最新6集中供热系统的热力站汇总.docx

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最新6集中供热系统的热力站汇总

6集中供热系统的热力站

六集中供热系统的热力站及其主要设备

集中供热系统的热力站是供热网路与热用户的连接场所。

它的作用是根据热网工况和不同的条件，采用不同的连接方式，将热网输送的热媒加以调节、转换，向热用户系统分配热量以满足用户需求，并根据需要，进行集中计量、检测供热热媒的参数和数量。

根据热网输送的热媒不同，可分为热水供热热力站和蒸汽供热热力站，根据服务对象不同，可分为工业热力站和民用热力站。

根据热力站的位置和功能的不同，可分为：

1．用户热力站（点）——也称为用户引入口。

它设置在单幢建筑用户的地沟入口或该用户的地下室或底层处，通过它向该用户或相邻几个用户分配热能。

2．小区热力站（常简称为热力站）——供热网路通过小区热力站向一个或几个街区的多幢建筑分配热能。

这种热力站大多是单独的建筑物。

从集中热力站向各热用户输送热能的网路，通常称为二级供热管网。

3．区域性热力站——它用于特大型的供热网路，设置在供热主干线和分支干线的连接点处。

第一节民用热力站

民用热力站的服务对象是民用用热单位（民用建筑及公共建筑），多属于热水供热热力站。

图12-1所示是一个供暖用户的热力点示意图。

热力点在用户供、回水总管进出口处设置截断阀门、压力表和温度计，同时根据用户供热质量的要求，设置手动调节阀或流量调节器，以便于对用户进行供热调节。

用户进水管上应安装除污器，以免污垢杂物进入局部供暖系统。

如引入用户支线较长，宜在用户供、回水管总管的阀门前设置旁通管。

当用户暂停供暖或检修而网路仍在运行时，关闭引入口总阀门，将旁通管阀门打开使水循环，以避免外网的支线冻结。

图12-2所示为一个民用热力站的示意图。

各类热用户与热水网路并联连接。

城市上水进入水-水换热器4被加热，热水沿热水供应网路的供水管，输送到各用户。

热水供应系统中设置热水供应循环水泵6和循环管路12，使热水能不断地循环流动。

当城市上水悬浮杂质较多，水质硬度或含氧量过高时，还应在上水管处设置过滤器或对上水进行必要的水处理。

图11-2的供暖热用户与热水网路是采用直接连接。

当热网供水温度高于供暖用户设计的供水温度时，热力站内设置混合水泵9，抽引供暖系统的网路回水，与热网的供水混合，再送向各用户。

混合水泵的设计流量，按下式计算

（12-1）

式中

——承担该热力站供暖设计热负荷的网路流量，t／h，

——从二级网路抽引的回水量，t／h，

u'——混水装置的设计混合比，根据第八章式（8-19）

（12-2）

式中τ'1——热水网路的设计供水温度，℃，

t'g、t'h——供暖系统的设计供、回水温度，℃。

混合水泵的扬程应不小于混水点以后的二级网路系统的总压力损失。

流量应为抽引回水的流量。

水泵数目不应少于两台，其中一台备用。

图11-3所示为供暖系统与热水网路采用间接连接方式的热力站示意图。

其工作原理和流程与图11-2相同，只是安装了为供暖系统用的水-水换热器和二级网路的循环水泵，使热网与供暖系统的水力工况完全隔绝开来。

图中两级网路循环水泵和补给水泵的设计选择原则，与第九章所阐述的原则完全相同，将二级网路系统视为一个独立的供暖系统来设计。

在热水供应热负荷较大，采用两级串联或混联连接方式的热力站示意图，可见第七章图7-2（a）和（b）的简示图。

热力站应设置必要的检测，自控和计量装置。

在热水供应系统上，应设置上水流量表，用以计量热水供应的用水量。

热水供应的供水温度，可用温度调节器控制。

根据热水供应的供水温度，调节进入水-水换热器的网路循环水量，配合供、回水的温差，可计量供热量（也可采用热量计，直接记录供热量）。

随着我国集中供热技术的发展，在热力站安装流量调节器以及利用微机调控热力站流量的方法，巳得到初步应用。

采用集中热力站，比分散用户热力点方式能减轻运行管理和便于实现检测，计量和遥控，提高管理水平和供热质量。

民用小区热力站的最佳供热规模，取决于热力站与网路总基建费用和运行费用，应通

过技术经济比较确定。

一般来说，对新建居住小区，每个小区设一座热力站，规模在5～15

万m2建筑面积为宜。

第二节工业热力站

工业热力站的服务对象是工厂企业用热单位，多为蒸汽供热热力站。

图12-4所示为—个具有多类热负荷（生产，通风、供暖、热水供应热负荷）的工业热力站示意图。

热网蒸汽首先进入分汽缸1，然后根据各类热用户要求的工作压力，温度，经减压阀（或减温器）调节后分别输送出去，如工厂采用热水供暖系统，则多采用汽-水式换热器，将热水供暖系统的循环水加热。

凝结水回收设备是蒸汽供热热力站的重要组成部分，主要包括凝结水箱，凝结水泵以及硫水器，安全水封等附件。

所有可回收的凝水分别从各热用户返回凝结水箱。

在有条件情况下，应考虑凝水的二次汽的余热利用。

工业热力站应设置必需的热工仪表，应在分汽虹上设压力表、温度计和安全阀；供汽管道减压阀后应设压力表和安全阀，凝水箱内设液位计或设置与凝水泵联动的液位自动控制装置；换热器上设置压力表，温度计。

为了计量，外网蒸汽入口处设置蒸汽流量计和在凝水接外网的出口处设置凝水流量计等。

凝结水箱有开式（无压）和闭式（有压）两种。

通常用3～l0mm钢板制成。

热力站的凝结水箱总储水量，根据《热网规范》，一般按10～20min的最大小时回水量计算。

凝结水箱一般设两个，对单纯供暖用的凝结水箱，其水量在10t/h以下时，可只设一个。

在热源的总凝水箱的储水量，根据我国《工业锅炉房设计规范》，一般按20～40min的最大小时回水量计算。

开式水箱多为长方形（图12-5）。

开式水箱附件一般应有入孔盖，水位计，温度计、进、出水管、空气管和泄水管等。

当水箱高度大于1.5m时，应设内、外扶梯。

闭式水箱（图12-6）为承压水箱。

水箱应做成圆筒形。

闭式水箱附件一般应有入孔盖、水位计、温度计、进、出水管、泄水管、压力表、取样装置和安全水封等。

闭式水箱上应设置安全水封。

它的作用有：

1．防止水箱压力过高；

2．防止空气进入箱内；

3．兼作溢流管用。

安全水封（图12-7）的构造和工作原理简述如下：

安全水封由水室A、B、C及连通管1、2、4组成，由管3与闭式凝水箱连通。

系统运行前，由下部充水管充水至I'-I'水面。

在正常箱内压力下，管2中水面下降，管4及管1水面上升h高度。

当箱内的压力高于大气压H1（mH2O）以上时（h值小，忽略不计），水封被突破，箱内蒸汽及不凝结气体从管2通过管4经A室排往大气。

由此可见。

利用水封高度H1（m），可以维持水箱内的蒸汽压力不大于10H1（kPa）。

当水箱压力恢复后，A室中的水由管1自动地返回管2和4，恢复原来的水位。

当水箱无凝水进入，箱内呈无压，而凝结水泵启动抽水时，密闭箱体内出现负压。

此时，管1，4中水面下降，管2中水面上升。

只要箱内负压与大气压力之差不大于H2（mH2O），管1中水面就不会降到I-I以下，管2中的水封就不会被冲破，空气就不能进入水箱。

水柱高H2为水箱可能出现的最大真空度。

当水箱内的真空度消失后，B室中的存水由管2端的孔眼重新流回管2、4及管1中。

当水箱内存水过多，水面上升超过H3高度后，水可经由水封管的通气口排出。

与凝水箱连接的管3应在水箱的溢流水位高度处。

安全水封的连通管d应根据排汽量来确定。

水室A、B的直径，可参阅有关供热设计手册计算确定。

凝结水泵不应少于两台，其中一台备用。

选择凝结水泵及外网管径时，其流量应按可能达到的最大小时凝结水量来计算，扬程应按凝结水管网水压图（已在第十一章阐述）的要求确定，并留有30～50kPa的富裕压力。

第三节热水换热器

换热器，特别是被加热介质是水的换热器，在供热系统中得到广泛应用。

如它用在热电厂及锅炉房中加热热网水和锅炉给水，在热力站和用户热力点处，加热供暖和热水供应用户系统的循环水和上水。

热水换热器，按参与热交换的介质分类，分为汽-水（式）换热器和水-水（式）换热器，按换热器热交换（传热）的方式分类，分为表面式换热器和混合式换热器。

表面式换热器是冷热两种流体被金属壁面隔开，而通过金属壁面进行热交换的换热器，如壳管式，套管式、容积式、板式和螺旋板式换热器等。

混合式换热器是冷热两种流体直接接触进行混合而实现热交换的换热器，如淋水式、喷管式换热器等。

一、常用热水换热器的型式及构造特点

（一）壳管式换热器

1．壳管式汽-水换热器，主要有下列几种型式：

（1）固定管板式汽-水换热器（图12-8a）。

它主要由以下几部分组成：

带有蒸汽进出口连接短管的圆形外壳1，由小直径管子组成的管束2，固定管束的管栅板3，带有被加热水进出口连接短管的前水室4及后水室5。

蒸汽在管束的外表面流过，被加热水在管束的小管内流过，通过管束的壁面进行热交换。

图12-8壳管式汽-水换热器

（a）固定管板式汽-水换热器；（b）带膨胀节的壳管式汽-水换热器；（c）U形壳管式汽-水换热器；

（d）浮头式壳管汽-水换热器

1-外壳；2-管束；3-固定管栅板；4-前水室；5-后水室；6-膨胀节；7-浮头；8-挡板；9-蒸汽入口；

10-凝水出口；11-汽侧排气管；12-被加热水出口；13-被加热水入口；14-水侧排气管

管束通常采用锅炉碳素钢钢管，不锈钢管，铜管或黄铜管，钢管承压能力高，但易腐蚀，铜管及黄铜管耐腐蚀，但耗费有色金属。

对低于130℃的热水换热器，三种材料均可使用，超过140℃的高温热水换热器，则宜采用钢管。

钢管壁厚一般为2～3mm，钢管为1～2mm。

管子直径：

对铜管，一般可选用15～20mm；钢管一般可选用22、25及32mm等。

为强化传热，可利用隔板在前后水室中将管束分割成几个行程。

一般水的出入口位于同侧，以便于拆卸检修，所以行程采用偶数。

采用最多的是二行程和四行程型式。

固定管板式壳管汽-水换热器的主要优点是结构简单，造价低、制造方便和壳体内径，小，缺点是壳体与管板连在一起，当壳体与管束之间温差较大时，由于热膨胀不同会引起管子扭弯，或使管栅板与壳体之间，管束与管栅板之间开裂，造成泄漏，管间污垢的清洗也较困难。

所以只适用于温差小、单行程、压力不高以及结垢不严重的场合。

（2）带膨胀节的壳管式汽-水换热器（图12-8b）。

为解决固定管板式外壳和管束热膨胀不同的缺点，可在壳体中部加一膨胀节，其余结构形式与固定管板式完全相同。

这种换热器克服了上述的缺点，但制造要复杂些。

（3）U形管壳管式汽-水换热器（图12-8c）。

U形管束可以自由伸缩，以补偿其热伸长。

结构简单。

缺点是管内无法用机械方法清洗，管束中心附近的管子不便拆换，管栅板上布置管束的根数有限，单位容量及单位重量的传热量低，它适用于温差大，水质较好的场合。

（4）浮头式壳管汽-水换热器（图12-8d）。

其特点是浮头侧的管栅板不与外壳相连，该侧管栅板可在壳体内自由伸缩，以补偿其热伸长。

清洗便利，且可将其管束从壳体中拔出。

对上述壳管式汽-水换热器，应注意防止蒸汽冲击管束而引起管子弯曲和振动。

为此在蒸汽入口处应设置挡板（见图12-8d标注8）。

当管束较长时，需要设支撑隔板以防管束挠曲。

同时，壳内应有较大的空间，使蒸汽分布均匀，凝水顾利排除。

在开始运行时，必须很好地排除空气及其它不凝气体。

（5）波节型壳管式换热器（图12-9a）。

该换热器的特点是采用薄壁不锈钢（1Cr18Ni19Ti）波节管束（见图12-9b）代替传统的等直径直管束，作为壳管式换热器的受热面。

由于采用了波节管束，强化了传热，传热系数明显增高；波节管束内径较大些，水侧的流动压力损失降低，同时靠波节管束补偿热伸长，可以采用固定管板的简单结构型式。

但应注意，由于波节管为奥氏体不锈钢，为防止应力腐蚀，换热器水质中的氯离子含量应不超过25ppm。

2．壳管式水-水换热器。

图12-10（a）为分段式水-水换热器：

图12-10（b）为套管式水-水换热器。

分段式水-水换热器是由带有管束的几个分段组成的。

每个分段外壳设波形膨胀节，以补偿其热伸长。

各段之间采用法兰连接。

套管式是最简单的一种壳管式，它是由钢管组成“管套管”的型式。

套管之间用焊接连接。

套管式换热器的组合换热面积小。

水-水换热器两流体流动方向多采用逆向流动，以提高传热效果。

上述的水-水换热器，与后面阐述的板式和螺旋板式换热器相比具有如下优点：

结构简单，造价低，流通截面较宽，易于清洗水垢，但其缺点是传热系数低，占地面积大。

图12-9波节型壳管式换热器

（a）结构示意图；（b）波节管示意图

1-外壳；2-波节管；3-管板；4-前水室；5-后水室；6-挡板；7-拉杆；8-折流板；

9-排气口；10-排气口

图12-10壳管式水-水换热器

（a）分段式水-水换热器；（b）套管式水-水换热器

1-被加热水入口；2-被加热水出口；3-加热水入口；4-加热水出口；5-膨胀节

（二）容积式换热器（图12-11）

根据加热介质的不同，分为容积式汽-水换热器和容积式水-水换热器。

这种换热器与

储水箱结合在一起，其外壳大小根据储水箱的容量确定。

换热器中用U形弯管管束并联在

一起，蒸汽或加热水自管内流过。

容积式换热器的主要特点是兼起储水箱的作用，易于清除水垢，主要用于热水供应系

统。

但其传热系数比壳管式换热器低得多。

（三）板式换热器（图12-12）

它主要由传热板片1，固定盖板2，活动盖板3，定位螺栓4及压紧螺栓5等组成。

板与板之间用垫片进行密封，盖板上设有冷、热媒进出口短管。

板片的结构型式很多，我国目前生产的主要是“人字形板片”（见图12-13）。

它是一种典型的“网状流”板片。

左侧上下两孔通加热流体，右侧上下两侧通被加热流体。

板片之间密封用的垫片型式见图12-14。

密封垫的作用不仅把流体密封在换热器内，而且使加热与被加热流体分隔开，不使相互混合。

通过改变垫片的左右位置，可以使加热与被加热流体在换热器中交替通过人字形板面。

通过信号孔可检查内部是否密封。

当密封不好而有渗漏时，信号孔就会有流体流出。

板式换热器两侧流体（加热侧与被加热侧）的流程配合很灵活。

如图12-15所示，它是2对2流程。

但也可实现1对1、1对2、2对2和2对4等两侧流体流程配合方式，而达到流速适当，以获得较大的传热系数。

板式换热器由于板片表面的特殊结构，能使流体在低流速下发生强烈湍动，从而大大强化了传热过程。

因此，板式换热器是一种传热系数很高，结构紧凑，适应性大，拆洗方便，节省材料的换热器。

近年来，水-水式板式换热器在我国城镇集中供热系统中，开始得到较广泛的应用。

但板片间流通截面窄，水质不好形成水垢或污物沉积都容易堵塞，密封垫片耐温性能差时，容易渗漏和影响使用寿命。

（四）螺旋板式换热器（图12-16）

它是由两张平行金属板卷制两个螺旋通道组成的表面式换热器，加热介质和被加热介质分别在螺旋板两侧流动。

螺旋板式换热器有汽-水式和水-水式两种。

螺旋板式换热器结构紧凑，其传热系数一般高于管壳式换热器，与板式换热器相比，流通截面较宽，不易堵塞，但其最主要缺点是不能拆卸清洗。

（五）淋水式换热器（图12-17）

它主要由壳体及淋水板组成。

被加热水由上部进入，经淋水板上的筛孔分成细流流下，蒸汽由壳体上侧部或下部进入，与被加热水接触凝结放热，被加热后的热水从换热器下部送出。

淋水式换热器是一种典型的混合式换热器。

混合式换热器与上述表面式换热器相比，它具有换热效率高，在相同设计热负荷条件下，换热面积小，设备紧凑，但由于直接接触换热，不能回收纯凝水，因此应用在集中供热系统上，还要考虑增加热源水处理设备的容量和如何利用系统多余的凝水量问题。

淋水式换热器应用在热水供热系统中，除了具有换热功能外，还兼起储水箱的作用（替代供暖系统的膨胀水箱），同时还可以利用壳体内的蒸汽压力对系统进行定压。

（六）喷管式汽-水换热器（图12-18）

它主要由外壳1、喷嘴2、泄水栓3、网盖4和填料6等组成。

被加热水通过呈拉伐尔管形的喷管时，蒸汽从喷管外侧，通过管壁上许多斜向小孔喷入水中，两者在高速流动中很快地混合，将水加热。

为了蒸汽正常通过斜孔与水混合，使用的蒸汽压力至少应比换热器入口水压高出0.1MPa以上。

喷管式汽-水换热器具有体积小，制造简单，安装方便，调节灵敏，加热温差大以及运行平稳等特点，但换热量不大，一般只用于热水供应和小型热水供暖系统上。

用于供暖系统时，喷管式汽-水换热器多设置在循环水泵的出水口侧。

二、壳管式换热器的热力计算

换热器热力计算的任务是在换热量和结构已经给定，换热器出入口的加热介质和被加热介质的温度为已知的条件下，确定换热器的必要换热面积。

在工程计算中，往往根据选用的换热器的型式和规格，根据上述给定条件，校核选用的换热器换热量是否满足需要。

（一）基本计算公式

根据被加热水需要加热的温度，传热量Q可由下式求得

Q=G2c（t1-t2）W（12-3）

式中G2——通过换热器的被加热水的流量，kg／s；

c——水的质量比热，J／kg·℃：

t1、t2——流出和流进换热器的被加热水温度，℃。

考虑到换热器散入周围环境的热损失，实际供给换热器的热量Q’应为

Q'=Q／ηW（12-4）

式中η——换热器的热效率，一般η=0.96～0.99。

在汽-水换热器中，作为加热介质的蒸汽耗量为

（12-5）

在水-水换热器中，作为加热介质的加热水耗量为

（12-6）

式中D——汽-水换热器中的蒸汽耗量，kg／s；

G1——水-水换热器中加热水的耗量，kg／s；

τ1、τ2——流进和流出水-水换热量的加热水温度，℃，

i1、in——加热蒸汽的焓和凝结水的焓值，J／kg。

热媒将热量传给被加热水所需的换热面积F为

F=Q／K△tpm2（12-7）

式中K——换热器的传热系数，W／m2.℃；

△tp——加热与被加热流体之间的对数平均温差，℃。

（二）对数平均温差△tp

根据传热学原理，换热器内换热流体之间的计算温差以对数平均温差表示

℃（12-8）

式中△td、△tx——换热器进、出口端热煤的最大、最小温差，℃，见图12-19。

当△td／△tx≤2时，可近似按算术平均温差计算，其误差不到4%，这时

△tp=（△td+△tx）／2℃（12-9）

（三）传热系数K

由于传热管壁的相对厚度很小，所以换热器的传热系数K可采用平壁传热公式进行计算：

W／m2.℃（12-10）

式中a1——加热介质至管壁的放热系数，W／m2.℃；

a2——管壁至被加热介质的放热系数，W／m2.℃；

δg——管壁厚度，m；

λg——管壁的导热系数，对钢管λ=45～58W／m.℃，对黄铜管λg=81～1175W／m.℃，对紫铜管λg=347～467W／m.℃；

δwg——污垢的厚度，m；

λwg——污垢的导热系数，水垢λwg=0.56～2.22W／m.℃；油垢λwg=0.11～0.14W/m.℃。

由于油垢的导热系数很小，热阻大，因此带油蒸汽进入换热器前，应先将油除掉。

水垢对换热器传热的影响也很大。

当水垢厚度大子0.5mm时，换热器的传热能力就下降较多，这时就应对换热器进行清洗。

因此计算中，应考虑取δwg=0.5mm的水垢热阻进行热力计算。

（四）放热系数a值

从上式可见，计算传热系数K值的关键在于确定放热系数a值。

在工程设计中，可采用如下的简化公式：

1．水在管内或管间沿管壁作紊流流动（Re≤104）时的放热系数

W／m2.℃（12-11）

2．水横穿过管束作紊流流动时的放热系数

W／m2.℃（12-12）

式小tpj——水的平均温度，即进出口水温的算术平均值，℃；

d——计算管径，m，在式（12-11）和式（12-12）中，当水在管内流动时，采用管子的内径d=dn。

当水在管间流动时，计算管径d则采用管束间的当量直径，d=dd，可用下式计算：

（12-13）

f——水在管间流动的流通截面积，m2；

S——在流动断面上和水接触的周缘长度，即湿周，m。

湿周包括水和换热管束的接触周缘和壳体与水的接触周缘；

ω——水的流速，m／s，通常管内水流速在1～3m／s，管外水流速在0.5～1.5m／s

范围内。

3．水蒸汽在竖壁（管）上膜状凝结，且蒸汽流速ω≤1～2m／s时的放热系数

W／m2.℃（12-14）

4．水蒸汽在水平管束上呈膜状凝结时的放热系数

W／m2.℃（12-15）

上两式中H——竖壁（管）上层流液膜高度，一般即竖管的高度，m；

dw——管子外径，m；

m——沿垂直方向管子的平均根数，m=n／n'，其中：

n为管束的总根数，n'为最宽的横排中管子的根数。

tb——蒸汽的饱和温度，℃，

tbm——管壁壁面的温度，℃，

tm——凝结水薄膜温度，即饱和蒸汽tb与管壁壁面tbm的平均温度，℃。

利用式（12-14）及式（12-15）求放热系数a值时，管束的壁面温度tbm是未知的。

计算时可采用试算法求解。

先假设一个tbm，求出a值后，再根据热平衡关系式求出管束壁面的试算温度t'bm。

若|tbm-t'bm|=ε中的ε值满足计算精度要求，则试算成功，否则应重新假没tbm，再确定t'bm值，直到满足要求为止。

热平衡关系式：

当蒸汽在管内流动时，

℃（12-16）

当蒸汽在管外流动时，

℃（12-17）

式中△tp——换热器内换热流体之间的对数平均温差，℃；

an——流体在管内的放热系数，W／m2.℃；

aw——流体在管外的放热系数，W／m2.℃；

K——换热器的传热系数，W／m2.℃。

考虑到换热面上经常会存有机械杂质，污泥或水垢等物，以及考虑流体在换热器中分布不均匀存在死角等因素影响传热效果，为保证工作可靠性，设计换热器的换热面积应比计算值大。

对于钢管，换热器一般增加25%～30%的换热面积；对于铜管，增加15%～20%。

为便于设计核算，表12-1给出了常用换热器的传热系数K值范围。

表中的数值亦可作为估算时的参考值。

常用换热器的传热系数K值表12-1

设备名称

传热系数K值（W／m2℃）

备注

壳管式汽-水换热器

分段式水-水换热器

容积式汽-水换热器

容积式水-水换热器

板式水-水换热器

螺旋板式水-水换热器

淋水式换热器

2000～4000

1150～2300

700～930

350～465

2300～4000

1200～2500

5800～9300

ωn=1～3m／s

ωw=0.5～1.5m／s；ωn=1～3m／s

ωn=1～3m／s

ω=0.2～0.8m／s

ω=0.4～1.2m／s

注：

ωn——管内水流速，m／s；ωw——管间水流速，m／s。

上述壳管式换热器热力计算的原则和方法，对其它型式的换热器都是适用的。

不同点只在如何确定该型式换热器的传热系数K值上。

在计算过程中，加热介质至管壁以及管壁至被加热介质的放热系数a1、a2值的确定，可根据有关资料或产晶样本给定的公式进行计算。

[例题12-1]某热水供暖系统的总热负荷为630×104kJ／h。

在蒸汽锅炉房内设置壳管式汽-水换热器和凝结水冷却器（水-水式换热器）加热网路循环水。

系统如图12-20所示。

供汽参数：

饱和蒸汽压力P=7×105Pa（abs）。

热网设计供，回水温度95℃／70℃。

试按国