唐 權(quán),鄧盈盈,戴松靈,朱國(guó)俊,宋福龍
(1.四川省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,四川 成都 610041;2.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,北京 100052)
四川能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是富水缺煤、豐氣少油,最大的供電特點(diǎn)則是豐枯矛盾突出,即豐水期因?yàn)殡娪貌煌甓鴹壦?,枯水期則缺電拉閘?!敖娙氪ā笔菑闹嗡拇ā笆濉苯?jīng)濟(jì)發(fā)展考慮,依據(jù)目前平衡偏緊、豐枯矛盾加劇的供電形勢(shì)而提出的解決四川能源供需矛盾的方案,采用大容量、遠(yuǎn)距離“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”輸電,即建設(shè)特高壓直流輸電線路從新疆送10 GMW電力進(jìn)入四川。
由于直流輸電通過晶閘管元件或閥橋串聯(lián)可獲得不同的電壓和電流,直流輸電的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)國(guó)際上尚無(wú)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系,而是針對(duì)每一個(gè)直流工程的具體情況進(jìn)行額定電壓的選擇。
文獻(xiàn)[1]針對(duì)目前世界上電壓等級(jí)最高(±800 kV)的直流輸電工程,詳細(xì)介紹了開展特高壓直流輸電關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)的相關(guān)研究,包括電磁環(huán)境研究、空氣間隙絕緣特性研究、帶電作業(yè)研究、污穢外絕緣特性研究、特高壓設(shè)備運(yùn)行特性和設(shè)備長(zhǎng)期帶電考核等。文獻(xiàn)[2]根據(jù)中國(guó)電網(wǎng)特點(diǎn)和特高壓交直流建設(shè)情況,探討了±1000 kV特高壓直流在中國(guó)電網(wǎng)發(fā)展中應(yīng)用的可行性,并分析了基本配置方案和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[3]提出了為直流輸電系統(tǒng)劃分電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化序列的思想,確定了電壓等級(jí)序列組成,比較各電壓等級(jí)的經(jīng)濟(jì)性,得出各自的適用范圍。文獻(xiàn)[4]提出了±1000 kV特高壓直流輸電技術(shù)研發(fā)思路,研究了±1000 kV直流輸電在各種情況下的系統(tǒng)適應(yīng)性和研究重點(diǎn),分析了換流站設(shè)備和線路的技術(shù)可行性,提出了從換流站造價(jià)、線路造價(jià)和能源價(jià)格方面分析±1000 kV特高壓直流輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的研究思路。
“疆電入川”送入電力應(yīng)主要滿足成都地區(qū)負(fù)荷供電,同時(shí)兼顧川東北的負(fù)荷發(fā)展需要。輸電距離為2500~3000 km,遠(yuǎn)景輸電規(guī)模超過100 GW,輸電容量大、距離長(zhǎng),采用±800 kV直流輸電線損率將超過10%,損耗過大,客觀上也要求采用更高電壓等級(jí)直流輸電[5]。根據(jù)公式推導(dǎo)選擇“疆電入川”直流輸電電壓等級(jí),并通過綜合經(jīng)濟(jì)比較研究“疆電入川”的導(dǎo)線截面選擇。
采用加拿大Teshmont公司推薦公式如下。
式中,Ud為雙極直流線路線對(duì)地電壓,kV;K為常數(shù),取11.5;P為直流輸送功率,MW。
根據(jù)該公式,直流經(jīng)濟(jì)輸電電壓只和輸送功率有關(guān)。不同輸送容量的估算直流輸電電壓如表1。
表1 依據(jù)輸送容量估算的直流電壓
根據(jù)高壓直流輸電工程專家Kimbark.E.W推薦的公式,直流經(jīng)濟(jì)輸電電壓與輸送容量及輸電距離有關(guān)。
式中,K為常數(shù),取11.5;P為直流輸送功率,MW;L為送電距離。
不同輸電容量與輸電距離所估算的直流輸電電壓如表2。
表2 根據(jù)輸電容量與輸電距離估算的直流輸電電壓 單位:kV
比較上述兩表的計(jì)算結(jié)果可以看到,兩者的計(jì)算結(jié)果有一定差異,但對(duì)于直流送電10000 MW,輸電距離在2500 km左右時(shí),二者的結(jié)果很接近,都為1100 kV左右。
采用年費(fèi)用分析法研究±800 kV與±1100 kV直流輸電的經(jīng)濟(jì)性。年費(fèi)用比較是一種基于等產(chǎn)出效益對(duì)比投入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法[6]。不同輸電電壓等級(jí)造價(jià)隨著輸電距離變化的速度不同,±800 kV與±1100 kV電壓等級(jí)間存在一個(gè)臨界經(jīng)濟(jì)距離。該方法針對(duì)產(chǎn)出效益相等的不同技術(shù)方案,將各方案的初投資和運(yùn)行成本費(fèi)用等所有支出折算為年費(fèi)用,進(jìn)行比較,年費(fèi)用低的方案經(jīng)濟(jì)性好。
年費(fèi)用計(jì)算模型如圖1。
圖1 年費(fèi)用計(jì)算模型圖
其中,P為送端輸送功率;△P為損耗;P'為受端到網(wǎng)功率。因不同技術(shù)方案輸電損耗不同,為實(shí)現(xiàn)等產(chǎn)出比較,考慮受端補(bǔ)充裝機(jī),提供損耗電量。
工程費(fèi)用主要包括建設(shè)投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、送端購(gòu)電費(fèi)用以及受端補(bǔ)充裝機(jī)的購(gòu)電費(fèi)用。其中,建設(shè)投資為工程投產(chǎn)前發(fā)生,一次性投入,按照折現(xiàn)率折算為年值;運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用在工程投產(chǎn)后每年都會(huì)發(fā)生,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用按照工程固定資產(chǎn)原值的一定比重(稱運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率)估算;受端補(bǔ)償線損購(gòu)電費(fèi)用按照受端上網(wǎng)電價(jià)與線損電量乘積估算,考慮到該費(fèi)用中包含了電廠利潤(rùn)、稅金等,屬于國(guó)民經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)移支付范疇,因此,根據(jù)電廠平均水平在受端上網(wǎng)電價(jià)中予以扣除。
(1)計(jì)算工程年費(fèi)用
式中,Cannual為年費(fèi)用;Cproj-annual為投資年值;Coper為年運(yùn)行維護(hù)費(fèi);Cin、Cto為送端、受端的購(gòu)電費(fèi)用。
其中,投資年值
式中,Cproj為工程投資;i為折現(xiàn)率;N為運(yùn)營(yíng)期;Afixed為固定資產(chǎn)原值;Roper為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率;Pin為送端上網(wǎng)電價(jià);Capa為線路額定容量;Hs為線路利用小時(shí)數(shù);Pto為送端上網(wǎng)電價(jià);δ%為功率線損率;τ為損耗利用小時(shí)數(shù)。
(2)計(jì)算單位容量年費(fèi)用
式中,Cannual-u為年費(fèi)用;Capa為線路額定容量。
由于不同電壓等級(jí)上網(wǎng)電價(jià)相同,單位容量購(gòu)電費(fèi)用相同,送、受端的購(gòu)電費(fèi)用可互抵簡(jiǎn)化為
單位容量年費(fèi)用即為
以國(guó)家電網(wǎng)公司研究提出的直流電壓等級(jí)序列基本配置方案為基礎(chǔ),進(jìn)行直流線路的經(jīng)濟(jì)性比較研究。
表3 直流電壓等級(jí)序列的基本配置方案
2.3.1 投資參數(shù)
根據(jù)基本配置方案和造價(jià)分析結(jié)果采用典型方案參與比較計(jì)算。其中,考慮直流線路工程的地理?xiàng)l件,高電壓等級(jí)考慮高山大嶺地形和覆冰比重較高。
2.3.2 利用小時(shí)
大型水電年平均發(fā)電利用小時(shí)數(shù)約為4700 h,考慮水火調(diào)劑,直流輸電利用小時(shí)可以達(dá)到5000 h以上?;痣娎眯r(shí)通常在5000 h以上,個(gè)別缺電地區(qū)火電利用小時(shí)超過6500 h。中國(guó)未來直流輸電工程利用小時(shí)數(shù)估計(jì)可達(dá)到5000~6000 h。因此,年費(fèi)用計(jì)算中采用利用小時(shí)數(shù)5500 h,對(duì)應(yīng)的電能損耗利用小時(shí)數(shù)為3600 h。
2.3.3 上網(wǎng)電價(jià)
四川地區(qū)火電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)平均為0.45元/kWh,選取0.45元/kWh作為基礎(chǔ)參數(shù)。
2.3.4 其他參數(shù)
根據(jù)文獻(xiàn)[7]和電價(jià)體制改革試點(diǎn)的工作經(jīng)驗(yàn),運(yùn)行期按25年計(jì)算,折現(xiàn)率取8%[8],參照電力規(guī)劃設(shè)計(jì)指標(biāo)取值,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用按總投資的1.8%計(jì)。
基于基礎(chǔ)參數(shù),計(jì)算并對(duì)比±800 kV與±1100 kV典型方案年費(fèi)用臨界經(jīng)濟(jì)距離約2300 km,小于2300 km±800 kV直流輸電經(jīng)濟(jì),大于2300 km±1100 kV直流輸電經(jīng)濟(jì)。
架空送電線路導(dǎo)線截面一般按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇[9],根據(jù)電暈、電磁環(huán)境和可聽噪聲等約束進(jìn)行校核,并考慮節(jié)能降耗的因素。對(duì)超高壓、特高壓線路,電暈、電磁環(huán)境和可聽噪聲往往成為選擇導(dǎo)線截面的主要決定因素。
導(dǎo)體的經(jīng)濟(jì)電流密度公式為
其中,Imax為第一年導(dǎo)體最大負(fù)荷電流;S為最佳經(jīng)濟(jì)截面;C為年維修折舊費(fèi)系數(shù);C0為設(shè)備投資系數(shù)與資金償還率之和;α為單位截面積、單位導(dǎo)線長(zhǎng)度導(dǎo)線價(jià)格;ρ為導(dǎo)線電阻率;τ為最大負(fù)荷損耗利用小時(shí)數(shù);β為電價(jià);A為運(yùn)行損耗系數(shù)。在導(dǎo)線材料和最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)一定的情況下,經(jīng)濟(jì)電流密度與成正比。
從國(guó)內(nèi)外直流工程的情況看[5],直流線路的電流密度通常都在1 A/mm2左右,容量越大,線路越長(zhǎng),所選擇的電流密度相對(duì)要小些。通常直流輸電工程利用小時(shí)數(shù)為4000~6000 h,按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)電流密度取為(0.9~1.1)A/mm2,則根據(jù)現(xiàn)階段與標(biāo)準(zhǔn)制定年代的價(jià)格參數(shù),鋁導(dǎo)線的合理電流密度應(yīng)在(0.59~1.05)A/mm2范圍區(qū)間之內(nèi)。
3.2.1 子導(dǎo)線截面的選擇
導(dǎo)線的選擇主要包括分裂數(shù)和子導(dǎo)線截面兩個(gè)部分。其中,導(dǎo)線分裂數(shù)的選擇主要基于技術(shù)、環(huán)境等約束,根據(jù)工程的電壓等級(jí)和走廊要求實(shí)際確定。而子導(dǎo)線截面的確定除考慮技術(shù)約束外,應(yīng)當(dāng)盡可能按照已有標(biāo)準(zhǔn)序列進(jìn)行選取,充分利用現(xiàn)有成熟技術(shù),降低研發(fā)費(fèi)用,縮短制造周期。
中國(guó)寧東—山東直流輸電線路已采用1000 mm2導(dǎo)線,大截面導(dǎo)線的采用,不僅可以減小線路損耗,還可以降低輸電線路的表面場(chǎng)強(qiáng)、無(wú)線電干擾和可聽噪聲等。為適應(yīng)中國(guó)快速增長(zhǎng)的電力需求、降低輸電損耗、提高線路輸送能力,在導(dǎo)線截面選取時(shí)也充分考慮了大截面導(dǎo)線成功研發(fā)的可能,針對(duì)各電壓等級(jí)列出了 LGJ-800/55子導(dǎo)線、LGJ-900/70子導(dǎo)線和LGJ-1000/45子導(dǎo)線作為可選方案進(jìn)行比較。
3.2.2 電暈約束
電磁環(huán)境是直流輸電線路設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行中必須考慮的重大問題,直接和輸電線路的電暈特性有關(guān)。直流輸電線路的電暈現(xiàn)象主要包括電暈損失、無(wú)線電干擾和可聽噪聲等。
直流電暈損失主要與導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)和天氣有關(guān),在直流輸電導(dǎo)線選擇時(shí),適當(dāng)增加導(dǎo)線分裂數(shù)和子導(dǎo)線截面可減小導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng),降低線路的電暈損失?!?100 kV直流線路導(dǎo)線截面電暈損失計(jì)算如表4所示。
表4 ±1100 kV直流線路不同導(dǎo)線截面電暈損耗計(jì)算結(jié)果
根據(jù)電暈約束,±1100 kV線路宜采用8分裂及以上導(dǎo)線。
3.2.3 電磁環(huán)境和可聽噪聲等約束
表5給出了±1100 kV直流線路采用各導(dǎo)線截面時(shí),正極性導(dǎo)線對(duì)地投影外20 m的可聽噪聲和無(wú)線電干擾場(chǎng)強(qiáng)(80%/80%值)。
表5 ±1100 kV直流線路可聽噪聲和無(wú)線電干擾計(jì)算結(jié)果
適當(dāng)增加導(dǎo)線分裂數(shù)和子導(dǎo)線截面,有助于限制輸電線路的無(wú)線電干擾和可聽噪聲。根據(jù)電磁環(huán)境和可聽噪聲約束±1100 kV子導(dǎo)線采用800 mm2截面以上均能滿足要求。
直流輸電損耗包括兩端換流站損耗、直流輸電線路損耗和接地極系統(tǒng)損耗3部分。接地極系統(tǒng)損耗很小,通常可以忽略不計(jì)。直流輸電線路損耗是直流輸電損耗的主要部分,對(duì)于遠(yuǎn)距離直流輸電工程而言更是如此。兩端換流站的設(shè)備類型繁多,它們的損耗機(jī)制又各不相同,目前所采用的方法是通過分別測(cè)試和計(jì)算換流站內(nèi)各主要設(shè)備的損耗,然后將這些損耗相加得到換流站的總損耗[10]。通常換流站的損耗約為換流站額定功率的0.5%~1%[11],本次研究中將其取為0.75%,兩端換流站損耗合計(jì)為1.5%。
綜合考慮上述因素,±1100 kV電壓等級(jí)可選導(dǎo)線截面:8×800 mm2導(dǎo)線、8×900 mm2導(dǎo)線、8×1000 mm2導(dǎo)線。
以上導(dǎo)線截面均在鋁導(dǎo)線的合理電流密度范圍之內(nèi)。考慮到大截面導(dǎo)線等新技術(shù)未來達(dá)到成熟水平(即不考慮示范工程中新技術(shù)研發(fā)相關(guān)成本)以及電價(jià)的上漲趨勢(shì),與目前已達(dá)到的成熟技術(shù)方案相比,更大截面導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性更好、損耗更低。下面通過年費(fèi)用方法將線路損耗折算為經(jīng)濟(jì)值,對(duì)不同電壓等級(jí)采取不同導(dǎo)線截面進(jìn)行比較。
(1)直流線路造價(jià)的測(cè)算方法
線路工程造價(jià)包含線路建設(shè)本體投資和其他費(fèi)用,本體費(fèi)用由架線工程、桿塔工程、基礎(chǔ)工程、土方工程和附件工程5部分構(gòu)成,其中架線工程、桿塔工程、基礎(chǔ)工程3部分為主要構(gòu)成部分,占本體費(fèi)用80%左右。
本報(bào)告采用對(duì)不同電壓等級(jí)、不同導(dǎo)線截面和分裂根數(shù)的線路的主要工程量指標(biāo)(導(dǎo)線、鐵塔、基礎(chǔ))進(jìn)行估算,結(jié)合已建和在建的直流線路工程,參考500 kV交流線路工程的費(fèi)用構(gòu)成(交直流線路的費(fèi)用構(gòu)成,概算編制是一致的),測(cè)算出架線工程、桿塔工程、基礎(chǔ)工程3部分的單位造價(jià)。
按照預(yù)算編制規(guī)定并結(jié)合實(shí)際工程,測(cè)算不同電壓等級(jí)其他費(fèi)用占本體費(fèi)用的比例,計(jì)算出各電壓等級(jí)直流線路工程單位綜合造價(jià)。
(2)直流線路工程量的測(cè)算
導(dǎo)線工程量計(jì)算是根據(jù)導(dǎo)線截面、分裂根數(shù)計(jì)算不同截面和分裂根數(shù)的導(dǎo)線單位公里重量。
導(dǎo)線荷載作為桿塔負(fù)荷,是桿塔重量測(cè)算的基礎(chǔ),計(jì)算不同截面和分裂根數(shù)的導(dǎo)線在覆冰工況和大風(fēng)工況下的垂直荷載和水平荷載,作為估算直線塔重量的基礎(chǔ)。同時(shí),根據(jù)對(duì)地距離、導(dǎo)線弧垂、絕緣子串長(zhǎng)估算桿塔平均呼稱高度。
根據(jù)荷載計(jì)算結(jié)果,估算不同電壓等級(jí)典型直線塔和耐張塔的重量、基礎(chǔ)混凝土量、基礎(chǔ)鋼材量。
以已建、在建和設(shè)計(jì)中的±500 kV、±800 kV工程的相關(guān)資料為基礎(chǔ),分析其費(fèi)用的構(gòu)成,以及各部分費(fèi)用所占的比例,尤其是架線工程、桿塔工程、基礎(chǔ)工程與單位公里導(dǎo)線重量、桿塔重量、基礎(chǔ)混凝土量、基礎(chǔ)鋼材量的關(guān)系,估算出架線工程、桿塔工程、基礎(chǔ)工程的單位公里造價(jià),見表6。
本體工程費(fèi)用測(cè)算是參照交流500 kV線路典型造價(jià)架線工程、桿塔工程、基礎(chǔ)工程3項(xiàng)占本體工程的比例[12];其他費(fèi)用測(cè)算是參考已建呼遼直流、向上直流、錦蘇直流等工程概算投資確定,估算出直流線路單位公里造價(jià)結(jié)果如表7。
表6 ±1100 kV架線工程、桿塔工程、基礎(chǔ)工程的單位公里造價(jià) 單位:kV、萬(wàn)元/km
表7 ±1100 kV直流線路單位公里造價(jià) 單位:kV、萬(wàn)元/km
(3)不同地形和覆冰條件下投資變化范圍
參考電網(wǎng)工程限額設(shè)計(jì)控制指標(biāo),可得不同地形的調(diào)整系數(shù)指標(biāo)如下。±500 kV線路在全國(guó)分布較廣,線路通過重冰區(qū)的比例較小,按照平均地形估算綜合造價(jià);±800 kV和±1100 kV直流線路考慮實(shí)際工程主要為西南山區(qū)至華東送電線路,參照金沙江—華東、錦屏送出工程的地形比例和覆冰情況,地形比例如表8。
表8 ±1100 kV不同地形的調(diào)整系數(shù)
途經(jīng)20 mm冰區(qū)約為10%,20 mm以上冰區(qū)約為3%,綜合考慮覆冰對(duì)整個(gè)工程造價(jià)的影響系數(shù)為1.13。
按上述條件測(cè)算出的綜合單位造價(jià)范圍如表9所示。
表9 ±1100 kV電壓等級(jí)不同截面導(dǎo)線綜合單位造價(jià)范圍 單位:kV、萬(wàn)元/km
“疆電入川”特高壓直流工程目前還處于規(guī)劃階段,線路長(zhǎng)度、受端銷售電價(jià)等均存在不確定性。針對(duì)不同的線路長(zhǎng)度、上網(wǎng)電價(jià)、計(jì)算年限變化進(jìn)行敏感性分析,以保障研究結(jié)論具有良好的適應(yīng)性。
(1)線路長(zhǎng)度變化
對(duì)于線路長(zhǎng)度減少200 km研究各種導(dǎo)線截面的經(jīng)濟(jì)性。
表10 ±1100 kV電壓等級(jí)不同截面導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)比較表(長(zhǎng)度2400 km、電價(jià)0.45元/kWh、計(jì)算年限25年)
從計(jì)算結(jié)果可知,線路長(zhǎng)度減少,8×1000 mm2導(dǎo)線年費(fèi)用較8×800 mm2導(dǎo)線差值減少。
(2)電價(jià)變化
對(duì)于電價(jià)增加到0.5元/kWh和0.6元/kWh分別研究各種導(dǎo)線截面的經(jīng)濟(jì)性。
從計(jì)算結(jié)果可知,電價(jià)增加,8×1000 mm2導(dǎo)線年費(fèi)用較8×800 mm2導(dǎo)線差值減少,經(jīng)濟(jì)性更好。
(3)計(jì)算年限變化
將計(jì)算年限從25年提高至40年計(jì)算各種導(dǎo)線截面的經(jīng)濟(jì)性。
表11 ±1100 kV電壓等級(jí)不同截面導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)比較表(長(zhǎng)度2600 km、電價(jià)0.5元/kWh、計(jì)算年限25年)
表12 ±1100 kV電壓等級(jí)不同截面導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)比較表(長(zhǎng)度2600 km、電價(jià)0.6元/kWh、計(jì)算年限25年)
從計(jì)算結(jié)果可知,計(jì)算年限增加,8×1000 mm2導(dǎo)線年費(fèi)用較8×800 mm2導(dǎo)線差值減少,經(jīng)濟(jì)性有所提高。
對(duì)于直流輸電來說,電壓等級(jí)越高,受到電暈約束、可聽噪聲、電磁干擾等電磁環(huán)境約束較大,而大截面導(dǎo)線雖然電流密度略小,經(jīng)濟(jì)性略差,但在電磁環(huán)境方面影響較小;此外,從節(jié)能降耗角度,由于高電壓等級(jí)輸電距離較遠(yuǎn),雖然投資和年費(fèi)用有所增加,但大截面導(dǎo)線的降損效果較好,在電價(jià)上漲情況下大截面導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性改善會(huì)更為明顯。因此,建議“疆電入川”直流工程導(dǎo)線截面選擇8×1000 mm2。
表13 ±1100 kV電壓等級(jí)不同截面導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)比較表(長(zhǎng)度2600 km、電價(jià)0.45元/kWh、計(jì)算年限40年)
(1)通過加拿大Teshmont公司、高壓直流輸電工程專家Kimbark.E.W分別推薦的公式計(jì)算,“疆電入川”直流輸電電壓等級(jí)應(yīng)選擇為±1100 kV。
(2)±800 kV與±1100 kV直流輸電綜合經(jīng)濟(jì)性比較表明,直流輸電距離超過2300 km,±1100 kV電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu),“疆電入川”直流工程初步估計(jì)線路長(zhǎng)度約2500 km,因此,建議“疆電入川”直流輸電電壓等級(jí)選擇為±1100 kV。
(3)經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較及敏感性分析,“疆電入川”直流輸電導(dǎo)線截面推薦選擇為8×1000 mm2。
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