KR101291697B1 - 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치 - Google Patents

발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제어밸브의 개도량 변화에 따른 압력거동을 정확히 파악하고, 증기 압력에 따른 제어밸브의 개도량을 정확히 산출할 수 있을 뿐만 아니라, 보일러 또는 터빈의 긴급사태로 인해 증기의 공급이 급작스럽게 중단될 경우에 제어밸브에 미치는 압력거동이나 안정성에 대해서도 정확히 파악할 수 있는 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 발전기의 증기발생기와 터빈 사이에 배치되어 터빈으로 공급되는 증기의 양을 조절하는 제어밸브의 개도량에 따른 제어밸브의 유량특성을 실험하는 장치에 있어서, 압축공기를 생성하는 공기압축기; 상기 공기압축기의 후방측에 배관으로 연결되고, 실제 증기 터빈에 사용되는 제어밸브를 일정 비율로 축소하여, 개도량이 조절 가능하게 형성된 모형밸브; 상기 모형밸브의 입구측에 배치되는 제1압력계; 및 상기 모형밸브의 출구측에 배치되는 제2압력계를 포함하여 이루어지며, 상기 모형밸브는, 입구와 출구 사이에 내부통로를 가지는 밸브몸체와, 상기 밸브몸체의 내부통로의 개방 정도를 미세하게 조절하여 개도량을 변화시키는 디스크와 이 디스크를 외부에서 조작하기 위한 스템으로 이루어진 개도량조절용 조작부와, 상기 밸브몸체의 내부통로를 개방 또는 폐쇄시키는 개폐부재와 이 개폐부재를 외부에서 조작하기 위한 스템으로 이루어진 통로폐쇄용 조작부를 구비한 것이다.

Description

발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치{Control valve flow characteristic testing apparatus for generator turbine}
본 발명은 보일러에서 발생된 증기를 터빈으로 공급하여 터빈의 회전에 의해 전력을 생산하는 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보일러와 터빈 사이에 설치되어 터빈으로 공급되는 증기의 양을 조절하는 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치에 관한 것이다.
일반적으로 화력발전소나 원자력발전소에서는 물을 고온으로 가열하여 고압의 증기를 생성하는 증기발생기가 구비되고, 증기발생기에서 발생된 증기압을 이용하여 터빈을 회전시키며, 터빈의 회전력으로 발전기를 회전시켜 전력 생산이 이루어지도록 하고 있다.
또한, 상기와 같이 증기발생기에서 생성되어 터빈으로 공급되는 증기는 그 압력에 따라 제어밸브를 통해 양이 조절되도록 되어 있는데, 이 제어밸브의 개도량에 따라 터빈의 출력제어가 이루어지도록 되어 있다.
이러한 제어밸브는 통상적으로 대용량의 발전소 시설에 맞춰 대형으로 제작되고, 기능에 최대한 적합하도록 설계되는 것으로, 사전에 제어밸브의 개도량에 따른 유량 특성을 산출하기 위해서는 제어밸브를 통상의 풍동 등에 설치한 후, 제어밸브의 입구측 및 출구측 압력을 비교하는 방식을 사용하고 있다.
그러나, 상기와 같은 방법은 대용량의 풍동 실험실을 구비하기가 매우 힘들고, 풍동 실험실을 이용할 경우에도, 실제의 증기 압력과 근사한 압력의 유체를 제어밸브로 공급하기가 매우 힘들어 정확한 유량특성을 산출하기가 매우 힘든 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 국내 공개특허 10-2009-0012914호에 알려진 발전용 터빈의 제어밸브 유량계수 산출 실험장치가 있다. 이 실험장치는 압축공기를 생성하는 공기압축기와, 상기 공기압축기의 후방측에 배관으로 연결되고 실제 증기 터빈에 사용되는 제어밸브를 일정 비율로 축소하여 개도량 조절이 가능하게 형성한 모형밸브와, 상기 모형밸브의 입구측에 배치되는 제1압력계와, 상기 모형밸브의 출구측에 배치되는 제2압력계를 기본 구성으로 하고 있다.
이러한 발전용 터빈의 제어밸브 유량계수 산출 실험장치에 의하면, 모형밸브의 형상 및 개도량에 따른 압력거동을 정확히 파악함으로써 발전소에 사용되는 최적의 제어밸브를 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 증기 압력에 따른 제어밸브의 개도량을 정확히 산출하여 발전기의 운전을 사전에 최적화시킬 수 있다.
그러나, 상기한 종래 구성의 발전용 터빈의 제어밸브 유량계수 산출 실험장치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 모형밸브의 스템(23)을 통상의 액츄에이터 또는 수작업으로 미세하게 상,하 이동시키는 것에 의해 디스크(24)가 입구(21)와 출구(22) 사이에 구비된 내부통로의 개방 정도를 변화시켜 개도량을 조절함으로써 모형밸브의 형상 및 개도량에 따른 압력특성을 정확히 파악할 수 있고, 이로써 실제 발전기에 사용되는 증기 압력에 따른 제어밸브의 개도량을 정확히 산출하거나 최적의 제어밸브를 설계할 수 있지만, 제어밸브의 개도량을 설정하여 증기의 공급이 이루어지고 있는 상태에서 보일러 또는 터빈의 긴급사태로 인해 증기의 공급이 급작스럽게 중단되는 경우에 있어서의 제어밸브의 압력거동이나 안정성에 대해서는 실험할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 제어밸브의 개도량 변화에 따른 압력거동을 정확히 파악하고, 증기 압력에 따른 제어밸브의 개도량을 정확히 산출할 수 있을 뿐만 아니라, 보일러 또는 터빈의 긴급사태로 인해 증기의 공급이 급작스럽게 중단될 경우에 제어밸브에 미치는 압력거동이나 안정성에 대해서도 정확히 파악할 수 있는 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 발전기의 증기발생기와 터빈 사이에 배치되어 터빈으로 공급되는 증기의 양을 조절하는 제어밸브의 개도량에 따른 제어밸브의 유량특성을 실험하는 장치에 있어서, 압축공기를 생성하는 공기압축기; 상기 공기압축기의 후방측에 배관으로 연결되고, 실제 증기 터빈에 사용되는 제어밸브를 일정 비율로 축소하여, 개도량이 조절 가능하게 형성된 모형밸브; 상기 모형밸브의 입구측에 배치되는 제1압력계; 및 상기 모형밸브의 출구측에 배치되는 제2압력계를 포함하여 이루어지며, 상기 모형밸브는, 입구와 출구 사이에 내부통로를 가지는 밸브몸체와, 상기 밸브몸체의 내부통로의 개방 정도를 미세하게 조절하여 개도량을 변화시키는 디스크와 이 디스크를 외부에서 조작하기 위한 스템으로 이루어진 개도량조절용 조작부와, 상기 밸브몸체의 내부통로를 개방 또는 폐쇄시키는 개폐부재와 이 개폐부재를 외부에서 조작하기 위한 스템으로 이루어진 통로폐쇄용 조작부를 구비한 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치에 특징이 있다.
또한, 본 발명은 상기 모형밸브에 구비된 통로폐쇄용 조작부의 개폐부재를 개도량조절용 조작부의 디스크 상부에 위치시키고 개폐부재의 하부에 디스크를 수용하는 원통형의 공간부를 형성하며, 상기 밸브몸체 내에는 통로폐쇄용 조작부의 개폐부재가 직선운동하도록 가이드하는 가이드통체와, 밸브몸체의 입구와 내부통로 사이를 차단하도록 설치되고 다수개의 정류구멍이 균일하게 형성된 정류통체를 구비한 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치에 특징이 있다.
상기의 특징적 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 모형밸브의 개도량조절용 조작부를 이용하여 모형밸브의 개도량을 미세하게 변화시키는 것에 의해 모형밸브의 형상 및 개도량에 따른 압력거동을 정확히 파악할 수 있고, 증기 압력에 따른 개도량을 정확히 산출할 수 있을 뿐만 아니라, 모형밸브의 통로폐쇄용 조작부에 의해서는 개도량조절용 조작부에 의해 개도량이 설정되어 증기가 흐르는 상태에서 내부통로를 신속하게 폐쇄시킬 수 있게 되므로, 보일러 또는 터빈의 긴급사태로 인해 증기의 공급이 급작스럽게 중단되는 경우에 제어밸브에 미치는 압력거동이나 안정성을 정확히 파악하는 실험을 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 통로폐쇄용 조작부의 개폐부재가 개도량조절용 조작부의 디스크 상부에 위치되고 개폐부재의 하부에는 디스크를 수용하는 원통형의 공간부가 형성됨에 따라 협소한 밸브몸체의 내부 공간을 효율적으로 이용할 수 있고, 더욱이 통로폐쇄용 조작부의 개폐부재가 밸브몸체 내에 구비된 가이드통체에 의해 안내되어 직선운동하게 되므로, 내부통로의 개폐동작이 정확하고 안정적으로 이루어지며, 밸브몸체의 입구와 내부통로 사이에 구비된 정류통체에 의해서는 내부통로로 유입되는 유체의 흐름을 안정되게 하여 개도량 변화에 따른 압력거동을 더욱 정확하게 파악할 수 있는 유용한 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치에서 제어밸브의 내부구성을 나타낸 종단면 사시도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치에서 제어밸브의 작동상태를 나타낸 종단면도.
도 4는 종래의 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치에서 제어밸브의 내부구성을 나타낸 종단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이, 압축공기를 생성하는 공기압축기(110)와, 공기압축기(110)의 후방 측에 배관으로 연결되고 실제 증기 터빈에 사용되는 제어밸브를 일정 비율로 축소하되 개도량이 조절 가능하게 형성된 모형밸브(120)와, 모형밸브(120)의 입구(121a)측 및 출구(121b)측에 각각 배치되는 제1 압력계(130) 및 제2 압력계(140)로 구성된다.
상기 공기압축기(110)는 공기를 압축하는 통상의 콤프레셔 등으로 형성하여 모형밸브(120)에 일정한 유속 및 압력의 공기가 공급되도록 하는 것이 바람직하나, 다양한 실험 환경 조성을 위하여 고압의 물 등의 액체 및 다양한 종류의 고압의 가스 등을 이용하는 것도 무방하다.
상기 모형밸브(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브몸체(121), 개도량조절용 조작부(122) 및 통로폐쇄용 조작부(123)를 구비한다.
즉 밸브몸체(121)는 일측에 상술한 공기압축기(110)에서 생성된 압축공기가 배관을 통해 유입되도록 하는 입구(121a)가 형성되고, 타측에는 밸브몸체(121)를 통과한 유체가 배출되는 출구(121b)가 형성되며, 밸브몸체(121)의 내부에는 입구(121a)와 출구(121b) 사이를 연결하는 내부통로(121c)가 형성되어 있다.
개도량조절용 조작부(122)는 모형밸브(120)의 개도량을 변화시키기 위한 것으로, 외부에서 조절 가능하게 배치된 스템(122b)이 밸브몸체(121)의 하부쪽에 구비되고, 밸브몸체(121)의 내부통로(121c)에 위치한 끝단에는 내부통로(121c)의 개방 정도를 미세하게 조절하기 위한 디스크(122a)가 일체적으로 고정되어 스템(122b)과 함께 상,하 이동하면서 모형밸브(120)의 개도량을 변경시킬 수 있도록 구성되어 통상의 액츄에이터 또는 수작업에 의해 스템(122b)을 조작함으로써 모형밸브(120)의 개도량을 조절할 수 있도록 되어 있다.
통로폐쇄용 조작부(123)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 밸브몸체(121)의 내부통로(121c)를 개방 또는 폐쇄시키는 개폐부재(123a)와, 이 개폐부재(123a)를 외부에서 조작하기 위한 스템(123b)으로 이루어진 것으로, 개도량조절용 조작부(122)와 마찬가지로 통상의 엑츄에이터 또는 수작업에 의해 스템(123b)을 조작하는 것이 바람직하며, 이때, 개도량조절용 조작부(122)는 내부통로(121c)의 개방 정도를 미세하게 조절하도록 조작되고, 통로폐쇄용 조작부(123)는 내부통로(121c)를 폐쇄하는 위치와 개방하는 위치로만 동작하도록 조작된다는 점에서 차이가 있다.
통로폐쇄용 조작부(123)의 개폐부재(123a)는 개도량조절용 조작부(122)의 디스크(122a) 상부에 위치되고, 개폐부재(123a)의 하부에는 개도량조절용 조작부(122)의 디스크(122a)가 상,하로 이동하여도 이를 수용할 수 있는 원통형의 공간부(123c)를 형성하고 있다.
또한 밸브몸체(121) 내에는 통로폐쇄용 조작부(123)의 개폐부재(123a)가 직선운동하여 내부통로(121c)를 개방 또는 폐쇄하는 위치로 이동하도록 가이드하는 가이드통체(124)를 구비하고, 밸브몸체(121)의 입구(121a)와 내부통로(121c) 사이를 차단하도록 설치되는 정류통체(125)를 구비한다. 정류통체(125)에는 다수개의 정류구멍(125a)이 균일하게 형성되어 입구(121a)로부터 유입되어 내부통로(121c)로 흐르는 유체의 흐름을 안정화시키도록 되어 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1 압력계(130) 및 제2 압력계(140)는 상기 모형밸브(120)의 입구(121a)측 및 출구(121b)측에 각각 설치되어 모형밸브(120)로 유입되는 공기의 압력 및 모형밸브(120)에서 배출되는 공기의 압력을 측정하는 것으로서, 관로를 흐르는 유체의 압력을 측정하는 통상의 압력계로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다. 도 1 및 도 2에서와 같이 공기압축기(110)를 작동시켜 고압의 공기를 모형밸브(120)의 입구(121a)측으로 공급하고, 모형밸브(120)에 구비된 개도량조절용 조작부(122)의 조작에 의해 디스크(122a)를 상,하 이동시켜 내부통로(121c)의 개방 정도를 조절함으로써 개도량을 설정한다.
따라서, 설정된 개도량에 따라 모형밸브(120)의 입구(121a)측 및 출구(121b)측의 유체 압력에 차이가 발생하게 되고, 이 압력차를 측정하여 모형밸브(120)의 개도량 대 입,출구(121a,121b)측의 압력비를 그래프화 함으로써, 개도량 변화에 따른 모형밸브(120)의 유동특성을 산출할 수 있게 되며, 이를 이용하여 실제 발전 터빈에 사용되는 제어밸브를 최적으로 설계함과 동시에, 증기 압력에 따른 제어밸브의 개도량을 정확히 산출하여 발전기의 운전을 사전에 최적화시킬 수 있다.
또한, 도 3a 및 도 3b에서와 같이, 개도량조절용 조작부(122)에 의해 개도량을 설정한 상태에서 모형밸브(120)의 통로폐쇄용 조작부(123)의 스템(123b)을 조작하여 개폐부재(123a)를 개방위치(도 3a의 개폐부재 위치)에서 폐쇄위치(도 3b의 개폐부재 위치)로 이동시키게 되면, 내부통로(121c)로 흐르는 유체의 흐름을 급속히 정지시킬 수 있게 되고, 이로써, 실제 발전 터빈에서 제어밸브를 통해 증기가 흐르는 상태에서 보일러 또는 터빈의 긴급사태로 인해 증기의 공급이 급작스럽게 중단되는 경우에 제어밸브에 미치는 압력거동이나 안정성을 정확히 파악하는 실험을 수행할 수 있다.
따라서, 이러한 실험을 통해 실제 발전용 터빈에 사용되는 제어밸브의 제작시 더욱 견고하고 안정성 있는 제어밸브를 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 증기의 흐름이 갑자기 중단되는 비상사태에 대비하는 시스템을 마련할 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명은 통로폐쇄용 조작부(123)의 개폐부재(123a)가 개도량조절용 조작부(122)의 디스크(122a) 상부에 위치되고 개폐부재(123a)의 하부에는 디스크(122a)를 수용하는 원통형의 공간부(123c)가 형성됨에 따라, 협소한 밸브몸체(121)의 내부 공간을 효율적으로 이용함으로써 밸브몸체(121)의 사이즈를 작게 할 수 있다.
또한 통로폐쇄용 조작부(123)의 개폐부재(123a)가 밸브몸체(121) 내에 구비된 가이드통체(124)에 의해 안내되어 직선운동하게 되므로, 내부통로(121c)의 개폐동작이 정확하고 안정적으로 이루어지며, 밸브몸체(121)의 입구(121a)와 내부통로(121c) 사이에 구비된 정류통체(125)에 의해서는 유체가 정류통체(125)의 정류구멍(125a)을 통과하는 과정에서 안정화되어 입구(121a)를 통해 유입되어 출구(121b)로 배출되는 유체의 흐름을 안정화시킴에 따라, 개도량 변화에 따른 압력거동을 더욱 정확하게 파악할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 공기압축기(110)와 모형밸브(120) 사이에 공기압축기(110)에서 생성된 압축공기를 저장하는 공기저장탱크(150)를 배치하고, 공기저장탱크(150)에서 배출되는 공기가 모형밸브(120)로 공급되도록 함으로써, 모형밸브(120)의 입구(121a) 측으로 유입되는 공기의 흐름을 더욱 안정화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 일정하게 유지시킬 수 있게 되어 실험이 더욱 안정적으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
또한 모형밸브(120)의 입구(121a) 측으로는 모형밸브(120)로 공급되는 유량을 계측하는 체적유량계(160)를 구비하여 정확한 실험을 위한 일정한 양의 공기가 모형밸브(120)로 공급되는지를 모니터링 할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 모형밸브(120)의 입구(121a)측과 인접한 위치에 모형밸브(120)로 공급되는 유체의 온도를 측정하는 온도계(170)를 배치함으로써, 실험 과정에서 유체의 온도에 따른 제어밸브의 작동 특성까지도 실험할 수 있도록 하는 것도 무방하다.
또한, 상술한 공기압축기(110) 및 공기저장탱크(150)를 통해 모형밸브(120)로 공급되는 배관 상에는 압축공기의 흐름을 층류화시켜 와류를 감소시키는 와류감소관(190)을 구비함으로써, 공기의 흐름이 이상기체와 더욱 가까운 흐름을 가지도록 함으로써, 본 실험장치에서 측정된 데이터를 이상기체방정식에 적용할 때의 오차가 최소화되도록 하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 와류감소관(190)은 일정 길이를 갖는 통상의 관 형상으로 형성되되, 관로의 내측면의 표면 거칠기가 고르게 가공되도록 함으로써, 관로 내측면과 유체의 마찰에 의한 와류 발생이 억제되도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 실제의 제어밸브를 이용하지 않고서도 좁은 실험실 환경에서 간편하고 정확하게 제어밸브의 성능 및 제어밸브의 개도량에 따른 유체의 흐름을 측정할 수 있게 되어 발전기 및 터빈을 설계할 때 미리 산출된 값을 이용하여 최적 설계를 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 터빈의 최적 작동을 위한 제어밸브의 작동을 사전에 최적으로 설정하여 터빈의 작동을 제어할 수 있게 되는 것이다.
상술한 제1 및 제2 압력계(130,140) 및 체적유량계(160)와, 온도계(170), 모형밸브(120)의 개도량은 통상의 신호처리과정을 거쳐 디지털화하고, 이 정보를 통상의 컴퓨터(180)로 입력하여 미리 설정된 방정식에 대입된 후 자동 계산되도록 하거나, 그래프가 그려지도록 함으로써, 본 장치에서 얻어지는 데이터를 이용하는 것이 더욱 신속하고 간편하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
지금까지 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
110 : 공기압축기 120 : 모형밸브
121 : 밸브몸체 121a,121b : 입,출구
121c : 내부통로 122 : 개도량조절용 조작부
122a : 디스크 122b,123b : 스템
123 : 통로폐쇄용 조작부 123a : 개폐부재
123c : 공간부 124 : 가이드통체
125 : 정류통체 125a : 정류구멍

Claims (3)

  1. 발전기의 증기발생기와 터빈 사이에 배치되어 터빈으로 공급되는 증기의 양을 조절하는 제어밸브의 개도량에 따른 제어밸브의 유량특성을 실험하는 장치에 있어서,
    압축공기를 생성하는 공기압축기;
    상기 공기압축기의 후방측에 배관으로 연결되고, 실제 증기 터빈에 사용되는 제어밸브를 일정 비율로 축소하여, 개도량이 조절 가능하게 형성된 모형밸브;
    상기 모형밸브의 입구측에 배치되는 제1압력계; 및
    상기 모형밸브의 출구측에 배치되는 제2압력계를 포함하여 이루어지며,
    상기 모형밸브는, 입구와 출구 사이에 내부통로를 가지는 밸브몸체와, 상기 밸브몸체의 내부통로의 개방 정도를 미세하게 조절하여 개도량을 변화시키는 디스크와 이 디스크를 외부에서 조작하기 위한 스템으로 이루어진 개도량조절용 조작부와, 상기 밸브몸체의 내부통로를 개방 또는 폐쇄시키는 개폐부재와 이 개폐부재를 외부에서 조작하기 위한 스템으로 이루어진 통로폐쇄용 조작부를 구비한 것을 특징으로 하는 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브몸체 내에는 통로폐쇄용 조작부의 개폐부재가 직선운동하도록 가이드하는 가이드통체와, 밸브몸체의 입구와 내부통로 사이를 차단하도록 설치되고 다수개의 정류구멍이 균일하게 형성된 정류통체를 더 구비한 것을 특징으로 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 모형밸브에 구비된 통로폐쇄용 조작부의 개폐부재를 개도량조절용 조작부의 디스크 상부에 위치시키고, 개폐부재의 하부에 디스크를 수용하는 원통형의 공간부를 형성한 것을 특징으로 하는 발전용 터빈의 제어밸브 유량특성 실험장치.
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