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2017-08-17 13:46:49王少穎
卷宗 2017年19期
王少穎
余熱鍋爐是聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中三大主要設(shè)備之一，上游連接著燃?xì)廨啓C(jī)，下游連接著蒸汽輪機(jī)，在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，實(shí)現(xiàn)了能量的階梯利用，因而余熱鍋爐是聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)整體優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，對聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率有重要影響。因此，對于如何更好地提高燃?xì)庹粢黄?lián)合循壞系統(tǒng)的效率，是目前研究的重點(diǎn)。如何更好地提高余熱鍋爐的性能，充分挖掘其余熱回收的潛力，是國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)所關(guān)注的一個(gè)重要問題。
1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐特點(diǎn)
1、排氣溫度較高，流量較大
隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其參數(shù)和流量不斷增大，這使得進(jìn)入余熱鍋爐的燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度也越來越高，流量越來越大。燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度在余熱鍋爐無補(bǔ)燃時(shí)為500～610℃，在余熱鍋爐有補(bǔ)燃時(shí)比無補(bǔ)燃是要高lOO℃左右；流量也發(fā)生了很大變化。但是相應(yīng)而來的是燃?xì)廨啓C(jī)背壓也逐漸升高，效率有所降低。這是因?yàn)闊煔饬髁吭龃蟆⒘魉僭龈?，使得煙氣?cè)流動(dòng)阻力增加。由于燃?xì)廨啓C(jī)排氣量的增加，不管余熱鍋爐入口段還是出口段，其煙氣流量增大，容易造成在流通截面上產(chǎn)生較大的速度梯度和溫度梯度。
2、換熱強(qiáng)度變化明顯
整個(gè)系統(tǒng)的煙氣流程為：高溫高壓的煙氣在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹做功，煙氣溫度降低之后排入余熱鍋爐，進(jìn)而在余熱鍋爐中與換熱器進(jìn)行熱量交換，將低溫給水加熱生成蒸汽和熱水，之后蒸汽在蒸汽輪機(jī)中膨脹做工，煙氣最后排出進(jìn)入大氣。煙氣在余熱鍋爐內(nèi)進(jìn)行熱量交換，其在鍋爐進(jìn)口煙溫度較低，但是由于煙氣與受熱面之間的傳熱是以對流傳熱為主，隨著換熱過程的進(jìn)行，燃?xì)怙@熱減少，溫度逐漸降低，換熱能力也逐漸下降。
因此，為了更多的回收余熱，需要對余熱鍋爐的換熱面進(jìn)行強(qiáng)化。余熱鍋爐多采用螺旋翅片換熱管束不僅強(qiáng)化傳熱，而且降低流動(dòng)阻力，減少金屬耗量并使受熱面布置緊湊，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。
3、運(yùn)行工況易變
對于燃?xì)廨啓C(jī)具有優(yōu)良的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，伴隨工況的變化或負(fù)荷的調(diào)整，燃?xì)廨啓C(jī)排氣流量、溫度將發(fā)生較大變化，短時(shí)間就可以適應(yīng)。但是，蒸汽輪機(jī)調(diào)節(jié)特性較差，因此運(yùn)行過程中參數(shù)要求蒸汽穩(wěn)定，變工況條件下，參數(shù)不能變化太大、太快。處于燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)之間的余熱鍋爐，就必須要同時(shí)滿足兩者的需要才能保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，這就對余熱鍋爐不僅是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是在自動(dòng)控制理論方面都有了極高的要求。
2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐性能影響因素
余熱鍋爐作為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，在聯(lián)合循環(huán)中起著橋梁作用，合理正確的提高余熱鍋爐的性能，進(jìn)而提高其效率，將對整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的效率的提高有著重要的影響。但是余熱鍋爐性能效率的提高也將受到其他因素的影響，因?yàn)檫@些因素在整個(gè)系統(tǒng)中，相互影響，相互制約。
1、節(jié)點(diǎn)溫差、接近點(diǎn)溫差和熱端溫差
節(jié)點(diǎn)溫差指余熱鍋爐中蒸發(fā)器出口處煙氣與飽和蒸汽之間的最小溫差。節(jié)點(diǎn)溫差與整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)效率有著密切的關(guān)系。這是由于減小節(jié)點(diǎn)溫差，就意味著余熱鍋爐排煙溫度降低，其吸熱量增加，聯(lián)合循環(huán)效率提高。然而，節(jié)點(diǎn)溫差減少，就意味著需要更多的換熱面積來吸收熱量，使得整個(gè)余熱鍋爐成本增加，造價(jià)提高。由此說明，節(jié)點(diǎn)溫差的選取是否合理將會(huì)對整個(gè)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的運(yùn)行性能、投資費(fèi)用、運(yùn)行效益以及制造成本等各個(gè)方面產(chǎn)生影響。
接近點(diǎn)溫差指余熱鍋爐省煤器出口壓力下的飽和溫度與出口水溫之間的溫差。在蒸汽流量以及排煙溫度不變的情況下，適當(dāng)?shù)販p少接近點(diǎn)溫差會(huì)使系統(tǒng)總的傳熱面積減少，這樣有利于降低成本。但是，接近點(diǎn)溫差不能太小，這是由于省煤器會(huì)在為在啟動(dòng)或者低負(fù)荷情況下出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，為了防止這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，所以設(shè)計(jì)余熱鍋爐是總是要求省煤器的出口水溫要略低于響應(yīng)下的飽和水溫。
熱端溫差是指過熱器出口處煙氣與蒸汽的溫度差值。適當(dāng)?shù)亟档蜔岫藴夭?，可提高過熱度，進(jìn)而提高過熱蒸汽品質(zhì)，提高循環(huán)效率，同時(shí)這樣會(huì)使得蒸汽的流量減少。過熱器和蒸發(fā)器的對數(shù)平均溫差也相應(yīng)降低，傳熱面積需要增大，盒屬耗量增加，熱端溫差的選取其實(shí)更取決于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化考慮。
2、汽水系統(tǒng)的布置形式
聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐隨著燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，其壓力等級(jí)也有所發(fā)展，從單壓到雙壓的發(fā)展，進(jìn)一步降低了排煙溫度，后來從雙壓發(fā)展到三壓以及再熱系統(tǒng)的發(fā)展，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)又向前邁進(jìn)一步。目前應(yīng)用較多的多壓系統(tǒng)有雙壓、雙壓再熱、三壓以及三壓再熱系統(tǒng)。
單壓系統(tǒng)布置簡單，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮蒸汽的壓力等級(jí)。當(dāng)蒸汽壓力升高時(shí)，會(huì)使得余熱鍋爐的排煙溫度增加。這是由于蒸汽壓力的升高，使得單位質(zhì)量蒸汽所含的焓值增加，即焓降增加，做工能力增加。此情況下，蒸汽流量將會(huì)減少。在保持節(jié)點(diǎn)溫差不變的情況下，煙氣與省煤器的傳熱溫差增大，而煙氣與蒸發(fā)器、過熱器的傳熱溫差下降，最終所需要的傳熱面積增加。通常單壓余熱鍋爐的排煙溫度在160～200℃左右。
為了降低排煙溫度，從煙氣中回收更多的熱量，進(jìn)而使得聯(lián)合循環(huán)效率提高，通常情況下多采用多壓系統(tǒng)，但這樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，包括鍋爐本身，還包括占地面積以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，使得投資增加。可以看出，隨著蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的提高及系統(tǒng)的復(fù)雜化（由雙壓變?yōu)槿龎海刹辉贌嵯蛟贌徇^渡），聯(lián)合循環(huán)的效率會(huì)有一定程度的提高。目前多壓系統(tǒng)可以使得余熱鍋爐出口排煙溫度降低到llO～120℃，對于燃燒含硫量極少的天然氣的機(jī)組，余熱鍋爐出口排煙溫度可降至80～85℃左右。在具體的工程應(yīng)用中采取哪種汽水系統(tǒng)，應(yīng)該要將系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性結(jié)合在一起考慮，即要考慮電站裝置費(fèi)用、燃料價(jià)格、電站的符合性質(zhì)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等因素。
3、補(bǔ)燃
聯(lián)合循環(huán)采用補(bǔ)燃技術(shù)有以下幾個(gè)用途：1）增大聯(lián)合循環(huán)的功率；2）提高汽輪機(jī)的初參數(shù)，進(jìn)而提高汽輪機(jī)系統(tǒng)的效率，在一定條件下增高聯(lián)合循環(huán)的效率；3）改善聯(lián)合循環(huán)的變工況特性，使得效率隨負(fù)荷的降低而逐漸減小的趨勢平緩。
在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，無補(bǔ)燃時(shí)余熱鍋爐蒸汽參數(shù)容易受到燃?xì)廨啓C(jī)排氣的影響，而且余熱鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽量有限，使得蒸汽輪機(jī)的功率不可能很大，一股只有燃?xì)廨啓C(jī)功率的一半左右：有補(bǔ)燃時(shí)，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)受到燃?xì)廨啓C(jī)排氣的影響較小，蒸汽的溫度可以高于燃?xì)廨啓C(jī)排氣，進(jìn)而可以使得蒸汽量大幅度增加，蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)相應(yīng)的根據(jù)實(shí)際需要可以采用較高參數(shù)，從而使得蒸汽輪機(jī)的功率和燃?xì)廨啓C(jī)的功率有一個(gè)很好的匹配，使得整個(gè)聯(lián)合循壞功率達(dá)到提高。
隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口參數(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)效率大幅度提高，在這種情況下，可提高系統(tǒng)效率的最大補(bǔ)燃量不斷減小。由于汽輪機(jī)效率的提高已變得比較困難，補(bǔ)燃已逐漸失去提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率的作用，在目前燃?xì)廨啓C(jī)較高參數(shù)條件下，有補(bǔ)燃的聯(lián)合循環(huán)效率不如無補(bǔ)燃的。余熱鍋爐如果補(bǔ)燃就需要額外配備補(bǔ)燃的燃燒系統(tǒng)，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)將變得比較復(fù)雜。如果希望余熱鍋爐能夠獨(dú)立于燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行，還需要配備風(fēng)機(jī)、旁通風(fēng)道等設(shè)備。不過補(bǔ)燃可以使用煤或其它劣質(zhì)燃料。
3 結(jié)束語
余熱鍋爐作為聯(lián)合循環(huán)中一個(gè)承上啟下的關(guān)鍵設(shè)備，在研究余熱鍋爐性能時(shí)要兼顧其它設(shè)備，從而使整個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)。
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王少穎
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1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐特點(diǎn)
1、排氣溫度較高，流量較大
隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其參數(shù)和流量不斷增大，這使得進(jìn)入余熱鍋爐的燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度也越來越高，流量越來越大。燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度在余熱鍋爐無補(bǔ)燃時(shí)為500～610℃，在余熱鍋爐有補(bǔ)燃時(shí)比無補(bǔ)燃是要高lOO℃左右；流量也發(fā)生了很大變化。但是相應(yīng)而來的是燃?xì)廨啓C(jī)背壓也逐漸升高，效率有所降低。這是因?yàn)闊煔饬髁吭龃蟆⒘魉僭龈?，使得煙氣?cè)流動(dòng)阻力增加。由于燃?xì)廨啓C(jī)排氣量的增加，不管余熱鍋爐入口段還是出口段，其煙氣流量增大，容易造成在流通截面上產(chǎn)生較大的速度梯度和溫度梯度。
2、換熱強(qiáng)度變化明顯
整個(gè)系統(tǒng)的煙氣流程為：高溫高壓的煙氣在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹做功，煙氣溫度降低之后排入余熱鍋爐，進(jìn)而在余熱鍋爐中與換熱器進(jìn)行熱量交換，將低溫給水加熱生成蒸汽和熱水，之后蒸汽在蒸汽輪機(jī)中膨脹做工，煙氣最后排出進(jìn)入大氣。煙氣在余熱鍋爐內(nèi)進(jìn)行熱量交換，其在鍋爐進(jìn)口煙溫度較低，但是由于煙氣與受熱面之間的傳熱是以對流傳熱為主，隨著換熱過程的進(jìn)行，燃?xì)怙@熱減少，溫度逐漸降低，換熱能力也逐漸下降。
因此，為了更多的回收余熱，需要對余熱鍋爐的換熱面進(jìn)行強(qiáng)化。余熱鍋爐多采用螺旋翅片換熱管束不僅強(qiáng)化傳熱，而且降低流動(dòng)阻力，減少金屬耗量并使受熱面布置緊湊，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。
3、運(yùn)行工況易變
對于燃?xì)廨啓C(jī)具有優(yōu)良的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，伴隨工況的變化或負(fù)荷的調(diào)整，燃?xì)廨啓C(jī)排氣流量、溫度將發(fā)生較大變化，短時(shí)間就可以適應(yīng)。但是，蒸汽輪機(jī)調(diào)節(jié)特性較差，因此運(yùn)行過程中參數(shù)要求蒸汽穩(wěn)定，變工況條件下，參數(shù)不能變化太大、太快。處于燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)之間的余熱鍋爐，就必須要同時(shí)滿足兩者的需要才能保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，這就對余熱鍋爐不僅是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是在自動(dòng)控制理論方面都有了極高的要求。
2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐性能影響因素
余熱鍋爐作為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的一個(gè)重要設(shè)備，在聯(lián)合循環(huán)中起著橋梁作用，合理正確的提高余熱鍋爐的性能，進(jìn)而提高其效率，將對整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的效率的提高有著重要的影響。但是余熱鍋爐性能效率的提高也將受到其他因素的影響，因?yàn)檫@些因素在整個(gè)系統(tǒng)中，相互影響，相互制約。
1、節(jié)點(diǎn)溫差、接近點(diǎn)溫差和熱端溫差
節(jié)點(diǎn)溫差指余熱鍋爐中蒸發(fā)器出口處煙氣與飽和蒸汽之間的最小溫差。節(jié)點(diǎn)溫差與整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)效率有著密切的關(guān)系。這是由于減小節(jié)點(diǎn)溫差，就意味著余熱鍋爐排煙溫度降低，其吸熱量增加，聯(lián)合循環(huán)效率提高。然而，節(jié)點(diǎn)溫差減少，就意味著需要更多的換熱面積來吸收熱量，使得整個(gè)余熱鍋爐成本增加，造價(jià)提高。由此說明，節(jié)點(diǎn)溫差的選取是否合理將會(huì)對整個(gè)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐的運(yùn)行性能、投資費(fèi)用、運(yùn)行效益以及制造成本等各個(gè)方面產(chǎn)生影響。
接近點(diǎn)溫差指余熱鍋爐省煤器出口壓力下的飽和溫度與出口水溫之間的溫差。在蒸汽流量以及排煙溫度不變的情況下，適當(dāng)?shù)販p少接近點(diǎn)溫差會(huì)使系統(tǒng)總的傳熱面積減少，這樣有利于降低成本。但是，接近點(diǎn)溫差不能太小，這是由于省煤器會(huì)在為在啟動(dòng)或者低負(fù)荷情況下出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，為了防止這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，所以設(shè)計(jì)余熱鍋爐是總是要求省煤器的出口水溫要略低于響應(yīng)下的飽和水溫。
熱端溫差是指過熱器出口處煙氣與蒸汽的溫度差值。適當(dāng)?shù)亟档蜔岫藴夭?，可提高過熱度，進(jìn)而提高過熱蒸汽品質(zhì)，提高循環(huán)效率，同時(shí)這樣會(huì)使得蒸汽的流量減少。過熱器和蒸發(fā)器的對數(shù)平均溫差也相應(yīng)降低，傳熱面積需要增大，盒屬耗量增加，熱端溫差的選取其實(shí)更取決于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化考慮。
2、汽水系統(tǒng)的布置形式
聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐隨著燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，其壓力等級(jí)也有所發(fā)展，從單壓到雙壓的發(fā)展，進(jìn)一步降低了排煙溫度，后來從雙壓發(fā)展到三壓以及再熱系統(tǒng)的發(fā)展，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)又向前邁進(jìn)一步。目前應(yīng)用較多的多壓系統(tǒng)有雙壓、雙壓再熱、三壓以及三壓再熱系統(tǒng)。
單壓系統(tǒng)布置簡單，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮蒸汽的壓力等級(jí)。當(dāng)蒸汽壓力升高時(shí)，會(huì)使得余熱鍋爐的排煙溫度增加。這是由于蒸汽壓力的升高，使得單位質(zhì)量蒸汽所含的焓值增加，即焓降增加，做工能力增加。此情況下，蒸汽流量將會(huì)減少。在保持節(jié)點(diǎn)溫差不變的情況下，煙氣與省煤器的傳熱溫差增大，而煙氣與蒸發(fā)器、過熱器的傳熱溫差下降，最終所需要的傳熱面積增加。通常單壓余熱鍋爐的排煙溫度在160～200℃左右。
為了降低排煙溫度，從煙氣中回收更多的熱量，進(jìn)而使得聯(lián)合循環(huán)效率提高，通常情況下多采用多壓系統(tǒng)，但這樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，包括鍋爐本身，還包括占地面積以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，使得投資增加。可以看出，隨著蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的提高及系統(tǒng)的復(fù)雜化（由雙壓變?yōu)槿龎海刹辉贌嵯蛟贌徇^渡），聯(lián)合循環(huán)的效率會(huì)有一定程度的提高。目前多壓系統(tǒng)可以使得余熱鍋爐出口排煙溫度降低到llO～120℃，對于燃燒含硫量極少的天然氣的機(jī)組，余熱鍋爐出口排煙溫度可降至80～85℃左右。在具體的工程應(yīng)用中采取哪種汽水系統(tǒng)，應(yīng)該要將系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性結(jié)合在一起考慮，即要考慮電站裝置費(fèi)用、燃料價(jià)格、電站的符合性質(zhì)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等因素。
3、補(bǔ)燃
聯(lián)合循環(huán)采用補(bǔ)燃技術(shù)有以下幾個(gè)用途：1）增大聯(lián)合循環(huán)的功率；2）提高汽輪機(jī)的初參數(shù)，進(jìn)而提高汽輪機(jī)系統(tǒng)的效率，在一定條件下增高聯(lián)合循環(huán)的效率；3）改善聯(lián)合循環(huán)的變工況特性，使得效率隨負(fù)荷的降低而逐漸減小的趨勢平緩。
在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，無補(bǔ)燃時(shí)余熱鍋爐蒸汽參數(shù)容易受到燃?xì)廨啓C(jī)排氣的影響，而且余熱鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽量有限，使得蒸汽輪機(jī)的功率不可能很大，一股只有燃?xì)廨啓C(jī)功率的一半左右：有補(bǔ)燃時(shí)，余熱鍋爐蒸汽參數(shù)受到燃?xì)廨啓C(jī)排氣的影響較小，蒸汽的溫度可以高于燃?xì)廨啓C(jī)排氣，進(jìn)而可以使得蒸汽量大幅度增加，蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)相應(yīng)的根據(jù)實(shí)際需要可以采用較高參數(shù)，從而使得蒸汽輪機(jī)的功率和燃?xì)廨啓C(jī)的功率有一個(gè)很好的匹配，使得整個(gè)聯(lián)合循壞功率達(dá)到提高。
隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口參數(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)效率大幅度提高，在這種情況下，可提高系統(tǒng)效率的最大補(bǔ)燃量不斷減小。由于汽輪機(jī)效率的提高已變得比較困難，補(bǔ)燃已逐漸失去提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率的作用，在目前燃?xì)廨啓C(jī)較高參數(shù)條件下，有補(bǔ)燃的聯(lián)合循環(huán)效率不如無補(bǔ)燃的。余熱鍋爐如果補(bǔ)燃就需要額外配備補(bǔ)燃的燃燒系統(tǒng)，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)將變得比較復(fù)雜。如果希望余熱鍋爐能夠獨(dú)立于燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行，還需要配備風(fēng)機(jī)、旁通風(fēng)道等設(shè)備。不過補(bǔ)燃可以使用煤或其它劣質(zhì)燃料。
3 結(jié)束語
余熱鍋爐作為聯(lián)合循環(huán)中一個(gè)承上啟下的關(guān)鍵設(shè)備，在研究余熱鍋爐性能時(shí)要兼顧其它設(shè)備，從而使整個(gè)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)。
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