純低溫余熱發(fā)電的技術(shù)與裝備

　　1. 前言

　　隨著我國(guó)人口的不斷增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源相對(duì)不足的矛盾將日益突出，合理的利用和節(jié)約現(xiàn)有的寶貴資源將是我國(guó)今后如何確保經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。節(jié)約資源、改善環(huán)境狀況、提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展將是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針。

　　社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的建立和不斷完善，使我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)日益蓬勃且快速健康的向前發(fā)展。在此帶動(dòng)之下，我國(guó)的水泥產(chǎn)量已雄居世界第一，水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，“上大改小、結(jié)構(gòu)調(diào)整”戰(zhàn)略的實(shí)施，更使得我國(guó)水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模由1000t/d、2000t/d快速發(fā)展到5000t/d、10000t/d，水泥熟料的熱耗也由4000kJ/kg左右降低到2700～3300kJ/kg。但水泥工業(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)的高能耗行業(yè)，就目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝，仍然有大量的350℃以下的低溫余熱不能被完全利用，其浪費(fèi)的熱量約占系統(tǒng)總熱量的30%左右。因此，回收水泥生產(chǎn)工藝過(guò)程中的低溫余熱，用來(lái)供熱或發(fā)電，具有非?，F(xiàn)實(shí)的節(jié)能和環(huán)保意義，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。

　　2. 低溫余熱和資源綜合利用電站的技術(shù)和裝備

　　水泥的生產(chǎn)，需要消耗大量?jī)?yōu)質(zhì)的自然礦產(chǎn)資源，還需摻雜一定量的混合材，在同時(shí)消耗大量煤炭和電力等優(yōu)質(zhì)能源的時(shí)候，也伴有大量被排放而浪費(fèi)掉的低溫余熱資源。

　　一段時(shí)間以來(lái)，受電力供應(yīng)緊張和電價(jià)持續(xù)上漲的影響，許多地方的水泥生產(chǎn)單位面臨運(yùn)轉(zhuǎn)率不足和經(jīng)濟(jì)效益下滑的困難局面。因此，在國(guó)家資源綜合利用產(chǎn)業(yè)政策的鼓勵(lì)下，同時(shí)結(jié)合天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院成熟的資源綜合利用技術(shù)及國(guó)內(nèi)成熟的電站設(shè)備，多家水泥生產(chǎn)單位建設(shè)了能夠充分利用水泥生產(chǎn)線排放的低溫余熱，再加上適當(dāng)?shù)难a(bǔ)燃，燃用熱值小于12550kJ/kg的劣質(zhì)燃料的資源綜合利用電站。

　　這樣的電站建成后，水泥生產(chǎn)線排放掉的低溫余熱可基本被回收和利用，在補(bǔ)燃量一定的條件下，電站單位發(fā)電量的煤耗和單位發(fā)電量的成本得到了大幅度的降低;循環(huán)流化床補(bǔ)燃鍋爐還可以有效的利用工程建設(shè)所在地的煤矸石等劣質(zhì)煤資源，所產(chǎn)生的灰、渣又可全部回用于水泥生產(chǎn)，做到零排放;電站生產(chǎn)的電力可直接供給水泥生產(chǎn)使用，并減少了輸配電系統(tǒng)的有功損耗。

　　由此可見(jiàn)，這類(lèi)電站的建設(shè)投產(chǎn)，可有效的緩解水泥生產(chǎn)用電緊張的困難;在大幅度降低水泥生產(chǎn)成本的同時(shí)，也為國(guó)家節(jié)約了優(yōu)質(zhì)的能源，保護(hù)了環(huán)境，其經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益是十分顯著的，給高能耗的水泥企業(yè)帶來(lái)了諸多的利益和好處，也為我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略作出了貢獻(xiàn)。

　　因此，對(duì)于水泥生產(chǎn)企業(yè)而言，只要我們認(rèn)真貫徹和堅(jiān)定不移的執(zhí)行國(guó)家資源綜合利用的產(chǎn)業(yè)政策，切實(shí)落實(shí)好劣質(zhì)燃料(或工業(yè)垃圾)的來(lái)源和供應(yīng)渠道，符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)提出的排放要求，建立一整套內(nèi)部有效的鼓勵(lì)余熱回收和利用的激勵(lì)機(jī)制，理順與當(dāng)?shù)仉娏Σ块T(mén)的管理和利益分配關(guān)系，筆者認(rèn)為，有成熟的技術(shù)和裝備為后盾，這種既有利于企業(yè)，也有利于國(guó)家的補(bǔ)燃型的資源綜合利用電站，一定會(huì)有持久的推廣和應(yīng)用前景。

　　3. 純低溫余熱電站的技術(shù)及裝備

　　相對(duì)于補(bǔ)燃型的資源綜合利用電站而言，利用水泥窯純低溫余熱所建設(shè)的余熱電站不配置任何的燃燒設(shè)備，所以也不增加任何的煙氣、粉塵和廢渣的排放點(diǎn)，因此，具有更好的節(jié)能和環(huán)保效果。

　　由于窯頭和窯尾的廢氣溫度較低，采用純低溫余熱進(jìn)行發(fā)電，對(duì)裝備和系統(tǒng)技術(shù)的要求較高。國(guó)外對(duì)于利用水泥窯低溫余熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)及裝備的研究與開(kāi)發(fā)從上世紀(jì)六十年代即已開(kāi)始，到七十年代中期，無(wú)論是熱力系統(tǒng)還是設(shè)備都已進(jìn)入應(yīng)用階段。據(jù)我們所知，技術(shù)較為成熟的是日本的幾家公司(如川崎公司)，他們開(kāi)發(fā)研制的余熱鍋爐及中、低品位的混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，經(jīng)數(shù)十個(gè)工廠多年運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐證明，技術(shù)成熟可靠并具有很大的靈活性。寧國(guó)水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)就是日本川崎公司的技術(shù)和裝備的應(yīng)用工程。

　　為了實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備，在充分學(xué)習(xí)和借鑒寧國(guó)水泥廠純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的性能參數(shù)后，以天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院為主，會(huì)同國(guó)內(nèi)的汽輪機(jī)生產(chǎn)制造單位于1997年首先開(kāi)始了適合于水泥廠低溫余熱發(fā)電專(zhuān)用設(shè)備--混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)。

　　經(jīng)過(guò)近兩年的共同努力，終于研制并生產(chǎn)制造出了首臺(tái)4500kW的補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的樣機(jī)，并推廣應(yīng)用于杭州錢(qián)潮建材有限公司4500kW的補(bǔ)燃式資源綜合利用電站。該電站于1999年成功并網(wǎng)發(fā)電，并通過(guò)了相應(yīng)的生產(chǎn)運(yùn)行考核，投入正常運(yùn)行以來(lái)的結(jié)果證明，混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)取得了成功。其結(jié)構(gòu)方式及參數(shù)配置填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造行業(yè)的空白。它的研制成功，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和裝備的完全國(guó)產(chǎn)化，并在國(guó)內(nèi)水泥工業(yè)推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　在此基礎(chǔ)之上，天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院根據(jù)參與并完成施工設(shè)計(jì)且正常投運(yùn)的寧國(guó)水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)、配合日本川崎公司進(jìn)行的柳州水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體會(huì)、以及天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院已經(jīng)成熟的帶補(bǔ)燃鍋爐的余熱發(fā)電技術(shù)，對(duì)純低溫余熱發(fā)電的系統(tǒng)技術(shù)和裝備進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的研究，形成了完全國(guó)產(chǎn)化的利用窯頭、窯尾的純低溫廢氣余熱進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)思路和實(shí)施方案。

　　2002年5月，天津院與上海萬(wàn)安企業(yè)總公司達(dá)成了共識(shí)，對(duì)該公司日產(chǎn)1350噸的四級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯實(shí)施了純低溫廢氣余熱發(fā)電的技術(shù)改造。工程于2002年9月正式動(dòng)工，2003年5月建成投產(chǎn)，余熱電站裝機(jī)容量2.5MW，實(shí)際平均發(fā)電能力1800～2100kw，全部采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)。經(jīng)過(guò)一年多的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)基本運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　2003年3月，天津院承擔(dān)了廣西魚(yú)峰集團(tuán)有限公司日產(chǎn)3200噸的四級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯的純低溫余熱電站技改工程的施工圖設(shè)計(jì)任務(wù)(日本川崎公司承擔(dān)方案設(shè)計(jì)及)。工程于2003年7月正式動(dòng)工，2004年7月建成投產(chǎn)，余熱電站裝機(jī)容量6MW，目前主要設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　至此，以海螺集團(tuán)寧國(guó)水泥廠4000t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、廣西魚(yú)峰集團(tuán)3200t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)、上海金山水泥廠1350t/d預(yù)分解窯配套建設(shè)的純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，形成了國(guó)內(nèi)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的示范工程。

　　3.1 純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

　　由于受水泥生產(chǎn)工藝流程、原料特性、主機(jī)設(shè)備、氣候條件等諸多因素的制約，相同規(guī)模的水泥生產(chǎn)線，其余熱品位和余熱量不盡相同，因此，盡管針對(duì)純低溫余熱進(jìn)行回收并進(jìn)行發(fā)電的理論技術(shù)基本一致，但純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模和配置、設(shè)備性能和特性則不完全相同。

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　　3.1.1 引進(jìn)技術(shù)和裝備的純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

　　1995年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)贈(zèng)送給海螺集團(tuán)寧國(guó)水泥廠一套純低溫余熱發(fā)電設(shè)備。

　　寧國(guó)水泥廠的水泥生產(chǎn)線為一條4000t/d級(jí)的具有四級(jí)預(yù)熱器的預(yù)分解窯。預(yù)熱器和冷卻機(jī)的出口廢氣流量和溫度分別為258550Nm³/h、370℃左右和306600Nm³/h、238℃左右。針對(duì)該條生產(chǎn)線低溫余熱資源的特點(diǎn)，該電站的系統(tǒng)配置及主機(jī)設(shè)備構(gòu)成如下：

　?、?采用二級(jí)混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，額定功率為6480kW。利用參數(shù)較低的主蒸汽和來(lái)自閃蒸器的飽和蒸汽進(jìn)行發(fā)電;

　?、?設(shè)置具有專(zhuān)利技術(shù)的余熱鍋爐，能夠充分回收利用余熱資源：由于PH(預(yù)熱器)出口廢氣還要用于原料烘干，所以PH鍋爐采用臥式布置，強(qiáng)制循環(huán)，帶汽包的主要結(jié)構(gòu);設(shè)置機(jī)械振打裝置來(lái)解決廢氣的粉塵附著問(wèn)題。無(wú)省煤器，只設(shè)蒸發(fā)器和過(guò)熱器，從而確保出爐煙溫達(dá)到250℃以上，以滿足原料烘干;AQC鍋爐為立式自然循環(huán)鍋爐，帶汽包，采用自然沉降的除塵方式。

　　③ 應(yīng)用熱水閃蒸技術(shù)，設(shè)置一臺(tái)高壓閃蒸器和一臺(tái)低壓閃蒸器，閃蒸出的飽和蒸汽混入汽輪機(jī)做功;

　?、?對(duì)窯頭熟料冷卻機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，在冷卻機(jī)原有的余風(fēng)出口加裝閥門(mén)，從冷卻機(jī)中部抽取 360℃左右的廢氣。

　?、?整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)采用先進(jìn)的DCS集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)便可靠，并設(shè)有完善的報(bào)警和保護(hù)程序，使整個(gè)發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

　　上述技術(shù)及關(guān)鍵裝備的配置，加上天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院成功的施工設(shè)計(jì)和服務(wù)，以及寧國(guó)水泥廠科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?nèi)部管理機(jī)制，自1997年投入正常生產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)的業(yè)績(jī)表明，以上技術(shù)及裝備在寧國(guó)水泥廠余熱發(fā)電系統(tǒng)取得了成功的應(yīng)用。

　　3.1.2 國(guó)產(chǎn)化技術(shù)和裝備的純低溫余熱電站的系統(tǒng)配置

　　3.1.2.1 上海萬(wàn)安企業(yè)總公司的水泥生產(chǎn)線為一條1350t/d的四級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯。預(yù)熱器和冷卻機(jī)的出口廢氣流量和溫度分別為95000Nm³/h、360～390℃和94000Nm³/h、240℃左右。針對(duì)該條生產(chǎn)線的低溫余熱資源、天津院的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和國(guó)產(chǎn)設(shè)備的特點(diǎn)，該電站的系統(tǒng)配置及主機(jī)設(shè)備構(gòu)成如下：

　?、?汽輪機(jī)為補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)(雙壓汽輪機(jī))，設(shè)計(jì)能力2.5MW。利用窯尾余熱鍋爐和窯頭余熱鍋爐產(chǎn)生的低參數(shù)主蒸汽和窯頭余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和輔助蒸汽進(jìn)行發(fā)電。這種系統(tǒng)的配置，在完全和充分回收利用窯頭廢氣中余熱的同時(shí)，簡(jiǎn)化了熱力系統(tǒng)的配置。經(jīng)過(guò)近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常;

　　② SP余熱鍋爐的設(shè)計(jì)有獨(dú)特之處：立式布置、機(jī)械振打、自然循環(huán)。整個(gè)鍋爐的振打形式為連續(xù)式，清灰較為均勻，同時(shí)設(shè)計(jì)有合理的灰斗，避免了因清灰原因造成廢氣中含塵濃度突然增大而引起風(fēng)機(jī)跳停，影響水泥生產(chǎn)。該鍋爐最具特點(diǎn)的地方是采用自然循環(huán)方式，省掉了二臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)熱水泵，降低了運(yùn)行成本，提高了系統(tǒng)可靠性。立式的結(jié)構(gòu)形式，在節(jié)約了占地面積的同時(shí)，也方便了廢氣管道的布置;

　?、?AQC余熱鍋爐為立式、自然循環(huán)。由于冷卻機(jī)廢氣中粉塵粘附性不強(qiáng)，所以不設(shè)置清灰裝置。同時(shí)換熱管采用螺旋翅片管，大大增加了換熱面積，使得鍋爐體積大幅下降，降低了投資成本。同時(shí)，在AQC余熱鍋爐前端設(shè)置了高效沉降室，大大減輕了廢氣對(duì)AQC余熱鍋爐的磨損;

　?、?對(duì)篦冷機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改造，在中部設(shè)置抽風(fēng)口，作為AQC余熱鍋爐的取風(fēng)口，通過(guò)對(duì)冷卻機(jī)原抽風(fēng)口的風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)，保證中部抽風(fēng)口的廢氣溫度達(dá)到350℃以上。改造后實(shí)際廢氣參數(shù)為： 40000Nm³/h、350～400℃。窯頭余熱鍋爐為雙壓雙汽包鍋爐，產(chǎn)生的低參數(shù)主蒸汽和飽和輔助蒸汽同時(shí)進(jìn)入汽輪機(jī)做功。

　?、?整個(gè)余熱發(fā)電系統(tǒng)采用天津院自主開(kāi)發(fā)的先進(jìn)的DCS集散控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)便可靠，并設(shè)有完善的顯示、記錄、報(bào)警和保護(hù)程序，使整個(gè)發(fā)電工藝系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行;

　?、?兩臺(tái)余熱鍋爐的廢氣側(cè)都設(shè)計(jì)有旁路系統(tǒng)，當(dāng)余熱鍋爐停用時(shí)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)可正常運(yùn)行;

　?、?根據(jù)該系統(tǒng)蒸氣溫度和壓力較低的情況，采用了最新的真空除氧方式，系統(tǒng)運(yùn)行成本較低;

　　該工程于2003年5月建成投產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)近一年的生產(chǎn)運(yùn)行，主要設(shè)備和系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，電站平均發(fā)電能力1800kw，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該工程的建成和順利投運(yùn)，表明全部采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備和天津院自主擁有的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的余熱發(fā)電系統(tǒng)取得了完全的成功。

　　3.1.2.2 廣西魚(yú)峰水泥股份有限公司3200t/d水泥生產(chǎn)線正常生產(chǎn)時(shí)，其燒成窯尾排放的廢氣為：217200m³/h(標(biāo)況)—380℃，其燒成窯頭排放的廢氣為：245280 m³/h(標(biāo)況)—220℃。

　　針對(duì)該條生產(chǎn)線的低溫余熱資源、純低溫余熱發(fā)電技術(shù)和設(shè)備的特點(diǎn)，日本川崎公司方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)配置及主機(jī)設(shè)備構(gòu)成如下：

　?、?根據(jù)3200t/d生產(chǎn)線窯頭冷卻機(jī)廢氣排放溫度的分布，在滿足熟料冷卻的前提下，對(duì)現(xiàn)有冷卻機(jī)進(jìn)行改造，在改造后的冷卻機(jī)360℃的廢氣出口設(shè)置窯頭余熱鍋爐。該鍋爐分二段設(shè)置，一段省煤器出水分為二路，一路作為AQC爐給水，另一路為PH爐鍋筒給水。二段過(guò)熱器出口產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽與窯尾余熱鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽并列后進(jìn)入汽輪機(jī)作功。

　　AQC余熱鍋爐(國(guó)外技術(shù)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造)的結(jié)構(gòu)為：立式布置、自然循環(huán)，前端設(shè)置了高效沉降室，大大減輕了廢氣對(duì)AQC余熱鍋爐的磨損。

　　② 根據(jù)3200t/d水泥生產(chǎn)線窯尾工藝流程，在窯尾預(yù)熱器和分解爐廢氣出口管道上分別設(shè)置PH余熱鍋爐各一臺(tái)，兩臺(tái)余熱鍋爐共用一個(gè)鍋筒。PH余熱鍋爐設(shè)有蒸發(fā)器和過(guò)熱器，過(guò)熱器產(chǎn)生的蒸汽與窯頭AQC余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽并列后送入汽輪機(jī)作功。

　　PH余熱鍋爐(國(guó)外技術(shù)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造，關(guān)鍵部件國(guó)外引進(jìn))的結(jié)構(gòu)為：臥式布置、機(jī)械振打、強(qiáng)制循環(huán)。振打形式為連續(xù)式，清灰均勻，

　　③ 本工程的余熱回收系統(tǒng)采用了低參數(shù)的汽輪機(jī)(國(guó)產(chǎn)設(shè)備)。額定功率為6MW，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min。調(diào)速系統(tǒng)感應(yīng)機(jī)構(gòu)為電磁式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓傳動(dòng)式。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min、容量為6MW、電壓等級(jí)為6kV，通過(guò)公司現(xiàn)有110/6kV總降壓變電所與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。

　?、?低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)集中控制，操作人員可通過(guò)鍵盤(pán)發(fā)出指令調(diào)整各煙風(fēng)閥門(mén)、汽水閥門(mén)的開(kāi)度等，使整個(gè)系統(tǒng)能適應(yīng)工況變化，使工藝流程能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　該工程于2004年7月建成投產(chǎn)以來(lái)，主要設(shè)備和系統(tǒng)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。