CN116111733A - 基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢‑电综合能源系统,包括：新能源电力单元、电负荷、电解槽单元和负荷单元，新能源电力单元分别与电负荷和电解槽单元连接，电解槽单元和负荷单元连接，新能源电力单元将电量输出至电负荷上，若新能源电力单元的剩余电量输出至电解槽单元上，通电的电解槽单元产生清洁能源并将清洁能源压缩至负荷单元上，并且对负荷单元进行充气和放气，若新能源电力单元无剩余电量时，从外部系统获取电量以输入至电解槽单元生产清洁能源，进而根据对电量合理的调用至电解槽单元和电负荷能够清楚地确认各个单元运行情况，而且调度电量方式简单快捷。
Description
技术领域
本申请涉及能源领域，尤其涉及一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统。
背景技术
目前，现有一部分人员研究对于光和风电不确定性的园区级天然气-电力综合能源系统调度，却没有考虑剩余电功率可以用来制取可燃气体的调度过程，而另一部分人员提出了电-氢和电-天然气的港船综合能源系统，氢气和天然气可供应热负荷和电负荷 ，形成能流闭环，同时还考虑了运输网络的模型，尽管系统框架广泛，但对能量转换原件和能量储存元件的建模过于简化，无法准确表征综合能源系统的运行状况，且系统对的能量调度复杂。
发明内容
本申请提供了一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，以解决无法准确表征综合能源系统的运行状况，且系统对的能量调度复杂。
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，包括：新能源电力单元、电负荷、电解槽单元和负荷单元，所述新能源电力单元分别与所述电负荷和所述电解槽单元连接，所述电解槽单元和所述负荷单元连接；
所述新能源电力单元将电量输出至所述电负荷上，若所述新能源电力单元有剩余电量并将剩余电量输出至所述电解槽单元上，则通电的所述电解槽单元产生清洁能源并将所述清洁能源压缩至所述负荷单元上，并且对所述负荷单元进行充气和放气；
若所述新能源电力单元无剩余电量时，则从外部系统获取电量以输入至所述电解槽单元生产清洁能源；
其中，对所述新能源电力单元的电量调度包括以下平衡方程：
，
为电负荷的输出功率，为新能源电力单元的输出功率，为外部系统获取电量的输出功率，为电解槽单元的耗电功率，为清洁能源压缩至负荷单元所消耗的功率；
当所述负荷单元足以供应港口能源负荷，并且时，所述新能源电力单元将多余的电量被注入到电解槽单元中用于制取清洁能源；
当时，所述新能源电力单元的电量无法满足所述电负荷和所述电解槽单元的电量需求，需要从外部电力系统获取电量以满足所需求的电量。
可选的，所述电解槽单元包括碱性电解槽和压缩机，所述新能源电力单元与所述碱性电解槽连接，所述碱性电解槽和所述压缩机连接，所述压缩机与所述负荷单元连接，其中，通电的所述碱性电解槽用于制备氢气，所述负荷单元用于存储氢气，所述压缩机用于压缩清洁能源；
所述碱性电解槽产氢率所需的电量为：
，
其中，为法拉第效率，反映了实际产氢量与理论产氢量之比，为流过电解槽单元的电流，为电解槽阵列中的电解槽数量，为反应中转移电子的摩尔数，为法拉第常数，为耗电功率，为电解槽的产氢系数，为电解槽的恒定电压；
根据计算所述碱性电解槽产氢率所需的电量从所述新能源电力单元或外部系统获取电量以制取氢气。
可选的，所述新能源电力单元在预设时间内向所述碱性电解槽输送电量，当所述新能源电力单元的剩余电量为零时，所述外部系统获取电量向所述碱性电解槽输送电量，其中，所述碱性电解槽的功率上移和下移约束分别为：
，
，
，
式中，为电解槽最大功率，为二元变量，即0或1，和分别为功率上移爬坡约束和功率下移爬坡约束，为预设常数。
可选的，所述负荷单元包括储氢罐和氢负荷，当存储氢气时，所述储氢罐与所述碱性电解槽连接，所述储氢罐和所述氢负荷连接，其中，所述储氢罐的充气和放气之间的关系如下：
，
，
,
其中，为从港区外部购买的氢气，和分别为t时刻的充/排氢速率，和分别为最大充/排氢速率;
计算所述氢负荷的注氢时间计划预测公式如下：,
式中， 为t时刻第j个接入储氢罐内的氢负载，M为氢负载总数。
可选的，所述新能源电力单元包括风力模块和太阳能模块，所述风力模块和所述太阳能模块均与所述碱性电解槽和所述电负荷连接；
其中，所述风力模块用于基于风速预测与所述风力模块上的风机出力特性曲线来预测发电量，计算公式如下：,
式中，、分别为风机每小时输出功率、额定输出功率，为发电机所处高度的风速，为风机切入风速，为切出风速；
所述太阳能模块根据光照的辐照度用于预测所述太阳能模块上的发电量：
,
式中，为单位时间内水平表面上的辐照度， 为光伏系统的额定功率。
可选的，所述电负荷用于港口电量消耗，所述电负荷的耗电功率表示为：
，
式中，为港口基础设施总负荷，为船舶功率总需求。
可选的，所述电解槽单元还包括压力控制器、液位控制器和温度控制器，所述压力控制器、所述液位控制器和所述温度控制器分别与所述碱性电解槽连接，其中，所述压力控制器用于控制所述碱性电解槽以及所述碱性电解槽产生的气体压力，所述液位控制器用于控制所述碱性电解槽内的液体注水量，所述温度控制器用于控制所述碱性电解槽内的液体温度。
本申请通过所述新能源电力单元将电量输出至所述电负荷上，若所述新能源电力单元的剩余电量输出至所述电解槽单元上，通电的所述电解槽单元产生清洁能源并将所述清洁能源压缩至所述负荷单元上，并且对所述负荷单元进行充气和放气，若所述新能源电力单元无剩余电量时，从外部系统获取电量以输入至所述电解槽单元生产清洁能源，进而根据对电量合理的调用至电解槽单元和电负荷能够清楚地确认各个单元运行情况，而且调度电量方式简单快捷。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统示意图；
图2为一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统的电能调度示意图；
图3为一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统的氢能调度示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本申请实施例提供的一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，包括：新能源电力单元、电负荷、电解槽单元和负荷单元，所述新能源电力单元分别与所述电负荷和所述电解槽单元连接，所述电解槽单元和所述负荷单元连接；所述新能源电力单元将电量输出至所述电负荷上，若所述新能源电力单元有剩余电量并将剩余电量输出至所述电解槽单元上，则通电的所述电解槽单元产生清洁能源并将所述清洁能源压缩至所述负荷单元上，并且对所述负荷单元进行充气和放气；
若所述新能源电力单元无剩余电量时，则从外部系统获取电量以输入至所述电解槽单元生产清洁能源；其中，对所述新能源电力单元的电量调度包括以下平衡方程：
，
为电负荷的输出功率，为新能源电力单元的输出功率，为外部系统获取电量的输出功率，为电解槽单元的耗电功率，为清洁能源压缩至负荷单元所消耗的功率；
当所述负荷单元足以供应港口能源负荷，并且时，所述新能源电力单元将多余的电量被注入到电解槽单元中用于制取清洁能源；
当时，所述新能源电力单元的电量无法满足所述电负荷和所述电解槽单元的电量需求，需要从外部电力系统获取电量以满足所需求的电量。
在本实施例中，通过合理的调度新能源电力单元的电量和外部电力系统电量，从而能够清楚地确认各个单元运行情况，而且调度电量方式简单快捷。进一步的，电解槽单元通电时会产生清洁能源，将清洁能源存储至负荷单元内，当负荷单元不足以满足氢负荷需求时，本系统也会在满足电力系统运行约束的前提下，采取先购买电能再制取清洁能源以满足能源负荷需求来降低综合能源系统的运行成本，如果直接购买能源，购电力更加便宜，因此降低系统成本，其中，清洁能源为氢气和氧气，氢气和氧气分别存储于不同类型的负荷单元。
可选的，所述电解槽单元包括碱性电解槽和压缩机，所述新能源电力单元与所述碱性电解槽连接，所述碱性电解槽和所述压缩机连接，所述压缩机与所述负荷单元连接，其中，通电的所述碱性电解槽用于制备氢气，所述负荷单元用于存储氢气，所述压缩机用于压缩清洁能源；
所述碱性电解槽产氢率所需的电量为：
，
其中，为法拉第效率，反映了实际产氢量与理论产氢量之比，为流过电解槽单元的电流，为电解槽阵列中的电解槽数量，为反应中转移电子的摩尔数，为法拉第常数，为耗电功率，为电解槽的产氢系数，为电解槽的恒定电压；
根据计算所述碱性电解槽产氢率所需的电量从所述新能源电力单元中或外部系统中获取电量以制取氢气。
需要说明的是，碱性电解槽是一种通过特殊的化学反应，消耗电能产生氢气的装置。制氢电解槽分为碱性水电解槽、聚合物电解质膜电解槽和固体氧化物电解槽三种类型。其中，碱性水电解槽的技术简单、易于操作，因此更适合于大规模产氢。
进一步的，在标准的温度和压力条件下(T = 298 K, P = 0.1Mpa)，液态水可以分解为氢气和氧气。碱性电解槽的阳极/阴极反应和总反应分别为:
，
上述反应生成的氢气储存在负荷单元中备用，而生成的氧气则由另的负荷单元收集。碱性电解槽是由一组电解槽的阵列组成，其中，碱性水电解槽中总产氢速率与提供给反应堆的直流电流呈线性关系，可表示为：，
基于上式，重新表述为产氢率与电能消耗之间的相关性。交流/直流变换器连接至碱性电解槽可以使其保持一个恒定的终端电压，同时调节电解槽流过的电流，其经济耗电量计算公式为：，
因此，产氢率的费用可以用电能消耗来衡量，如下式：
，
而定义式为：，
对于产氢量，例如，当额定功率为1 kW，效率为74%的电解槽每小时可产生0.0187kg (= 9.37mol)氢气。
以上分析表明，电解槽的产氢率与耗电量成正比。系数只适用于特定的电解液温度。然而，在不同的温度条件下，法拉第效率可以用经验如下公式来估计：
,
式中，a1-a7为经验系数，为电解质温度，为电解槽能流密度。在正常范围内，电解液温度越高则法拉第效率越高。实际运行中，温控装置可以将电解槽温度维持在70~90℃。
具体的，压缩机的功耗与压缩比有关，压缩比进一步由储罐的使用时压力决定。根据经验方程，压缩机的功率消耗如下：,
,
式中，为氢气比热容常数，为注入到压缩机的氢气温度，为压缩机的输出气体压力，为压缩机的输入气体压力，为压缩机的运行效率，为氢气的等熵指数，和为气体压力的上下限；和作为决策变量。对于氢气来说指数项/等于0.286。为了使模型线性化，便于求解过程，根据压缩机的工作压力范围，将公式转换为：。
可选的，所述新能源电力单元在预设时间内向所述碱性电解槽输送电量，当所述新能源电力单元的剩余电量为零时，所述外部系统获取电量向所述碱性电解槽输送电量，其中，所述碱性电解槽的功率上移和下移约束分别为：,
式中，为电解槽最大功率，为二元变量，即0或1，和为别为功率上移爬坡约束和功率下移爬坡约束，为预设常数。需要说明的是，当碱性电解槽为运行状态时为1，当碱性电解槽为停机状态时为0。
可选的，所述负荷单元包括储氢罐和氢负荷，当存储氢气时，所述储氢罐与所述碱性电解槽连接，所述储氢罐和所述氢负荷连接，其中，所述储氢罐的充气和放气之间的关系如下：,
其中，为从港区外部购买的氢气，和分别为t时刻的充/排氢速率，和分别为最大充/排氢速率。需要说明的是购买的氢气和电解产生的氢气都通过压缩机进入储氢罐。
计算所述氢负荷的注氢时间计划预测公式如下：,
式中，为t时刻第j个接入储氢罐内的氢负载，M为氢负载总数。
在本实施例中，现在高压储氢罐的热传导模型是港口综合能源系统的建模的难点。在给定储氢罐最大承受压强的条件下，需要通过计算储氢罐的气体温度范围来判定其储氢质量。然而，储氢罐的热模型为非线性，本申请通过一阶热传导模型估算储氢罐内氢气稳态温度值，进而将整个罐体热传导模型化简后代入港口综合能源系统的建模中。
基于范式方程建立的反应高压储氢罐内高压氢气物理特性的方程如下：
，
其中为t时刻高压储氢罐内部的压强；为高压储氢罐体积；为t时刻高压储氢罐内氢气物质的量；为理想气体常数；为气体温度；a、b为范式系数，分别为氢气分子间引力和斥力的修正量。
进一步的，储氢罐内部氢气稳态温度的计算公式为：，
式中，为高压储氢罐罐壁的热阻，为进气速率，为高压储氢罐入口处氢气的温度，为高压储氢罐外部环境的温度。
具体的，考虑到高压储氢罐的安全运行以及模型的简化，本文假设储氢罐充气、放气过程不能同时进行，因此储氢罐可以在三种状态下工作:充气、放气、停运，因此，储氢罐的约束状态还包括：，
该公式反映储氢罐内氢气量的变化量。
进一步的，罐内气体压力与氢气量的关系如下：，
该公式根据理想气体定律，如果罐内温度保持不变，则罐内气体压力与氢气量呈正比例变化。
具体的，压缩机输出压力为：，
由于压缩机输出的氢气直接进入储氢罐中，因此该公式表示压缩机的输出压力等于储氢罐入口处压力。
上式中，为储氢罐泄露率，为t时刻氢气存储量，为考虑气体耗散的储氢罐储存效率，为储氢罐在标准大气压下能容纳的氢气量。
可选的，负氢负荷可提供至牵引载荷，如氢动力起重机或卡车，也可以供给氢动力船舶。氢气从储氢罐注入用氢负载，注氢时间计划可以由港口运营商预测，因此总的氢负荷计算公式如下：，
式中，为t时刻第j个接入储氢罐内的氢负载，M为氢负载总数。
进一步的，港船综合能源系统的日前调度的目标函数为系统的运行成本最小化，目标函数为：，
式中，和分别为t时刻从市场购电和购氢的单位费用。考虑到电解槽的准稳态特性，时间步长应不大于0.5小时。
可选的，所述新能源电力单元包括风力模块和太阳能模块，所述风力模块和所述太阳能模块均与所述碱性电解槽和所述电负荷连接；
其中，所述风力模块用于基于风速预测与所述风力模块上的风机出力特性曲线来预测发电量，计算公式如下：，
式中，、分别为风机每小时输出功率、额定输出功率， 为发电机所处高度的风速，为风机切入风速，为切出风速；
所述太阳能模块根据光照的辐照度用于预测所述太阳能模块上的发电量：，
式中，为单位时间内水平表面上的辐照度， 为光伏系统的额定功率。
可选的，所述电负荷用于港口电量消耗，所述电负荷的耗电功率表示为：，
式中，为港口基础设施总负荷，为船舶功率总需求。
可选的，电负荷用于照明、空调、轨装起重机、停泊船供电等，电力负荷由两部分组成：，
即由港口基础设施总负荷和船舶功率总需求。一般来说，港口基础设施总负荷包括照明、监控和空调设备，可以通过港口日常活动估计电量需求。船舶功率总需求与港口内船舶的数量和行为密切相关，根据使用港口电的停泊船舶的排期来估计。因此在船舶靠泊时间表已知的情况下可以精准地估计电力负荷分布。从而实现调度更加电量更加简单方便。
可选的，所述电解槽单元还包括压力控制器、液位控制器和温度控制器，所述压力控制器、所述液位控制器和所述温度控制器分别与所述碱性电解槽连接，其中，所述压力控制器用于控制所述碱性电解槽以及所述碱性电解槽产生的气体压力，所述液位控制器用于控制所述碱性电解槽内的液体注水量，所述温度控制器用于控制所述碱性电解槽内的液体温度。通过压力控制器、液位控制器和温度控制器控制碱性电解槽在合适的温度、水量和压力下进行化学反应，使得产生的氢气和氧气更加容易。
进一步的，基于上述最优调度方法求解综合能源系统的调度计划。电能、氢能调度方案分别如图2、图3所示。
在图2和图3中正的部分（功率＞0，氢气＞0）代表能量输出，负的部分（功率＜0，氢气＜0）代表能量需求。在夜间，风力模块的风电机组出力高于电负荷需求，因此剩余电力被用来产生氢气来供应氢负荷。此外，因为购氢价格昂贵，港船综合能源系统依靠电解槽产生氢气供应氢负荷，而不是直接购买氢气。然而当T=32时，储氢罐内氢气储存量过低，压强达到下限，为了储氢罐的安全稳定运行，可以从系统外部购买氢气，重新启动电解槽以供应氢负荷。
综上，基于对新能源电力单元电力输出和电/氢负荷需求的预测，即可再生电力输出和电/氢负荷需求的预测，构建调度电解槽和储氢罐的运行调度模型，在充分消纳可再生能源发电量的前提下，使系统运行成本最小化。进一步的，碱性水电解槽和高压储氢罐的建立考虑了设备的灵活运行工况，包括储氢罐内氢气压强在变化时的压缩机功耗，反映了电气设备与氢相关设备的相互依赖性，并根据相关计算，得到了对产生氢气耗电量以及氢气存储条件数据准确的调度结果。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，其特征在于，包括：新能源电力单元、电负荷、电解槽单元和负荷单元，所述新能源电力单元分别与所述电负荷和所述电解槽单元连接，所述电解槽单元和所述负荷单元连接；
所述新能源电力单元将电量输出至所述电负荷上，若所述新能源电力单元有剩余电量并将剩余电量输出至所述电解槽单元上，则通电的所述电解槽单元产生清洁能源并将所述清洁能源压缩至所述负荷单元上，并且对所述负荷单元进行充气和放气；
若所述新能源电力单元无剩余电量时，则从外部系统获取电量以输入至所述电解槽单元生产清洁能源；
其中，对所述新能源电力单元的电量调度包括以下平衡方程：
，
为电负荷的输出功率，为新能源电力单元的输出功率，为外部系统获取电量的输出功率，为电解槽单元的耗电功率，为清洁能源压缩至负荷单元所消耗的功率；
当所述负荷单元足以供应港口能源负荷，并且时，所述新能源电力单元将多余的电量被注入到电解槽单元中用于制取清洁能源；
当时，所述新能源电力单元的电量无法满足所述电负荷和所述电解槽单元的电量需求，需要从外部电力系统获取电量以满足所需求的电量。
2.根据权利要求1所述的基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，其特征在于，所述电解槽单元包括碱性电解槽和压缩机，所述新能源电力单元与所述碱性电解槽连接，所述碱性电解槽和所述压缩机连接，所述压缩机与所述负荷单元连接，其中，通电的所述碱性电解槽用于制备氢气，所述负荷单元用于存储氢气，所述压缩机用于压缩清洁能源；
所述碱性电解槽产氢率所需的电量为：
，
其中，为法拉第效率，反映了实际产氢量与理论产氢量之比，为流过电解槽单元的电流，为电解槽阵列中的电解槽数量，为反应中转移电子的摩尔数，为法拉第常数，为耗电功率，为电解槽的产氢系数，为电解槽的恒定电压；
根据计算所述碱性电解槽产氢率所需的电量从所述新能源电力单元或外部系统获取电量以制取氢气。
3.根据权利要求2所述的基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，其特征在于，所述新能源电力单元在预设时间内向所述碱性电解槽输送电量，当所述新能源电力单元的剩余电量为零时，所述外部系统获取电量向所述碱性电解槽输送电量，其中，所述碱性电解槽的功率上移和下移约束分别为：
，
，
，
式中，为电解槽最大功率，为二元变量，即0或1，和分别为功率上移爬坡约束和功率下移爬坡约束，为预设常数。
4.根据权利要求2所述的基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，其特征在于，所述负荷单元包括储氢罐和氢负荷，当存储氢气时，所述储氢罐与所述碱性电解槽连接，所述储氢罐和所述氢负荷连接，其中，所述储氢罐的充气和放气之间的关系如下：
，
，
,
其中，为从港区外部购买的氢气，和分别为t时刻的充/排氢速率，和分别为最大充/排氢速率;
计算所述氢负荷的注氢时间计划预测公式如下：,
式中， 为t时刻第j个接入储氢罐内的氢负载，M为氢负载总数。
5.根据权利要求2所述的基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，其特征在于，所述新能源电力单元包括风力模块和太阳能模块，所述风力模块和所述太阳能模块均与所述碱性电解槽和所述电负荷连接；
其中，所述风力模块用于基于风速预测与所述风力模块上的风机出力特性曲线来预测发电量，计算公式如下：,
式中，、分别为风机每小时输出功率、额定输出功率，为发电机所处高度的风速，为风机切入风速，为切出风速；
所述太阳能模块根据光照的辐照度用于预测所述太阳能模块上的发电量：
,
式中，为单位时间内水平表面上的辐照度， 为光伏系统的额定功率。
6.根据权利要求1所述的基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，其特征在于，所述电负荷用于港口电量消耗，所述电负荷的耗电功率表示为：
，
式中，为港口基础设施总负荷，为船舶功率总需求。
7.根据权利要求2所述的基于电解槽和高压储氢罐的港口氢-电综合能源系统，其特征在于，所述电解槽单元还包括压力控制器、液位控制器和温度控制器，所述压力控制器、所述液位控制器和所述温度控制器分别与所述碱性电解槽连接，其中，所述压力控制器用于控制所述碱性电解槽以及所述碱性电解槽产生的气体压力，所述液位控制器用于控制所述碱性电解槽内的液体注水量，所述温度控制器用于控制所述碱性电解槽内的液体温度。
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|---|---|
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