接,用于供给天然气;排气管与第二换热器连接,用于排出尾气。
进一步的,第一储能子系统设置为抽水储能装置和/或压缩空气储能装置。
进一步的,第二储能子系统设置为飞轮储能装置和/或电池储能装置。
进一步的,高温熔盐储罐包括储热罐体和隔板;多个隔板平行设置于储热罐体内并将储热罐体内部分隔为竖直排列且首尾连通的多个存储空间,各存储空间之间的连通口交错设置。
进一步的,高温熔盐储罐还包括第二电加热装置,储热罐体内的各存储空间均设置有第二电加热装置。
综合上述技术方案,本实用新型所能实现的技术效果在于:
本实用新型提供的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统包括分别与负荷侧电网连接的熔盐储热子系统、第一储能子系统、第二储能子系统和燃气轮机发电子系统;熔盐储热子系统包括第一电加热装置、高温熔盐储罐、第一换热器、低温熔盐储罐、汽轮机和第一发电机;储能时,第一电加热装置加热熔盐,加热后的熔盐进入高温熔盐储罐存储;释能时,高温熔盐储罐中的熔盐进入第一换热器,经第一换热器热交换后加热蒸汽,熔盐进入低温熔盐储罐存储;加热后的蒸汽进入汽轮机以使汽轮机带动第一发电机发电;第一储能子系统用于存储和释放电能以实现削峰填谷;第二储能子系统用于存储和释放电能以进行一二次调频;燃气轮机发电子系统包括燃气轮机和第二发电机,燃气轮机消耗天然气以带动第二发电机向负荷侧电网供电。
本实用新型提供的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统通过多个子系统平抑负荷侧电网的波动功率,其中熔盐储热子系统通过电加热装置可以实现快速功率响应,及时消纳多余电能,汽轮机发电的方式则可提供惯量支撑,平抑功率的波动。燃气轮机发电子系统则是通过对退役火电厂的改造,使用燃气轮机进行发电以提高系统的可靠性,在新能源电源长时间出力不满足电网负荷的情况下作为应急电源补充电力需求的空缺,尤其是燃气轮机可以快速启停的特点适合作为冷备用,灵活形高。第一储能子系统和第二储能子系统则进一步提高了系统的灵活性和抗压能力,提高系统对功率波动的平抑能力和灵敏性。通过上述子系统的配合使用,提高了平抑功率波动的及时性和持续性,使高比例可再生能源电力系统可以长期保持电力供应平稳。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统的结构示意图;
图2为高温熔盐储罐的结构示意图。
图标:200-第一储能子系统;110-电加热控制装置;120-第一电加热装置;130-低温熔盐储罐;140-第一熔盐泵;150-高温熔盐储罐;160-第二熔盐泵;170-第一换热器;180-第二换热器;190-汽轮机;1110-第一发电机;1120-冷凝器;1130-除氧器;1140-冷却塔;1150-水泵;410-燃气轮机;420-天然气管道;430-第二发电机;440-排气管;151-储热罐体;152-熔盐入口;153-熔盐出口;154-隔板;155-第二电加热装置;156-连通口;a-负荷侧电网;b-内部母线。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围,而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
下面结合附图,对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下,下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
传统火电厂大多建设于靠近负荷侧的位置,退役之后将显著减少负荷侧交流电网的坚强程度,同时,负荷侧分布式新能源电源装机容量不断增长,其出力具有随机性、波动性、间歇性的特点,又大大加剧了负荷侧交流电网的稳定性问题。
有鉴于此,本实用新型提供了一种本实用新型提供的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统包括分别与负荷侧电网a连接的熔盐储热子系统、第一储能子系统200、第二储能子系统和燃气轮机发电子系统;熔盐储热子系统包括第一电加热装置120、高温熔盐储罐150、第一换热器170、低温熔盐储罐130、汽轮机190和第一发电机1110;储能时,第一电加热装置120加热熔盐,加热后的熔盐进入高温熔盐储罐150存储;释能时,高温熔盐储罐150中的熔盐进入第一换热器170,经第一换热器170热交换后加热蒸汽,熔盐进入低温熔盐储罐130存储;加热后的蒸汽进入汽轮机190以使汽轮机190带动第一发电机1110发电;第一储能子系统200用于存储和释放电能以实现削峰填谷;第二储能子系统用于存储和释放电能以进行一二次调频;燃气轮机发电子系统包括燃气轮机410和第二发电机430,燃气轮机410消耗天然气以带动第二发电机430向负荷侧电网a供电。
本实用新型提供的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统通过多个子系统平抑负荷侧电网a的波动功率,其中熔盐储热子系统通过电加热装置可以实现快速功率响应,及时消纳多余电能,汽轮机190发电的方式则可提供惯量支撑,平抑功率的波动。燃气轮机发电子系统则是通过对退役火电厂的改造,使用燃气轮机410进行发电以提高系统的可靠性,在新能源电源长时间出力不满足电网负荷的情况下作为应急电源补充电力需求的空缺,尤其是燃气轮机410可以快速启停的特点适合作为冷备用,灵活形高。第一储能子系统200和第二储能子系统则进一步提高了系统的灵活性和抗压能力,提高系统对功率波动的平抑能力和灵敏性。通过上述子系统的配合使用,提高了平抑功率波动的及时性和持续性,使高比例可再生能源电力系统可以长期保持电力供应平稳。
以下结合图1、图2对本实施例提供的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统的结构和形状进行详细说明:
本实施例中,熔盐储热子系统、第一储能子系统200、第二储能子系统和燃气轮机发电子系统分别与内部母线b连接,内部母线b与复合侧电网连接。
本实施例中,熔盐储热子系统还包括第一熔盐泵140、第二熔盐泵160和第二换热器180。第一熔盐泵140设置于第一电加热装置120和低温熔盐储罐130之间,用于将低温熔盐储罐130内的熔盐泵入第一电加热装置120;第二熔盐泵160设置于高温熔盐储罐150和第一换热器170之间,用于将高温熔盐储罐150内的熔盐泵入第一换热器170;第二换热器180的蒸汽入口与第一换热器170连接,第二换热器180的介质入口与燃气轮机410连接,燃烧后的尾气从介质入口进入第二换热器180并向第二换热器180提供热量,第二换热器180的蒸汽出口与汽轮机190连接。
本实施例的可选方案中,熔盐储热子系统还包括冷凝器1120和除氧器1130,加热后的蒸汽经过汽轮机190后依次经过冷凝器1120、除氧器1130和第一换热器170,通过冷凝器1120降低蒸汽温度,提高蒸汽经过第一换热器170时可携带的热量。
进一步的,熔盐储热子系统还包括冷却塔1140和水泵1150,水泵1150驱动液体在冷却塔1140和冷凝器1120之间循环以辅助冷凝器1120降温。
本实施例的可选方案中,燃气轮机发电子系统还包括天然气管道420和排气管440,天然气管道420与燃气轮机410连接,用于供给天然气;排气管440与第二换热器180连接,用于排出尾气。
本实施例中,为使高温熔盐储罐150内的熔盐温度均匀,从而使进入第一换热器170的熔盐温度均匀,保证电能输出的稳定,高温熔盐储罐150包括储热罐体151和隔板154;多个隔板154平行设置于储热罐体151内并将储热罐体151内部分隔为竖直排列且首尾连通的多个存储空间,各存储空间之间的连通口156交错设置并形成S形通道,便于熔盐平稳流动,避免局部熔盐由于远离出口导致滞留。
进一步的,高温熔盐储罐150还包括第二电加热装置155,储热罐体151内的各存储空间均设置有第二电加热装置155,通过第二电加热装置155对各存储空间内的熔盐进行加热以调控温度,保证温度均匀。
此外,由于熔盐流动缓慢,第一电加热装置120调节速度受流动速度影响会比较慢,通过在储热罐体151内设置多个第二电加热装置155可以提高加热的灵活性,提高响应速度。
本实施例中,熔盐入口152设置于储热罐体151的上部,熔盐出口153设置于罐体的下部,以便于熔盐的输出。
本实施例中,熔盐储热子系统还包括电加热控制装置110,电加热控制装置110与第一电加热装置120和第二电加热装置155连接,根据电网负荷和熔盐温度控制加热功率。
综上,通过熔盐储热子系统和燃气轮机发电子系统组合形成熔盐循环线路、蒸汽循环线路、冷却线路。如图1所示,熔盐循环线路由第一电加热装置120、高温熔盐储罐150、第二熔盐泵160、第一换热器170、低温熔盐储罐130和第一熔盐泵140依次首尾连接组成,通过第一电加热装置120消纳多余电能,将电能转换成热能存储在高温熔盐储罐150以避免弃电。
蒸汽循环线路由第一换热器170、第二换热器180、汽轮机190、冷凝器1120、除氧器1130依次首尾连接组成,通过第一换热器170实现熔盐循环线路和蒸汽循环线路的关联,使熔盐循环线路向蒸汽循环线路供给热量以驱动汽轮机190运转。蒸汽循环线路中,第二换热器180则通过吸收燃气轮机410产生的废气中的热量来加热蒸汽,从而进一步提高能源利用率。即蒸汽循环线路通过第一换热器170和第二换热器180吸收热量以加热蒸汽,从而得到高温高压蒸汽,高温高压蒸汽则驱动汽轮机190运转进而实现发电,补偿电网功率的波动,蒸汽通过汽轮机190后进入冷凝器1120,然后返回第一换热器170,通过对蒸汽的冷却提高携带热量的能力。除氧器1130则用于清除蒸汽中的氧气等气体,避免引起管路腐蚀。
冷却线路则由冷凝器1120、冷却塔1140和水泵1150依次首尾连接形成,用于实现降低冷凝器1120的温度,保证冷凝器1120正常工作。
本实施例的可选方案中,第一储能子系统200设置为抽水储能装置和/或压缩空气储能装置,第二储能子系统设置为飞轮储能装置和/或电池储能装置,上述储能装置结构常见,在此不再赘述。
储能时,第一熔盐泵140将低温熔盐储罐130中的熔盐泵入第一电加热装置120进行加热,加热后的熔盐进入高温熔盐储罐150;释能时,第二熔盐泵160将高温熔盐储罐150中的熔盐泵入第一换热器170,经第一换热器170热交换后形成高温高压蒸汽,熔盐进入低温熔盐储罐130存储;高温高压蒸汽进入汽轮机190以使汽轮机190带动第一发电机1110发电,从而向负荷侧电网a供电。
当电力供应不足时,燃气轮机410启动,燃气轮机410带动第二发电机430发电以向负荷侧电网a供电,同时燃气轮机410产生的尾气则进入第二换热器180,经第二换热器180交换热量,提高蒸汽循环线路中的蒸汽温度,从而充分利用天然气燃烧的产生的能量,提高利用率,尾气则经过排气管440排出。
熔盐储热子系统建设成本较低,但是,在运行过程中,其电-热-电的转化效率仅为约40%,较低的转化效率造成能量的损失从而增加度电成本。熔盐储热子系统可以通过改变瞬时电加热的功率来响应快速功率变化的需求,即通过跟随负荷侧电网a的功率波动来控制电加热装置的加热功率,平抑功率波动对电网的影响,也可为电网提供调频服务;加热后的熔盐将热量存储又可以通过汽轮机190发电,因此可用于平抑新能源电源侧出力波动,并且为源侧电网提供调频、惯量支撑的辅助,更适合作为大容量快速功率响应或调频以及惯量支撑的储能资源,也可辅助进行日内削峰填谷。
传统火电厂退役后,其输变电装置、并网系统、汽轮机发电装置等仍可通过改造加以利用,将其改造成同步调相机,建成燃气轮机发电子系统,用于为电网提供惯量支撑和无功补偿,在运行状态下还可提供调频、调峰功能。由于需要大量的冷却水,退役火电厂附近一般有自然水源或者水库与之相配套,具备建设抽水储能的水源,但是,很少有同时具备建设抽水储能的自然落差,因此可以在自然水源或者水库附近的地下深层空间开挖地下水库和地下厂房以建设地下抽水储能装置,或者在地下深层空间开挖储气室用以建设地下压缩空气储能装置。
飞轮储能是理想的功率型储能系统,可以提供一二次调频的功能,通过电力电子装置的虚拟同步机模式可以为接入点电网提供惯量支撑,同时,可以平抑新能源电源的出力波动。但是,由于其功率较小,主要适合一二次调频、平抑波动功率、以及提供一定的惯量支撑。此外,电池储能也可作为一二次调频的储能资源,也可辅助进行电网调峰。
综上所述,熔盐储热子系统的电加热方式用于快速功率调节,适合平抑波动功率、与其配套的用于储热发电的汽轮机190系统可以提供惯量支撑,但是并不适合日内削峰填谷。抽水储能装置和/或压缩空气储能装置适合削峰填谷,其调节速度可由第一电加热装置120进行弥补,但是,对于大型发电机组,抽水储能装置和/或压缩空气储能装置并不适用于平抑新能源电源频繁且幅值变化范围大的出力波动。此外,如果出现多天天气不佳造成新能源出力不足的情况,抽水储能装置和/或压缩空气储能装置并不能提供长期的电力供应。因此,燃气轮机发电子系统可用作备用或应急电源。
通常情况下,抽水储能装置和/或压缩空气储能装置可应对十分钟以上的波动并用于日内平衡;燃气轮机发电子系统用于新能源长时间出力不足的情况,如几天或者一星期左右,或者用于备用/应急电源供能;飞轮储能装置和/或电池储能装置则用于提供一二次调频的功能,电池储能装置也可提供一部分调峰功能,通过电力电子装置的虚拟同步机模式可以为接入点电网提供惯量支撑。
具体实施案例如下:
针对一个峰值容量120万kW的负荷侧电网a配置基于退役火电厂改造的灵活性功率系统:
考虑到峰值120万kW的负荷,日均功率波动预计在90万kW至120万kW以内,短时功率波动不超过峰值容量的30%,因此,配置120×30%=36万kW的电加热装置用于调节负荷侧电网a的波动功率,也可为电网调频。配置120万kW的地下抽水储能/地下压缩空气储能用于日内削峰填谷,为电网提供调峰服务,也可辅助提供调频和惯量支撑的服务。熔盐储热子系统配置450万kWh的储热容量并配置30万kW的汽轮机190,以保证汽轮机190满负荷运行约6小时。配置120万kW的燃气轮机410并接入天然气管道420,作为整个负荷侧电网a的备用/应急电源。此外,还可以选择配置10万kW的飞轮储能装置或电池储能装置,作为电网一二次调频资源的有益补充。
本实用新型提供的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,通过全面利用退役火电厂汽轮机发电机组、配套输配电和并网系统、以及附近自然水源或者配套水库,通过改造、新建配套设施,构成灵活性功率系统,可为电网提供调峰、调频、惯量支撑的综合辅助服务,平抑负荷侧电网a的波动功率;同时,该系统还具备备用和应急发电的功能,为负荷侧电网a可靠性提供有力保证。该系统既实现了退役火电厂装备的全面、合理利用,又有效解决了高比例可再生能源渗透以及传统火电厂退役场景下,负荷侧电网a对灵活性功率系统的需求的问题。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,包括分别与负荷侧电网(a)连接的熔盐储热子系统、第一储能子系统(200)、第二储能子系统和燃气轮机发电子系统;
所述熔盐储热子系统包括第一电加热装置(120)、高温熔盐储罐(150)、第一换热器(170)、低温熔盐储罐(130)、汽轮机(190)和第一发电机(1110);
储能时,所述第一电加热装置(120)加热熔盐,加热后的熔盐进入所述高温熔盐储罐(150)存储;释能时,所述高温熔盐储罐(150)中的熔盐进入所述第一换热器(170),经所述第一换热器(170)热交换后加热蒸汽,熔盐进入所述低温熔盐储罐(130)存储;加热后的蒸汽进入所述汽轮机(190)以使所述汽轮机(190)带动所述第一发电机(1110)发电;
所述第一储能子系统(200)用于存储和释放电能以实现削峰填谷;
所述第二储能子系统用于存储和释放电能以进行一二次调频;
所述燃气轮机发电子系统包括燃气轮机(410)和第二发电机(430),所述燃气轮机(410)消耗天然气以带动所述第二发电机(430)向所述负荷侧电网(a)供电。
2.根据权利要求1所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述熔盐储热子系统还包括第一熔盐泵(140)和第二熔盐泵(160);
所述第一熔盐泵(140)设置于所述第一电加热装置(120)和所述低温熔盐储罐(130)之间,用于将所述低温熔盐储罐(130)内的熔盐泵入所述第一电加热装置(120);
所述第二熔盐泵(160)设置于所述高温熔盐储罐(150)和所述第一换热器(170)之间,用于将所述高温熔盐储罐(150)内的熔盐泵入所述第一换热器(170)。
3.根据权利要求2所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述熔盐储热子系统还包括第二换热器(180),所述第二换热器(180)的蒸汽入口与所述第一换热器(170)连接,所述第二换热器(180)的介质入口与所述燃气轮机(410)连接,所述第二换热器(180)的蒸汽出口与所述汽轮机(190)连接。
4.根据权利要求3所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述熔盐储热子系统还包括冷凝器(1120)和除氧器(1130),加热后的蒸汽经过所述汽轮机(190)后依次经过所述冷凝器(1120)、所述除氧器(1130)和所述第一换热器(170)。
5.根据权利要求4所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述熔盐储热子系统还包括冷却塔(1140)和水泵(1150),所述水泵(1150)驱动液体在所述冷却塔(1140)和所述冷凝器(1120)之间循环。
6.根据权利要求5所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述燃气轮机发电子系统还包括天然气管道(420)和排气管(440),所述天然气管道(420)与所述燃气轮机(410)连接,用于供给天然气;
所述排气管(440)与所述第二换热器(180)连接,用于排出尾气。
7.根据权利要求1所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述第一储能子系统(200)设置为抽水储能装置和/或压缩空气储能装置。
8.根据权利要求1所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述第二储能子系统设置为飞轮储能装置和/或电池储能装置。
9.根据权利要求8所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述高温熔盐储罐(150)包括储热罐体(151)和隔板(154);
多个所述隔板(154)平行设置于所述储热罐体(151)内并将所述储热罐体(151)内部分隔为竖直排列且首尾连通的多个存储空间,各存储空间之间的连通口(156)交错设置。
10.根据权利要求9所述的基于退役火电厂改造的灵活性功率系统,其特征在于,所述高温熔盐储罐(150)还包括第二电加热装置(155),所述储热罐体(151)内的各存储空间均设置有所述第二电加热装置(155)。
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