JP2015155703A - ガスタービン及びガスタービン冷却方法 - Google Patents

ガスタービン及びガスタービン冷却方法 Download PDF

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Abstract

【課題】気温に応じて冷却性能を調整して、冷却対象を限界温度未満としつつできるだけ高い温度となるように冷却することが可能なガスタービン及びガスタービンの冷却方法提供すること。
【解決手段】ガスタービン1は、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮部2と、燃料を噴射して燃焼させる燃焼部3と、燃焼部3を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部5と、圧縮部2の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン部5の内部に導く冷却空気系統6と、制御部7と、を備えている。冷却空気系統6は、圧縮空気の一部を冷却するクーラー10と、このクーラー10を通過する圧縮空気が流れる主系統11と、この主系統11を流れる空気流量を調整する第一流量調整弁12と、クーラー10を回避して再び主系統11と合流する流れを形成するバイパス系統13と、このバイパス系統13を流れる空気流量を調整する第二流量調整弁15と、を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、ガスタービン及びガスタービン冷却方法に関する。
図10に示すように、圧縮部101と、燃焼部102と、タービン部103と、を備えるガスタービン100は、圧縮部101の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン部103内の静翼や動翼に供給してこれらを冷却する冷却空気系統105をさらに備えている。
この冷却空気系統105は、特に気温の高い夏場に運転する際には、タービン部103の内部の温度が高温になり過ぎないように冷却する必要があり(例えば、特許文献1参照。)、流れる空気を冷却するためのクーラー106が配された主系統107と、クーラー106を回避した流れを作るためのバイパス系統108と、に分岐されており、バイパス系統108には、ここを流れる空気流量を所定量にするための手動バイパス弁110が配されている。
そして、このバイパス弁110の開度は、想定される夏場の最高気温時に、ガスタービン冷却対象が限界温度未満の所定の温度となるように予め(手動で)固定設定されている。
特開2010−38071号公報
しかしながら、上記従来のガスタービン100の場合、想定される最高気温より気温が低下していくと、設定されたバイパス弁110の開度に応じた冷却性能で冷却されることから、冷却空気の温度も低下していく。従って、最高気温より気温が低い場合には、冷却対象を必要以上に冷却することとなり、ガスタービン100の性能が犠牲となってしまう。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、気温に応じて冷却性能を調整して、冷却対象を限界温度未満としつつできるだけ高い温度となるように冷却することが可能なガスタービン及びガスタービンの冷却方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るガスタービンは、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮部と、この圧縮部から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部と、この燃焼部の下流側に位置し、前記燃焼部を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部と、前記圧縮部の途中から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン部の内部に導く冷却空気系統と、を備え、前記冷却空気系統が、前記圧縮空気の一部を冷却する冷却部と、この冷却部を通過する圧縮空気が流れる主系統と、この主系統を流れる空気流量を調整する第一流量調整部と、前記主系統とは別に、前記冷却部を回避して再び前記主系統と合流する流れを形成するバイパス系統と、このバイパス系統を流れる空気流量を調整する第二流量調整部と、ガスタービン負荷に応じて予め算出された前記燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部を制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。
この発明は、冷却空気系統が、主系統及びバイパス系統の両系統を備え、それらを流れる空気流量を第一流量調整部及び第二流量調整部にてそれぞれ調整することにより、冷却部で冷却される空気の流量の変化に応じて冷却空気の温度を調整することができる。さらに、この発明は、圧縮部から吸入される燃焼用空気に対してより好適な温度制御を行うことができる。
また、本発明は前記ガスタービンであって、前記圧縮部の入口の開度を変動して、吸入する前記燃焼用空気量を調整する吸入量調整部を備え、前記関係式が、前記ガスタービン負荷が相対的に高い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第一関係式と、前記ガスタービン負荷が相対的に低い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第二関係式と、を備えていることを特徴とする。
この発明は、ガスタービン負荷に対応して第一流量調整部及び第二流量調整部を調整することにより、ガスタービン効率をできるだけ維持しつつ、所望の流量、温度で冷却対象に冷却空気を供給して冷却することができる。
また、本発明は前記ガスタービンであって、前記空気が流れる開口面積が変化するように前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度が調整され、前記制御部が、前記第一流量調整部又は前記第二流量調整部の少なくとも一方の開度状態が所定の開度未満の場合、又は前記冷却空気系統の出口温度が所定の温度以上の場合に警告を発することを特徴とする。
この発明は、第一流量調整部又は前記第二流量調整部の少なくとも一方の弁開度が所定の開度未満の場合や、冷却空気系統の出口温度が所定の温度以上の場合には、冷却に必要な空気流量を確保できないため、警告を発することによって、設定範囲外の事態の発生を未然に抑えることができる。
本発明はガスタービン冷却方法であって、圧縮部で燃焼用空気を吸入して圧縮した圧縮空気の一部を利用してタービン部の内部を冷却するガスタービン冷却方法であって、前記圧縮空気の一部を主系統とバイパス系統との流れに分流する分流ステップと、前記主系統を流れる前記圧縮空気を冷却する冷却ステップと、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を調整する第一調整ステップと、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を調整する第二調整ステップと、前記主系統と前記バイパス系統とを流れる圧縮空気を再び合流する合流ステップと、を備え、前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップでは、ガスタービン負荷に応じて予め算出された前記燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、前記圧縮空気の流量を調整することを特徴とする。
この発明は、主系統及びバイパス系統の両系統をそれぞれ流れる圧縮空気の流量をそれぞれ調整することにより、冷却される空気の流量変化に応じてタービン内に供給する冷却空気の温度を調整することができる。さらに、この発明は、吸入される燃焼用空気に対してより好適な温度制御を行うことができる。
この発明は、主系統及びバイパス系統の両系統をそれぞれ流れる圧縮空気の流量をそれぞれ調整することにより、冷却される空気の流量変化に応じてタービン内に供給する冷却空気の温度を調整することができる。
また、本発明は前記ガスタービン冷却方法であって、前記第一調整ステップでは、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を第一流量調整部の開度を変えて調整し、前記第二調整ステップでは、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を第二流量調整部の開度を変えて調整し、前記関係式が、前記ガスタービン負荷が相対的に高い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第一関係式と、前記ガスタービン負荷が相対的に低い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第二関係式と、を備えていることを特徴とする。
この発明は、タービン負荷に対応して主系統及びバイパス系統を流れる空気流量を調整することにより、タービン効率をできるだけ維持しつつ、所望の流量、温度で冷却対象に冷却空気を供給して冷却することができる。
また、本発明は前記ガスタービン冷却方法であって、前記第一調整ステップでは、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を第一流量調整部の開度を変えて調整し、前記第二調整ステップでは、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を第二流量調整部の開度を変えて調整し、前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップにおいて、前記圧縮空気の一部が流れる開口面積が変化するように前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度が調整されるとともに、前記第一流量調整部又は前記第二流量調整部の開度状態の少なくとも一方が所定の開度未満の場合、又は前記主系統と前記バイパス系統とを流れる前記圧縮空気が合流してから前記タービン部の内部に至るまでの間での前記圧縮空気の温度が所定の温度以上の場合に警告を発することを特徴とする。
この発明は、第一流量調整部又は前記第二流量調整部の少なくとも一方の弁開度が所定の開度未満の場合や、冷却空気系統の出口温度が所定の温度以上の場合には、冷却に必要な空気流量を確保できないため、警告を発することによって、設定範囲外の事態の発生を未然に抑えることができる。
本発明によれば、外気温に応じて冷却性能を調整して、冷却対象を限界温度未満としつつ、できるだけ高い温度となるように冷却することができる。
本発明の一実施形態に係るガスタービンを示す系統図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第一関係式のうち主系統側の式を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第一関係式のうちバイパス系統側の式を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第二関係式のうち主系統側の式を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第二関係式のうちバイパス系統側の式を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における第三関係式を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの冷却方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部における主系統の制御フローを示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの制御部におけるバイパス系統の制御フローを示すブロック図である。 従来のガスタービンを示す系統図である。
本発明に係る一実施形態について、図1から図9を参照して説明する。
本実施形態に係るガスタービン1は、図1に示すように、燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮部2と、この圧縮部2から送られてきた圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部3と、この燃焼部3の下流側に位置し、燃焼部3を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部5と、圧縮部2の途中から圧縮空気の一部を抽出してタービン部5の内部に導く冷却空気系統6と、制御部7と、を備えている。
圧縮部2の入口には、開度を変動して吸入する燃焼用空気量を調整するIGV(インレットガイドベーン)(吸入量調整部)8が配されている。
冷却空気系統6は、圧縮空気の一部を冷却するクーラー(冷却部)10と、このクーラー10を通過する圧縮空気が流れる主系統11と、この主系統11を流れる空気流量を調整する第一流量調整弁(第一流量調整部)12と、主系統11とは別に、クーラー10を回避して再び主系統11と合流する流れを形成するバイパス系統13と、このバイパス系統13を流れる空気流量を調整する第二流量調整弁(第二流量調整部)15と、冷却空気系統6の出口温度を検出する温度計16と、を備えている。
制御部7は、ガスタービン負荷に応じて予め算出された燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、圧縮部2における燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、第一流量調整弁12及び第二流量調整弁15にて空気が流れる開口面積が弁開度に応じて変化するように第一流量調整弁12及び第二流量調整弁15の弁開度を制御するものとして設けられている。
関係式は、例えば、ガスタービン負荷が相対的に高い場合(以下、高負荷時と称する。)における弁開度と吸気温度との関係を示す第一関係式と、ガスタービン負荷が相対的に低い場合(以下、低負荷時と称する。)における弁開度と吸気温度との関係を示す第二関係式と、を備えている。
第一関係式は、図2に示すように、主系統11に配された第一流量調整弁12の開度制御に用いられる式(f1m)と、図3に示すように、バイパス系統13に配された第二流量調整弁15の開度制御に用いられる式(f1b)と、を備えている。
ここで、式(f1m)にて、吸気温度が15℃未満の場合、温度にかかわらず弁開度を一定としている。しかし、吸気温度に対して流量は非線形に変化するという圧縮機特性により好適に対応するために、温度低下に伴って徐々に弁開度を上げていくような式にしても構わない。
第二関係式(f2)は、図4に示すように、主系統11に配された第一流量調整弁12の開度制御に用いられる式(f2m)と、図5に示すように、バイパス系統13に配された第二流量調整弁15の開度制御に用いられる式(f2b)と、を備えている。
これらの式は、吸気温度が変化しても冷却空気の温度が一定となるように、予め実験や解析によって流量調整のための弁開度を求めた結果を示している。ここで、冷却空気系統6を流れる圧縮空気の流量は、ガスタービン負荷やIGV開度による影響を受ける。ここでは、より相関性の高いIGV開度を関連するパラメータとして、関係式は、図6に示すように、高負荷時には0.0、低負荷時には1.0、両者の遷移領域ではこれらを線形に結んだ第三関係式(f3)をさらに備えている。
制御部7は弁の故障時対応のために、及び高負荷時での過冷却を防止するため、第一流量調整弁12及び第二流量調整弁15ともフェールロック(オープン)とする制御を行う。一方、低負荷時での過冷却を防止するため、第一流量調整弁12については開度の上限値を設け、全開しないような制御を行う。
クーラー10は、例えば、冷却水により冷却される冷却器、若しくは、複数の不図示の冷却用のファンを備えている。なお、クーラー10の構成はこれに限定される必要はない。
次に、本実施形態に係るガスタービン1の冷却方法について、ガスタービン1の作用とともに説明する。
ガスタービン1の冷却方法としては、図7に示すように、圧縮空気の一部を主系統11とバイパス系統13との流れに分流する分流ステップ(S01)と、主系統11を流れる圧縮空気をクーラー10によって冷却する冷却ステップ(S02)と、主系統11を流れる圧縮空気の流量を第一流量調整弁12にて調整する第一調整ステップ(S03)と、バイパス系統13を流れる圧縮空気の流量を第二流量調整弁15にて調整する第二調整ステップ(S04)と、主系統11とバイパス系統13とを流れる圧縮空気を再び合流する合流ステップ(S05)と、を備えている。
圧縮部2から抽気された圧縮空気の一部は、分流ステップ(S01)にて主系統11とバイパス系統13とに分流される。
主系統11に分流された圧縮空気は、冷却ステップ(S02)にて、クーラー10によって冷却される。このときの流量は、第一調整ステップ(S03)にて制御される。制御ロジックを図8に示す。まず、冷却空気系統6の出口温度が所定温度以下の場合について説明する。ここで、「×」は各式のパラメータを乗算、「△」は減算、「+」は加算することを示す。
高負荷時の場合には、図6に示す第三関係式(f3)が0.0となるので、図2に示す圧縮部2の入口温度と弁開度との式(f1m)には、1.0から0.0を減算した値である1.0を乗算する。一方、図4に示す圧縮部2の入口温度と弁開度との式(f2m)には、0.0をそのまま乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、弁開度指令は式(f1m)で表される値となる。
同様に低負荷時の場合には、図6に示す第三関係式(f3)が1.0となるので、図2に示す圧縮部2の入口温度と弁開度との式(f1m)には、1.0から1.0を減算した値である0.0を乗算する。一方、図4に示す圧縮部2の入口温度と弁開度との式(f2m)には、1.0をそのまま乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、弁開度指令は式(f2m)で表される値となる。
低負荷時と高負荷時との遷移領域では、図6に示す第三関係式(f3)が0.0と1.0との間の値となり、上記と同様のロジックによって、弁開度指令は両者の間の値となる。
高負荷時で、弁開度制御のみでは合流ステップ(S05)以降の空気温度が所定温度を超える場合について説明する。この場合には、上述したロジックに加えて、温度計16により検出した冷却空気系統6の出口温度との差分に基づくフィードバッグ制御を行う。そして、その結果の値を上述したロジックの結果の値に加算することにより、所定温度以下となるようにさらに弁開度を上げる補正を行う。
一方、バイパス系統13に分流された圧縮空気は、第二調整ステップ(S04)にて流量制御される。このときの制御ロジックを図9に示す。高負荷時の場合には、図6に示す第三関係式(f3)が0.0となるので、図3に示す圧縮部2の入口温度と弁開度との式(f1b)には、1.0から0.0を減算した値である1.0を乗算する。一方、図5に示す圧縮部2の入口温度と弁開度との式(f2b)には、0.0をそのまま乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、弁開度指令は式(f1b)で表される値となる。
同様に低負荷時の場合には、図6に示す第三関係式(f3)が1.0となるので、図3に示す圧縮部2の入口温度と弁開度との式(f1b)には、1.0から1.0を減算した値である0.0を乗算する。一方、図5に示す圧縮部2の入口温度と弁開度との式(f2b)には、1.0をそのまま乗算する。そして、それぞれの結果を加算することによって、弁開度指令は式(f2b)で表される値となる。そして、低負荷時と高負荷時との遷移領域では、弁開度指令は両者の間の値となる。
主系統11及びバイパス系統13に分流された圧縮空気は、合流ステップ(S05)にて再び合流してタービン部5へと送気され、タービン部5の所定領域を冷却する。
なお、冷却ステップ(S02)、第一調整ステップ(S03)、及び第二調整ステップ(S04)の各ステップは順次行われるように説明しているが、実際にはこれらは同時に行われる。
このガスタービン1及び冷却方法によれば、冷却空気系統6が、主系統11及びバイパス系統13の両系統を備え、しかもそれらを流れる圧縮空気の流量を圧縮部2のIGV開度と吸気温度との関係から決まる関係式に基づき、第一流量調整弁12及び第二流量調整弁15の開度がそれぞれ制御される。したがって、クーラー10で冷却される圧縮空気の流量の変化に応じて冷却空気の温度を調整することができる。その結果、冷却対象となるタービン部5の内部を限界温度未満としつつ、タービン出力を維持できる高い温度となるように好適に冷却することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、温度変化にかかわらず弁開度がある程度一定となるように各関係式を算出しているが、バイパス系統13側に調整幅を確保することができる場合には、もっと勾配を持たせた関係式としてもよい。また、各関係式とも、試運転時の調整結果等に応じて見直しても構わない。
また、第一流量調整弁12及び第二流量調整弁15に不図示のリミットスイッチを設けて弁開度が異常のときに警報を発信できるようにしてもよい。例えば、第一流量調整弁12の弁開度指令が全開の際に、全開リミットスイッチがONとならない場合には、弁開度警報を発信してもよい。さらに安全性を考慮して弁開度が中間値となるところで中間開度リミットスイッチを設けて、この前後でリミットスイッチがONにならないときに、弁開度警報を発信してもよい。また、バイパス系統13側の第二流量調整弁15にも全開リミットスイッチを設けて同様の警報を発信するようにしてもよい。また、冷却空気系統6出口温度を監視して、所定温度以上のときに警報発信を行ってもよい。
さらに、主系統11において、クーラー10が第一流量調整弁12の上流側に配されているとしているが、第一流量調整弁12がクーラー10の上流側に配されていてもよい。
1 ガスタービン
2 圧縮部
3 燃焼部
5 タービン部
6 冷却空気系統
7 制御部
8 IGV(吸入量調整部)
10 クーラー(冷却部)
11 主系統
12 第一流量調整弁(第一流量調整部)
13 バイパス系統
15 第二流量調整弁(第二流量調整部)
f1 第一関係式
f2 第二関係式
f3 第三関係式

Claims (6)

  1. 燃焼用空気を吸入して圧縮空気とする圧縮部と、
    この圧縮部から送られてきた前記圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼部と、
    この燃焼部の下流側に位置し、前記燃焼部を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部と、
    前記圧縮部の途中から前記圧縮空気の一部を抽出して前記タービン部の内部に導く冷却空気系統と、
    を備え、
    前記冷却空気系統が、前記圧縮空気の一部を冷却する冷却部と、
    この冷却部を通過する圧縮空気が流れる主系統と、
    この主系統を流れる空気流量を調整する第一流量調整部と、
    前記主系統とは別に、前記冷却部を回避して再び前記主系統と合流する流れを形成するバイパス系統と、
    このバイパス系統を流れる空気流量を調整する第二流量調整部と、
    ガスタービン負荷に応じて予め算出された前記燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部を制御する制御部と、
    を備えていることを特徴とするガスタービン。
  2. 前記圧縮部の入口の開度を変動して、吸入する前記燃焼用空気量を調整する吸入量調整部を備え、
    前記関係式が、前記ガスタービン負荷が相対的に高い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第一関係式と、
    前記ガスタービン負荷が相対的に低い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第二関係式と、
    を備えていることを特徴とする請求項1に記載のガスタービン。
  3. 前記圧縮空気の一部が流れる開口面積が変化するように前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度が調整され、
    前記制御部が、前記第一流量調整部又は前記第二流量調整部の少なくとも一方の開度状態が所定の開度未満の場合、又は前記冷却空気系統の出口温度が所定の温度以上の場合に警告を発することを特徴とする請求項1又は2に記載のガスタービン。
  4. 圧縮部で燃焼用空気を吸入して圧縮した圧縮空気の一部を利用してタービン部の内部を冷却するガスタービン冷却方法であって、
    前記圧縮空気の一部を主系統とバイパス系統との流れに分流する分流ステップと、
    前記主系統を流れる前記圧縮空気を冷却する冷却ステップと、
    前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を調整する第一調整ステップと、
    前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を調整する第二調整ステップと、
    前記主系統と前記バイパス系統とを流れる圧縮空気を再び合流する合流ステップと、
    を備え、
    前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップでは、ガスタービン負荷に応じて予め算出された前記燃焼用空気の吸入量に係るパラメータと、前記圧縮部における前記燃焼用空気の吸気温度と、の関係式に基づき、前記圧縮空気の流量を調整することを特徴とするガスタービン冷却方法。
  5. 前記第一調整ステップでは、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を第一流量調整部の開度を変えて調整し、前記第二調整ステップでは、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を第二流量調整部の開度を変えて調整し、
    前記関係式が、前記ガスタービン負荷が相対的に高い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第一関係式と、
    前記ガスタービン負荷が相対的に低い場合における前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度と前記吸気温度との関係を示す第二関係式と、
    を備えていることを特徴とする請求項4に記載のガスタービン冷却方法。
  6. 前記第一調整ステップでは、前記主系統を流れる前記圧縮空気の流量を第一流量調整部の開度を変えて調整し、前記第二調整ステップでは、前記バイパス系統を流れる前記圧縮空気の流量を第二流量調整部の開度を変えて調整し、
    前記第一調整ステップ及び前記第二調整ステップにおいて、前記圧縮空気の一部が流れる開口面積が変化するように前記第一流量調整部及び前記第二流量調整部の開度が調整されるとともに、前記第一流量調整部又は前記第二流量調整部の開度状態の少なくとも一方が所定の開度未満の場合、又は前記主系統と前記バイパス系統とを流れる前記圧縮空気が合流してから前記タービン部の内部に至るまでの間での前記圧縮空気の温度が所定の温度以上の場合に警告を発することを特徴とする請求項4又は5に記載のガスタービン冷却方法。
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