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超高层建筑燃气供应系统设计研究
2007年12月山西焦煤科技ShanxiCokingCoalScience&TechnologyNo.12 Dec.2007#试验研究#超高层建筑燃气供应系统设计研究燕日权1(太原市燃气设计有限公司)摘 要 论述了超高层建筑燃气供应系统的确定原则,并介绍了超高层建筑燃气供应系统中燃气管道的验收规范。关键词 超高层建筑;燃气供应系统;设计研究超高层建筑燃气供应系统由于其用气点多,用途各异以及消除附加压力的调压设备技术工况等诸多因素,使其系统的构成和压力级制的确定变得复杂化,设计人员必须综合各方面的因素,使燃气供应系统确定更具技术先进性和经济合理性。1 根据大楼用气点分布确定燃气供应系统燃气供应系统应满足大楼用气需求,也就是,只要大楼各个点有用气要求,在考虑供应系统时,燃气管道就必须连接这些点。但是,由室外引入的燃气管是分几路分别到达用气点,还是由一路燃气管到达,沿途设分支管,还需了解各用气点的燃气需要量,这样才能根据各用气点的燃气用量确定燃气供应系统。2 根据用气压力和调压方式确定燃气供应系统掌握各用气点用气量分布情况以后,用气压力要求也必须清楚,并作为确定燃气供应系统的重要依据之一,不同的用气压力由不同的燃气供应系统和压力级制来保证。如超高层建筑地下室锅炉房,其燃气锅炉用气压力500~800mmH2O。那么,这个用气点必须与其它用气系统分开而自成一个系统。3 根据大楼用气点计量方式确定燃气供应系统对于用气点分布很广的大楼供气系统,由底层设总表,大楼内由物业管理单位管理分摊燃气用量也可以在总表后设分表予以分开计量;如某个业主承包某几层楼面,他便可能要求单独计量,而与燃气管理部门直接发生关系,这样,会要求各自成一个系统,这样便会影响燃气供应系统的确定。4 根据大楼结构确定燃气供应系统1)由于目前技术标准对燃气管道进入地下室有较严格的限制,在确定大楼燃气供应系统时,应能避开在地下室燃气管道的穿越,以免因燃气管道穿越地下室而需采取的某些技术措施,既不安全,又花费资金。2)燃气供应系统是建筑设备专业的一部分,就专业来说,均需由建筑专业来汇总协调,故燃气供应系统需预留的孔洞和管道井均应由建筑专业协调,并且得到结构专业的认可,否则,对大楼来说,任意预留孔洞和管道井既会给结构带来影响,又会使建筑总体不协调。因此,燃气供应系统只有得到建筑结构专业的认同,确定燃气预留孔洞和管道井的位置,才能据此确定燃气供应系统。3)超高层建筑结构对燃气管道等其他管道的承载能力是有限的,特别是超高层建筑每层楼板单位面积承载能力是结构确定的,当燃气系统越大,管道口径便可能越大,管道自重也就越大。当根据应力合力计算结果确定竖直燃气管道锚固点之间的管段自重大于楼板承载能力时,便需调整燃气管道系统,以便缩小口径,满足建筑结构的承载能力。当然这是在结构不能加固情况下,为提高建筑结构的承载能力,只能依靠调整燃气供应系统,使结构得以适应。超高层建筑燃气竖直管道的应力确定。由其自重产生的压应力Dg计算公式如下:
#18#山西焦煤科技2007第12期33DMPag=f式中:g)重力加速度,m/s;q)单位长度管道重量,kg/m;l)管道长度,m;f)管道截面积,mm。由考虑温差产生的温度应力Dt计算公式如下:DvtMPat=EA式中:E)钢材的弹性模量,MPa;A)钢材线膨胀系数,m/m#e;vt)温度差。由考虑建筑各层因水平位移而产生的弯曲应力DH计算公式如下:Dw=式中:E)钢材的弹性模量,MPa;A)层间相对水平位移,I)管道断面回转半径,H)两锚固点之间的距离,m。5 根据大楼调压设备技术工况确定燃气供应系统超高层建筑的高度引起了燃气立管内的附加压头,不能象多层建筑那样,这种附加压头,已影响燃具的正常燃烧,必须采取措施予以消除。附加压头其计算公式如下:vP=g(Qa-Qg)vH式中:vP)附加压头;g)重力加速度,m/s;222Qa)空气的密度,kg/m;Qg)燃气的密度,kg/m;vH)管段终端和始端的标高差值,m。燃气供应系统的竖直立管上,由于自重和占地等原因,不考虑设置消除附加压力的调压设备,特别是超高层建筑如果紧挨着的楼层都有用气要求,某一高度设置的调压设备一般不能全部满足该竖直管段沿途各楼层用气点的压力要求。所以,燃气供应系统的竖直立管上基本没有附加的管道设备,而消除附加压力的调压设备全部设于各楼层用气支管上,这样既可使各楼层用气工况得以保证,又可减少立管的自重,可解决因大楼建筑水平位移所产生的伸缩补偿问题。6 燃气管道的验收1)管道与设备的施工应符合设计要求和有关的技术规范。2)所有设备和材料均应有出厂合格证书。3)仪表显示正确,具有规定的灵敏度,阀门等设备开启动作灵活。4)焊接接口应进行100%的超声波探伤,并对它进行100%的X光射线照像检验。5)管道强度试验按设计要求进行。试验压力为设计压力的1.5倍,试验介质为空气,但室内管的最低强度试验压力为0.3MPa;进行强度试验时,缓慢升压,达到试验压力后,稳压1h,无泄漏并目测无变形为合格。6)管道严密性试验压力为工作压力的2倍,但不应小于3000MPa,并应在30min内压力不下降为合格。收稿日期 12EAI2HDesignonGasSupplySystemofSuperHigh-riseBuildingYanRiquanAbstract Discussesthedetemintionprinciplesofgassupplysystemofsuperhigh-risebuildingandintroducestheacceptancespecificationofgaspipelineingassupplysystemofsuperhigh-risebuilding.KeywordsSuperhigh-GDesignstudy
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1.燃气按其产生方式和来源分为天然气，液化石油气，人工煤气，生物气。 2. 液化石油气蒸汽压仅取决于液化石油气的温度和压力与储存容器的大小和多少无关。
3. 根据是否考虑资金的时间因素技术经济分析可分为静态评价方法和动态评价方法。
4. 燃气调压器按作用原理分为直接作用式和间接作用式。
5. 燃气压缩机按作用原理分为容积型压缩机，速度型压缩机。
6. 湿燃气形成水化物的主要条件是压力和温度，次要条件是含有杂质和高速紊流。
7. 液化石油气的汽化潜热随温度的升高而升高，达到临界温度时，汽化潜热为零。
8. 液态烃的容积膨胀系数很大，大约为水的16倍。9. 城市燃气管道根据用途分为长距离输气管线，城镇燃气管道，工业企业燃气管线。燃气钢管采用的连接方法有螺纹，连接，法兰。
10. 埋地管道防腐蚀的方法有绝缘层防腐法，电保护法，其中电保护法有外加电流阴极保护法，牺牲阳极阴极保护法，排流保护法。
11. 低压干式储气罐根据密封方法不同分为阿曼阿恩型干式罐，可隆型干式罐，威金斯型干式罐。
12. 高，中压燃气管网在水力可靠性相同的情况下，按管径计算比用等压作用计算的环网金属消耗少。
13. 城镇燃气管网的供气对象有居民用户，商业用户，工业用户，采暖制冷用户，燃气汽车用户。
14. 两种燃气能否置换需要考虑燃气的
两种特性。 二 名词解释：
1. 月高峰系数：P39
各月的平均日用气量与全年平均日用气量的比值中最大值称为月最大不均匀系数K1max又称为月高峰系数。K1max=12个月中平均日用气量最大值/全年平均日用气量。
2. 调压器的最佳作用半径：P150
指从调压器到零点的平均直线距离，当这个作用半径使管网系统的年计算费用为最小时，则称这个作用半径为最佳作用半径。
3. 管网压降作用系数：
管网中各用户的实际压力降与计算压力降的比值即为管网压降利用系数。 4. 高压气罐容积利用系数：P224
φ=VPo/(VcP)=(P-Pc)/P，它是指高压储气罐的最高工作压力与最低允许压力之差与最 高工作压力之比值。
5. 计算工况：P120
指管道系统的流量满足最大负荷（即计算流量Q），燃具前的压力为额定压力Pn，燃具的流量为额定流量Qn时的工况。
6. 小时计算流量：P41
指燃气计算月的高峰小时最大用气量。城市燃气分配管道的小时计算流量为：Qh=Qy ×K1max×K2max×K3max／365×24；室内和庭院燃气管道的小时计算流量按燃气用具的额定耗气量和同时工作系数来确定。7. 途泄流量：P102
在管段沿程输出的燃气流量。分配管网的管段与大量居民用户、小型公共建筑用户相 五一长假除了旅游 还能做什么？辅导补习 美容养颜 家庭家务 加班须知 连。这种管段的主要特征是：由管段始端进入的燃气在途中全部供给各个用户，这种管段只有途泄流量。图示
8. 临界温度：P7
温度不超过某一数值，对气体加压，可以使气体液化，而在该温度以上，无论压力多 大，都不能液化，该温度叫做该气体的临界温度，对应的压力叫临界压力
9. 饱和蒸汽压及相平衡常数：P13,P15
饱和蒸汽压力：在一定温度下密闭容器中的纯液体及其蒸汽处于动态平衡时蒸汽所表示的绝对压力。
相平衡常数：表示在一定温度下，一定组成的气液平衡系统中任一组分在该温度下的饱和蒸气压与混合液体蒸气压的比值，是一常数。用k表示。并且，在一定温度和压力下，气液两相达到平衡状态时，气相中任意组分的摩尔分数与其液相中的摩尔分数的比值同样是一个常数。
10. 爆炸极限：P21
可燃气体和空气的混合物遇明火而引起爆炸时的可燃气体浓度范围称为爆炸极限。
三 简述题：
1. 简述城市燃气分配站的作用。
答：燃气分配站是长距离输气干线或支线的终点站，是城市、工业区分配管网的气源 站，在改站内接收长输管线输送来的燃气经过除尘、调压、计量和加臭后送入城市或工业区的管网。
2. 简述燃气输配系统中采用不同压力级别的原因。
采用不同压力级制的必要性：1)管网采用不同的压力级制是比较经济的。因为大部分 燃气由较高压力的管道输送，管道的管径可以选得小一些，管道单位长度的压力损失可以选得大一些，以节省管材；2)各类用户需要的燃气压力不同。如居民用户和小型公共建筑用户需要低压燃气，而大型工业企业则需要中压或高压燃气；3)消防安全要求。在城市未改建的老区、建筑物比较密集、街道和人行道都比较狭窄，不宜敷设高压或中压A管道。
3. 简述提高燃气高压储气罐容积利用系数的途径。
答：φ=VPo/(VcP)=(P-Pc)/P，它是指高压储气罐的最高工作压力与最低允许压力之差 与最高工作压力之比值。通常储气罐的工作压力已定，欲使容积利用系数提高，只有降低储气罐的剩余压力，而后者又受到管网中燃气压力的限制。为了使储罐的利用系数提高，可以在高压储气罐站内安装引射器，当储气罐内燃气压力接近管网压力时，就开动引射器，利用进入储气罐站的高压燃气的能量把燃气从压力较低的罐中引射出来，这样可以提高整个罐站的容积利用系数。
4. 简述调压器并联的工作原理。
答：调压器并联时一个调压器正常工作，另一台备用。当正常工作调压器出故障时，备用调压器自动启动，开始工作。其原理如下：正常工作调压器的给定出口压力略高于备用调压器的给定出口压力，所以正常工作时，备用调压器呈关闭状态。当正常工作的调压器发生故障，使出口压力增加到超过允许范围时，其线路上的安全切断阀关闭，致使出口压力降低，当下降到备用调压器的给定出口压力时，备用调压器自行启动正常工作。备用线路上安全切断阀的动作压力应略高于正常工作线路上安全切断阀的动作压力
5. 简述燃气分配管网流量的特点及计算流量公式的意义。
答：燃气分配管网的各管段根据连接用户的情况，可分为三种：①管段沿途不输出燃 气，用户连接在管段的末端，这种管段的燃气流量是个常数，所以其计算流量就等于转输流量。②分配管网的管段与大量居民用户、小型公共建筑用户相连。这种管段的主要特征是：由管段始端进入的燃气在途中全部供给各个用户，这种管段只有途泄流量。③流经管段送至末端不变的流量为转输流量Q2，在管段沿程输出的燃气流量为途泄流量Q1，该管段上既有转输流量，又有途泄流量。为进行变负荷管段的水力计算，可以找出一个假想不变的流量Q，使它产生的管段压力降与实际压力降相等。这个不变流量Q称为变负荷管段的计算流量，Q=αQ1+Q2，α指流量折算系数，通常取0.55或0.5。
6. 城市燃气管道系统的构成。
答：现代化的城市燃气输配系统是复杂的综合设施，通常由下列部分构成：
低压、中压以及高压等不同压力等级的燃气管网；（2）
城市燃气分配站或压气站、各类型的调压站或调压装置； （3）
储配站；（4）
监控与调度中心； （5）
维护管理中心。
7. 简述燃气输配管道计算流量及意义。同5 8．简述城市燃气加臭的必要性及加臭的要求。
答：城市燃气是具有一定毒性的爆炸性气体，又是在压力下输送和使用的。由于管道及设备材质和施工方面存在的问题和使用不当，容易造成漏气，有引起爆炸、着火和人身中毒的危险。因此，当发生漏气时能及时被人们发觉进而消除漏气是很有必要的。要求对没有臭味的燃气加臭，对于减少灾害，是必不可少的措施。
在城市燃气的可燃成分中，最具有剧毒性而含量较多者为CO。而规定了对有毒而又无臭味的燃气应加臭，使有毒燃气在达到允许有害浓度之前，应能察觉。对无毒燃气在相当于爆炸下限20%的浓度时，应能察觉。9。简述燃气管网输配系统供需平衡的方法。
供需平衡方法：1）改变气源的生产能力和设置机动气源2）利用缓冲用户和发挥调度的作用3）利用储气设备：地下储气，液态储存，管道储气，储气罐储气。
10．简述调压器串联的工作原理。 四 问答题：
1. 如何提高燃气输配管网的水力可靠性？
答：1).管网系统应有两个或两个以上的供气点以防供气中断。向大用户、调压站以及小区居民用户供气时，都应双侧供气，高、中、低压管网都要连成环形。如果管网系统是由几个压力级组成，则应设一定数量的连接点（即调压站）以保证多点供气。
2)．如果存在天然或人工障碍，低压管网最好分区布置，而不要连成整体系统，但每一独立区至少应有两个调压站。各调压站的出口可用同径管道以最短的线路互相连接，以保证当一个调压站关断时由另一个调压站供给必要数量的燃气。
3). 如果高、中压管网只有一个环时，可采用相同或相近的管径，并留有一定的压力储备，以提高事故情况下的通过能力。对由许多环路组成的管网，整个压力降PA2-PB2应当在沿燃气流动方向依次布置的各环路之间均匀地分配，并且每个环应由管径相同的管道构成。管网中环路越多，则压力储备可以减少。 4). 低压环网可按单位长度压力降ΔP/L=常数进行计算，而相邻管段直径不能相差很大，否则在事故情况下就不能保证供应一定的燃气量
2. 简述高层建筑的室内燃气管道系统应考虑哪些问题？如何解决？
答：对于高层建筑的室内燃气管道系统还应考虑三个特殊的问题。 （一）
补偿高层建筑的沉降。高层建筑物自重大，沉降量显著，易在引入管 处造成破坏。可在引入管处安装伸缩补偿接头以消除建筑物沉降的影响（2分）。伸缩补偿接头有波纹管接头、套筒接头和软管接头等形式（1分）。（二）
克服高程差引起的附加压头的影响
燃气与空气密度不同时，随着建筑物高度的增大，附加压头也增大，而民用和公共建筑燃具的工作压力，是有一定的允许压力波动范围的。当高程差过大时，为了使建筑物上下各层的燃具都能在允许的压力波动范围内正常工作，可采取下列措施以克服附加压头的影响：
1）.分开设置高层供气系统和低层供气系统，以分别满足不同高度的燃具工作压力的需要。
2）.设用户调压器，各用户由各自的调压器将燃气调压，达到燃具所需的稳定压力值。
3）.采用低――低压调压器，分段消除楼层的附加压头。
（三）补偿温差产生的变形。高层建筑燃气立管的管道长、自重大，需在立管底部设置支墩。为了补偿由于温差产生的胀缩变形，需将管道两端固定，并在中间安装吸收变形的挠性管或波纹管补偿装置。管道的补偿量可按下式计算：ΔL=0．012LΔt
3. 论述如何进行调压器的选择？
五计算题：
1. 推导干燃气和湿燃气密度的转换公式
2. 高中压管网的水力可靠性分析（等管径与等压降两种情况）
P131 3. 低压管网水力可靠性分析
P134一、填空题
1、燃烧速度指数（燃烧势）反映了燃气燃烧火焰所产生离焰、黄焰、回火和不完全燃烧的倾向性，是一项反映燃具燃烧稳定状况的综合指标，能更全面地判断燃气的燃烧特性。P2 2、调压器按照用途或使用对象分类可分为区域调压器、专用调压器和用户调压器。
3、液化石油气有两个来源，分别是油气田和炼油厂，液化石油气的主要成分是丙烷丁烷。 4、按燃气的起源或其生产方式进行分类，大体上把燃气划分为天然气和人工燃气两大类。液化气和生物气则由于气源和输配方式的特殊性，习惯上各另列一类。 5、我国城市燃气的分类指标是国际上广泛采用的华白指数和燃烧势。P38 6、某小区面积151.8公顷，人口密度600人/公顷，气化率为90%，每人每年的耗气量123.9Nm3/人.年，则该小区居民年耗气量为1.016×107Nm3/年。P37
151.8×600×90%×123.9
7、某低压燃气管道的途泄流量为50m3/h，转输流量为80 m3/h，则该管线计算流量为107.5 m3/h。P104
Q=0.55×50＋80
8、某多层住宅，燃气室内立管终端标高17m，引入管始端标高-0.6m，燃气密度0.71kg/N m3， ，产生的附加压头为102.08Pa。P102公式
9、已知流入某节点的所有管段的途泄流量120Nm3/h，流出该节点的所有管段的途泄流量150Nm3/h，该结点存在集中负荷200Nm3/h，则该节点的节点流量333.5 Nm3/h。P106
10、月不均匀系数用来表示一年中各月的用气不均匀情况，其计算式为Km=该月平均日用气量÷全年平均日用气量，影响居民生活及公共建筑用气月不均匀性的主要因素是气候条件。P39 11、城市燃气管网系统按照管网压力级制的不同组合形式分类，可分为一级管网、二级管网、三级管网、及多级管网四种。
12、按照天然气的常规分类，一般可分为四种，分别为气田气、油田伴生气、凝析气。 13、已知天然气中各组分的容积成分，其中甲烷80%，乙烷16%，氮气4%，则天然气的相对密度为0.65。（注：甲烷密度0.7174kg/N m3，乙烷密度1.3553 kg/N m3，氮气密度1.2504 kg/N m3，空气密度1.293 kg/N m3）。P5
14、在进行城市燃气管网设计时，年用气量是确定气源、管网和设备通过能力的依据。P35 二、判断题 1、（×）城市燃气应具有可以察觉的臭味，无臭味或臭味不足的燃气应加臭，有毒燃气中臭剂的最小量应符合下列规定：泄露到空气汇总，浓度达到爆炸下限的20%时，应能察觉。 2、（√）如果气源产量能够根据需用量改变一周内隔天的生产工况时，储气容量以计算月最大日燃气供需平衡要求确定，否则应按计算月平均周的燃气供需平衡要求确定。 3、（×）不均匀系数法适用于求解室内和庭院燃气管道的计算流量。 4、（×）液化石油气减压器属于间接作用式调压器。 5、（×）城市燃气分配管道的计算流量可采用同时工作系数法确定。 6、（√）月不均匀系数的计算方法为各月的用气量与全年平均月用气量的比值。 7、（√）铸铁管得耐腐蚀性优于钢管。 8、（×）当管网的起点压力位定值时，燃具前的最大压力出现在管网负荷最大的情况下。 9、（×）城市燃气输配系统及设备通过能力直接用燃气的年用量来确定。 10（√）室内和庭院燃气管道的计算流量采用同时工作系数法确定。 11（√）随燃具数增加，同时工作系数减小。 三、不定项选择题
1、燃气输配管道的管材主要使用：A 钢管
B铸铁管 C PE管 2、在城市燃气输配管网中，调压器的作用式：A降压
B稳压 3、调压站内的安全装置主要有：A安全放散阀B安全切割阀C监视器装置D调压器的并联 五一长假除了旅游 还能做什么？辅导补习 美容养颜 家庭家务 加班须知 装置
4、按照调压器的敏感原件与传动装置的受力元件之间的关系分类，调压器可分为：A直接作用式调压器
B间接作用式调压器
5、按照用途城市燃气管道可分为：B分配管道 C用户引入管 D室内燃气管道
P56 6、年用气量主要取决于A用户的类型B数量C用气量指标
7、常见的储气设施有A地下储气库B液态储存C管道储气D储气罐储气 四、简答题：
1、简述用户燃具前的压力及其波动范围的影响因素。P121
答：随着负荷的变化，用户处的压力波动在A``-C``4-C`4-A`范围内。用户处压力的最大波动范围就等于计算压力降，所取的计算压力降越大，则其波动范围越大。 2、燃气常用的储存方法有哪些？
答：地下储气库，液态储存，管道储存，储气罐储存 3、简述储气设施的作用P210
答：①解决燃气生产与使用不平衡的ξ值，当发生意外事故，如停电，设备暂时故障等，保证有一定供电量。
②混合不同组分的燃气，使燃气性质（均匀、热值、燃烧特性等）均匀 ③对间歇循环制气设备起缓冲、调节、稳压作用 ④回收高炉煤气及其它可燃、可用废气
⑤工业炉窖中压燃烧，来气压力低，需经压缩机加压时，压缩机进口则需设置储气罐稳压及保持一定的安全储存量。
4、简答城市燃气管道采用不同压力级制的必要性。P58 答：①管网采用不同压力级制的经济性较好②各类用户需要的燃气压力不同③消防安全要求 5、附加压头是如何产生的？写出其计算公式。P162 6、简述直接式调压器的工作原理。P171
答：当出口压力变化时，通过导压管使下游出口压力作用在薄膜的下方，当它与薄膜上方的弹簧（或重块）的设定压力不相等时，薄膜失去平衡，发生位移，带动阀芯改变通过阀口的燃气量，从而回复压力的平衡。
7、简述调压站安全装置中监视器装置的工作原理。P179
答：备用调压器2的给定出口压力略高于正常的工作调压器3的出口压力，因此，正常工作时备用调压器的调节阀是全开的。当调压器失3失灵，出口压力上升到调压器2的给定出口压力时，备用调压器2投入运行。备用调压器也可以放在正常工作调压器之后，备用调压器的出力不得小于正常工作调压器。
8、城市燃气储站的任务是什么？有哪几种工艺流程？P224
答：根据燃气调度中心指令，使燃气输配管网达到所需压力和保持供气与需气之间的平衡。 有两种工艺流程：高压储配站、低压储配站 9、画图说明调压器并联装置的工作原理。P179
答：正常工作调压器的给定出口压力略高于备用调压器的给定出口压力，所以正常工作时，备用调压器呈关闭状态。当正常工作的调压器发生故障，使出口压力增加到超过允许范围时，其线路上的安全切断阀关闭，致使出口压力降低，当下降到备用调压器的给定出口压力时，备用调压器自行启动正常工作。备用线路上安全切断阀的动作压力应略高于正常工作线路上安全切断阀的动作压力。图9-22 五、计算题
1、如图2所示，已知各管段途泄流量及节点6的集中负荷（单位：N m3/h），请计算各管段的转输流量及计算流量。
2、管线A为与调压站相连的城市燃气分配管道，该管段供气区域的年用气量为800000 N m3/a；管线B为一居民楼供气，该楼居民共4030户，其中10户只安装了一台双眼灶，3020户分别安装了一台双眼灶和一台热水器，请分别计算两管段的小时计算流量。
其中：月高峰系数K=1.2，日高峰系数K=1.1，小时高峰系统K=2.5 双眼灶热负荷23450KJ/h
热水器热负荷25590 KJ/h
27000 煤气低热值17074 KJ/m2
煤气用具同时工作系数见表1
4、某φ219×7的低压燃气钢管，管道长度1000m，200 N m3/h，0.788kg/N m3…计算该管段的终点压力。 解：
5、已知某城市人口50万……P37
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