JP4157312B2 - 自家用小型熱電併給装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自家用小型熱電併給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近時、火力発電所等の発電施設において、排気熱が回収されていないことが熱効率を低下させている事実に着目して、電気と熱とを同時に供給する熱電併給装置(熱電併給システム)が開発されている。この熱電併給装置は、一般的には、ガスタービンにより発電機を駆動して電気を得る一方、ガスタービンの排気を熱交換器を介して温水として回収し、その回収した温水を暖房や給湯に利用されることになっている。
【0003】
ところで、このような熱電併給装置を各家庭において用いることは、電気と温水とを同時に得ることができること、熱効率が高いことに加えて、送電ロスが発生しないこと、必要なときに電気と熱とを作り出せること等を考慮すれば、好ましいと言える。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、熱電併給装置は、一定規模以上の地域、ビル等に用いられるのが一般的であり、各家庭で用いる場合に、具体的にどのような構成が適しているかは未だ明らかとなっていない。
特に、熱電併給装置により電気と温水とを同時に得ることができるものの、家庭での電気と温水との需要割合は、大規模なものに適用される場合に比して変動が大きいと考えられ、その変動に対して、高い熱効率を保持しつつどのように簡単に対応するかが問題となると考えられる。
【0005】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、各家庭において使用するに際して最適な自家用小型熱電併給装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を達成するために本発明(請求項1に係る発明)にあっては、
発電を目的とした小形ガスタービンのタービン部下流側に、発電機の駆動を目的としたスターリングエンジン、該タービン部からの排気熱の回収を目的とした排気熱回収用熱交換器が順次、配設され、
前記スターリングエンジンが、前記タービン部からの排気熱を外部熱源として該スターリングエンジンの加熱部に供給することにより駆動されるように設定され、
前記排気熱回収用熱交換器が、前記スターリングエンジンの加熱部を経た排気と該排気熱回収用熱交換器に供給する水との間で熱交換するように設定され、
前記スターリングエンジンの冷却部を冷却した後の冷却媒体と水とが冷却媒体熱回収用熱交換器を介して熱交換され、
前記冷却媒体熱回収用交換器から流出する水が、前記排気熱回収用熱交換器への流入水として該排気熱回収用熱交換器に供給されている、
ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置とした構成としてある。
上記技術的課題を達成するために本発明(請求項2に係る発明)にあっては、
発電を目的とした小形ガスタービンのタービン部下流側に、発電機の駆動を目的としたスターリングエンジン、該タービン部からの排気熱の回収を目的とした排気熱回収用熱交 換器が順次、配設され、
前記スターリングエンジンが、前記タービン部からの排気熱を外部熱源として該スターリングエンジンの加熱部に供給することにより駆動されるように設定され、
前記排気熱回収用熱交換器が、前記スターリングエンジンの加熱部を経た排気と該排気熱回収用熱交換器に供給する水との間で熱交換するように設定され、
前記小形ガスタービンのタービン部を冷却する冷却媒体と水とが、タービン部熱回収用熱交換器を介して熱交換されている、
ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置とした構成としてある。この請求項2の好ましい態様としては、請求項3の記載の通りとなる。
上記技術的課題を達成するために本発明(請求項4に係る発明)にあっては、
発電を目的とした小形ガスタービンのタービン部下流側に、発電機の駆動を目的としたスターリングエンジン、該タービン部からの排気熱の回収を目的とした排気熱回収用熱交換器が順次、配設され、
前記スターリングエンジンが、前記タービン部からの排気熱を外部熱源として該スターリングエンジンの加熱部に供給することにより駆動されるように設定され、
前記排気熱回収用熱交換器が、前記スターリングエンジンの加熱部を経た排気と該排気熱回収用熱交換器に供給する水との間で熱交換するように設定され、
前記ガスタービンにおける構成要素としての空気圧縮部及び前記タービン部に、自動車用ターボチャージャー用品が用いられている、
ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置とした構成としてある。
上記技術的課題を達成するために本発明(請求項5に係る発明)にあっては、
発電を目的とした小形ガスタービンのタービン部下流側に、発電機の駆動を目的としたスターリングエンジン、該タービン部からの排気熱の回収を目的とした排気熱回収用熱交換器が順次、配設され、
前記スターリングエンジンが、前記タービン部からの排気熱を外部熱源として該スターリングエンジンの加熱部に供給することにより駆動されるように設定され、
前記排気熱回収用熱交換器が、前記スターリングエンジンの加熱部を経た排気と該排気熱回収用熱交換器に供給する水との間で熱交換するように設定され、
前記タービン部下流側と前記排気熱回収用熱交換器との間に、前記スターリングエンジンをバイパスするバイパス通路が設けられ、
前記バイパス通路に、前記排気の流れを調整する調整弁が設けられている、
ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置とした構成としてある。
【0007】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、発電を目的とした小形ガスタービンにより電気エネルギを得ることができるだけでなく、該小形ガスタービンからの排気熱、スターリングエンジンが外部熱源により駆動されることを利用し、スターリングエンジン及び該スターリングエンジンに連係する発電機を通じて、排気熱から、熱エネルギよりも高品位とされる電気エネルギが、先ず簡単に取り出されることになる。そして、残りの排気熱については、排気熱回収用熱交換器が、電気エネルギよりも低品位で最終的なエネルギ形態とされる熱エネルギ(温水)として、徹底的に回収することになる。これにより、当該熱電併給装置においては、高品位なエネルギ形態である電気エネルギができるだけ多く発生され、その高品位の性格である、熱エネルギから他のエネルギ形態を変更(移行)する場合に比して、最終エネルギ形態である熱エネルギにエネルギ形態を変更し易い電気エネルギの性格を利用して、各家庭内において、その各種機器(熱発生手段)を通じて、電気と温水との需要割合を簡単に調整できることになる。その一方、残りの排気熱を熱エネルギ(温水)として排気熱回収用熱交換器により徹底的に回収を図ることから、熱電併給装置の高い熱効率が保持されることになる。勿論この場合、その回収された温水(熱エネルギ)が、仮に工業的には温度が低く用途が限られるものであっても、各家庭において、給湯、暖房等に、使用に値するものとして有効に利用できる。
また、ガスタービンとして小形のものを用いることにより、燃焼室での燃焼音が抑えられ、排気熱からの電気エネルギの取り出しのための駆動手段として、スターリングエンジンが用いられていることにより、その内部作動流体の圧力変化が非常に緩やかにされることに基づき静粛性が確保されることになる。このため、当該熱電併給装置においては、各家庭において使用しても、騒音等がほとんど問題とならない状態にすることができる。
さらに、小形ガスタービンを用いていることから、各要素(空気圧縮部の圧縮羽、タービン等)の質量を小さくすることができ、立ち上がり特性を高めると共に出力の変動幅を広くとることができることになる。このため、このような作用効果に基づき、各家庭において使用するに際して最適な自家用小型熱電併給装置を提供できることになる。
【0008】
また、スターリングエンジンの冷却部を冷却した後の冷却媒体と水とが冷却媒体熱回収用熱交換器を介して熱交換され、その冷却媒体熱回収用交換器から流出する水が、排気熱回収用熱交換器への流入水として該排気熱回収用熱交換器に供給されていることから、スターリングエンジンの冷却部を冷却することにより奪った熱が、排気熱回収用熱交換器への流入水の保有熱に反映されることになり、排気熱回収用熱交換器から流出する流出水の温度を高めて、温水としての使用に際しての自由度を高めることができることになる。
【0009】
請求項に係る発明によれば、小形ガスタービンのタービン部を冷却する冷却媒体と水とが、タービン部熱回収用熱交換器を介して熱交換されていることから、タービン部熱回収用熱交換器から流出する流出水の温度を、排気熱回収用熱交換器から流出する流出水の温度よりも高めることができ、タービン部熱回収用熱交換器からの流出水に基づき、温水使用に際しての自由度を一層高めることができると共に、異なった複数種類の温度の温水を得ることにより、使用目的温度に容易に近づけて、温度調整のための手間と調整水とを少なくすることができることになる。
【0010】
請求項に係る発明によれば、排気熱回収用熱交換器から流出する流出水とタービン部熱回収用熱交換器から流出する流出水とが、選択的に集合タンクに供給されるように設定されていることから、排気熱回収用熱交換器からの流出水を温水全体の中に組み込むことにより、排気熱回収用熱交換器からの流出水の温度を引き上げて、その利用価値を高めることができることになる。
【0011】
請求項に係る発明によれば、ガスタービンにおける構成要素としての空気圧縮部及び前記タービン部に、自動車用ターボチャージャー用品が用いられていることから、汎用品としての自動車用ターボチャージャー用品を用いて当該自家用小型熱電併給装置を安く且つ簡単に製造できるばかりか、質量が極めて小さいことを利用して、具体的に、立ち上がり特性を高めると共に、出力の変動幅を広くとることができることになる。しかも、1000℃程度の排気熱にも十分に耐えられるため、最小限の冷却で済ませることができ、高い熱効率と発電効率を得ることもできることになる。
【0012】
請求項に係る発明によれば、タービン部下流側と排気熱回収用熱交換器との間に、スターリングエンジンをバイパスするバイパス通路が設けられ、そのバイパス通路に、排気の流れを調整する調整弁が設けられていることから、温水の需要が多いときには、調整弁を開いて、スターリングエンジンの加熱部を経由せずに直接、排気熱回収用熱交換器に供給する排気量を増やすことができ、温水需要に的確に対応することができることになる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
【0014】
図1において、符号1は、実施形態に係る自家用小型熱電併給装置を示す。この熱電併給装置1は、小形ガスタービン2と、スターリングエンジン3と、温水発生装置としての排気熱回収用熱交換器4とから概略構成されており、これらは、全体として、みかん箱程度から電気洗濯機程度の大きさ内に収納されることになっている(例えば横幅50cm前後、奥行き30cm前後、高さ100cm前後)。
【0015】
上記小形ガスタービン2は、3〜4kwh程度の発電を主目的としてガスサイクル(例えばブレイトンサイクル(図2参照))を構成すべく、空気圧縮部5と、該空気圧縮部5に対して吸気通路6を介して接続される燃焼室部7と、該燃焼室部7に燃焼ガス通路8を介して接続されるタービン部9とを備えている。
【0016】
前記空気圧縮部5は、その上流端開口が大気に臨んで大気(空気)を吸引、圧縮する機能を有しており、その圧縮された圧縮空気は吸気通路6を通じて燃焼室部7内に供給されることになっている。
【0017】
前記燃焼室部7は、燃焼室を形成して、その内部に燃料ノズル10と着火装置11とを臨ませている。燃料ノズル10にはレギュレータ12を介して燃料源としての燃料ボンベ13が接続されており、燃料ボンベ13内の燃料は、一定の圧力の下で燃焼室部7内に供給されることになっている。この燃料ボンベ13内の燃料としては、天然ガス、プロパンガス、ブタンガス等の種々の気体燃料が適宜用いられることになっている。勿論この他に、都市ガスを燃焼室部7内に供給してもよいし、灯油、アルコール等の液体燃料を燃焼機内に噴霧してもよい。着火装置11は、前記燃料ノズル10を介して燃焼室部7内に供給された燃料に対して着火させる機能を有しており、この着火により、燃焼室部7内に供給される前記圧縮空気と上記燃料とは、協働して定圧燃焼を行うことになる。
【0018】
前記タービン部9は、前記燃焼室部7内で発生する燃焼ガスを燃焼ガス通路8を介してハウジング内に受け入れて、断熱膨張に基づき該タービン部9におけるハウジング内のタービンを駆動すると共に、該タービン部9内で断熱膨張し終えた燃焼ガス(以下、排気と称す)を排気通路14へと排出する機能を有している。このタービン部9におけるタービンは、回転軸15を介して空気圧縮部5における図示を略す圧縮羽(コンプレッサインペラ)及び発電機16に連結されており、空気圧縮部5及び発電機16は、タービン部9におけるにおけるタービンの駆動力に基づき、駆動されることになっている。勿論、発電機16は、駆動開始時において、電動機として機能することになる。
【0019】
本実施形態においては、空気圧縮部5及びタービン部9が自動車用ターボチャージャ用品を用いて構成されている。空気圧縮部5には、自動車用ターボチャージャ用品におけるコンプレッサインペラ等が配設され、タービン部9には、自動車用ターボチャージャ用品におけるタービン等が配設されている。この自動車用ターボチャージャ用品としては、軽自動車から3000cc級の普通自動車用エンジンに用いられるものを用いるのが好ましく、そのコンプレッサインペラ及びタービンを用いることにより、コンパクトで且つ質量が極めて小さいことを利用できると共に、特にタービンに関しては1000℃程度の排気熱にも十分に耐えられる耐熱性をも利用できることになっている。
【0020】
前記タービン部9(ハウジング)に、図1に示すように、冷却循環通路17の一部が経由され、その冷却循環通路17の他部がタービン部熱回収用熱交換器18に経由されている。この冷却循環通路17には、冷却媒体としてのオイルがオイルポンプ19により強制循環されており、そのオイルによりタービン部9の熱(例えば1000℃以下)が奪われ、その奪われた熱が、タービン部熱回収用熱交換器18において、外部から供給される水と熱交換されて、温水が生成されることになっている。この温水は、温水通路20により集合タンク21内に送り込むことができることになっており、その集合タンク21内の温水は、該集合タンク21に接続される開閉弁22を開弁することにより使用できることになっている。この温水通路20には、その途中において分岐通路23が連なり、その分岐通路23に開閉弁24が設けられており、その開閉弁24を開弁することによりタービン部熱回収用熱交換器18から流出する温水が使用できることになっている。この場合、温水通路20に、分岐通路23との接続部よりも下流側において開閉弁(閉弁状態)を設ければ、分岐通路23に温水を的確に導くことができるが、分岐通路23の下流端の位置を、集合タンク21に対する温水通路20の接続端よりも低くして、位置ヘッドを利用することにより、タービン部熱回収用熱交換器18から流出する温水を分岐通路23側に導いてもよい。勿論このときには、分岐通路23との接続部よりも下流側における上記開閉弁24については省くことができることになる。
【0021】
前記スターリングエンジン3は、図1に示すように、前記タービン部9からの排気熱(例えば500℃前後)を外部熱源として利用すべく、前記排気通路14上に設けられている。このスターリングエンジン3は、図3に示すように、等容加熱過程、等温膨張過程、等容冷却過程及び等温圧縮過程からなるスターリングサイクルを得るように構成されており、そのスターリングサイクルを得るために、本実施形態においては、ディスプレーサ形スターリングエンジン3が用いられている。勿論、スターリングエンジン3として、他の種々のタイプのものを用いてもよい。このディスプレーサ形スターリングエンジン3は、既知の如く、ディスプレーサピストン25を往復動させることにより、作動流体を、加熱部26、蓄熱部(再生部)27及び冷却部28を直列に備える往復路29を介してシリンダ30内の高温空間31と冷却空間32との間を往復させ、これにより生じた圧力変化を動力としてパワーピストン33により取り出すことになっている。この動力は、クランク軸34を介して発電機35に伝達されることになっており、その発電機35により1kwh程度の出力が得られることになっている。
【0022】
前記スターリングエンジン3における加熱部26には、上記排気通路14が経由されて、該排気通路14内の排気熱が加熱部26に供給されることになっている。これにより、タービン部9からの排気熱が、先ず、スターリングエンジン3の駆動のために使用され、そのスターリングエンジン3を通じて発電機35により、熱エネルギよりも高品位な電気エネルギが得られることになっている。一方、スターリングエンジン3における冷却部28には、図1に示すように、冷却循環通路36の一部が経由され、その冷却循環通路36の他部が冷却媒体熱回収用熱交換器37に経由されている。この冷却循環通路36には、冷却媒体(オイル又は水等)がポンプ38により強制循環されており、その冷却媒体により冷却部28から熱が奪われ、その奪われた熱が、冷却媒体熱回収用熱交換器37において、外部から供給される水と熱交換されることになっている。
【0023】
前記排気熱回収用熱交換器4は、図1に示すように、前記スターリングエンジン3(加熱部26)よりも下流側において前記排気通路14上に設けられている。この排気熱回収用熱交換器4には、前記冷却媒体熱回収用熱交換器37からの流出水が、流入水として供給されており、その流入水と排気(例えば100〜200℃)とが、排気熱回収用熱交換器4において熱交換されることになっている。この排気熱回収用熱交換器4から流出する流出水は、温水として温水通路39により前記集合タンク21に供給できることになっている。これにより、集合タンク21内においては、前記温水通路20からの温水により、温水通路39からの温水の温度が引き上げられることになり、温水通路39からの温水の使用価値(温度)が高められることになっている。また、この温水通路39にも、その途中において分岐通路40が連なり、その分岐通路40に開閉弁41が設けられており、その開閉弁41を開くことにより、排気熱回収用熱交換器4からの流出水が温水として利用できることになっている。本実施形態においては、このときにも、分岐通路40の下流端に対する位置を、集合タンク21に対する温水通路39の接続端よりも低くして、温水通路39に開閉弁を設けなくても、分岐通路40側に排気熱回収用熱交換器4からの流出水を的確に導くことができることになる。
【0024】
前記タービン部9と前記排気熱回収用熱交換器4との間に、図1に示すように、前記スターリングエンジン3の加熱部26をバイパスするバイパス通路42が設けられている。このバイパス通路42には、調整弁としての開閉弁43が設けられており、その開閉弁43を開弁することにより、タービン部9からの排気を、スターリングエンジン3の加熱部26を経由させることなく直接的に排気熱回収用熱交換器4に供給して、温水需要(使用量、使用温度)の増大に的確に対応できることになっている。本実施形態においては、スターリングエンジン3の加熱部26側に排気が供給されることを的確に制限すべく、開閉弁43が開弁状態とされたときに閉弁される開閉弁44が排気通路14に設けられている。勿論、両開閉弁43、44の開度を適宜調整して、排気通路14及びバイパス通路42への排気の流量を調整してもよい。
【0025】
このような熱電併給装置1においては、通常、開閉弁43が閉弁されており、小形ガスタービン(タービン部9)2からの排気は、排気通路14を通じて、スターリングエンジン3(加熱部26)、排気熱回収用熱交換器4を経由して大気に放出される。これにより、小形ガスタービン2により発電機16を通じて3〜4kwh程度の電気エネルギを得ることができるだけでなく、スターリングエンジン3により発電機35を通じて1kwh程度の電気エネルギを得ることができることになり、小形ガスタービン2からの排気熱は、先ず、熱エネルギよりも高品位な電気エネルギとして、できるだけ回収されることになる。このため、熱エネルギに変換し易い電気エネルギの形態で排気熱をできるだけ回収して、電気に対する需要が多いときには、その重点をおいて回収した電気エネルギを使用することができ、温水に対する需要が多いときには、電気エネルギを各種機器、例えば集合タンク21内に電気エネルギに基づき発熱する加熱機器(図示略)を配設しておくことにより、温水の需要増大に的確に対応できることになる。勿論、電気エネルギが余るときには、バッテリに蓄積したり、電力会社に買電してもよい。
【0026】
一方、残りの排気熱については、排気熱回収用熱交換器4により徹底的に温水として回収される。このため、排気熱のほとんどが回収されることになり、熱電併給装置1を使用する場合に得られる高い熱効率が保持されることになる。また、排気熱回収用熱交換器4から流出する温水に関しては、その排気熱回収用熱交換器4に流入する流入水として、スターリングエンジン3における冷却部28の回収熱が付加されたものが使用されることから、その回収熱を付加しない場合に比して、排気熱回収用熱交換器4からの温水温度を高めることができることになる。
【0027】
さらに、タービン部9の冷却に際しての回収熱に基づき温水が生成されることから、高い温度の温水を得ることができ、その使用範囲、使用用途等を広げて、その使用の自由度を高めることができることになる。
【0028】
さらにまた、温水に対する需要が多いときには、バイパス通路42を開いて、排気熱回収用熱交換器4に供給する排気量を増やすことができ、その排気熱を通じて、温水の量を増やし、或いは、温水の温度を高めることができることになる。
【0029】
尚、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましい或いは利点として記載されたものに対応したものを提供することをも含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係る熱電併給装置1を説明する説明図。
【図2】ブレイトンサイクルを示す図。
【図3】スターリングサイクルを示す図。
【符号の説明】
1 熱電併給装置
2 小形ガスタービン
3 スターリングエンジン
4 排気熱回収用熱交換器
5 空気圧縮部
9 タービン部
16 発電機
18 タービン部熱回収用熱交換器
21 集合タンク
26 加熱部
35 発電機
37 冷却媒体熱回収用熱交換器
42 バイパス通路
43 開閉弁(調整弁)

Claims (5)

  1. 発電を目的とした小形ガスタービンのタービン部下流側に、発電機の駆動を目的としたスターリングエンジン、該タービン部からの排気熱の回収を目的とした排気熱回収用熱交換器が順次、配設され、
    前記スターリングエンジンが、前記タービン部からの排気熱を外部熱源として該スターリングエンジンの加熱部に供給することにより駆動されるように設定され、
    前記排気熱回収用熱交換器が、前記スターリングエンジンの加熱部を経た排気と該排気熱回収用熱交換器に供給する水との間で熱交換するように設定され、
    前記スターリングエンジンの冷却部を冷却した後の冷却媒体と水とが冷却媒体熱回収用熱交換器を介して熱交換され、
    前記冷却媒体熱回収用交換器から流出する水が、前記排気熱回収用熱交換器への流入水として該排気熱回収用熱交換器に供給されている、
    ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置。
  2. 発電を目的とした小形ガスタービンのタービン部下流側に、発電機の駆動を目的としたスターリングエンジン、該タービン部からの排気熱の回収を目的とした排気熱回収用熱交換器が順次、配設され、
    前記スターリングエンジンが、前記タービン部からの排気熱を外部熱源として該スターリングエンジンの加熱部に供給することにより駆動されるように設定され、
    前記排気熱回収用熱交換器が、前記スターリングエンジンの加熱部を経た排気と該排気熱回収用熱交換器に供給する水との間で熱交換するように設定され、
    前記小形ガスタービンのタービン部を冷却する冷却媒体と水とが、タービン部熱回収用熱交換器を介して熱交換されている、
    ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置。
  3. 請求項において、
    前記排気熱回収用熱交換器から流出する流出水と前記タービン部熱回収用熱交換器から流出する流出水とが、選択的に集合タンクに供給されるように設定されている、
    ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置。
  4. 発電を目的とした小形ガスタービンのタービン部下流側に、発電機の駆動を目的としたスターリングエンジン、該タービン部からの排気熱の回収を目的とした排気熱回収用熱交換器が順次、配設され、
    前記スターリングエンジンが、前記タービン部からの排気熱を外部熱源として該スターリングエンジンの加熱部に供給することにより駆動されるように設定され、
    前記排気熱回収用熱交換器が、前記スターリングエンジンの加熱部を経た排気と該排気熱回収用熱交換器に供給する水との間で熱交換するように設定され、
    前記ガスタービンにおける構成要素としての空気圧縮部及び前記タービン部に、自動車用ターボチャージャー用品が用いられている、
    ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置。
  5. 発電を目的とした小形ガスタービンのタービン部下流側に、発電機の駆動を目的としたスターリングエンジン、該タービン部からの排気熱の回収を目的とした排気熱回収用熱交換器が順次、配設され、
    前記スターリングエンジンが、前記タービン部からの排気熱を外部熱源として該スターリングエンジンの加熱部に供給することにより駆動されるように設定され、
    前記排気熱回収用熱交換器が、前記スターリングエンジンの加熱部を経た排気と該排気 熱回収用熱交換器に供給する水との間で熱交換するように設定され、
    前記タービン部下流側と前記排気熱回収用熱交換器との間に、前記スターリングエンジンをバイパスするバイパス通路が設けられ、
    前記バイパス通路に、前記排気の流れを調整する調整弁が設けられている、
    ことを特徴とする自家用小型熱電併給装置。
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