JP2012508861A - 排熱回収ボイラの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排熱回収ボイラを制御する際に、より高い運転上の安全性および信頼性を可能にする。
【解決手段】蒸発器（１６）と、複数のエコノマイザ伝熱面（１０，１４）を備えたエコノマイザと、複数のエコノマイザ伝熱面（１０）に対して流動媒体回路で並列接続された１本のバイパス管（４）とを有する排熱回収ボイラ（１）を運転するための方法において、排熱回収ボイラ（１）に供給される熱エネルギに特有の特性量がバイパス管（４）の流量の制御又は調節のために使用される。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸発器と、複数のエコノマイザ伝熱面を有するエコノマイザと、複数のエコノマイザ伝熱面に対して流動媒体回路において並列接続された１本のバイパス管とを備えた排熱回収ボイラの運転方法に関する。

排熱回収ボイラは高温のガス流から熱を回収する熱交換器である。排熱回収ボイラは、例えばガス・蒸気複合タービン発電所において使用される。ガス・蒸気複合タービン発電所では、１つ又は複数のガスタービンの高温の燃焼排ガスが排熱回収ボイラに導かれる。そのボイラで発生した蒸気は、引き続いて蒸気タービンを駆動するために使用される。この組み合わせは、単独のガスタービンもしくは蒸気タービンよりも著しく効率的に電気エネルギを発生する。

排熱回収ボイラは多数の判断基準に基づいて分類することができる。ガス流の流れ方向に基づいて、排熱回収ボイラは、例えば垂直と水平の構造様式に分類することができる。更に、異なった熱的状態の水・蒸気混合物をそれぞれ含む複数個の圧力段を有するボイラが存在する。

ボイラは、一般に、自然循環ボイラ、強制循環ボイラまたは貫流ボイラとして設計される。貫流ボイラにおいては、蒸発管の加熱によって、蒸発管内における流動媒体が一回の貫流で完全に蒸発させられる。流動媒体（一般には、水）は蒸発後に蒸発管に後置接続された過熱管に導かれ、そこで過熱される。最終蒸発点の位置、即ち残留水分を有する流れから純粋な蒸気の流れへの移行個所は変化し、運転様式に依存する。この種の貫流ボイラの全負荷運転時には、最終蒸発点が、例えば蒸発管の終端領域にあるので、蒸発した流動媒体の過熱が既に蒸発管内において始まる。

貫流ボイラは、自然循環ボイラ又は強制循環ボイラと異なって、圧力制限を受けないので、貫流ボイラは、水の臨界圧（Ｐ_krit≒２２１ｂａｒ）を遥かに上回る生蒸気圧力（この圧力では、どんな温度においても水と蒸気とが同時に存在し得ず、従って相分離も起こり得ない）に対して設計することができる。

排熱回収ボイラの効率向上のために、排熱回収ボイラは、一般に給水予熱器、即ちエコノマイザを備えている。このエコノマイザは、燃焼排ガス通路内において、複数の蒸発器伝熱面、過熱器伝熱面および中間過熱伝熱面の後における最後の伝熱面をなしている複数のエコノマイザ伝熱面から構成されている。流動媒体回路において、このエコノマイザは、蒸発器伝熱面および過熱器伝熱面に前置接続されていて、給水を予熱するために燃焼排ガス中の残留熱を利用する。燃焼排ガス通路内の上述の配置を通して燃焼排ガスが比較的低い温度においてエコノマイザを貫流する。

排熱回収ボイラの運転中には蒸発器入口において原則的に流動媒体の十分な冷却が保証されるべきである（即ち、流動媒体の温度が飽和温度に対して十分な差を有していなければならない）。それによって、一方では、蒸発器の分配系において単一相の流動媒体しか存在せず、従って個々の蒸発管の入口において水と蒸気の分離過程が発生し得ないことが保証されるが、他方では、蒸発器入口における水−蒸気混合物の存在によって、蒸発器出口エンタルピの最適調節が困難をもってしか実現できないか、もしくは全く実現できず、その結果、場合によっては蒸発器出口温度がもはや制御できなくなるであろう。

この理由から、排熱回収ボイラは、一般に、全負荷時に蒸発器入口において十分な冷却が存在するように設計されている。しかし、特に過渡的な負荷変動時には、与えられている物理的状況に基づいて、蒸発器入口における媒体回路の十分な冷却が多かれ少なかれ強く変動する。

この変動にもかかわらず十分な冷却が存在するためには、低負荷範囲において付加的な対策が必要である。このために一般には適切な装置を介して流動媒体の部分流が、１つ又は複数のエコノマイザ伝熱面を迂回してバイパス管に案内され、それから、例えば最後のエコノマイザの入口で再び主流に混合される。燃焼排ガス通路における流動媒体のこの種の部分的なバイパス案内によって、エコノマイザ伝熱面における給水の総熱摂取が低減され、それにより蒸発器入口における流動媒体の十分な冷却が低負荷範囲においても達成されることが保証される。

今日の設備では、相応の負荷範囲においてエコノマイザバイパス管を通る部分流を一般に次のように調整している。即ち、定常運転時に蒸発器入口において例えば少なくとも３Ｋなる冷却が維持されるように調整している。そのために、蒸発器入口には温度および圧力の測定装置を設けて、これらの測定装置の助けを借りて差形成により実際の冷却を各時点で検出できるようにしている。目標値と実際値との比較によって最小冷却を下回ると、エコノマイザバイパス管内にある弁が駆動される。この弁は、例えば１秒の開放パルスを得る。この弁操作時間にわたり新たな弁位置がこの開放パルスに直接的に関連していて、この弁はそれから例えば３０秒間この新たな弁位置をとり続ける。この３０秒後にも、要求された最小冷却がまだ到達されていない場合には、最小冷却が到達されるかもしくは超えられるまで、同じ過程が繰り返されるか、又は弁が完全に開かれている。

測定された冷却が逆の場合、例えば６Ｋよりも大きい場合には、弁は、例えば１秒の閉鎖パルスを得る。蒸発器入口における冷却がなおも６Ｋよりも大きくてかつ弁がまだ完全には閉鎖されていない場合には、一般に前記開放の場合に比べて長い時間（例えば６００秒）の間、この新たな弁位置が維持され、その後、目標値と実際値との間の新たな調整後に同じ経過が繰り返される。

しかしながら、明らかになったように、まさに今日のガス・蒸気複合タービン設備において何度も繰り返し起きるような急速な負荷低下の際に、場合によっては、上述の制御コンセプトは、要求される蒸発器入口における流体の最小冷却を、困難をもってしか、もしくは全く保証することができない。それによって、これらの急速な負荷変化の際に、蒸発器入口における蒸気発生を回避することができないので、個々の蒸発管への分配時に問題が発生し、場合によっては、もはや蒸発器出口温度の調節ができなくなる。

従って、本発明の課題は、排熱回収ボイラの制御の際に、より高い運転上の安全性および信頼性を可能にする上述の如き排熱回収ボイラの運転方法ならびに排熱回収ボイラを提供することにある。

方法に関する課題は、本発明によれば、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギに特有の特性量がバイパス管の流量の調節又は制御のために使用されることによって解決される。

本発明は、蒸発器の入口における水−蒸気混合物の発生が全ての負荷状態において確実に回避できるならば、排熱回収ボイラを制御する際に、より高い運転上の安全性および信頼性が可能であるという考えから出発している。蒸気発生の危険は、特に急速な負荷変動時に比較的大きい。なぜならば、その際に蒸発器入口における冷却が比較的急速に変化するからである。これらの場合に、従来設けられていたエコノマイザバイパス流量の影響による冷却調節装置は、あまりにも応答が遅すぎる。従って、高速応答する制御装置又は調節装置が設けられなければならない。

その場合に、従来の一般的な制御コンセプトにおける応答時間は、特に、制御のための入力量として冷却を使用する結果として生じること、即ち蒸発器入口における温度と蒸発器内の飽和温度との差を使用する結果として生じることが明らかになった。これは、既に蒸発器入口における冷却の変化が起きてからやっと、エコノマイザバイパス管の流量のための制御が介入することを意味する。従って、時間的に未来の特性値が予測的な制御又は調節様式において使用できるならば、改善が可能である。

これは、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギの変化によって蒸発器入口における冷却の変化がひき起こされるという認識から出発して、排熱回収ボイラに供給されるこの熱エネルギに特有な特性量をバイパス管の流量の制御又は調節のために使用することによって達成することができる。

有利な実施態様においては、特性量が増大するとバイパス管の流量が減少させられる。それによって、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギが増大した際に既に、従って蒸発器入口における温度もしくは冷却の実際の変化が測定される前に、バイパス管の流量を相応に適合化することができる。即ち、排熱回収ボイラの今日の運転様式では、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギが増大すると、これは、流動媒体における（例えば、給水質量流量、圧力、媒体温度のような）他の熱力学的な量（状態量）の増大につながり、これは物理学的法則に基づいて直ちに入口冷却の増大を伴う。従って、この場合にはバイパス管の流量が低減させられ、これによって、エコノマイザ出口における温度が上昇し、かくして蒸発器入口における冷却が低減される。

逆に特性量が低下した際には、好ましくはエコノマイザの出口温度を目標どおりに調整すべくバイパス管の流量が増大させられる。

エコノマイザバイパス管の流量を蒸発器入口における温度の変化が実際に測定される前に既に適合させるというエコノマイザバイパス管の流量のこの種の予測的な制御又は調節のためには、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギについての具体的な信頼性のある特性量が必要である。そこで、有利な実施態様においては、排熱回収ボイラに燃焼排ガス回路で前置接続されたガスタービンの出力が、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギに特有の特性量として使用される。というのは、ガス・蒸気複合タービン発電所においては、燃焼排ガスが排熱回収ボイラに前置接続されたこの種のガスタービンによって発生させられ、この燃焼排ガスの温度もしくは量がガスタービンの瞬時出力にともなって変化するからである。従って、前置接続されたガスタービンの出力は、排熱回収ボイラに供給される熱量に特有であり、その上に簡単に読み取ることができる信号としてこれに相応した調節装置に供給することができる。従って、エコノマイザバイパス管の流量の特に簡単な制御又は調節が可能である。

排熱回収ボイラにおいては、しばしばエコノマイザの全ての伝熱面がバイパス管を備えているわけではなく、バイパス管は、例えばある複数のエコノマイザ伝熱面に並列に配設されていて、バイパス管とエコノマイザ伝熱面を通る流れとの混合点の後に、１つ又は複数のエコノマイザ伝熱面が続いている。バイパス管の流量調節のために従来使用されている温度信号は、最後のエコノマイザ伝熱面の出口で、従って蒸発器の入口で測定される。従って、バイパス管の流量の変化によって引き起こされる温度差を検出するこの信号は、一方では流動媒体がバイパス管を備えていない最後のエコノマイザ伝熱面を貫流するに要する時間によって遅延されており、他方では、熱容量も考慮すべきであるこれらの伝熱面の管壁への熱エネルギ蓄積過程によっても遅延されている。従って、バイパス管出口における混合点の温度をバイパス管の流量の制御又は調節のために都合よく使用するならば、制御又は調節の速度を更に改善することができる。それにより、もっと信頼性のある高速の制御又は調節が可能であり、かつ蒸発器入口における蒸気発生の防止が可能である。

蒸発器入口冷却は、エコノマイザ出口における温度変動のほかに、更に蒸発器内の飽和温度によっても大幅に影響を及ぼされる。蒸発器内の飽和温度は主として管系統の圧力によって影響を及ばされるので、例えば系統圧力の急変時（例えば絞り弁待機の解除時）に入口冷却の激しい減少が発生し得る。その際には、この入口冷却変化は排熱回収ボイラに供給される熱エネルギに依存しない。この種のシナリオも考慮するためには、好ましくは蒸発器内の飽和温度をバイパス管の流量の制御又は調節に使用すべきである。それによって、圧力急変時におけるエコノマイザバイパス管の制御特性を更に改善することができる。

更に、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギに特有の更に改善された特性量が制御又は調節の際に使用されるならば、バイパス管の流量の更に改善された制御特性を達成することができる。というのは、場合によっては、前置接続されたガスタービンの出力は十分な特性を保証しないからである。なぜならば、この信号は場合によっては排熱回収ボイラに注入される熱量と十分に相関していないからであり、他方ではこの信号は前置接続されたガスタービンのない用途では使用できないからである。

従って、有利な実施態様では、蒸発器の収支勘定された燃焼排ガス熱が、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギに特有の特性量として使用される。収支勘定された燃焼排ガス熱は、主として、燃焼排ガスの質量流量と、燃焼排ガス回路における蒸発器の入口と出口との温度差とから求められる。この場合に入口温度が測定され、出口温度は蒸発器の飽和温度によって近似される。これは実質的に、蒸発器に注入される熱流、従って排熱回収ボイラに注入される熱流の直接測定を可能にする。ところで、この信号は排熱回収ボイラ用の制御装置内にしばしば既に存在している。というのは、これは給水調節のために使用できるからである。この信号の使用によって制御又は調節の特性を更に改善することができ、蒸発器入口における十分な冷却を一層良好に保証することができる。

排熱回収ボイラに関する前記課題は、蒸発器と、複数のエコノマイザ伝熱面を備えたエコノマイザと、流量制御弁又は流量調節弁を備え複数のエコノマイザ伝熱面に対して流れ媒体回路において並列に接続されたバイパス管と、蒸発器入口における温度および圧力測定装置および場合によってバイパス管の出口における混合点の温度測定装置と、前記測定装置および流量制御弁又は流量調節弁にデータ回路で接続されて上述の方法を実行すべく設計された制御装置とを有する排熱回収ボイラによって解決される。

この種の排熱回収ボイラは、好ましくはガス・蒸気複合タービン設備において使用される。

本発明につながる利点は、特に、排熱回収ボイラのエコノマイザのバイパス管の流量を制御又は調節するために、排熱回収ボイラに供給される熱エネルギに特有の特性量を使用することによって、蒸発器入口における冷却の信頼性のある調整により予測可能なかつより安全な運転を保証できることにある。更に、蒸発器出口における過大な温度変動が回避され、これは、例えば蒸発器に後続接続された気水分離器の肉厚の壁部材に関して更に別の利点を必然的に伴う。従って、本発明による方法は、特に、高速の負荷変化がしばしば必要である最新のガス・蒸気複合タービン発電所に適している。

排熱回収ボイラに前置接続されたガスタービンの出力を考慮した制御方法を示す概略図である。 蒸発器における収支勘定された燃焼排ガス熱と蒸発器における飽和温度の変化とを考慮した制御方法を示す概略図である。

本発明を図面に基づいて更に詳細に説明する。

両図において同じ部分は同一参照符号を備えている・

図１は、まず排熱回収ボイラ１の概略的に選択した構成部分を示す。流動媒体が、図示されていないポンプによって駆動されて、まず入口２のところで回路内に流入する。その際、先ず１本のバイパス管４が分岐している。バイパス管の流量調節のために、モータ８によって調節可能な流量調節弁６が設けられている。単純な制御弁が設けられていてもよいが、高速応答する調節弁を使用すれば蒸発器入口における冷却の改善された調整が可能である。

従って、流動媒体の一部が流量調節弁６の弁位置に依存してバイパス管４に流れ、その他の部分が第１のエコノマイザ伝熱面１０に流れる。バイパス管４に並列に、他の複数のエコノマイザ伝熱面が設けられていてもよい。エコノマイザ伝熱面１０の出口では、混合点１２において、バイパス管４からの流動媒体とエコノマイザ伝熱面１０からの流動媒体とが混合される。

混合点１２には他のエコノマイザ伝熱面１４が後置接続されている。流動媒体は、エコノマイザ伝熱面１４を通過した後に、蒸発器入口１８で、後置接続された蒸発器１６に流入する。同様に複数の伝熱面から構成され得る蒸発器１６には、例えば気水分離装置および他の過熱器伝熱面のような他の構成部分が後置接続されている。

燃焼排ガス回路ではエコノマイザ伝熱面１０，１４および蒸発器１６の種々の配置をすることが可能である。しかし、エコノマイザは相対的に最も冷たい流動媒体を導いて、燃焼排ガス通路内で残留熱を利用しようというものであるから、燃焼排ガス回路では、一般にエコノマイザ伝熱面１０，１４が蒸発器１６に後置接続されている。排熱回収ボイラ１の支障のない運転を保証するために、蒸発器入口１８において十分な冷却が存在しなければならない。即ち、液体状の流動媒体のみが存在するように、実際温度が蒸発器内の飽和温度に対して十分な差を有していなければならない。このようしてはじめて、蒸発器１６の個々の蒸発管への流動媒体の確実な分配が行なわれることを保証することができる。

蒸発器入口１８における冷却を調節するために、この個所に圧力測定装置２０および温度測定装置２２が設けられている。流動媒体がエコノマイザ伝熱面１４を通過する走行時間によって遅延されない、速やかに応答する他の温度信号が、混合点１２に設けられた他の温度測定装置２４によって供給される。

調節回路では、まず蒸発器入口１８における冷却目標値２６が予め与えられる。これはは、例えば３Ｋとすることができる。即ち、蒸発器入口１８における温度が蒸発器１６内の飽和温度を３Ｋ下回っていなければならない。

そのためにまず、圧力測定装置２０において検出された圧力から蒸発器１６内の飽和温度２８が求められる。というのは、この飽和温度は、蒸発器１６内を支配している圧力の直接的な関数であるからである。それから、この飽和温度２８は、加算要素３０において負の冷却目標値２６に加算される。更に、次の加算要素３２では、温度測定装置２２において測定された蒸発器入口１８における温度が差し引かれる。それによって、今や流量調節弁６の制御のための適切な調節値が得られる。

排熱回収ボイラ１に供給される熱量の急変時には、事情によっては、バイパス管４の流量の調節があまりにも緩慢に行なわれることがあるので、蒸発器入口１８における十分な冷却がもはや保証されていない。従って、予測的な調節を可能にするために、排熱回収ボイラ１に前置接続されたガスタービンの出力３４が入力信号として使用される。この出力３４はＤＴ１要素３６のための入力信号として使用され、このＤＴ１要素３６は出力３４の変化の際に相応に基準化された出力信号を発生する。この出力信号は、更に別の加算要素３８において、蒸発器入口における冷却の目標値に対する測定偏差に対して加算される。それによってガスタービンの負荷立上げ開始時に既に相応に応答可能であり、流量調節弁６のための操作パルスを発生させることができる（最小冷却の下回り又は上回りが測定されるのを待つ必要はない）。関与する構成要素の構成に応じて、負荷急変時にもこの付加的な予測制御信号の助けにより蒸発器入口１８における十分な最小冷却を保証することができる。

この付加的な措置により、たいていの場合におそらく、蒸発器入口１８における所望の最小冷却を保証することができるにもかかわらず、制御の緩慢な時間応答特性ゆえに、蒸発器入口冷却のそれに応じた変動を覚悟しなければならず、このことは給水流量調節に悪影響を及ぼし、従って多かれ少なかれ蒸発器出口における激しい温度変動という結果に至る。

ここでは混合点１２の後の付加的な温度測定装置２４がその弊害を除去する。バイパス管４を通る部分流が調節に介入したことに起因して変化が生じた際に、それにともなって発生する流動媒体の温度変化が、既に混合点１２において、即ち次のエコノマイザ伝熱面１４への入口の前において検出される。これは、蒸発器入口１８もしくはエコノマイザ１４の出口における温度測定装置２２だけの場合には、エコノマイザ１４を通過する走行時間の結果として相応の時間遅れで生じるであろう。この測定情報が加算要素４４において負の調節値に対して加算される。

もちろん次のことに注意を払うべきである。即ち、（エコノマイザ伝熱面１４の入口における流れの調節温度の変化によって作動させられて）既に実行された調節動作に対して、（エコノマイザ伝熱面１４の出口において温度変化が起きた後で）他の調節動作が行なわれないように、エコノマイザ伝熱面１４の時間遅れ特性が考慮されなければならないことに注意を払うべきである。そのために、温度測定装置２４の温度信号が加算後にＰＴｎ要素４０において処理される。ＰＴｎ要素４０はエコノマイザ伝熱面１４の時間遅れ特性をシミュレートする。得られた出力信号は他の加算要素４２においてこれまでの調節値に加算され、従って重複考慮を再び相殺する。

このようにして求められた調節値は調節器４６に導かれ、この調節器４６がバイパス管４の流量調節弁６のモータ８を制御する。

図２は図１の調節回路の変形の概略図を示す。ここでは、図１と違ってガスタービンの出力３４の代わりに、収支勘定された燃焼排ガス熱４８がＤＴ１要素３６のための入力信号として使用される。収支勘定された燃焼排ガス熱４８は、蒸発器入口１８における燃焼排ガス温度および蒸発器出口における燃焼排ガス温度の差（前述の説明参照）ならびに燃焼排ガス質量流量から求められる。従って、収支勘定された燃焼排ガス熱４８は、前置接続されたガスタービンの出力３４としての排熱回収ボイラ１に供給される熱量のための直接的な指標である。それゆえ、蒸発器入口１８における温度の更に改善された調節が可能である。

更に、図２は蒸発器１６内の飽和温度が変化した際に出力信号を発生する他のＤＴ１要素５０を示す。この出力信号は加算要素３８において調節回路に導入される。それによって、排熱回収ボイラ１への定常的な熱供給時にも、圧力急変およびそれにともなう蒸発器１６内の飽和温度２８の急変の際に、蒸発器入口１８における十分な冷却を保証することができる。

以上のとおり、上述の調節構想によって、排熱回収ボイラ１の本質的により安全且つ信頼性の高い運転が可能である。

１ 排熱回収ボイラ
２ 入口
４ バイパス管
６ 流量調整装置
８ モータ
１０ エコノマイザ伝熱面
１２ 混合点
１４ エコノマイザ伝熱面
１６ 蒸発器
１８ 蒸発器入口
２０ 圧力測定装置
２２ 温度測定装置
２４ 温度測定装置
２６ 冷却目標値
２８ 飽和温度
３０ 加算要素
３２ 加算要素
３４ 出力
３６ ＤＴ１要素
３８ 加算要素
４０ ＰＴｎ要素
４２ 加算要素
４４ 加算要素
４６ 調節器
４８ 燃焼排ガス熱
５０ ＤＴ１要素

Claims (9)

1. 蒸発器（１６）と、複数のエコノマイザ伝熱面（１０，１４）を備えたエコノマイザと、複数のエコノマイザ伝熱面（１０）に対して流動媒体回路で並列接続された１本のバイパス管（４）とを有する排熱回収ボイラ（１）を運転するための方法であって、排熱回収ボイラ（１）に供給される熱エネルギに特有の特性量がバイパス管（４）の流量の制御又は調節のために使用される方法。
2. 前記特性量の増大時にバイパス管（４）の流量が減少させられる請求項１記載の方法。
3. 前記特性量の減少時にバイパス管（４）の流量が増大させられる請求項１又は２記載の方法。
4. 排熱回収ボイラ（１）に燃焼排ガス回路で前置接続されたガスタービンの出力（３４）が、排熱回収ボイラ（１）に供給される熱エネルギに特有の特性量として使用される請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. バイパス管（４）の出口における混合点（１２）の温度が、バイパス管（４）の流量の制御又は調節のために使用される請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 蒸発器（１６）内の飽和温度（２８）が、バイパス管（４）の流量の制御又は調節のために使用される請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 蒸発器（１６）の収支勘定された燃焼排ガス熱（４８）が、排熱回収ボイラ（１）に供給される熱エネルギに特有の特性量として使用される請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. 蒸発器（１６）と、複数のエコノマイザ伝熱面（１０，１４）を備えたエコノマイザと、流量制御又は流量調節弁（６）を備え複数のエコノマイザ伝熱面（１０）に対して流動媒体回路で並列接続された１本のバイパス管（４）と、蒸発器入口（１８）における温度・圧力測定装置（２４）および場合によってバイパス管（４）の出口における混合点（１２）の温度測定装置（２４）と、前記測定装置（２４）および流量制御又は流量調節弁（６）にデータ回路で接続されて請求項１乃至８の１つに記載の方法を実行すべく設計された制御装置とを有する排熱回収ボイラ。
9. 請求項８記載の排熱回収ボイラ（１）を備えたガス・蒸気複合タービン設備。

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