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【独家】GTI 2015年年度报告(上)——珍贵资料,推荐收藏!

2016-10-17 华中科技大课题组 天然气与法律

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GTI2015年度报告译序

作为一家具有75年历史的天然气专业机构,美国燃气技术研究院(GTI)在燃气产业链的各环节都有所建树。当然,这些成绩非一日之功。当前,国内很多燃气公司都成立了研发机构,这是一个好现象,但如何规划和操作是我国燃气行业的痛点。欲从根本上减小与国外的差距,提升效率和降低成本,建议燃气相关的研究机构建立一种常态化的联系机制,探讨进一步的合作。在介绍的GTI的发展历程中,也有类似的做法。

2015年度报告叙述了GTI在能源转换、非常规天然气、燃气输配、燃烧器技术、“以气代油”技术、机构培训等方面取得的进展和成就,对我国燃气领域的发展有一定的借鉴和指导意义。华中科技大学城市燃气课题组翻译了此报告。全文由王宸章、刘泽曦、杜诚博、丁新、丁一凡、徐连、胡萌和黄家全联合翻译,由蔡磊、梁莹、向艳蕾校核。特别申明,本文未经GTI授权,仅做学习研究之用。全文如有不当之处,请多原谅。

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GTI 2015年年度报告(上)

美国燃气技术研究院(IGT)成立于1941年6月3日。该院由燃气行业资助,并隶属于伊利诺伊斯理工大学(IIT),专注于有关天然气及其副产品的研究和教育。Henry Heald博士是第一任主席。

从一开始,IGT的技术信息中心(TIC)就致力于科学信息的收集和传播,目前该中心掌握了世界最大的天然气技术及能源相关问题的材料收藏。

著名建筑师Mies van der Rohe为IGT设计了一座新的现代建筑。

芝加哥人民煤气灯和焦碳公司(现为人民能源公司)还在芝加哥西南部提供了一个12000平方英尺的场地以供IGT试点工厂设施。

1940-1970年,IGT的发展:

获得国家最先进设备——第一台计算机。

IGT的第一个毕业班。

美国天然气研究协会(GRI)作为一个管理整个天然气行业研究的组织,创立于1976年。关税支持了对天然气行业和纳税人都有利的合作研究与研发(R&D)项目。Henry Linden博士领导IGT 17年。他在GRI的建立中起到了积极的作用,并在1977年至1987年担任主席。Bernard “Bernie” Lee 博士在1987年任IGT主席和CEO。

在1981年,GRI将商业办公室搬迁至芝加哥Bryn Mawr大道8600 W。

在1994年高峰期,GRI管理的基金超过2亿1200万美元。

从1984年到1977年,GRI将18个新的产品和技术投向市场,对纳税人及天然气产业产生巨大的效益。保守预估他们的经济效益的净现值是48亿美元(1983年)。研发的投入超过1984年支持GRI累计成本的十多倍,这些当时并没有反映出的巨大的潜在价值但是一直在推进。

在1987年,Stephen Ban博士成为GRI的主席和首席执行官(CEO)。

截止到2000年,在其24年的历史中,GRI拥有了一个令人印象深刻的记录:投入1美元获利8.5美元。

IGT的员工数在1980年达到峰值——647人。从财务角度来看,收入增长到近历史新高的2亿5800万美元,这是IGT最成功的10年。

在1985年,IGT通过建立持续的会员计划(SMP),为了建立天然气工业的技术基础,给会员需求更大的支持。

在1994年,IGT搬迁至伊利诺伊德斯普兰斯的一个占地18英亩,距离奥黑尔机场10分钟车程的校园中。新的总部成为了一个具有先进能源技术设计,测试和分析设备的专业实验室的灵活的结合。

2000年4月,IGT研究表现的优势和GRI项目管理和产业网络的专业结合,创建一个强大的新组织——美国天然气技术研究所(GTI)。John Riordan于2000成为GTI的主席和CEO。GRI的员工从Bryn Mawr大道的办公室搬迁到德斯普兰斯附近的IGT办公区。基于1998年联邦能源管理委员会(FERC)和天然气行业之间的结算,传统的GRI RD&D计划和强制性的资金支持于2004年结束。

为促进天然气业务合作和基础设施研究,操作技术开发部(OTD)于2003年开启。

为解决天然气行业利润的终端使用问题,应用技术开发部(UTD)于2004年初开启。

GTI在2001年推出新兴技术项目(ETP)来加快市场接受最新的终端技术的速度。

AGA被选为从2015至2018年度国际煤气联盟主席。在加入北美主要领导人的努力中,GTI的主席和CEO David Carroll在美国三年团队中担任主席。

戴维斯能源集团(DEG)是一家总部设在加利福尼亚的研发和能源咨询公司,2015年被收购,服务于住宅和商业市场的建筑节能。

GTI的测试实验室获得美国联合实验室(A2LA)的认证,在ISO/IEC 17025标准下进行机械和化学实验,证明的我们的高质量标准。

在2006年John Riordan退休以后,David Carroll被选中接替GTI主席和CEO职务。

GTI在戴维斯建立了一个卫星办公室,2012年加利福尼亚办公室专注于GTI的当地公用事业和能源机构扩张的努力。

在2013年,GTI投资了一家起步阶段的咨询公司——Enovation Partners,来与高级管理团队在能源和基础设施领域高影响的策略,技术,管理和业务问题上开展合作。

GTI收购了Fisher-Nickel和CDH能源两家公司,并在2014年创建了LocusView来扩大我们在市场上的影响和我们给客户带来的价值。

GTI在2015年获得了AerojetRocketdyne公司的能源系统投资组合,包括知识产权(IP),实物资产,还有技术。安特罗资源公司的前雇员们加入了GTI的团队,我们还在洛杉矶附近的加州伍德兰西尔斯开设了新的办公室。

BKI,同样位于加利福尼亚州,在2016年初被收购。该公司在能源效率、交通替代燃料、先进的电力生产和能量节省方面可以提供可持续的解决方案。

 

骄傲的过去,光明的未来

 

遗留的贡献

在超过七年的时间里,GTI的工程师们研究了高影响力的技术和方案来发掘天然气和其他能源资源的潜力——帮助使它们在经济上和环境上可持续发展,同时降低消费者的成本。

我们为成功地在整个天然气价值链的关键挑战中提供令人印象深刻的创新解决方案、在世界范围内改进能源的生产、运输和使用方式等纪录而感到骄傲。这些贡献是GTI作为一个行业和政府值得信赖的合作伙伴的声誉的基础。

 

最近的成就

在2015年,通过收购AerojetRocketdyne公司的部分能源资产来支持能源转换功能,并且通过在加州设立新的子公司来扩展我们的能源效率的专长。通过这些收购,GTI迎来了一批有热情的和有学问的新员工。现在在加州拥有超过100名的能源专家服务客户。

GTI的核心研发业务在范围和影响上同时有稳定的增长。新的和正在申请的燃气管道合同都是健全的,来自公用事业、政府和行业部门的重要客户委托我们为能源市场开发新的解决方案,同时降低对地球的影响。

在其他方面,我们加大了知识产权投入,除了在与AerojetRocketdyne公司交易时获得的约150项专利,有19项新专利授予了GTI的发明者。没有可记录的伤害或损失时间的事故再次证明了我们对安全性的承诺。我们还推出了企业环境的可持续发展计划以减少自身运营的碳足迹。

 

推动行业向前发展

回顾75年来的成就,同时通过技术创新和市场影响力测量的我们组织的价值是显而易见的。我们庆祝这个重要的里程碑,我们期待创造一个光明的能源未来。社会需要创新的解决方案来应对后COP21世界的挑战。经济实惠和可靠的能源对发展中国家目前应对人口增长、城市化和糟糕的空气质量是至关重要的。天然气,加上GTI和其他地方许多正在开发的技术,将有助于确保扩大的全球能源需求将被负责任的和安全的在未来几十年得到满足。

作为GTI的DNA的一部分,坚持能源创新已经有75年了。但在某些方面,我们的工作才刚刚开始。感谢您对GTI人和GTI的项目一直以来的支持。我们将努力工作去做出改变,为了我们的行业也为了所有的人。

 

气化

自1940年以来,GTI一直积极参与煤气化的研究与开发(R&D)。在随后的几十年里,研究人员已经开发了一个来自世界各地的燃料气化的数据库并且拥有了在美国和亚洲设计、建造和运行不同类型的气化装置的丰富经验。

寻找最环保的方式利用丰富的煤炭资源来生产电力、燃料和化学制品的需求是GTI的项目来源的动力。

GTI最早的项目涉及煤炭气化的研究。基础的研究项目开始于煤炭气化和液化的研究工作,并在煤炭气化动力学时代成长为世界领先地位。

GTI在1960年底完成了一个价值3000万美元的煤炭气化实验工厂的建设,这是历时25年的研究工作的最终成果。它是第一个替代天然气声场的煤炭气化工厂。

一项开发和扩大煤气化工艺的庞大计划是在1973年启动。GTI的U-GAS®技术能够有效的将各种煤阶的煤转换成高价值的合成气,并在这个过程中GTI被授予多项专利。

1994年,世界上第一台基于GTI专利的U-GAS®工艺的U-GAS®煤气化厂在中国上海建立,用以将煤炭转化为合成气。2006年这个过程被独家授权给综合能源系统公司(SES)进行全球商业应用。当这些设备被安装到中国的化工和冶金行业中十几个单位时,GTI提供了持续的技术支持。

由政府和行业投资超过9500万美元,2000年初GTI在伊利诺斯州德斯普兰斯的总部建立了一个独特的中试规模的煤气化校园。这些独一无二的、高度仪器化的设施提供创新的采样和分析系统和综合诊断功能可以用来支持独立或集成系统测试。

 

亮点

GTI在2015年与AerojetRocketdyne(AR)能源系统投资组合中获得了大量知识产权、实物资产和技术。GTI和AR密切合作了十年,主持开发其用于煤炭和天然气转换的小型气化炉,现在已经改名为R-GAS™工艺。

AR公司的前雇员加入了GTI的团队,一个新的办公室在洛杉矶附近成立。在与中国阳泉煤业集团的一期工程中研究人员正在对两种高灰分、高灰熔点温度的煤进行长时间持续的测试。这些合作伙伴也正在努力签订一个在中国设计,建造和运营一个结合R-GAS™先进的煤气化炉技术的大规模示范装置的合同。

GTI是由一个RTI国际牵头开发的用于生产喷气燃料的突破性混合煤转油工艺的项目关键合作伙伴。RTI的先进的合成气(来自煤炭的合成气、天然气及它们的混合物)转化为液体(STL)工艺以生产所需的组合物正在被我们的中试规模的气化设施所测试。通过整合这些技术,该混合过程预计将减少与传统的转化方法相关联的资本成本。

在另一个DOE-NETL和伊利诺斯州清洁煤协会(ICI)的项目中,评估了将天然气和煤联合使用以生产一种可用于生产液体燃料、电力或氢的高氢合成气。这个项目结合了GTI先进的气化、部分氧化、硫的去除和复原(SR2)工艺和氢分离技术,采用了一种新型膜。使用这种工艺可以使将煤转化为氢或化学级的合成气的成本降低20-30%,通过降低资本和运营开支、提高效率和尽量减少开支来降低排放。

 

能源转换

除了寻找最环保最友好的使用煤炭资源的方法,GTI也致力于发掘提取其他自然资源之精华与利用生物质气化提供可再生燃油等方法。拥有灵活的原料的解决方案将帮助我们应对气候变化且改观我们的能量利用视野。

在过去的五十多年里,环境研究与废料管理一直以来都是GTI的重点工作。像厌氧消化与热转换工艺这一类能量转换技术,展现了生产非化石甲烷资源的潜力。

随着全球电力、氢气、燃油与化学产品等需求的增长,低耗资源的利用提供了新的高产值产品的市场机会。

上世纪70年代,厌氧消化与热转换工艺的研究工作展现了将泥炭,海带,淤泥与工业废料等转化为非化石甲烷的能量转换技术的潜力。1994年,废水处理的两相厌氧消化工艺生产出一种作为副产物的清洁燃气。IGT将该方法申请了专利,其后被ACIMET购买并投入市场。

上世纪80年代,可持续方案(SMP)启动时,环境技术处于中心地位。同时,IGT的环境研究拥有两项重要专利。SOLCON消化器,一种厌氧消化工艺被用于迪斯尼公园测试,实验中将80%的生物质转换为了沼气。沼气富集提纯技术从中试规模的厌氧消化器中提炼出有效气体,证实了可再生能源产出的成功。

上世纪90年代早期,IGT的专利- RENUGAS®流化床生物质气化技术开始在世界范围应用,在芬兰,夏威夷和美国本土都有很好的示范作用。这种技术提供了用于发电的燃料气体,并产出燃气、燃油、氢气或其他天然气替代品的合成气。

在2006年中,丹麦的一种结合热能与电能的气化站开始使用RENUGAS®工艺,拥有接近90%的效率,可从木材中提供六兆瓦的电力与十二兆瓦的区域热力。

在2007年中,活动测试与合成气的产出与过程系统在GTI的气化园执行,以此来支持生物质-液体(BTL)工艺的发展。测试为Andritz/Carbona(GTI的生物质气化技术贸易商)以及他们的客户UPM-Kymmene(一家国际林业公司)提供了支持欧洲商业生物燃料工厂设计的过程数据。

腮型高级洋葱能源回收系统可以通过消化的方式将100%的洋葱废料转化为沼气。GTI对沼气进行了净化和调整,使其适用于一台500kW的超净燃料电池发电站。

为了安全而恰当地将乳制品废料与填埋型垃圾产生的能源输入现有的天然气管道,同时保证其耐用性,GTI初步完成了评估可再生生物甲烷产品合适度参数的建立,这些产品正是由乳制品废料与填埋型垃圾转化得来。

在2013年,GTI的集成生物油提炼器可以将木材转化为可再生的“普适性”汽油。结果显示,相比基于石油得到的燃油,这种可再生燃油的温室气体排放减少了74%。GTI与其伙伴HaldorTopsoe,UPM,Andritz, Phillips 66,DOE共同开发出一种集成工艺合成气转化为汽油,这种工艺可以全面优化中试规模气化、合成气清洁与合成气转化等工艺。

 

亮点

一项由ARPA-E资助660万美元的Turbo-Pox计划圆满完成。在该项计划中,建成了一个基于R-GAS™高级煤炭气化炉核心的反应器。该反应器以一种新颖的方式设计,可以在高温高压下操作,在系统测试中得到了很好的结果。由于该方法同时产出电量和液态燃料,因此在石油生产领域为了得到伴生气这将是一种十分吸引人的选择。评估表明在动力输出可以用使用的其他地方,该技术应用前景广阔。电能的产能可以得到控制,其可以根据用电量情况有灵活变化。

GTI的专利IH2®热化学工艺已经被证明是一种经济有效的生产燃油的方法,此类燃油由生物质资源转换而来。GTI正在构建技术专利工作组并且提供持续的技术与商业支持。一家总部在北欧的国际公司已经加入了一项与CRI Catalyst公司合作的商业站的许可协议,CRI是这项技术的全球独家许可方。Shell India Markets Pvt Ltd (SIMPL)在2015年宣布将在其位于印度班加罗尔新建的科技中心安装5吨/天的IH2®示范装置。

2015年,由GTI一体化炼油厂生产的绿色汽油混合物在EPA成功注册为一种汽车燃料。这是一种经过全面优化的中试规模的气化技术,合成气清洁技术与合成气转化工艺生产燃料的一体化工艺用来生产超过10,000加仑的92号生物汽油,这些汽油被用于车队测试,结果非常好。

 

非常规天然气

20世纪80年代,在美国能源署(DOE)和GRI的资金支持下,GTI汇聚了业界和学术界一个世界级的专家团队,以一个新的合作研究模式释放了非常规天然气资源在北美的发展潜力。现场试验中强大的行业参与是项目成功的关键。来自GRI和DOE的研究投资给未来非常规天然气的生产播下了种子。

这些努力给具有成本竞争力的非常规页岩气、煤层气和致密砂岩气的增产创造了更好的认识和新的勘探和生产技术。目前行业仍然大量使用GRI开发的工具和技术,这改变了美国能源的格局。

当前,GTI在继续扩大科学技术的架构,并提供新的工具、数据和思想领导力,以确保全球页岩气安全、经济和可靠的发展。

为了探索压裂煤层气的生成并优化煤层气各方面的操作,在20世纪80年代早期GRI和其他40个组织合作,记录了最具潜力的区域,开发指南、模拟器及其他一些工具。

1983年,GRI开始了水力压裂研究,在落基山站建立了“概念验证”试验,验证了多种突破性的尖端技术。GRI开发了一系列方法用于检测水力裂缝的产生和指导选址以保证最大的产气量。

在伊利诺斯州和德克萨斯州进行的页岩地层研究对于水平钻孔的发展至关重要。GRI的研究人员与米歇尔能源合作,采用新的技术推动了在Barnett页岩的水平钻井。该项技术在当时能使天然气产量增加三倍。

GRI在密歇根州的地质盆地工作帮助业界更好地理解了复杂的页岩地层裂缝的几何尺寸,并开发了具有成本效益的修井工艺。同时,通过着力于多产地区,该研究有助于生产者优化压裂处理的经济性。

GRI最近十年在学习将基于电脑的设计和分析来帮助设计和预测分析水力压裂的现象,将这些功能在产品中体现出来,比如FRACPRO。高分辨率的地震影像图向人们展示了地质结构和各个矿井之间表层岩石下的结构,以帮助生产者们做出更详细的决定。作为一套由顶尖技术支持的服务,由三维压裂设计软件发展而来的FracSeisSM公司的水力裂缝微地震成像技术依然具有很强的可用性。

GRI创造了革新的、经济的采出水的处理技术。1997年GTI与其合作伙伴开发了FTE®技术,通过冻结/解冻蒸发提纯的过程来处理由水力裂缝产生的采出水。在20世纪的第一个十年中,GTI领导了巴尼特和阿巴拉契亚页岩中的水资源保护和管理协会,并为RPSEA评估了水资源管理和再利用技术。以水为基础的生命循环模型为可持续的页岩气、水、固体的消耗管控提供了及时的规划和技术指导。2011年GTI还和22个公司一起,合作完善了对采出水管理解决方案的技术经济评估。

美国能源部授予全美能源保护调查合作组织(RPSEA)一份管理供应研究项目的10年期限合约。GTI从2006年至2011年为RPSEA管理了非常规天然气研究项目,在该项目中是一个主要技术执行者身份。

2010年6月GTI在阿姆斯特丹主持了第一届全球非常规燃气(GUC)年度会议,并分享了在美国非常规燃气运作中所学到的经验。此后的会议于2011年和2012年在北京举办。GTI也为欧洲开发与服务公司提供了专门的研讨会,以提供关于非常规燃气开发与采出水管理的最好的实践和技术方案。给波兰运营商协会提供的有关在页岩气勘探存在的可能的环境影响和降低措施方面的报告已经完成。

 

亮点

在一个由公私合作资助的价值1800万美元的项目中,GTI与来自行业和政府的专家们就水力压裂实验场(HFTS)展开了合作。此项目由美国能源部/国家能源技术实验室(DOE/NETL)及许多运营商和服务公司提供资金支持,以水平页岩矿井为目标,旨在减少并最小化潜在的环境影响、展示安全可靠的操作,并最大化水力压裂的效能。

在德克萨斯州的一个二叠纪盆地区域,11口矿井被钻探成型。一份独一无二的穿透裂隙的核心样本为我们的观测揭示了裂缝的物理性质。其与综合数据一道阐明了如何触发地下裂隙扩展,并将从根本上改变人们对于水力压裂扩展、模型与效能的理解。

 

燃气业务

在上个世纪50年代,因为天然气取代了人造煤气以及大量的天然气管道建设,燃气输配工作变得愈发重要。从那时起一种安全的、可靠的天然气输配系统就成为了人们的优先选择,GTI在这方面有着悠久的历史贡献。

几十年来,GTI已经研制了能够降低系统维护费用、减少风险、预防损毁和增强安全的丰富的硬件和工具并将之推向了市场。定向钻探是其中一个重要的例子,它可以最小化钻探面积,最大程度减少因燃气基础建设带来的公共不便。如今,市场上几乎每一个定向钻探系统都是以GTI技术为基础运作的。

非开挖和微开口技术节约了大量劳动量和时间,并显著地减少了场所恢复的需求。完整性管理方案已经变得极其重要。为分析和决策提供精确的、高质量的数据变成了首要任务之一。着眼于关键的全球性环境问题,GTI专注于侦测、量化、预防和减少甲烷的排放。

GRI推动了管道运输专业知识的发展,并通过最新的科技、超过三百份调查报告、科技论文、软件和许多以塑料管道为主题的研究证实了聚乙烯(PE)塑料管道的适用性。

在上个世纪八十年代末,IGT研发了减轻微生物引起的腐蚀(MIC)的野外分析箱和新方法。作为运用分子技术侦测微生物腐蚀(MIC)的先驱,GTI第一个在本世纪初使用了定量聚合酶链式反应技术(qPCR)。2104年GTI测试实验室凭借定量聚合酶链式反应微生物腐蚀测试服务成为第一个得到全美实验室认证协会认证的美国国立实验室,也是全球屈指可数的提供得到认证的DNA测试的实验室之一。在同一年里,GTI的科学家们研发了一种方法以帮助控制微生物腐蚀的生成。

价值1900万美元的管网仿真设施于1995年正式启用。GRI建造了世界上最先进的天然气管网技术测试与评估中心。该中心提供了一种可控而真实的高压循环管网环境来提高管网运营的安全性并降低运行费用。这套设施直至今天仍然在使用。

在上个世纪九十年代,GRI研发并提出了一系列备受褒奖的方法以提高工程效益并降低运行和维修费用,它们也受到了业内的一致好评。丰富多样的产品研发还在继续,与此同时我们也与欠发达国家紧密合作,并领导制造商为市场带来更多的硬件产品。

2002--2004年间,GTI同合作伙伴制定了实施外部腐蚀直接评估(ECDA)/内腐蚀直接评估(ICDA)协议的通用方法,努力为客户提供其他的协议,流程,技术和培训解决方案,以帮助运营商管理其系统的完整性。

1996年,GRI和美国环保署(EPA)研究公布了第一份全国甲烷排放量清单,GTI在2009年重新对其进行了审查。研究人员开发了一种新的测量排放量的技术,以确定天然气分销行业更精确的排放基准,并更新了管道的国家排放因子(EFs)。如今研究人员正致力于新的排放因子的实现。

操作技术开发部(OTD)于2003年成立,旨在推动天然气业务运营和基础设施研究。如今,24名成员服务于超过4500万天然气客户。

利用GPS和GIS系统,研究人员改造了商用智能手机和平板电脑来实现数据的自动化采集。资产生命周期跟踪技术以及相应的工具和实践也应运而生。GTI将带有GPS功能的泄漏测量和精确定位技术商业化,并在2014年推出了科技创新企业,来为天然气行业提供先进的移动式地理空间技术和服务。

亮点

将一个老式管道工程作为烷基管道系统的寿命预测模型,其预测结果给完整性管理团队提供了有意义的工程指导。该项目的后续工作正在进行中,旨在创造一个能用于适用性评价和寿命预测的决策支持工具。

操作技术开发部(OTD)和美国运输部(DOT)成功开发了一个小型的电磁超声转换器(EMAT)传感器,该传感器能检测小直径管道和无法用清管器检测的管道。这有利于管道运营商发现传统上很难发现的缺陷,提高了系统的完整性和公共安全性。现场模型的构建和测试将推动该技术的商业化发展。

GTI与运营商和行业利益相关者密切合作,在美国的网站主机上收集和分析埋管的泄露数据。这些高质量的数据将会改善数据的有效性,并提高对甲烷排放新的量化方法的接纳程度,以符合EPA报告要求并满足其他法规的规定。

GTI正在开发一种可以准确测量现场排放量,并可以提供相关数据用于排放报告的仪器。研究人员正在评估一些替代技术的应用,如用光学气体成像相机检测和量化整个天然气系统的泄漏。

GTI正在为加州能源委员会进行商业建筑天然气系统无组织排放评估,并测出建筑总排放量。研究人员正在通过侧重于结构中的特殊点和其附近外部位点的方法来测量排放量。

在OTD的资金支持下,GTI研究人员评估了欧洲阻止气体泄露的系统,并鉴定了专利Kleiss截流技术的优势。该技术能在日常操作中明显地降低成本,同时提高运行效率和安全性能。在为美国市场成功地进行了示范效用和设备优化之后,团队收获了一个北美商业合作伙伴——主线控制公司(MCS),并在2015年引入其系统。

(待续)



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