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JP2006009714A - ガスタービン - Google Patents

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Yasuo Takahashi
康雄 高橋
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信也 圓島
Shinichi Higuchi
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Abstract

【課題】
ガスタービンの排気ガスの一部を圧縮機の吸気側に導入する排気再循環型ガスタービンにおいて、圧縮機で吸入する新鮮な大気とタービンの排気ガスとを混合することに起因する圧縮機の吸気温度の上昇によるガスタービンの出力低減を抑制する。
【解決手段】
空気(大気)を吸入し、所定の圧力まで圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気を燃料と混合し燃焼させ、タービンに高温高圧ガスを供給する燃焼器と、燃焼器で生成された高温高圧ガスにより軸動力を発生させるタービンと、タービンを駆動した後に排出される排気ガスの一部を、ガスタービン圧縮機の空気取り入れ側へ導き、圧縮機で吸入する新鮮な空気(大気)と混合させることが可能な配管とを有する排気再循環型ガスタービンにおいて、ガスタービンの排気ガスの一部を圧縮機の吸気側へ導入する途中で、加湿可能な装置を設け、排気ガスを加湿する。
【選択図】図3

Description

本発明は、ガスタービンの排気ガスの一部を圧縮機の空気取り入れ側に供給する排気再循環型ガスタービン設備に関するものである。
一般的に火力発電プラントにおけるガスタービンは、空気(大気)を吸入し所定の圧力まで圧縮する圧縮機,圧縮機で圧縮された空気を燃料と混合,燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器,燃焼器で生成された高温高圧燃焼ガスが膨張することで動力を発生させるタービン,タービンで発生した動力を電気的エネルギーに変換する発電機から構成されている。そして、燃焼器で生成された燃焼ガスは、タービンで仕事をした後、排気ガスとして排気ダクトを介して大気中へ放出される。また、本発明に属する排気再循環型ガスタービンは、タービンから排出される排気ガスの一部を、ガスタービンの吸気側へ導き、圧縮機で吸入する空気(大気)と混合させてから圧縮機に供給するガスタービン設備である。例えば、特開昭64−45924号では、ガスタービンの排気ガスを圧縮機の吸気に混合することで、吸気温度を一定とし、ガスタービン吸気温度の変動によるガスタービンの出力の変動を抑制することができるガスタービン設備を提案している。さらに、特開平10−259736号では、タービンからの排気ガスは冷却器を介して排気ガスの温度を低下させ、圧縮機の吸気部に導入することで、ガスタービンの低NOx化が可能な燃焼器が提案されている。
一方、ガスタービンにおいて、夏場などの圧縮機の吸気温度が高くなった場合に、空気密度が小さくなり、一般的な体積流量一定の定回転数の圧縮機では、吸入空気の質量流量が低減し、燃焼器での燃料流量も低減する。そして、圧縮機動力の増大により、ガスタービンの出力が低下するという現象がある。この出力低下に対して、圧縮機の吸気に水噴霧することで吸気温度を低下させ、ガスタービンの出力を回復する吸気冷却方式のガスタービンが提案されている。特開平11−287132号では、圧縮機入口に供給される吸気に液滴を噴霧し、圧縮機に入る吸気の温度を低下させ、その液滴を圧縮機内で気化させることでガスタービンの出力を向上させている。
また、特開平11−72027号では、上記、排気再循環型ガスタービンと吸気冷却方式を組み合わせた、ガスタービンの排気を圧縮機空気入口側に循環する排気再循環型のコンバインドサイクルプラントにおいて、ガスタービンの排ガスと圧縮機入口空気との混合ガスが流れる圧縮機内に液滴を導入させて圧縮機内の流下中に、その液滴を気化させることで、外気温度の変動やガスタービンの部分負荷運転でも、所望の出力を高効率で得ることができるガスタービン装置が提案されている。
特開昭64−45924号公報 特開平10−259736号公報 特開平11−287132号公報 特開平11−72027号公報
前記、ガスタービンのタービンから排出される排気ガスの一部を圧縮機の吸気部に導入する排気再循環型ガスタービンでは、タービンの排気温度が約500℃以上の排気ガスを圧縮機吸気(大気)に混合することになる。このような排気再循環型ガスタービンでは、排気ガスと大気といった非常に温度差のある2種類の気体を混合させ、圧縮機入口の温度分布を均一にしたとすると、圧縮機の入口における吸気温度は必然的に高くなる。この圧縮機吸気の温度上昇は、ガスタービンの出力低下に繋がる。そして、タービンの排気ガス温度と圧縮機の吸気温度に差が大きいため、これら2種類の気体を単純に合流させると圧縮機吸気の温度分布が極端に不均一となり、ガスタービンの運転が非常に不安定になりガスタービンの運用上、信頼性が確保できなくなる。また、高温の排気ガスを圧縮機に供給することで、圧縮機の翼の信頼性が問題となる。一方、タービンの排気ガスと圧縮機入口空気を混合させ、その混合ガスに液滴を噴霧する排気再循環型ガスタービンにおいて、圧縮機内に流入する混合空気に液滴を噴霧して、圧縮機吸気温度を制御する方法では、例えば、ガスタービン排気温度や圧縮機吸気温度を検知し、その温度に応じて噴霧する液滴量を調整している。このようなガスタービンの圧縮機入口では、混合する排気ガスと大気の温度差が大きいため、先にも述べたように、圧縮機吸気の温度分布が極端に不均一となり得る。この温度不均一の状況で、圧縮機吸気温度を検知して、圧縮機内で噴霧する液滴量を制御することは、圧縮機吸気温度の計測位置により噴霧量の制御が難しくなり、ガスタービンの運転が不安定となる可能性がある。また、圧縮機の吸気部で噴霧することで、液滴が完全に蒸発されずに、液滴が圧縮機内に導入される場合が生じる。液滴が圧縮機内に導入されると、圧縮機の翼に液滴が衝突して、エロージョンを引き起こす恐れがある。さらに、圧縮機へ液滴が導入されると、圧縮機で吸気される空気内にダストがある場合、液滴によってダストが翼に付着しやすくなり、翼に付着した汚れによって、圧縮機の性能低下を引き起こす可能性がある。
また、タービンから排出される排気ガスの一部を圧縮機の吸気部に導入する排気再循環型ガスタービンでは、圧縮機の吸気温度を低下させるために、タービン排気ダクトから圧縮機に供給される排気ガスは、熱交換器などの冷却器を介して、圧縮機の入口側に供給される。この熱交換器などの冷却器は、装置が大きくなるため、設置スペースの拡大やコスト増大といった問題も発生する。
そこで、本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、圧縮機で吸入する新鮮な大気とタービンの排気ガスとを混合することに起因する、圧縮機の吸気温度分布の不均一性を低減させると共に、圧縮機の吸気温度の上昇を抑制し、ガスタービンの出力低下を回復することを可能とする排気再循環型ガスタービン設備を提供することにある。
すなわち本発明は、前述の課題を解決するために次の手段を提供する。空気(大気)を吸入し、所定の圧力まで圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気を燃料と混合し燃焼させ、タービンに高温高圧ガスを供給する燃焼器と、燃焼器で生成された高温高圧ガスにより軸動力を発生させるタービンと、タービンを駆動した後に排出される排気ガスの一部をガスタービンの圧縮機の空気取り入れ側へ導き、圧縮機で吸入する新鮮な空気(大気)と混合させることが可能な配管とを有する排気再循環型ガスタービンにおいて、前記タービン駆動後の排気ガスの一部を圧縮機の吸気側へ導入するための配管の途中に、加湿可能な装置を備え付け排気ガスに加湿することで、所期の目的を達成するようにしたものである。また、本発明は、タービン駆動後の排気ガスの一部を圧縮機の吸気側へ導入するための配管に加湿可能な装置を備えた前記排気再循環型ガスタービンにおいて、加湿する前にタービンから排出される排気ガス中のSOxなどの腐食成分を除去できる排気ガス処理装置を設けることを特徴とする。さらに、タービン駆動後の排気ガスの一部を圧縮機の吸気側へ導入するための配管に加湿可能な装置を備えた前記排気再循環型ガスタービンにおいて、前記加湿可能な装置を前記配管の複数箇所に備え付けたことを特徴とする。このようにタービン排気ダクトから圧縮機へ供給される排気ガスと圧縮機の吸入する新鮮な空気とを混合させ、この混合ガスを燃焼器の燃焼用空気として利用する排気再循環型ガスタービン設備に、加湿可能な装置を形成し、前記混合ガスの温度を低下させることで、圧縮機の吸気温度の上昇によるガスタービンの出力低下を抑制することが可能である。
本発明によれば、排気再循環型ガスタービンの排気ガスを圧縮機の吸気側へ供給する配管に、加湿することが可能な装置を設け、排気ガスを加湿してから、圧縮機の吸気と混合させることで、圧縮機に導入される混合空気の温度分布の不均一性を低減できる。そして、排気ガスへの加湿は、圧縮機吸気部における排気ガスとの混合ガスへの加湿に比べて、圧縮機に液滴が導入されることを低減でき、圧縮機の翼のエロージョン防止にも効果がある。また、本発明では、圧縮機吸気温度の制御により、圧縮機の吸気温度の上昇によるガスタービンの出力低減を抑制でき、かつ、排気ガスへ加湿することから、圧縮機の吸気へ混合させる排気ガスの量を増加させることが可能であり、ガスタービンのNOx低減に効果的である。そして、排気ガス温度を下げるために熱交換器などの冷却器を用いずに、排気ガスへ加湿するだけなので、設置スペースの縮小化と、コスト低減にも効果がある。
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
なお、以下の実施の形態において、図1の一般的なガスタービンの全体構成の系統図と同じ構成の部分には、同じ符号が付してある。
図1は、一般的なガスタービンの全体構成を簡略的に示した系統図である。通常、ガスタービンは、取り入れた空気(大気)11を圧縮し燃焼用空気12を生成する圧縮機1と、この圧縮機1からの燃焼用空気12を燃料13と共に燃焼し、高温高圧の燃焼ガス14を生成する燃焼器2と、この燃焼器2からの燃焼ガス14によって軸動力を得るタービン3とを備えており、タービン3で膨張された燃焼ガス14は、タービン3から排気ガス
15として排出される。
一方、図2に示すように、タービン3から排出される排気ガス15の一部を、配管4によって、圧縮機1の吸気側へ導入し、圧縮機1で吸入する新鮮な大気11と混合させ、この混合ガス16がガスタービンを構成する燃焼器2で使用される燃焼用空気として利用される排気再循環型ガスタービンがある。このような排気再循環型ガスタービンでは、ガスタービンの吸気温度の変動に起因するガスタービンの出力の変動を、タービン3の排気ガス15を圧縮機1の吸気に混合することで圧縮機1の吸気温度を一定にし、その出力変動を抑制することが可能である。また、圧縮機1で吸入する大気にタービン3の排気ガス
15を混合することで、燃焼器2で使用される燃焼用空気12が、大気よりも酸素濃度を低くすることができ、ガスタービンのNOx低減に有効である。しかし、これらの排気再循環型ガスタービンでは、多量のタービン排気ガス15を圧縮機1の吸気に混合すると、圧縮機1の吸気温度が上昇し、ガスタービンの出力低下を引き起こす。
このガスタービンの出力低減を抑制する方法として、図3において、本発明の第一実施例を示す。上記、タービン3から排出される排気ガス15の一部を、配管4により圧縮機1の吸気側へ導入し、圧縮機1で吸入する新鮮な大気11と混合させ、この混合ガス16が、燃焼器2で使用される燃焼用空気12として利用される排気再循環型ガスタービンにおいて、排気ガス15の一部を圧縮機1の吸気側へ導入する配管4の途中に、加湿可能な装置として、例えば水噴霧17による加湿装置を備える。(以降、加湿可能な装置として、水噴霧装置で説明する。)そして、この配管4内の排気ガス15に水噴霧17することで、排気ガス15の温度を低下させ、その排気ガス15を圧縮機1の吸入する新鮮な大気11と混合させるようにする。このように水噴霧17により圧縮機に供給される排気ガス15の温度を低下させることで、圧縮機1の吸気温度の上昇を抑え、圧縮機1の吸気温度上昇によるガスタービンの出力低減を抑制することができる。また、排気ガス15を冷却して、圧縮機1の吸気側へ導入する場合、一般的に、排気ガスを熱交換器によって冷却し、圧縮機に導く方法がある。この熱交換器による冷却は、熱交換器の装置自体が大きくなり、コストも高くなる恐れがある。一方、水噴霧の場合、排気ガス15を圧縮機1の吸気側へ供給する配管4に水噴霧用のノズルを設置して水噴霧させるので、熱交換器ほど装置が大きくなく、低コストとなり得る。また、圧縮機1の吸入空気に水噴霧する吸気冷却式のガスタービンでは、圧縮機の吸気部で水滴を蒸発させ、その蒸発潜熱により圧縮機の吸気温度を低下させ、圧縮機動力を低減させている。この水滴が蒸発されずに、圧縮機内に導入されると、圧縮機の翼に水滴が衝突して、エロージョンを引き起こす恐れがある。しかし、図3のように、排気ガス15に水噴霧17する場合、排気ガスは高温であるため、水滴を効果的に蒸発させることができ、多量の水滴を噴霧しても、圧縮機1の吸入口までに水滴を蒸発させることが可能である。これにより、水滴が圧縮機1に混入したことで発生する翼のエロージョンによる損傷を抑制できる。また、水噴霧17により効果的に排気ガスを冷却するので、圧縮機1に供給される排気ガス15も多量に導入することが可能であり、ガスタービンのNOx低減に効果がある。さらに、圧縮機1に供給される排気ガス15を水噴霧17により効果的に冷却することが可能であるため、圧縮機の構造上の信頼性も確保できる。
また、大気温度が低い寒冷地におけるガスタービンにおいて、大気温度が低下すると、圧縮機の入口マッハ数が高くなる影響で、圧縮機の前側の翼がチョークして圧縮機性能が激減する現象がある。図3で示されるような、排気再循環型ガスタービンの排気ガス15に水噴霧17を加えたシステムでは、水噴霧量を調整することで、圧縮機1の吸気温度を制御することが可能であり、吸気温度を一定値に保持することで圧縮機性能を確保することができる。このような吸気温度の制御は、大気温度が高い夏場や高温地域においても同様であり、水噴霧量と圧縮機に供給する排気ガスの量を調整することで、圧縮機の吸気温度を一定に保持することができる。
図4に、本発明による第二の実施例を示す。前記、排気再循環型ガスタービンを構成するタービン3から排出される排気ガス15の一部を、配管4により圧縮機1の吸気側へ導入し、その配管4の途中で、一度、水噴霧17により排気ガス15の温度を低減させる。その後、圧縮機1で吸入する新鮮な大気11と混合させる。この生成された混合ガス16に、再度、水噴霧17することで、水滴を蒸発させ、その蒸発潜熱により圧縮機の吸気温度を効果的に低下させることができる。低温となった混合ガス16は、圧縮機1により加圧され燃焼器2で使用される燃焼用空気12として利用される。このように、一度、水噴霧した排気ガス15と圧縮機1で吸気する新鮮な空気11とを混合させた後、水噴霧17により混合ガス温度を効果的に低下させ、圧縮機1の吸気温度を下げることで、ガスタービンの出力低下を回復するようにした。また、このようなシステムにおいても、排気ガス15と圧縮機1で吸気する新鮮な空気11の混合ガス16に水噴霧17の冷却を施すことで、圧縮機の信頼性を確保でき、ガスタービンのNOx低減にも効果がある。
ここで、排気再循環を用いたガスタービンの圧縮機の吸気に導入する排気ガス量と水噴霧量、及びNOx低減について説明するために、タービン排気ガスと圧縮機の吸気を混合してから水噴霧する単純なモデルを想定して、具体例を述べる。ガスタービンの燃焼器における燃焼温度を1500℃から1700℃に上げたとき、ガスタービンから排出されるNOx生成量を燃焼温度1500℃のときと同等にするには、圧縮機の吸気側へ導入する排気ガスの量は、圧縮機で吸入する大気量の10〜20%とする必要がある。この排気ガスと圧縮機で吸入する新鮮な大気を混合すると、排気ガス温度約600℃と大気空気温度約15℃とすると、この混合ガス温度は、70〜110℃となる。この混合ガスに、15℃の水噴霧(約0.5〜1.5%wt)により加湿することで、水滴を完全に蒸発させることが可能となり、圧縮機の吸気温度は、約30〜50℃まで温度を低下させることができる。以上のように、排気ガスと圧縮機で吸気する新鮮な空気との混合ガスへの水噴霧や、排気ガスへ水噴霧した後、圧縮機の吸気と混合することで、圧縮機の信頼性を確保でき、さらに、圧縮機の吸気に排気ガスを混合することで、燃焼器で燃焼に寄与する酸素濃度を低下させることで、NOx生成量が低減できる。
また、図5は本発明の第三の実施例であり、図3に示す排気再循環型ガスタービンの排気ガス15を圧縮機1の吸気側に供給する配管4に水噴霧17装置を設けたシステムに、排気ガス処理装置5を備え付けたものである。燃焼器2で使用される燃料の種類やガスタービンの運転環境によっても異なるが、ガスタービンの排気ガス中に含まれる不純物には、硫黄分などの酸化物,バナジウムなどの重金属,錆などの酸化性生物,シリカ,ナトリウムなどの微量元素が混入している。例えば、ガスタービンの燃焼器2で使用される燃料13に油燃料を用いると、その排気ガス15中の不純物として主に、硫黄分の酸化物SOx成分が含有されており、排気再循環型ガスタービンにおいて、排気ガス15が圧縮機1の吸気側へ供給されると、排気ガス15中の不純物であるSOx成分によって圧縮機1の翼が腐食される恐れがある。そこで、タービン3からの排気ガス15の一部を圧縮機1の吸気側へ導入する配管4に、例えば、脱硫装置といった排気ガス処理装置5を設けることで、排気ガス15中のSOx成分を除去することが可能であり、圧縮機1の翼の腐食を軽減することができる。また、排気ガス15中には、微量であるが、SO3 が含まれており、この成分は水に簡単に溶けて、硫酸H2SO4となる。排気ガス処理装置5を通過した排気ガス15中に、SO3 が残っていたとすると、その排気ガス15に水噴霧17することで容易に硫酸となって、圧縮機1の翼や、その他の材料をも腐食することになる。
このSO3 の除去として、本発明による第四の実施例を図6に示す。図6では、排気ガス15に多量の水を振り掛ける脱硫シャワー装置6を設ける。これによりH2OとSO3を硫酸H2SO4に化学結合させて水中に溶かし出し、容易にSO3 を除去することが可能になる。なお、硫酸の溶け出た水は、脱硫シャワー装置6の下部から回収することができる。このように、排気ガス15中のSO3 も除去することで、圧縮機の材料の腐食を緩和することが可能となる。
また、図3の排気再循環型ガスタービンの排気ガス15を圧縮機1の吸気側へ供給する配管4に、水噴霧17装置を設けたガスタービンにおいて、前記、配管4に水噴霧17装置を複数個もうけることで、排気ガス15の温度低減と排気ガスのSO3 成分を効果的に除去することができる。また、燃焼器2で使用される燃料13に天然ガスを用いた排気再循環型ガスタービンにおいては、排気ガス15中にSOx成分がほとんど含有していないため、排気ガス処理装置は使用する必要はなく、水噴霧17による吸気冷却をするだけで、圧縮機1の動力を低減し、ガスタービンの出力低減を抑制することができる。
図7に、本発明による第五の実施例を示す。圧縮機1と燃焼器2とタービン3から構成されるガスタービンとガスタービンの排気ガス15の熱を回収する排熱回収ボイラー7と排熱回収ボイラー7から発生する蒸気20によって駆動される蒸気タービン8を有するガスタービンコンバインドサイクル発電設備において、前記排熱回収ボイラー7により熱回収された後の排気ガス18の一部を前記ガスタービンの圧縮機1の空気取り入れ側へ導いて、圧縮機1で吸入する新鮮な空気(大気)11と混合させる。この熱回収された後の排気ガス18を圧縮機1の吸気側に導入させる途中に、水噴霧17可能な装置を設置する。排熱回収ボイラー7を通過後の排気ガス18に水噴霧17することで、排気ガス18温度を低下させることが可能であり、そして、圧縮機で吸入する新鮮な大気11と混合させ、この混合ガス16温度を低下させることで、圧縮機1の吸気温度を下げることが可能となり、ガスタービンの出力低減を抑制することができる。また、圧縮機の信頼性を確保でき、ガスタービンの低NOx化にも効果がある。
図8,図9に本発明による第六,七の実施例を示す。タービン3から排出される排気ガス15の一部を、軸駆動の別置圧縮機9に導入することが可能な配管が設けられ、この配管の途中に、水噴霧17による加湿装置が設置されている。タービン3から排出される排気ガス15は、水噴霧17によって、温度を低下させられ、この水噴霧された排気ガスは、別置圧縮機9により昇圧される。そして、昇圧された排気ガスは、19で図示する配管によって、圧縮機1の中間段もしくは、燃焼器の入口に供給される。このように排気ガス15の一部を燃焼器で使用される燃焼用空気の一部として利用することで、ガスタービンの低NOx化に効果的である。
本発明の技術は、シンプルサイクル,コンバインドサイクルなどガスタービンを有するシステムであれば、この技術的範囲内において当然使用することが可能である。
一般的なガスタービンの系統図。 排気再循環型ガスタービンの系統。 本発明の第一実施例のガスタービン系統図。 本発明の第二実施例のガスタービン系統図。 本発明の第三実施例のガスタービン系統図。 本発明の第四実施例のガスタービン系統図。 本発明の第五実施例のガスタービン系統図。 本発明の第六実施例のガスタービン系統図。 本発明の第七実施例のガスタービン系統図。
符号の説明
1…圧縮機、2…燃焼器、3…タービン、4…配管、5…排気ガス処理装置、6…脱硫シャワー装置、7…排熱回収ボイラー、8…蒸気タービン、9…別置圧縮機、11…新鮮な空気(大気)、12…燃焼用空気、13…燃料、14…高温高圧燃焼ガス、15,18…排気ガス、16…混合ガス、17…水噴霧、19…昇圧ガス、20…蒸気。


Claims (5)

  1. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンの排ガスの一部を前記圧縮機の空気取り入れ側に導き、新鮮な空気と混合させる排気再循環系統とを備えた排気再循環型ガスタービンにおいて、
    前記排気再循環系統に、前記排気再循環系統を流通する排ガスを加湿する加湿装置を設けたことを特徴とする排気再循環型ガスタービン。
  2. 前記排ガス中の不純物を除去する排ガス処理装置を前記加湿装置より上流側の前記排気再循環系統に設けたことを特徴とする請求項1に記載の排気再循環型ガスタービン。
  3. 前記加湿装置は前記排気再循環系統に複数箇所設置したものであることを特徴とする請求項1に記載の排気再循環型ガスタービン。
  4. ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスから排熱回収する排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで発生した蒸気によって駆動される排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラから排出された排ガスを前記ガスタービンの空気取り入れ側に導き、新鮮な空気と混合させる排気再循環系統とを備えた排気再循環型コンバインドサイクルガスタービン設備において、
    前記排気再循環系統に、前記排気再循環系統を流通する排ガスを加湿する加湿装置を設けたことを特徴とする排気再循環型ガスタービン。
  5. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気と燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、該タービンの排ガスの一部を昇圧させる別置圧縮機と、該別置圧縮機で昇圧された排ガスを前記圧縮機の中間段、又は燃焼器の入口空気に供給することが可能な配管を有する排気再循環型ガスタービンにおいて、
    前記別置圧縮機に排気ガスを導入する配管の途中に、排ガスを加湿する加湿装置を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
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