JP6741758B2 - ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の運転方法 - Google Patents

ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、請求項１の前文に記載のガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の運転方法に関する。
ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所のこのような運転方法、並びに、このようなガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所（GuD-Kraftwerk）は一般的な従来技術から既によく知られている。ガス・蒸気・発電所はコンバインドサイクル発電所とも呼ばれ、少なくとも１つのタービン装置、電気を供給するためにこのタービン装置で駆動される少なくとも１つの発電機、及び、少なくとも１つのガスタービンを含んでいる。発電機がタービン装置で駆動されると、発電機は機械エネルギーを電気エネルギーすなわち電流に変換し、この電気エネルギーすなわち電流を供給する。この電流は次に例えば電力系統に供給される。
この場合、ガスタービンは排ガスを供給し、この排ガスにより高温の蒸気が発生される。例えば、ガスタービンには燃料、特に例えば天然ガスのようなガス燃料が供給され、この燃料がガスタービンにより燃焼される。特に、ガスタービンには燃料に加えて酸素ないし空気が供給されるので、空気と燃料から燃料・空気・混合気が生成される。この燃料・空気・混合気が燃焼され、その結果、ガスタービンの排ガスが生じる。この排ガスを用いて例えば液体、特に水が加熱され、蒸発し、その結果、高温蒸気が生成される。このことは、ガスタービンの排ガスを用いて、ガスタービンの高温排ガスにより液体、例えば水が蒸発して高温蒸気が発生される、ことを意味する。
この蒸気がタービン装置に供給されるので、このタービン装置はこの蒸気により駆動される。既述したように、タービン装置を介して、すなわち、タービン装置により発電機が駆動される。ガス・蒸気・コンビ発電所とも呼ばれるガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所は、ガスタービン発電所と蒸気発電所の原理が組み合わされた発電所である。この場合、ガスタービンないしその排ガスは後置接続された蒸気発生器の熱源として働き、この蒸気発生器によりタービン装置用の、すなわち、タービン装置を駆動するための蒸気が発生される。すなわち、このタービン装置は蒸気タービンとして形成されている。
このことは、ガスタービンが、蒸気発生器に供給される排ガスを提供することを意味する。こうして、蒸気発生器に供給された排ガスと蒸気発生器とにより高温の蒸気が発生され、この高温蒸気によりタービン装置が、そして、このタービン装置を介して、電流を供給するための発電機が駆動される。さらに、蒸気発生器に供給された排ガスはこの蒸気発生器から再び少なくとも一部が排出される。
このようなガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所（GuD-Kraftwerk）は、特に電力需要に応じて運転を停止しなければならないことが判っており、その結果、発電機は電気を供給せず、例えば駆動されず、さらにその結果、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所から電力系統へは電気が供給されない。この運転停止の結果、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所はクールダウンし、その結果、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の再運転投入ないし出力アップには特に長い時間と特に大きなエネルギーが必要となる。そこで通常は、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所が運転停止されている期間は、そのガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所を保温するように構成されている。この場合、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所は蒸気を用いて保温される。保温のための蒸気は通常はボイラーにより、特にガスボイラーにより発生される。ボイラーにより、例えば水のような液体が蒸発され、このために燃料が使用される。このボイラーにより発生された蒸気はガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所を保温すべく、ないし、温めるべく、そのガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の少なくとも一部を通って導かれる。次にこのガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所は、その運転停止後に、ホットスタート運転で起動することができる。というのは、このガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所は既に、スタート可能な十分に高い温度となっているからである。しかし、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所が運転停止されている時間が長くなるにつれて、この発電所は徐々にクールダウンするので、保温ないし加温のための蒸気量を増やす必要がある。
本発明の課題は、冒頭に述べた様式の方法を改善して、特に効率の良い運転を実現することにある。
この課題は請求項１の特徴を備えた方法により解決される。本発明の合目的的な改善を有する好適な形態は従属請求項に記載されている。
請求項１の前文に記載された様式の方法を、特に効率の良い運転を実現すべく改善するために、本発明によれば、蒸気発生器の下流でガスタービンの排ガスに含まれている熱の少なくとも一部が、吸熱化学反応、すなわち、熱を吸収する化学反応、を惹き起こすために利用されるように構成されている。このことは、例えば蒸気発生器から流出する排ガスが、ガスタービンの排ガスの流れ方向において、蒸気発生器の下流で或る温度を有しているので、ガスタービンの排ガスに蒸気発生器の下流で、すなわち、蒸気を発生した後で、ガスタービンの排ガスに熱が含まれていることを意味する。蒸気発生器の下流で、すなわち、蒸気発生器の後方で、排ガスに含まれているこの熱が吸熱化学反応を惹き起こすために利用される。このために、排ガスに含まれているこの熱が吸熱化学反応に、すなわち、吸熱化学反応の反応物（Edukte）に供給される。これにより、吸熱化学反応に供給された熱の少なくとも一部が吸熱化学反応の生成物（Produkte）に蓄えられるので、熱化学的な貯蔵器、特に熱化学的な蓄熱器を得ることができる。
蒸気発生器の下流でガスタービンの排ガスに含まれていた熱の少なくとも一部が吸熱化学反応の生成物に蓄えられ、この生成物に蓄えられた熱は例えば後の時点で、及び／又は、他の諸目的に利用することができる。
本発明は特に次の考えに基づく。すなわち、蒸気発生器の後方でガスタービンの排ガスに含まれている熱、これは通常は利用されずに失われる、を利用し、蒸気発生器の下流で排ガスに含まれている熱の少なくとも一部を特に吸熱化学反応の生成物に蓄えるという考えに基づく。
特にこの熱を地域暖房目的に蓄えることができる。例えば、発熱化学反応、すなわち、化学的な熱を発生する反応を生じさせることができ、この場合、吸熱化学反応の生成物は発熱化学反応の反応物であり、すなわち、発熱化学反応の反応物として利用できる。発熱化学反応において熱が解放され、この熱を用いて媒体、特に水を効率よく加熱することができる。発熱化学反応の生成物は例えば、吸熱化学反応の反応物として利用することができる。
熱化学的な蓄熱器を利用して、地域暖房実現に関する特に高いフレキシビリティを達成することができる。特に、熱化学的な蓄熱器に熱ないしエネルギーを蓄積することができるので、特に熱需要が大きい場合には、媒体、特に水をこの熱化学的な蓄熱器により効果的に加熱することができる。このために、蒸気発生器の下流で排ガスに含まれている熱を利用することができるので、特に高い効率を達成することができる。吸熱化学反応の生成物に蓄えられており、発熱化学反応において解放される熱が例えば前記媒体に伝達され、この媒体を加熱することができる。次にこの媒体を例えば暖房目的に、特に地域暖房を実現するために利用することができる。
本発明の好適な一実施形態では、蒸気発生器の下流で排ガスに含まれている熱の少なくとも一部が熱交換器を介して吸熱化学反応の反応物に伝達されるように構成されている。
本発明の好適な一実施形態では、前記蒸気発生器により発生された蒸気の少なくとも一部が分岐され、蒸気蓄積器に蓄積されるように構成されている。さらに、この蒸気蓄積器に蓄積された蒸気の少なくとも一部がこの蒸気蓄積器から排出される。この蒸気蓄積器から排出された蒸気が、発熱化学反応において解放された熱により加熱される。さらに、この加熱された蒸気がタービン装置に案内され、このタービン装置は、この供給され、加熱された蒸気により駆動され、特に加速される。
本発明の好適な一実施形態では、吸熱化学反応の生成物が発熱化学反応の反応物として利用されるように構成されている。
本発明の好適な一実施形態では、タービン装置にこのタービン装置を駆動するために前記の加熱された蒸気が供給され、これにより、このガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所を第１の負荷領域から、この第１の負荷領域よりも大きい第２の負荷領域に出力アップすることができるように構成されている。
本発明の好適な一実施形態では、前記吸熱化学反応が前記第２の運転領域において惹き起こされるように構成されている。
本発明には、本発明による方法を実施するために形成されたガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所も含まれている。本発明による方法の好適な形態は、本発明によるガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の好適な形態として見做すことができ、逆も成立つ。
本発明のさらなるメリット、特徴及び詳細について、好適な実施例に関する下記明細書の記載並びに図面に基づき説明する。本明細書において上述した諸特徴、及び、特徴の組合わせ、並びに、以下に図面の説明において以下に記載された諸特徴及び特徴の組合わせ、及び／又は、この唯一の図面においてのみ示された、諸特徴及び特徴の組合わせは、その都度記載された組合せにおいてだけでなく、他の組合せにおいても、又は、単独でも、本発明の範囲を逸脱することなく、利用することができる。
ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所を模式的に示す唯一の図であり、この発電所では、特に高い効率を達成するために、熱化学的な蓄熱器が使用されている。
この唯一の図面である図１は、全体として符号１０を付したガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所の模式図であり、この発電所はＧｕＤ発電所とも、又は、読み易くするために発電所とも記される。この発電所は少なくとも１つのガスタービン１２を含み、このガスタービンには例えば、発電所を運転するための一環として燃料が供給される。ガスタービン１２への燃料供給は図では方向付き矢印１４で示されている。この燃料は特に、例えば天然ガスのようなガス燃料である。さらに、ガスタービン１２へは空気が供給され、これは図では方向付き矢印１６で示されている。この燃料はガスタービン１２により燃焼され、その結果、ガスタービン１２の排ガスが発生する。こうしてガスタービン１２は排ガスを供給し、このことが図では方向付き矢印１８で示されている。ガスタービン１２の内部で例えば、燃料と空気とから成る混合気が形成され、この混合気が燃焼される。その結果、ガスタービン１２の排ガスが発生する。
方向付き矢印１８から判るように、この排ガスが発電所の蒸気発生器２０に供給される。この蒸気発生器２０はボイラー又は蒸発器とも呼ばれる。さらに、蒸気発生器２０には特に水の形態の液体が供給される。ここで、ガスタービン１２の排ガスから水への熱伝達が行われ、これによりこの水が加熱され蒸発する。こうして、水から蒸気が生成される。このことは、ガスタービン１２の排ガスおよび蒸気発生器２０を用いて、蒸気発生器２０に供給された水（液体）から蒸気が発生されることを示す。排ガスから水へのこの熱伝達の結果、排ガスは冷却されるので、この排ガスは例えば第１の温度Ｔ１で蒸気発生器２０から排出される。この第１の温度Ｔ１は例えば少なくともほゞ９０℃（摂氏）である。
この発電所はさらに、全体を符号２２で示されたタービン装置を含み、このタービン装置はここでは第１タービン２４及び第２タービン２６を含んでいる。この第１タービンは例えば高圧タービンとして形成されており、第２タービンは中圧及び低圧タービンとして形成されている。ガスタービン１２の排ガスおよび蒸気発生器２０を用いて発生された蒸気がタービン装置２２に供給され、その結果、タービン装置２２、特にタービン２４および２６が発生された高温蒸気により駆動される。タービン装置２２により、この高温蒸気に含まれているエネルギーが機械エネルギーに変換され、この機械エネルギーがシャフト２８を介して供給される。タービン装置２２は例えば、図面に詳細には示されていないタービンホイールを含み、このタービンホイールに蒸気が供給される。これによってこのタービンホイールが蒸気により駆動される。これらのタービンホイールは例えばシャフト２８に回り止めして結合されているので、タービンホイールが蒸気で駆動されると、シャフト２８がタービンホイールにより駆動される。
この発電所はさらに少なくとも１つの発電機３０を含んでおり、この発電機はタービン装置２２のシャフト２８を介して駆動することができる、ないし、駆動される。こうして、発電機３０にシャフト２８を介して機械エネルギーが供給され、この発電機３０によって、供給された機械エネルギーの少なくとも一部が電気エネルギーすなわち電流に変換される。この発電機３０はこの電流を供給することができ、この電流は例えば電力系統に供給することができる。
前記蒸気はタービン装置２２から排出されて、コンデンサーとして機能する、ないし、形成されている熱交換器３２に供給される。この熱交換器３２によりこの蒸気が冷却され、それによりこの蒸気は凝縮する。こうして、この蒸気は再び上述した水となり、この水を蒸気発生器２０に再び供給することができる。
前記蒸気を熱交換器３２で冷却するために、熱交換器３２には例えば冷媒、特に冷却液が供給される。この場合、蒸気から冷却液への熱伝達が起こり、これによって蒸気が冷却され、その結果、凝縮する。
この発電所は、図面に詳細には示されていない多数の配管を有し、これらの配管を通って、ガスタービン１２の排ガスにより発生された蒸気がそれぞれ流れる。これらの流れの温度は異っている。図面にはガスタービン１２の排ガスにより発生された蒸気の異なる温度Ｔ２、Ｔ３及びＴ４が示されており、ここでは、温度Ｔ２は例えば５９５℃、温度Ｔ３は３６０°、そして、温度Ｔ４は２４０℃である。この水は例えば４０℃の温度Ｔ５でコンデンサーから流出する。
電力需要に応じて、すなわち、電力系統から供給すべき電流の量に応じて、発電所は作動され、すなわち、運転に投入され、及び、作動停止され、すなわち、運転を停止される。例えば、この発電所は小さい電力需要時にのみ運転停止される。電力需要が大きくなると、発電所は運転停止後に再び運転に投入される。時間的に発電所の運転停止後に行われる運転投入がホットスタートとして行われると好適であり、これによって発電所を急速に且つエネルギー効率よく運転に投入することができる。このホットスタートを実現するために、特にエネルギー効率のよいホットスタートを実現するために、運転停止後、発電所が運転停止されている期間、発電所の過剰なクールダウンないし冷却を避けるために、発電所は保温状態に保たれる、ないし、温められる。
ガスタービン１２が排ガスを供給し、この排ガスが蒸気発生器２０に供給されることが判る。さらに、蒸気発生器２０に水が供給される。蒸気発生器に供給されたガスタービン１２の排ガス及び蒸気発生器２０を用いて、水が少なくとも部分的に加熱され、蒸発し、これにより蒸気が発生する。さらに、蒸気発生器２０に供給されたガスタービン１２の排ガスの少なくとも一部は蒸気発生器２０から排出される。
さて、特に高い効率、すなわち、特に効率の良い運転を実現するために、この発電所は熱化学的な蓄熱器３４を含んでおり、この蓄熱器は、例えば少なくとも１つの反応装置で形成されている、すなわち、少なくとも１つの反応装置を含んでいる。ガスタービン１２の排ガスは、その流れ方向を基準にして、蒸気発生器２０の下流で、すなわち、蒸気発生器２０後方で温度Ｔ１を有しているので、蒸気発生器２０の下流におけるガスタービン１２の排ガスには熱が含まれている。
ガスタービン１２の排ガスに蒸気発生器２０の下流で含まれているこの熱の少なくとも一部が、図面において方向付き矢印３６で示されているように、熱化学的な蓄熱器（反応装置）３４に供給される。熱化学的な蓄熱器に供給されているこの熱が、吸熱化学反応を惹き起こすのに利用される。換言すれば、蒸気発生器２０から排出された排ガスから熱化学的な蓄熱器３４に供給された熱によって、吸熱化学反応が惹き起こされる。こうして、熱化学的な蓄熱器３４に供給された熱、ないし、熱化学的な蓄熱器３４に供給された熱の少なくとも一部、が吸熱化学反応の生成物に蓄えられ、この場合、この蓄えられた熱を需要に応じて利用することができる。
ガスタービン１２の排ガスに蒸気発生器２０の下流で含まれている熱のこの少なくとも一部が、例えば、排ガスの少なくとも一部が流れる少なくとも１つの熱交換器３８を介して、熱化学的な蓄熱器３４に、特に吸熱化学反応に、すなわち、吸熱化学反応の反応物に供給される。この時、排ガスから熱交換器３８を介して吸熱化学反応の反応物への熱伝達が行われる。排ガスの流れ方向を基準にして、熱交換器３８は蒸気発生器２０の下流に配置されている。
上述した熱伝達の結果、この排ガスは冷却される。熱交換器３８に供給される排ガスは、例えば、図面において方向付き矢印４０で示されているように、熱交換器３８から排出され、熱交換器３８の下流で例えば温度Ｔ６を有し、この温度は７０℃であり、温度Ｔ１より低い。さらに、この排ガスの質量流量は８８４ｋｇ／ｓで、圧力は１バールである。さらに、蒸気発生器２０から流出する排ガスの少なくとも一部が熱交換器３８ないし熱化学的な蓄熱器３４に供給される。
この吸熱化学反応は化学平衡反応の例えば正反応である。この正反応の一環として、吸熱化学反応の反応物から吸熱化学反応の生成物が生成される（正反応）。
この化学平衡反応には逆反応も含まれており、この逆反応は発熱化学反応として形成されている。この場合、正反応の生成物は逆反応の反応物であり、逆反応の生成物は正反応の反応物である。この正反応、及び／又は、逆反応は例えば反応装置内で、すなわち、熱化学的な蓄熱器３４内で生じる。
この逆反応の一環として、熱が解放される。この逆反応の一環として解放される、または、解放された熱は暖房目的に、特に地域暖房のために利用することができる。例えば、逆反応により解放された熱により蒸気を発生させる、及び／又は、供給された蒸気を加熱する、特に過熱する、ことが可能であり、このことにより、発生された、ないし、加熱された蒸気を用いて、例えば、発電所の少なくとも一部を温める、または、タービン装置２２を駆動する、特に加速することができ、その結果、例えば、この発電所を第１の負荷領域から、それよりも高い第２の負荷領域に出力アップすることができる。
しかし、ここでは、逆反応時に解放された熱は暖房目的に、特に地域暖房のために利用される。逆反応時に解放される熱により、例えば、特に水の形態の液体が加熱される。この水はこの熱化学的な蓄熱器の別の熱交換器４２に供給され、このことが図面において方向付き矢印４４で示されている。逆反応時に解放される熱は、熱交換器４２を介して、熱交換器４２を貫流する水に供給され、これによってこの水が加熱される。この加熱された水は熱交換器４２から排出され、このことが図面において方向付き矢印４６で示されている。例えば、この水の質量流量は１１００ｋｇ／ｓ（キログラム／秒）である。この水は例えば温度Ｔ７で提供され、この水がこの温度Ｔ７で熱交換器４２に供給される。熱交換器４２によりこの水は温度Ｔ８に加熱され、この場合、温度Ｔ７は例えば６５℃（摂氏）、温度Ｔ８は１００℃である。こうして温度Ｔ８は温度Ｔ７より高くなり、この場合、この水の温度Ｔ７は熱交換器４２の上流側、温度Ｔ８は熱交換器４２の下流側の温度である。さらに、例えば、この水の圧力を１４．５バールとするように構成することができ、この場合、この圧力と温度Ｔ７の水が提供され、熱交換器４２に供給される。
正反応は排ガス温度９０℃で惹き起こされるので、この熱化学的な蓄熱器は９０℃で蓄熱される。この水が熱化学的な蓄熱器３４により１３０℃に加熱されるので、この熱化学的な蓄熱器３４は１３０℃で放熱される。
熱交換器３８を使用することにより正反応の反応物を排ガスから分離することができるので、排ガスはこの正反応の反応物と直接には接触しない。代案では、排ガスが正反応の反応物と直接に接触することが可能であり、この場合、排ガスは反応物に衝突して流れる、ないし、その周りを流れる。この場合には、例えば熱交換器３８は不要となる。このことは逆反応にも適用できる：すなわち、熱交換器４２を使用することにより逆反応の反応物、及び／又は、生成物を、解放された熱により加熱される水から分離することができるので、この水は逆反応の反応物、及び／又は、生成物と直接には接触しない。代案では、この水が逆反応の反応物、及び／又は、生成物と直接に接触することが可能であり、この場合、この水は反応物、及び／又は、生成物に衝突して流れる、ないし、その周りを流れる。この場合には、例えば熱交換器４２は不要となる。
熱化学的な蓄熱器３４により加熱された水は例えば、家庭に温水を供給するために、及び／又は、家庭を暖房するために利用することができる。こうして、全体として特に効率の良いプロセスを実現することができる。特に、ピーク負荷ないし大きい熱需要をこの熱化学的な蓄熱器３４によりカバーすることができる。というのは、この水を加熱するために、蒸気発生器２０の下流で排ガスに含まれている熱の少なくとも一部が、少なくとも間接的に利用されるからである。排ガス及び水の質量流量に応じて、排ガスの一部のみを蒸気発生器２０の下流で、及び／又は、水の一部のみを熱交換器４２に、供給することが可能であり、その結果、この熱化学的な蓄熱器３４により、特に、この水を少なくともほゞ連続的に加熱することが保証される。
１０ 発電所
１２ ガスタービン
１４ 燃料
１６ 空気
１８ 排ガス
２０ 蒸気発生器
２２ タービン装置
２４ 第１タービン
２６ 第２タービン
２８ シャフト
３０ 発電機
３２ 熱交換器
３４ 熱化学的な蓄熱器
３８ 熱交換器
４２ 熱交換器
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３，Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８ 温度

Claims (6)

  1. ガスタービン（１２）から提供される排ガスが蒸気発生器（２０）に供給される、ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所（１０）の運転方法であって、前記蒸気発生器（２０）に供給された前記排ガス及び前記蒸気発生器（２０）により高温蒸気が発生され、この蒸気を用いて少なくとも１つのタービン装置（２２）により、電気を供給するための少なくとも１台の発電機が駆動され、この時、前記蒸気発生器（２０）に供給された排ガスがこの蒸気発生器（２０）から排出される方法において、
    前記蒸気発生器（２０）の下流で前記排ガスに含まれている熱の少なくとも一部を、吸熱化学反応の反応物に伝達し、発熱化学反応の反応物として利用される前記吸熱化学反応の生成物を生成するために、利用し、
    前記発熱化学反応の反応物から前記発熱化学反応の生成物を生成した際に解放した熱により熱媒を加熱し、
    加熱された前記熱媒により発生した蒸気を用いてタービン装置（２２）を駆動する、
    方法。
  2. 加熱した後の前記熱媒の温度は、前記吸熱化学反応の反応物に伝達される前記排ガスに含まれている熱の温度より高く、
    加熱する前の前記熱媒の温度は、前記吸熱化学反応の反応物に伝達される前記排ガスに含まれている熱の温度より低い、
    請求項１に記載の方法。
  3. 次のステップを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法：
    ・前記蒸気発生器（２０）により発生された前記蒸気の少なくとも一部が分岐され、この分岐された蒸気が蒸気蓄積器（３４）に蓄えられるステップ。
    ・前記蒸気蓄積器（３４）に蓄えられた蒸気の少なくとも一部がこの蒸気蓄積器（３４）から排出されるステップ。
    ・前記蒸気蓄積器（３４）から排出された蒸気が、発熱化学反応において解放された熱により加熱されるステップ。
    ・前記の加熱された蒸気が前記タービン装置（２２）に導かれ、この供給された加熱蒸気により前記タービン装置（２２）が駆動されるステップ。
  4. 前記タービン装置（２２）にこのタービン装置（２２）を駆動するために前記加熱蒸気が供給され、これにより、前記ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所（１０）を第１の負荷領域から、この第１の負荷領域よりも大きい第２の負荷領域に出力アップすることができることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 前記吸熱化学反応が前記第２の負荷領域で惹き起こされることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. ガス・蒸気・コンバインドサイクル発電所（１０）であって、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法を実施するための発電所。
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