JP4036914B2 - パワープラントの運転法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの燃焼器及び少なくとも１つのタービンから成るガスタービンと、ガスターボ装置団の下流に接続された廃熱蒸気発生器と、この廃熱蒸気発生器の下流に接続された蒸気回路と、少なくとも１つの発電機とから成るパワープラントの運転法であって、最後のタービンからの排ガスを廃熱蒸気発生器内に貫流せしめ、この廃熱蒸気発生器内で、少なくとも、蒸気回路の少なくとも１つの蒸気タービンを駆動するに足る蒸気量を生成せしめる形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に逐次燃焼方式で運転されるガスターボ装置団と、これの下流に接続された廃熱蒸気発生器と、これに続いて接続された蒸気回路とから成るパワープラントでは、最大の効率を得るために、蒸気回路内に超臨界的な蒸気プロセスを設けるのが有利である。これに類似した回路がスイス国特許第４８０５３５号明細書から公知である。この文献によれば、ガスターボ装置団の最適な廃熱利用の目的で、廃熱蒸気発生器の下方の温度範囲内でガスタービン回路媒体の質量流れが分流されて、ガスタービン内で復熱的に利用される。しかし、この構成では、現代の有利には１軸式に設計されたガスタービンではプラントが構造の点で不所望に複雑となる。その上、過負荷運転の目的で公知のプラントの出力を高めることができないことを見逃すことはできず、このことが現代のプラントにおいて大きな欠点となっている。一般的には、蒸気量をガスタービン内に導入することはガスタービンの出力を増大せしめるが、しかし、下流に接続された蒸気タービンの出力を著しく低下せしめる結果を招く。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題とするところは、冒頭に記載した形式の運転法において、廃熱蒸気発生器の下方の温度範囲内での蒸気回路側の熱の受取りを最大にすると共に、ガスタービン内での蒸気量の復熱的な利用に際してもプラントの比較的大きな効率を得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、請求項１に記載したように、廃熱蒸気発生器の下方の温度範囲内で機能する熱交換段内に定格液体量を上回る液体量を循環せしめ、定格液体量を越えた余剰の二次液体量をこの熱交換段の出口のところで分流せしめて少なくとも１つの圧力段内で蒸化せしめ、この圧力段内で発生した蒸気量を圧縮機の下流でガスタービンのプロセス内へ導入することにより解決される。
【０００５】
最後のタービンから到来した依然として熱量的に高価値の排ガスを１００℃及びそれより低くなるまで利用するために、廃熱蒸気発生器の下方領域内の通常はエコノマイザと呼ばれている第１の熱交換段の領域内での蒸気回路側の熱の受取りが高められる。この目的のために、このエコノマイザに、主供給水量の他に付加水量が供給される。この場合、この付加水量は少なくとも蒸化の残水量によりまかなわれる。この蒸化は適当箇所でガスタービンに供給される蒸気量の発生にも作用的な関連を有している。有利には、この種の蒸気量は圧縮機の下流で、かつ逐次燃焼方式のガスタービンでは選択的に高圧タービンの下流で吹込まれる。ガスターボ装置団のデザインクリテリヤに応じて、有利には圧縮の最終過程内で圧縮機内へ又はタービン内へ蒸気量が吹込まれる。その場合、ここで示した蒸気吹込みの可能性は重複的に又は選択的に取扱われることができる。
【０００６】
ガスタービンの過負荷運転を高める目的で、前述の蒸気量は少なくとも部分的にガスタービンの燃焼器に供給される。この供給された蒸気量はタービンの出力をそれ相応に増大せしめる。この出力増大は蒸気タービン内での出力減少に比して大きい。このようになる理由は、導入された蒸気量が燃料により、少なくとも圧縮空気と同様に熱ガス温度にまでもたらされ、その際、この蒸気量の出力ポテンシャルが著しく上昇させられるからである。その上、吹込まれた蒸気量は廃熱蒸気発生器内でそれ自体再び蒸気を発生せしめる。その際、熱容量は温度レベルが同じでも空気の熱容量のほぼ２倍であることが認識されるべきである。
【０００７】
本発明の別の利点とするところは、蒸気回路の供給水タンク兼脱気装置が復水を予熱する他に付加的な蒸気量を生成せしめ、この蒸気量が蒸気タービンに適当箇所で供給される。
【０００８】
本発明にもとづく有利かつ効果的な別の構成がその他の請求項に記載されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、図示の実施例につき本発明を詳しく説明する。図面には本発明の直接的な理解のために不必要なエレメントは省かれている。媒体の流れ方向は矢印をもって示されている。
【００１０】
図１に示すパワープラントは、ガスターボ装置団と、このガスターボ装置団の下流に接続された廃熱蒸気発生器と、この廃熱蒸気発生器の下流に接続された蒸気回路とから成る。
【００１１】
本ガスターボ装置団は逐次燃焼方式で構成されている。図面には示されていないが、種々の燃焼器の運転に必要な燃料１２，１３の準備は例えばガスターボ装置団と関連して行われるコークス乾留によりまかなわれる。勿論、供用される燃料を１次ネットワークから取出すことも可能である。ガスターボ装置団の運転のためのガス燃料の供給がパイプラインを介して行われる場合、１次ネットワークと消費ネットワークとの間の圧力差及び又は温度差に基づくポテンシャルがガスターボ装置団の要求又は一般に回路の要求のために復熱される。自主的なユニットとしても作用することのできる本ガスターボ装置団は圧縮機１と、圧縮機の下流に接続された燃焼器２と、この燃焼器の下流に接続された第１のタービン３と、この第１のタービンの下流に接続された第２の燃焼器４と、この第２の燃焼器の下流に接続された第２のタービン５とから成る。上述の流体機械、すなわち圧縮機１と第１のタービン３と、第２のタービン５は単一のロータ軸４７を備えている。このロータ軸は有利には、圧縮機１のヘッド側と第２のタービン５の下流とに位置する図示されていない２つの軸受に支承されている。圧縮機１は設計に応じて、例えば比出力の増大のために２つ又はそれ以上の図示されていない部分圧縮機に分割されることができる。このような構成では、第１の部分圧縮機の下流で第２の部分圧縮機の上流に中間冷却器が間挿され、この中間冷却器内で、部分冷却された空気が中間冷却される。同様に図示されていないこの中間冷却器内で発生した熱は最適に、要するに利用すべく、プロセス内へ戻し案内される。吸込空気６は圧縮空気７となって、圧縮機出口と第１のタービン３とを一緒に取囲む図示されていないケーシング内へ流入する。このケーシング内には第１の燃焼器２も取付けられており、この第１の燃焼器２は有利には組合わされた環状燃焼器として形成されている。第１の燃焼器２へ供給される圧縮空気７は図示されていない空気貯蔵装置から供給されることもできるのは勿論である。第１の燃焼器２はヘッド側に、周方向に分配された図示されていない多数のバーナを備えている。これらのバーナは有利には予混合バーナとして設計されている。バーナとしてディフュージョンバーナを使用することもできる。この燃焼からの有害物質放出特にＮＯｘ放出を軽減する意味では、例えば本発明に関連するヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書にもとづく予混合バーナを配置するのが有利である。さらに、１種類又は複数種の燃料の供給形式もこの文献にもとづくのが有利である。第１の燃焼室２の周方向に予混合バーナを配置することが望ましい場合、同じ構造のバーナの一般的な配置とせずに、必要に応じて種々の大きさの予混合バーナを使用することができる。このことは有利には２つの大きな予混合バーナの間に同じ構造の１つの小さな予混合バーナを配置することにより実現される。主バーナの機能を果たすべき大きな予混合バーナは、この第１の燃焼器のパイロットバーナを成す小さな予混合バーナに対して、この第１の燃焼器を貫流する燃焼空気、要するに圧縮機１から到来する圧縮空気に関連して、場合により固定される相互寸法比を成している。第１の燃焼器の全負荷範囲内でパイロットバーナは自主的な予混合バーナとして作動し、その際、空気過剰率はほぼコンスタントに保たれる。主バーナの接続又は遮断はプラント特有の規定された基準に基づいて行われる。パイロットバーナが全負荷範囲内で理想的な混合気で運転されることができるため、部分負荷においてもＮＯｘ放出は極めてわずかである。このような状況において、第１の燃焼器２のフロント領域内での環状の流線はパイロットバーナの渦中心に著しく接近しており、その結果、このパイロットバーナによるだけで点火が可能である。高速運転ではパイロットバーナを介して供給される燃料量はフル制御されるまで、換言すればフル燃料量が供用されるまで増大する。この構成は、このポイントがガスターボ装置団のそのづとの負荷放出条件に対応するように選択される。次いで主バーナを介して出力がさらに増大される。次いで、ガスターボ装置団のピーク負荷時には主バーナもフル制御される。パイロットバーナにより発生させられた「小さな」熱い渦中心の構成が、主バーナに由来する「大きな」冷えた渦中心の間で著しく不安定で崩壊するため、貧で運転される主バーナにおいても部分負荷範囲で極めて良好な燃焼が達成されると共にＮＯｘの放出に対して付加的に低いＣＯ及びＵＨＣ放出が達成され、換言すればパイロットバーナの熱い渦が主バーナの小さな渦内へ直ちに侵入する。勿論、第１の燃焼器２は、同様に傾斜リング状に、場合によっては螺旋状にロータ軸線の回りに配置された多数の個々の管状の燃焼室から成ることができる。この第１の燃焼器２は、その設計に無関係に、ロータの長さに実際に全く影響しないようなジオメトリで配置される。この第１の燃焼器２からの熱ガス８は直に下流の第１のタービン３に供給される。熱ガスを熱量的に膨張せしめるタービン３の作用は意識的に最小に維持され、換言すれば、このタービン３は原則として２つより多い回転羽根列を備えていない。この種のタービン３では、軸方向の推動の安定化を目的として端面への圧力補償が必要である。タービン３内で部分的に膨張して直に環状燃焼器４内へ流入する熱ガス９は上述の理由で著しく高い温度を有しており、有利にはこの温度は、第２の燃焼器４内でそこにもたらされる燃料１３との関連において自己点火がレリーズされるように運転特性的に設計される。この第２の燃焼器４は大体において、互いに組合わされた環状の軸方向又は準軸方向の環状円筒体の形状を有している。この燃焼器４は勿論、軸方向又は準軸方向又は螺旋状に配置されていてそれ自体閉じた多数の燃焼室から成ることもできる。ただ１つの燃焼室から成る環状の燃焼器４の構成に関連して、この環状の円筒体の周方向及び半径方向に、図面に概略的にのみ示された複数の燃料ノズルが配置される。この燃料ノズルは、上流に位置する手段により形成された渦内へ燃料１３を噴入するのに役立てられる。この第２の燃焼器４はすでに説明したように自己点火式に設計されている。要するに、タービン３から到来して部分膨張した熱ガス９内に噴入された燃料１３の燃焼はこの第２の燃焼器４内で自己点火により、温度レベルがこの種の運転形式を許容する限りにおいて行われる。第２の燃焼器４がガス燃料、要するに例えば天然ガスにより運転されるとすれば、タービン３から到来して部分膨張した熱ガス９の温度は前述の自己点火をレリーズするには依然として著しく高くなければならず、しかもこのことは当然ながら部分運転でもそうでなければならず、このことがタービン３の設計に根本的な役割を果たす。ガス温度は１０００℃ならば確実な自己点火を保証する。自己点火式に設計された燃焼器において運転確実性及び高い効率を保証するためには、火炎フロントが位置的に安定していることが極めて重要である。この目的のために、この第２の燃焼器４内に、渦を発生せしめる手段が有利には内壁及び外壁に周方向に設けられる。この手段は、すでに述べたように、軸方向で有利には燃料ノズルの上流に配置された図示されていない複数のエレメントの列から成る。このエレメントの役割は、第１の燃焼器２のすでに述べた予混合バーナ内での逆流区域に類似した逆流区域を誘発する渦を生ぜしめることにある。さらにこのエレメントは、噴入された燃料１３により最適な混合気形成を行わしめる。第２の燃焼器４がその軸方向の配置及びその全長にもとづいて、ほぼ６０ｍ／ｓ及びそれ以上の作動ガス平均速度を有する高速度燃焼器として形成されているため、渦発生エレメントは流線形に形成されなければならない。このエレメントは向流側で有利には向流傾斜面を備えた四面体形状に形成される。渦発生エレメントは外面及び又は内面に配置されることができる。勿論、渦発生エレメントは互いに軸方向にずれていてもよい。渦発生エレメントの流出側の面はほぼ半径方向に形成されており、その結果、この流出側の面より後方に逆流区域が生じる。他面において、第２の燃焼器４内での自己点火は遷移的な負荷範囲内でも、さらに又ガスターボ装置団の部分負荷範囲内でも確実に維持されなければならない。換言すれば、燃料１３の噴入領域内でガスの温度変化が生じた場合でも、第２の燃焼器４内での自己点火を確実たらしめる補助手段が設けられる必要がある。第２の燃焼器４内へ噴入されたガス燃料の確実な自己点火を保証するために、このガス燃料に、比較的着火温度の低い別の燃料のわずかな量を添加することができる。この「補助燃料」としてはこの場合、例えば燃料油が好適である。液状の補助燃料は適当に噴入すれば、いわゆる点火コードとして作用させる役割を果たし、かつこれにより、第１のタービン３から到来して部分膨張した熱ガス９の温度が１０００℃の所期の最適な温度レベルに達しない場合でも、第２の燃焼器４内での自己点火を可能ならしめる。自己点火を確実にするための燃料油を添加するこの措置は、ガスターボ装置団が著しく減少した負荷で運転される場合にはいつでも特別に講じられる。さらに、この措置は第２の燃焼器４が最小の軸方向長さを有することがてきるために決定的に役立つ。第２の燃焼器４の全長が短いこと、火炎安定のための渦発生エレメントの作用並びに自己点火の継続的な確実性は、燃焼が著しく迅速に行われるための、かつ熱い火炎フロントの流域内での燃料停滞時間が最小に保たれるための前提である。直接的に燃焼技術的に測定可能な作用は、今や問題にならない程に低下されたＮＯｘ放出に関している。このことから出発して、さらに燃焼の位置を明確に規定することが可能となり、このことはこの第２の燃焼器４の構造を最適に冷却することに帰着する。第２の燃焼器４内で発生した熱ガス１０は、次いで下流の第２のタービン５に供給される。ガスターボ装置団の熱力学的な特性値は、第２のタービン５から到来する排ガス１１が廃熱蒸気発生器１５を介して、少なくとも１つの蒸気タービンを駆動するに足る蒸気を発生させるに十分な熱量的なポテンシャルを有するように設計されている。流体機械の出力放出は圧縮機側に連結された、始動モータとしても役立つことのできる発電機１４を介して行われる。廃熱蒸気発生器内で熱量的に利用し尽くされた排ガスは次いで煙道ガス４８として例えば大気中に放出される。
【００１２】
廃熱蒸気発生器１５を貫流する排ガス１１がほぼ６２０℃の温度を有するとし、かつ熱伝達のための最小温度差の条件が２０℃とすれば、この排ガスは有利に利用するには２００℃までしか冷却されることができないことになる。この欠点を排除するために、エコノマイザ１５ａの内部で、供給ポンプ２１により搬送された供給水が、酸露点温度に関連して煙道ガス４８の最低に許容される温度に応じて例えばほぼ１５０％まで増大され、これにより、冷却特性曲線が著しく下降され、換言すれば排ガスが著しく冷却される。供給水の前述のパーセンテージは、排ガス１１により提供されるエネルギに依存した定格水量を１００％とした場合の数字である。
【００１３】
ほぼ３００バールの圧力においてほぼ６０℃の温度を有する供給水は前述箇所で廃熱蒸気発生器１５内へ導入され、その内部でほぼ５５０℃の蒸気へ熱的に高められる。エコノマイザ１５ａの内部でほぼ３００℃まで加熱された供給水はエコノマイザの出口で２つの部分流に分割される。一方の大きい方の１００％の部分流は、それに続く熱交換段１５ｂ内で超臨界的な高圧蒸気へ熱的に変換される。これにより、前述の熱交換段１５ｂの作用区域の内部で、排ガス１１からその熱エネルギの大部分が奪われる。高圧タービン１６内での一回目の膨張の後、この蒸気３１は廃熱蒸気発生器１５のさらに別の熱交換段１５ｃ内を通して案内され、その内部で中間過熱され、中間圧蒸気３２として中間圧及び低圧タービン（以下短縮して中間圧蒸気タービンと呼ぶ）１７に供給される。
【００１４】
最後に述べた中間圧蒸気タービン１７から到来する最終的に膨張した蒸気３３は媒体４６により冷却された復水器１８内で凝縮される。この復水器１８の下流で作用する供給ポンプ１９により、復水３４が供給水タンク兼脱気装置２０内へ誘導され、そこより、供給水３５のすでに説明した循環が改めて開始される。この供給水タンク兼脱気装置２０内では、復水の予熱の他に蒸気量４５も発生させられ、この蒸気量が適当箇所で中間圧蒸気タービン１７内へ導入される。
【００１５】
すでに述べた付加的な供給水３５からエコノマイザ１５ａの出口で導管を介して二次水量３６が抽出され、この二次水量が、制御機構２２を介して第１の燃焼器２内の圧力より若干高い圧力となるまで絞られて、蒸化器２３内へ導入される。この蒸化器内では過飽和のエンタルピ成分が水の一部を蒸化する。その際生じた蒸気４２は、制御機構２８備えた導管を介して中間圧蒸気タービン１７に適当箇所で供給される。残水量３７はこの蒸化器２３から制御機構２４を介して別の蒸化器２５内へ達し、その内部で再び、ほぼ第２の燃焼器４の圧力レベルに相応する圧力の蒸気量４４が発生する。その場合、この蒸気量４４は制御機構２６を介して同様に適当箇所で中間圧蒸気タービン１７内へ導入される。依然として蒸化器２５内に残されたほぼ２００℃の熱水３８は制御機構３９を介して供給水タンク兼脱気装置２０に供給され、その内部でこの水がすでに説明したように供給水をほぼ６０℃に予熱し、かつ中間圧蒸気タービン１７のための蒸気量４５を発生せしめる。蒸化器２３，２５と協働している制御機構２７，２９が開放されることにより過負荷運転が実施される。それと同時に、中間圧蒸気タービン１７の付加的な蒸気供給を行わしめる制御機構２６，２８は蒸化器２３，２５から到来した蒸気量４１，４３がそれぞれの燃焼器２，４内に吹込まれるように適当に絞られる。必要に応じて、補充水４０が導管を介して供給水タンク兼脱気装置２０に供給される。燃焼器２，４内に吹込まれた蒸気量４１，４３はタービン３，５の出力を相応して高める。出力の増大は中間圧蒸気タービン１７の出力減少に比して大きい。このことにより、圧縮空気７及び部分膨張させられた熱ガス９と同様に、それぞれの蒸気量４１，４３が燃料により熱ガス温度にまでもたらされることになる。これにもとづく出力ポテンシャルは極めて大きい。さらに、廃熱蒸気発生器１５内で吹込まれた蒸気はそれ自体さらに蒸気を発生せしめる。その際注目されるのは、同じ温度レベルでも熱容量が空気の熱容量のほぼ２倍程に大きいことである。この過負荷法は回路技術的に著しく簡単かつ極めて迅速に作用する。
【００１６】
以上説明した蒸化カスケードの改善されたエクセルギ利用のために、この蒸化カスケードは２段より多い段で行われることができる。
【００１７】
排ガス１１の良好な利用を得るために、廃熱蒸気発生器１５内に別個の蒸気発生装置を組込むことができるのは勿論であり、それの蒸気は蒸気回路内に案内されるか、又は別体の膨張機械内で仕事に変換される。さらに、排ガスから部分流に分割して別体の廃熱ボイラ内で利用することができる。この場合には、水の代わりにアンモニア・水混合物が使用される。さらに、その他の流体、例えばフレオン、プロパンなども使用可能である。廃熱蒸気発生器１５内での図示しない付加的な火炎により、その入口のところの温度レベルを上昇させることにより、タービンからの排ガスを比較的低いレベルまで利用することがさらに若干改善される。しかし、この手段は得ることのできる効率に関連して著しい改善を伴わない。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、廃熱蒸気発生器の下方の温度範囲内での蒸気回路側の熱の受取りが最大になると共に、ガスタービン内での蒸気量の復熱的な利用に際してもプラントの比較的大きな効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例にもとづくパワープラントの回路を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機、 ２ 第１の燃焼器、 ３ 第１のタービン、 ４ 第２の燃焼器、 ５ 第２のタービン、 ６ 吸込空気、 ７ 圧縮空気、 ８ 第１の燃焼器からの熱ガス、 ９ 部分膨張した熱ガス、 １０ 第２の燃焼器からの熱ガス、 １１ 排ガス、 １２ 第１の燃焼器に供給される燃料、 １３ 第２の燃焼器に供給される燃料、 １４ 発電機、 １５ 廃熱蒸気発生器、 １５ａ エコノマイザ（熱交換段）、 １５ｂ 高圧蒸気段（熱交換段）、 １５ｃ中間圧蒸気段（熱交換段）、 １６ 高圧蒸気タービン、 １７ 中間圧及び低圧蒸気タービン、 １８ 復水器、 １９ 復水器の供給ポンプ、 ２０ 供給水タンク兼脱気装置、 ２１ 供給ポンプ、 ２２ 制御機構、 ２３ 蒸化器（圧力段）、 ２４ 制御機構、 ２５ 蒸化器（圧力段）、 ２６，２７，２８，２９ 制御機構、 ３０ 超臨界的な蒸気、 ３１ 膨張した蒸気、 ３２ 中間圧蒸気のための中間圧過熱器、 ３３ 膨張した蒸気、 ３４ 復水、３５ 供給水、 ３６ 二次水量、 ３７ 残水量、 ３８ 蒸化器からの熱水、 ３９ 制御機構、 ４０ 補充水、 ４１，４２，４３，４４，４５ 蒸気量、 ４６ 復水器の冷却媒体、 ４７ ロータ軸、 ４８ 煙道ガス

Claims (5)

1. 主として、少なくとも１つの圧縮機、少なくとも１つの燃焼器及び少なくとも１つのタービンから成るガスタービンと、ガスターボ装置団の下流に接続された廃熱蒸気発生器と、この廃熱蒸気発生器の下流に接続された蒸気回路と、少なくとも１つの発電機とから成るパワープラントの運転法であって、最後のタービンから到来した排ガスを廃熱蒸気発生器内に貫流せしめ、この廃熱蒸気発生器内で、少なくとも、蒸気回路の少なくとも１つの蒸気タービンを駆動するに足る蒸気量を生成せしめる形式のものにおいて、廃熱蒸気発生器（１５）の下方の温度範囲内で機能する熱交換段（１５ａ）内に定格液体量を上回る液体量（３５）を循環せしめ、定格液体量を越えた余剰の二次液体量（３６）をこの熱交換段（１５ａ）の出口のところで分流せしめて少なくとも１つの圧力段（２３，２５）内で蒸化せしめ、この圧力段内で発生した蒸気量（４１，４３）を圧縮機（１）の下流でガスタービンのプロセス内へ導入し、ガスタービンを逐次燃焼方式で運転することを特徴とするパワープラント運転法。
2. 圧力段（２３，２５）内で発生した蒸気量（４１，４３）を圧縮機（１）の下流へ及び又は逐次燃焼方式のガスタービンに付属する燃焼器（２，４）内へ導入する請求項１記載の運転法。
3. 定格液体量を熱交換段（１５ａ）の直接下流の別の熱交換段（１５ｂ）内で超臨界的な蒸気（３０）に生成し、この蒸気を第１の蒸気タービン（１６）内へ供給し、かつ、この蒸気タービン内で膨張した蒸気（３１）を廃熱蒸気発生器（１５）のさらに別の熱交換段（１５ｃ）内で中間過熱された蒸気（３２）に生成し、この中間過熱された蒸気を引続き別の蒸気タービン（１７）へ供給する請求項１記載の運転法。
4. 蒸気回路に付属する供給水タンク兼脱気装置（２０）を別の蒸化段として運転する請求項１記載の運転法。
5. 圧力段（２３，２５）内で発生した蒸気量の少なくとも一部を蒸気回路の少なくとも１つの蒸気タービン（１７）内へ導入する請求項１記載の運転法。

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